Keramikrotor fliegt effizienter

Hochleistungskeramiken sind heute endlich anwendungsgerechte Werkstoffe für den Einsatz in chemisch, thermisch und mechanisch hoch belasteten Umgebungen – und eignen sich damit bestens für die Luft- und Raumfahrt. Der Turbinenrotor entstand im Rahmen des MAVO-Projekts TurboKeramik für eine Capstone Mikrogasturbine.

Dafür haben fünf Fraunhofer-Institute (IFF, IKTS, SCAI, IWS, IPK) in den letzten vier Jahren eine anforderungsgerechte Keramik, ein belastungsgerechtes Rotordesign sowie das notwendige Metall-Keramik-Verbindungskonzept, wirtschaftliche Fertigungsverfahren und eine entsprechende Testumgebung entwickelt.

Durch die entwickelte Hochleistungskeramik kann der Wirkungsgrad von Gasturbinen signifikant gesteigert werden. Aufgrund der Hochtemperaturstabilität des Werkstoffs können die Turbineneintrittstemperatur erhöht und zugleich der Kühlluftbedarf erheblich reduziert werden.

Eine Verringerung von Spaltverlusten ist durch einen – im Vergleich zu Nickel-Basis-Legierungen – hohen E-Modul und die geringe Wärmeausdehnung der Keramik möglich. Das Ansprechverhalten von bewegten Keramikbauteilen kann im Vergleich zu konventionellen Turbinenbauteilen spürbar verbessert werden. Dies wird durch die niedrige Dichte der Keramik möglich, die zwischen der von Aluminium und Titan liegt.

Die vielen Vorteile von Keramiken gegenüber Nickel-Basis-Legie­rungen sind vor dem Hintergrund anhaltender Forderungen nach CO₂-Reduktion, Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung von großer Relevanz. Der TurboKeramik-Rotor wurde in Tests mit Drehzahlen bis 120.000 min^-1 belastet.

Im realen Turbinenprozess wurde gezeigt, dass Hochleistungskeramiken für die hohen dynamischen und thermischen Werkstoffanforderungen in Turbinen geeignet sind.

Damit ist die Grundlage für den Einsatz von Keramiken in zahlreichen Anwendungen in hoch belasteten Umgebungen geschaffen. So wird der Anteil von Keramikbauteilen in fliegenden und stationären Turbinen, Turboladern, Pumpen- und Verdichtern in den kommenden Jahren stetig steigen.

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