Nya ytbehandlingar ger effektivare gasturbiner

Nya ytbehandlingar kan höja både temperatur och effektivitet i framtidens gasturbiner. En ny avhandling vid LiU visar hur livslängden på sådana ytskikt kan beräknas – och hur bra de är i jämförelse med äldre teknik.

Die Siemens SGT-800 in der Fertigungshalle im Gasturbinenwerk in Finspong, Schweden. The Siemens SGT-800 gas turbine in the manufacturing building of the gas turbine workshop in Finspong, Sweden.Montering av gasturbiner i Siemens fabrik i Finspång. Foto: Siemens

Stora påfrestningar i turbinen

Genom att använda 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 högre 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.

I avhandlingen Thermal Barrier Coatings – Failure Mechanisms during Corrosion, Oxidation and Life Modelling undersöker Krishna Praveen Jonnalagadda hur nya TBC-material och material tillverkade med nya metoder står sig jämfört med äldre typer av ytskikt.

Många olika varianter

 

- Framför allt är det kombinationen av material och metod som är viktig. Det finns en rad olika kombinationer och min forskning visar hur väl, eller mindre väl, de fungerar, säger Krishna Praveen Jonnalagadda.

Forskningen har genomförts i samarbete med Siemens Industrial Turbomachinery som är en av världens ledande tillverkare av gasturbiner. Studien visar att en relativt ny och lovande tillverkningsmetod kallad SPS, (suspension plasma spray), ger tydligt bättre egenskaper än den äldre och billigare APS-tekniken (atmospheric plasma spray).

Ett flertal prov har utförts för att mäta korrosionsmotståndet hos barriärskikt av SPS- respektive APS-typ. Resultaten visar bland annat att tunna och täta skikt står emot korrosion bättre än tjockare och porösare skikt.

- SPS-tekniken är lovande, men det är fortfarande ett långt steg från forskningen till praktisk användning. Kanske kan metoden implementeras om fem-tio år om industrin bestämmer sig för det. Min avhandling är i alla fall ett steg på vägen, säger LiU-forskaren.

Snabbare och lägre kostnad

Krishna Praveen Jonnalagadda. Foto: Mikael Sönne

Krishna Praveen Jonnalagadda har också tagit fram en modell för att beräkna livslängden på olika termiska barriärskikt. Modellen tar hänsyn till termisk cykling, det vill säga omväxlande höga och låga temperaturer, och kan förutsäga utmattningen i barriärskikten med god noggrannhet. Beräkningen är tillräckligt enkel för att den ska kunna användas praktiskt i industrin.

- Modellen sparar både tid och pengar jämfört med att göra alla testerna för sig, säger han.

Krishna Praveen Jonnalagadda försvarade sin avhandling onsdagen den 13 mars klockan 10.15. Huvudhandledare har varit professor Ru Lin Peng. Opponent är John R Nicholls, professor vid Cranfield University.

Läs avhandlingen här
Visa/dölj innehåll

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Läs mer om forskningsområdet
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll