Niederzyklische Ermüdungserscheinungen an Triebwerkskomponenten

Überblick

Steigende Turbineneintrittstemperaturen sowie ein möglichst geringer Kühlluftverbrauch erfordern den Einsatz effizienter Kühltechnologien. Dies ist nicht nur in der Brennkammer, sondern auch in den nachfolgenden Turbinenstufen, speziell der ersten Leit- und Laufschaufelreihe unmittelbar stromab der Brennkammer relevant. Nur durch intensive konvektive Wärmeübertragung in und auf der Rückseite der zu kühlenden Komponenten können die Wandtemperaturen in akzeptable Bereiche gebracht werden. Dabei werden die Oberflächentemperaturen filmgekühlter Turbinenschaufeln wesentlich durch den kühlluftseitigen konvektiven Wärmetransport bestimmt. Infolge fortgeschrittener Fertigungsverfahren wie dem Einkristallguss, aber auch der additiven Fertigung kann der Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs dadurch Rechnung getragen werden, indem die der Kühlluft zugewandte Seite der Schaufel mit Turbulatoren (engl. pin fins, ribs, dimples etc.) versehen wird. In der jüngsten Generation von Triebwerken werden diese Turbulatoren in verschiedenen Ausführungen innerhalb des nur wenige zehntel Millimeter breiten Spalts einer doppelwandigen einkristallinen Hochdruckturbinenleitschaufel integriert.

Diese thermisch höchst belasteten Komponenten und damit auch die feinen Strukturen innerhalb der Schaufel unterliegen einer komplexen Beanspruchung aus thermischer und thermomechanischer Ermüdung, Kriechen und Korrosion, welche höchste Anforderungen an die dafür eingesetzten Nickelbasissuperlegierungen stellen. Auch wenn heutige Werkstoffe ausreichende Festigkeit und Duktilität sowie eine geringe Kriechneigung und hohe Korrosionsbeständigkeit bei vergleichsweise geringer Dichte aufweisen, führen ihre hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie die geringen Wärmeleitfähigkeiten zu thermisch induzierten Wechselspannungen. Diese tragen trotz ausreichender Kühlung wesentlich zum Bauteilversagen durch thermische Ermüdung bei.

Die Wechselspannungen resultieren aus den unterschiedlichen Heißgastemperaturen am Turbineneintritt während eines Flugzyklus. Insbesondere der Start sowie die Schubumkehr bei der Landung tragen durch die schnelle Änderung der Turbineneintritts- und Kühllufttemperaturen zu hohen transienten Temperaturgradienten und den damit einhergehenden Wärmespannungen innerhalb des Bauteils bei, die zu thermischer Ermüdung führen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Temperatur- und Lastverlaufs basierend auf einem „CS-E 740 Endurance Test“ (vgl. EASA, 2007)

Weiterhin hat sich gezeigt, dass diese Spannungen zeitlich, aber auch lokal erheblich variieren und weitaus höher sind als induzierte stationäre Wärmespannungen und im Gegensatz zu Letzteren nicht ohne Weiteres durch eine angepasste Kühlung reduziert werden können.

Für eine zuverlässige und wirtschaftliche Auslegung der Triebwerkskomponenten ist daher neben der genauen Kenntnis der im Betrieb auftretenden Bauteiltemperaturen auch die Beurteilung der induzierten thermomechanischen Beanspruchung erforderlich. Eine Optimierung der Lebensdauer kann wirtschaftlich nur anhand umfangreicher numerischer Studien erfolgen, wobei insbesondere für die werkstoffwissenschaftlichen Lebensdauermodelle eine breite experimentelle Datenbasis notwendig ist. Diese kann mittels des mehrschichtigen Aufbaus, welche am weltweit einzigartigen Thermozyklierversuchsstand umgesetzt wurde bereitgestellt werden.

a) Ergasbefeuerte, staupunktstabilisierte Verbrennung, Mende (2010)      b) Mehrschichtiger Aufbau der adiabaten Brennkammer, Mende (2010)

 

c) Axialschnitt des modularen Aufbaus (Stand: 2010), Mende (2010) und Mende et al. (2009)

Abbildung 2: Besonderheiten des Thermozyklierversuchsstands

Ziele im Forschungs-/Industriebereich

  • Identifikation und Lokalisation niederzyklischer Ermüdungserscheinungen als Funktion des Orts und der Zeit
  • Verständnis relevanter Hochtemperaturschädigungsmechanismen in thermisch höchst belasteten Komponenten
  • Beurteilung der unterschiedlichen Kühlkonzepte hinsichtlich ihrer technologischen Anwendbarkeit und ihres wirtschaftlichen Erfolgs
  • Bereitstellung einer Datenbasis zur Validierung von Lebensdauermodellen

Quellen


Acoustic Emission Testing of Highly Loaded Combustor Liner Tiles for Gas Turbines
Mende, C.; Heits, E.; Schulz, A.; Bauer, H.-J.; Wanner, A.
2009. O.M.M.I, 6 (1)