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.

Die Wasserstrahlschneidtechnik hat bekanntermaßen ein breites Anwendungsspektrum gefunden. Sie beruht auf der Werkzeugfunktion des Systemdruckes von 3000 bis 4000 bar, der Schnittfugenbreite von 0,3 bis 0,5 mm und der abtragunterstützenden Wirkung des Abrasivmittels im Wasserstrahl. Hier war ein Ansatz für den Verfahrenstest gegeben (Bild 1).

Wasserstrahlbearbeitung mit Abrassivzusatz ermöglicht erwünschte Bohrungen

Zur Umsetzung der Wasserstrahl-Bohrtechnologie am Realbauteil musste zunächst eine Anlagen- und Beschickungstechnik gefunden werden, was trotz der Vielfalt bereits betriebener Wasserstrahl-Bearbeitungsanlagen nicht selbstverständlich war. Im vorliegenden Beispiel konnte dies mit einem konzeptionellen Eigenbau eines Lohnanbieters für das Wasserstrahlschneiden realisiert werden.

Die Bauteilabmessungen und das Gewicht eines Heißgasgehäuses erfordern dessen Positionierung in einer Anlage mit fünf steuerbaren Achsen, um den Schneidkopf auf die räumlich unregelmäßig gekrümmte Bauteiloberfläche auszurichten. Damit lassen sich die vorgegebenen Bohrungen von 1,8 bis 2,0 mm Durchmesser genau in den kritischen Bauteilzonen durchführen, sodass die Schleierkühlung als Verschleißbremse ermöglicht wird. Das Bohren erfolgte mit Abrasivzusatz, was den Materialabtrag mit den fast zentrischen Bohrungen erst wie erwünscht ermöglichte (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Nachdem die für den Turbinenbau neue Bohrtechnik an einem „Alt“-Gehäuse erfolgreich ausgeführt wurde, sind nun optimierte Bohrungen (in Abmessung und Anordnung) auch an neuen Gehäusen möglich. Gleichzeitig kann mit dem Verfahren die Verformungsanfälligkeit gesenkt und der Gebrauchswert erhöht werden.

* Dr. Wilfried Storch ist Schweißfachingenieur bei der TÜV Rheinland Werkstoffprüfung GmbH in 13158 Berlin

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