Aktuell / 28.05.2013

Wie lange eine Turbinenschaufel hält

In diesem Teststand führen die Wissenschaftler thermomechanische Ermüdungsversuche mit Materialproben durch.
In diesem Teststand führen die Wissenschaftler thermomechanische Ermüdungsversuche durch. Bild: Forschungszentrum Jülich

Wie lange hält eine Schaufel den Belastungen in der Turbine stand? Diese Frage treibt Björn Buchholz um. Er ist Ingenieur bei Siemens und koordiniert das Forschungsprojekt „Robuste Modelle zur verbesserten Werkstoffausnutzung für aktuelle Turbinenschaufelwerkstoffe II“, kurz RoMoTurb II. „Unser Ziel ist es die Werkstoffe besser auszunutzen“, sagt Buchholz. Dazu verfeinert er mit seinem Team bestehende Berechnungsmodelle zur Lebensdauer von Turbinenschaufeln.

Das sogenannte Modell Low Cycle Fatigue (LCF) bildet einen klassischen isothermen Ermüdungsversuch ab.
Das sogenannte Modell Low Cycle Fatigue (LCF) bildet einen klassischen isothermen Ermüdungsversuch ab. Bild: Björn Buchholz, Uni Dresden

Eine gängige Methode ist die Bewertung der niederzyklischen Ermüdungslebensdauer durch Low Cycle Fatigue (LCF). Ausgangsbasis für diese klassische Methode ist die Untersuchung des Werkstoffverhaltens unter isothermen Ermüdungsbedingungen. Dabei wird das Verformungsverhalten und die Lebensdauer in Abhängigkeit von  Dehnungsschwingbreiten und Temperaturen beschrieben. Auf Grundlage dieser Messungen des Werkstoffverhaltens wird die Lebensdauer der Bauteile berechnet.

 

Mit dem Modell, welches das Team von RoMoTurb II erarbeitet, soll das Ermüdungsverhalten der Werkstoffe unter Berücksichtigung des An- und Abfahrverhaltens der Gasturbinen genauer ermittelt werden. „Wenn wir das Verhalten des Werkstoffes bei Belastungen besser kennen, können wir die Lebensdauer des Bausteiles genauer berechnen“, erklärt Buchholz.

Die Grafik charakterisiert die thermomechanischen Schädigung in Abhängigkeit von der mechanischen Dehnschwingbreite, der Temperaturschwingbreite und der Phasenverschiebung.
Die Grafik charakterisiert die thermomechanischen Schädigungen in Abhängigkeit von der mechanischen Dehnschwingbreite, der Temperaturschwingbreite und der Phasenverschiebung. Bild: Björn Buchholz, Uni Dresden

Dazu führen die Forscher thermomechanische Ermüdungsversuche durch. Unter der englischen Bezeichnung „Thermomechnical Fatigue“, kurz TMF, ist das Verfahren bekannt. Dabei wird das Werkstoffverhalten unter zyklischen Beanspruchungen untersucht. So können die mechanischen und thermischen Beanspruchungen der Gasturbine realitätsnäher abgebildet werden. Die Herausforderung für die Forscher ist anschließend mit den gewonnenen Erkenntnissen ein Modell zu entwickeln, dass das komplexe Werkstoffverhalten über einen großen Temperaturbereich konsistent beschreibt.

Diese Kurve zeigt die Werkstofflebensdauer in Abhängigkeit der Schädigungsparameter.
Diese Kurve zeigt die Werkstofflebensdauer in Abhängigkeit der Schädigungsparameter. Bild: Björn Buchholz, Uni Dresden

Mit dem erarbeiteten Modell wollen die Forscher bisherige Lebensdauerprognosen validieren. Eine möglichst exakte Berechnung der Haltbarkeit von Turbinenschaufeln schont Ressourcen und schafft Sicherheit. Turbinen sind Hightech-Produkte, welche weitestgehend in Handarbeit gefertigt werden. Würde eine Schaufel in einer laufenden Turbine brechen, würde sie weitere Schaufelreihen beschädigen. Die Reparatur wäre auch durch die damit verbundene Stillstandszeit des Kraftwerks teuer. Eine Turbine macht fast die Hälfte der Kosten des Baus eines Großkraftwerks aus, daher stehen keine Ersatzturbinen bereit.

Am Projekt „RoMoTurb II“ sind die Technische Universität Darmstadt, MTU Aero Engines, das Forschungszentrum Jülich und die Siemens beteiligt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie fördert das Vorhaben innerhalb der Initiative „COORETEC“.