Wann fällt die 650-Grad-Grenze?

TURBINEN Mehr Wirkungsgrad durch höhere Drücke und Temperaturen. Große Bedeutung hat die Materialforschung.

24. Oktober 2005

Der Trend zu ultra-überkritischen Dampfparametern mit Drücken von 300 bar und Dampftemperaturen von bis zu 620°C zeichnet sich bereits deutlich ab. Alstom stellt sich als Hersteller modernster Technologie genau wie andere Anbieter diesem Markt. Der Konzern beteiligt sich deshalb an Joint Ventures, vergibt Lizenzen oder geht projektbezogene Partnerschaften ein. Was zur Zeit angeboten wird, sind Kraftwerke mit rund 275 bar bei Dampftemperaturen von 600/620°C. Bei ganz konkreten Angeboten wird gemeinsam mit dem Kunden auch schon über Dampftemperaturen verhandelt, die über 600/620°C liegen. Hintergrund sind dann Forderungen nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad.

Langfristig streben die Alstom-Wissenschaftler und Ingenieure schon die so genannte 700-°C-Technologie an. Der Weg dorthin wird sich aus heutiger Sicht sukzessive in Sprüngen über 620°C und 650°C entwickeln, um in vielleicht zehn Jahren bei 700°C liegen. Experten erwarten im Zusammenhang mit diesen hohen Temperaturen Wirkungsgrade, die bei 50 % oder leicht darüber liegen.

Der Schlüssel für die Durchsetzung dieser Technologie ist dabei der Zugriff auf Materialien, die für solch hohe Temperaturen geeignet sind. Weil die Entwicklung neuer und besserer Werkstoffe eine große Herausforderung darstellt, haben sich ausgewählte Hersteller von Kraftwerkskomponenten und Kraftwerksbetreiber gemeinsam die Lösung dieser Aufgabe vorgenommen und europäische Entwicklungsprogramme angestoßen. Das sind bis heute die COST-Forschungsprojekte, in denen bereits die aktuell genutzten Werkstoffe entwickelt wurden. Weitere neue Werkstoffe stehen auf der Agenda. Das Programm COST 501 endete Mitte der 90er-Jahre und hatte Stähle für Schmiede- und Gussteile zum Ergebnis, die neben einem erhöhten Molybdängehalt auch einen leicht reduzierten Chromanteil von rund 9 % aufweisen. Das Forschungsprogramm COST 522 läuft zur Zeit noch. Aber schon jetzt steht fest, dass bei einem wieder erhöhten Chromanteil von 11 % und einer Zulegierung von Kobalt und Bor eine Temperaturbeständigkeit bis 620 °C erreicht wird. Zwar ist es nicht ganz so einfach gewesen, wie es sich nun vielleicht anhört, weil der Einfluss anderer Legierungsbestandteile in mühsamer Kleinarbeit ausgetestet werden musste. Das Forschungsprogramm macht die Werkstoffe bereit für den Einsatz bis 620 °C.

Nur für heißeste Bereiche

Mit dem Programm COST 536 wird versucht, die 650-Grad-Temperaturgrenze zu erreichen. Die dafür notwendigen Werkstoffe werden momentan im Labor erprobt. Aus diesem Programm steht bislang aber noch kein konkreter Werkstoff zur Verfügung. Die Wissenschaftler sind aber zuversichtlich, bis 2010 ein positives Ergebnis präsentieren zu können.

Die neuen und bestimmt sehr teuren Werkstoffe werden nur für die am stärksten beanspruchten Bauteile eingesetzt, etwa in einer Alstom-Turbine in den Bereichen, die direkt mit den sehr hohen, kritischen Temperaturen belastet werden. Beispielsweise ist das im Inneren der Turbine dort notwendig, wo der extrem heiße Dampf einströmt.

Für die noch fernere Zukunft gibt es auf Initiative der Europäischen Union weitere Forschungsprogramme, mit denen die Technologien von ‚übermorgen’ gefunden werden sollen. Die dort anvisierten Grenzen liegen bei 700 °C und bei 350 bar. Damit wird ein Anspruch formuliert, der aus heutiger Sicht noch nicht in allen Einzelheiten klar ist. Der Weg dorthin soll über Nickel-Legierungen führen.

Paralleler Komponententest

Um eventuell Zeit einsparen zu können, läuft parallel auf europäischer Ebene ein Komponenten-Testprogramm. So besteht die Möglichkeit, von Anfang an Erfahrungen mit neuen Materialien unter realen Betriebsbedingungen zu sammeln. Beispiel ist ein Frischdampfventilblock aus einer gegossenen Nickel-Stahllegierung mit 8 t Gewicht und einer Höhe von 2,50 m. Dieses Ventil wurde in einem Bypass auf der Frischdampfseite einer Anlage unter Realbedingungen getestet. Damit erhofft man sich, schneller an Zwischenergebnisse zu gelangen und das Entwicklungsrisiko zu minimieren.

Parallel zu den großen gemeinsamen Forschungsprojekten hat Alstom auch eigene Forschungs- und Entwicklungskapazitäten. Ein permanenter Schwerpunkt ist die weitere Wirkungsgradverbesserung von Dampfturbinen, etwa über die weitere Optimierung der Beschaufelung. Dieses ist zwar ein steiniger, aber dennoch lohnender Weg. Daraus ergeben sich Änderungen einzelner Parameter, die im Einzelfall zwar nur minimal erscheinen, aber in ihrer Summe zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung der Dampfturbine führen.

Beispiele sind weiter optimierte Profilgeometrien, das Schließen kleiner Lücken im Schaufelkanal oder die Optimierung von Übergangsradien. Eine weitere Maßnahme ist die Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit an den Turbinenschaufeln. Neue Verfahren zur Oberflächenhärtung gewährleisten eine hohe Lebensdauer und geringen Erosionseinfluss.

Ein anderer Ansatzpunkt ist das Beseitigen von Leckagen und Undichtigkeiten innerhalb der Dampfturbine. Bei Alstom knüpfen die Ingenieure große Hoffnungen an die Entwicklung neuartiger Bürstendichtungen für den Bereich der Kolben- und Wellendichtungen. Diese ‚Brush seals’ wurden bereits in mehreren Turbinen erfolgreich eingesetzt.

Weiteres Potenzial zur Steigerung des Turbinen-Wirkungsgrades liegt im Bereich der Niederdruckstufen. Dort kann der Einsatz neuer Materialien dazu führen, die wirksame Länge der Endschaufeln erheblich zu vergrößern. Zusätzlich wird bei Alstom die Strömung im Abdampfdiffusor in Richtung des Kondensators optimiert.

OptimierungKürzere Turbinen

Neue Materialien bei den Niederdruckstufen können dazu führen, die wirksame Länge der Endschaufeln erheblich zu vergrößern. Zusätzlich wird die Strömung im Abdampfdiffusor in Richtung des Kondensators optimiert. Hier bringt die Summe der einzelnen kleinen Verbesserungen nicht nur einen großen Fortschritt beim Wirkungsgrad, sondern über die größeren Abdampfflächen lässt sich auch die Anzahl der Niederdruckturbinen reduzieren. Dies verringert die Gesamtlänge der Turbine und bringt Einsparungen im Maschinenhaus.

Erschienen in Ausgabe: 10/2005