Flexible Turbomaschinen für klimaneutrale und resiliente Energiesysteme

Projektbeschreibung

Marktbedarf und Herausforderungen
Gasturbinen müssen zunehmend flexibel gefahren werden, um die volatile Einspeisung erneuerbarer Energien auszugleichen – mit häufigeren Start-Stopp-Zyklen und höheren Wechselbelastungen für Turbinenschaufeln. Diese werden im Feingussverfahren hergestellt, wobei fertigungsbedingte Gussporen kaum vermeidbar sind. Bisherige Auslegeverfahren behandeln solche Defekte konservativ als Anrisse und vernachlässigen die Phase bis zur Rissentstehung – das führt zu unnötig kurzen Wartungsintervallen und hohen Kosten.

Lösungsansatz des Projekts
Das Fraunhofer IWM entwickelt ein probabilistisches Lebensdauermodell für Ni-Basis-Gusslegierungen (René 80 CC), das die Wechselwirkung von Kriechen und niederzyklischer Ermüdung an Gussdefekten realistisch abbildet. Basis ist der am Institut entwickelte Schädigungsparameter DFC. Dazu werden reale und künstliche Defekte aus Turbinenschaufeln entnommen, in aufwendigen Kriech-, Ermüdungs- und Kriech-Ermüdungsversuchen bei hohen Temperaturen charakterisiert und mikrostrukturell analysiert.

Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Durch die explizite Berücksichtigung von Defektgröße, -morphologie und Kornstatistik entsteht ein deutlich realistischeres, weniger konservatives Bewertungskonzept als bisherige Ansätze. Dies ermöglicht eine genauere Lebensdauerprognose, potenziell längere Wartungsintervalle und geringere Kosten für Betreiber von Gasturbinen. Das entwickelte Modell ist zudem auf andere Bauteile und Fertigungsverfahren – etwa additiv gefertigte Komponenten – übertragbar.

Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:

Zunächst entnimmt und fertigt das Fraunhofer IWM Proben mit natürlichen und künstlichen Gussdefekten aus realen Turbinenschaufeln, unterstützt durch CT-Scans (AP 1.3.1). Im Kern werden rund 180 Proben in Kriech-, LCF- und kombinierten Kriech-Ermüdungsversuchen bei zwei Hochtemperaturniveaus geprüft (AP 1.3.2–1.3.4), begleitet von fraktografischen und EBSD-Mikrostrukturanalysen zur Aufklärung der Schädigungsmechanismen. Auf dieser Basis kalibriert und erweitert das Fraunhofer IWM sein bestehendes DFC-Schädigungsmodell um den Einfluss von Gussdefekten und Kornorientierung und entwickelt daraus ein probabilistisches Bewertungskonzept für die Kriech-Ermüdungs-Interaktion, das abschließend exemplarisch an einer realen Komponente per FE-Analyse angewendet wird. Am Ende liegen ein validiertes, probabilistisches Lebensdauermodell, eine umfangreiche Versuchsdatenbasis sowie ein Kriech-Ermüdungs-Interaktionsdiagramm für René 80 CC vor.