Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMWasserstoffverbrennung in Flugtriebwerken erzeugt deutlich mehr Wasserdampf im Abgas als Kerosin. Die Folgen für die Lebensdauer von Turbinenwerkstoffen sind bislang kaum erforscht. Das Fraunhofer IWM entwickelt einen neuartigen Prüfstand, um Nickelbasislegierungen erstmals in situ unter realitätsnaher Wasserdampf- und Wasserstoffatmosphäre bei hoher Temperatur zu testen. Zehn Werkstoffe werden geprüft, Schädigungsmechanismen aufgeklärt und Abschlagsfaktoren ermittelt Es entsteht eine wichtige Wissensbasis für Unternehmen, die wasserstofftaugliche Turbinenkomponenten sicher auslegen wollen.
Nachhaltige Turbinenbauteile durch Steigerung der Lebensdauer für evolutionäre und revolutionäre Antriebe
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Die Luftfahrt setzt zur CO₂-Reduktion künftig auf Wasserstoffverbrennung. Dies erhöht den Wasserdampfgehalt im Abgas auf rund 12 %. Wie sich dies auf die Ermüdungslebensdauer von Nickelbasisgusswerkstoffen in der Niederdruckturbine auswirkt, ist bislang kaum erforscht. Vereinzelte Literaturdaten deuten auf deutlich reduzierte Lebensdauern hin. Ohne belastbare Kenntnisse können Turbinenkomponenten für Wasserstoffantriebe nicht sicher und wirtschaftlich ausgelegt werden.
Lösungsansatz des Projekts
Das Fraunhofer IWM entwickelt einen neuartigen Mini-Autoklav-Prüfstand, mit dem sich niederzyklische Ermüdungsversuche (LCF) erstmals in situ unter realitätsnaher Wasserdampf- und Restwasserstoffatmosphäre bei Überdruck und hoher Temperatur durchführen lassen. An zehn Nickelbasislegierungen werden in situ- und Referenzversuche durchgeführt und durch metallografische sowie fraktografische Analysen ergänzt, um Schädigungsmechanismen aufzuklären.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Aus den Versuchsdaten entstehen Dehnungswöhlerkurven und Abschlagsfaktoren im Vergleich zu Standardatmosphäre – eine belastbare Grundlage für die Werkstoffauswahl und Lebensdauervorhersage künftiger Niederdruckturbinen. Der aufgebaute Prüfstand steht darüber hinaus für weitere Fragestellungen rund um Wasserstoffverbrennung zur Verfügung und positioniert das Fraunhofer IWM als kompetenten Partner für Industrieunternehmen in diesem Zukunftsfeld.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM baut zunächst über eine Literaturrecherche eine Vergleichsdatenbasis zu Nickelbasisgusswerkstoffen unter Wasserdampfatmosphäre auf. Kernstück ist die Entwicklung und Inbetriebnahme eines neuartigen Mini-Autoklav-Prüfstands mit spezieller Dehnungsmesstechnik, mit dem LCF-Ermüdungsversuche in situ unter Wasserdampf- und Restwasserstoffatmosphäre bei hoher Temperatur und Überdruck durchgeführt werden. Ergänzend werden metallografische und fraktografische Untersuchungen zur Aufklärung der Schädigungsmechanismen durchgeführt. Am Ende liegen ein einsatzbereiter, vielseitig nutzbarer Prüfstand, eine umfangreiche Versuchsdatenbasis, Dehnungswöhlerkurven sowie Abschlagsfaktoren zur Lebensdauerbewertung im Vergleich zu Standardatmosphäre vor und damit konkrete, direkt nutzbare Ergebnisse für die Werkstoffauswahl in wasserstoffbetriebenen Turbinen.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
In-situ-LCF-Prüfung unter Wasserdampf- und Wasserstoffatmosphäre
Ermüdungsprüfung von Werkstoffen unter realitätsnaher Betriebsatmosphäre bei hoher Temperatur und Überdruck. Die erzeugten Daten sind belastbarer als klassische Laborluftversuche.
Werkstoffscreening für Wasserstoffanwendungen
Schnelle Bewertung der Eignung bestehender oder neuer Legierungen unter erhöhtem Wasserdampfgehalt zur Unterstützung der Werkstoffauswahl für neue Triebwerksgenerationen.
Ermittlung von Abschlagsfaktoren und WöhlerkurvenBelastbare Lebensdauerkennwerte im Vergleich zu Standardatmosphäre ermöglichen eine realistischere und zugleich wirtschaftlichere Bauteilauslegung.
Beratung zur Werkstoff- und Beschichtungsqualifizierung unter Wasserstoffeinfluss
Fundierte Einschätzungen basierend auf einer einzigartigen Datenbasis reduzieren Entwicklungsrisiken und -kosten bei neuen Wasserstoffanwendungen.
Nutzung des Autoklav-Prüfstands für weitere Umgebungsbedingungen
Mit der Erweiterbarkeit auf TMF-Versuche, Rissfortschrittsmessungen oder andere Gaszusammensetzungen steht eine flexible Testkapazität auch für stationäre Gasturbinen, Gasmotoren und andere H2-Anwendungen zur Verfügung.
