Good vibrations: Simulation schützt Turbinenschaufeln vor Rissen

Vibrierende Turbinenschaufeln sind schlecht für die Dauerfestigkeit von Gasturbinen. Die Konstrukteure suchen daher seit jeher mit Simulationen nach den vibrationsärmsten Schaufelformen. Für die engen Schaufelanordnungen moderner Gasturbinen benötigen die herkömmlichen Simulationsverfahren jedoch Tage bis Wochen. Ein neuer Ansatz, der den Rechenaufwand auf einen Bruchteil senkt, macht jetzt schnelle Simulationen mit bislang unerreichbaren Ergebnissen möglich.

 

Von Hubertus Breuer und Frank Krull

Turbinenschaufeln in modernen Gaskraftwerken sind Hochleistungsbauteile: Sie müssen nicht nur Temperaturen bis zu 1.500 Grad und schnelle Temperaturwechsel, sondern auch andere Extrembelastungen aushalten: Heißes Gas fegt mit Überschall an den Schaufeln vorbei und bei mehreren tausend Umdrehungen pro Minute wirken gigantische Rotationskräfte. Bei diesen höllischen Bedingungen ist das Risiko für eine Materialermüdung der Schaufeln groß, insbesondere wenn Eigenvibrationen die Bildung von Rissen begünstigen. Diese können sich im Laufe der Zeit so stark ausbreiten, dass am Ende Schaufelstücke abreißen und die Turbine zerstören.

Vermeiden statt überwachen

So ein Schaden kommt richtig teuer“, sagt Stefan Schmitt, Turbinenexperte bei Siemens. „Jede einzelne Schaufel kostet so viel wie ein Auto – und wenn die Turbine wegen der Reparatur mehrere Tage ausfällt, entstehen schnell weit höhere Kosten.“ Auch die regelmäßigen Inspektionen können die Bildung von Rissen nicht vollständig ausschließen. „Die Rissbildung und -ausbreitung ist mitunter zu schnell“, erklärt Schmitt. „Und für Sensoren ist es zu heiß im Brennraum.“ Den besten Schutz vor Rissen bieten daher weiterhin Schaufelformen, die materialermüdende Eigenvibrationen vermeiden.

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„Solange die Vibrationskräfte unter einem Grenzwert liegen, sind Eigenvibrationen auch unproblematisch“, versichert die Simulationsexpertin Arianna Bosco von Siemens Corporate Technology. Sie und ihr Kollege Krishna Chaitanya entwickeln zusammen mit Schmitt und anderen Turbinenexperten von Siemens Simulationslösungen für die Suche nach vibrationsarmen Schaufelformen. Ihr Hauptwerkzeug ist dabei das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik für Flugtriebwerke entwickeltes Simulationsprogramm TRACE. Bosco hat es in den vergangenen Jahren eigens für die Vibrationssimulation von Kraftwerkturbinen angepasst. 

Keine einfache Aufgabe, denn in modernen Gaskraftwerken sind die Turbinenschaufeln sehr dicht angeordnet, um Platz und Material zu sparen. Weil sich die Strömung um die Schaufeln bei diesen engen Anordnungen herum komplex verhält, ist ihre Simulation eine besondere Herausforderung. Eigentlich müssten für jede Schaufel tausende leicht variierende Formen in verschiedensten Anordnungen simuliert werden, damit aus allen Simulationsergebnissen das mit der geringsten Eigenvibration ausgewählt werden kann. „Das ist aber viel zu aufwändig“, erklärt Bosco. „So eine Simulation würde viele Tage oder gar Wochen dauern und ist damit für die Gestaltungsphase der Turbine nicht brauchbar.“

Schlanke Simulationslösung

Vor diesem Hintergrund haben sich Bosco und Chaitanya auf die Suche einer weniger zeitaufwändige Simulationsalternative gemacht und auch schon bald eine attraktive Lösung gefunden. Bei dieser Lösung wird die Zahl der der Einflüsse, die in die Simulationsberechnungen einbezogen werden, geschickt reduziert, ohne dabei jedoch das Ergebnis zu verfälschen. Auf diese Weise lässt sich der Zeitaufwand für die Simulation so stark verkürzen, dass dieser Arbeitsschritt jetzt bequem in der Gestaltungsphase der Turbine untergebracht werden kann. 

Bei Siemens werden bereits in einigen neuen Gasturbinen der HL-Klasse und bei der Nachrüstung bestehender Turbinen Schaufeln eingesetzt, deren Vibrationsverhalten mit der von Bosco und Chaitanya entwickelten Simulationslösung optimiert wurden. „Unsere bisherigen Beobachtungen zeigen uns, dass die Eigenvibrationen dieser Schaufeln, ganz wie vorgesagt, deutlich geringer sind als bei früheren Schaufeln“, bestätigt Schmitt. 

Die guten Ergebnisse haben Bosco ermuntert, die neue Simulationslösung weiter ausbauen. „Die perfekte Turbinenschaufel ist wie ein Ziel, dem man sich stetig nähert, das man aber nie ganz erreicht“, sagt sie. Als nächsten Schritt hat sie sich vorgenommen, die derzeitige Lösung in ein Programmpaket zu integrieren, das es erlaubt, die Form der Schaufeln auch hinsichtlich thermodynamischer und anderer Aspekte zu optimieren.


21.01.2020

Hubertus Breuer ist Wissenschafts- und Technologiejournalist und arbeitet freiberuflich in München.

Frank Krull ist Physiker und Journalist und arbeitet in der Kommunikationsabteilung von Siemens.

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