SFB561

 

SFB561

Diagramm Entwicklung 1975 - 2025 Urheberrecht: Fraunhofer ILT Bildunterschrift

Heute erzielen moderne kombinierte Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke bei Feuerung mit Erdgas Gesamtwirkungsgrade von 58 %. Dabei werden mit etwa 1230ºC in Gasturbinen und maximal 600 ºC in Dampfturbinen bereits Temperaturen erreicht, die die Belastungsgrenzen der eingesetzten Werkstoffe überschreiten, sodass nur über komplexe Kühlverfahren und anspruchsvolle konstruktive Lösungen ein sicherer und langlebiger Betrieb der Anlagen möglich ist.
Der Sonderforschungsbereich Thermisch hochbelastete, offenporige und gekühlte Mehrschichtsysteme für Kombi-Kraftwerke hat sich zum Ziel gesetzt, die technischen und wissenschaftlichen Grundlagen zu schaffen, um in einem Kombi-Kraftwerk der Zukunft ab etwa dem Jahre 2025 Gesamtwirkungsgrade von rund 65 % zu erreichen. Dazu müssen Turbineneintrittstemperaturen von 1350 º (ISO) in der Gasturbine und 650 bis 690 ºC in der Dampfturbine verwirklicht werden.
Diese Temperaturen sind nur durch die Entwicklung neuer Werkstofflösungen in Verbindung mit einer Effusionskühlung zu realisieren.
Neben dem Einsatz von keramisch beschichteten Ni-Basis-Superlegierungen ist die effektive Kühlung der heißgasbeaufschlagten Turbinen-Komponenten von wesentlicher Bedeutung. Nur durch diese kann die Turbine zuverlässig bei großen Temperaturen betrieben werden und große Wirkungsgrade erzielen. Die bisher betriebene Vergrößerung der Eintrittstemperatur der Gasturbine zur Wirkungsgradsteigerung kann vor allem wegen der Bildung von thermischem NOX bei einer Verbrennung oberhalb von 1500 °C nicht weiter genutzt werden. Die Kühlung der Turbinen-Komponenten bietet deshalb einen Ansatz für eine weitere Wirkungsgradsteigerung, da die Kühlluft aus dem Verdichter entnommen wird und somit nicht für die Verbrennung verwendet werden kann. Eine Reduzierung des Kühlluftmassenstroms bei einer gleichzeitigen Vergrößerung der Kühleffizienz kann durch eine Effusionskühlung erzielt werden. Diese Effusionskühlung soll durch die Realisierung kleiner Bohrungsdurchmesser, einer Vergrößerung der Bohrungsdichte (bis zu 100 Bohrungen pro cm²) und einer aerodynamische Konturierung des Bohrungsaustritts eine homogene Verteilung des Kühlfluids auf der Bauteiloberfläche garantieren.