3.1.2.1 Mechanische Probleme

"Bild 3.1.2.1-0": Der Unterschied zwischen LCF (Kurzzeitermüdung, engl. low cycle fatigue) und HCF (engl. high cycle fatigue) lässt sich gut im Wöhlerdiagramm (Diagramm oben) erklären. Dieses kennt Werkstoffe deren Wöhlerkurve ab ca. 107 Lastwechsel horizontal verläuft, also eine Dauerfestigkeit aufweisen (z.B. Stähle) unter der kein Bruch zu ewarten ist. Al-Legierungen und Titanlegierungen haben keine Dauerfestigkeit , hier fällt die Wöhlerkurve weiter ab. Dies wird in der Auslegung berücksichtigt. Belastungen im Bereich der Zeitfestigkeit liegen oberhalb der Dauerfestigkeit. Nach einer belastungsabhängigen Zeit kommt es zum Schwingbruch. Die Aufteilung des Wöhlerdiagramms erfolgt also belastungsorientiert. Im angelsächsischen Raum führt man dagegen eine Aufteilung in Abhängigkeit von der zu erwartenden Lebensdauer ein. Dynamische Beanspruchungen, die zu einer „merklichen plastischen Verformung“ im Anrissbereich führen, liegen definitionsgemäß im LCF-Bereich. Dieser ist zwischen 104 und 105 Anrisslastwechseln zu finden. Interessant ist die „schwammige Definition“ der Verformungsamplitude, was einer relativ breiten Grauzone des Lebensdauerbereichs entspricht. Auch ist oft auf den ersten Blick nicht erkennbar, wie es zu derartigen Verformungen kommt. Zeigen doch in ihrer zyklischen Lebensdauer begrenzte Bauteile (z.B. Rotorscheiben) keine messbare Aufweitung unter normalen Betriebsbelastungen.

Die Definition der LCF-Beanspruchung passt auch für Thermoermüdung (TF, TMF, Bild 3.3- 16). Hier führen behinderte Wärmedehnungen als Folge von Temperaturänderungen zu zyklischen plastischen Verformungen.

Die untere Skizze macht an einer Situation aus dem Alltagsleben den Schadensmechanismus einer (extremen) LCF-Beanspruchung verständlich.Will man mit der Hand einen Draht trennen, muss dieser öfters plastisch gebogen werden. Der Draht erleidet so einen LCFBruch. Natürlich ist die Zahl der Lastwechsel in Gasturbinen deutlich höher, der Mechanismus jedoch vergleichbar

Bei einem Stahldraht lässt sich ein Anstieg der Biegekraft registrieren, der Werkstoff verfestigt sich. Nach einigen Lastwechseln wird der Draht brechen. Die Erwärmung bei diesem Vorgang ist für die Erklärung nicht von Bedeutung und entspricht der zur Plastifizierung eingebrachten Biegearbeit. Vielleicht haben wir noch registriert, dass z.B. ein rostiger Draht (mit Korrosionskerben) weniger Lastwechsel bis zum Bruch benötigt, als ein blanker. Kerben und Fehlstellen senken also die LCF-Festigkeit bzw. verkürzen die LCF-Lebensdauer. Sie sind in derartig beanspruchten Bauteilzonen unbedingt zu vermeiden.

HCF-Brüche (Dauerbrüche) zeigen dagegen keine Anzeichen plastischer Verformung. Brüche wirken auch mikroskopisch in duktilen (zähen) Werkstoffen spröd.

Wie in Skizze unten links dargestellt, beschränken sich LCF-beanspruchte Bereiche (hier einer Rotorscheibe) auf kleine Volumina in Zonen, die eine Spannungserhöhung infolge Kerbwirkung erfahren. Hierzu gehören Radien zwischen Querschnittssprüngen, Bohrungen für Verbindungsbolzen und die Nabenbohrung. Diese Zonen erfahren unter Fliehkraft- und Wärmespannungen hohe Spannungen, die bei heute in Flugtriebwerken und deren Derivaten üblichen Belastungen immer plastische Dehnungen zur Folge haben. Nach einer Entlastung bauen sich zwischen den plastisch verformten Bereichen und den lediglich elastischen, deutlich größeren benachbarten Zonen, Eigenspannungen auf. Die stehen bei Stillstand im Gleichgewicht. Deshalb kann sich die örtliche plastische Verformung in äußerlichen Maßänderungen (z.B. des Scheiben-Außendurchmessers) kaum bemerkbar machen.

Abschließend sei noch Folgendes klargestellt, um ein häufiges Missverständnis auszuräumen: Der Buchstabe „F“ in den Begriffen HCF und LCF steht für „fatigue“=Ermüdung und nicht für Frequenz. Obwohl meist die große Zahl der Bruchlastwechsel und die vergleichsweise moderate Spannungsamplitude bei HCF-Brüchen mit hochfrequenten Schwingungen in Zusammenhang steht, ist es durchaus denkbar, dass sich HCF-Brüche auch bei“LCF-typischen“ niedrigen Frequenzen (z.B. Start/Abstellzyklen) akkumulieren. Beispiel wäre eine SpitzenlastGasturbine mit „zig“ Jahren Betriebszeit, die täglich wenige Male gestartet wird.

Umgekehrt können aber auch LCF-Brüche von hochfrequenten Schwingungen mit extremen Amplituden ausgelöst werden. Solche hohen Belastungen können bei Flatterschwingungen oder als Folgeschäden auftreten. Das ist z.B. beim Überlaufen eines abgebrochenen Schaufelblattes, das im Gehäuse anliegt, der Fall.

"Bild 3.1.2.1-1a2a3a4": Bei Kleingasturbinen bestehen nicht selten auch die Verdichter aus integralen Rädern. Diese Bladed Disks, kurz “Blisks“ gehören zu einer Gasturbine kleiner Leistung, des Derivats eines Hubschraubertriebwerks mit wenigen 100 kW. Die einzelnen Räder sind aus Cr-Stahl nach dem Feingussverfahren. Hier wird im Kranzbereich zentriert. In Entwicklung und Einführung größerer Flugtriebwerke befinden sich spanend oder elektrochemisch hergestellte Verdichterrotoren in Blisk-Bauweise. Sie werden wohl in Zukunft auch in Derivaten zu finden sein.

Bild 3.1.2.1-2: Verdichterscheiben größerer Maschinen haben bis heute gewöhnlich axiale Schwalbenschwanznuten im Kranz zur Aufnahme der Schaufeln. Die Scheibe (-Membrane) hat üblicherweise Zentrierbunde für die benachbarten Scheiben bzw. Zwischenringe (Spacer, siehe "Bild 3.1.2.4-1"). Die Verbindung im Rotorverband erfolgt hier über zentrierende Schrauben oder Zuganker durch die Scheibe. Man findet darüber hinaus im Außenbereich verschweißte oder über Flansche verschraubte Rotoren. Auch hier ist die hochbeanspruchte Nabe aufgedickt, um das Beanspruchungsniveau abzusenken. Dies umso mehr, je größer die Nabenbohrung ausgeführt wurde .

Bild 3.1.2.1-3: Gasturbinen kleiner Leistung bis ca. 1000 kW weisen häufig ein- oder zweistufige Radialverdichter auf oder haben hinter einem Axialverdichter einen Radialverdichter als Endstufe. Die Radscheibe trägt neben den integralen Schaufeln meist ein Labyrinth zur Abdichtung der Verdichteraustrittsluft und einen Wuchtbund für die spanende Wuchtentnahme. Sie geht dann in eine breite Nabe über. Nicht selten findet man dort einen verstärkenden Bund und im Nabeninneren eine festigkeitsoptimierte Kontur. Eine Besonderheit sind zweiteilige Räder aus einem Vorsatzläufer und einer Radscheibe. Ein Ring im Eintrittsbereich über den Schaufelspitzen (Pfeil) dürfte in erster Linie gegen Schaufelschwingungen versteifen, könnte aber auch Dichtfunktion haben.

Bild 3.1.2.1-4: Verdichterrotorschaufeln weisen keine Deckbänder auf. Ihre Schaufelspitzen sind ein Element der Spitzenspaltdichtung. Nicht selten ist eine Optimierung des Spitzenspalts durch Anstreifen vorgesehen. Um dabei die Schädigung ( "Bild 3.1.2.1-5a6a7a8") möglichst gering zu halten, ist das Blattprofil an der Spitze verdünnt (“Squealer Tip”). Spitzenpanzerungen, die härtere Anlaufbeläge im Gehäuse ermöglichen, sind in der Entwicklung. Das zur Axialrichtung schräg stehende Blatt benötigt eine Plattform für den Übergang zum Fuß und die Gasführung. Die Anlageflächen der Fußplattform können die Schaufel dämpfen, um Schwingungen zu vermeiden, sie abstützen und Abdichtungsfunktionen übernehmen. Der Schaft überträgt die Kräfte aus der breiten Fußplattform in den besonders belasteten Schwalbenschwanzfuß ( "Bild 3.1.2.1-5a6a7a8"). Die Auflageflächen des Fußes tragen gewöhnlich einen Gleitbelag zur Reduzierung der Belastung aus den Reibungskräften und sind zur Anhebung der Schwingfestigkeit verfestigt (kugelgestrahlt).

"Bild 3.1.2.1-5a6a7a8": Verdichterläufer aus integralen Rädern (Blisks, links oben), wie er in Kleingasturbinen zu finden ist: (1) Risse durch Anstreifen und/oder „Lyra-Schwingungen“,(2) Risse im HCF-Bereich durch Schaufelschwingungen in der Grundbiegung. (6) LCF-Ermüdung im hochbelasteten Nabenbereich infolge Fliehkraftänderungen, insbesondere beim Start-/Abstellzyklus.

Bild 3.1.2.1-6: Typische Scheibe eines Axialverdichters (oben rechts) : (1) Ermüdungsrisse in den Schwalbenschwanznuten durch Schaufelschwingungen im HCF-Bereich. (2)Anrisse im LCF-Bereich als Folge von Fliehkraftänderungen. Anrisse in den Auflageflächen der Schaufeln und Scheibennuten sind nicht selten in Kombination mit einer “Frettingschädigung” ( "Bild 3.1.2.1-10") zu sehen. In den Verschraubungsbohrungen findet man Rissbildung durch Fliehkraftänderungen im LCF Bereich. Bei Stählen oft in Kombination mit Korrosionsgrübchen. (3) Risse im Labyrinth als Folge einer Anstreifschädigung.(4) LCF- Risse im Nabenbereich durch Fliehkraft- und, in deutlich geringerem Maß als bei einer Turbinenscheibe ( "Bild 3.3-18"), durch zyklische Wärmespannungen (Thermoermüdung). Anrissbereich ist meist eine Werkstoff - oder Fertigungsschwachstelle.

Bild 3.1.2.1-7: Radialverdichterräder (links unten) sind ebenfalls hochbeanspruchte Bauteile: (1) Rissbildung als Folge von Schaufelund/oder Scheibenschwingungen im HCF-Bereich, (2) Ermüdungsrisse durch LCF bei Start- und Abstellvorgängen, kann durch Scheibenschwingungen unterstützt werden. (3) Rissbildung beim Anstreifen mit Thermospannungen und Überhitzungsschädigung (Bild 3.1.2.4-7). Von hier ist ein Rissfortschritt im Nabenbereich unter Fliehkraftänderungen möglich. An den Schaufelspitzen durch Schwingungen. (4) Rissbildung durch heftiges Anstreifen der Schaufel mit Überlastung der Schaufelwurzel. (5) Zyklische Ermüdung durch Aufbiegung der Radscheibe und Biegeüberlastung der Vorsatzläuferschaufel.

Bild 3.1.2.1-8: Verdichterrotorschaufel: (1) Ermüdungsrissbildung bei Schaufelschwingungen, (2) Rissbildung im Auflagebereich durch Drehzahländerungen.(3) Rissbildung durch Anstreifen,(4) Rissbildung durch Schaufelschwingungen, meist im Zusammenhang mit Frettingverschleiß ( "Bild 3.1.2.1-10").

"Bild 3.1.2.1-9": Das sogenannte “CampbellDiagramm“ ermöglicht bereits in der Auslegungsphase, aber auch bei der Ursachenermittlung im Schadensfall mögliche Resonanzen zu erkennen und die Quellen der Schwinganregung zu identifizieren. Bei diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Rotorfrequenz (Hz), entsprechend den Umdrehungen in einer Sekunde, aufgetragen. Die Ordinate enthält die Eigenfrequenzen der schwingenden Komponente und der Schwingungsanregung. Für jede lässt sich in diesem Diagramm eine Gerade entsprechend der (Strömungs-) Störungen am Umfang einzeichnen. Die Kurve der Eigenfrequenz (keine horizontale Gerade, weil Effekte wie die Fliehkraft- und die Temperaturabhängigkeit des E-Moduls bzw. der Steifigkeit eingehen) schneidet diese Geraden in möglichen Resonanzpunkten bei Betriebsdrehzahl (hier einem einzigen, siehe Pfeil). Typische Störungen im Gasstrom sind Streben, Leitschaufeln und Luftentnahmen (Abblasöffnungen). Im Entwicklungsstadium wird die Eigenfrequenz der Komponenten berechnet und geeignet ausgelegt. Zur Klärung von Schadensfällen dient üblicherweise die experimentelle Schwingungsanalyse (z.B. Modalanalyse). Dabei ist diejenige Schwingungsform (Mode) die wahrscheinlichste, bei der im Anrissbereich die höchsten Beanspruchungen zu erwarten sind. Dieser liegt dort, wo die höchsten Oberflächendehnungen (kleinster Krümmungsradius zwischen den Knotenlinien) auftreten. Messtechnisch lässt sich diese Zone mit Dehnungsmessstreifen (DMS) nachweisen bzw. bestätigen. Der Einfluss des Betriebs auf die tatsächliche Höhe der entstehenden Belastung wird dann aus Erfahrungswerten abgeschätzt. Natürlich wird man versuchen, die Resonanzmöglichkeiten für wichtige Komponenten konstruktiv außerhalb des Betriebsdrehzahlbereichs des Rotors zu legen. Bei der Drehzahländerung von Start bis Vollast und einer Fülle strömungsbeeinflussender Komponenten treten eine Vielzahl schwingungserregender Frequenzen auf. Diese machen eine Vermeidung aller potenziellen Resonanzen unmöglich. Klarheit kann deshalb letztendlich nur Erprobung und/oder Betrieb schaffen. Es gilt also: “The engine will tell us“, wie man im Englischen so schön sagt. Wenn sich die Betriebsbedingungen gegenüber Erprobung/ Nachweis verändern, gilt deren Aussage nur noch eingeschränkt. Das kann dann die Maschine mit einem Schaden ‘melden’.

"Bild 3.1.2.1-10": Eine typische Schwachstelle der Rotorschaufeln eines Verdichters sind Auflagezonen oder Nachbarbereiche des Schwalbenschwanzfußes. Hochfrequente Schaufelschwingungen (“A“) und/oder niederfrequente Dehnungen unter Fliehkraftänderungen (“B“) können in diesem Bereich Mikrobewegungen mit typischen Verschleißspuren erzeugen, den sog. “Frettingverschleiß“ (Schwingreibverschleiß, Reibkorrosion usw.). Diese Verschleißform ist wegen der Schwächung des Schaufelmaterials besonders gefährlich. Sie begünstigt Schwingermüdung mit Rissbildung (schwarze Pfeile). Auch die scheinbar nicht direkt betroffenen Nachbarzonen der Auflageflächen werden zusätzlich belastet. Im Vergleich mit Schaufeln aus Stählen, ist die Schädigung von Titanlegierungen durch Fretting besonders ausgeprägt. Schaufelfüße werden deshalb mechanisch behandelt und/oder mit Schichten versehen. Damit lässt sich eine Schädigung für die vorgesehenen Betriebszeiten in zulässigen Grenzen halten.

Die typische mechanische Behandlung ist eine Verfestigung der Kontaktzone durch plastische Verformung. Durchgesetzt hat sich das sog. Kugelstrahlverfahren (engl. shot peening). Hier trifft ein Strahl kleiner Stahlkugeln aus einer Düse auf die zu behandelnde Oberfläche. Diese Behandlung erfolgt mit hoher Kugelgeschwindigkeit unter vorgegebenem Druck und Winkel in einer genau festgelegten Zeit. So entstehen mikroraue Flächen, die meist zusätzlich mit einem Gleitlacksystem behandelt werden. Das senkt den für die Belastung der Nachbarzonen durch die sog. Anstrengung (Überlagerung von Zug aus Biegung und Schub) mitverantwortlichen Reibbeiwert. Verschleißfeste und plastisch anformungsfähige Schichten (z.B. Bronzen) mit niedrigem Reibbeiwert, auch in Kombination mit einer Strahlverfestigung, kommen in modernen Maschinen vermehrt zum Einsatz. Sie sollen höhere Temperaturen und Belastungen ermöglichen.

Da trotz aller Maßnahmen bei langen Betriebszeiten mit einer Schädigung der Kontaktzone gerechnet werden muss, ist es üblich bei Überholungen die Behandlung der Schaufelfüße ganz oder teilweise zu wiederholen bzw. aufzufrischen.

Treten ungewöhnliche Frettingerscheinungen auf, die auf besondere Betriebsbedingungen hinweisen, kann der Fachmann die makroskopischen und mikroskopischen Verschleißbilder auswerten und gegebenenfalls wichtige Hinweise zur Abstellung geben. Ein Merkmal für die Schädigungsintensität ist die Länge und Orientierung der Verschleißspuren (a) im Mikrobereich (Detail unten links).

Aussagefähig sind auch Lage und Richtung einer Rissbildung (Detail oben links).