"Bild 0-1": Nach einem Schaden stellt sich die Frage der Verhütung bzw. die von Abhilfen. Natürlich sind diese mit dem OEM abzusprechen. Das Bild soll an typischen Maßnahmen zeigen, wie sich die Risiken von Schäden minimieren lassen. Insbesondere ist so in vielen Fällen ein Weiterbetrieb oder kurzzeitig die Wiederinbetriebnahme möglich. Maßnahmen stützen sich zuerst auf Angaben in Vorschriften bzw. Überhol- und Wartungshandbüchern. Sind hier Definitionen und Angaben zulässiger Fehlstellen bzw. spezifischer Vorgehensweisen unbefriedigend, ist der OEM zu konsultieren.

Überwachungsmaßnahmen kommen in Betracht, wenn der Schaden noch nicht zu unzulässigen Folgen oder einem untragbaren Risiko geführt hat. Beispiele sind langsam wachsende oder stehende Thermoermüdungsrisse in statischen Heißteilen (z.B. Brennkammer oder Turbinenleitschaufeln ( "Bild 3.2.3-1", "Bild 3.3-9" und "Bild 3.3-17"). Boroskopinspektionen lassen vorbeugende Überprüfungen, z.B. auf Fremdkörpereinschläge in der Beschaufelung zu ( "Bild 4.1-7" und "Bild 4.1-8"). Zerstörungsfreie Prüfungen wie mit Eindringstoff, Wirbelstrom oder Ultraschall können bei geeigneter Lage und Größe des Schadens im eingebauten Zustand oder nach vorübergehendem Ausbau (z.B. an Schaufelfüßen) erfolgen. Spänekontrollen von Magnetstopfen und Filtern (Öl, "Bild 3.5-3" und "Bild 3.5-5"; Kraftstoff) können sowohl den Schadensbeginn zeigen als auch Rückschlüsse auf betroffene Bauteile ermöglichen.

Betriebseinschränkungen werden gewöhnlich notwendig, wenn zumindest über eine gewisse Zeit „mit dem Schaden zu leben ist“. Das ist aber der Fall, wenn die Zeit für gezielte Maßnahmen nicht zur Verfügungsteht oder Ersatzteile fehlen. Die Einschränkungen richten sich nach Mechanismus und Fortschritt des Schadens ( "Bild 5.3-1"). Bei Ermüdungsproblemen im LCF-Bereich ( "Bild 3.1.2.1-0") wie unter zyklischer Belastung an Scheiben oder Thermoermüdung ( "Bild 3.3-16")an Heißteilen wird häufig die Zahl der Starts bis zum Tausch begrenzt. Dabei muss der Rissfortschritt, bezogen auf Starts und/oder Betriebszeit, bekannt sein. Das erfordert eine Auswertung der Bruchflächen von Schadens-teilen. Auch eine Absenkung der Wärmespannungen und Temperaturspitzen mit einem optimierten bzw. „vorsichtigeren“ Startvorgang kann erfolgversprechend sein (Kapitel 2.2.2). Probleme mit unzulässig starker Oxidationdürften eher eine Einschränkung der Betriebslebensdauer erfordern. Erhöhte Temperaturen der Beschaufelung durch Verstopfung von Kühlluftführungen ( "Bild 3.3-10") oder ungünstiger Temperaturverteilung im Heißgas ( "Bild 3.3-11") können eine Einschränkung der Leistung erforderlich machen.

Reparaturen vor Ort beschränken sich auf die Handbuchangaben. Dazu gehört beispielsweise das Ausblenden von mechanischen Beschädigungen(Fremdkörpereinschläge) der Beschaufelung. Risse in Gasführungen hinter der Gasturbine lassen sich häufig durch Schweißen reparieren. In einigen Fällen, in denen keine unzulässige Leckage zu erwarten ist, kann der Rissfortschritt durch Abbohren verzögert, meist jedoch nicht aufgehalten werden.

Wartung kann mit zusätzlichen Maßnahmen Schäden verhüten. Dazu gehören besondere Anstrengungen bei der Reinigung der Beschaufelung von Verdichter ( "Bild 4.2-1.1") und/ oder Turbine. Weiter ermöglichen häufigere Kontrollen des Öls (Analysen) eine Absicherung des Betriebs. Auch eine verbesserte oder angepasste Schmierung kann Probleme mit Verschleiß ( "Bild 3.6.1-7"), schwergängigen bzw. festsitzenden Bauteilen entschärfen. Tausch und Nacharbeit geschädigter Komponenten. Hierzu gehören Schaufeln mit bedenklichem Reibverschleiß ( "Bild 3.1.2.1-10") oder Heißteile (Brennkammer, Turbinenschaufeln) mit Schädigungen durch Thermoermüdung oder Oxidation. Sind noch keine Ermüdungsrisse an potenziell gefährdeten Bauteilen aufgetreten, kann eine Kugelstrahlbehandlung das Risiko minimieren.

"Bild 0-2" (Lit 0-1): Diese Literatur aus dem Jahr 1994 über die Auswertung von Schäden an Industriegasturbinen in den USA, lässt einige interessante Schlüsse zu. Natürlich ist eine solche Statistik abhängig von der Zahl und den Eigenarten einzelner Maschinentypen. Sie ist somit in ihrer Allgemeingültigkeit eingeschränkt. Es geht hier um die ursachenbezogenen Kosten einzelner Schäden, aufgeteilt auf Triebwerksderivate und Heavy-Frame Maschinen ( "Bild 2.1-7" und "Bild 2.1-8"). Gemeinsame Schadensursachen:

Strömungsabrisse im Verdichter ( "Bild 3.1.1-2" und "Bild 3.1.1-6"): Offenbar sind solche Betriebsstörungen bei (Flugturbinen-) Derivaten sehr viel kostenträchtiger als bei Maschinen der schweren Ausführung (Heavy-Frame). Die Schäden an Derivaten stehen oft im Zusammenhang mit Dampfeinblasung für eine Leistungssteigerung ( "Bild 2.1-3.4" und "Bild 3.2.2-3"). Dies verschob den Betriebspunkt des Verdichters zur Pumpgrenze ( "Bild 3.1.1-1"). In der Folge waren die Pumpvorgänge offenbar so heftig, dass große Zerstörungen im Verdichter eintraten. Durch eine entsprechende Überwachung bzw. Regelung der Maschine müssten heute solche Probleme beherrschbar sein. Hier dürfte es sich um ein Beispiel für die Problematik einer Leistungssteigerung (engl. uprating, "Bild 2.1-3.4") handeln. Ermüdungsschäden (HCF) an Verdichterschaufeln: Es handelt sich um eine Schadensart die in den meisten Fällen vom Hersteller zu verantworten ist. Die Verdichterleitschaufeln scheinen bei Grundlastmaschinen besonders betroffen zu sein. Das ist verwunderlich, weil die Maschinen eigentlich in einem schmalen Betriebsdrehzahlband mit relativ wenigen Startzyklen laufen. So sollte ein gefährlich langer Betrieb im Resonanzbereich der Schaufeln, einfacher als bei Derivaten mit typischem Spitzenlastbetrieb, bereits in der Auslegung vermeidbar sein. Möglicherweise unterstützt die umfangreiche Erprobung der Triebwerksvarianten und deren typisch große Anzahl von Maschinen eines Typs, die sichere Beherrschung der häufigen Lastwechsel und Startzyklen. Ermüdungsschäden (HCF, "Bild 3.1.2.1-0") an Turbinenschaufeln: Die Statistik lässt erkennen, dass die Schadenskosten der Heavy Frame Maschinen deutlich höher sind als die der Derivate. Offenbar profitieren die Derivate auch hier von den umfangreichen Erprobungen der Triebwerksvarianten. Diese Schäden fallen gewöhnlich ebenfalls in den Verantwortungsbereich des Herstellers. Ursache ist meist eine Resonanz der Schaufel ( "Bild 3.1.2.1-9"). Dabei spielen periodische Strömungsstörungen im Gaskanal eine besondere Rolle. Auch Flatteranregungen (selbsterregender aerodynamischer Vorgang) wurden als Schadenursachen identifiziert. Gefährdet waren im Blattspitzenbereich relativ schmale (kurze Sehnenlänge) T-Rotorschaufeln von leistungsgesteigerten Maschinen. Was diese Problematik verdeutlicht.

Schäden bei Triebwerksderivaten ( "Bild 2.1-7")

Thermische Rissbildung (Thermoermüdung, "Bild 3.3-16"): Im Zusammenhang mit der Dampfeinblasung zur Leistungssteigerung erfolgte Rissbildung im Bereich der Streben an den Turbinengehäusen eines bestimmten Herstellers. Genauere Angaben werden in der Literatur dazu nicht gemacht, es scheint sich aber um eine Rissbildung zu handeln, die auf Grund hoher Wärmespannungen eintrat. Turbinenscheibenschaden: Es handelte sich offenbar um eine konstruktive Schwachstelle. Kerben als Folge der Scheibengeometrie ( "Bild 3.1.2.1-5a6a7a8") führten bei einem bestimmten Maschinentyp zur LCF-Ermüdung ( "Bild 3.1.2.1-0" und "Bild 2.2-5"). Damit bestimmten die Startzyklen die Lebensdauer der Scheibe. Von einer LCF-Lebensdauerbegrenzung hochbelasteter Rotorkomponenten ist bei modernen Flugtriebwerken auszugehen.

Schäden bei Heavy Frame Maschinen ( "Bild 2.1-8")

Kühlluftverlust an T-Rotorschaufeln trat offenbar nur bei Heavy Frame Maschinen mit einem externen Luft/Luft-Kühlsystem auf. Nach einer Fehlfunktion der Dampfeinblasung kam es beim Abschalten zur inneren Vereisung. Dadurch reichte der Kühlluftstrom nicht mehr aus, um die Heißteile ausreichend zu versorgen. Die Folge der Übertemperaturen waren Kriechschäden, die anscheinend erst nach längeren Laufzeiten bemerkt wurden. Von der Überhitzung waren nicht nur Turbinenrotorschaufeln, sondern auch die zugehörigen Turbinenscheiben betroffen. Bei solchen Anordnungen wird deshalb eine Überwachung des Kühlluftstroms dringend empfohlen, um eine derartig “schleichende” Schädigung rechtzeitig zu erfassen.

Kriechbrüche ( "Bild 2.3-1" und "Bild 2.3-2") an Turbinenschaufeln: Für diese Folgeschäden einer Übertemperatur oder von Laufzeiten über die Auslegung hinaus gibt es einige mögliche Ursachen. Hier zwei Beispiele: Oft handelt es sich um Folgen unzureichender Kühlluftversorgung. Wenn der Hersteller z.B. die Verschlechterung der Dichtsysteme ( "Bild 1.1-3" und "Bild 3.3-11") während der Betriebszeit unterschätzt hat, kann eine solche Situation eintreten. Auch Verstopfungen im Kühlluftsystem durch angesaugten Staub oder unzulässig starke Oxidation können Kriechschäden auslösen ( "Bild 3.3-12"). Ein ähnlicher Effekt ist zu erwarten, wenn Werkstoffdaten unzulässig optimistisch auf lange Laufzeiten extrapoliert wurden oder der Betreiber sich über empfohlene Lebensdauern hinwegsetzte.

Interne Feuer und Explosionen: Diese Ereignisse standen im Zusammenhang mit einem Verlöschen der Brennkammer oder mit Schnellabschaltungen und anschließend ungenügender Drainage des Restkraftstoffs. Eine eigene Problematik sind Flammrückschläge ( "Bild 3.2.1-5.2") oder Selbstzündung in Vormischern von Brennkammern. Bei Triebwerksderivaten mit einer Verdichterbeschaufelung aus einer Titanlegierung ist ein Titanfeuer als Folgeschaden (z.B. eines Schaufelbruchs) nicht auszuschließen (hier statistisch nicht erfasst).

"Bild 0-3": In diesem Bild ist nach Angaben der Literatur (Lit 0-1) der prozentuale Anteil der Maschinen und die Verteilung der Schäden auf Leistungsklassen dargestellt. Die Summe der Prozentangaben versicherter Maschinen aller Leistungsklassen (weiße Balken) ergibt 100%. Darüber hinaus sind die Schadenskosten pro kW abgegebener Leistung aufgetragen. Die Auswertung bezieht sich auf die Angaben mehrerer Versicherungen in den USA.

Leistungsklasse bis 9000 kW: Wider Erwarten sind in der relativ niedrigen Leistungsklasse bis 9000 kW deutlich weniger Derivate versichert als Heavy Frame Maschinen (HFM). Bezieht man die Schadenskosten auf die installierten kW und vergleicht bei beiden Maschinenkonzepten den Bereich bis 9000 kW fällt Folgendes auf: Der Schaden einer HFM verursachte im Durchschnitt mehrfach höhere Kosten als bei “Derivaten”. Dagegen war der prozentuale Anteil der HFM-Schäden im Leistungsbereich bis 9000 kW niedriger als der Vergleichswert für Derivate. Dies könnte an unterschiedlichen Betriebszyklen liegen. Für die HFM ist der Grundlastbetrieb typisch, für Derivate der Spitzenlastbetrieb (vergleiche hierzu "Bild 0-7"). Diese Unterschiede sind bei HFM bis 1500 kW besonders ausgeprägt. Offenbar haben Derivate häufiger “kleinere Schäden”. Wenn dagegen eine HFM ausfällt, muss mit höheren Kosten gerechnet werden. Wie die Kosten der Nichtverfügbarkeit der Maschine eingehen (die mit Sicherheit für Grundlastmaschinen höher sind als bei Spitzenlastmaschinen), ist nicht angegeben.

Leistungsklasse 9000-25000 kW: Fast 80% aller Derivate befinden sich in diesem Leistungsbereich. Nur etwa 20 % der HFM sind hier vertreten. Der Schadensanteil und die Kosten des mittleren Schadens sind zwischen beiden Maschinenkonzepten durchaus vergleichbar.

Leistungsklasse über 25000 kW: Es fällt auf, dass Derivate von Schäden mehrfach stärker betroffen sind als HFM (bis 70000 kW). Dagegen sind die mittleren Schadenskosten durchaus vergleichbar.

Fazit: Heavy Frame Maschinen zeigen in den unteren und oberen Leistungsklassen vergleichsweise wenig Schäden. Diese sind aber in den unteren Klassen, bezogen auf die abgegebene Leistung, sehr kostenträchtig. Im mittleren Leistungsbereich unterscheidet sich das Schadensverhalten zwischen HFM und Derivaten kaum. Es ist zu hoffen, dass ein Angleich der Schäden auf vergleichbar niedrigem Niveau für alle Leistungsklassen erreicht wird.

"Bild 0-4": Dieses Bild stützt sich auf Arbeiten von J.Leopold (Lit 0-2) aus den Jahren 1980 (Zeitraum 1970 bis 1979 mit ca. 240 Schäden) und 1987 (Zeitraum 1981 bis 1986 mit über 180 Schäden). Betrachtet wurden 110 Maschinen (1980) im stationären Einsatz von 900 kW bis 88 MW Leistung. Obwohl die ausgewertete Literatur bereits älter ist, dürften Tendenzen immer noch Gültigkeit haben. Interessant ist neben der Verteilung der Schadensursachen und der betroffenen Komponenten die zeitliche Veränderung. Das lässt eine Auskunft über Entwicklungen und Erfolge bei der Schadensverhütung erwarten.

Schadensursachen: Der weitaus größte Anteil der Schäden ist auf sog. Produktfehler zurückzuführen. Diese Fehler sind definitionsgemäß vom Hersteller, der Planung und der Installation zu verantworten. Ca. 20% der Schadensursachen lassen sich sogenannten Betriebsfehlern zuordnen. Sie setzen sich zu etwa gleichen Teilen aus Wartungsfehlern und Bedienfehlern zusammen.

Betroffene Bauteile: Brennkammer und Turbine (Heißteile) sind am schadensträchtigsten. Turbinenleit- und -laufschaufeln beanspruchen den Löwenanteil. Dagegen sind Schäden im Verdichterbereich deutlich seltener. Bemerkenswert ist der relativ hohe Anteil an Lagerschäden (Kapitel 3.5.2). Ventile, Luftführungen und Leitungen sind in diesem Sinne ebenfalls nicht zu vernachlässigen.

Trends und Schlussfolgerungen: Produktfehler haben über die Zeit leicht abgenommen, sind aber immer noch sehr hoch. In diesem Zusammenhang dürfte immer noch gelten was J.Leopold bereits 1980 fand: “Trotz extensiver Reparaturbemühungen auf Grund früher Fehlertrends in Neuentwicklungen, blieben die verbesserten Versionen nicht immer fehlerfrei. Schwachpunkte in der Konstruktion wurden erst nach sehr viel mehr Laufstunden und Starts deutlich”. Der Anstieg der Betriebsfehler auf über 20 % wird auf deutlich steigende Wartungsfehler zurückgeführt, während Bedienungsfehler unter 5% fielen. Dies spricht für eine Kompetenzsteigerung des Bedienungspersonals. Der Anteil von Fremdkörpern (Kapitel 3.1.2.2) als primäre Schadensursache wurde 1987 mit ca. 10% angegeben. Das rechtfertigt erhöhte Anstrengungen zu deren Vermeidung.

"Bild 0-5": Den Hintergrund zu dieser Auswertung beschreibt "Bild 0-3". Es handelt sich um Angaben von J.Leopold aus dem Jahr 1980 (Lit 0-2). Sie können immer noch als bemerkenswert und als eindrucksvolle Bestätigung der Badewannenform der Schadenshäufigkeit über der Betriebszeit ( "Bild 4.1-9") gewertet werden. Auffällig ist eine besondere Schadenshäufigkeit gerade an Heißteilen in der frühen Installations- und Garantiephase. Eigentlich würde man von diesen Bauteilen eher Langzeitschäden zu einem entsprechend späten Zeitpunkt erwarten. Es folgt eine Phase mit relativ niedriger Schadensrate. Diese steigt dann mit dem Zeitpunkt der großen Inspektion (Kapitel 4.1.2) zwischen 15 000 und 20 000 Betriebsstunden wieder deutlich an. Als Grund gibt Leopold für diese Beobachtung an, dass erst bei der Öffnung der Maschinen die Schwachstellen erkannt werden. In der folgenden Phase scheinen sich neue Verbesserungen und Änderungen in einer niedrigen Schadensrate abzuzeichnen.

"Bild 0-6": In dieser Darstellung nach T.D. Matteson (Lit 0-4) ist erkennbar, dass zumindest bei hier ausgewerteten Flugtriebwerken die meisten Schäden (ca. 90%) keinen ausgeprägten Häufigkeitsanstieg mit der Betriebszeit zeigen. Es ist jedoch festzustellen, dass gerade kostenintensive Heißteil- und Verdichterschäden wie Ermüdung ( "Bild 2.2-5") und Kriechen ( "Bild 2.3-2" und "Bild 2.3-3") eine typische Betriebszeitabhängigkeit aufweisen. Trotzdem "Bild 0-6" wird gefordert Wartungs- und Inspektionsprogramme zu erarbeiten, die Revisionen ( "Bild 4.1-1") mit weitestgehender Demontage minimieren. Die Fortschritte in der Überwachung (Monitoring, Kapitel 5.1.1) und der Sensorik ermöglichen auch in der Industrieanwendung neue Perspektiven.

"Bild 0-7": Diese Ausarbeitung (Lit 0-5) stammt von einem Überholshop aus dem Jahre 1974. Sie zeigt die Erfahrungen mit dem Flugtriebwerkstyp JT-4 und vergleicht diesen mit dem Derivat GG4. Bei diesem Maschinentyp scheinen, bis auf die Lager- und Ölsystemprobleme, gravierende Unterschiede zwischen Derivat und Triebwerk zu bestehen (vergleiche hierzu "Bild 0-3"). So sind bei der Triebwerksversion die Gründe für Reparaturen vorgegebene Lebensdauergrenzen. Beim Derivat sind es dagegen offenbar akute Probleme an Verdichter und Turbine. Auch fällt der hohe Anteil an Fremdkörperschäden bei der Industrieanwendung auf. Fehlende oder weniger effektive Filter vor den Maschinen in den frühen 70er-Jahre erscheint keine plausible Erklärung.

Fazit: Schwachstellen von Triebwerken und ihren Derivaten können sehr unterschiedlich und typabhängig sein. Der stationäre Betrieb in der Industrieanwendung beansprucht die Maschinen offenbar anders als der Flugbetrieb. Der Unterschied zeigt sich oft erst in der zeitlichen Verteilung ( "Bild 0-5").