Turbinenkomponenten aus Hochleistungskeramik

Projekte

Steigerung des Wirkungsgrades

Turbinenkomponenten aus Hochleistungskeramik


Eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen ist durch Erhöhung der Eintrittstemperaturen zu erreichen. Die damit verbundenen Werkstoffanforderungen können durch Hochleistungskeramik wie Siliciumnitrid erfüllt werden. Neben einer hohen chemischen Beständigkeit bieten Keramiken weitere Vorteile wie hohe Festigkeiten im Hochtemperaturbereich und einen hohen Widerstand gegenüber Verschleißangriffen.

In einem Projekt des Fraunhofer-Innovationsclusters »Life Cycle Engineering für Turbomaschinen« werden dynamisch belastete Turbinenkomponenten aus einer hochfesten und extrem temperaturbeständigen Siliciumnitrid-Keramik sowie einer Zirkonoxid/Aluminiumoxid-Keramik entwickelt und hergestellt. Da die Langzeitbeständigkeit unter hohen Lasten und Temperaturen sichergestellt werden muss, liegt einer der Projektschwerpunkte auf werkstoffgerechtem Design. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften bis 1400°C. Aufgrund der hohen Festigkeit und Härte der gesinterten Keramik ist eine umfassende Nachbearbeitung der Komponenten mittels zerspanender Technologien sehr aufwendig. Um das Potential des Einsatzes von Hochtemperaturwerkstoffen im Turbomaschinenbau zu nutzen, wird die gesamte Prozesskette zur Fertigung von Turbinenkomponenten im Keramikspritzguss betrachtet.

Keramikspritzguss ermöglicht die kostengünstige Fertigung großer Stückzahlen mit komplexen Geometrien und hoher Oberflächengüte. Besonderes Augenmerk liegt darauf, dieses Verfahren für großvolumige Strukturen zugänglich zu machen. Auch mittels isostatischem Pressen und einer anschließenden Grün- oder Weißbearbeitung, kann die endkonturnahe Bearbeitung bereits vor dem Sintern erfolgen. Zudem lassen sich Bauteile mit geringen Wandstärken und großen Formtiefen herstellen. Weiterhin ist die Fertigung dieser hochfesten Bauteile in keramikgerechtem Design entscheidend, um die Leistungsfähigkeit des Werkstoffes optimal zu nutzen. Dafür werden sowohl analytische als auch numerische Lösungsansätze verwendet. Im Rahmen eines internen Fraunhofer Projektes konnten bereits weitreichende Erfahrungen in der Konstruktion einer keramischen Turbine mit optimierten Strömungs- und Spannungszuständen gewonnen werden.

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Broschüre

»Life Cycle Engineering für Turbomaschinen«

Markt- und Trendstudie »Maintenance, Repair and Overhaul (MRO)«

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Markt- und Trendstudie 
Maintenance, Repair and Overhaul 2011