Verwendung von oxidbasierten Keramiken in Gasturbinen
Der Bedarf einer kontinuierlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Gasturbinen erfordert die Verwendung von neuen Werkstoffen für wichtige Bauteile. Die Superlegierungen, die momentan verwendet werden, haben ihre physikalischen Grenzen fast erreicht. Im Rahmen des CERCO-Projekts wurden die möglichen Vorteile einer Verwendung von Keramiken in Gastrubinen untersucht. Die hierdurch möglichen Vorteile beinhalten beispielsweise die Erhöhung der Einlasstemperatur auf über 1.400°C. Bei einer betriebsbereiten stationären Gasturbine würde dies einer Steigerung des thermischen Wirkungsgrads von 20% und einer Erhöhung der Ausgangsleistung von 40% gleichkommen. Diese Steigerung der Leistungsfähigkeit der Gasturbine bezieht sich dabei auf eine Gasturbine, die vollständig aus Metall unter Verwendung von luftgekühlten Komponenten besteht. Durch die Verwendung von Keramiken wurde zudem eine Verringerung der Stickoxidemissionen (NOx) auf weniger als 10ppm erwartet. Das größte Hindernis bei einem umfassenderen Einsatz von Keramiken bei Gasturbinen war, dass diese chemischen Verbindungen bei Verwendung dieser Strukturkeramiken in Gasturbinen weiterhin vorhanden waren. Ein weiteres Hindernis bestand in der Entwicklung von Werkstoffen, die an die speziellen Belastungen angepasst sind. Das Ziel des CERCO-Projekts war, Keramiken zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von kleinen stationären Gasturbinen zu verwenden. Dies konnte durch gezieltes Ersetzen der Turbinenbauteile aus Metall, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, durch ungekühlte Keramikbauteile erreicht werden. Zuerst wurden oxidbasierte keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC, Cermaic Matrix Composite) unter Verwendung von Faserbeschichtungen entwickelt. Anschließend wurden die mechanische Festigkeit, die Dichte und das Materialverhalten dieser Werkstoffe bei hohen Temperaturen bestimmt. Darüber hinaus wurden Herstellungsverfahren für komplexe Prototypenbauteile von Turbinen wie für das Turbinendeckband und für die Brennkammer entwickelt. Die Testergebnisse wiesen darauf hin, dass der entwickelte Werkstoff sogar bei längerer Verwendungsdauer bei Temperaturen von bis zu 1.050°C hervorragende Leistungswerte aufweist. Bei höheren Temperaturen kam es zu einer Degeneration des Werkstoffs. Ein Einsatz dieses Werkstoffs bei Anwendungen mit kurzzeitig auftretenden hohen Temperaturen wäre trotzdem weiterhin möglich. Solche Anwendungen umfassen beispielsweise Raketendüsen und thermische Schutzsysteme.
