Anstreifvorgänge in Turbinen - Experimentelle Untersuchung und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer; Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel; Professor Dr. Ewald Werner
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268769401

Das Erzielen hoher Wirkungsgrade in Gasturbinen erfordert die Minimierung der Spaltmaße zwischen Rotor und Stator, welche sich im Betrieb durch z.B. thermische Ausdehnungen oder dynamische Lasten ständig ändern. Die mangelnde Beherrschung der Spaltmaße über den gesamten Betriebszyklus führt zu häufigem Anstreifen (Reibvorgänge), wodurch Rotor und Stator z.B. in Form von Verschleiß oder Rissbildung kritisch beschädigt werden können. Die Gewährleistung einer hohen Betriebssicherheit und hoher Wirkungsgrade der Gesamtmaschine erfordert daher robuste Dichtsysteme, die auch heftige Anstreifvorgänge tolerieren müssen.Labyrinthdichtungen mit speziellen Honigwaben-Anstreifbelägen können diese Aufgabe erfüllen. Allerdings sind Anstreifvorgänge in solchen Dichtungen bis heute nicht vollständig verstanden, was die zuverlässige Auslegung und Weiterentwicklung des Systems verhindert. Daher wurde in der ersten Förderperiode des Projekts ein Prüfstand aufgebaut und genutzt, um den Einfluss der Anstreifparameter auf entstehende Kontaktkräfte, Temperaturen und den Verschleiß zu untersuchen. Die Ergebnisse der Versuche und die Bestimmung thermophysikalischer Werkstoffparameter der beteiligten Werkstoffe Haynes 214 und Hastelloy X ermöglichte die Erarbeitung und Validierung eines mehrskaligen Modellsystems für Honigwabenstrukturen, mit dem ein Anstreifvorgang wiedergegeben werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass der Herstellungsprozess der Honigwabenstruktur einen maßgeblichen Einfluss auf physikalische Werkstoffparameter und den Anstreifvorgang hat.Ziel für die zweite Förderperiode ist es, das Multiskalen-Finite-Elemente-Modell weiter zu entwickeln, um das Verhalten komplexer Dichtungssysteme vorhersagen zu können. Hierfür ist es notwendig, den Einfluss des Lötprozesses von Honigwabenbelägen in die physikalische Beschreibung zu integrieren und in der experimentellen Untersuchung zu berücksichtigen. Die gewonnen physikalischen Werkstoffkennwerte und experimentellen Ergebnisse der Anstreifvorgänge werden in das Multiskalen-Finite-Elemente-Modell einfließen. Damit dient das Modell als wichtiges Werkzeug, Labyrinthdichtungssysteme von Turbomaschinen für gegebene Anforderungsprofile zukünftig vollständig auslegen und zuverlässige Leistungsfähigkeits- und Lebensdauerprognosen abgeben zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen