Forschung
Entwicklungswerkzeuge
Komponenten Werk- und Betriebsstoffe
Wirkungsgrad/Effizienz
Mit den herkömmlichen Auslegungsmethoden sind die Hersteller von Turbomaschinen nicht in der Lage, das Versagensverhalten von Bauteilen, z.B. von Abgasturbolader(ATL)-Heißteilen, realistisch vorherzusagen. Mit der Entwicklung von neuen Werkstoff- und Rechenmodellen für die Lebensdauervorhersage hat das Projekt neue Erkenntnisse vorgelegt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Werkstoffklassen der ferritischen Werkstoffe vom Typ EN-GJS SiMo und des austenitischen Gusseisens EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Im Rahmen von Zug-, Kriech-, LCF (Low Cycle Fatigue)- und TMF (Thermo Mechanical Fatigue)-Versuchen wurde eine umfassende Datenbasis ermittelt. Ein weiterer Fokus bestand darin, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer experimentell zu untersuchen und das Lebensdauermodell auf die HCF(High Cycle Fatigue)-Überlagerung zu erweitern. Die Versuchs- und Simulationsergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung auf.
» Mit unseren Arbeiten konnten wir das Verständnis über die TMF- und die TMF-HCF-Schädigung deutlich erweitern sowie praxisorientierte Lebensdauervorhersagemodelle entwickeln und auf diese Weise die Auslegung von Turbomaschinen deutlich effizienter machen. «
Dr.-Ing. Heiko Haase (MTU Friedrichshafen)
Hochleistungsturbolader für Dieselmotoren sind ein Beispielanwendung, bei die neue Berechnungsmethodik zum Einsatz kommen kann.
Bildquelle: L‘ Orange/RRPS
Lichtmikroskopische Aufnahmen des Gefüges von SiMo 4.05 (links) und Ni-Resist (rechts) im Längsschliff
Bildquelle: BAM | Berlin
Vergleich der experimentellen und simulierten Lebensdauern von isothermen LCF-Versuchen und von TMF-Versuchen
Bildquelle: BAM | Berlin
Zuverlässige und praxistaugliche Lebensdauermodelle sind für die Hersteller von Turbomaschinen essenziell, um die Schwachstellen im Bauteil früher erkennen und die Versagensmechanismen besser verstehen zu können. Die Methoden, mit denen gegenwärtig die Lebensdauer von ATL-Heißteilen bewertet wird, berücksichtigen lediglich niederfrequente elastoplastische Ermüdungsbeanspruchungen (LCF). Im Projekt bestand daher das Ziel, auch die relevanten Beanspruchungen TMF und HCF in ein neues Modell zur Lebensdauervorhersage einzubeziehen.
Die Grundlage der Arbeiten bildeten Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche, die eine breite experimentelle Datenbasis schafften. Die Versuche erfolgten anhand von Proben zweier Werkstoffklassen – ferritische Turbinengehäusewerkstoffe vom Typ EN-GJS SiMo und austenitisches Gusseisen EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Das neuentwickelte Werkstoffmodell zur Lebensdauervorhersage wurde mit den Messdaten und mithilfe von Bauteilversuchen an einem Turbinengehäuse sowie einem Abgassammler verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt war, im Experiment zu untersuchen, welchen Einflusses HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer haben. Zur theoretischen Beschreibung diente ein bruchmechanischer Ansatz, der die Lebensdauerminderung durch die im TMF-Zyklus überlagerten HCF-Schwingungen abbildete.
Das neue Rechenmodell gibt das Spannungs-Verformungs-Verhalten und die Lebensdauer in den LCF- und TMF-Versuchen für beide Werkstoffklassen gut wieder. Gleiches gilt für die überwiegende Anzahl der experimentell im Bauteilversuch ermittelten Rissorte . Zudem gelang es, das neue Lebensdauermodell auf die HCF-Überlagerung zu erweitern. Mit diesem Ansatz lässt sich die Lebensdauer sowohl für SiMo-Werkstoffe als auch für den Ni-Resist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen. Die Modellierungsansätze stehen als benutzerdefinierte Subroutine zur Bauteilanalyse für kommerzielle Programme zur Verfügung und können damit unmittelbar in der industriellen Praxis eingesetzt werden. Sie leisten einen wichtigen Beitrag dazu, Turbomaschinen effizienter auszulegen und Produktentwicklungszyklen zu verkürzen.
TMF-Lebensdauerberechnung ATL-Heißteile | Entwicklung von Rechenmodellen zur Lebensdauervorhersage von Werkstoffen für Abgasturbolader-Heißteile unter thermo-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung und Übertragung für Anwendung auf Bauteile | Vorhaben-Nr. 916
TMF-Lebensdauerberechnung ATL-Heißteile II | Erweiterung bestehender Werkstoff- und Rechenmodelle zur Lebensdauervorhersage für Abgasturbolader-Heißteile unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung | Vorhaben-Nr. 1100
Status
Abgeschlossenes Projekt
Programm
Öffentlich gefördert
Fördersumme
760.000,00 EUR
Laufzeit
31.08.2006
bis
30.09.2009
Teil I
01.01.2012
bis
30.06.2015
Teil II
Fördergeber
Projektkoordination
Dr.-Ing. Heiko Haase
MTU Friedrichshafen
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Birgit Skrotzki
Forschungsstellen
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345