De gör framtidens gasturbiner både grönare och säkrare

Framtidens gasturbiner är effektivare, miljövänligare och drivs med förnyelsebara bränslen. De kräver också mindre underhåll och är säkrare. På avdelningen för Mekanik och hållfasthetslära utvecklas livslängdsmodeller för materialen som gör framtiden möjlig.

Daniel Leidermark, Christian Busse and Thomas Lindström forskar om materialen i framtidens gasturbiner. Foto: Mikael Sönne

Banbrytande forskning

Gasturbiner används för att producera el och kan väldigt enkelt beskrivas som en sorts jättelik dammsugare. I ena änden sugs luft in, som sedan komprimeras och värms upp i en brännkammare. Värmen gör att luften expanderar och sätter fart på turbinbladen som alstrar el via en generator, vilken kopplats på i turbinens andra ände.

Thomas Lindström, Christian Busse och Daniel Leidermark studerar alla tre, på lite olika sätt, de material som ska effektivisera framtidens turbiner.

Gasturbin från Siemens.

- Bitvis är det banbrytande forskning som vi är ganska ensamma om i världen, säger Daniel Leidermark som är biträdande professor och handledare för doktoranderna Christian och Thomas.

Delar byts i onödan

Thomas Lindström forskar om materialet (duktila superlegeringar) i turbinens brännkammare som tillverkas med ny så kallad AM-teknik (additive manufacturing). Det innebär 3D-printing och underlättar för både högre temperaturer och användning av biobränslen i turbinerna. Samtidigt är det en ny tillverkningsteknik som innebär en lång rad okända variabler jämfört med den traditionella produktionsmetoden gjutning.

Mer precist bygger Thomas modeller för hur materialet (nickelbaserade superlegeringar) beter sig under olika förhållanden, inte minst i cyklisk drift då turbiner ofta startas och stoppas. Behovet av detta ökar då turbiner används för att kompensera för variationer i krafttillförsel från vind- och solkraft.

Materialprov, så kallad pacman, från forskningen.

- Med 3D-printing kan brännkammaren anpassas på ett helt annat sätt än tidigare. Ju mer precist vi kan förutse hur materialet beter sig, desto mer exakt blir också underhåll och service. I dag tvingas man till ganska grova säkerhetsfaktorer som gör att delar kanske byts helt i onödan, säger Thomas Lindström.

Material med en kristall

Christian Busse studerar enkristalliga superlegeringar som återfinns en bit längre in i turbinerna, i bladen på skivorna som drivs runt av den upphettade luften. Medan Thomas framför allt forskat om hur sprickor uppstår, handlar Christians doktorsavhandling om hur sprickor växer till under olika förhållanden. Det som kan se helt slumpmässigt ut beror i själva verket på materialets egenskaper och kan beräknas. Därmed kan det också förutsägas.

- Serviceintervallerna kan förlängas och även säkerheten höjas, när vi vet mer om materialen, säger Christian Busse.

Och när det gäller effektivitet och bränsleförbrukning, hur mycket kan den förbättras?

- Att den förbättras är helt klart, men exakt hur mycket är svårt att säga. I många fall är det också företagshemligheter som tillverkarna vill hålla för sig själva, svarar Daniel Leidermark.

Rolls-Royces jetmotorer

Sprickbildning i ett av många tester.

Doktorandernas forskning genomförs i nära samarbete med Siemens Industrial Turbomachinery i Finspång. Daniel Leidermark å sin sida ingår i en internationell forskargrupp som arbetar med material i jetmotorer och samverkar med tillverkaren Rolls-Royce. Flygplansmotorer belastas väldigt olika vid start, flygning och landning; en annan sorts cyklisk drift som ställer stora krav på materialen.

Forskningsprojektet arbetar med ett befintligt material där kornstorleken ska ökas för att förbättra egenskaperna. Också här är en huvuduppgift att skapa modeller för att beräkna hur materialet beter sig vid olika belastningar.

- Lyckas vi innebär det mindre materialåtgång och effektivare förbrukning. Båda två är förstås viktiga ur miljösynpunkt, säger Daniel Leidermark.

Daniels forskning gäller skivorna där turbinbladen är fästa. Dessa tillverkas av pulvermaterial som pressas samman under högt tryck.

Med superlegering menas en legering, huvudsakligen bestående av nickel, nickel-järn eller kobolt, som tål högre temperaturer än vanliga legeringar och ofta används i rostfritt stål.

Läs mer
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll