Simulation sämtlicher Schritte des Gussprozesses von Hochleistungs-Turbinenschaufeln

Mit 2,8 Mio. € wird das Forschungsprojekt „Prozesssimulation und Technologieentwicklung von Turbinenschaufeln „gefördert, wie jetzt bekannt wurde.. Die Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) übernimmt dabei öffentliche Fördermittel in Höhe von 1 Mio. € und die Oberfrankenstiftung (OFS) 400.000 € .

Die verbleibenden 50% der Projektmittel werden von der Firma MTS Deutschland GmbH zur Verfügung gestellt. MTS errichtet zurzeit eine Fabrik am Technologiehügel in Bayreuth-Wolfsbach, welche noch im Jahr 2008 Turbinenschaufeln für stationäre Gasturbinen fertigen wird. Projektleiter ist Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel vom Lehrstuhl Metallische Werkstoffe.

Die Projektpartner sind Prof. Dr.-Ing. Walter Krenkel (Lehrstuhl Keramische Werkstoffe), Dr.-Ing. Vasily Ploshikhin (Neue Materialien Bayreuth), Prof. Dr.-Ing. Robert F. Singer (Neue Materialien Fürth) sowie Dr.-Ing. Klaus Schneider von der Firma MTS.

Prof. Glatzel und sein Mitarbeiter Dr.-Ing. Rainer Völkl forschen seit über 20 Jahren auf dem Gebiet der Nickel-Basis Superlegierungen. Den Werkstoffen die gleichzeitig höchsten Temperaturen (bis 1150°C) und höchsten Belastungen durch die Zentrifugalkräfte (bis 100 MPa, dies entspricht 1 Tonne/cm2) standhalten.

Bis zu 50 cm große Turbinenschaufeln aus Nickel-Basis Superlegierungen werden ab Ende 2008 von der Firma MTS gefertigt. Einsatz finden diese Schaufeln in stationären Gasturbinen zur Energieerzeugung. Dabei liefert eine einzige Schaufel bis zu 1 MW Strom. Dies entspricht der Leistung von 10 hochwertigen PKW. Bei dem Preis einer Schaufel im Bereich von 10.000 €. Die Schaufeln sollen echte Betriebszeiten von 10 – 20 Jahren erzielen, wobei Formänderungen der Schaufel nur im Bereich von wenigen Prozentpunkten, das heißt nur wenige mm, toleriert werden.

Hergestellt werden diese Schaufeln in der MTS-Fabrik durch das so genannte Feingussverfahren, wobei zunächst ein Wachsmodell der Schaufel erstellt wird, um dieses herum wird eine keramische Form aufgebaut, in welche letztendlich das flüssige Metall gegossen wird. Nach dem Erstarren erhält man die komplexe Form der weitgehend hohlen Turbinenschaufel. Nachbearbeitungen sind dann nur noch in einem sehr geringen Umfang nötig.

Ziel des Projektes ist die Simulation sämtlicher Schritte des Gussprozesses. Dadurch soll der Zeit- und Kostenaufwand zur Fertigung neuer Schaufelgeometrien stark verringert werden. Berechnungen werden auf allen Skalenebene, vom Gießofen (ca. 1 m) bis zur Mikrostruktur (≈ 100 nm = 10-7 m) durchgeführt. Um eine hohe Aussagefähigkeit und gute Zuverlässigkeit der Simulation zu ermöglichen sind fundierte Daten für das Metall und die keramische Formschale nötig.

Schnitt durch eine innengekühlte Schaufel. Die Kühlkanäle werden durch keramische Kerne erzeugt, die nach dem Gießprozess wieder heraus gelöst werden.

Der Geschäftsführer der Firma MTS, Dr.-Ing. Klaus Schneider, und Prof. Glatzel sind verbunden durch einen Arbeitskreis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e.V., welcher sich mit dem Hochtemperaturverhalten von Werkstoffen beschäftigt. Dr.- Ing. Schneider leitete diesen Arbeitskreis von 1980-1990, Professor Glatzel von 2003 bis heute.

Kontakt
Professor Dr.-Ing Uwe Glatzel
Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Tel. 0921/55 – 55 50
E-Mail: uwe.glatzel@uni-bayreuth.de