Nya material höjer gasturbinernas effektivitet

Nya ytbeläggningar kan öka effektiviteten och minska utsläppen från framtidens gasturbiner. En ny avhandling vid LiU visar hur några av de nya materialen fungerar och hur livslängden kan beräknas.

Pimin Zhang, forskare i konstruktionsmaterial. Svepelektronmikroskopet i A-huset, Campus Valla. Här har Pimin Zhang tillbringat många timmar. Foto: Mikael Sönne

Samarbete med Siemens

Genom användning av så kallade termiska barriärskikt (TBC, från engelskans ”thermal barrier coating”) möjliggörs högre temperaturer – ibland upp till 1600 grader – i de varma delarna av en gasturbin. Det innebär förbättrad effektivitet och, i förlängningen, mindre miljöpåverkan. De TBC-material som är standard har dock vissa begränsningar när det gäller högsta möjliga temperaturer.

Med tiden kommer dessutom påfrestningar i turbinen att bryta ner barriärskikten, inte minst genom oxidation och korrosion. Detta gäller i synnerhet om turbinerna ofta startas och stoppas, vilket blir allt vanligare för att kompensera för cyklisk sol- och vindenergi och balansera kraftförsörjningen i elnäten.

 

Porträttbild Krishna Praveen Jonnalagadda.Tillverkning av gasturbiner på Siemens i Finspång.

I avhandlingen Performance of MCrAIX coatings: Oxidation, Hot corrosion and Interdiffusion undersöker Pimin Zhang egenskaperna hos nya så kallade MCrAIX-beläggningar och hur skikt av aluminiumoxid bidrar till skydd av komponenterna. Forskningen har genomförts i samarbete med Siemens Industrial Turbomachinery i Finspång.

Fler ämnen ökar stabiliteten

Avgörande för ett bra oxidationsskydd är just bildandet av ett stabilt, tätt och långsamt växande aluminiumoxidskikt längst ut på ytbeläggningen. Detta skikt läggs på vid tillverkningen av gasturbinen och utvecklas sedan vidare i en oxidationsprocess under drift.

- Våra legeringar kan innehålla fler ämnen än de tidigare. Det är viktigt bland annat för att göra ytbeläggningarna stabila, säger Pimin Zhang.

Förmågan att bilda och behålla det skyddande ytskiktet beror på ytbeläggningens kemiska sammansättning och mikrostruktur. Den påverkas också av variationer i appliceringen under tillverkningsprocessen och modifieringar av ytorna för beläggningarna.

I avhandlingen visar Pimin Zhang hur skiktet med aluminiumoxid utvecklas under oxidationsprocessen, vilket är viktigt för att förbättra motståndskraften hos MCrAIX-beläggningar.

Hur mycket bättre är de nya beläggningarna jämfört med de gamla?

- Det är svårt att uppskatta. Men en av dem är patentsökt och jag tror att de kan få stor praktisk betydelse, säger Pimin Zhang.

Underhållet blir mer exakt

I doktorsavhandlingens andra del utvecklas ett kriterium för bildandet av aluminiumoxidskikt, vilket i sin tur kan användas för att beräkna livslängdens hos en viss ytbeläggning. Kriteriet kan göra stor praktisk nytta och till exempel användas för att bestämma serviceintervaller på en gasturbin.

Pimin Zhang, forskare i konstruktionsmaterial.Pimin Zhang i labbet där han gjort de praktiska testerna.

Det kriterium som presenteras har validerats i långvariga oxidationstester av fem olika ytbeläggningar. Några tester har pågått i upp till ett år.

- Det finns en rad faktorer som påverkar behovet av underhåll, bland annat miljön runt omkring och hur turbinerna används. Men det gör i vart fall att underhållet kan göras mer exakt än tidigare.

Pimin Zhang säger att det spelar stor roll att forskningsresultaten kan användas praktiskt i industrin. Siemens har varit en viktig part i projektet och en av handledarna kommer därifrån. Samtidigt är de teoretiska resultaten också viktiga och ökar kunskapen om hur olika material reagerar under olika förhållanden.

- För mig handlar det om både och. Nu hoppas jag kunna fortsätta på LiU ett tag till och knyta ihop en del lösa trådar. Det finns fortfarande en del resultat som jag inte riktigt hunnit bearbeta, säger han.

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Läs mer om LiU:s forskning
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll