A163

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Ermittlung der Lebensdauer von Bauteilen mit Mehrflächenkontakten

(A163 S 24/38/2000)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2001 - 31. Dezember 2003

Die Ressourcenschonung und der Wunsch nach wenig umweltbelastender Stromerzeugung setzen eine stetige Steigerung des Wirkungsgrades von Dampfkraftwerken voraus. Die Erhöhung der thermodynamischen Wirkungsgrade erfordert  allerdings gesteigerte Dampfparameter. Dafür ist neben der Verbesserung der Komponenten zur Dampferzeugung und den entsprechenden Rohrleitungen auch die Anhebung des Wirkungsgrades bei Turbinen durch den Einsatz neuer Werkstoffe notwendig. Darüber hinaus wird durch die Optimierung des Designs, z.B. durch den Einsatz neuer Schaufelgeometrien sowie durch den Einsatz neuer Berechnungsmethoden eine Verbesserung der Effizienz der Turbinen erreicht.

Die Rotoren von Gas- und Dampfturbinen sind insbesondere während der An- und Abfahrvorgänge hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Betriebserfahrungen zeigen, dass durch diese LCF-Beanspruchungen vor allem im Bereich der Schaufel-Scheibe-Verbindung die Gefahr der Anrissbildung besteht. Die bei dieser Verbindung auftretenden Mehrflächenkontakte sind dabei von entscheidender Bedeutung für die lokale Belastungssituation in den Verbindungen.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, den rechnerischen Lebensdauernachweis für Schaufel-Scheibe-Verbindungen weiter zu entwickeln. Insbesondere sollte eine Übertragung der an Gasturbinenwerkstoffen verifizierten Vorgehensweise auf typische moderne Dampfturbinenwerkstoffe erfolgen. Dabei ist es erforderlich, dass eine möglichst realistische Abbildung der Betriebszustände hinsichtlich Geometrie, Spannungs- und Verformungszustand sowie der auftretenden Kontakt- und Reibungszustände erfolgt.

Für eine Lebensdauervorhersage der tannenbaumförmigen Verbindung von Gasturbinen liegt ein Berechnungsansatz vor, der die Erreichung eines stabilen Zustandes bei zyklischer Beanspruchung voraussetzt. Ziel dieses Vorhabens war die Verifizierung des vorhandenen Lebensdauerkonzeptes basierend auf dem Schädigungsparameter nach Smith, Watson und Topper, zur Berechnung von Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei betriebsnaher Beanspruchung unter Berücksichtigung des Einflusses von Nachbarschaufeln. Dazu dienten LCF-Versuche an Modellkörpern einer Gasturbine (Schaufelwerkstoff: IN792, Scheibenwerkstoff: IN718) mit einer 4-stufigen Verbindung bei 550 °C.

Darüber hinaus wurde das Berechnungsverfahren zur Anwendung auf Dampfturbinen erweitert. Hierzu wurden an einem Modellkörper aus einem typischen Dampfturbinenwerkstoff, der kein zyklisch stabiles Verhalten zeigt, LCF-Versuche mit einer Hammerkopf-Verbindung durchgeführt. Dabei kam der Werkstoff X12CrMoWVNbN10-1-1 für die Schaufel- und Wellengeometrie bei 600 °C und die Nickelbasislegierung Nimonic 80A bei 630 °C als Schaufelwerkstoff zum Einsatz.

Zur Erarbeitung und Verifikation des Lebensdauerkonzepts wurden inelastische Berechnungen unter Verwendung eines viskoplastischen Stoffgesetzes durchgeführt, das sowohl das zyklische als auch das Zeitstandverhalten der verwendeten Werkstoffe beschreiben kann. Durch die Verwendung eines im Stoffgesetz implementierten Schädigungsparameters und mit Hilfe einer geeigneten Extrapolation auf einen werkstoff- und temperaturabhängigen Wert ist es möglich, den Lebensdauernachweis auch für ständig entfestigende 10 % Cr-Stähle zu führen.

Es ist festzustellen, dass das in einem Vorgängervorhaben entwickelte Konzept zur Lebensdauervorhersage unter Ermüdungs- sowie Kriechermüdungsbeanspruchung auf einen Gasturbinenmodellkörper mit betriebsnaher Beanspruchung und Berücksichtigung des Nachbarschaufeleinflusses übertragen werden kann. Darüber hinaus wurde ein modifiziertes Lebensdauerkonzept vorgeschlagen, das für Werkstoffe mit einer starken Neigung zur ständigen zyklischen Entfestigung angewendet werden kann. Mit Hilfe von Dampfturbinenmodellkörpern aus dem martensitischen Stahl X12CrMoWVNbN10-1-1 konnte dieser modifizierte Lebensdauernachweis erfolgreich verifiziert werden.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil E. Roos

vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. , VDMA für FKM, Frankfurt

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF