Forschung & Entwicklung Turbinenrotor Hochleistungskeramik Fraunhofer

Effizienter Keramikrotor: Aufgrund der Hochtemperaturstabilität des Werkstoffs können die Turbineneintrittstemperatur erhöht und zugleich der Kühlluftbedarf erheblich reduziert werden. Bild: Fraunhofer IKTS

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. Ein Beispiel präsentiert das Fraunhofer IPK mit dem Radialturbinenrotor aus Hochleistungskeramik. 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 dabei entwickelte Hochleistungskeramik kann der Wirkungsgrad von Gasturbinen signifikant gesteigert werden, heißt es. Aufgrund der Hochtemperaturstabilität des Werkstoffs können die Turbineneintrittstemperatur laut Fraunhofer IPK 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, so die Forscher. Das Ansprechverhalten von bewegten Keramikbauteilen könne 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 Keramik-Bauteilen in fliegenden und stationären Turbinen, Turboladern, Pumpen- und Verdichtern und in den kommenden Jahren stetig steigen, berichtet das Fraunhofer IPK.