Projekt-Cluster

Höhere Temperaturen in Turbinen

Forschungsansatz

Lasergebohrte Kühlöffnungen in der Gasurbinenschaufel – austretende Luft erzeugt hier im Betrieb einen kühlenden Film. ©Siemens

Die Leistung der Turbomaschinen wird erhöht, indem man die entscheidenden Faktoren – Temperatur und Druck – steigert; dies ist nur mit Hilfe neuer Werkstoffe und optimierter Technologien bei Kühlung und Beschichtung möglich.


Beim Gas- und Dampfturbinenkraftwerk bedeutet dies zusätzlichen Forschungsbedarf in den Bereichen fortschrittlicher Gasturbinentechnologien (Verdichter, Brennkammer, Turbine) und optimierter Anlagenintegration. Um die höheren Wirkungsgrade zu erzielen, ist die Turbineneintrittstemperatur deutlich anzuheben. Es gilt, neue Hochtemperatur-Schichtsysteme zu entwickeln, den Kühlluftbedarf mit neuen Kühlungskonzepten zu reduzieren und die aerothermodynamischen Eigenschaften der Turbokomponenten, auch im Teillastbereich, zu verbessern.


Turbinenschaufeln in Kraftwerken mit herkömmlichen Dämmschichten aus Keramik haben eine Lebensdauer von nur zwei bis drei Jahren. Bei Temperaturen von 1200°C wird die Keramik durch Sinterprozesse nach einer Weile steif und platzt ab. Werkstoffexperten in Bochum und Jülich lösen dieses Problem durch ein Doppelschichtsystem.

Forschungsziele

  • Optimierung der Kühlmediumentnahme und -führung
  • Optimierung der Schaufelinnenkühlung
  • Multidisziplinäre Auslegung zukünftiger Schaufelprofile (Aerodynamik, Kühlung und Leckage)
  • Verbesserte und zuverlässige Dichtsysteme
  • Hochtemperaturwerkstoffe auf Turbinenschaufeln besser ausnutzen

Perspektiven

Das heute am häufigsten in Gasturbinen eingesetzte Kühlmedium ist Luft. Ein Teil der verdichteten Luft wird dem Verdichter entnommen und unter Umgehung der Brennkammer den Gasturbinenschaufeln zugeführt. Etwa ein Fünftel der vom Verdichter angesaugten Luft wird zu Kühlzwecken benötigt, steht dem eigentlichen Verstromungsprozess nicht zur Verfügung und wirkt sich somit nachteilig auf den Wirkungsgrad aus.

Eine Steigerung der Turbineneintrittstemperaturen bewirkt auf der einen Seite eine Erhöhung des Gasturbinenwirkungsgrades, erfordert auf der anderen Seite auch einen höheren Kühlluftbedarf, der wiederum den Wirkungsgradgewinn reduziert. Zukünftige Aktivitäten sollten sich daher insbesondere auf die Entwicklung von neuen Kühlkonzepten sowie geeigneten hochtemperaturbeständigen Materialien konzentrieren. Konzeptüberlegungen gehen davon aus, dass für das Erreichen eines GuD-Wirkungsgrades von 65 % Gasturbineneintrittstemperaturen von fast 1500°C (17 bar) erforderlich sind. Darüber hinaus ist dieser Gasturbinenprozess mit dem Wasserdampfkreislauf auf Basis der 700°C-Dampfturbinentechnik zu kombinieren.

 

Für Gasturbinen mit derart hohen Eintrittstemperaturen reichen die bekannten und heute eingesetzten Kühlungsarten wie Konvektions-, Prall- sowie Filmkühlung oder auch Kombinationen unterschiedlicher Kühlungsarten nicht aus. Daher werden u.a. neue Kühlungsarten und Werkstofflösungen analysiert, mit denen derart hohe Temperaturen beherrscht werden können. Darüber hinaus ist es von großer Bedeutung, alle Turbomaschinen aufeinander abzustimmen und zu optimieren. Eine Weiterentwicklung der Filmkühlung stellt die sogenannte Effusionskühlung dar. Sie unterscheidet sich von der Filmkühlung dadurch, dass die Kühlluft nicht durch Bohrungen sondern durch einen porösen Werkstoff hindurch gleichmäßig (Vermeidung von lokalen Überhitzungen) und kontinuierlich auf die gesamte Profiloberfläche geleitet wird. Während das Prinzip der Effusionskühlung darin besteht, einen homogenen Kühlungsfilm zu gewährleisten, wird bei der Transpirationskühlung zusätzlich ein Phasenwechsel des Kühlfluids angestrebt, der eine weitere Steigerung der Kühleffektivität bedeutet. Die Transpirationskühlung ist als langfristige Vision zu sehen. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, den Phasenwechsel gezielt steuern zu können.

Neben besserer Kühlung erlauben neue Werkstoffe für Turbinenschaufeln höhere Temperaturen. Dabei muss das richtungsabhängige Verhalten einkristallin und gerichtet erstarrter Nickel-Basislegierungen besser verstanden werden - und zwar bei unterschiedlichen Beanspruchungen wie häufigen Wechseln von Laufgeschwindigkeiten oder Temperaturen (LCF-, HCF-, TMF- und Kriechen. Auf dieser Grundlage soll die Lebensdauer von Hochtemperaturwerkstoffen weiter gesteigert werden. Hiefür werden Verformungs- und Schädigungsmodelle entwickelt, die das mechanische Verhalten der untersuchten Werkstoffe beschreiben und einen wesentlichen Fortschritt gegenüber den derzeit üblicherweise verwendeten Lebensdauerkonzepten darstellen. Die hier erarbeiteten Technologien könnten, technischer Erfolg vorausgesetzt, innerhalb von bis zu 5 Jahren nach Projektende bei der Entwicklung neuer Produkte zur Verbesserung der Lebensdauervorhersage eingesetzt werden, z. B. bei der Neu- und Weiterentwicklung von stationären Gasturbinen.

Hintergrund

Die Arbeiten zur „Kühlung“ konzentrieren sich auf Kühlmittelführung und Schaufelinnenkühlung sowie Interaktion von Kühlung, Aerodynamik und Leckage.

Es existieren verschiedene vielversprechende technische Möglichkeiten, um den Kühlmittelbedarf zu reduzieren und die Gastemperatur in der Turbine weiter zu steigern. Dazu zählt die Entwicklung verbesserter Hochtemperaturwerkstoffe und Wärmedämmschichten. Fortschritt verspricht auch die innovative Bauteilkühlung und der verbesserte Schutz vor Wärmeeintrag mithilfe von dünnen Kühlfilmen. Bei Kühlfilmen handelt es sich um eine isolierende, schützende Gasschicht, die das heiße Arbeitsmedium von der Gasturbinenschaufel trennt. Innovative Konzepte zeichnen sich durch einen steigenden Detaillierungsgrad der Konstruktionen aus. Besonders geeignet erscheint die Kombination aus Prall- und Filmkühlung – neben der technisch schwieriger zu realisierenden Transpirationskühlung, der effizientesten Methode. Diese Kühlmethoden werden zunehmend für wandintegrierte Konfigurationen in der Brennkammer in Betracht gezogen. Vor allem, weil die Fertigungstechnologie auf diesem Gebiet in letzter Zeit deutliche Fortschritte gemacht hat. Die Geometrien fallen dadurch auf, dass sie teilweise gegensätzliche Anforderungen – eine ausreichende strukturelle Festigkeit des Bauteils (größere Wandstärken) und die erforderliche Kühlung (geringe Wandstärken) – miteinander vereinen. Aufgabenschwerpunkte sind unter anderem die optimale Abstimmung der eingesetzten Kühlmethoden, das Erreichen möglichst geringer Herstell- und Wartungskosten,eine hohe Zuverlässigkeit sowie erhöhte Funktionalität und Sicherheit durch Partikelabscheidesysteme.

 

Der Gesamtwirkungsgrad einer Anlage hängt nicht nur von der Güte der Einzelkomponenten ab, sondern wird auch maßgeblich dadurch beeinflusst, wie gut die einzelnen Komponenten und ihre Schnittstellen aufeinander abgestimmt sind. Ein Beispiel ist die Wechselwirkung zwischen der stark drallbehafteten Brennraumströmung und der ersten Leitschaufelreihe der Turbine. Der Drall hat einen beträchtlichen Einfluss auf die aerodynamischen Verluste dieser Schaufelreihe und die Ausbreitung beziehungsweise Entstehung des Kühlfilms an der Schaufeloberfläche. Berücksichtigt man die komplexe Brennkammeraustrittsströmung im Auslegungsprozess, wäre eine aerodynamische Optimierung der ersten Leitschaufelreihe sowie eine verbesserte Filmkühlung möglich. Dadurch ließe sich der Prozesswirkungsgrad direkt erhöhen und die Kühlluftmenge reduzieren.

 

Leistungssteigerungen und Anforderungen an die Kompaktheit einer Anlage werden in Zukunft zu Hochdruckturbinen führen, die sowohl im Stator als auch im Rotor über der Schallgeschwindigkeit liegende, sogenannte transsonische, Strömungsverhältnisse aufweisen. Das erhöht nicht nur die aerodynamische Belastung der Turbinenschaufeln, sondern führt zu einer stetig zunehmenden thermischen Belastung aufgrund steigender Turbineneintrittstemperaturen. Eine intensive Kühlung der Schaufelhinterkanten ist zwingend erforderlich. Das ist oft die Lebensdauer bestimmende Zone einer Schaufel. Gleichzeitig müssen die Hinterkanten so dünn wie möglich sein, da die Hinterkantendicke einen großen Einfluss auf den Profilverlust durch Strömungswirbel hat. Dies führt zu einem inhärenten Konflikt zwischen struktureller Festigkeit, Herstellbarkeit und induzierten aerodynamischen Verlusten von Turbinenleit- und Laufschaufeln. Die Optimierung des Hinterkantenbereichs ist also von hoher Bedeutung.


Wissenschaftler in Bochum und Jülich entwickeln neue Werkstoffe für ein zweischichtiges Dämmsystem, das Bauteile besser als bisher vor extremer Hitze schützt. So kann man Turbinen bei höheren Temperaturen betreiben und dadurch mehr Energie aus den fossilen Brennstoffen gewinnen. Auf eine Keramikschicht tragen die Forscher eine zweite Schicht aus einer oxydischen Verbindung auf, Pyrochlor genannt. Diese Doppelschicht lässt 100 °C weniger Hitze zum Metall durchdringen als einzelne Keramikschichten. Das verlängert die Lebensdauer der Turbinenschaufeln und erlaubt die Steigerung des Wirkungsgrads von Kraftwerken durch höhere Temperaturen. Als Schutzschicht gegen die Hitze bringt man auf Turbinenschaufeln Keramikpartikel auf. Sie können die Temperatur, die an das Metall der Schaufel dringt, um bis zu 300 °C reduzieren. Die Forscher der Ruhruniversität Bochum und des Forschungszentrums Jülich setzten auf Pyrochlor, obwohl es für sich allein viel zu spröde ist. Aber im Doppel mit einer keramischen Schicht sind die rund 100 °C mehr drin, die den Wirkungsgrad eines Kraftwerks um zwei Prozentpunkte steigern können.

Forschungsvorhaben zum Thema höhere Temperaturen

Wärmeübergang in verzweigten rotierenden Kavitäten; Untersuchung und Optimierung von Kühllufteintritt und Durchströmung rotierender, verzweigter Kavitäten
Forschende Organisation: Technische Universität Dresden - Fakultät Maschinenwesen - Institut für Strömungsmechanik - Lehrstuhl für Magnetofluiddynamik
Förderkennzeichen: 0327725G | 0327725H
Projektlaufzeit: 09/2006 - 09/2011 (abgeschlossen) | 10/2011 - 03/2016

 

Robuste Modelle zur verbesserten Werkstoffausnutzung für aktuelle Turbinenschaufelwerkstoffe (RoMoTurb II)
Forschende Organisationen: Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energieforschung (IEK-2); Siemens Aktiengesellschaft - Energy Sector - Abteilung E F PR GT EN M&T MSD2, München; MTU Aero Engines GmbH, München; Technische Universität Darmstadt - MPA & Institut für Werkstoffkunde
Förderkennzeichen: 03ET2019A | 03ET2019B | 03ET2019C | 03ET2019D
Projektlaufzeit: 06/2011 - 12/2014 (abgeschlossen)

 

Wärmeübergang und Filmkühleffektivität auf dreidimensional konturierter Seitenwand (in Gasturbinen)
Hybride Modelle (Auslegungsrechnungen für Turbulenzen an Gasturbinenschaufeln)
Forschende Organisation: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Fakultät für Maschinenbau - Institut für Thermische Strömungsmaschinen
Förderkennzeichen: 0327719J
Projektlaufzeit: 09/2010 - 08/2013 (abgeschlossen)

 

Material- und Prozeßtechnologie für ein modulares Konzept für Gasturbinen-Heißgasbauteile
Forschende Organisationen: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation - Abt. PE41
ALSTOM Power Systems GmbH
Förderkennzeichen: 0327705T | 0327705U
Projektlaufzeit: 03/2007 - 07/2010 (abgeschlossen) | 03/2007 - 10/2010 (abgeschlossen)

 

Probabilistische Lebensdauerberechnung für Design bei extremen Temperaturen
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Energy Sector - Abt. E F PR GT EN 412
Förderkennzeichen: 0327718A
Projektlaufzeit: 01/2010 - 09/2013 (abgeschlossen)

 

Experimentelle Untersuchungen zur fortschrittlichen Gestaltung von rotierenden Kühlsystemen in Turbinenschaufeln
Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Institut für Antriebstechnik
Förderkennzeichen: 0327713S
Projektlaufzeit: 04/2006 - 09/2010 (abgeschlossen)

 

Einfluss der Rotation auf die Zyklon- und Prallkühlung fortschrittlicher Schaufelkühlsysteme
Forschende Organisation: Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Maschinenbau - FG Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Förderkennzeichen: 0327716G
Projektlaufzeit: 01/2008 - 09/2013 (abgeschlossen)

 

Vorhabens-Gruppe Kühlmittelführung & Schaufelinnenkühlung: Fortschrittliche Geometrien im Schaufelrandbereich - 3D-Platform und Schaufelspitzengeometrie
Forschende Organisation: Alstom Power Systems GmbH
Förderkennzeichen: 0327716V
Projektlaufzeit: 04/2008 - 03/2013 (abgeschlossen)

 

Fortschrittliche Geometrien im Schaufelrandbereich - 3D-Platform und Schaufelspitzengeometrie
Forschende Organisation: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Förderkennzeichen: 0327716W
Projektlaufzeit: 04/2008 - 03/2013 (abgeschlossen)

 

Partikelabscheidung im Sekundärluftsystem
Forschende Organisation: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Fakultät für Maschinenbau - Institut für Thermische Strömungsmaschinen
Förderkennzeichen: 0327725C
Projektlaufzeit: 09/2006 - 08/2011 (abgeschlossen)

 

Untersuchung von wandintegrierten Prallkühlungs- und Filmkühlungskonfigurationen für thermisch hochbelastete Turbinenschaufeln
Forschende Organisation: Universität Stuttgart - Fakultät 6 Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie - Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt
Förderkennzeichen: 0327725F
Projektlaufzeit: 09/2006 - 10/2010 (abgeschlossen)