Inhaltsverzeichnis
3.1.2.2 Luftverunreinigungen und Fremdkörper im Verdichter, Ursachen und Auswirkungen
Luftverunreinigungen plagen den Motor unseres Autos offenbar wenig. Dies liegt wohl zum einen daran, dass die Luft unter normalen Umständen wenig Staub enthält. Andererseits ist unser Motor mit einem Filter, meist einem Papierfilter, ausgerüstet. Dieser muss rechtzeitig ausgetauscht werden. Ein verstopfter Filter verhindert, dass der Motor ausreichend „Luft bekommt“. In einem solchen Fall erhöht sich der Kraftstoffverbrauch, das Verhältnis von Kraftstoff zu Luftmenge ist nicht mehr optimal. Weniger Luft bei gleicher oder gar höherer Kraftstoffmenge bedeutet einen heißeren Motor. Das kann auf Kosten der Lebensdauer gehen.
Ähnliche Probleme kennt auch unsere Gasturbine. Weil sie sehr viel mehr Luft ansaugt als ein Kolbenmotor, werden entsprechend große Filter benötigt. Wenn diese verstopfen, garantiert gewöhnlich ein „Bypass“ die Luftversorgung. Leider hat in diesem Fall auch der Staub freien Zutritt und kann in der Maschine an verschiedenen Stellen kostspielige Schäden auslösen.
Luftverunreinigungen
Schäden durch Luftverunreinigungen gehen auf die Einwirkung fein verteilter gasförmiger, flüssiger oder fester Medien zurück, die vom Luftstrom mitgeführt werden. Dabei ist anzumerken, dass selbst Filtersysteme keine absolut saubere Ansaugluft garantieren ( "Bild 3.1.2.2-7"). Weil Filter sich durch den zurückgehaltenen Staub verändern, ist die Auswahl nach dem Wirkungsgrad des Neuzustands nicht empfehlenswert. Besser ist es, sich nach dem durchschnittlichen Wirkungsgrad zu richten (Lit 3.1.2.3-1).
Verschmutzung der Verdichterbeschaufelung und ihre Auswirkungen: „Compressor Fouling”.
Die Grenzen der Filtersysteme machen es notwendig, sich dem Thema der Folgen angesaugten Staubs eingehender zu widmen. Aufrauung und/oder geometrische Veränderung der Verdichterbeschaufelung (Profil) können Betriebsverhalten ( "Bild 3.1.1-2"), Wirkungsgrad und Durchsatz merklich abfallen lassen. Entsprechend werden Kraftstoffverbrauch und Nutzleistung verschlechtert (Bild 3.1.2.2- 6). Diese sind somit wichtige Parameter für eine Diagnose (Kapitel 5.1.1). Es ist jedoch zu beobachten, dass ein ähnlicher Effekt auch von der Leckage eines Abblasventils (engl. bleed valve) hervorgerufen wird. Oberflächenveränderungen der aerodynamisch wirksamen Flächen bilden sich aus Ablagerungen und/oder durch Korrosion (Lit. 3.1.2.2-5). Häufig sind nur bestimmte Stufen betroffen. Diese sind dann in erster Linie für einen Leistungsabfall verantwortlich.
Compressor Fouling entsteht durch den Eintritt “klebriger“, staubförmiger Verunreinigungen. Dazu ist nicht notwendig, dass die Partikel selbst klebrig sind. Häufig übernimmt dies ein Medium wie Öl. Es kann als Lecköl aus der vorderen Lagerkammer treten, von einem undichten Ölkühler stammen, von einem Ölbadfilter mitgerissen werden oder aus einer Öltankentlüftung herrühren. Auch bei Gasturbinen mit Eintrittsfiltern sind die Ablagerungsraten stark von der Qualität der Ansaugluft abhängig. Wirken die Ablagerungen korrosiv (z.B. Salzablagerungen), kann sich der Effekt verstärken. Ablagerungen sind typischerweise raue Krusten und befinden sich in der Nähe der Schaufeleintrittskante.
Eine besondere Form der Ablagerungen ist die sog. “Insektenrauigkeit“. Sie entsteht auf der Schaufeloberfläche durch Festkleben angesaugter Insekten. So wurde z.B. bei einer Gasturbine kleiner Leistung ohne Eintrittsfilter ein Mückenschwarm angesaugt. Das verschlechterte den Radialverdichter so gravierend, dass die Maschine ohne Reinigungsvorgang nicht mehr weiterbetrieben werden konnte.
Ursachen für Luftverunreinigungen
Die Filterung der Ansaugluft ist dringend zu empfehlen, wenn bedenkliche Luftverunreinigungen vorliegen oder zu erwarten sind (Lit. 3.1.2.2-6). Diese können sowohl von der Standortumgebung ( "Bild 3.1.2.2-1") als auch vom Lufteinlaufbereich (Abrieb, Lack, Rost) stammen. Angesaugte Luftverunreinigungen wie Ruß können von der Gasturbine selbst, infolge “Rezirkulation“ der Abgase, verursacht werden. So wird in der Fachliteratur empfohlen, die Möglichkeit der Rezirkulation bei der Planung der Anlage (z.B. Ansaugbereich, Abgaskamin) zu vermeiden. Für eine solche Betrachtung ist z.B. die Anordnung benachbarter Gebäude ( "Bild 1.1-2" und "Bild 3.1.2.2-1") relativ zur bevorzugten Windrichtung von Bedeutung.
In diesem Zusammenhang erscheint eine Enteisung mit in den Verdichter rückgeführten Abgasen problematisch. In solchen Fällen verwundert Verschmutzung und Korrosion der Verdichterbeschaufelung nicht. Darüber hinaus dürfte die Anhebung der Verdichtereintrittstemperatur einen Anstieg der Heißteiltemperatur und/oder einen Leistungsabfall der Maschine zur Folge haben.
Auch die Filter selbst können eine Luftverschmutzungsquelle sein. Partikel aus Fasermatten oder Filtervlies sind in der Lage, Heißteile zu schädigen ( "Bild 3.7.1-2" und "Bild 3.7.1-3"). Zu beachten ist, dass korrosionsfördernde Stoffe bevorzugt im Feinstaub ( < 0,005 mm) gebunden sind und damit eine geeignete Filterwahl erfordern. Geschieht dies nicht, kann der Filter sogar zu dem unerwarteten Effekt führen, dass er eine (relative) Anreicherung der Schadstoffe unterstützt. Im Verdichter angesammelte Schadstoffe können Beläge auf der Beschaufelung bilden die auch andere Teile schädigen, wenn sie beim Waschvorgang in den nachfolgenden Maschinenbereich gelangen (Beispiel 3.1.2.2-2).
Oft wird eine mechanisch-abrasive Verdichterreinigung durchgeführt. Dazu werden Schalen wie z.B. von Reis oder Aprikosenkerne in feiner Verteilung in den Verdichter eingebracht. Bei diesem Verfahren besteht u.a. die Gefahr der Erosion weicher Einlaufbeläge in den Gehäusen ( "Bild 3.1.2.4-4") oder der Beschädigung von Lackierungen des vorderen Verdichterbereichs.
Es ist leicht zu verstehen, dass der Einsatz von Gasturbinen zur Verbrennung bzw. Entsorgung von Schadstoffen (Lit 3.1.2.2-7 und Lit.3.1.2.2-8), welche in die Ansaugluft eingebracht werden, besonders problematisch ist. Dabei ist eine Emissionsverminderung durchaus fragwürdig. Eher dürfte es sich um eine Schadstoffverdünnung im Abgas handeln. Selbst wenn die Emissionsgrenze nicht erreicht wird, ist die absolute Schadstoffmenge wohl nicht wirklich reduziert. Im Gegenteil, es besteht der Verdacht, dass die feine Verteilung der Schadstoffe und chemische Prozesse bei der Aufheizung das Schadenspotenzial für die Umwelt erhöhen. Hier muss eine vorherige intensive Eignungsprüfung der Maschine und des Reinigungseffekts erfolgen. Durch solche Fremdstoffe können Verdichter und Heißteile von unterschiedlichen Schadensmechanismen betroffen sein. Zur Warnung kann Beispiel 3.1.2.2-1 dienen. Vom OEM sind betreiberspezifische, praxisrelevante Nachweise zur Haltbarkeit der Komponenten unter der Einwirkung unvermeidlicher Fremdstoffe zu erbringen. Haben Schadstoffe wie Lösungsmittel (z.B. aus einer Lackierung) erhöhte Anteile von Halogenen (Brom, Fluor und Chlor), sind Langzeitschädigungen im Heißteilbereich zu erwarten (siehe Kapitel 3.3 und Kapitel 3.4). Freie Halogene können im Verdichter korrosiv wirken und an der Beschaufelung Schwingungsrisskorrosion (Cr-Stähle) oder Spannungsrisskorrosion (Ti-Legierungen) auslösen.
Bei derartigen Betrachtungen ist es wichtig zu wissen, dass viele Verunreinigungen für sich allein kein unzulässig hohes Schadensrisiko bedeuten. Wohl aber unter Umständen eine Kombination von normalen Luftverunreinigungen und den zu entsorgenden Medien. Zu prüfen ist also die bauteil- und technologiespezifische Langzeitverträglichkeit.
Typische korrosionsempfindliche Bauteile des Verdichters:
- Lackierte Bauteilgruppen wie Gehäuse und Schaufeln des vorderenVerdichterbereichs aus Mg- und Al-Legierungen. Dazu gehören Gehäuse von Verdichtern, Anbaugeräten und Getrieben ( "Bild 3.6.1-5").
- Bauteile aus martensitischen Stählen (Beschaufelung und Scheiben, "Bild 3.1.2.3-1").
- Einlaufschichten in Gehäusen (z.B. Al-Polyester, "Bild 3.1.2.3-1").
Eine unangenehme Auswirkung auf die Lebensdauer gekühlter Heißteile können Partikel im Kühlluftstrom haben. Hierzu gehören Turbinenleit- und -laufschaufeln mit Innenkühlung ( "Bild 3.3-3"). Auch Brennkammern mit feinen Bohrungen und Schlitzen für die Kühlluftschleier oder mit mehrschichtigen Kühlstrukturen der Wandungen sind gefährdet. Der folgende Schadensablauf ist zu erwarten:
Zunächst gelangen die Stäube in den Kühlluftstrom. Nicht selten ist einem Gasturbinentyp der Grad der Empfindlichkeit bereits bei der Konstruktion “in die Wiege gelegt“. Wichtig sind z.B. der Entnahmeort für die Kühlluft und deren Führung zum Heißteil. Die Stäube beginnen zuerst besonders enge Querschnitte (z.B. Entstaubungsbohrungen in Turbinenrotorschaufeln ( "Bild 3.3-12") zu blockieren. Der Vorgang wird von klebrigen Staubschmelzen begünstigt. Offenbar können hier Eisenoxidpartikel (Rost) eine Rolle spielen. Das ist bemerkenswert, weil diese Verunreinigungen von schlecht gewarteten korrodierten Anlagenaufbauten am Einlass kommen können. Der verminderte Kühlluftdurchfluss führt zu einer stark lebensdauerreduzierenden Anhebung des örtlichen Bauteiltemperaturniveaus ( "Bild 2.3-2").
Typische Luftverunreinigungen ([[@de:3:31:312:3122:3dot1dot2dot2dash1.svg|Bild 3.1.2.2-1]]):
Feststoffe:
- Stäube von außerhalb der Anlage: Industriestäube, Düngemittel, Staub von Bautätigkeit/Abbruch.
- Stäube aus dem Ansaugbereich: Lackabblätterungen, Rost und Korrosionsprodukte, Reinigungsmittel wie Reisschalen und Aprikosenkerne, Feuerlöschpulver, Fasern aus Filtern.
- Stäube aus der Maschine selbst: Dichtungsabrieb und -ausbrüche (Einlaufbeläge für Schaufelund Labyrinthspitzen), Dichtungsmaterial von (eventuellen) Abdichtmassen an den Rotorschaufeln im Verdichter, Panzerungen von Labyrinthen und Schaufelspitzen.
Flüssigkeiten:
- Waschlösungen, schadstoffangereichertes Schwitzwasser, Luftfeuchtigkeit mit Meersalz (Meeresatmosphäre), Lecköl, Spritzmittel
Gase und Dämpfe:
- Industrieatmosphäre, aggressive Medien aus Chemie und Galvanik, Verbrennungsgase, Ölnebel, Kraftstoffnebel, Dämpfe von Reinigungs- und Verdünnungsmitteln, Lacknebel (Beispiel 3.1.2.2- 1), Feuerlöschgase, Wasserdampf, Sprühmittel.
Fremdkörperschäden
Fachbegriffe/Definitionen:
Unter dem Begriff Fremdkörperschäden werden im Folgenden im weitesten Sinn alle makroskopischen Schäden wie Deformationen, geometrische Veränderungen, Rissbildung und Brüche verstanden, die von festen oder flüssigen Substanzen, Partikeln oder Körpern ursächlich ausgelöst wurden
Der Ursprung der Fremdkörper kann sowohl vor der Maschine im Ansaugbereich liegen (FOD = Foreign Object Damage) als auch in der Maschine selbst,(OOD= Own Object Damage oder DOD = Domestic Object Damage). Zur letzteren Kategorie gehören Folgeschäden abgelöster Bauelemente oder Bruchstücke von Maschinenkomponenten.
Gefahren durch Fremdkörper
Eine Gasturbine saugt nicht nur feine Luftverunreinigungen an. Sie kann in ausgeprägten Unterdruckzonen (‘Bodenvortex’, "Bild 3.1.2.2-2") des Ansaugbereichs (Bodenwirbel, engl. ground vortex) auch massive Fremdkörper aufnehmen.
Solche Fremdkörper bedeuten eine nicht zu unterschätzende Gefahr für die Maschine. Das gilt wegen der Folgeschäden (z.B. Rotorbruch oder Feuer) in Einzelfällen auch für die Umgebung. Zusätzlich sind Schäden gewöhnlich mit großen Kosten und einem längeren Ausfall der Maschine verbunden. Mitunter ist der primäre Fremdkörperschaden scheinbar harmlos bzw. eng begrenzt. Das gilt z.B. für den Einschlag eines Steinchens in einer Schaufelkante. Erst zeitlich deutlich versetzt, nicht selten um mehrere hundert Betriebsstunden, tritt dann als Folge ein Schwingbruch mit extremen Folgeschäden ein ( "Bild 3.1.2.2-4"). Sind im Verdichtereinlass Anzeichen für einen Fremdkörpereintritt vorhanden (Deformationen, Aufschmierungen, Kerben), ist auch der hintere Bereich des Verdichters zu inspizieren. Bei nicht befriedigender Boroskopie ( "Bild 4.1-8") ist mit der Öffnung des Gehäuses sicherzustellen, dass keine Beschädigungen vorliegen. Im übrigen sollte routinemäßig, bei sich bietender Gelegenheit, besonders nach Wartung und vor einem Start, der Verdichtereintritt auf FOD-Anzeichen kontrolliert werden.
Die Vermeidung von Fremdkörperschäden ist eine wichtige Aufgabe und muss bei der Herstellung, der Montage, der Wartung und dem Betrieb ansetzen. Voraussetzung für ein gezieltes Vorgehen ist die Identifikation der Fremdkörper und ihrer Ursachen ( "Bild 3.1.2.2-5").
Allgemein kann gesagt werden, dass die Empfindlichkeit einer Gasturbine für Fremdkörper und deren Folgeschäden bei kleinen Maschinen deutlich höher als bei großen ist. Das liegt an den filigranen Bauteilen, kleinen Steifigkeiten, engen Strömungsquerschnitten und hohen Drehzahlen.
Bereits bei der Herstellung der Bauteile treten Gefahren auf, die eine Fremdkörperentstehung begünstigen. So können ungenügend haftende Einlauf- und Anlaufschichten ausbrechen und die Beschaufelung beschädigen. In diesem Fall stammt der Fremdkörper von der Maschine selbst. Unerkannte Abweichungen wie zu geringes Anzugsmoment, oder eine fehlende Sicherung an Schraubverbindungen oder nicht vorschriftsgerechte Nietverbindungen (z.B. „Popniete“) bergen die potenzielle Gefahr eines Fremdkörperschadens. Typische Befestigungselemente und damit lösbare Bauteile im Gasstrom sind an Rotoren Wuchtgewichte, Schaufelschlösser und Dämpfungsniete. An statischen Strukturen handelt es sich um Elemente wie Nietungen an Labyrinthträgern oder Blechummantelungen.
Die Montage der Gasturbine im Shop oder vor Ort ist ein fremdkörperbegünstigender Vorgang. Es beginnt mit vergessenen Werkzeugen. Als Abhilfe haben sich personenbezogene Kennzeichnung, Registrierung der Werkzeuge sowie Prüfung auf Vollständigkeit nach der Arbeit anhand einer Checkliste und/oder einer Tafel mit Kennzeichnungen bewährt. Nicht selten werden auch überzählige Schrauben und Kleinteile in der Maschine vergessen. Erfahrungsgemäß sind besonders Maschinen mit seitlichen Lufteinläufen gefährdet. Diese erschweren die visuelle Kontrolle des vorderen Verdichterbereichs.
Ein typischer Schaden sind Kerben durch abgeknipste Sicherungsdrahtenden in der Beschaufelung, die während der Montage in die Maschine fielen ( "Bild 3.1.2.2-3"). Eine senkrechte Montage im Shop ist dafür besonders anfällig. Solche Sicherungsdrahtenden und Kleinteile können erfahrungsgemäß nicht mehr durch Umdrehen und Schütteln des Aggregates entfernt werden. Sie fallen in Schlitze und Hohlräume zwischen Verdichterscheiben. Nicht selten ist dann die Demontage zumindest einer Baugruppe erforderlich. Verständlicherweise bedarf es viel Einsicht, einen solchen Vorfall rechtzeitig zu melden. Beim Hochfahren der Maschine wird der Fremdkörper aus den Hohlräumen des Rotors in den Gasstrom abgeschleudert. Für die beschädigte Beschaufelung entsteht dann die Gefahr großer Folgeschäden durch spätere Ermüdungsbrüche ( "Bild 3.1.2.2-4"). Es ist also darauf zu achten, dass der Verdichtereinlass im Stillstand immer dann sicher abgedeckt ist, wenn nicht direkt daran gearbeitet wird. Bei senkrechter Montage sollte dies ein Muss sein.
Schadensmechanismen bei Fremdkörpereinwirkung.
Der Verdichter kommt mit dem angesaugten Luftstrom zuerst in Kontakt. Somit ist es naheliegend, dass hier auch die meisten solcher Schäden auftreten. Durch den Gasstrom transportiert, wirken sich Fremdkörper im Verdichter auch auf das Betriebsverhalten der folgenden Komponenten aus. Diese Schäden werden in den Kapiteln behandelt, die den betreffenden Bauteilen gewidmet sind.
Verdichter sind jedoch nicht nur vergleichsweise häufig von derartigen Einwirkungen betroffen. Auch die Auswirkungen von Schäden und Folgeschäden sind im Verdichter besonders umfangreich und gefährlich. Vergleicht man z.B. den Verdichter mit der Turbine, so stellt man fest, dass beim Verdichter im Gegensatz zur Turbine die Bauteile in Gasstromrichtung kleiner und filigraner werden. Das gilt auch für ihre Abstände bzw. Zwischenräume. Damit besteht im Verdichter die besondere Gefahr lawinenartig anwachsender Schäden. Ein weiterer wichtiger Unterschied gegenüber der Turbine besteht darin, dass die Verdichterbeschaufelung Kompressionsarbeit leistet. Veränderungen des Schaufelprofils und der Rauigkeit aerodynamisch wirksamer Flächen beeinflussen deshalb das Betriebsverhalten des Verdichters früher und deutlicher (z.B. Strömungsabriss) als bei der expandierenden Strömung in der Turbine.
Die relativ niedrige Temperatur und eine stärkere Verschmutzung im vorderen Verdichterbereich ermöglicht im Stillstand eine erhöhte Korrosionsbeanspruchung. Schwitzwasser bildet mit Verschmutzung und Ablagerungen aggressive Medien.
Besonders heimtückisch ist die Langzeitwirkung unbemerkter Kerben. Sie entstehen in der Beschaufelung von Verdichter und Turbine durch den Einschlag kleiner Fremdkörper (Turbine z.B. Kokseinschlag) oder typische Lochfraßkorrosion (Turbine z.B. Sulfidation). Hier herrscht eine gefährliche Spannungskonzentration wo die sonst ertragenen, niedrigen Schwingbelastungen gefährlich werden. Es kann viele Betriebsstunden dauern, bis eine ausreichend hohe Zahl von Schwingzyklen bis zum Schwingbruch akkumuliert wurden. Das ist der Fall, wenn diese immer nur kurzzeitig in einer nicht stationären Betriebsphase auftreten. Wegen dieses langen Zeitraums zwischen primärer Schädigung und Folgeschaden bedarf es einer Schadensanalyse, um unter günstigen Bedingungen diese Zusammenhänge nachzuweisen.
Doch nicht nur harte Gegenstände sind gefährliche Fremdkörper. Bereits ein Putzlappen kann einen Verdichter total zerstören. Besonders gefährdet sind Gasturbinen kleiner Leistung (im Bereich einiger hundert kW) mit Axialverdichterstufen. Für Maschinen des kleinsten Leistungsbereichs sind selbst Papiertaschentücher problematisch. Entsprechende Vorsicht ist bei Wartung und Montage geboten. Maschinen mit ausschließlich Radialverdichtern sind dagegen deutlich robuster.
Das Ansaugen von Fremdkörpern im Betrieb ist auch mit vorgeschalteten Filtern möglich, z.B. wenn diese selbst zerstört werden. Aber auch alle ansaugfähigen Körper im Raum zwischen Filter und Maschine können in den Verdichter gelangen.
Nicht zu unterschätzen ist die zerstörende Wirkung größerer Eisstücke (Eisschlag, "Bild 3.7.1-4.1" "Bild 3.7.1-4.2" und Bild 3.7.1.1-5), Sie bilden sich durch Vereisung vor der Maschine. So kann eine Maschine mit einer Leistung von wenigen MW durch einen handgeformten Schneeball von ca. 10 cm Durchmesser einen Totalschaden des Verdichters erleiden, wenn dieser in die laufende Maschine gelangt. Entsprechend gefährlicher sind massivere Eisbeläge oder Eiszapfen wie sie an vereisenden Flächen entstehen.
Identifikation von Fremdkörpern.
Fremdkörper sind die Ursache für umfangreiche Schäden mit entsprechendem Zeitaufwand und Reparaturkosten. Es besteht deshalb ein besonderes Interesse des Betreibers diese zu vermeiden. Für ihn sind vorbeugende Maßnahmen und Abhilfen auf Grund konkreter Schadensfälle wichtig. Die Voraussetzung für eine gezielte und erfolgreiche Abhilfe ist die Feststellung der Herkunft des Fremdkörpers. Das setzt wiederum seine Identifikation voraus. Dies ist mitunter nicht einfach. Bei umfangreichen Verdichterschäden mit Schaufelbrüchen erfordert es besondere Fachkenntnis, den eigentlich auslösenden “primären“ Einschlag zu erkennen und nachzuweisen ( "Bild 3.7.1-5"). Sind im vorderen Verdichterbereich lediglich Einschläge und Deformationen vorhanden, so besteht die Möglichkeit, Teile des Fremdkörpers im Brennkammerbereich (Siebeffekt der Brennkammer) zu finden und damit zu identifizieren.
Relativ häufig treten Schrauben, Muttern, Niete und Beilagscheiben als Fremdkörper auf. Die zur Vermeidung notwendige Identifikation ist oft erfolgreich, wenn aus dem Einschlag Durchmesser, Länge und der Gewindetyp ermittelt werden. So kann bereits die Gewindesteigung wichtige Hinweise geben. Neben dem Abdruck bleiben nicht selten Teile metallischer Fremdkörper in der Rotorbeschaufelung stecken und sind damit relativ leicht identifizierbar.
Man wird in Fällen bei denen mehrere ähnliche Fremdkörper in Betracht kommen, alle geometrisch und analytisch ähnlichen Teile im Maschinenbereich vergleichen. Erfahrungsgemäß hat dieses Vorgehen eine hohe Erfolgschance. Neben dem Abdruck ist der mikroanalytische Vergleich der Aufschlagfläche mit der unbeeinflussten benachbarten Bauteiloberfläche ein wichtiges Hilfsmittel ( "Bild 3.1.2.2-5"). Da ein metallischer Fremdkörper im Mikrobereich mit der metallischen Gegenfläche verschweißt, ein nichtmetallischer Fremdkörper häufig Partikel in der Gegenfläche zurücklässt, kann man aus dem Analysenvergleich der Auftreffflächen auf die Zusammensetzung des Fremdkörpers schließen.
"Bild 3.1.2.2-1": Die Beeinflussung einer Gasturbine durch angesaugte gasförmige Medien und Stäube auch über scheinbar sichere Distanzen soll dieses Bild veranschaulichen. Lacknebel, Prozessemissionen, Stäube bei Verladevorgängen in Industriezonen und Bauarbeiten sowie Sprühmittel und Kunstdünger in ländlicher Umgebung sind typische Beispiele für schadenswirksame Medien. Gase und feine Stäube werden von den üblichen Filtersystemen nicht restlos abgeschieden ( "Bild 3.1.2.2-7").
Nachuntersuchungen von Ansaugfilterrückständen oder Belägen auf der Beschaufelung können wichtige Hinweise auf den Ursprung und die bauteilspezifische potenzielle Schädlichkeit geben. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Schadensklärung und damit gezielte Abhilfen.
Beispiel 3.1.2.2-1: Dieses Beispiel soll die nicht sofort einsichtige Gefährdung von Gasturbinen durch scheinbar harmlose Luftverschmutzungen verdeutlichen:
Beim Abnahmelauf einer Gasturbine ohne vorgeschaltete Filter verschlechterte sich innerhalb von Minuten das Betriebsverhalten.Unzulässiger Leistungsabfall und Verdichterpumpen traten ein. Die Inspektion der Maschine (C) zeigte im Verdichterbereich eine grünliche, lackartige Schicht auf der Beschaufelung. Eine Untersuchung sowie Recherchen mit anschließender Schadensanalyse ergaben, dass zur Zeit des Laufs entsprechend der Skizze Lackierarbeiten im Freien vorgenommen wurden (A). Der Lacknebel gelangte über ca. 50 Meter Entfernung durch den ca. 8 Meter hohen Ansaugschacht in den Verdichter (B) und führte zu einem Schaden in der Größenordnung von 100 000 EUR. Diese fielen bei Arbeiten im Rahmen der Demontage, Überholung und eines neuen Abnahmelaufs an.
Beispiel 3.1.2.2-2: Am Beispiel des erdgasbetriebenen Gasturbine zum Antrieb der Pumpe einer Gaspipeline sollen die vielschichtigen Zusammenhänge einer Verschmutzung der Komponenten im Hauptstrom aufgezeigt werden. Die folgende Situation lag vor:
Die Pumpstation steht in einer Landschaft, die man guten Gewissens als Luftkurort empfehlen könnte. Nur Getreidefelder, weit und breit keine Industrie. Trotzdem zeigten die Heißteile nach nur ca. 20 000 Betriebsstunden starke, auch schwefelhaltige Ablagerungen mit Sulfidationsangriff, der eine deutliche Reduzierung der Lebensdauer erwarten ließ. Das Erdgas kam als Verursacher der Ablagerungen nicht in Frage. Der Verdichter war relativ sauber. Nach Angaben des Betreibers wurde er entsprechend der Herstellerempfehlung in regelmäßigen Abständen “gewaschen“, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten.
Die gemeinsame Problemanalyse mit dem Betreiber ergab, dass die Ablagerungen von Düngemitteln stammten, die im Herbst staubförmig auf den umliegenden Feldern ausgebracht werden. Erschwerend kam offenbar das gut gemeinte häufige Verdichterwaschen hinzu. Dadurch wurden Ablagerungen aus dem Verdichter zusätzlich auf die Heißteile gebracht. Eine genauere Untersuchung der betroffenen Beschaufelung zeigte, dass der Zeitpunkt einer erfolgreichen Reparatur bereits überschritten war. Es wurde mit dem Betreiber ein weiterer zeitlich begrenzter Einsatz abgesprochen. Die Nutzung der verbliebenen Restlebensdauer ermöglichte es erst zu einem deutlich späteren Zeitraum eine neue Beschaufelung einzubauen.
In einem solchen Fall ist für die neue Beschaufelung zu prüfen, ob z.B. die bisher verwendete Schaufelbeschichtung bestmöglichen Sulfidationsschutz bietet. Falls erforderlich und vom OEM angeboten, sollte die neue Beschaufelung eine andere Schicht, speziell gegen den Schadensmechanismus der Heißgaskorrosion, erhalten.
"Bild 3.1.2.2-2": Ein Verdichter hat die Fähigkeit, über den Ansaugtrichter von außen massive Fremdkörper vom Boden oder anderen Bereichen eines Raums anzusaugen. Wie groß diese „Ansaugfähigkeit“ ist, hängt von den besonderen Eigenschaften und der typischen Ausbildung der Ansaugströmung ab. Die begrenzten Platzverhältnisse zwingen häufig zu einer gestörten Luftführung. Die Strömung erfährt einen deutlichen Drall (“swirling“) gegen oder mit der Drehrichtung des Verdichters. Zusätzliche Störungen der Ansaugströmung (rechte Skizze) wie Personen (A), Türen (B) oder Montageleitern (C) können nach Lit 3.1.2.2-3 sog. “Luftstrudel“ zu Boden oder Wänden (II) (“Bodenvortex“) auslösen. Dies sind enge Luftschläuche mit hoher Rotationsgeschwindigkeit und starkem Unterdruck. Ein ähnlicher Vorgang wie man ihn vom Strudel in der Badewanne oder von Tornados kennt (linke Skizze). Der Strudel orientiert sich an Flächen welche die Strömung behindern, d.h. dem Boden, der Decke und Wänden im Eintrittsbereich. Diese Unterdruckzonen sind besonders gefährlich. Sie ändern in zufälliger Weise sehr schnell ihre Position und sind in der Lage, Steinchen aus Mauer- und Bodenritzen oder bis tennisballgroße massive Steine anzusaugen. Üblicherweise ist kein solcher Luftstrudel vorhanden. Die normale Einlaufströmung mit oder ohne ausgeprägten Drall ist nicht in der Lage vergleichbare Ansaugkräfte auszubilden. Hier besteht lediglich die Gefahr, dass Sand, Staub und leichte Körper mitgerissen werden. Luftstrudel können durch relativ kleine Störungen der Ansaugströmung entstehen. Die Rotationsrichtung des Strudels in oder gegen die Drehrichtung des Verdichters kann von der Störung beeinflusst werden. Beim Badewannenstrudel ist die Drehrichtung entgegen landläufiger Meinung ebenfalls beliebig und reagiert bereits auf schwache Einflüsse.
Doch nicht nur die Ansauggefahr von Fremdkörpern steigt bei Bildung von Luftstrudeln extrem an. Luftstrudel können im vorderen Bereich des Verdichters unzulässige Schaufelschwingungen auslösen. Einen Hinweis auf einen derartigen Mechanismus kann starker Verschleiß an Kontaktflächen der Beschaufelung und/oder Vibrationen der Maschine geben. Solche Anzeichen sollten alarmieren und zu einer Überprüfung der Einlaufströmung auf Luftstrudel führen. Gegebenenfalls sind Abhilfemaßnahmen mit dem OEM einzuleiten.
"Bild 3.1.2.2-3": Anhand eines typischen und gar nicht so seltenen Beispiels soll aufgezeigt werden, welche scheinbar nebensächlichen Vorgänge zu umfangreichen Schäden führen können. Häufig werden Schrauben mit Hilfe von Sicherungsdrähten gegen Aufdrehen und Lockern gesichert. Sind die Sicherungsdrahtenden zu lang und werden beim Abzwicken nicht festgehalten, besteht die Gefahr, dass sie wegspringen und in die Maschine fallen. Dies ist besonders bei senkrechter Montage oder bei Maschinen mit seitlichem Lufteinlass (schlechte Einsicht) problematisch. Erfahrungsgemäß fallen die Drahtenden in Hohlräume, die von Rotor und/oder Stator gebildet werden. Schwenken und Schütteln des Triebwerks bzw. eines Moduls reicht erfahrungsgemäß zum Entfernen nicht aus. Das Montagepersonal muss schon sehr viel “Courage” haben, einen solchen Vorfall zu melden, der zu einer erneuten Teilzerlegung der Maschine führen kann. Wenn die Maschine anläuft, werden die Drahtenden in den Strömungskanal geschleudert oder sie fallen durch die Luftströmung und Vibrationen aus ihrer Lage. Schlagen sie gefährliche Kerben in die Beschaufelung, ist nach einiger Zeit (bis mehrere 100 Betriebsstunden) mit einem Schwingbruch in der Beschaufelung zu rechnen.
Das zeigt die Notwendigkeit fachmännischen und verantwortlich arbeitenden Bedienungsund Montagepersonals. Es soll in der Lage sein Probleme zu erkennen und in richtiger Weise zu “behandeln”. Dazu gehört Motivation durch Weiterbildung und ein geeignetes Umfeld. Die Zeiten sollten vorbei sein, in denen der Überbringer einer schlechten Nachricht “mit Köpfen“ bedroht wurde.
"Bild 3.1.2.2-4": Fremdkörperschäden (FODs) im Verdichter sind immer eine potenzielle Bedrohung. Größere Schäden, die sich im Betriebsverhalten des Verdichters bemerkbar machen oder leicht zu erkennen sind, können rechtzeitig durch Tausch oder Ausblenden entschärft werden. Das ist zeitraubend und möglicherweise kostspielig. Wirklich böse sind jedoch Beschädigungen, die erst nach längerer Betriebszeit zum Bauteilversagen und umfangreichen Folgeschäden führen. Typisch für einen solchen Entstehungszeitpunkt ist ein Abnahmelauf oder ein Lauf nach einer Überholung.
Eine Einschlagkerbe bedeutet eine deutliche örtliche Spannungserhöhung (Kerbwirkung). Die unvermeidliche Schwingbeanspruchung der Beschaufelung liegt ohne Kerbe unterhalb der Dauerfestigkeit und kann so beliebig lang ertragen werden. D.h. diese Schwingbeanspruchung bedeutet ohne Kerbe für das Bauteil keine Rissgefahr. Die Kerbwirkung hebt aber die dynamische Beanspruchung auf ein gefährliches Niveau an.
Rissauslösende Schwingungen treten meist nur kurzzeitig, beim Durchfahren von Resonanzen auf (Diagramm unten). Diese Lastwechsel bzw. die Schädigung wird akkumuliert bis ein Anriss entsteht und letztlich zum Schaufelbruch führt.
Die Folgen eines Verdichterschaufelbruchs können sehr umfangreich sein und den längerfristigen Ausfall der Maschine bewirken. Mit regelmäßigen Boroskopinspektionen ( "Bild 4.1-5" und "Bild 4.1-8") besteht ein Werkzeug, um solche Schäden zu vermeiden. Voraussetzung sind Bewertungsmaßstäbe, die der OEM möglichst exakt und praktikabel vorgeben sollte.
In jüngster Zeit wird eine Technik diskutiert, Kerben durch Boroskopöffnungen “auszublenden”. Dazu führt man ein geeignetes Zerspanungswerkzeug ein. Dies sollte eine preiswerte und schnelle Entfernung von Kerben ermöglichen, ohne den Verdichter öffnen zu müssen. Damit dürfte sich die Entscheidung für eine solche, absichernde Nacharbeit, merklich erleichtern.
"Bild 3.1.2.2-5": Um weitere Fremdkörperschäden gezielt zu vermeiden, muss im Schadensfall die Herkunft der Fremdkörper möglichst zweifelsfrei ermittelt werden. Zu dieser Identifikation gehörten eine Menge Erfahrung und spezifische Kenntnisse der Maschine sowie ihres Umfeldes. So ist es von entscheidender Bedeutung festzustellen, ob der Fremdkörper aus der Maschine selbst stammt. Denkbar ist ein gelockertes Bauteil oder ein Stück aus einem Folgeschaden (z.B. abgeplatzte Beschichtungen). Der Fremdkörper kann aber auch bei einer Montage eingebracht worden sein. Typisch sind verbliebene Muttern oder Sicherungsdrahtenden ( "Bild 3.1.2.2-4"). Der Fremdkörper kann auch aus dem Ansaugbereich oder von vorgeschalteten Aggregaten wie einem Filtersystem stammen.
Nicht selten stecken noch Teile des Fremdkörpers, die sich analysieren lassen, in der Beschaufelung, was Rückschlüsse auf die Herkunft zulässt. Ist dies nicht der Fall, gibt es weitere wichtige geometrische Merkmale wie Konturen der Abdrücke. Dabei kann gegebenenfalls der Befund von FODs an mehreren Schaufeln hilfreich sein. Geometrische Besonderheiten wie Gewindeabdrücke lassen nicht nur auf die Art des FODs schließen. Ein Vermessen des Gewindes (Steigung) kann zeigen, ob es sich um ein metrisches Gewinde oder um ein Zollgewinde handelt, ein Indiz ob der Fremdkörper aus der Maschine selbst (bei Produkten aus dem angelsächsischen Raum) oder der Peripherie stammt.
Fremdkörper, insbesondere metallische, hinterlassen auf der Kontaktfläche analysierbare Reste. Abrieb aus einer Kaltverschweißung oder stecken gebliebene Partikel sind einer Mikroanalyse (z.B. Analyse im REM) zugänglich. Ein Vergleich mit der nicht betroffenen benachbarten Bauteilfläche lässt auf die Zusammensetzung des Fremdkörpers schließen. Selbst wenn der Verdacht besteht, dass ein größerer Verdichterschaden die Folge eines kleinen FOD war, kann das ein Fachmann überprüfen. Voraussetzung ist, dass die Schwingbruchfläche der den Schaden auslösenden Schaufel noch auswertbar ist.
Derartige Erkenntnisse können verständlicherweise bei der Klärung wer für den Schaden aufzukommen hat, von ganz besonderer Bedeutung sein.
"Bild 3.1.2.2-6": Das Diagramm zeigt den Einfluss eines verschlechterten Verdichterwirkungsgrades (Luftdurchsatzverminderung), z.B. durch Fouling, auf wichtige Maschinendaten wie Abgabeleistung und Kraftstoffverbrauch ( "Bild 5.1-2" und "Bild 5.1-5").
Geht man von einer Abnahme des Luftdurchsatzes um ca. 4% (“1”) aus, schneidet die Horizontale die Geraden, der jeweiligen Beziehung zwischen den einzelnen Größen. Die Senkrechten ergeben die zugehörige Verschlechterung der Abgabeleistung (“2”). Hier beträgt sie ca. 12 %. Entsprechend steigt der Kraftstoffverbrauch (“3”) um ca. 4 % (Bild 4.2- 1.2).
Es ist deutlich erkennbar, wie wichtig ein optimal wirksamer Verdichter für die Kostensituation des Betreibers ist. Bei ursächlicher Verschmutzung ist Waschen und/oder Reinigen des Verdichters ( "Bild 4.2-1.1" und "Bild 4.2-1.2") zum richtigen Zeitpunkt eine geeignete Maßnahme den Wirkungsgrad hoch zu halten.
"Bild 3.1.2.2-7": Dass ein Filter wichtig ist um “Schlimmes“ zu verhüten ist unbestritten. Absolute Sicherheit kann er jedoch prinzipbedingt nicht bieten. Der Filterwirkungsgrad nimmt verständlicherweise mit der Partikelgröße zu, entsprechend die Partikelleckage ab (Filterleckage Diagramm links). Je nach Filterprinzip ist unter einer bestimmten Partikelgröße kein nennenswerter Filtereffekt mehr zu erwarten. D.h., dass Feinstäube und Flüssigkeitsnebel durchaus die “Filterbarriere” dieses “Anlagenimmunsystems” durchbrechen können. Unangenehme Symptome wie Fouling im Verdichter sind eine Folge ( "Bild 3.1.2.2-6").
Das rechte Diagramm zeigt beispielhaft das typische Verhalten zweier Filterprinzipien. Die Kurve “A” gilt für eine Ausführung mit durchströmten Matten (engl.“media”). Die Kurve “B” gilt für ein System, das auf Trägheitseffekten basiert. Das Durchströmungssystem weist generell einen besseren Filterwirkungsgrad auf. Es hält noch Partikel bis 0,001 mm mit einem Wirkungsgrad von über 50% zurück. Das Trägheitsprinzip lässt dagegen selbst Partikel dieser Größe passieren. Doch nicht nur der Wirkungsgrad des Filtersystems ist ein Auswahlkriterium. Die tatsächlichen Umgebungsbedingungen und potenziellen Luftverunreinigungen spielen eine Rolle. Feuchtigkeit kann ein Filtersystem unerwünscht beeinflussen. Forderungen nach einem niedrigen Ansaugwiderstand des Filters oder nach einem kleinen Einbauvolumen können hinzukommen.
Literatur zu Kapitel 3.1.2.2
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3.1.2.2-3 T.M.Higgins, R.J.Freuler, Ohio State University, „Experimental Determination of Bulk Swirl Attenuation Between Two Axial Stations in the LM2500 Inlet Bellmouth“, AIAA Paper 93-2203 (1993).
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3.1.2.2-9 M.K.Pulimood, „Field Experience With Gas Turbine Inlet Air Filtration“, ASME Paper 81-GT-193 (1981):
3.1.2.2-10 A.Rossmann, „Die Sicherheit von Turbo-Flugtriebwerken“, Band 1, ISBN 3-00- 005842-7 , 2003, Axel Rossmann Turboconsult, Bachweg 4, 85757 Karlsfeld.