Hitzeschild für Turbinenschaufeln bewirkt niedrigeren Kerosinverbrauch im Flugzeugbau

Eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden beschäftigt sich mit dem Kerosinverbrauch von Flugzeugen. Dieser könne signifikant gesenkt werden, so eine Forschergruppe unter der Leitung von Maria Manuel Barbosa. Ein Hitzeschild konnte entwickelt werden, der über dei Schaufeln der Turbinen angebracht wird. Dadurch halten die Turbinen einer Verbrennungstemperatur stand, die mehr als 150 Grad Celisus über der heute üblichen liegt. Diese höhere Temperatur bedingt einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad und führt zu einem niedrigeren Treibstoffverbrauch.

Verbindung mit den Schaufeln innig

Die neu entworfene Schutzschicht bedient sich eines Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxids (YSZ), das zunächst aus einem microfeinen Pulver besteht. Durch das Einrühren in Wasser entsteht eine Suspension, die anschließend auf die Schaufel aufgesprüht wird. Diese als Thermisches Spritzen bekannte Technologie findet bei sehr hohen Temperaturen statt. Während des Spritzvorgangs schmelzen die YSZ-Komponenten, und verbinden sich beim Auftreffen auf die Schaufel innig mit ihr. Laut Barbosa können so hochwertige und sehr langlebige Schutzschichten selbst auf großen Bauteilen technisch realisiert werden, und dies zu relativ niedrigen Kosten.

Die auf den Schaufeln entstehende Schutzschicht ist nur 500 Tausendstel Millimeter dick. Mit dem Trägermaterial ist sie so innig verbunden, dass auch die höchste Beanspruchung sie nicht mehr abplatzen lässt. Auch mittels Elektronenstrahlverdampfern in Vakuumkammern sind vergleichbare Schichten herstellbar, jedoch zu einem weitaus höheren Preis. Zudem ist die Technik bei großen Bauteilen nicht durchführbar. Eine weitere alternative Technik besteht im Atmosphärischen Plasmaspritzen und ist zwar günstiger, die so erzielte Schutzschicht ist aber deutlich weniger haltbar.

Zusätzlicher Schutz vor Vulkanasche

Die neuartige Beschichtung erhöht auch die Sicherheit, denn sie schützt die Schaufeln auch vor anderen Partikeln, die sich in der Luft befinden können. Solche Partikel wirken auf unbearbeitete Schaufeln wie Schleifpapier. Im Jahr 2010 brach der isländische Vulkan Eyafjallajökull aus, der enorme Mengen an teils heißer Asche in die Atmosphäre schleuderte. Der Flugbetrieb über großen Teilen Europas musste für mehrere Tage eingestellt werden, da erhebliche Schäden an den empfindlichen Flugzeugturbinen befürchtet wurden. Nach der neuen Methode beschichtete Schaufeln wären keiner Gefahr ausgesetzt gewesen.

Das neue IWS-Verfahren wird auch in der Halbleiterbranche mit großem Interesse verfolgt. Gerade die Innenwände der dort verwendeten Plasma-Ätzkammern sind den Angriffen aggressiver Fluorverbindungen ausgesetzt. Die neuen Schutzschichten aus Dresden könnten auch hier wertvolle Unterstützung bieten und die empfindlichen Flächen schützen, denn ISZ ist immun gegen jede Art von Fluor. Die neue Beschichtungstechnik wird bereits vom schweizerischen Anlagenbauer AMT in Döttingen genutzt.

Veröffentlicht von Prof. Dr. Schröder

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