Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von Mikrogasturbinen

Trotz ihres geringen Einheitsgewichts und der kompakten Bauform werden Mikrostrahltriebwerke gegenwärtig nur bedingt in Fluggeräten eingesetzt. Dabei ist die vergleichsweise geringe Verwendung gegenüber Propellerantrieben auf einen hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch und einen hohen Wartungsaufwand zurückzuführen. In der vorliegenden Abhandlung werden daher Möglichkeiten zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Mikrostrahltriebwerken untersucht, wodurch eine Erhöhung der resultierenden Flugleistung unter Verwendung von Mikrostrahltriebwerken im Vergleich zu Propellerantrieben erreicht werden soll. Aufbauend auf einer versuchtechnischen Verifizierung erfolgt eine Untersuchung der Realisierbarkeit von neuartigen Methoden nach dem zum Zeitpunkt der Veröffentlichung bestehenden Stand der Technik von Mikroflugtriebwerken an einer neu entwickelten Mikrogasturbine mit einem Nennschub von 400 N.
Zum einen wird der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen am Gehäuse und am Turbinenrotor erprobt. Diese bieten aufgrund der vergleichsweise hohen Reißlänge gegenüber herkömmlichen metallischen Werkstoffen ein hohes Potenzial zur Effizienzsteigerung. Für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen an der Turbinenstufe sind jedoch temperaturbeständige Werkstoffe erforderlich. Dabei verfügen beispielsweise Keramische Matrixwerkstoffe über die erforderlichen Stoffeigenschaften. Diese ermöglichen eine Steigerung der Turbineneintrittstemperatur ohne zusätzliche Kühlung der beanspruchten Bauteile. Dadurch wird die Erhöhung der massenbezogenen Nutzenergie erreicht, welche ein wichtiges Effizienzmerkmal für den thermodynamischen Arbeitsprozesses darstellt.
Des Weiteren wird eine verbesserte Rotorlagerung untersucht, bei welcher die erforderlichen Betriebsbedingungen an den Lagerstellen unter minimalem Einsatz der mitzuführenden Versorgungsmittel sichergestellt wird. Dafür wird eine ausreichenden Kühlung sowie die Minimierung der resultierenden Lasten an den Lagerstellen verfolgt. Zur Reduktion der mitzuführenden Versorgungsmittel wird ein geschlossener Ölkreislauf verwirklicht. Dazu ist sowohl für die Verwirklichung des geschlossenen Ölkreislaufs als auch der Achsschubkompensation eine entsprechende Auslegung des sekundären Luftsystems erforderlich.
Die theoretischen Modelle zur Leistungssyntheserechnung und dem Betriebsverhalten der Turbomaschinen sowie des sekundären Luftsystems werden einer experimentellen Erprobung am Versuchsträger unterzogen, um deren Gültigkeit nachzuweisen. Somit liefern diese für die konstruktive Auslegung von Mikrogasturbinen ein validiertes Verfahren zur Auslegung und Optimierung der Rotorlagerung.