Forschung

Development of a lightweight superalloy optimized for large gas turbine blading representing a highly efficient turbine technology supporting future demands in energy generation (“Energiewende”)

Kurzdarstellung

Die Entwicklung und Etablierung von Technologien, welche die Maximierung der Ressourceneffizienz durch Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung von am aktuellen und künftigen Energie-Mix beteiligten Maschinen und Prozessen im Fokus haben, ist der Schlüssel für eine erfolgreiche Energiewende. In diesem Zusammenhang belegt die klassische Gasturbine immer noch eine Schlüsselrolle bei der Einleitung und Bewältigung der Energiewende auf dem Weg zu einer emissionsfreien Energie-Erzeugung. Die Herausforderung hierbei ist, die spezifischen CO2-Emissionen etablierter Technologien zu verringern und gleichzeitig die Entwicklungen hinsichtlich der Verwendung alternativer Brennstoffe in stationären Gasturbinen zu ertüchtigen und damit die Zukunftsfähigkeit zu sichern. Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz und Leistung, und damit die Senkung der spezifischen Emissionen, ist für stationäre Gasturbinen nur unter Verwendung größerer Schaufeln in den Turbinenendstufen möglich. Mit den aktuell vorhandenen Werkstofflösungen, konventionell oder gerichtet erstarrter Nickelbasis-Superlegierungen, sind aus Gewichts-, Fertigungs- und aerodynamischen Gründen keine weiteren Größensprünge von Gasturbinenschaufeln bezogen auf die heutigen Leistungsklassen mehr realisierbar. Ein Design von Gasturbinen noch größeren Wirkungsgrades und größerer Leistung mit den vorhanden Endstufenmaterialien ist daher ausgeschlossen. Potenziell Abhilfe kann hier der synergistische Einsatz fortschrittlicher Technologien der Werkstoffentwicklung in Zusammenarbeit mit der Evaluierung der Herstellprozesse und Lebensdauerbewertung im Design schaffen. Der Nachweis der Gießbarkeit, die Optimierung von Wärmebehandlung sowie die Optimierung von Lebensdauermodellen im Hinblick auf Langzeitstabilität und Einfluss von aggressiv, korrosiven Medien im Verbrennungsbetrieb (z.B. bei H2-Verbrennung) soll in interdisziplinärer Zusammenarbeit auf Basis optimierter Modellarchitekturen und Versuche evaluiert und realisiert werden. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, eine neuartige, leichte Superlegierung im Hinblick auf die geforderten Werkstoffeigenschaften und Herstellbarkeit zu entwickeln und die Methoden der Herstellung und Modellierung gezielt für die Anwendung zu adaptieren. Auf Basis dessen sollen Lebensdauermodelle für Legierungen mit ausgeprägten Seigerungen und eingeschränkten Wärmebehandlungsmöglichkeiten entwickelt werden, die in der Lage sind, die Werkstoffausnutzung im Design durch verbesserte Beschreibung des Werkstoffverhaltens zu optimieren. Das finale Ziel des Vorhabens ist daher die Fertigbarkeit einer hochbelastbaren, leichten Gasturbinenschaufel für Turbinen-Endstufen aus einer neuen leichten Superlegierung zu entwickeln sowie eine umfangreiche Materialcharakterisierung und –qualifizierung durchzuführen, um diese Superlegierung in der nächsten hocheffizienten Gasturbinengeneration einsetzen zu können. Nur mit einer so großen Schaufel kann die notwendige Leistungssteigerung um 20% und die Wirkungsgradsteigerung um > 1% Punkt im GuD-Kraftwerk erreicht werden, die für einen ökologischen und ökonomischen Betrieb zukünftiger Gaskraftwerke notwendig sind. Zusammengefasst sind die Hauptziele des geplanten Forschungsvorhabens:

1. Entwicklung einer innovativen leichten Superlegierung, um durch eine größere Schaufelquerschnittsfläche einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistung zu erzielen
2. Entwicklung und Evaluierung von Prozessen zur Herstellung und Eigenschaftscharakterisierung für die neue leichte Superlegierung. Der Nachweis der Gießbarkeit für reale, teilweise dünnwandige Komponenten in den Abmessungen großer stationäre Gasturbinen soll erbracht werden.
3. Bereitstellung und Absicherung eines Werkstoffcharakterisierungskonzepts, mit welchem sich die Wärmebehandlungsvorgaben, die Langzeitstabilität von stark seigernden Legierungen, das Verhalten unter aggressiven korrosiven Bedingungen (z.B. bei H2-Verbrennungsbetrieb) präzise einordnen lässt. Hierbei kann die Optimierung der Werkstoffausnutzung durch verbesserte Beschreibung des Zeitstandverhaltens mit eingebracht werden (Synergie mit Projekt „3D-ML-CREEP“).