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Mit Stress-Spec innere Spannungen in großen Verdichtern nachweisen

28.07.2008
Bricht ein Verdichterrad infolge Materialermüdung, kann dies die gesamte Turbine zerstören. Deshalb ist es wichtig, Belastungsgrenzen von Bauteilen im voraus berechnen zu können. Allerdings müssen die Ergebnisse solcher Berechnungen auch in der Realität geprüft werden. Ein solches Prüfverfahren haben nun Physiker an der Forschungsneutronenquelle FRM II der TU München entwickelt. Mit Stress-Spec können sie auch tief in großen Bauteilen versteckte, innere Spannungen nachweisen.

Auf der Suche nach wirtschaftlichen und Energie effizienten Werkstoffen, Designs und Verfahren entwickeln Wissenschaft und Technik immer bessere Materialien und Hochleistungskomponenten. Auch die Leistungspotenziale bereits im Einsatz befindlicher Materialien werden weiter ausgereizt. Die direkte, zerstörungsfreie Untersuchung der bei Herstellung und Weiterverarbeitung entstehenden inneren Strukturen ist dabei von entscheidender Bedeutung.

„Viele Methoden der Materialforschung schauen nur auf die Oberfläche,“ sagt Winfried Petry, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRM II der TU München. „Mit der Neutronenstreuung haben wir ein Instrument, auch tief ins Innere von Materialien zu schauen. Die daraus erwachsenden Erkenntnisse sind von enormer wirtschaftlicher Bedeutung.“

Simulation zeigt Spannungen im Inneren der Verdichterräder

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Ausgangspunkt der Untersuchung von Verdichtern war ein Streit zwischen Theoretikern und Ingenieuren: Ein Turbinenhersteller hatte die mathematische Modellierung des Herstellungsprozesses für große Verdichterräder in Auftrag gegeben. Diese werden aus einem fast 300 kg schweren Metallrohling heraus gefräst. Bei ihrer Simulation fiel den Theoretikern auf, dass der Herstellungsprozess im Inneren des Blocks erhebliche mechanische Spannungen verursachen müsste.

Solche inneren Spannungen können zu Materialermüdung und Rissbildung führen, dem vorzeitigen Ende des Bauteils. Die Ingenieure glaubten nicht an die Existenz solcher Spannungen. Leider gab es keine Methode, mit der der Streit hätte entschieden werden können – bis das Unternehmen auf das Untersuchungsinstrument Stress-Spec des FRM II aufmerksam wurde.

Messergebnisse führen zu modifiziertem Herstellverfahren

Für die Wissenschaftler des FRM II stellte der Auftrag eine erhebliche Herausforderung dar: Nie zuvor war ein so großes Bauteil vermessen worden. Der Messplatz musste extra umgebaut werden, um ein so großes Bauteil vor dem Neutronenstrahl auf den Mikrometer exakt positionieren und für Messreihen definiert verschieben zu können. Doch dann konnte Michael Hofmann, Physiker der TU München und Leiter des Instruments Stress-Spec, mit seinem Team den Streit schnell beenden.

Eindeutig zeigten die Messungen, dass im Inneren des Bauteils erhebliche mechanische Spannungen vorhanden waren. Die Theoretiker hatten also Recht gehabt. Nun sind die Ingenieure dabei, den Herstellungsprozess so verändern, dass keine oder nur minimale Spannungen entstehen. Dies erhöht die Lebensdauer des Bauteils und damit die Wirtschaftlichkeit weil die Intervalle zwischen den kostenintensiven Wartungspausen verlängert werden können.

Jürgen Schreier | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/betriebstechnik/energietechnik/articles/138105/

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