Innovationsschub bei Gasturbinen-Herstellern

Der Wandel im Energiesektor eine große Chance für die Hersteller von Gasturbinen dar, doch die konventionellen Fertigungsmethoden kommen inzwischen an ihre Grenzen und können mit dem aktuellen Innovationstempo nicht mehr mithalten. Für eine Stromerzeugung aus Erdgas müssen nicht nur bestehende Kraftwerke modernisiert, sondern auch neue Anlagen gebaut werden. Das Herzstück dieser Kraftwerke sind enorme Turbinen. Die Branche ist jedoch hart umkämpft. Der Markt verlangt eine höhere Kraftstoffeffizienz, Energieerzeugung, Systemzuverlässigkeit bei geringeren Wartungskosten sowie eine effizientere Fertigung und Lieferkette.

Gasturbinen stellen hohe Anforderungen an Superlegierungen und erfordern eine immer komplexere Formgebung. Herkömmliche Herstellungsverfahren erfordern lange Vorlaufzeiten und produzieren erhebliche Mengen an Abfall. Außerdem handelt es sich oft um mehrteilige Baugruppen, deren Herstellung kostspielig ist. Aufgrund der Komplexität sind die Turbinen einem hohen Belastungs- und Ausfallrisiko ausgesetzt. Führende Hersteller von Gasturbinen meistern diese Herausforderungen und beschleunigen das Innovationstempo, indem sie auf die additive Fertigung bzw. den 3D-Druck umsteigen. Die additive Fertigung bietet Flexibilität beim Design, verbesserte Systemleistung und ‑effizienz, höhere Zuverlässigkeit, kürzere Markteinführungszeiten und eine effizientere Lieferkette.

Brennkammern sind für die Leistung von Gasturbinen entscheidend. Die Erzielung der größtmöglichen Kraftstoffeffizienz und ‑leistung ist abhängig von den internen Strukturen, die die Verbrennung und den Abtransport der Verbrennungsprodukte fördern. Die Brennkammerkomponenten erfordern daher höchstmögliche Qualität und werden aus starken, hitzebeständigen Superlegierungen hergestellt. Bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren sind die Standzeiten der Werkzeuge gering, und es werden große Mengen an Abfall produziert.

Demgegenüber bietet die additive Fertigung den Ingenieuren eine neue Flexibilität bei der Konstruktion von Brennkammern. Dabei stellt weder die Geometrie noch die Art der Superlegierung ein Problem dar. Ingenieure können neuartige Düsenformen und Mischkammern entwickeln, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu optimieren. Der Ersatz von mehrteiligen Baugruppen (z. B. Einspritzdüsen, Verwirblern und Mischern) durch monolithische Teile kann die Energieausbeute verbessern, die Arbeitskosten senken und die Integrität der Komponenten bei höchsten Temperaturen und Betriebsdrücken gewährleisten.

In den sogenannten „Hot Zones“ von Gasturbinen sind die Verdichter- und Turbinenleitschaufeln starken thermischen und strukturellen Belastungen ausgesetzt. Jede einzelne Schaufel oder jeder integrierte Stator muss strenge Anforderungen an Integrität, Genauigkeit und Qualität der Teile erfüllen, um die Leistung der gesamten Turbine sicherzustellen.

Die beiden konventionellen Verfahren zur Herstellung von Statorschaufeln stellen eine große Herausforderung dar. Beim Feingießen ist Zeit das größte Problem. Dieser jahrzehntealte Prozess basiert auf Wachsmodellen. Die Formen, mit denen die Modelle hergestellt werden, sind jedoch kostspielig in der Herstellung, und die Produktion dauert Wochen oder gar Monate. Die andere konventionelle Methode, Schaufeln und Ringe aus Knüppeln zu drehen, ist ebenfalls kostspielig, vor allem wenn man die Härtegrade der erforderlichen Superlegierungen bedenkt. Darüber hinaus müssen diese komplexen Formen noch zusammengeschweißt werden, worunter die Härte und Langlebigkeit leiden kann.

Mit der additiven Fertigung ist es möglich, all diese Mängel zu reduzieren, indem mehrere Teile zu einem konsolidiert werden. Die Zusammenführung von Baugruppen erhöht die Ausbeute bei der Fertigung und verbessert die Zuverlässigkeit der Teile erheblich. Außerdem können die Konstrukteure komplexe interne Kühlkanäle in die Bauteile integrieren, die ansonsten schwierig bis unmöglich gefertigt werden könnten. So wird einerseits die thermische Leistung verbessert und andererseits die Effizienz maximiert.

Die Herstellung von Laufrädern für industrielle Gasturbinen ist mit herkömmlichen Fertigungsmethoden sehr teuer. Die Formen sind komplex und die Metalle extrem schwierig zu schneiden, was zu Ausschussraten von bis zu 80 % führt. Dies gilt insbesondere für mit Kanälen versehene Hochleistungslaufräder, die aufgrund ihrer geschlossenen Form teurer in der Herstellung sind. Ingenieure müssen oft Kompromisse eingehen, um kosteneffiziente Konstruktionen zu liefern.

Die additive Fertigung ermöglicht es den Herstellern von Gasturbinen, hochentwickelte, mit Kanälen versehene Laufräder zu entwerfen, die bei der Luftverdichtung wesentlich effizienter sind. Durch Optimierung der Topologie und Anwendung der Gitterstruktur auf dieses wichtige rotierende Teil können Ingenieure außerdem das Gewicht reduzieren, wodurch höhere Drehzahlen mit weniger Energie und eine höhere Gesamtleistung des Systems erreicht werden.

Dank des Wechsels von der Bearbeitung durch Dreh-/Fräsmaschinen zum Direktmetalldruck sind der Komplexität des Teils keine Grenzen gesetzt – und dies bei gleichzeitiger Beschleunigung der Produktion sowie Reduzierung des Abfalls. Wenn Feinguss erforderlich ist – z. B. bei größeren Laufrädern oder größeren Stückzahlen – können 3D-gedruckte Wachsmodelle für jede Legierung verwendet werden und bieten die Flexibilität und Kosteneinsparungen eines Arbeitsablaufs ohne Werkzeugfertigung.

In der wettbewerbsintensiven High-Tech-Branche für Gasturbinen ist ein höheres Innovationstempo ebenso wichtig wie signifikante Verbesserungen der Funktionalität. Die additive Fertigung beschleunigt den Designzyklus, da komplexe Teile für Form-, Passform- und Funktionstests schnell und kostengünstig hergestellt werden können. Ganz gleich, ob Unternehmen Brennkammern, Leitschaufeln, Laufräder oder Gussteile herstellen – mit der additiven Fertigung produzieren sie Hochleistungskomponenten für Gasturbinen, die die Konstruktionskriterien erfüllen oder übertreffen. Das gesamte Kraftwerk wird von den Vorteilen einer verbesserten Kraftstoffeffizienz, niedrigerer Wartungskosten und geringerer Emissionen profitieren.

Scott Green, Principal Solutions Leader bei 3D Systems