Aktuelle Herausforderungen an das Tribosystem Ventilspindel/Sitzring in lastflexiblen und hocheffizienten Großgasmotoren

Oliver Lehmann, Märkisches Werk GmbH

Die kontinuierliche Erhöhung von mechanischen Wirkungsgraden und die Anwendung neuer Verbrennungsprozesse zur Erfüllung gesetzlicher Emissionsvorschrifen bedeuten die Gefahr einer reduzierten Lebensdauer des Tribosystems Ventilspindel/Sitzring in Großgasmotoren. Problemverschärfend wirken in diesem Kontext bspw. neue lastflexible Betriebsszenarien von Hybridkraftwerken mit häufigen Shutdowns für die Stromerzeugung auf Anfrage. Die eingesetzten Werkstoffe und Designs für Ventilspindeln und Sitzringe sind in der überwiegenden Zahl seit Jahrzehnten etabliert. In den letzten Jahren hat sich die Anzahl von vorzeitigen Funktionsausfällen in lastflexiblen und hocheffizienten Großgasmotoren aufgrund Ventilverschleiß zunehmend verdichtet. Zur Verbesserung dieser Situation und um neue Antworten für zukünftige Großgasmotoren mit Spitzendrücken von 300 bar zu finden, hat die Märkisches Werk GmbH das Forschungsprojekt GasmoVer (Gasmotorenverschleiß) in 2013 gestartet. Es ist deutlich, dass das mechanische Tribosystem Ventilspindel/Sitzring an die Grenzen seiner Funktionsfähigkeit getrieben wird. Ein tiefergehendes Verständnis der ablaufenden Verschleißprozesse ist erforderlich, um neue und robuste Lösungen für Groß(gas)motoren zu entwickeln.

Der Vortrag gliedert sich in fünf Teile. Beginnend mit einer Einführung über die allgemeinen technologischen Anforderungen an Großmotoren sollen die Produktionskosten im Spannungsfeld von Standardisierung und kundenspezifischer Lösung thematisiert werden. Hieran anschließend sollen kurz die entscheidenden Technologietrends im Hinblick auf den Ventilverschleiß betrachtet werden. Im zweiten Teil stehen die wesentlichen Aspekte des Ventilverschleißes mit Beispielen aus dem Feld im Fokus, wobei die Auswirkungen einer ruß- und ascheärmeren Verbrennung auf die Bildung schützender Schichten auf Ventil und Sitzring in den Vordergrund gestellt werden. Die Vorstellung eines neuartigen Ventilverschleißprüfstands bestimmt dann den dritten Abstand. Mit dem Prüfstand hat die Märkisches Werk GmbH ein neues Werkzeug geschaffen, um die Ventilphasen des Schließens und Verbrennungsdruck experimentell getrennt auf Komponentenebene zu simulieren. Neben Verschleißprofilen wird anhand von Untersuchungen der Mikrostruktur und Finite Element Methode von neu und verschlissenem Ventil und Sitzring kurz der Entwicklungs- und Designprozess beleuchtet. Aufbauend auf der bislang geleisteten Arbeit werden im vierten Abschnitt erste Feldergebnisse der neuen Legierung MW 5528-10 für den Sitzbereich von Ventilspindel und Sitzring im Vergleich zu Stellite™ 12 vorgestellt. Ein deutlich reduzierter Ventilverschleiß von ≤ 0,1 mm unter harschen Betriebsbedingungen nach 2000 Betriebsstunden in einem Power Plant konnte für die Komponenten mit einer MW 5528-10 Panzerung gegenüber den Stellite™ 12-Teilen mit ca.  0,6 mm gemessen werden. Der letzte Abschnitt 6 schließt den Vortrag mit einer Zusammenfassung.