DE102004031255A1

DE102004031255A1 - Einlaufbelag

Info

Publication number: DE102004031255A1
Application number: DE200410031255
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Däubler; Wilfried Dr. Smarsly
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: EP1766193B1; EP1766193A1; DE502005010910D1; WO2006000174A1; US20090214824A1; US8895134B2; DE102004031255B4

Abstract

Es wird ein Einlaufbelag (10) für ein Verdichtergehäuse beschrieben, der zumindest zwei Schichten (12, 14, 28, 30, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht (12, 28) formstabil und mindestens eine weitere Schicht (14, 30, 32) einlauffähig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einlaufbelag gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Flugtriebwerken und Gasturbinen ist ein wesentlicher Faktor, der auf den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Systems Einfluss nimmt, die Spalthaltung zwischen einem Rotor und einem Stator. Besonders schwierig gestaltet sich diese Spalthaltung zwischen einem Verdichterrotor, insbesondere Hochdruckverdichterrotor, und dem Verdichtergehäuse. Bei den Verdichterschaufeln muss anders als bei der Turbine auf Deckbänder verzichtet werden. Zudem werden immer geringere Stufen- und Schaufelzahlen in integraler Bauweise angestrebt, um die Herstellungs- und Wartungskosten zu minimieren. Hieraus ergeben sich aber im Gegenzug höhere Drehzahlen und Umfangsgeschwindigkeiten der Rotoren und somit eine höhere Belastung.

Eine Verschlechterung, d.h. eine Vergrößerung des Spalts zwischen dem Rotor und dem Verdichtergehäuse, beeinflusst mit zunehmender Betriebszeit sowohl den Wirkungsgrad als auch die Pumpgrenze des Verdichters. Allerdings muss der Verdichter für alle Betriebszeitpunkte ausgelegt sein und in allen Betriebsbereichen einen ausreichenden Wirkungsgrad ohne Beschädigung von einzelnen Komponenten erzeugen können.

Dies ist insbesondere problematisch, da aufgrund von Fliehkraft und thermischer Ausdehnung des Rotors sowie aufgrund von Montagetoleranzen und Exzentritäten von Rotor und Gehäuse ein Anstreifen des Rotors an dem Stator nicht verhindert werden kann.

Bei der Spalthaltung muss bei stationärer Volllast und hoher Teillast ein minimaler Spalt erzielbar sein. Weiterhin muss aber der Spalt während der Beschleunigung des kalten Triebwerks so klein sein, dass bei Volllast der Rotor gerade einläuft. In allen anderen Betriebspunkten, wie beispielsweise der erneuten Beschleunigung eines warmen Triebwerks, muss ein Einlaufen des Rotors vermieden werden.

Zur Verhinderung der Beschädigung der Schaufelspitzen, die anders als bei der Turbine nicht durch ein Deckband geschützt sind, werden in der Regel die Schaufelspitzen mit einem harten abrasivem Belag versehen. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verhinderung des Schaufelspitzenverschleißes bei Einstellung minimaler Radialspalte das Gehäuse mit sogenannten Einlaufbelägen beschichtet werden. Einlaufbeläge weisen insbesondere den Vorteil auf, dass diese bei einem Materialabtrag aufgrund des Kontakts mit den Schaufelspitzen nicht zu einer Spaltvergrößerung über den gesamten Umfang und somit nur zu einem geringeren Leistungsverlust des Triebwerks führen.

Weiterhin ist bekannt, dass es in Verdichtern zu einem sogenannten Pumpen kommen kann, wenn die Luftströmung durch den Verdichter gestört wird und es zu einem vollständigen Abreißen der Förderung im gesamten Verdichter kommt.

Ein Verdichter muss daher so ausgelegt sein, dass ein guter Sicherheitsabstand zwischen der sogenannten Pumpgrenze, das heißt dem Zustand, bei dem es bei den herrschenden Luftdurchsatz- und Druckverhältniswerten zu Pumpschwingungen kommt, und der Arbeitslinie, das heißt den Luftdurchsatz- und Druckverhältniswerten, bei denen der Verdichter normalerweise betrieben wird, gegeben ist. Es ist daher notwendig, den Durchsatz so zu steuern, dass das Triebwerk über einen weiten Drehzahlbereich effizient, insbesondere mit geringem Wirkungsgradverlust, betrieben werden kann und der Abstand zur Pumpgrenze aufrechterhalten werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, kann ein sogenanntes „Casing Treatment" eingesetzt werden. Hierbei wird das Verdichtergehäuse mit Schlitzen versehen, die in der Regel in Bezug auf die Drehachse des Rotors schräg verlaufen und im Bereich von mindestens einem Schaufelkranz an der Innenseite des Gehäuses vorgesehen sind.

Die Verteilung der Schlitze und deren Geometrie haben einen Einfluss auf den Pumpgrenzenabstand und den Wirkungsgrad des Verdichters. Da in dem Bereich des Verdichtergehäuses, in dem diese Schlitze vorgesehen sind, das heißt im Bereich des Rotors, auch der erwähnte Einlaufbelag vorgesehen sein sollte, ist die Verteilung und Geometrie dieser Schlitze zusätzlich durch die Beschaffenheit des Einlaufbelags bestimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einlaufbelag zu schaffen, der eine flexible Gestaltung des Verdichtergehäuses, insbesondere ein gezieltes Casing Treatment erlaubt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Einlaufbelag für ein Verdichtergehäuse, der zumindest zwei Schichten aufweist, wobei eine erste Schicht formstabil und mindestens eine weitere Schicht einlauffähig ist.

Als Einlaufbelag wird hierbei die Beschichtung, insbesondere eine Dichtung, bezeichnet, die vorzugsweise auf die Innenseite des Verdichtergehäuses aufgebracht wird. Dieser Einlaufbelag kann auf den Bereich der einzelnen Rotoren begrenzt sein, kann sich aber auch in axialer Richtung über diesen Bereich hinaus erstrecken, insbesondere das gesamte Verdichtergehäuse bedecken beziehungsweise auskleiden. Der Einlaufbelag umfasst erfindungsgemäß nicht ausschließlich die oberste Schicht einer Beschichtung des Verdichtergehäuses, sondern sämtliche Schichten, die auf einen Grundwerkstoff des Verdichtergehäuses aufgebracht werden.

Durch die Kombination der mindestens zwei genannten Schichten, nämlich der einlauffähigen und der formstabilen Schicht, wird eine flexible Ausgestaltung und Auslegung des Verdichtergehäuses ermöglicht. Insbesondere können durch die unterschiedlichen Schichten Eigenschaften unterschiedlicher Materialien sowie unterschiedliche Geometrien ideal kombiniert werden.

Die erste formstabile Schicht besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Formstabilität. Hierzu können sowohl gewebte Materialien, Fasern oder Filze als auch poröse oder volle Materialien verwendet werden. Die erste Schicht kann beispielsweise aus Titanhohlkugeln hergestellt sein oder einen Ring aus einem Fasergeflecht darstellen.

Erfindungsgemäß besteht mindestens eine weitere Schicht aus einem einlauffähigen Material. Diese weitere Schicht stellt vorzugsweise die zweite Schicht dar, die an die erste Schicht angrenzt. Durch Vorsehen eines einlauffähigen Materials wird dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag die Eigenschaft verliehen, die notwendig ist, um eine Spalthaltung zwischen dem Rotor und dem Stator in unterschiedlichen Betriebszuständen gewährleisten zu können. Gleichzeitig kann durch das Vorsehen des einlauffähigen Materials eine Beschädigung des formstabilen Materials der ersten Schicht und der Rotoren, insbesondere der Verdichterschaufel, vermieden werden. Hierbei können bekannte einlauffähige Materialien verwendet werden. Auch Materialien mit Füllstoffen, wie beispielsweise Hohlkugeln, können eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß kann zumindest eine der Schichten des Einlaufbelags profiliert sein. Durch eine Profilierung kann sowohl eine strömungstechnisch vorteilhafte Geometrie erzeugt werden als auch die thermischen Eigenschaften des Einlaufbelags positiv beeinflusst werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die erste formstabile Schicht profiliert. Durch diese Ausgestaltung der ersten Schicht, d.h. indem diese unterschiedliche Dicken aufweist, kann ein Profil des gesamten Einlaufbelags vorgegeben werden. Vorzugsweise weist hierzu die erste Schicht eine glatte Seite auf, wobei als glatt eine Seite bezeichnet wird, in der weder Vertiefungen noch Erhebungen vorgesehen sind. Diese glatte Seite ist der Innenseite des Verdichtergehäuses zugewandt und kann mittelbar oder unmittelbar an dieser befestigt sein.

Vorzugsweise ist mindestes eine weitere einlauffähige Schicht vorgesehen, die eine einheitliche Dicke aufweist. Vorzugsweise liegt diese unmittelbar an der ersten profilierten Schicht an. Diese zweite Schicht stellt somit eine Ummantelung des durch die erste Schicht gebildeten Profils dar. Die zweite Schicht ist auf der Seite der ersten Schicht vorgesehen, an der diese Erhöhungen und/oder Vertiefungen aufweist, das heißt an der der Verdichtergehäuse-Innenwand abgewandten Seite. Der Vorteil des Aufbringens einer gleichmäßigen Schicht liegt insbesondere in einer Vereinfachung der Herstellung des Einlaufbelags. Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich, eine zweite Schicht mit unterschiedlichen Dicken auf die erste Schicht aufzubringen. So kann beispielsweise die zweite Schicht an den Positionen eine größere Dicke aufweisen, an denen in der ersten Schicht Erhebungen vorgesehen sind. An den Positionen der Vertiefungen des Profils der ersten Schicht kann gegebenenfalls vollständig auf eine zweite Schicht verzichtet werden. In diesem Fall ist die zweite Schicht nicht durchgehend.

Durch die Wahl des Materials der ersten Schicht, wie beispielsweise Titanhohlkugeln oder einem anderen formstabilen Material, kann das durch die erste Schicht gebildete Profil auch unter mechanischer Belastung zuverlässig beibehalten werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere für das Casing Treatment geeignet ist, ist der erfindungsgemäße Einlaufbelag so ausgestaltet, dass dieser an einer Seite zumindest teilweise Nuten aufweist, wobei diese durch Vertiefungen in der ersten Schicht gebildet werden. Die Nuten können in der eingebauten Position schräg zu der Rotorachse liegen oder axial ausgerichtet sein.

Durch diese Ausgestaltung wird die Form des gesamten Einlaufbelags im Wesentlichen durch die Form beziehungsweise durch das Profil der ersten Schicht bestimmt. Insbesondere wenn diese Schicht aus formstabilem Material hergestellt ist, kann die Beibehaltung der Form des Profils gewährleistet werden. Die Nuten können bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag optimal zur Beeinflussung des Strömungsverhaltens und zur Einstellung unterschiedlicher Druckverhältnisse verwendet werden. Die Nuten sind somit als Mittel für das Casing Treatment einsetzbar.

Die Geometrie der Nuten kann bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag flexibel gestaltet werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Nuten so auszugestalten, dass diese eine große Tiefe im Vergleich zu deren Breite aufweisen. Insbesondere können Verhältnisse von der Breite der Nuten zu deren Tiefe von maximal 0,5, vorzugsweise maximal 0,3, eingestellt werden.

Diese kleinen Verhältnisse von Profilbreite zu Profilhöhe können mit herkömmlichen Einlaufbelägen, die ausschließlich aus einlauffähigem Material bestehen, nicht realisiert werden, da die Formstabilität bei diesen Einlaufbelägen nicht gegeben ist. Die Vergrößerung der Profiltiefe beziehungsweise Nutentiefe bringt erfindungsgemäß Vorteile mit sich. Insbesondere kann eine Erhöhung des Pumpgrenzenabstands erzielt werden. Weiterhin ist für den Pumpgrenzenabstand auch das Verhältnis von Oberfläche zu Nut an der Oberfläche des Einlaufbelags maßgeblich. Durch eine Verringerung des Oberflächen-Nut Verhältnisses kann der Pumpgrenzenabstand verbessert werden. Das Vorsehen einer großen Anzahl von Nuten über den Umfang des Verdichtergehäuses kann bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag realisiert werden.

Weiterhin kann ein geringes Verhältnis von Breite zu Tiefe der Nuten von Vorteil sein, um nach dem Abrieb eines gewissen Betrags des einlauffähigen Materials eine ausreichende Nutentiefe gewährleisten zu können. Das abgeriebene Material kann in den Nuten aufgenommen werden und dennoch eine ausreichende Nutentiefe sichergestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die zweite Schicht die erste Schicht vollständig. Dies bedeutet, dass die zweite Schicht sowohl auf der profilierten Seite der ersten Schicht als auch auf der glatten Seite der ersten Schicht vorgesehen ist. In diesem Fall dient die erste Schicht als Kern und wird von der zweiten Schicht ummantelt. Diese Ausführungsform weist insbesondere bezüglich des Herstellungsverfahrens Vorteile auf. Hierbei ist die Ummantelung vorzugsweise durchgehend, d.h. bedeckt auch die Enden des Kerns. Es ist aber auch möglich, zwei separate zweite Schichten auf den gegenüberliegenden Seiten der ersten Schicht vorzusehen. Hierbei können auch unterschiedliche Materialien für die separaten Schichten verwendet werden. Dabei muss die dem Verdichtungsgehäuse abgewandte Schicht einlauffähig sein.

Die Ausführungsformen, bei denen die erste formstabile Schicht des Einlaufbelags profiliert ist, werden im folgenden auch als makro-profilierte Einlaufbeläge bezeichnet. Diese können insbesondere in dem Niederdruck verdichter eines Verdichters, insbesondere eines Verdichters eines Flugtriebwerk oder einer Gasturbine eingesetzt werden.

Alternativ können die erfindungsgemäßen Einlaufbeläge gemäß einer weiteren Ausführungsform einen Aufbau aufweisen, bei dem die mindestens eine weitere einlauffähige Schicht profiliert ist.

Bei diesen Ausführungsformen kann die erste formstabile Schicht eine einheitliche Dicke aufweisen, d.h. keine Profilierung besitzen.

Die mindestens eine weitere einlauffähige Schicht kann gemäß einer Ausführungsform an zumindest der der ersten Schicht abgewandten Seite eine Mikroprofilierung aufweisen. Dieses ist die Seite des Einlaufbelags, an der der Einlaufbelag mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Die Mikroprofilierung kann hierbei beispielsweise durch eine Folie mit einer unebenen, insbesondere spröden oder blättrigen Oberfläche, beispielsweise einer schuppig ausgestalteten Oberfläche, erzeugt werden. Die Schuppen sind vorzugsweise ausgerichtet, wobei die Ausrichtung nach strömungstechnischen Aspekten optimiert wird. Die Folie wird vorzugsweise auf eine weitere einlauffähige Schicht aufgebracht, die aus einlauffähigem Material besteht.

Ein Einlaufbelag mit einer Mikroprofilierung kann im Vergleich zu einem makroprofilierten Einlaufbelag bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Somit bietet sich der mikroprofilierte Einlaufbelag beispielsweise für den Hochdruckverdichter an, während der Einlaufbelag mit Makroprofilierung für das Gehäuse des Niederdruckverdichters verwendet werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des mikroprofilierten Einlaufbelags, kann die einlauffähige Schicht, die mit einer einlauffähigen Folie beschichtet sein kann, aus einem faserigen Material mit gerichteten Fasern bestehen, wobei die Ausrichtung der Fasern vorzugsweise auch strömungsoptimiert gewählt wird.

Sowohl bei der Ausgestaltung des Einlaufbelages als makroprofiliertem Belag als auch bei der Ausgestaltung als mikroprofiliertem Belag kann die einlauffähige Schicht aus einem einlauffähigen Material bestehen oder mit einem einlauffähigen Material beschichtet sein.

Als Material für die einlauffähige Schicht kann beispielsweise faseriges oder poröses Material verwendet werden.

Als Material für die erste formstabile Schicht kommen erfindungsgemäß beispielsweise faseriges, poröses oder aber volles Material in Betracht.

Gemäß einer Ausführungsform kann die die erste formstabile und/oder die mindestens eine weitere einlauffähige Schicht mit Verstärkungsmitteln versehen, insbesondere durchsetzt sein. Diese können beispielsweise Kugeln darstellen. Für die einlauffähige Schicht bieten sich hierbei Kugeln aus sprödem Material an, die beispielsweise in einer Schicht aus gerichteten Fasern aufgenommen sein können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, wobei
1 eine perspektivische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Einlaufbelags mit Makro-Profil zeigt;
2 eine perspektivische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Einlaufbelags mit Mikro-Profil zeigt; und
3 eine weitere perspektivische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Einlaufbelags mit Mikro-Profil gemäß 2 zeigt.
In der 1 ist ein Einlaufbelag 10 dargestellt, der eine erste Schicht 12 und eine zweite Schicht 14 umfasst. Dieser Einlaufbelag 10 ist auf einem Grundwerkstoff 16 eines Verdichtergehäuses aufgebracht.
Die erste Schicht 12 weist in der dargestellten Ausführungsform ein Profil auf, bei dem über die Fläche der ersten Schicht 12 eine Anzahl von Stegen 18 vorgesehen ist, zwischen denen Vertiefungen 20 in der ersten Schicht 12 ausgebildet sind. Die Stege 18 können auf die Schicht 12 aufgebracht sein oder die Vertiefungen 20 in die Schicht 12 eingebracht werden. Vorzugsweise können die Vertiefungen 20 bzw. die Stege 18 bei der Herstellung der Schicht 12 durch nicht spanende Verfahren, z.B. Gießen oder Pressen, erzeugt werden.
In der dargestellten Ausführungsform umgibt das Profil der ersten Schicht 12 eine zweite Schicht 14, die eine einheitliche Schichtdicke aufweist. Durch die Schicht 14 wird somit das Profil der ersten Schicht 12, die den Kern des Einlaufbelags 10 bildet; und insbesondere deren Stege 18 ummantelt. Die den Stegen 18 abgewandte glatte Seite 22 der ersten Schicht 12 wird ebenfalls von der zweiten Schicht 14 abgedeckt. In diesem Bereich der zweiten Schicht 14 ist der Einlaufbelag 10 über eine Fügezone 24 mit dem Grundwerkstoff 16 verbunden. Die Fixierung des Einlaufbelags 10 an dem Grundwerkstoff 16 kann durch herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Schweißen oder Kleben, erfolgen.
Wie sich aus der 1 entnehmen lässt, ist die Tiefe der Nuten 26, die durch die Vertiefungen 20 und die Ummantelung durch die Schicht 14 gebildet sind, im Verhältnis zu der Breite der Nuten 26 groß. Diese Form kann bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag 10 aufgrund des formstabilen Kerns realisiert werden.
In der 1 ist nur ein Teil des Einlaufbelags 10 dargestellt. Dieser kann erfindungsgemäß einen Ring darstellen, der in das Verdichtergehäuse eingebracht werden kann.
In der 2 ist ein mikroprofilierter Einlaufbelag gezeigt, der aus einer ersten formstabilen Schicht 28, die eine konstante Dicke aufweist, und einer einlauffähigen Schicht 30 besteht. Auf diese Haupteinlaufschicht 30 ist ein Profil 32 aufgebracht. Das Profil 32 besitzt einen schuppigen Aufbau, wobei das Profil 32 strömungsoptimiert ausgelegt ist. Die formstabile erste Schicht 28 ist bei dieser Ausführungsform aus einem Filz, d.h. einer Faserschicht mit ungerichteten Fasern, gebildet und kann mit Kugeln 34 durchsetzt sein.
In 3 ist der Einlaufbelag der 2 erneut dargestellt, allerdings ohne das Profil 32. In dieser Ansicht lässt sich der Aufbau der Haupteinlaufschicht 30 erkennen. Diese besteht in der dargestellten Ausführungsform aus gerichteten Fasern mit darin verteilt aufgenommenen spröden Kugeln 36.

Claims

Einlaufbelag (10) für ein Verdichtergehäuse, der zumindest zwei Schichten (12, 14, 28, 30, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht (12, 28) formstabil und mindestens eine weitere Schicht (14, 30, 32) einlauffähig ist.
Einlaufbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten (12, 30, 32) ein Profil aufweist.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste formstabile Schicht (12) profiliert ist.
Einlaufbelag nach einem der Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Schicht (14) eine einheitliche Dicke aufweist.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser an einer Seite zumindest teilweise Nuten (26) aufweist, wobei diese durch Vertiefungen (20) in der ersten Schicht (12) gebildet sind.
Einlaufbelag nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite der Nuten (26) zu deren Tiefe maximal 0,5 vorzugsweise maximal 0,3 beträgt.
Einlaufbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere einlauffähige Schicht (30, 32) profiliert ist.
Einlaufbelag nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste formstabile Schicht (28) eine einheitliche Dicke aufweist.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere einlauffähige Schicht (30, 32) eine Mikroprofilierung an zumindest der der ersten Schicht (28) abgewandten Seite aufweist.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einlauffähige Schicht (14, 30, 32) aus einem einlauf fähigen Material besteht oder mit einem einlauffähigen Material beschichtet ist
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einlauffähige Schicht (14, 30, 32) aus einem fasrigen oder porösen Material besteht.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste formstabile Schicht (12, 28) aus einem fasrigen, einem porösen oder einem vollen Material besteht.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einlauffähige Schicht (30) aus einem faserigen Material mit gerichteten Fasern besteht.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste formstabile (12, 28) und/oder die mindestens eine weitere einlauffähige Schicht (14, 30) mit Verstärkungsmitteln (34, 36) versehen ist.