Hochleistungs-Oxidkeramiken zur Steigerung der Energieeffizienz – HiPOC – High Performance Oxide Ceramics, Teilvorhaben des DLR, Abschlussbericht

Abstract

Die Anwendung von CMC-Werkstoffen in Flugtriebwerken beschränkt sich zur Zeit auf den Abgastrakt in militärischen Triebwerken. Für stationäre Gasturbine existieren verschiedene Forschungs- und Entwicklungsprogramme, die sich mit dem Einsatz oxidischer CMC in Brennkammern befassen. Ziel des Vorhabens war, Komponenten für Triebwerksbrennkammern aus oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffen zu entwickeln. Dazu sollte eine Rohrbrennkammer entwickelt, hergestellt und unter realitätsnahen Bedingungen getestet werden. Daneben sollten Designkonzepte zur Integration von heißen, lasttragenden Bauteilen aus oxidischen CMCs in metallische Tragstrukturen generiert werden. Weiterhin sollten bestehende oxidische CMC-Werkstoffe weiterentwickelt werden, um ihre Hochtemperaturfähigkeit zu steigern. Diese Ziele wurden über einen gekoppelten Ansatz verschiedener Methoden bestehend aus numerischen Simulationen (CFD und FEM), Tests zur Werkstoff-Charakterisierung, Komponenten-Tests an Prüfständen (gekühlte Brennkammerwandelemente und Befestigungselemente) und Demonstratorversuchen mit einer CMC-Rohrbrennkammer bearbeitet. Mittels einer gekoppelten CFD- und FEM-Berechnung wurde die CMC-Rohrbrennkammer thermisch und mechanisch ausgelegt. Es wurde ein Befestigungskonzept entwickelt und gebaut für eine Brennkammer, die aus mehreren Teilen zusammengesetzt wird. Bei dem CMC-Werkstoff Whipox konnte die Hochtemperaturbeständigkeit (Kriechstabilität) deutlich gesteigert werden. Es wurden Brennkammer-Kühlkonzepte für oxidische CMC-Werkstoffe entwickelt und entsprechende Brennkammerwandelemente in einem Kühlungsprüfstand bei realistischen Bedingungen getestet. Eine CMC-Rohrbrennkammer wurde bei Bedingungen betrieben, die 90% take-off-Leistung des gewählten Triebwerks-Zyklus entsprachen. Die Erkenntnisse können unmittelbar auch für Brennkammern stationärer Gasturbinen bzw. Kleingasturbinen genutzt werden. Die entwickelten Methoden und Werkstoffe können auf verschiedene andere Anwendungen, bei denen oxidations- und hochtemperaturbeständige Werkstoffe mit nichtsprödem Bruchverhalten eingesetzt werden, übertragen werden.