Tests für präzisere Lebensdauervorhersagen unter triebwerksähnlichen Bedingungen: Entwicklung und Inbetriebnahme der MTC-Prüfstände für das DLR

Kurzfassung

Für eine zukunftsfähige, klimaverträgliche Luftfahrt spielen hocheffiziente Gasturbinen - betrieben mit nachhaltigen Kraftstoffen - eine unverzichtbare Rolle. Der Einsatz von innovativen Werkstoffen in Gasturbinen sowie von etablierten Werkstoffen an neuen Betriebspunkten erfordert präzise und verlässliche Lebensdauervorhersagen. Die Lebensdauer von Triebwerksbauteilen ist begrenzt durch das einwirkende Kollektiv aus mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen (MTC) sowie im Besonderen durch deren gegenseitigen Wechselwirkungen. Lebensdauermodelle werden durch eine Kombination aus Felddaten und experimentellen Daten validiert. Da Prüfstandsversuche im Unterschied zu Daten aus dem Feld die Möglichkeit bieten, kontrollierte Bedingungen einzustellen und Einflussgrößen gezielt zu variieren, ist ihr Beitrag bei der Validierung von Lebensdauermodellen unverzichtbar. Für je zwei der drei simultan wirkenden Belastungsarten (mechanisch, thermisch, chemisch) stehen hervorragende Prüfkapazitäten für Forschung und Entwicklung zur Verfügung. Die Wechselwirkungen zwischen den drei simultan wirkenden Beanspruchungsarten waren hingegen experimentell bislang weitestgehend unzugänglich. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Entwicklung und den Aufbau einer Prüfstandsinfrastruktur, die erstmals die simultane Prüfung unter MTC-Belastungen ermöglicht. Die vier MTC-Prüfstände sind mechanisch komplementär ausgelegt (MTC-Biax, MTC-Uniax, MTC-VHCF: very high cycle fatigue, MTC-Creep) und decken dadurch gemeinsam die relevantesten, korrosionsinduzierten Schadensverhalten im Triebwerk ab. In jedem der MTC-Prüfstände befindet sich der Prüfling innerhalb eines Druckbehälters, der mit einer variierbaren Mischung aus Reingasen (N2, O2, CO2, NO, CO, SO2) sowie einem hohen Wasserdampfgehalt beaufschlagt werden kann, um den korrosiven Einfluss von realen Triebwerksabgasen nachzubilden. Des Weiteren ist jeder MTC-Prüfstand mit einem neuentwickelten Laser-Heizsystem ausgestattet, das Materialtemperaturen bis 1400°C ermöglicht und durch die präzise und schnelle Regelbarkeit des Lasers eine sehr hohe Temperaturhomogenität auf der Probe erreicht. Die zukünftige Lebensdauerprüfung von Hochtemperatur-Werkstoffen unter kontrollierten, triebwerksähnlichen Bedingungen lässt einen Sprung in der Verlässlichkeit und Präzision von Lebensdauervorhersagen erwarten und leistet damit einen Beitrag beim Übergang zu zukunftsfähigen, umweltverträglichen Antriebstechnologien in der Luftfahrt.