Keramische Werkstoffe für Brennkammern von Fahrzeuggasturbinen

Damit Fahrzeuggasturbinen im spezifischen Verbrauch mit den heute verwendeten Dieselmotoren konkurrieren können, sind hohe Temperaturen im Brennkammerbereich erforderlich; diese können mit Metallbrennkammern nicht realisiert werden. Als Brennkammerwerkstoff bieten sich hochtemperaturbeständige Sonderkeramiken an. Bei MTU wurden die in Frage kommenden Keramiken unter betriebsnahen Bedingungen auf ihre Eignung als Brennkammerwerkstoff untersucht. Besonders bewährt hàt sich siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid. Bei weiterer Entwicklung ist auch die Verwendung anderer Keramiken dankbar. Seit mehr als 40 Jahren wird versucht, anstelle von Hubkolbenmotoren Antriebsmaschinen mit ausschließlich rotierenden Teilen zu verwenden. Die vom Prinzip her einfache Arbeitsweise der Rotationsmaschinen war immer wieder ein Ansporn dazu, die damit verbundenen technologischen Schwierigkeiten in Angriff zu nehmen. So konnte in der Luftfahrt die Gasturbine mit ihrem günstigen Leistungsgewicht den Kolbenmotor in der Leistungsklasse über 500 PS völlig verdrängen. Anfang der 50er Jahre begann man in den USA und in Großbritannien mit der Entwicklung von Fahrzeuggasturbinen. Die Schwierigkeiten, die dabei auftraten, sind bis heute noch nicht befriedigend gelöst. Bedingt durch die kleinen Abmessungen und ein ungünstiges Teillastverhalten entstehen Wirkungsgradverluste, die nur durch hohe Verbrennungstemperaturen ausgeglichen werden können. Damit zum Beispiel eine LKW‐Gasturbine mit 350 PS ähnliche Verbrauchswerte wie ein Dieselmotor erreicht, sind Turbineneintrittstemperaturen von etwa 1400 °C erforderlich. Da aus Gründen der Kosten und des Wirkungsgrades aufwendige Kühlkonzepte, wie sie in Fluggasturbinen eingesetzt werden, nicht in Frage kommen, ist die Realisierung dieser hohen Temperatur mit Metallteilen nicht möglich. Bereits bei einer Brennkammereintrittstemperatur von 1000°C werden etwa 5% der angesaugten Luft zur Brennkammerkühlung verwendet, was den spezifischen Verbrauch um etwa 8 g/PS h erhöht (1). Diese Problematik sowie die beginnende Rohstoffverknappung und Rohstoffverteuerung führten zu der‐an sich nicht neuen‐Überlegung, die Heißteile einer Fahrzeugturbine aus Keramik zu bauen. Bereits während des zweiten Weltkrieges sowie in den 50er und 60er Jahren wurde versucht, Alumininumoxid für Turbinenschaufeln einzusetzen, was u. a. an der mangelnden Thermoschockbeständigkeit von Al 2 O 3 scheiterte. Nun sind in den letzten Jahren, zunächst in USA und dann auch in Deutschland, die Bemühungen um den Einsatz von Keramik in Gasturbinen wieder verstärkt worden. Die Entwicklungsarbeiten sind z. Zt. in vollem Gange, wobei sich jetzt erste Tendenzen abzeichnen und auch einzelne Teilerfolge erzielt wurden (2).