3.4.2 Probleme der Niederdruckturbine, Ursachen und Abhilfen

"Bild 3.4-1" (Lit. 3.4-6): Die langen und schlanken Blätter der Turbinenschaufeln hinterer Stufen (Niederdruckturbine) erfordern auch bei modernen Triebwerkstypen Deckbänder. Hochdruckturbinen älterer Triebwerkstypen sind im Gegensatz zu Schaufeln neuerer Typen ebenfalls mit Deckbändern ausgerüstet. Deckbänder an Turbinenschaufeln verbessern die Dichtwirkung im Bereich der Blattspitzen und stützen das Blatt gegen hochfrequente Schwingungen ab.

Deckbänder an Turbinenrotorschaufeln sind nicht unproblematisch und zeigen spezifische Schäden als Folge von Kriechverformung (Skizzen oben):

Auftwisten, ein bleibendes Aufdrehen des Schaufelblattes unter der Fliehkraft. Dadurch wird die schützende Wirkung gegen Schwingungen abgebaut.

Aufbiegen des Deckbands ist meist die Folge eines nach außen verlagerten radialen Temperaturprofils. Im Extremfall kann es zum Abbrechen einer Deckbandecke kommen.

Shingling (Overriding) ist das dachziegelartige Überlappen der Deckbandkanten benachbarter Schaufeln. Shingling wird von schmalen Anlagen („b“) , Aufbiegen der Deckbänder und Frettingverschleiß begünstigt.

Skizzen unten: Parallelogrammförmige Deckbänder sind gewöhnlich nicht gegeneinander verspannt (Skizze rechts). Sie behindern „Ährenfeld Schwingungen“ nur wenig, bilden unter Fliehkraft einen Spalt und verschieben sich beim Aufdrehen der Schaufeln gegeneinander (linke Skizze „A“ und „B“). Um die Funktion der Deckbänder zu gewährleisten, werden die Schaufeln gegeneinander so verspannt, dass das Blatt unter Torsions spannungen steht. Dazu erhalten Deckbänder Z-Form (engl. interlocking shroud, linke Skizze „C“). Die Anlageflächen werden gegen Frettingverschleiß mit einer Panzerung (z.B. Stellit-Schweißung) versehen. Solche Deckbänder heben auch unter Fliehkraftdehnung nicht voneinander ab. Von der formbedingten Kerbe werden jedoch Ermüdungsrisse durch Thermoermüdung und/oder hochfrequente Schwingungen begünstigt. Insbesondere wenn versehentlich die Auftragsschweißung bis in den Kerbradius verläuft.

"Bild 3.4-2" (Lit.3.4-4): Den Schadensmechanismus der Sulfidation kann man sich wie folgt vorstellen:

• Der Grundwerkstoff (z.B. Ni-Basis) wird normalerweise von einer kompakten Oxidschicht mit Al- und Cr-Oxiden geschützt. Diese Schicht ist für Schwefel undurchdringlich.
• Verschiedene Mechanismen, wie z.B. die chemische Reaktion der Oxidschicht mit Salzschmelzen, können jedoch dazu führen, dass der Schwefel diese Hürde überwindet.
• Dabei “lockern” die Salzschmelzen die Oxidschicht auf. Schwefel diffundiert dann ungehindert ein.
• Ist der Schwefel in den Grundwerkstoff eingedrungen, wird die Wiederausbildung der kompakten, schützenden Oxidschicht verhindert. Die Salzschmelze ist nun als Wegbereiter nicht mehr nötig.
• Die Folge ist eine beschleunigte Zerstörung des Grundwerkstoffs durch Oxidation.

Offenbar genügt für den Schadensablauf schon sehr wenig Schwefel. Er kann aus Kraftstoff oder Industrieatmosphäre angesammelt werden. Dieser wird nur in einer schmalen Zone am Übergang der Sulfidationszone zum Grundwerkstoff wirksam. Hier unterstützen wenig NiSulfide die Bildung großer Ni-Oxidmengen indem sie den Sauerstofftransport übernehmen. Der Nachweis dieser geringen Ni-Sulfid-Mengen ist nicht einfach. Die Ni-Sulfide finden sich im metallografischen Schliff als kleine graue Punkte im Grundwerkstoff vor der Oxidationsfront. Für den zerstörungsfreien Nachweis gefährlich starker Sulfidation ist die Magnetoskopprüfung geeignet. Sie zeigt größere Mengen durch den Oxidationsvorgang magnetisch veränderten Grundwerkstoff. So können auch äußerlich zugängliche Hohlkörper wie Turbinenleit- und Laufschaufeln im eingebauten Zustand überprüft werden. Das gelingt selbst dann, wenn die Wand noch nicht nach außen durchbrochen, der Schaden also noch nicht sichtbar ist

"Bild 3.4-3" (Lit. 3.4-4): Sulfidation ist an ganz bestimmte Temperaturbereiche gebunden, in denen stabile aggressive Salzschmelzen existieren ( "Bild 3.4-2"). Aus diesem Grund bildet sich äußere Sulfidation in bauteiltypischen Zonen (Skizzen links). Neben der geeigneten Temperatur, werden diese Zonen auch von einer für Ablagerungen günstigen Position bestimmt.

Sulfidation wird besonders dann unterstützt, wenn das Sauerstoffangebot zur Bildung einer dichten, schützenden Oxidschicht nicht ausreicht. Dies ist offenbar besonders in einseitig geschlossenen ungekühlten Hohlschaufeln (Gewichtsminimierung) der Fall. So kommt es im Extremfall zur „Fensterbildung“ (Beispiel 3.4-2), d.h. dem Durchbruch der Wände des Blattes (Skizze unten rechts). Die besondere Problematik dieser Schädigung ist, dass ihr Ausmaß erst in einem späten Stadium erkannt wird.

Bei kühlluftdurchströmten Schaufeln (Skizze oben rechts) scheint es begrenzte Bereiche im Blattinneren zu geben, wo sich aggressive Stäube bevorzugt ablagern. Herrscht hier eine für Sulfidation geeignete Bauteiltemperatur, kommt es zum Angriff

Meistens sind diese Bereiche auf der Druckseite der Schaufelblätter zu finden. An schleiergekühlten Turbinenschaufeln befinden sie sich bevorzugt hinter den Luftaustrittsbohrungen (Skizze oben links). Schaufeln mit ausreichend hohen Kantentemperaturen die Sulfidation nicht begünstigen ( "Bild 3.4-2"), zeigen parallele, schmale Felder (Skizze unten links). Häufig werden Oxide der Sulfidation durch die Erosion des Gasstroms und darin mitgeführter Partikel abgetragen. Die verbliebenen flächigen Vertiefungen weisen auf Sulfidation hin.

In diesem Fall ist wegen der bereits vorweggenommenen Inkubationszeit der Ni-SulfidBildung nur noch mit einer vergleichsweise kurzen Restlebensdauer zu rechnen.

"Bild 3.4-4" (Lit. 3.4-3): Silber wird bei Heißteilen aus Ni-Basis-Werkstoffen und hochlegierten Stählen verwendet, um einen kontrollierbaren Reibbeiwert zu erhalten: Zusätzlich soll „Fressen“ (Kaltverschweißen) und Fretting (Schwingverschleiß) vermieden werden. Deswegen werden besonders Schrauben, Muttern und Passflächen von Bolzen versilbert. Silber kann Bauteile aus Nickellegierungen auf gefährliche Weise schädigen.

Skizze1:Auslösen und Unterstützen von Sulfidation durch eine Art katalytische Wirkung von Silber auf Heißteiloberflächen.

Skizze 2: Bei erhöhten Bauteiltemperaturen (vermutlich >700 °C) kann Silber gefährlich in Ni-Legierungen und hochlegierte Stähle eindiffundieren. Besonders wenn diese, wie für Schrauben und Bolzen üblich, unter hohen Zugspannungen stehen. Solche Schäden bevorzugen den Gewindebereich. Es kommt zu Versprödung, unzulässigem Festigkeitsabfall und zum Bruch. Voraussetzung für die Diffusion ist der metallische Kontakt des Silbers mit dem Grundmaterial. Das ist bei Neuteilen der Fall. Eine Schädigung durch Diffusion ist dagegen an gelaufenen Bauteilen mit schützenden oxidierten Oberflächen bei Kontakt mit Silber weniger wahrscheinlich.

Skizze 3: Auslösen von Sulfidation an Heißteilen aus Ni-Legierungen im Kontakt mit versilberten Flächen. Dadurch kann auch die Ermüdungsfestigkeit unzulässig abfallen.

Skizze 4: Verdichterscheiben aus einer Titanlegierung barsten, nachdem Risse in den Bolzenbohrungen der Verschraubung des Rotorverbands auftraten. Die Rissbildung wird auf den Kontakt der Titanlegierung mit gegen Fretting versilberten Bolzen aus hochlegiertem Stahl (A-286) zurückgeführt. Clhaltiges Schwitzwasser hat offenbar zur Bildung von Silberchlorid geführt und bei den erhöhten Betriebstemperaturen Silberablagerungen in den Bolzenbohrungen entstehen lassen. Mit derartigen Verunreinigungen, insbesondere Chloriden, ist in Meeresatmosphäre immer zu rechnen.
Bei Langzeiteinwirkung sind Schädigungen am Scheibenwerkstoff Waspaloy (Ni-Legierung) im Zusammenhang mit Silber beobachtet worden. Dabei kann sich Silber von den Verschraubungen ablösen und benachbarte Bauteile schädigen (Skizze 5).

Skizze 5: Im Rotor einer Niederdruckturbine aus einer Ni-Legierung trat Lochfraß im Zusammenhang mit Silberablagerungen auf. Die Ablagerungen entstanden wahrscheinlich aus eingedampftem Schwitzwasser, in dem Silberverbindungen gelöst waren. Das aggressive Wasser hatte anscheinend die Verschraubung im Stillstand entsilbert und wurde dann beim Anfahren der Maschine nach außen in die Flanschansätze geschleudert, wo es verdampfte. Es handelt sich also um eine Kombination der Schadensmechanismen aus Skizze 1 und 4.

Skizze 6: Diese HDT-Scheibe besteht aus einer Ni-Legierung. An beiden Flanschen entstanden nach längeren Versuchsläufen Risse. Sie wurden vom Silber der Verschraubung ausgelöst.

Um derartige Schäden in Verbindung mit Silber zu vermeiden, sollte auf ein Versilbern der Kontakt- und Gleitflächen verzichtet werden. Dies hat den zu akzeptierenden Nachteil, dass lösbare Verbindungen (z.B. Schrauben) bei der Demontage so geschädigt werden, dass eine Wiederverwendung nicht mehr möglich ist.

"Bild 3.4-5" (Lit.3.4-5): Dichtungen mit einer Wabenstruktur aus oxidationsbeständigem Ni-Basis-Blech (Honigwabendichtungen = Honeycombdichtungen) werden in der Turbine als Anlaufflächen für Labyrinthsspitzen und Rotorschaufeln genutzt (Skizzen oben). Die Dichtwirkung bei kleiner Spaltweite ist um so besser, je kleiner die Waben sind. Am Besten ist eine glatte Fläche. Sie ist als Standard von der horizontalen Linie repräsentiert. Mit ansteigender Spaltweite wird die Dichtwirkung größerer Waben/Zellen relativ zur glatten Fläche besser (Diagramm).

Vabendichtungen haben sich als Anstreifstrukturen auch bei mehreren Millimetern radialem und axialem Einlauf bewährt. Die Labyrinthspitzen werden vom normalen Anstreifvorgang nicht unzulässig geschädigt. Honeycombs haben gerade bei größeren Labyrinthspalten eine gute Dichtwirkung (Lit 3.4-1). Darüber hinaus wirken Sie auf Labyrinthschwingungen dämpfend (Lit 3.4-2). Während sehr langer Betriebszeiten, wie sie für Industrieanwendungen typisch sind und/oder unter besonderen korrosiven Bedingungen, kann es jedoch zu einer deutlichen Schädigung der Wabenwände durch Oxidation oder Heißgaskorrosion kommen. Im Extremfall versprödet die gesamte Wabenstruktur und bricht aus ( "Bild 3.4-6"). Das vermindert die Dichtwirkung deutlich und führt nicht nur zu hohen Spaltverlusten mit entsprechenden Wirkungsgradeinbußen ( "Bild 2.5-2"). Auch die Gefahr einer unzulässigen Aufheizung der Rotorabstandsringe durch die Heißgasleckströmung erhöht sich. Aus diesem Grund sollte der Hersteller die Langzeithaltbarkeit dieser Dichtsysteme im Heißgasbereich und für die betreiberspezifischen Bedingungen glaubhaft demonstrieren können ( "Bild 3.4-6"). Dazu sind relevante Referenzen von Betreibern geeignet. Um das Ausbrechen oxidierter Honigwaben zu verhindern, werden gegenüber Rotorschaufeln ohne Deckband auch mit Ni-Basis-Sinterwerkstoffen gefüllte Wabendichtungen eingesetzt. Eine solche Dichtungsstruktur lässt natürlich die Vorteile der offenen Waben wie leichter Einlauf und Dämpfungswirkung nicht erwarten.

"Bild 3.4-6": "Bild 3.4-6" (Lit. 3.4-5): Geänderte Betriebsbedingungen können unerwartete Schäden an „bewährten Bauteilen“ auslösen. Das ist der Fall, wenn man die Betriebszeiten zwischen den Überholungen verlängert oder eine relativ hohe Leistung über längere Zeiträume fordert. Dann wird im Heißteilbereich der „Verschleiß“ der Schaufelspitzendichtungen zu einem lebensdauerbestimmenden Faktor.

Oxidation schwächt die dünnen Blechstege („A“, Bild unten) der Honeycombdichtungen, sodass ein Ausbrechen der Waben den Spitzenspalt der Turbine („B“) unzulässig vergrößert.