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2.5 Veränderungen des Betriebsverhaltens mit der Laufzeit
Der Kraftstoffverbrauch eines neuen Autos erreicht gewöhnlich erst nach einigen tausend „Einfahrkilometern“ den in Prospekten angegebenen niedrigen Wert. Kommen wir dann zu Laufzeiten von 100 000 km beginnt die Leistung merklich abzunehmen. Kraftstoff- und Ölverbrauch werden höher, Motor- bzw. Kühlwassertemperaturen steigen und der Auspuff zeigt je nach Motorart so manches Wölkchen verbrannten Öls und/oder vom Kraftstoff herrührenden Ruß. Die Ursache für diese Veränderungen sind anfangs ein Einlaufen mit Abnahme der Reibung. Die späteren Alterungssymptome sind in erster Linie auf Verschleiß (Kolbenringe, Ventilsteuerung, Einspritzdüsen) und Ablagerungen (Motor, Ölsystem, Kühler) zurückzuführen. Auch Gasturbinen verändern ihr Verhalten über die Betriebszeit.
Wie dies geschieht, kann ein wichtiges Kaufargument für einen bestimmten Typ sein.
Anders als der Kolbenmotor kennen Gasturbinen keine Verbesserung während des „Einfahrens“. Im Gegenteil, bei den ersten Start/Abstellzyklen beobachtet man einen relativ schnellen Wirkungsgradabfall (engl. Deterioration), der sich dann verlangsamt und bei Spitzenlastmaschinen über tausende von Zyklen konstant bleibt ( "Bild 1.1-3" und "Bild 2.5-2"). Trotzdem kann der Betreiber mit einer vorschriftsmäßigen „Einfahrphase“ Kosten reduzieren ( "Bild 1.1-3") und den Grundstein für die langzeitige Zufriedenheit mit einer Gasturbine legen. Heftige Anstreifvorgänge führen an den Dichtungen nämlich zu örtlichen Aufheizungen bei unnötig großen Spaltüberdeckungen mit entsprechendem Ausrieb und Abrieb. Die Folge sind erhöhte Spaltverluste für die gesamte Lebensdauer. Diese gehen zu Lasten des Wirkungsgrads ( "Bild 2.5-2") und/oder der Heißteillebensdauer. Eine verkürzte Heißteillebensdauer ergibt sich aus höheren Gastemperaturen ( "Bild 2.3-2"), wenn ein eventueller Leistungsverlust kompensiert werden muss ( "Bild 3.3.3-2" und "Bild 3.3.3-5"). Eine weitere Gefahr entsteht bei heftigen Anstreifvorgängen, wenn sich in Kontaktflächen wie Labyrinthspitzen Warmrisse (Bild 3.1.2.4-7) bilden, die unter der normalen LCF-Belastung wachstumsfähig sind und so die nutzbare Bauteillebensdauer verkürzen. Eine weitere gravierende Beeinflussung des Wirkungsgrads entsteht durch Verschmutzung (engl. fouling) von Verdichter ( "Bild 3.1.1-2" und "Bild 4.2-1.2") und Turbine. Dagegen helfen rechtzeitige Reinigung der Schaufeloberflächen, z.B.Waschen des Verdichters ( "Bild 4.2-1.1"). Nicht nur ein Wirkungsgradabfall mit seinen typischen Folgen ist über die Laufzeit zu beobachten. Nach langen Laufzeiten können als Folge von Verschleiß andere Veränderungen wie axiale Belastungen der Hauptlager ( "Bild 2.5-1") und Schwingungen ( "Bild 2.5-3") auftreten. Diese mögen noch im zulässigen Bereich liegen und strapazieren nicht direkt den Geldbeutel. Sie können jedoch ein Frühindikator für kostenträchtige Schäden sein. Es lohnt sich also, die Gasturbine über lange Betriebszeiten zu beobachten und den Ursachen von Veränderungen nachzugehen. Inzwischen wird eine Vielzahl, meist elektronischer Überwachungssysteme auf dem Markt angeboten. Diese registrieren und bewerten ( "Bild 5.1-3") die Messergebnisse von Temperatur- ( "Bild 3.3.3-1", "Bild 3.3.3-2", "Bild 3.3.3-5" und "Bild 3.6.2-3"), Druck- und Schwingungssonden ( "Bild 2.5-3", und "Bild 5.1.2-1"). Werden schadensrelevante Abweichungen ( "Bild 2.5-4") registriert, erfolgt eine Warnung.
"Bild 2.5-1": Der Zustand der Dichtungen beeinflusst die Luft- und Gasdrücke in den verschiedenen Maschinenbereichen. Der Verdichter baut nach hinten den Luftdruck auf. Aus dem Gesamtdruckverhältnis und dem Austrittsquerschnitt ergibt sich eine nach vorne gerichtete “Kolbenkraft“. Die Verdichterenddichtung bestimmt eine zusätzlich auf die Scheibe am Verdichterende wirkende Kraft nach vorne. Bei der Turbine fällt der Druck in Strömungsrichtung ab. Daher erfährt die Turbine eine hohe Kraft nach hinten. Über die Wellen werden diese Kräfte zwischen Verdichter und Turbine vom Konstrukteur in der Auslegung bestmöglich kompensiert. Dafür kann natürlich eine getrennte Leistungsturbine (Niederdruckturbine) nicht genutzt werden. Hier sind entsprechend robuste Axiallager erforderlich. Die Durchmesser und Dichtwirkung der Labyrinthe sind am Verdichteraustritt und Turbineneintritt aufeinander abgestimmt. Damit soll möglichst während der gesamten Betriebszeit eine gut beherrschbare axiale Lagerkraft in einer Richtung gewährleistet sein. Eine zu hohe Lagerkraft oder deren Richtungswechsel, je nach Betriebszustand, sind ebenso unerwünscht (z.B. Käfigschlupf), wie eine zu niedrige Lagerkraft. Verändern sich die Labyrinthspiele im Laufe der Betriebszeit durch Verschleiß oder Erosion, gilt dies auch für Leckagen und damit Drücke und Lagerkräfte.
Bei ungewöhnlich großem Labyrinthverschleiß können deshalb auch die Lager von Schäden merklich betroffen sein.