Mechanisches Hochtemperaturverhalten von neuartigen Kühlstrukturen für Dampfturbinenkomponenten

Die Schonung der natürlichen Brennstoffressourcen und die Reduzierung der Emission von umweltschädlichen Gasen sind wesentliche Ziele bei der Entwicklung zukünftiger und neuer Kraftwerke. Ein wichtiger Beitrag hierzu kann durch die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erreicht werden. Moderne kombinierte Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke erzielen momentan bei der Befeuerung mit Erdgas Gesamtwirkungsgrade von 58 %. Hierfür werden Eintrittstemperaturen in der Dampfturbine von maximal 600°C erreicht. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 561 „Thermisch hochbelastete, offenporige und gekühlte Mehrschichtsysteme für Kombi-Kraftwerke“ wurde das Ziel verfolgt, die technischen und wissenschaftlichen Grundlagen für ein Kombi-Kraftwerk der Zukunft zu schaffen, bei dem Gesamtwirkungsgrade von 65 % erreicht werden. Hierfür müssen die Prozessparameter, wie Temperaturen und Drücke, signifikant gesteigert werden. Für den Bereich der Dampfturbine werden Frischdampftemperaturen von 690°C bei 300 bar angestrebt. Dabei sind bei diesen Fluidtemperaturen die Einsatzgrenzen der heute eingesetzten Werkstoffe bereits überschritten, so dass ein langlebiger und sicherer Betrieb der Anlagen nur über komplexe Kühlverfahren ermöglicht wird. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine neuartige durchströmbare Sandwichstruktur untersucht, mit der das thermisch hochbelastete Dampfturbinengehäuse ausgekleidet und auf ertragbare Temperaturen gekühlt werden soll. Diese Kühlstruktur ist aus zwei Deckblechen sowie einer Drahtgewebezwischenlage aufgebaut. Dabei werden die Kühlmanschetten während des Betriebs durch die Kombination aus Kühldampfüberdruck und Heißdampfbeanspruchung in erster Linie durch Kriechprozesse geschädigt. Aufgrund von An- und Abfahrvorgängen der Dampfturbine sowie Temperaturschwankungen im Heiß- und Kühldampf findet eine überlagerte zyklische Belastung statt, so dass die Kühlstrukturen im Gebiet der kombinierten Kriech-Ermüdungs-Wechselwirkung mit Belastungen senkrecht und parallel zur Drahtgewebezwischenlage beansprucht werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, das mechanische Hochtemperaturverhalten dieser Kühlstrukturen aus dem Gebiet der reinen Ermüdungsschädigung bis hin zum reinen Kriechen durchgängig zu beschreiben sowie mit Hilfe numerischer Methoden, wie z. B. der Methode der Finiten Elemente (FEM), zu simulieren. Hierfür wurden einzelne Struktursegmente aus der Nickelbasislegierung Nicrofer 6025HT auf ihr Fließ-, Kriech- und Ermüdungsverhalten untersucht sowie der Einfluss unterschiedlicher Drahtgewebezwischenlagen auf das mechanische Hochtemperaturverhalten ermittelt. Um das Fließ- und Kriechverhalten der Kühlstrukturen mit Hilfe der FEM treffend simulieren zu können, wurden quasistatische (Warm)-Zugversuche sowie Kriechversuche an den Kühlstruktur-Einzelkomponenten gerader Draht und Deckblech durchgeführt, aus den Versuchsergebnissen geeignete Stoffgesetze abgeleitet und in eine geeignete User-Subroutine des FEM-Programms Abaqus implementiert. Zur Vorhersage der Strukturlebensdauer unter quasistatischer und unter Kriechbeanspruchung wurden neue Schädigungsmodelle entwickelt, mit denen die Versagenszeitpunkte der Fügestellen zwischen Deckblech und Drahtgewebe abgeschätzt werden können.