Charm

Einführung:
In Zusammenarbeit mit der Universität Bath hat HiETA Technologies ein leichtgewichtiges und intern gekühltes radiales Turbinenrad entwickelt, hergestellt und physikalisch getestet, wobei die Design-Freiheiten der Additiven Fertigung (AM) genutzt wurden.

Das Ziel:
Das Ziel war es zu beweisen, dass ein Betrieb bei Turbineneingangstemperaturen von 1200°C bei einem intern gekühlten, additiv gefertigtem radialen Turbinenrad möglich ist.

Das gelöste Problem:
Bei einem Anstieg der Turbineneingangstemperaturen auf 1200°C wird die Wärmeeffizienz der Turbinenstufe wesentlich erhöht, und von daher kann die Gesamteffizienz des Motorensystems verbessert werden. Das aktive Kühlen des Turbinenrads erhöht die Lebenszeit der Komponenten und mit einem leichtgewichtigem Rad wird die Trägheit reduziert, wodurch die Antriebszeiten kürzer werden und der Verschleiß reduziert wird.

Anwendungen:
Die Technologie ist bei Mikro-Gasturbinensystemen, bei denen Systemwirkungen drastisch gesteigert werden können, indem das System heißer betrieben wird, sowie in der Automobil-Industrie anwendbar, in der eine geringere Trägheit vorteilhaft ist.

Was wurde gemacht:
Um das Ziel zu erreichen, wurden zwei Ansätze kombiniert. HiETA entwickelte die Fähigkeit, ein wärmebeständiges, robustes Nickel-Superlegierungsmaterial CM247LC zu verarbeiten. Außerdem wurde die Additive Fertigung genutzt, um ein neues Design zu schaffen, das die erforderliche interne Struktur des Rads mit einer gezielten internen Kühlmethode verband.

Ein ölgekühlter Standard-Turbolader wurde als Ausgangsreferenzbasis herangezogen. Das gekühlte AM-Rad wurde in Folge mit dem festen Rad an derselben Konstruktionsstelle unter Verwendung der gleichen Gehäuse und Lager getestet.

Die Topologie-Optimierung wurde verwendet, um die erforderlichen strukturellen Anforderungen zu leiten, während ein vollständig konjugiertes CFD-Wärmeübertragungsmodell geschaffen wurde, um die Kühlwirkung auf das Rad zu modellieren. Das CFD-Modell war eine vollständige Darstellung der Test-Einrichtung mit Kompressor, Lager und Turbinenseite. Die Leistung dieses Modells wurde dann anhand eines physikalischen Tests überprüft.

Aufgrund von Einschränkungen am Heißgasstand war es nicht möglich, bei Eingangstemperaturen von 1200°C zu testen, daher wurden die Räder bei einer Turbineneingangstemperatur von 720°C und mit 70.000 UPM getestet. Sowohl die festen wie auch die gekühlten Räder wurden mit thermischen Verlauflack beschichtet, der die höchsten Metalltemperaturen beim Rad aufzeichnet. Verglichen mit der Ausgangslage des festen Rades wurden beim gekühlten Rad eine LE-Temperaturreduktion von 60°C, eine TE-Reduktion von 100°C und eine Mittelblattreduktion von 90-100°C ersichtlich. Das gekühlte Rad war 22% leichter als die feste Ausgangslage. Die Ergebnisse vom Test korrelierten sehr stark mit den CFD-Ergebnissen, wodurch die Genauigkeit des Modells validiert wurde.

CFD wurde dann verwendet, um die Temperaturreduktion bei einer Turbineneingangstemperatur von 1200°C vorherzusehen. Unter diesen Voraussetzungen werden Temperaturreduktionen von 200°C bei LE, 250°C bei TE und 180-200°C bei der Mittelklinge erwartet.