Turbinenschaufeln der Zukunft

Durch die genaue Kenntnis des Werkstoffs kann die Effizienz einer Turbine und die Lebensdauer der Schaufel gesteigert werden.

Bayreuth – Unterstützt durch Know-how der Universität Bayreuth werden künftig Turbinenschaufeln für stationäre Gasturbinen zur Stromgewinnung in Bayreuth produziert. Diese Schaufeln sind bis zu 40 cm groß und müssen Temperaturen bis knapp 1000 °C standhalten. Dabei wirken durch die Umdrehungszahlen von bis zu 10.000 pro Minute hohe Zentrifugalkräfte auf den Schaufelfuß. Weiter erschwerend für das Schaufelmaterial kommen noch die heißen und aggressiven Brenngase hinzu, die mit hoher Geschwindigkeit (bis zu mach 1 = Schallgeschwindigkeit) auf die Schaufelfläche strömen. Eine Schaufel kann bis zu 1 MW Strom erzeugen. Diesen Belastungen soll die Schaufel Jahre bis Jahrzehnte standhalten, ohne nennenswert ihre Form zu verlieren.

Hergestellt werden Turbinenschaufeln im Feingussverfahren, wobei zunächst ein Wachsmodell der Schaufel erstellt wird, um dieses herum wird eine keramische Form aufgebaut, in welche letztendlich das flüssige Metall gegossen wird. Nach dem Erstarren erhält man die komplexe Form der weitgehend hohlen Turbinenschaufel.

Uwe Glatzel, vom Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe der Uni Bayreuth, und seine Mitarbeiter erforschen seit mehr als 20 Jahren so genannte Nickelbasissuperlegierungen, aus denen die am höchsten belasteten Turbinenschaufeln gegossen werden. Schon in seiner Promotionsarbeit beschäftigte sich der Werkstoffwissenschaftler mit den mechanischen Eigenschaften von Nickelbasissuperlegierungen unter extremen Bedingungen. Nun wird, in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Keramische Werkstoffe (Walter Krenkel) und den Kompetenzzentren für Neue Materialien in Bayreuth und Fürth, sowie der Firma MTS der gesamte Produktionsprozess von Turbinenschaufeln in Bayreuth etabliert. Bis Anfang 2008 soll das Fabrikgebäude gegenüber dem des Kompetenzzentrums Neue Materialien in Bayreuth erstellt werden.

Begleitet wird der Firmenaufbau von einem Forschungsprojekt (beantragt von den fünf Kooperationspartnern bei der Bayerischen Forschungsstiftung und der Oberfrankenstiftung) mit einem Umfang von 2,8 Mio. €. Gegenstand des Projektes ist es, die notwendigen Materialparameter zu ermitteln, um die gesamte Herstellungskette von Turbinenschaufeln simulieren zu können. Dadurch kann die Produktionszeit für eine neue Schaufelgeometrie drastisch verkürzt werden auf bis zu ein Drittel der derzeitig üblichen Zeiten. Durch die genaue Kenntnis des Werkstoffs kann auch die Effizienz der Turbine und die Lebensdauer der Schaufel gesteigert werden. Damit erhalten ältere Kraftwerke einen um einige Prozent verringerten CO ₂-Ausstoß.

Abb.: Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine. Eine Schaufel kann bis zu 1 MW Strom erzeugen. (Quelle: UBT)

Das Investitionsvolumen zum Aufbau der Firma beträgt zusätzlich ca. 15 Mio. €. Langfristig werden 30 bis 40 Stellen für hochqualifizierte Mitarbeiter geschaffen. Mehr als 10.000 Schaufeln werden dann pro Jahr in Bayreuth erschmolzen (Stückpreise mehrere 1.000 €). Der Geschäftsführer der Firma MTS, Klaus E. Schneider, leitete vor vielen Jahren einen Arbeitskreis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (früher: Metallkunde), den seit 2002 Uwe Glatzel führt. Der Name des Arbeitskreises lautet: „Mechanisches Werkstoffverhalten bei hoher Temperatur“.

Quelle: UBT

Weitere Infos:

• Universität Bayreuth (UBT):
  http://www.uni-bayreuth.de
• Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe der Uni Bayreuth:
  http://www.uni-bayreuth.de/departments/metalle/