Verbesserung der Leistung von Übergangskanälen in der Luft- und Raumfahrt mit hochmodernen hitzebeständigen Legierungen Deutschland

Übergangsabschnitt: die Schlüsselbrücke zwischen Brennkammer und Turbine

Die Form des Übergangsabschnitts ist normalerweise ein sich allmählich veränderndes Rohr. Sein Querschnitt vergrößert sich allmählich vom Kompressor zur Brennkammer. Dies liegt daran, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit und der Druck am Kompressorauslass hoch sind und es notwendig ist, die Luftströmungsgeschwindigkeit durch Vergrößerung des Querschnitts zu verringern, damit der Luftstrom besser mit dem Kraftstoff vermischt und in der Brennkammer stabil verbrannt werden kann. Seine Länge variiert je nach Gesamtdesign und Leistungsanforderungen der Gasturbine. Im Allgemeinen sollte seine Längengestaltung den gleichmäßigen Übergang des Luftstroms und die Minimierung des Druckverlusts berücksichtigen.

Da der Übergangsabschnitt hohen Temperaturen und Drücken standhalten muss, ist er insbesondere vom Auslass der Brennkammer zur Turbine dem Scheuern durch hochtemperierte Verbrennungsgase ausgesetzt. Daher werden üblicherweise hochtemperaturbeständige Legierungsmaterialien wie Nickellegierungen verwendet. Im Herstellungsprozess kann Feingusstechnologie zum Einsatz kommen, um eine glatte Innenfläche zu gewährleisten und den Reibungswiderstand des Luftstroms zu verringern. Gleichzeitig werden bei einigen Übergangsabschnitten auch interne Kühlkanäle verwendet, um die Temperatur der Komponenten durch Einleiten von Kühlluft zu senken und so die strukturelle Integrität und stabile Leistung in Hochtemperaturumgebungen sicherzustellen.

Beim Übergang vom Kompressor zur Brennkammer besteht die Hauptfunktion darin, die Geschwindigkeit und den Druck des Luftstroms anzupassen. Die Luftstromgeschwindigkeit am Kompressorauslass ist hoch, während die Brennkammer einen relativ langsamen Luftstrom erfordert, um eine ausreichende Vermischung und stabile Verbrennung von Kraftstoff und Luft sicherzustellen. Der Übergangsabschnitt reduziert die Luftstromgeschwindigkeit und der Druck ändert sich entsprechend, um die Anforderungen des Brennkammereinlasses durch seine allmählich wechselnde Querschnittsfläche zu erfüllen. Von der Brennkammer zur Turbine muss der Übergangsabschnitt dem Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsgas ermöglichen, gleichmäßig in die Turbine einzutreten, um sicherzustellen, dass die Turbine effizient Energie aus dem Gas gewinnen kann. 

Die Gestaltung des Übergangsabschnitts ist entscheidend, um einen gleichmäßigen Luftstrom zu gewährleisten. In einer Gasturbine erfordern sowohl die Vermischung von Brennstoff und Luft in der Brennkammer als auch der Arbeitsprozess des Gases in der Turbine eine gleichmäßige Luftstromverteilung. Ein ungleichmäßiger Luftstrom kann zu Problemen wie unvollständiger Verbrennung, lokaler Überhitzung oder ungleichmäßiger Krafteinwirkung auf die Turbinenschaufeln führen. Der Übergangsabschnitt leitet den Luftstrom gleichmäßig durch spezielle Innenstrukturen wie Leitschaufeln und allmähliche Wandformen und verbessert so die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Gasturbinensystems.

Der Übergangsabschnitt zwischen Brennkammer und Turbine wirkt sich direkt auf die Arbeitsleistung der Turbine aus. Wenn der Übergangsabschnitt das Hochtemperaturgas nicht gleichmäßig in die Turbine leiten kann, werden die Turbinenschaufeln ungleichmäßiger thermischer und mechanischer Belastung ausgesetzt. Dies verringert nicht nur die Effizienz der Turbine, sondern kann auch Schäden an den Turbinenschaufeln verursachen und die Lebensdauer der Gasturbine verkürzen. Darüber hinaus wirkt sich der Druckverlust im Übergangsabschnitt auch auf den Gasdruck am Turbineneinlass aus und beeinträchtigt somit die Arbeitsleistung der Turbine.