Turbinenschaufeln

Diskutiere Turbinenschaufeln im Luftfahrzeugtechnik u. Ausrüstung Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Hallo Leute, ich habe folgendes Problem: Für mein Studium muss ich herausfinden, aus welchen Werkstoffen ich Turbinenschaufeln für...

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  1. #1 Maverick, 25.10.2005
    Maverick

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    Hallo Leute,

    ich habe folgendes Problem:

    Für mein Studium muss ich herausfinden, aus welchen Werkstoffen ich Turbinenschaufeln für Triebwerke herstellen kann.
    Anforderungen sind:

    - hohe Zähigkeit,
    - Temperaturen ca. 2000°C
    - gute Formbarkeit

    Der Werkstoff kann ein reiner sein, aber auch ein legierter oder bearbeiteter. Alles ist möglich.
    Würde mich also sehr freuen, wenn die Cracks mir helfen könnten! Wäre vielleicht ein Anhaltspunkt nach schon verwendeten Werkstoffen zu suchen.

    Gruß Patrick
     
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  3. #2 Bleiente, 25.10.2005
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  4. #3 Air Power, 25.10.2005
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    Wenn es erwünscht wird, dann erkläre ich gerne das Monokristallgussverfahren, aber deine Frage richtete sich nach den Werkstoffen, daher dachte ich mir, es wäre an dieser Stelle unpassend.

    Grüße
    Air Power :)
     
  5. #4 Maverick, 25.10.2005
    Maverick

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    Für eine Erläuterung wäre ich sehr dankbar!
     
  6. uli

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    Hallo Maverick,

    den Werkstoff der die von dir genannten Anforderungen erfüllt, gibt es vielleicht auf dem Planeten Vulkan, aber nicht hier auf der Erde (zumindest noch nicht). Wie bereits geschrieben wurde, werden Turbinenschaufeln aus Nickel-Basis-Legierungen gegossen. Gegossen deshalb, weil im Innern der Schaufel Kanäle und Verrippungen zwecks Kühlung eingegossen sind.

    Ohne Kühlung würde die Hochdruckstufe jedes aktuellen Triebwerks schlicht wegschmelzen. Die Maximaltemperatur, die die Schaufel selbst "spüren" darf hängt auch stark von der geforderten Lebensdauer ab. Da ich nicht im Triebwerksbau tätig bin, kann ich hier nur schätzen. Aber das dürften bei einer akzeptablen Lebendauer (10'000 Betriebsstunden?) rund 1000 °C sein, maximal 1100° C. Und das sind dann bereits single crystal blades.

    Da die Gastemperatur am Eintritt der Hochdruckturbine über 1400 °C beträgt (kommt das in etwa hin, oder ist die noch höher?), wird die Schaufel mit Zapfluft vom Verdichter von Innen heraus gekühlt. Durch kleine Bohrungen in der Schaufel strömt Kühlluft nach aussen und bildet um das Blatt einen isolierenden Luftfilm. Nur so überlebt die Schaufel in einer 1400 °C heissen Umgebung.

    Ach ja – bei Kühlluft ist „kühl“ relativ. Da die Luft vom Hochdruckverdichter stammt, hat sie auch rund 600 °C.

    Ich nehme an, bei deinen 2000 °C ist die Gastemperatur und nicht die Materialtemperatur gemeint. Ich bezweifle, dass eine gekühlte Schaufel auf Metallbasis diese Gastemperatur überleben würde. Und wenn, bräuchte man so viel Kühlluft, dass der Wirkungsgrad des Triebwerks wohl inakzeptabel würde.

    Andere Werkstoffe? Keramik? Weder Zäh noch formbar.

    Bist du dir sicher bezüglich der Anforderungen? Was ist die Anwendung? Für ein Raketentriebwerk mit einer Lebensdauer von wenigen Minuten sieht die Sache vielleicht ein wenig anders aus.


    Gruss
    Uli
     
  7. #6 Air Power, 25.10.2005
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    Ich zitiere wieder:

    Bei dem Monokristallgussverfahren wird die Turbinenschaufel vorsichtig abgekühlt, sodass die Metallstruktur die Form eines Monokristalls annimmt. Da die meisten Metallstrukturen eine Mehrkristallform haben, sind sie instabiler, da sie an mehreren Stellen kristalline Strukturen haben.

    Werden Gegenstände aus Metall gegossen, legen sich die Kristalle durch die Kühöung unwillkürlich zusammen. Entlang dieser Kristallstrukturgrenzen brechen bzw. reissen Metalle normalerweise. Kann man aber die Bildung von multiplen Kristallen verhindern, so erhält man ein Stück Metall, welches neben einer großen mechanischen Festigkeit auch noch über thermische Belastbarkeit verfügt. Wie nun genau aber erzeugt man so eine Monokristallstruktur?

    Zuerst muss einmal der Kühlprozess genauestens kontrolliert werden. Die Gussform wird beim Monokristallgussverfahren sehr langsam aus dem Induktionsofen gezogen. Um aber eine bestimmte Struktur herzustellen benötigt man einen "Strukturfilter". (...) Die geschomlzene Nickellegierung wird in die Gussform gegossen, welche widerum auf eine gekühlte Plattform montiert ist. Sofort nachdem die Gussform mit der Kühlplatte aus dem Ofen gezogen wird, bilden die Kristalle einen "Impfblock" am Grund der Gussform. Da die Kühlplatte aber vertikal verschlossen ist, können die Kristalle nur nach oben wachsen. Genau an der Spitze des "Impfblocks" gibt es eine Passage, die wie der Ringelschwanz eines Schweins (man möge mir diese politisch inkorrekte Bezeichnung vergeben :FFTeufel: ) aussieht. Dieser "Schweineschwanz" ist der Strukturfilter, er lässt nur einen einzigen kristall nach oben durch. Nachdem die Gussform ganz herausgezogen wurde und die Abkühlung erfolgt ist, hat man eine Turbinenschaufel, mit nur einem Kristall, sprich ohne Grenzstrukturen.

    Quelle:
    Tom Clancy "Fighter Wing" S.34/35.

    Ich hoffe, ich konnte es einigermaßen verständlich erklären, wenn es noch Frage gibt, PM reicht.

    Grüße
    Air Power :)

    PS: Wenn es erwünscht ist, poste ich gerne auch noch ein Bild von dem ganzen Vorgang!
     
  8. #7 Schorsch, 25.10.2005
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    Normale TurbineneintrittstemperATUREN LIEGEN BEI 1300 BIS 1500° Celsius.
     
  9. #8 Abstürzer, 26.10.2005
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    Die "extremen" Temperaturen sind das eine Problem.
    Ein weiterer Punkt,welchen es zu beachten gibt, sind die hohen Zentrifugalkräfte (Fliehkräfte). Schließlich soll eine Turbinenschaufel ihre Form beibehalten und sich nicht verformen.
    Zusätzlicher Stichpunkt : Schwingungssteifigkeit
    "Gute Formbarkeit" bezieht sich doch sicherlich auf den Herstellungsprozess ?
    Da liegt momentan bei einkristallinen bzw. keramischen Schaufeln noch das größte "Problem". Die Verfahren zur Herstellung solcher Schaufeln sind noch recht aufwendig und machen sich dadurch rel. kostspielig.
    Schau doch im www nach, da solltes Du einiges dazu finden.
     
  10. #9 Air Power, 26.10.2005
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    http://www.flugzeugforum.de/forum/showpost.php?p=452496&postcount=6 ;)
     
  11. radist

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    Nicht ausser Acht lassen sollte man auch die äußerst "belastenden" Umweltbedingungen. Das Gas nach der Brennkammer ist nicht nur sehr heiss sondern trägt auch eine Reihe recht aggressiver Rückstände aus der Treibstoffverbrennung, was besondere Beschichtungen bzw. Oberflächenvergütungen erfordert.
    radist
     
  12. #11 Maverick, 26.10.2005
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    Also zunächst möchte ich euch mal für eure Mühe danken! Kann mit euren Infos sehr viel anfangen!
    Bin mir sicher, dass sich meine Werkstoffauswahl so besser begründen lässt und ich auch eine geeignete Auswahl treffen kann!
    Falls ihr allerdings noch einige Tipps für mich habt, wäre ich stets weiter offen. Gibt es denn irgendwo Infos über verschiedene, verwendete Werkstoffe im Bereich der Triebwerksschaufeln?
    Hatte in einer Antwort auch was von einer "eingearbeiteten" Belüftung gelesen? Gibt es Bilder zu sowas? Wäre sehr hilfreich!
     
  13. Box29

    Box29 Fluglehrer

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    Turbinenschaufelkühlung

    Hallo Maverick,

    hier das Schema der Turbinenkühlung von dem R-29 Triebwerk einer
    MiG-23MF.Die Zeichnung stammt aus meinen Ausbildungsunterlagen während
    meiner Dienstzeit im JG-9 Peenemünde.
    Ich hoffe man kann das Prinzip der inneren Kühlung erkennen.
    Box29:TD:
     

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  14. #13 Maverick, 27.10.2005
    Maverick

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    Ist erkennbar! Wenn du nichts dagegen hast, würde ich mir das ganze Ausdrucken und auch eventuell verwenden?
     
  15. #14 Butschki, 28.10.2005
    Butschki

    Butschki Fluglehrer

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    hab was für dich wenn du mir deine e-mail gibst :)
     
  16. Gopher

    Gopher Sportflieger

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    Meine empfehlung: "Flugtriebwerke", Klaus Hünecke, Motorbuch Verlag Stuttgart, 5. Auflage 1990. Seite 146ff.

    Ist zwar alt, aber gut für Grundlagenkenntnisse.
     
  17. taupe

    taupe Flugschüler

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    Hallo erstmal,

    bin neu hier und fand dieses Thema auf Anhieb so interessant, dass ich mich registrieren musste, um auch noch meinen Beitrag zu leisten :D

    Angesprochen wurde ja schon, dass als Material i.d.R. Nickel-Basis-Super-Legierungen Verwendung finden - meist als Monokristallines Bauteil. Auch wurde die Kühlung per Zapfluft schon angesprochen. Hier kann man nochmal unterscheiden zwischen den Statoren, die üblicherweise per Konvektion gekühlt werden. Die Rotoren hingegen werden durch Filmkühlung gekühlt. Es gab in den 70er mal Experimente mit Effusionskühlung (quasi hochporöse Schaufel), aber hier waren die Druckverluste zu hoch.

    Noch nicht wirklich erwähnt wurden die TBC - sprich Thermal barrier coatings, die heute Standard sind. En vogue sind im Moment hier mehrschichtige aufgesprühte Schichten, aus z.B. ZrO2 + einige Prozent Y2O3. Diese haben eine sehr hohe Isolationswirkung. Der Temperaturgradient kann für diese bis zu 2mm dicken Schichten durchaus dreistellige Größenordnungen (Temperatur) erreichen.

    Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass Kühlung und TBCs einen Einsatz der Schaufel in einem Gasstrom erlauben, dessen Temperatur die Schmelztemperatur des Substrates (Schaufel) um einige 100K übersteigen kann.
    Der Aufwand wird teuer erkauft (einige Tausend Euro für eine Schaufel), aber die Turbineneintrittstemperatur ist nun einmal eine der wichtigsten Stellschrauben für die Optimierung des Kreisprozesses des Triebwerks (Wirkungsgrad...)

    Hoffe noch geholfen zu haben

    Gruß

    Michael
     
  18. nico

    nico Fluglehrer

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    Hi!
    Meines Wissens werden auch Keramiken für Turbinenschaufeln verwendet. Die Bearbeitung, vorallem der filigranen Kühlkanäle, wird dann per Elektroerosion (auch: Funkenerosion) durchgeführt.
    Nähere Infos musst du dir dann aber selbst suchen. Habe da leider keine Unterlagen zu. Falls du aber welche findest wäre ich sehr daran interessiert!
    Schau doch auch mal bei euch in der Bibliothek der Uni. Da bekommst du sicherlich verlässlichere Infos als im Internet.
    Dachte da z.B. an soetwas:
    -> https://aleph.ub.uni-kl.de/F/3YCCUS...ode=WRD&adjacent=N&local_base=KLU01&x=39&y=14
    -> https://aleph.ub.uni-kl.de/F/3YCCUS...set_number=001862&set_entry=000004&format=999
    Habe das nur eben mal schnell nachgeschlagen. Habe in die Bücher noch nicht reingeguckt und kann deswegen wenig über die Eignung für dein Problem aussagen.
    Hoffe ein bisschen geholfen zu haben!
    Gruß!

    nico
     
  19. taupe

    taupe Flugschüler

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    Hi,

    das mit vollkeramischen Schaufeln wäre mir neu - schon wegen der rein mechanischen Belastung - hast du da nähere Informationen? Oder meinst du auch die TBCs?

    Der erste Link ist "Münzberg, Flugantriebe" aus den 70er Jahren, also gerade was Turbinentechnologie angeht nicht mehr ganz auf der Höhe der Zeit. Auch sonst fand ich das Buch eher strange - so schwärmt der Autor beispielsweise über die 'zukünftig' atomaren Antriebskonzepte bei Flugzeugen und Raketen...

    Gruß

    Michael
     
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    Hallo

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  21. #19 Chrissi_1406, 16.11.2015
    Chrissi_1406

    Chrissi_1406 Flugschüler

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    Hallo Leute aus dem Forum,

    ich habe, dass selbe Problem, was 2005 schonmal angefragt worden ist:

    Für mein Studium muss ich herausfinden, aus welchen Werkstoffen ich Turbinenschaufeln für Triebwerke herstellen kann.
    Anforderungen sind:

    - hohe Zähigkeit,
    - Temperaturen ca. 2000°C
    - gute Formbarkeit

    Der Werkstoff kann ein reiner sein, aber auch ein legierter oder bearbeiteter. Ich habe da keine Vorgaben, soll nur 3 "mögliche" Werkstoffe vorstellen, außer das der Werkstoff während des Einsatzes keine Phasenumwandlung durchlaufen darf.

    Ich habe da wirklich keine Ahnung zu und würde mich über ein paar Hinweise echt freuen.

    Zusätzlich wäre ich dankbar über ein paar Informationen bezüglich Phasenumwandlungen, Darstellung eines Phasendiagrammes und angewandte Methoden dazu.

    Danke euch allen vielmals im Voraus und hoffe auf ein paar Informationen.

    Mit freundlichen Grüßen

    Chrissi_1406
     
  22. cool

    cool Testpilot

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    Phasenzustandsdiagramme sind aber generell schon ein Begriff, oder? Das ist nicht blasphemisch gemeint, nur bei Themen mit dem Inhalt sollte man diese schon lesen koennen oder zumindest eine Idee haben, was dort passiert.

    In welchem Bereich studierst du und was hattest du bisher mit der "Werkstoffkunde" zu tun?


    Zuerst:
    Turbinenbeschaufelung und Turbinenscheiben sind 2 Paar Schuhe und auch aus unterschiedlichen Materialien, wenn man es etwas allgemeiner Bezeichnen will, dann werden Schaufeln meist gegossen und die Scheiben aus Knetlegierungen hergestellt.


    Zu deinem Lastenheft:
    - hohe Zaehigkeit und hohe Duktilitaet ist "machbar", zumindest bringen die gaengigen Turbinenwerkstoffe die Eigenschaft in ausreichendem Masse mit (ss -> scharfes s)

    - gute Formbarkeit: Waere fuer Knetlegierungen wichtig, oder alles was verformed oder im Gesenk geschmieded wird, Turbinenschaufeln werden aber idR. gegossen, und das auch mehreren Gruenden. Meines Erachtens also eher nicht so wichtig, waere die Frage, ob diese Anforderung im Lastenheft gelandet ist, weil der "Auftraggeber" was ganz besonderes im Hinterkopf hatte, oder weil er das 1mal1 der Metallurgie versucht auf die Triebwerksschaufeln umzumuenzen.

    - Temperaturbestaendigkeit: 2000C oder 2273.15K , waere meiner Meinung nach ein voelliges Novum, mir ist kein Konstruktionswerkstoff bekannt, der sowas vertraegt. Wie kam den diese Anforderung zustande?
    Zwar kommt es zu recht hohen Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer, die erreichen aber in dem Ausmass nicht die erste Stufe der Turbine und durch eine aktive Kuehlung der Schaufeln muss diese nochmal deutlich gesenkt werden. Sprich von 1800-2000K, die an der Turbine "vorbeiziehen", duerfen das Material nur 1000-1200K erreichen, der Rest muss durch entsprechende Kuehlung abgefuehrt werden.
    Mit steigender Temperatur nimmt auch die Festigkeit des Materials absolut ab, genauso wie die Dauerfestigkeit und ab etwa 50% der Schmelztemperatur in Kelvin kommt es zu thermisch aktiviertem Kriechen, wenn die Schaufeln unter Last stehen.

    Turbinenschaufeln werden idR gegossen und durch kontrolliertes Auskuehlen werden dann entweder Monokristalline Schaufeln oder Schaufeln mit gerichteten Kristallen geformt, zumindest wenn es um die hochbelasteten Teile in der Turbine geht. Diese Monokristalle haben zwar keine merklich hoehere Schmelztemperatur, aber eine hoehere Festigkeit und sind im Umkehrschluss damit bei gleicher Belastung etwas Temperaturstabiler.

    - Keine Phasenumwandlung: also kein allotropes Material, zumindest nicht im betrachteten Temperaturbereich. Eisen ist ein typischer Vertreter eines allotropen Materials und genau diese Eigenschaft wird genutzt um eben hochfeste Eisenwerkstoffe (idR ja niedriglegierter Stahl) herzustellen, sprich man unterzieht diesem eine Waermebehandlung zur Festigkeitssteigerung. Dabei ist der Stahl zwar die ganze Zeit fest, weil unterhalb der Schmelztemperatur, aber er aendert sein Gittergefuege -> Modifikation.
    Also ich nehme mal an, das dies mit der Phasenumwandlung gemeint ist, denn eine Umwandlung von fester in fluessige Phase (Schmelzen) ist ja bei Konstruktionswerkstoffe eher doof.
    Wenn Stahl nun hochlegiert wird, dann wird dieser Modifikationswechseln aber meist unterbunden, generell sind warmaushaertbare Stoffe aufgrund der Temperaturempfindlichkeit hier ja fehl am Platz.
    Teilweise kann es zu sowas auch bei Legierungen von Werkstoffen/Elementen mit unterschiedlichen Modifikationen kommen, sprich wenn einem NiCr-Legierung (kfz-Gitter) Titan (hdP) beigemischt wird, hier muss dann Mengenmaessig aufgepasst werden, dass es nach wie vor ein sauberes kfz-Gitter gebildet werden kann.


    Meist werden Nickelbasis- und Kobaltbasislegierungen verwendet, wobei Nickel den Loewenanteil haelt. Das Problem mit der Temperaturbestaendigkeit geht aber schon im Verdichter los, dort sind (je nach Hersteller) schon die letzten Verdichterstufen aus Nickellegierungen. Inconel in verschiedenen Variationen ist ein typischer Werkstoff dafuer.


    Genauso wichtig (und bestimmt nicht weniger Anspruchsvoll) ist aber ein funktionierendes Kuehlsystem innerhalb des Triebwerks, welches in allen Betriebsbereichen eben sicher stellt, dass den Schaufeln nicht zu warm wird, genauso wie man mittlerweile die Triebwerke laufend im Betrieb ueberwacht um damit ein Abnutzungsgrad (unter anderem) der Schaufeln festzustellen. Lebenszeiten werden nicht mehr fest definiert, sondern sind abhaengig von Anlasszyklen, Betriebstemperaturen, Drehzahlen ect.
    Fast so wie bei modernen Autos, die ihren Oelwechseln/Serviceintervall selbst errechnen.

    Das ist auch der Grund, warum es zb. bei Anlassvorgaengen andere (deutlich niedrigere) Temperaturlimits gibt, als im Betrieb, weil eben die Kuehlluft noch nicht aussreichend vorhanden ist und Betreiber von Triebwerken versuchen, wo es geht, so wenig Schub wie moeglich zu nutzen, zumindest im zivilen Sektor.
    Die Triebwerke werden beim Start also "gedrosselt", das erhoeht zwar den spezifischen und damit auch den absoluten Verbrauch, aber spart immens Kosten bei der Wartung und sorgt fuer eine deutlich hoehere Lebensdauer. Der Verschleiss steigt deutlich ueberproportional mit der Temperatur.
    Etwa 75-80% der Triebwerksueberholungskosten gehen auf die Hot-Section, also alles nach der Brennkammer !
     
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