Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Temperaturfeld am Radrücken eines Radialturbinenrades

Steigende Anforderungen an Turbolader hinsichtlich Eintrittstemperatur, Flexibilität und Effizienz belasten die Bauteile immer stärker. Neben Schwingungs- und Fliehkraftbelastungen treten im Turbinenrad thermische Belastungen aufgrund von transienten Temperaturänderungen auf. Im Projekt Radialturbinentemperaturfeld (AiF-Nr 17017 N) wurde davon ausgegangen, dass der dominierende Anteil der Wärme aus der Heissgasströmung über die Schaufel und die Nabe in das Turbinenrad eingetragen werden. Es konnte aber nachgewiesen werden, dass die über den Radrücken eingebrachte Wärme bis zu 50% der gesamt in das Turbinenrad eingebrachten Wärme betragen kann. Gerade dieser Wärmestrom über den Radseitenraum und den Radrücken hat einen signifikanten Einfluss auf die entstehenden transienten Wärmespannungen. Im vorliegenden Projekt sollen durch experimentelle und numerische Untersuchungen an einer ausreichend großen Turboladergeometrie die Temperaturen, Temperaturgradienten und Wärmeströme am Radrücken des Turbinenrades im Detail untersucht werden. Hierzu soll eine erweiterte Instrumentierung des Radrückens erfolgen.

Ist die instationäre thermische Last im Turbinenrad und insbesondere im Radrücken bekannt, können KMU mit Hilfe der erstellten Modelle schon zu Beginn von Auslegungsprozessen die Temperaturfelder und gradienten im Turbinenrad genauer abschätzen und Lebensdaueranalysen durchführen. Dies beschleunigt den Entwicklungsprozess bei gleichzeitiger Kostenreduktion.

Ein Arbeitskreis aus Industrieexperten stellt durch regelmäßige Zusammenkünfte mit der Forschungsstelle die industrielle Anschlussfähigkeit und den Erkenntnistransfer sicher. So ist davon auszugehen, dass ein Jahr nach Projektende die Erkenntnisse und die entwickelten Methoden in die industriellen Entwicklungsprozesse integriert sind. Nach Abschluss des Vorhabens werden die Ergebnisse in "Forschungsberichte Verbrennungskraftmaschinen" dokumentiert und auf Informationstagungen sowie renomierten Konferenzen präsentiert.

Ergebniszusammenfassung:

Mittels eines neu aufgebauten Prüfstandes wurden in einem instrumentierten Turbolader punktuell Temperaturen im stationären und transienten Betrieb aufgezeichnet. Die experimentellen Daten wurden genutzt um ein numerisches Modell zu validieren, welches die Strömungs- und Wärmeübergangsvorgänge in der betrachteten Turboladerturbine vollständig wiedergibt.

Auf Grundlage dieses experimentell validierten Modells wurden die Temperaturfelder auf der Rückseite des Turbinenrades und in der Welle analysiert und thermisch hoch belastete Bereiche identifiziert. In diesen Bereichen wurden die entscheidenden Wärmeübergangsmechanismen herausgearbeitet und damit die Ursache für die Entstehung der thermischen Belastungen aufgezeigt.

Somit ist ein tieferes Verständnis für die am Radialturbinenrad auftretenden Mechanismen bzw. Charakteristiken des Wärmeüberganges erreicht worden, was direkt bei der Auslegung neuer Turbinenräder im Hinblick auf kleinere Temperaturgradienten und damit geringere thermische Spannungen angewendet werden kann. Hierdurch ist eine bessere Abschätzung der Lebensdauer durch die am Auslegungsprozess Beteiligten möglich.