Gasturbinen sind, wie alle Bereiche der Energieerzeugung, stark von der thermischen Effizienz abhängig, um effektiv Energie zu erzeugen. In der Industrie gibt es mehrere Möglichkeiten, die thermische Effizienz eines Gasturbinen-Leistungszyklus zu erhöhen. Diese Methoden zur Effizienzsteigerung sind fast immer durch die metallurgischen Eigenschaften der Turbinenkomponenten begrenzt. Die thermische Effizienz einer Gasturbine kann durch Komponenten, die höheren Betriebstemperaturen standhalten, erheblich gesteigert werden. Die Verwendung von Turbinenschaufeln aus Einkristall-Superlegierungen macht dies möglich. Die Einkristall-Turbinenschaufeln können bei einer höheren Betriebstemperatur betrieben werden als kristalline Turbinenschaufeln und können so die thermische Effizienz des Gasturbinenzyklus erhöhen.
Inhalt
Gasturbinenzyklen
Gasturbinenkraftwerke bestehen aus einer Turbine, die mit einem Kompressor verbunden ist, wobei sich dazwischen eine Brennkammer befindet. Atmosphärische Luft wird in den Kompressor gesaugt, anschließend komprimiert und gelangt in die Brennkammer. In der Brennkammer wird Luft mit einem Brennstoff vermischt und verbrannt. Dadurch erhöht sich die Temperatur der Luft, während der Druck konstant bleibt. Die Luft gelangt nun in die Turbine, wo sie expandiert und dabei Nutzarbeit erzeugt. Je höher die Einlasslufttemperatur ist, desto mehr Nutzarbeit wird von der Turbine erzeugt. [1]
Effizienzsteigerung
Dieser thermodynamische Zyklus wird als Brayton-Zyklus bezeichnet. W Der Wirkungsgrad von Gasturbinen ergibt sich aus der Gleichung
Gleichung 1: Thermischer Wirkungsgrad des Brayton-Zyklus
Gleichung 1a: Thermischer Wirkungsgrad des Brayton-Zyklus in Bezug auf das Druckverhältnis
Brayton-Zyklen werden häufig durch Temperatur-Entropie-Diagramme (TS-Diagramme) dargestellt. Diese Diagramme zeigen den Zustand der Luft an jedem Punkt des Brayton-Zyklus. Ein Beispiel für ein typisches TS-Diagramm ist in Abbildung 1 unten dargestellt.
Abb. 1: TS-Diagramm des Brayton-Zyklus
Abb. 1a: Erhöhtes Druckverhältnis
Abb. 1b: Erhöhtes maximales Temperatur- und Druckverhältnis
Aus dem TS-Diagramm in Abbildung 1a ist ersichtlich, dass eine Erhöhung des relativen Druckverhältnisses W tatsächlich den thermischen Wirkungsgrad aufgrund einer Verringerung der dem System zugeführten Wärmemenge erhöht. Dies wird durch die Maximaltemperatur des Zyklus begrenzt, die am Turbineneinlass auftritt. Diese Grenze bewirkt eine Verringerung der Gesamtarbeitsleistung des Zyklus, wenn das Druckverhältnis steigt. Um die gleiche Arbeitsleistung bei einem erhöhten relativen Druckverhältnis zu erbringen, ist eine Erhöhung des Massenstroms erforderlich, was größere und teurere Geräte erfordert. [2] Es gibt viele Anwendungen, bei denen ein kleineres Turbinentriebwerk benötigt wird, wie etwa in Fahrzeugen. Der thermische Wirkungsgrad kann gesteigert und gleichzeitig die Arbeitsleistung erhöht werden, indem die Temperatur der Luft am Turbineneinlass erhöht wird. [1]
Es gibt viele Anwendungen, bei denen eine Verringerung der erzeugten Nettoarbeit nicht akzeptabel ist. Eine Erhöhung der Maximaltemperatur des Zyklus erhöht sowohl die Effizienz als auch die Gesamtmenge der erzeugten Nettoarbeit. Die Temperaturerhöhung ermöglicht auch eine stärkere Erhöhung des Druckverhältnisses, um die Effizienz weiter zu verbessern und gleichzeitig ein hohes Niveau der Nettoarbeitsleistung aufrechtzuerhalten. Dies ist in Abbildung 1b oben dargestellt. Metallurgische Eigenschaften begrenzen, bei welcher hohen Einlasstemperatur die Turbine betrieben werden kann. Es werden viele Methoden eingesetzt, um Turbinenschaufeln bei höheren Temperaturen leistungsfähig zu machen. Die Entwicklung der einkristallinen Turbinenschaufel aus einer Superlegierung auf Nickelbasis ermöglicht höhere Betriebstemperaturen.
Vorteile
Turbinenschaufeln aus Einkristallen haben den mechanischen Vorteil, dass sie bei viel höheren Temperaturen betrieben werden können als kristalline Turbinenschaufeln. Angesichts der Möglichkeit, die Turbineneffizienz bei höheren Temperaturen zu steigern, ist die Entwicklung dieser Schaufeln sehr vorteilhaft. Die Turbinenschaufeln können aufgrund ihrer Einkristallstruktur und der Zusammensetzung der nickelbasierten Superlegierung bei diesen hohen Temperaturen betrieben werden.
Kriechen W ist eine häufige Ursache für Ausfälle von Turbinenschaufeln und ist tatsächlich der lebensdauerbegrenzende Faktor. [3] Wenn die Temperatur eines hoch beanspruchten Materials auf einen kritischen Punkt erhöht wird, erhöht sich die Kriechrate schnell. [4] Die monokristalline Struktur kann Kriechen bei höheren Temperaturen standhalten als kristalline Turbinenschaufeln, da keine Korngrenzen vorhanden sind. Korngrenzen sind ein Bereich der Mikrostruktur, in dem viele Defekte und Ausfallmechanismen ihren Ursprung haben, die zum Kriechen führen. [5] Das Fehlen dieser Korngrenzen verhindert dieses Kriechen. Kriechen tritt auch in monokristallinen Turbinenschaufeln auf, allerdings aufgrund anderer Mechanismen, die bei höheren Temperaturen auftreten. Die monokristalline Turbinenschaufel weist im Gegensatz zu kristallinen Turbinenschaufeln keine Korngrenzen entlang der Richtungen axialer Spannungen auf. Dadurch wird auch die Kriechfestigkeit erhöht.
Superlegierung auf Nickelbasis
Es wurden mehrere Superlegierungen verwendet, um eine Turbinenschaufel aus Einkristall herzustellen, die den höchstmöglichen Betriebstemperaturen standhält. Diese Superlegierungen basieren im Allgemeinen auf Nickel und enthalten mehrere andere Elemente, die alle zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel unter Hochtemperaturbedingungen beitragen. Die Zusammensetzung jedes hinzugefügten Elements wird ständig getestet, um diese Optimierung zu ermöglichen. Ein Beispiel für eine Superlegierung, die für Turbinenschaufeln aus Einkristall verwendet wird, ist CMSX6. Die Zusammensetzung dieser Superlegierung ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Innerhalb des Einkristalls der Superlegierung sind zwei Phasen vorhanden, eine Gamma-Matrix und ein Gamma-Primär-Niederschlag. Der Volumenanteil der Gamma-Primär-Phase muss in der Superlegierung über 50 % liegen, um die Kriechfestigkeit zu erhöhen. [6] Das Vorhandensein der Gamma-Primär-Phase erhöht die mechanische Festigkeit der Turbinenschaufel, indem es Versetzungsbewegungen verhindert. Die Gamma-Primär-Phase hat die ungewöhnliche Eigenschaft, dass ihre Festigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Dies gilt bis zu 973 Grad Celsius. [3] Diese durch eine erhöhte Temperatur bedingte Festigkeitssteigerung führt dazu, dass die Superlegierung bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.
Das Fehlen von Korngrenzen in der Turbinenschaufel ermöglicht es, die Verwendung von Superlegierungen zu reduzieren, um den Anteil von Elementen zu reduzieren, die normalerweise zur Verstärkung von Korngrenzen verwendet werden, wie etwa Kohlenstoff und Bor. Diese Elemente verringern die Kriechfestigkeit und die Schmelztemperatur der Legierung, wenn sie in größeren Mengen vorkommen. Ohne die Notwendigkeit signifikanter Konzentrationen dieser Elemente kann die einkristalline Turbinenschaufel ihre Festigkeit beibehalten und bei höheren Temperaturen verwendet werden. [7]
Herstellungsprozess und Kristallwachstum
In der Praxis werden verschiedene Fertigungsverfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln aus Einkristallen verwendet. Alle Fertigungsverfahren basieren auf der Idee der gerichteten Erstarrung oder der autonomen gerichteten Erstarrung, bei der die Erstarrungsrichtung kontrolliert wird. Ein gängiges Verfahren zur Züchtung von Einkristallen ist das Bridgman-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Gussofen zur Kristallzüchtung verwendet. Bei diesem Verfahren muss zunächst eine Form der Schaufel hergestellt werden. Geschmolzenes Wachs wird in eine Metallform der gewünschten Turbinenschaufel gespritzt und dort stehen gelassen, bis es fest geworden ist und die Form der Turbinenschaufel annimmt. Das Wachsmodell wird dann verwendet, um eine Keramikform für die Herstellung der Turbinenschaufeln aus Einkristallen herzustellen. Wenn die Keramikform hergestellt ist, wird sie erhitzt, um ihre Festigkeit zu erhöhen. [8] Sobald die Form für den Gebrauch ausreichend ist, wird das Wachs aus dem Inneren der Form herausgeschmolzen. Die Form wird nun mit der geschmolzenen Form der nickelbasierten Superlegierung gefüllt. Die in der Form enthaltene geschmolzene Superlegierung wird in einen Gussofen gegeben, häufig einen Vakuuminduktionsschmelzofen ( W) , der Bridgman-Techniken verwendet.
Kristallwachstum im Bridgman-Ofen
Der Ofen ist mit einem Bereich hoher Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur ausgestattet, der durch Heizgeräte gesteuert wird, und niedriger Temperatur unterhalb der Schmelzzone, mit einer Gradientenzone, in der die Fest-Flüssig-Grenzfläche auftritt. Die Superlegierung befindet sich zunächst vollständig in geschmolzener Form innerhalb der Hochtemperaturzone. Die Superlegierung wird dann extrem langsam abgesenkt, mit einer Geschwindigkeit von etwa einigen Zentimetern pro Stunde, so dass die Fest-Flüssig-Grenzfläche langsam in der Form nach oben steigt. Die Superlegierung erstarrt von der Basis nach oben. Die langsame Erstarrungsgeschwindigkeit bewirkt, dass Körner als Dendriten W in der Richtung wachsen, in der die Form aus dem Ofen gezogen wird. [8] Die Dendriten bilden sich aufgrund der Wirkung der konstitutionellen Unterkühlung nur als Säulen in der einen Richtung. Wenn sich der Feststoff zu bilden beginnt, wird unmittelbar vor der Fest-Flüssig-Grenzfläche eine variierende Konzentration an gelösten Stoffen festgestellt. Die Varianz der gelösten Stoffe in der gesamten Flüssigkeit bewirkt eine Änderung der Gleichgewichtserstarrungstemperatur. An diesem Punkt ist die Temperatur der Flüssigkeit niedriger als die Gleichgewichtserstarrungstemperatur, was einen Unterkühlungseffekt verursacht. Unterkühlung führt dazu, dass Wärme von festen Vorsprüngen auf die Flüssigkeit übertragen wird, was das dendritische Wachstum fördert. [9] Die Geschwindigkeit, mit der Dendriten wachsen, hängt direkt von der vorhandenen Unterkühlung ab. Winkelförmig ausgerichtete Dendriten müssen schneller wachsen, um mit den Dendriten Schritt zu halten, die eine direktere, vertikale Richtung einschlagen. Um schneller zu wachsen, ist eine stärkere Unterkühlung erforderlich, was bedeutet, dass diese abgewinkelten Dendriten weiter von der Fest-Flüssig-Grenzfläche wegwachsen. [8] Schließlich überholen die günstigeren vertikalen Dendriten die weiter hinten liegenden abgewinkelten Dendriten. Um Korngrenzen von der Turbinenschaufel zu entfernen, wird an der Unterseite der Wachsform ein Kornselektor angebracht. Der Kornselektor ist ein spiralförmiges Rohr, das nicht viel größer ist als ein einzelnes Dendritenkorn. Da die vertikalen Dendriten an der Basis der Form wachsen, passt nur ein Dendrit durch die Spirale und schließlich in die Turbinenschaufelform. Sobald die Verfestigung abgeschlossen ist, wird die Turbinenschaufel vollständig aus einem Korn hergestellt und wird zu einer einkristallinen Turbinenschaufel.
Verbesserungen der Methode
Das Problem bei der Bridgman-Methode besteht darin, dass zur Herstellung des gewünschten Produkts ein komplexer, teurer Gussofen benötigt wird. Es wurde ein anderes Herstellungsverfahren entwickelt, bei dem die Probe nicht mehr langsam aus dem Ofen gezogen werden muss. Dies vereinfacht und beschleunigt den Prozess und macht ihn kostengünstiger. Die mechanischen Eigenschaften werden ebenfalls verbessert, da die Erstarrung schneller erfolgt und dadurch die Menge an Entmischung innerhalb der Probe verringert wird. [10] Bei diesem Verfahren wird eine Form aus Al203 - Keramik verwendet , die mit einer Schicht überzogen ist, die die Bildung von Kristallkeimen verhindert. Die Probe wird so angeordnet, dass sie durch kontrollierte Erwärmung vollständig geschmolzen bleibt, wobei an der Basis der Probe eine wassergekühlte Kühlplatte angebracht ist. Der Spiralkornselektor wird bei dieser Methode auf die gleiche Weise verwendet. Die Heizung wird abgeschaltet und während der Ofen abkühlt, beginnt die Erstarrung. Die Schicht der Form verzögert die Kristallkeimbildung, bis eine erhebliche Unterkühlung auftritt. [10] An diesem Punkt beginnt die Kristallkeimbildung an der Basis der Probe und Dendriten bilden sich auf die gleiche Weise. Ein einzelner Dendrit durchläuft den Kornselektor und die einkristalline Turbinenschaufel wird hergestellt. Die kontrollierte Erwärmung und Abkühlungsmenge an der Basis können variiert werden, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren. [10]
Verweise
- ↑ Springe hoch zu:1.0 1.1 Badran, OO (1999). Leistungsverbesserungen bei Gasturbinen. Applied Energy, 64(1-4), 263-273.
- ↑ Michael J. Moran', 'Howard N. Shapiro'. (2008). Grundlagen der technischen Thermodynamik (6. Aufl.). Vereinigte Staaten: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ Springe hoch zu:3.0 3.1 Carter, TJ (2005). Häufige Fehler bei Gasturbinenschaufeln. Engineering Failure Analysis, 12(2), 237-247.
- ↑ William D. Callister, J. (2007). Materialwissenschaft und Werkstofftechnik – eine Einführung. Vereinigte Staaten: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ Lee S. Langston. (2006). Kronjuwelen. The American Society of Mechanical Engineers, Abgerufen von http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
- ↑ Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). Stereologische Charakterisierung der γ′-Phasenausfällung in CMSX-6 monokristalliner Nickel-Basis-Superlegierung. Materials Characterization, 60(10), 1114-1119.
- ↑ Hino, Takehisa (Sagamihara, JP) Koizumi, Yutaka (Ryugasaki, JP) Kobayashi, Toshiharu (Ryugasaki, JP) Nakazawa, Shizuo (Suginami-Ku, JP) Harada, Hiroshi (Tsukuba, JP) Ishiwata, Yutaka (Zushi, JP). ) Yoshioka, Yomei (Yokohama, JP). Einkristalline Superlegierungen auf Nickelbasis, Verfahren zu ihrer Herstellung und daraus hergestellte Hochtemperaturteile für Gasturbinen – Patent 6673308, abgerufen am 13.11.2009, 2009, von http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .
- ↑ Springe hoch zu:8.0 8.1 8.2 H'A. Onyszko', 'K. Kubiak', 'J. Sieniawski'. (2009). Turbinenschaufeln aus der einkristallinen nickelbasierten Superlegierung CMSX-6. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 32(1) Abgerufen von www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
- ↑ „David A. Porter“, „Kenneth E. Easterling“, „Mohamed Y. Sherif“. (2009). Phasentransformationen in Metallen und Legierungen. Vereinigte Staaten: Taylor & Francis Group, LLC.
- ↑ Springe hoch zu:10.0 10.1 10.2 Ludwig, A., Wagner, I., Laakmann, J., & Sahm, PR (1994). Unterkühlung von Superlegierungsschmelzen: Grundlagen einer neuen Fertigungstechnik für einkristalline Turbinenschaufeln. Materials Science and Engineering: A, 178(1-2), 299-303.