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TÜV Rheinland Unregelmäßige Bauteiloberflächen mit dem Wasserstrahl bearbeiten

| Autor / Redakteur: Wilfried Storch / Stefanie Michel

Bauteile von Gasturbinen werden mit Temperaturen bis zu 1200 °C belastet und dadurch beschädigt. Deshalb muss die Oberfläche gekühlt werden. Der kühlende Strom wird durch Bohrungen zugeführt, die bisher mechanisch hergestellt wurden. Mit der Wasserstrahltechnik kann dies jetzt prozesssicher durchgeführt werden.

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Bild 1: Um die Nachteile des mechanischen Bohrens zu eliminieren, lässt sich die Wasserstrahl-Schneidtechnik auch für Bohrungen nutzen.
Bild 1: Um die Nachteile des mechanischen Bohrens zu eliminieren, lässt sich die Wasserstrahl-Schneidtechnik auch für Bohrungen nutzen.
(Bild: TÜV Rheinland)

Der ressourcenschonende Einsatz von teuren Konstruktions- und Betriebsstoffen ist eine wichtige Aufgabe für nachhaltige Energieerzeugung und Verbrauch. Am Beispiel der Neugestaltung von Heißgasgehäusen für Gasturbinen kann aufgezeigt werden, wie sich die Bauteillebensdauer mithilfe der Filmkühlung und deren technische Ausführung durch Wasserstrahlbohren erhöhen lässt. Ziel dabei ist der Schutz vor thermischer Bauteilüberlastung, ohne zusätzliche teure keramische Schutzschichten auf die Bauteiloberfläche aufzubringen oder Turbinenleistungsverluste durch eine verringerte Betriebstemperatur in Kauf zu nehmen.

Funktion einer Gasturbine: aus dem Gasstrom Antriebsenergie erzeugen

In einer Gasturbine wird chemische – in Öl oder Gas gebundene – Energie durch Verbrennung und den damit erzeugten Heißgasstrom in Antriebsenergie für Turbinenläufer umgesetzt. Damit können sowohl elektrische Generatoren als auch Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Kompressoren, angetrieben werden. Der Heißgasstrom wird dabei aus der Brennkammer der Gasturbine über ein Heißgasgehäuse gelenkt, um gezielt radial verteilt alle Schaufeln der Eintrittsstufe des Turbinenläufers anzuströmen.

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Das Heißgasgehäuse als dünnwandige Schweißkonstruktion (verwendete Werkstoffe: X8CrNiTi18.10, Nimonic75, Inconel617) mit Wandstärken von etwa 10 mm erfährt bei Temperaturen bis zu 1200 °C wechselnde Betriebslasten. Dies führt zu Deformationen und Materialverbrennungen infolge des Anströmens durch den Heißgasstrahl mit nachteiliger Anlagenfunktion.

Es sind vergleichbare Feststellungen über den Materialverschleiß hocherhitzter Turbinenbauteile von Gasturbinenschaufeln bekannt. Um diese gezielt zu schützen, erhalten sie Bohrungen auf der Bauteiloberfläche, durch die ein die Oberfläche zonal kühlender Gasstrom geleitet wird. Damit lässt sich der Verschleiß merklich reduzieren und die Standzeit der Schaufeln erhöhen.

Kühlungsprinzip der Schleierkühlung auf Heißgasgehäuse übertragen

Zusätzlich wurde versucht, das Kühlungsprinzip der Schleierkühlung auch auf Heißgasgehäusen zu übertragen. Bisher hat man dafür mechanisch Bohrungen gesetzt, verteilt über die zu kühlenden Heißgasgehäusezonen. Der Nachteil dieses mechanischen Bohrens ist allerdings der auf etwa 3,5 mm nach unten begrenzte Bohrungsdurchmesser, weil die Stabilität kleiner Bohrer für diese Aufgabe unzureichend ist. Die alternativ erprobten Bohrtechniken wie Erodieren, EB-Bohren, Laserbohren funktionieren im Laborstadium. Ob sie für die Anwendung an Großbauteilen mit bis zu 10.000 Bohrungen bei Zieldurchmessern von 1,5 bis 2,0 mm an einem Heißgasgehäusemantel tauglich sind, ist bis heute noch nicht funktional und wirtschaftlich gesichert.

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