DE102004034312A1

DE102004034312A1 - Dichtungsanordnung und Verfahren zur Herstellung eines Dichtkörpers für eine Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102004034312A1
Application number: DE102004034312A
Authority: DE
Inventors: Horst Pillhöfer
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02
Also published as: US20080258404A1; EP1766194A1; WO2006005308A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine zur Abdichtung eines Spalts (11) zwischen einem Rotor (12) und einem Stator (13), mit mindestens einem vorzugsweise dem Stator zugeordneten ersten Dichtkörper (14) und mit mindestens einem vorzugsweise dem Rotor zugeordneten, mit dem oder jedem ersten Dichtkörper (14) zusammenwirkenden, schneidenförmigen zweiten Dichtkörper (15). Erfindungsgemäß weist der oder jeder erste Dichtkörper (14) einen Grundkörper (16) und einen porösen Verschleißkörper (17) auf, wobei der Grundkörper (16) und der Verschleißkörper (17) eine gradierte Werkstoffzusammensetzung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtkörpers für eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbomaschine sowie eine Gasturbine.
Gasturbinen bestehen aus mehreren Baugruppen, so z. B. aus mindestens einem Verdichter, einer Brennkammer sowie mindestens einer Turbine. Der oder jeder Verdichter sowie die oder jede Turbine verfügen über einen Rotor, der gegenüber einem feststehenden Stator rotiert. Bei dem Stator handelt es sich insbesondere um ein feststehendes Gehäuse, dem feststehende Leitschaufeln zugeordnet sind. Dem Rotor sind Laufschaufeln zugeordnet, die sich zusammen mit dem Rotor gegenüber den feststehenden Leitschaufeln sowie dem feststehenden Gehäuse drehen.
Zur Optimierung des Wirkungsgrads und damit zur Leistungssteigerung von Gasturbinen ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme zur Minimierung von Leckageströmungen zwischen dem rotierenden Rotor und dem feststehenden Stator. Hierbei muss insbesondere ein Spalt zwischen radial innenliegenden Enden der feststehenden Leitschaufeln und dem sich drehenden Rotor abgedichtet werden. Eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des Spalts zwischen den radial innenliegenden Enden der feststehenden Leitschaufeln und dem sich drehenden Rotor bezeichnet man auch als „Inner Air Seal". Ein weiterer abzudichtender Spalt befindet sich zum Beispiel zwischen den radial außenliegenden Enden der rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse. Eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der rotierenden Laufschaufeln und dem Gehäuse bezeichnet man auch als „Outer Air Seal".

Es ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Dichtungsanordnungen zur Bereitstellung einer sogenannten "Inner Air Seal" oder auch "Outer Air Seal" als Labyrinthdichtungen auszubilden, wobei solche Labyrinthdichtungen von einem ersten, porösen Dichtkörper und einem mit dem ersten Dichtkörper zusammenwirkenden, schneidenförmigen zweiten Dichtkörper gebildet werden. Der erste, poröse Dichtkörper kann zum Beispiel als Wabendichtungskörper ausgebildet sein. Auch ist es bereits bekannt, den ersten Dichtkörper als poröse Werkstoffschicht auszubilden. Der mit dem ersten Dichtkörper zusammenwirkende, schneidenförmige, zweite Dichtkörper wird auch als Dichtfin bezeichnet. Die Dichtfins sind vorzugsweise dem Rotor oder rotierenden Laufschaufeln im Bereich eines Außendeckbands derselben zugeordnet. Der poröse Dichtkörper ist hingegen vorzugsweise dem Gehäuse oder den feststehenden Leitschaufeln im Bereich eines Innendeckbands derselben zugeordnet.

Aus dem Stand der Technik bekannte Labyrinthdichtsysteme sind für hohe Temperaturen, die dauerhaft über 500 °C liegen, nicht geeignet, da dieselben bei hohen Betriebstemperaturen einem großen Verschleiß durch zum Beispiel Oxidation ausgesetzt sind. Weiterhin unterliegen dieselben eine Schwingungsbeanspruchung oder Verformungsbeanspruchung. Aus dem Stand der Technik bekannte Labyrinthdichtungen verfügen demnach bei Temperaturen von über 500 °C über eine beschränkte Lebensdauer. Bedingt durch die zunehmende Optimierung von Gasturbinen treten jedoch innerhalb derselben zunehmend höhere Betriebstemperaturen auf, sodass die aus dem Stand der Technik bekannten Labyrinthdichtungen verbessert werden müssen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Dichtungsanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtkörpers für eine Dichtungsanordnung zu schaffen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Dichtungsanordnung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß weist der oder jede erste Dichtkörper einen Grundkörper und einen porösen Verschleißkörper auf, wobei der Grundkörper und der Verschleißkörper eine gradierte Werkstoffzusammensetzung aufweisen.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen, bei welcher der poröse Dichtkörper aus einem Grundkörper und einem porösen Verschleißkörper besteht, wobei der Grundkörper und der poröse Verschleißkörper eine gradierte Werkstoffzusammensetzung aufweisen. Vorzugsweise verfügen der Grundkörper sowie der poröse Verschleißkörper im Bereich ihrer Oberflächen über eine Gradierung hinsichtlich Aluminium und/oder Chrom. Hierdurch wird die Oxidationsbeständigkeit des Verschleißkörpers sowie Grundkörpers deutlich verbessert, sodass die Dichtungsanordnungen auch bei Temperaturen von über 600 °C eingesetzt werden können. Weiterhin wird die Steifigkeit des Bauteils erhöht und gleichzeitig bleibt die Duktilität des porösen Verschleißkörpers erhalten.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen der Grundkörper und der Verschleißkörper im Bereich ihrer Oberflächen bzw. Randzonen einen Aluminiumgehalt von 15 Gew.-% bis 35 Gew.-% auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Dichtkörpers für eine Dichtungsanordnung ist in Patentanspruch 10 definiert. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers; b) Bereitstellen eines porösen Verschleißkörpers; c) Verbinden des Grundkörpers und des Verschleißkörpers; d) Alitieren und/oder Chromieren von miteinander verbundenem Grundkörper sowie Verschleißkörper.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;
2 ein Detail der Dichtungsanordnung gemäß 1;
3 ein alternatives Detail der Dichtungsanordnung gemäß 1; und
4 einen schematisierten Ausschnitt aus einer weiteren erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt eine Dichtungsanordnung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Abdichtung eines Spalts 11 zwischen einem Rotor 12 und einem Stator 13 einer Gasturbine, insbesondere einer Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks. Bei der in 1 dargestellten Dichtungsanordnung 10 kann es sich zum Beispiel um eine sogenannte „Outer Air Seal" handeln, wobei dann der Stator 13 von einem Gehäuse und der Rotor 12 von rotierenden Laufschaufeln, nämlich einem Außendeckband der Laufschaufeln, gebildet wird.
Die Dichtungsanordndung der 1 wird von einem dem Stator 13 zugeordneten ersten Dichtkörper 14 und einem mit dem ersten Dichtkörper 14 zusammenwirkenden zweiten Dichtkörper 15 gebildet. 2 zeigt den ersten Dichtkörper 14 in Alleindarstellung.
Der erste Dichtkörper 14 wird von einem Tragkörper bzw. Grundkörper 16 sowie einem porösen Verschleißkörper 17 gebildet. Der Grundkörper 16 sowie der Verschleißkörper 17 sind zum Beispiel durch Hochtemperaturlöten fest miteinander verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist der poröse Verschleißkörper 17 als Wabendichtungskörper ausgebildet. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des ersten Dichtungskörpers 14, bei welcher der poröse Verschleißkörper 17 aus einer porösen Werkstoffschicht, insbesondere aus einem Metallpulver-Sinterkörper, ausgebildet ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind der Grundkörper 16 sowie der poröse Verschleißkörper 17 jeweils aus einer Eisenbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung gebildet, die im Bereich ihrer Oberflächen bzw. Randzonen hinsichtlich Aluminium und/oder Chrom eine gradierte Werkstoffzusammensetzung aufweisen. So liegt der Aluminiumgehalt und/oder Chromgehalt im Bereich der Oberfläche bzw. Randzone von Grundkörper 16 sowie Verschleißkörper 17 in einem Bereich zwischen 15 Gew.-% und 35 Gew.-%. Dadurch entsteht im Bereich der Oberflächen bzw. Randzonen eine intermetallische Legierungszusammensetzung, die eine optimierte Oxidationsbeständigkeit für Anwendungen bei Temperaturen von mehr als 600 °C besitzt.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Dichtungsanordnung 18, die im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1 entspricht. Daher werden für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Die Dichtungsanordnung 18 der 4 unterscheidet sich von der Dichtungsanordnung 10 gemäß 1 lediglich dadurch, dass der Verschleißkörper 17 abgestuft ausgebildet ist, und mit zwei zweiten, schneidenförmigen Dichtungskörpern 15 zusammenwirkt, die eine unterschiedliche radiale Erstreckung aufweisen. Hinsichtlich der übrigen Details kann jedoch auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Zur Herstellung des ersten Dichtungskörpers 14 für die in der Zeichnung gezeigten Dichtungsanordnungen wird so vorgegangen, dass zuerst ein Grundkörper 16 sowie ein poröser Verschleißkörper 17 für die Dichtungsanordnungen bereitgestellt werden, wobei der Grundkörper sowie der Verschleißkörper aus einer Eisenbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung hergestellt sind. Bei dem porösen Verschleißkörper 17 kann es sich um einen Wabendichtungskörper oder um einen Dichtkörper aus einer porösen Werkstoffschicht, insbesondere um einen Metallpulver-Sinterkörper, handeln.
Darauffolgend werden der Verschleißkörper 17 sowie der Grundkörper 16 fest miteinander verbunden. Das Verbinden des Grundkörpers 16 mit dem Verschleißkörper 17 erfolgt vorzugsweise durch Hochtemperaturlöten unter Vakuum, wobei die Löttemperatur größer ist als in etwa 80 % der Schmelztemperatur des Basismaterials von miteinander zu verbindendem Verschleißkörper 17 sowie Grundkörper 16. Wird zum Beispiel ein Verschleißkörper 17 aus Hastalloy in Honigwabenstruktur verwendet, so kann die Löttemperatur zum Beispiel bei 1180 °C liegen. Alternativ kann das Verbinden von Verschleißkörper 17 und Grundkörper 16 auch durch Diffusionsverbinden erfolgen.
Nach dem Verbinden des Grundkörpers 16 mit dem porösen Verschleißkörper 17 erfolgt ein Alitieren und/oder Chromieren der miteinander verbundenen Bauteile. Das Alitieren und/oder Chromieren erfolgt dabei vorzugsweise mithilfe eines Chemical Vapor Deposition (CVD)-Prozesses, wobei sich durch das Alitierett und/oder Chromieren an der Oberfläche bzw. an der Randzone von Grundkörper 16 sowie porösem Verschleißkörper 17 ein Legierungsgradient hinsichtlich Aluminium und/oder Chrom einstellt. Vorzugsweise erfolgt ein Alitieren bei 1050 °C über vier Stunden hinweg.
Auf den Tragkörper bzw. Grundkörper 16 wird beim Alitieren und/oder Chromieren eine Beschichtungsdicke von 40 μm bis 100 μm, vorzugsweise von 80 μm, erzeugt; auf dem porösen Verschleißkörper hingegen wird eine Beschichtungsdicke von 20 μm bis 60 μm, vorzugsweise von 40 μm, erzeugt. Hierdurch wird an der Oberfläche bzw. an der Randzone von Verschleißkörper 17 sowie Grundkörper 16 ein Aluminiumgehalt und/oder Chromgehalt von 15 Gew.-% bis 35 Gew.-%, vorzugsweise von 30 Gew.-%, erzeugt. Weiterhin wird hierdurch die Oxidationsbeständigkeit des Dichtkörpers 14 verbessert und die Steifigkeit des Verschleißkörpers 17 wird erhöht, ohne die Duktilität desselben negativ zu beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung wird vorzugsweise in Turbomaschinen, Gasturbinen bzw. Flugtriebwerken verwendet. Sie eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks.

10: Dichtungsanordnung
11: Spalt
12: Rotor
13: Stator
14: erster Dichtkörper
15: zweiter Dichtkörper
16: Grundkörper
17: Verschleißkörper
18: Dichtungsanordnung

Claims

Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine zur Abdichtung eines Spalts (11) zwischen einem Rotor (12) und einem Stator (13), mit mindestens einem vorzugsweise dem Stator zugeordneten ersten Dichtkörper (14) und mit mindestens einem vorzugsweise dem Rotor zugeordneten, mit dem oder jedem ersten Dichtkörper (14) zusammenwirkenden, schneidenförmigen zweiten Dichtkörper (15), dadurch gekennzeichnet, dass der oder jede erste Dichtkörper (14) einen Grundkörper (16) und einen porösen Verschleißkörper (17) aufweist, wobei der Grundkörper (16) und der Verschleißkörper (17) eine gradierte Werkstoffzusammensetzung aufweisen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) und der Verschleißkörper (17) aus einer Eisenbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung bestehen, die im Bereich ihrer Oberflächen bzw. Randzonen hinsichtlich Aluminium (Al) und/oder Chrom (Cr) einen Legierungsgradienten aufweisen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) und der Verschleißkörper (17) im Bereich ihrer Oberflächen bzw. Randzonen einen Aluminiumgehalt von 15 Gew.-% bis 35 Gew.-% aufweisen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) und der Verschleißkörper (17) im Bereich ihrer Oberflächen bzw. Randzonen einen Chromgehalt von 15 Gew.-% bis 35 Gew.-% aufweisen.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleißkörper (17) als Wabendichtungskörper ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleißkörper (17) als poröse Werkstoffschicht, insbesondere als Metallpulver-Sinterkörper, ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jede schneidenförmige zweite Dichtkörper (15) als Dichtfin aus einem Metallvollmaterial ausgebildet ist.
Turbomaschine mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.
Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Herstellung eines Dichtkörpers für eine Dichtungsanordnung, wobei der herzustellende Dichtkörper einen Grundkörper und einen porösen Verschleißkörper aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers; b) Bereitstellen eines porösen Verschleißkörpers; c) Verbinden des Grundkörpers und des Verschleißkörpers; d) Alitieren und/oder Chromieren von miteinander verbundenem Grundkörper sowie Verschleißkörper.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper und ein Verschleißkörper aus einer Eisenbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und der Verschleißkörper durch Löten, vorzugsweise durch Hochtemperaturlöten unter Vakuum, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und der Verschleißkörper durch Diffusionsverbinden miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Alitieren und/oder Chromieren durch einen CVD-Prozess erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Alitieren und/oder Chromieren auf dem Grundkörper eine Schicht von 40 μm bis 100 μm und auf dem Verschleißkörper eine Schicht von 20 μm bis 60 μm erzeugt wird.