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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Wärmedämmschichtsysteme für Gasturbinen

Wärmedämmschichtsysteme für Gasturbinen

Wärmedämmschichtsysteme (WDS) sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Gasturbinen, da nur durch diese die für einen effizienten Betrieb notwendigen hohen Brenngastemperaturen verwirklicht werden können. Diese Turbinen wandeln während der Volumenexpansion eines erhitzten Gases die Wärme in Bewegungsenergie um. Aus der Energie der Rotation wird mit einem Generator elektrische Energie erzeugt. Aufgrund sehr grundlegender physikalischer Gesetze ist eine hohe Temperatur des Gases für eine hohe Effizienz der Energieumwandlung entscheidend. Oberhalb von etwa 600°C müssen die inneren Komponenten der Turbine – üblicherweise Metalle – vor der Temperatur geschützt werden, weil sie diesen Bedingungen nicht dauerhaft standhalten. Dies geschieht mit Wärmedämmschichtsystemen.

Als Standardmaterial für Wärmedämmschicht-Anwendungen hat sich mit 7-8wt% Y2O3 teilstabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) weltweit etabliert. YSZ hat eine Reihe von Eigenschaften, die für diese Anwendung herausragend sind, wie z.B. eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Bruchzähigkeit sowie ein hoher Koeffizient der thermischer Ausdehnung, durch den Spannungen im Werkstoffverbund mit den metallischen Substraten reduziert werden. Durch die Optimierung des Schichtdesigns und sowie die Verwendung neuartiger Herstellungsverfahren (s.a. unten) können verbesserte Mikrostrukturen erzielt werden, die die Anwendungsgrenzen für dieses System immer noch erweitern.

Neben der Weiterentwicklung der extrem belastbaren YSZ-Schichten, stellt die Erforschung neuer Werkstoffe für den Einsatz als Wärmedämmschicht ein weiteres Arbeitsgebiet am IEK-1 des Forschungszentrums Jülich dar. Dies ist notwendig, da die mechanische Stabilität von YSZ bei Langzeitanwendungen oberhalb von ca. 1200°C durch Phasenübergängen des Materials und durch Sinterprozesse reduziert wird. Von besonderem Interesse in der Entwicklung neuer Wärmedämmschichtsysteme sind Keramiken aus den Klassen der Pyrochlore (z.B. Gd2Zr2O7), der komplexen Perowskite oder der (Hexa-)Aluminate. Wegen der im Vergleich zum YSZ geringen Bruchzähigkeit der neuen WDS-Materialien werden sie in der Regel in einem Doppellagen-Design verwendet, dass in JÜLICH entwickelt wurde. Wie in Abbildung dargestellt, wird auf die Haftvermittlerschicht zunächst eine Zwischenlage des belastbareren YSZ aufgebracht, bevor die temperaturstabilere Keramik appliziert wird.

WDS: Zwischenlage aus YSZ und einer Deckschicht aus fortgeschrittenen Keramiken


Mikrostruktur eines doppel-lagigen Wärmedämmschichtsystems mit Zwischenlage aus YSZ und einer Deckschicht aus fortgeschrittenen Keramiken: Pyrochlor Gd2Zr2O7, hergestellt mittels APS (links), complexer Perowskit La(Al0.25Mg0.5Ta0.25)O3, hergestellt durch SPS (rechts).


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