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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

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Energieumwandlung durch Turbomaschinen

Turbomaschinen sind kontinuierliche Energiewandlungsmaschinen. Je nach Richtung der Energieumwandlung unterscheidet man zwischen Kraftmaschinen und Arbeitsmaschinen.

Kraftmaschinen entziehen dem durchströmenden Fluid Energie und wandeln diese in mechanische Leistung um. Ein klassisches Beispiel hierfür sind Turbinen.

Arbeitsmaschinen nutzen eine mechanische Antriebsleistung, um den energetischen Zustand des durchströmenden Fluids zu erhöhen. Beispiele hierfür sind Verdichter, Turbopumpen und Gebläse.

Im Betrachtungsbereich des Innovationsclusters »TurPro« stehen drei verschiedene Arten von Turbomaschinen: die Dampfturbine, die Gasturbine und der Verdichter.

Dampfturbinen

Eine Dampfturbine ist eine Kraftmaschine, die mechanische Leistung aus einem hochenergetischen Wasserdampfstrom erzeugt. Der Dampfstrom tritt in die Turbine bei hohem Druck und hoher Temperatur ein, entspannt sich in der Turbine und verlässt sie in einem energetisch niedrigeren Zustand.

Eingesetzt werden Dampfturbinen vorwiegend in konventionellen Kraftwerken, in denen ihre mechanische Leistung zum Antrieb eines Generators verwendet und damit in elektrische Leistung transferiert wird.

Gasturbinen

Gasturbinen werden im Unterschied zu Dampfturbinen nicht von Wasserdampf sondern von einem Brenngas angetrieben. Das Brenngas, oft ein Gemisch aus Sauerstoff bzw. Luft mit einem Brennstoff, wird zunächst in einer Brennkammer gezündet und dann zur Entspannung der Turbine zugeführt.

Vor der Zündung des Brenngases erfordert der thermodynamische Energieumwandlungsprozess eine Verdichtung des Brenngases. Ein Teil der von der Gasturbine erzeugten mechanischen Leistung wird dazu abgezweigt und einem Verdichter zugeführt.

Gasturbinen kommen in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern vor: In Gaskraftwerken wird ihre mechanische Leistung zum Antrieb eines Generators genutzt. Bei Flugzeugtriebwerken wird ihre mechanische Leistung dem Fan und dem Verdichter zugeführt.

Verdichter

Ein Verdichter ist eine Arbeitsmaschine, der mechanische Arbeit zugeführt wird, um ein durchströmendes Fluid auf einen höheren Energiezustand zu bringen.

Wie oben beschrieben, werden Verdichter oft dazu eingesetzt, das zur Verbrennung notwendige Gas vor der Zündung zu verdichten. Ein Beispiel hierfür ist das Flugzeugtriebwerk.

Weiterhin können Verdichter auch als Pumpe eingesetzt werden, um Reibungsverluste einer Rohrströmung zu kompensieren, wie es etwa beim Transport von Öl durch Pipelines der Fall ist.

Effizienzsteigerung durch Schaufeloptimierung

Alle drei beschriebenen Typen kommen häufig als Axialflussmaschinen vor. Das heißt, ihre mechanische Arbeit wird durch eine Welle übertragen, in dessen axialer Richtung das Fluid die Turbomaschine durchströmt. Der Energiewandlungsprozess erfolgt bei diesen Turbomaschinen über eine Vielzahl von Schaufeln, die mit der Welle verbunden sind und rotieren.

Die Gestaltung der Schaufeln hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Verlustleistung. Je besser die Schaufel dem strömungsmechanischen Ideal entspricht, umso eher entsprechen die Zustandsänderungen dem thermodynamischen Idealprozess. Umso näher liegt also der tatsächliche Wirkungsgrad der Anlage am optimalen (isentropen) Wirkungsgrad.

Die Herstellung der Schaufelelemente ist daher ein entscheidender Stellhebel zur Optimierung der Turbomaschinen und stellt somit höchste Ansprüche an die eingesetzten Fertigungstechnologien.

Einfluss der Fertigungskosten

Aus den Fliehkräften, die auf die rotierenden Elemente einwirken, resultieren erhebliche mechanische Belastungen, die den Einsatz hochwarmfester und schwer zerspanbarer Werkstoffe erfordern.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Einfluss auf den Wirkungsgrad von Turbomaschinen leisten die Herstellung und die Reparatur der Schaufelkomponenten daher auch einen wichtigen Beitrag zu den Lebenszykluskosten der Turbomaschinen.

Auf ein ziviles Flugzeugtriebwerk entfallen beispielsweise bis zu 25 Prozent der Herstellungs- und Reparaturkosten auf Schaufeln und Scheiben. Hierdurch verstärkt sich die Bedeutung der eingesetzten Produktionstechnologien nochmals.

Neue Technologien

Das Innovationscluster widmet sich der integrativen und kosteneffizienten Entwicklung, Herstellung und Reparatur von rotierenden Komponenten für Gas- und Dampfturbinen sowie Verdichter.

Schwerpunkte sind hier die Fertigung und Reparatur von Verdichter-BLISKs aus Ni- und Fe-Basiswerkstoffen. Bei BLISKs (blade integrated disks) werden die Schaufeln nicht mehr konventionell durch die Aufnahme des Schaufelfußes in einer profilierten Nut am Umfang der Scheibe formschlüssig verbunden, sondern direkt aus der massiven Scheibe herausgearbeitet oder durch Schweißverfahren stoffschlüssig an die Scheibe gefügt. Weitere Produkte, für die neue Bearbeitungsverfahren entwickelt werden, sind hochwertige Turbinenschaufeln aus Ni- und Fe-Basiswerkstoffen für Gas- und Dampfturbinen.

Das Projekt konzentriert sich dabei primär auf zerspanende Bearbeitungsverfahren und Laserverfahren. Diese werden im Hinblick auf die zu verarbeitenden Werkstoffe, die erforderlichen Bearbeitungszeiten und die erreichbare Präzision weiterentwickelt. Dabei steht der Aufbau durchgängiger Prozessketten für die Fertigung und Reparatur sowie die Maximierung der Prozessstabilität zur Reduktion der Ausschuss- und Nacharbeitsquote ebenfalls im Fokus.

Die Entwicklung erfolgt in mehreren Teilprojekten, die den Technologieclustern Geometriedatenerfassung, Laser, Prozessüberwachung und Machining zugeordnet sind. Die Verzahnung der Technologiekette erfolgt durch ein integriertes CAx-Framework.