Emissionsarme Magerverbrennung stellt eine Schlüsseltechnologie zur Erfüllung künftiger Gasturbinen Schadstoffgrenzwerte dar. Im Vergleich zu konventionellen Brennkammern ändert sich das Strömungs- und Temperaturfeld am Einlass der Hochdruckturbine, was Konsequenzen für die Turbinenaero- und Thermodynamik mit sich bringt. Ein Bereich von besonderem Interesse ist die Turbinenschaufelspitze. Diese ist kritisch hinsichtlich des Wirkungsgrads und gleichzeitig hohen Wärmebelastungen ausgesetzt, was die Lebensdauer begrenzt.

Diese Arbeit befasst sich mit dem aerothermalen Einfluss der Magerverbrennung auf die Rotorspitze. Dazu werden Experimente am Large Scale Turbine Rig durchgeführt. Der Prüfstand beinhaltet eine 1,5-stufige, hochskalierte, ringförmige Modellturbine, die bei niedriger Geschwindigkeit und nahezu atmosphärischen Bedingungen betrieben wird. Am Turbineneintritt sorgt ein nicht-reaktiver Brennkammersimulator für ein repräsentatives Strömungsfeld. Die Rotorspitzengeometrie umfasst eine Squealer-Kavität zur Leckagereduzierung und eine Reihe von Filmkühlbohrungen an der Druckseite.

Verschiedene experimentelle Methoden werden angewendet, einschließlich zeitgemittelter Druck- und Temperaturmessungen, Fünf-Loch-Sonden, Hitzdraht-Anemometrie in Verbindung mit Split-Fiber-Sonden, zeitaufgelösten Rotorgehäusedruckmessungen und druckempfindlicher Farbe. Die experimentellen Ergebnisse werden durch stationäre numerische Simulationen ergänzt. Mithilfe dieser Methoden werden das Strömungsfeld in der Turbine im Allgemeinen und aerodynamische und Kühlungs-Phänomene an der Spitze im Speziellen analysiert. Es werden Ergebnisse für einen Basisfall mit axialer Zuströmung, für zwei verschiedene Relativpositionen zwischen Drallerzeuger und Stator, sowie für unterschiedliche Rotorkühlmassenströme vorgestellt.

Magerverbrennung verursacht eine Massenstromumverteilung in Richtung der Naben- und Gehäusewände, eine Zunahme der Turbulenz und eine Inzidenz an der Rotorspitze. Dies wirkt sich auf die Profilbelastung und Leckage aus, was wiederum Einfluss auf die Entstehung der Sekundärströmungen hat. Der Turbinenwirkungsgrad nimmt ab, die Verluste, insbesondere im Turbinenrotor, nehmen zu und die Kühlwirkung an der Hinterkante der Schaufelspitze verschlechtert sich. Die Robustheit der Rotorspitze gegenüber Magerverbrennung kann zukünftig verbessert werden, wenn durch geeignete aerodynamische Auslegung die Leckage von der Profilbelastung entkoppelt wird.