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3.3 Die Hochdruckturbine, Betriebsverhalten und Betriebsbeanspruchung
Es gibt einige Teile für die ein mehrfacher Austausch im Laufe eines Autolebens zu erwarten ist. Dazu gehört der Auspuff, Reifen, Batterie, Kupplung und Bremsen. Wann diese Teile auszutauschen sind, richtet sich nicht zuletzt nach der Behandlung die wir ihnen im Betrieb angedeihen ließen. Der Austausch erfolgt entsprechend dem erkennbaren Zustand oder einer rechtzeitig feststellbaren Fehlfunktion. Das nennt man ein zustandabhängiges Vorgehen, engl. „on condition“.
Es gibt aber auch Teile, die nach einer bestimmten, vom Hersteller festgelegten Betriebszeit ausgetauscht werden müssen, egal wie schonend wir sie behandelt haben. Andernfalls ist mit äußerst ernsten Schäden zu rechnen und eventuelle Garantien entfallen. Hierzu gehört der Ersatz von Keilriemen. Insbesondere der Tausch des Zahnriemens, falls dieses Prinzip bei unserem Motor Verwendung findet, ist vorgeschrieben. Er treibt die Nockenwelle an. Bei Versagen kann es zum zerstörenden Kontakt von Ventilen und Kolben mit einem kapitalen Motorschaden kommen.
Die Schaufeln der Hochdruckturbine sind gewöhnlich die lebensdauerbestimmenden Bauteile unserer Gasturbine. Sie unterliegen, ähnlich wie der Zahnriemen des Motors, einer vom Hersteller begrenzten Lebensdauer. Was sich beim Zahnriemen sicher nicht lohnt, ist im Fall der teuren Schaufeln möglich. Voraussetzung ist ein nachweislich niedrigerer Lebensdauerverbrauch, als er dem Austausch zu Grunde gelegt wurde. Es ist denkbar, dass in diesem Fall der OEM seine Zustimmung für eine zeitlich begrenzte Weiterverwendung oder eine Reparatur gibt. Entscheidend sind gewöhnlich die im Handbuch festgeschriebenen Schädigungsgrenzen.
Mehrwellenmaschinen ( "Bild 3.1-2") verfügen über eine separate Hochdruckturbine (HDT). Sie treibt den (Hochdruck-) Verdichter an und ist üblicherweise ein Teil des sog. Gaserzeugers. Er liefert das Heißgas für die Leistungsturbine (Niederdruckturbine, NDT).
Etwa 2/3 der Gesamtleistung der Maschine werden im Gaserzeuger als innere Leistung umgesetzt ( "Bild 2.1-3.1"). Die abgegebene Nutzleistung wird von der Niederdruckturbine erzeugt. Die Hochdruckturbine ist nicht selten Gastemperaturen oberhalb des Erweichungspunktes der Schaufelwerkstoffe (ca. 1200°C) ausgesetzt. Dies erfordert eine intensive Kühlung ( "Bild 3.3-3" und "Bild 3.3-6"). Auch die Fliehkraftbelastung der Schaufeln und Scheiben liegt aufgrund der relativ hohen (Hochdruck-) Drehzahl im Grenzbereich der Werkstofffestigkeit. Diese zyklische und statische Belastung der HDT ist für die begrenzte Lebensdauer ihrer Komponenten verantwortlich ( "Bild 3.3-5"). Es handelt sich insbesondere um die Rotorschaufeln ( "Bild 3.3-10"). Sie müssen üblicherweise als Erste wegen aufgebrauchter Kriechlebensdauer ( "Bild 2.3-1" und "Bild 2.3-2") ausgetauscht werden. Die davor angeordneten thermisch sehr hoch beanspruchten Leitschaufeln ( "Bild 3.3-9") sind von Thermoermüdung und Oxidation lebensdauerbegrenzt. Als statische Bauteile stehen sie unter Wärmespannungen und Gasbiegelast. Diese Beanspruchungen lassen den Rissfortschritt in den vom OEM vorgesehenen Grenzen kontrollieren ( "Bild 3.3-17"). Zusätzlich lassen sich die direkt am Brennkammeraustritt angeordneten Leitschaufeln besser als die Rotorschaufeln mit einer Boroskopierung überwachen und beurteilen ( "Bild 4.1-6"). Ein Versagen ist somit leichter als bei den Rotorschaufeln abzufangen. Neuteilbeschaffung, Reparatur und Wartungsaufwand für diese Komponenten der Hochtechnologie bestimmen wesentlich die Betriebskosten.
