DE102008019331A1

DE102008019331A1 - Einlaufdichtung für den Kompressor eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE102008019331A1
Application number: DE200810019331
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Die gegenüber den Spitzen der Rotorschaufeln (4) und Statorschaufeln am Gehäuse (5) bzw. an der Kompressortrommel befestigte Einlaufdichtung (8) besteht aus einem vorzugsweise in einem Feingussverfahren hergestellten offenporigen Metallschwamm (10) mit einem in dessen Hohlräume eingebrachten, aus einem duroplastischen Kunstharz bestehenden Füllstoff (11), vorzugsweise Phenolharz. Die Einlaufdichtung gewährleistet eine optimale Abdichtung und zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit aus, wobei die Festigkeitseigenschaften und die Opfereigenschaften beim Einschleifen durch den gewählten Metallanteil am Gesamtvolumen einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einlaufdichtung für den Kompressor eines Gasturbinentriebwerks zur Abdichtung des an den Spitzen der Rotor- und Statorschaufeln vorhandenen Luftspalts.
Zur Erhöhung der Effizienz des Kompressors in einem Gasturbinentriebwerk ist es bekannt, möglichst nur ein geringes Spiel zwischen den rotierenden und den feststehenden Bauteilen zuzulassen, um die Leckage der Luft zu minimieren bzw. zu verhindern und dadurch Verluste möglichst gering zu halten. Beispielsweise wurden durch Einlaufschichten gebildete Dichtungsanordnungen vorgeschlagen, die auf die Oberfläche des ruhenden Bauteils aufgebracht werden und an denen sich die rotierenden Bauteile während des Betriebs einschleifen, um so die Spaltweite auf ein Minimum zu beschränken. Die als klassische Einlaufschichten seit langem bekannten Honeycombs bestehen aus honigwabenförmig aufgelöteten dünnen Blechen, die beim Anstreifen abgetragen werden und nur ein Minimalspiel zwischen dem rotierenden Bauteil und dem feststehenden Bauteil erzeugen. Bekannt sind weiterhin aus aufgespritzten keramischen Beschichtungen bestehende Einlaufdichtungen, die jedoch aufgrund von örtlichen Überhitzungen und Wärmedehnungen oder bei einer durch das Anstreifen bedingten starken Krafteinwirkung und durch Fliehkräfte abplatzen können, so dass die erforderliche Dichtwirkung nicht mehr gewährleistet ist und damit der Wirkungsgrad des Triebwerks verringert und der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
Die DE 103 60 164 A1 schlägt die generelle Anwendung eines aus einem Metallpulver-Treibmittel-Gemisch aufgeschäumten und anschließend wieder verdichteten Metallschaums für statische Bauteile von Gasturbinentriebwerken vor. Als Einlaufbelag ist auch ein offenporiger Metallschaum vorgesehen, um die rotierenden Schaufeln durch den Einlaufbelag hindurch mit Kühlluft kühlen zu können, die über Bohrungen im Gehäuse und den offenporigen Metallschaum radial zugeführt wird. Einerseits genügt ein derart hergestellter Schaum nicht den an eine Einlaufdichtung gestellten Festigkeitsanforderungen. Andererseits kann durch die offenporige Struktur auch in axialer Richtung Luft strömen, so dass die Dichtwirkung nicht in ausreichendem Umfang gewährleistet ist und in vermeintlich abgedichteten Bereichen zwischen rotierenden und feststehenden Bauteilen Leckagen auftreten werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einlaufdichtung für den Kompressor eines Gasturbinentriebwerks anzugeben, die eine hohe mechanische Festigkeit und gute Opfereigenschaften aufweist und den zwischen rotierenden und feststehenden Bauteilen notwendigen Spalt sicher abdichtet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Einlaufdichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Ausbildung der Einlaufdichtung aus einer offenporigen Metallstruktur in Form eines Metallschwamms, dessen Hohlräume, um das Durchströmen von Luft durch den Dichtungskörper zu verhindern, mit einem duroplastischen Kunstharz gefüllt sind, wobei das Metallgerüst für die notwendige mechani sche Festigkeit und Schädigungstoleranz der Einlaufdichtung sorgt.
Die Festigkeit und die Materialopferbedingungen beim Einlaufen (Abschleifen) werden wesentlich durch den – entsprechend den Einlauf- und Betriebsbedingungen variierbaren – Metallanteil am Gesamtvolumen des offenporigen Metallschwamms bestimmt. Der Metallanteil am Gesamtvolumen der Einlaufdichtung liegt zwischen 5 und 25%.
Das in die Hohlräume des Metallschwamms infiltrierte Kunstharz ist ein Phenolharz, das bis zu 700°C wärmebeständig ist und die Hohlräume ganz oder teilweise ausfüllen kann. Andere geeignete Füllstoffe sind insbesondere Epoxidharz oder Polyesterharz.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Metallschwamm für die Einlaufdichtung eine in einem speziellen Feingussverfahren hergestellte, vorzugsweise aus einem nicht rostenden Stahl bestehende Metallstruktur, die sich durch hohe mechanische Festigkeit, Stabilität und Leichtigkeit auszeichnet.
Die Einlaufdichtung wird – vorzugsweise mit Hilfe eines Lötbandes – am Innenumfang des Kompressorgehäuses gegenüber den Rotorschaufelspitzen oder am Außenumfang der Kompressortrommel gegenüber den Statorschaufelspitzen angebracht.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Einlaufdichtung liegen in deren hoher mechanischen Festigkeit und sicheren Dichtwirkung und dem dadurch verbesserten Wirkungsgrad sowie dem verringerten Kraftstoffverbrauch des Triebwerks. Die offenporige Feingussstruktur verleiht der Dichtung hervorragende Festigkeitseigenschaften. Die Festigkeitseigenschaften und die Opfereigenschaften können aufgrund des gewählten Metallanteils am Gesamtvolumen an die Bedingungen beim Einlaufen der Dichtung und beim Betrieb des Kompressors angepasst werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht des oberen Teils eines Kompressors mit den Stator- und Rotorschaufeln zugeordneten Einlaufdichtungen; und
2 eine vergrößerte Darstellung einer Einlaufdichtung nach 1.
Der in 1 in einer Teilansicht schematisch dargestellte Kompressor für ein Gasturbinentriebwerk umfasst zwei am Außenumfang über einen Verbindungsring 1 zu einer Kompressortrommel 2 verbundene Rotorscheiben 3 mit an diesen – in der vorliegenden Ausführungsform lösbar – befestigten Rotorschaufeln 4. Die Kompressortrommel 2 ist in einem Gehäuse 5 um eine Achse 6 drehbar angeordnet. Zwischen den Rotorschaufeln 4 sind am Innenumfang des Gehäuses 5 Statorschaufeln 7 starr befestigt. Gegenüber den Schaufelspitzen der Rotorschaufeln 4 und der Statorschaufeln 7 sind an der Innenumfangsfläche des Gehäuses 5 bzw. an der Außenumfangsfläche des Verbindungsringes 1 der Kompressortrommel 2 Einlaufdichtungen 8 angebracht. Gemäß der in 2 wiedergegebenen detaillierten schematischen Darstellung besteht die Einlaufdichtung 8 aus einem offenporigen, über ein Lötband 9 mit dem Gehäuse 5 verbundenen Metallschwamm 10 mit einem in die offenporigen Hohlräume infiltrierten duroplastischen Füllstoff 11. Der in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Füllstoff 11 ist ein phasenstabiles Phenolharz, das bis ca. 700°C thermisch stabil ist. Es können aber auch andere Kunst harze, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Polyesterharz eingesetzt werden.
Der in einem speziellen Feingussverfahren hergestellte Metallschwamm 10 besteht hier aus einem nichtrostenden Chrom-Nickel-Stahl. Es können jedoch auch andere Metalle verwendet werden. Der Metallanteil am Gesamtvolumen des Metallschwamms beträgt hier beispielsweise 15%. Er ist jedoch variabel und kann zwischen 5 und 25% betragen. Der restliche Volumenanteil umfasst Phenolharz (bzw. Kunstharz) oder auch Phenolharz und Luft, wenn der freie Raum nicht vollständig mit dem Füllstoff 11 gefüllt ist. Das Verhältnis zwischen dem Metallanteil und dem Phenolharzanteil wird letztlich aber durch die erforderliche Festigkeit und die gewünschten Opfereigenschaften der Einlaufdichtung 8 bestimmt. Je größer der Metallanteil ist, umso größer ist die mechanische Festigkeit und umso geringer ist das Opfervermögen der Dichtung beim Einlaufen. Die Festigkeit des offenporigen Metallschwamms ist wesentlich durch den metallischen Werkstoff und dessen Ausbildung als Feingussstruktur bestimmt.
Die so ausgebildete Dichtung kann variabel ausgebildet, das heißt, an die jeweiligen Betriebsbedingungen (Einlaufbedingungen) angepasst werden, und gewährleistet bei den im Kompressor herrschenden Bedingungen die erforderliche Festigkeit und die erforderliche Dichtwirkung, die aufgrund des infiltrierten Kunstharzes trotz der offenporigen Schwammstruktur gegeben ist.

1: Verbindungsring
2: Kompressortrommel
3: Rotorscheibe
4: Rotorschaufel
5: Gehäuse
6: Achse
7: Statorschaufel
8: Einlaufdichtung
9: Lötband
10: Metallschwamm
11: Füllstoff, Kunstharz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10360164 A1 [0003]

Claims

Einlaufdichtung für den Kompressor eines Gasturbinentriebwerks zur Abdichtung des an den Spitzen der Rotor- und Statorschaufeln (4, 7) vorhandenen Luftspalts, gekennzeichnet durch einen offenporigen Metallschwamm (10) mit einem in dessen Hohlräume infiltrierten Füllstoff (11) aus einem wärmebeständigen duroplastischen Kunstharz.
Einlaufdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil und der Kunstharzanteil am Gesamtvolumen der Einlaufdichtung (8) entsprechend den Festigkeits- und Opferanforderungen beim Einlaufen und im Betrieb des Kompressorsvariierbar sind.
Einlaufdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil zwischen 5 und 25% beträgt.
Einlaufdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporigen Hohlräume des Metallschwamms (10) ganz oder teilweise mit dem Kunstharz gefüllt sind.
Einlaufdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (11) ein bis 700°C wärmebeständiges Phenolharz ist
Einlaufdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (11) ein Epoxidharz ist.
Einlaufdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschwamm (10) eine Feingussstruktur ist.
Einlaufdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschwamm (10) aus einem nicht rostenden Stahl besteht.
Einlaufdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschwamm (10) am Innenumfang des Gehäuses (6) des Kompressors jeweils gegenüber den Spitzen der Rotorschaufeln (4) und am Außenumfang der Kompressortrommel (2) jeweils gegenüber den Spitzen der Statorschaufeln (7) befestigt ist.
Einlaufdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschwamm (10) mit Hilfe eines Lötbandes (9) befestigt ist.