Eine aktuelle Untersuchung am ‚Karman Institute for Fluid Dynamics’ vergleicht die pulsierende Kühlung mit der Dauerkühlung. Wissenschaftler haben die verschiedenen Baublöcke, die erforderlich sind, um eine detaillierte Einsicht in dieses neue Konzept der pulsierenden Turbinenkühlung zu erhalten, ausgewählt und definiert.

Ein mechanisches pulsierendes Ventil mit einem geeigneten Frequenz- und Amplitudenbereich generiert die pulsierende Kühlluft. Der Luftstrom durchläuft eine von LayerWise gefertigte Hochdruck-Einlassschaufel, zirkuliert die komplette Länge entlang und tritt durch eine Rille an der Hinterkante aus. Dabei handelt es sich um ein vereinfachtes und skaliertes Turbineneinlassschaufelmodell, abgeleitet von einer gängigen Geometrie.

Professor Paniagua und sein Team verfolgten den kompletten Aufbau Schritt für Schritt mit Hilfe einer Simulationssoftware für Flüssigkeitsdynamik. Das gesamte Experiment wurde modelliert, inklusive Rohre, Pulsierventil und Schaufelaussparung. Das Flüssigkeitsdynamikmodell wurde eingesetzt, um die Untersuchung bis über die Grenzen des aktuellen Aufbaus zu erweitern, größtenteils in der oberen, vom Ventil erzeugten Frequenz. Anschließend erfolgten Versuche, um die numerischen Ergebnisse zu kontrollieren. Diesbezüglich war die Konstruktion des Modells der Turbineneinlassschaufel für LayerWise eine große Herausforderung. Die Tatsache, dass die Schaufel als eine Einheit in nur einem Fertigungsschritt – inklusive sämtlichen internen Kühlungsaussparungen und Instrumentenkanäle – produziert wurde, macht dies mehr als deutlich.

Tom De Bruyne, LayerWise Sales Manager, erklärt, dass die erforderliche Geometrie für traditionelle Metallverarbeitungsverfahren nicht geeignet war: "SLM reversiert das komplette Fertigungsverfahren, indem Material in Schichten aufgebaut wird, anstatt es in verschiedenen Metallverarbeitungsschritten zu entfernen. Aufgrund der Begebenheit, dass Metallpulverteilchen mit einem leistungsfähigen Hochpräzisionslaser behandelt werden, schmelzen die Teilchen schnell und komplett, so dass neues Material ohne Leim oder Bindflüssigkeit haftet. Da der Laser jederzeit Zugang zu sämtlichen gewünschten Standorten hat, sind wir in der Lage, die komplexe Geometrie der Schaufel zu verwirklichen, inklusive sämtlicher interner Kühlungsaussparungen und Instrumentenkanäle."

Eine Besonderheit der Schaufel ist die, dass sie für eine hohe Dichtheit bei Messungen ausgelegt ist. De Bruyne bemerkt, dass sie zweckbestimmte Anschlüsse und Kanäle enthält, damit Sensoren und Verkabelung die Windtunnel-Experimente nicht beeinflussen. SLM ist die einzige metallverarbeitende Technologie die imstande ist, diese spitzfindigen Merkmale zu integrieren. Daraus folgt: Die Gültigkeit der Messdaten wird garantiert. Auch aus diesem Grund schätzten die Wissenschaftler am Karman Institute die Zusammenarbeit mit LayerWise. Das gute Verhältnis trug demnach dazu bei, dass die geometrischen Schaufelanforderungen rechtzeitig eingebracht werden konnten.

Im Windtunnel wird die aerodynamische Leistung der Schaufel experimentell unter motorrepräsentativen Bedingungen getestet. Da ein Experiment nur etwa eine halbe Sekunde dauert, wurde eine Bildeinstellung gewählt, um die Stosswellen – die sich in der Hinterkante der Schaufel bilden – darzustellen. Während den Windtunneltests haben die Sensoren im Materiall sowie in den oberen und unteren Windtunnelströmungskanälen sämtliche Daten gesammelt. Die Luftströmung der Kühlmittelschaufel wurde mit Hilfe eines rotierenden Ventils generiert, das mit einer drehenden Lochscheibe betrieben wird, wodurch eine pulsierende Hochdruck-Luftströmung bis 200 Hertz garantiert werden kann.

Windtunneltests, inklusive Ergebnisse mit Durchschnittszeit und Zeitlösung, haben beim Auslesen und Verstehen der Aerodynamik und beim Nachweis der komplexen Physik sehr geholfen. Laut Professor Paniagua ist das Verhältnis zwischen pulsierender Kühlung und Stosswellenverhalten ebenfalls ziemlich revolutionär. Die Computersimulation der Flüssigkeitsdynamik sieht eine Abnahme der Stossintensität von 70 Prozent vor. Professor Paniagua: "Das Fazit dieses erfolgreichen Untersuchungsprojektes ist, dass Stosswellen richtig kontrolliert werden können, indem Timing und Amplitude optimiert werden. Dies bietet ein großes Potenzial für Aeromotoren- und Kraftwerkturbinenhersteller, um kompaktere Motoren mit höherer Leistung und einem besseren Kraft-Gewicht-Verhältnis zu entwickeln."