DE102009055913A1

DE102009055913A1 - Labyrinthdichtung aus in eine Einlaufschicht eingreifenden Dichtringen

Info

Publication number: DE102009055913A1
Application number: DE102009055913A
Authority: DE
Inventors: Thomas Haubold; Andreas Kohns
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Bei einer insbesondere bei Fluggasturbinen eingesetzten Labyrinthdichtung (7) ist der unmittelbar in der anströmenden bzw. rückströmenden Luft liegende untere Flankenbereich (11) der Dichtringe (5) zur Erzielung einer hohen Stauwirkung besonders steil ausgebildet und im Wesentlichen unbeschichtet, während die beidseitig in die Einlaufschicht (6) eingreifenden oberen Flankenbereiche (9) des oberen Teils eine demgegenüber deutlich geringere Steilheit aufweisen und dieser Teil vollständig mit in einem Spritzverfahren aufgebrachtem Verschleißschutzmaterial beschichtet ist. Die so ausgebildete Labyrinthdichtung sorgt einerseits für die erforderliche Abdichtung und gewährleistet andererseits eine auf den in der Einlaufschicht liegenden Verschleißbereich beschränkte optimale Beschichtung durch Aufspritzen der Verschleißschutzbeschichtung bei ansonsten schwer zugänglichen Dichtringen, beispielsweise bei Blisktrommeln für Gasturbinentriebwerke. Die Lebensdauer der Labyrinthdichtung wird erhöht und deren Reparaturfähigkeit wird verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Labyrinthdichtung aus in eine Einlaufschicht eingreifenden, mit einer in einem Spritzverfahren aufgebrachten Verschleißschutzschicht versehenen Dichtringen mit seitlichen Flanken, insbesondere für in Bliskbauweise gefertigte Rotoren von Gasturbinentriebwerken.
Labyrinthdichtungen sind als Glattspaltlabyrinth oder Stolperbundlabyrinth ausgeführte, im Prinzip berührungslose Wellendichtungen, deren Dichtwirkung auf der Verlängerung des Dichtweges aufgrund der Anordnung bzw. wechselseitigen Anordnung von Dichtringen (umlaufenden steifen Dichtlippen) an dem rotierenden Teil und/oder dem feststehenden Gehäuseteil beruht. Bei stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken sollen die im Bereich von Verdichtern und Turbinen ausgebildeten Labyrinthdichtungen ein Zurückströmen der Luft verhindern und für einen minimalen Druckverlust und damit eine hohe Effizienz der Gasturbine sorgen. Ein entsprechendes Dichtsystem für Gasturbinen umfasst an einer Welle oder den Verbindungsflanschen zwischen den Rotorscheiben ausgebildete, nebeneinander angeordnete – im Querschnitt rechteckige bis trapezförmige – Dichtringe, die mit der Innenumfangsfläche einer fest in der Gasturbine montierten Einlaufschicht zusammenwirken. Gleichermaßen erfolgt eine Abdichtung an den Rotorschaufelspitzen, die zur Ausbildung eines möglichst kleinen Dichtspalts mit einer am Gehäuse angebrachten Einlaufschicht eine Reibpaarung bilden. Beim Einlaufen der Gasturbine reiben die rotierenden Bauteile an der gegenüberliegenden Einlaufschicht und schneiden sich in diese ein, um so einen minimalen Spaltabstand zu erreichen und bei sich in die Einlaufschicht einschneidenden Dichtringen als Reibpartner eine Labyrinthdichtung zur Vermeidung bzw. Unterdrückung der Rückströmung von Luft im Verdichter oder der Turbine auszubilden. Die Dichtringe haben möglichst steil ausgebildete Flanken, um eine hohe Stauwirkung und damit ohne hohe Dichtwirkung zu erzielen. Aufgrund der thermischen Dehnung der Teile und einer natürlichen Biegung kann der Abstand zwischen der Einlaufschicht und den Dichtringen während des Betriebs der Gasturbine jedoch schwanken.
Infolge der Reibung zwischen der Einlaufschicht und den Dichtringen kommt es zu einer Abnutzung des oberen, in die Einlaufschicht eingreifenden Teils der Dichtringe, so dass die erforderliche Dichtwirkung nicht mehr gewährleistet ist und die Dichtringe neu aufgebaut werden müssten. Zum Schutz der Dichtringe (oder Schaufelspitzen) vor verschleiß ist es bekannt, den die Einlaufschicht kontaktierenden Bereich der Dichtringe mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen, die in einem galvanischen oder elektrolytischen Verfahren oder einem Spritzverfahren (beispielsweise Plasmaspritzen) auf die zunächst mit einem Aufmaß gefertigten und wieder abgedrehten Dichtringe aufgebracht wird. Das für in Blisk-Bauweise gefertigte Rotortrommeln vorteilhaft anzuwendende thermische Spritzen oder Kaltgasspritzen (oder ähnliche Verfahren mit einem gerichteten Partikelstrahl), bei dem in dem zwischen zwei Schaufelkränzen begrenzt zur Verfügung stehenden Raum ein Beschichtungsmaterialstrahl senkrecht von oben auf die an die Verbindungsflansche angeformten Dichtungsringe gerichtet ist, ist insofern nachteilig, als die Zugänglichkeit zu den dem Verschleiß ausgesetzten, zu beschichtenden Flächen, insbesondere den steilen Flanken, begrenzt ist und eine gleichmäßige Beschichtung aller die Einlaufschicht kontaktierenden und verschleißenden Dichtringbereiche somit nicht gewährleistet ist.
Ziel der Erfindung ist es, bei der Ausbildung von mit einer aufgespritzten Verschleißschutzschicht versehenen Dichtringen einen hohen Verschleißschutz und eine hohe Dichtwirkung und lange Lebensdauer der Dichtringe zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgebildeten Labyrinthdichtung gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der spezifischen Querschnittsform der Dichtringe, und zwar derart, dass der unmittelbar in der anströmenden bzw. rückströmenden Luft liegende untere Flankenbereich zur Erzielung einer hohen Stauwirkung besonders steil ausgebildet und im Wesentlichen unbeschichtet ist, während die beidseitig in die Einlaufschicht eingreifenden oberen Flankenbereiche der Dichtringe eine demgegenüber deutlich geringere Steilheit aufweisen und vollständig mit in einem Spritzverfahren aufgebrachtem Verschleißschutzmaterial beschichtet sind. Die so ausgebildete Labyrinthdichtung sorgt einerseits für die erforderliche Abdichtung und gewährleistet andererseits eine auf den in der Einlaufschicht liegenden Verschleißbereich beschränkte optimale Beschichtung durch Aufspritzen der Verschleißschutzbeschichtung bei ansonsten schwer zugänglichen Dichtringen, beispielsweise bei Blisktrommeln für Gasturbinentriebwerke. Die Lebensdauer der Labyrinthdichtung wird erhöht und deren Reparaturfähigkeit wird verbessert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden unteren – nicht in die Einlaufschicht eingreifenden – Flankenbereiche eine gleich große Steilheit auf. Es ist aber auch denkbar, dass der untere Flankenbereich auf der dem rückströmenden Medium abgewandten Seite eine verminderte Steilheit aufweist, die beispielsweise gleich der Steilheit des anschließenden oberen Flankenbereichs ist.
In Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Steilheit des unteren Flankenbereichs einem zwischen etwa 80° und etwa 110° liegenden Flankenwinkel und die Steilheit des oberen Flankenbereichs entspricht einem Flankenwinkel von etwa 45°.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die von den oberen Flankenbereichen begrenzte Querschnittsfläche der Dichtringe trapezförmig ausgebildet und weist eine obere, etwa waagerecht ausgebildete Verschleißfläche auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
1 eine Teilansicht einer Blisktrommel mit an den Verbindungsflanschen ausgebildeten Dichtringen;
2a/b zwei Ausführungsformen von möglichen Querschnittsprofilen der Dichtringe; und
3 eine schematische Ansicht einer von zwei Dichtringen und einer Einlaufschicht gebildeten Labyrinthdichtung.
Die in 1 gezeigte Blisktrommel 1 umfasst drei Rotorscheiben 2 mit an diese integral angeformten Schaufeln 3. Die Rotorscheiben 2 sind über an diese angeformte Verbindungsflansche 4 miteinander verbunden. Am Außenumfang der Verbindungsflansche 4 sind radial abstrebende Dichtringe 5 (Dichtlippen) ausgebildet, die im montierten Zustand der Blisktrommel 1 in einem Flugtriebwerk mit einer fest installierten, beispielsweise aus Feltmetal (oder Honigwabenstruktur oder dgl.) bestehenden Einlaufschicht 6 (siehe 3) zusammenwirken. Das heißt, die Dichtringe 5 reiben sich in bestimmtem Umfang (Einreibtiefe d) in die Einlaufschicht 6 ein, um so eine Labyrinthdichtung 7 mit geringer Spaltweite und hoher Dichtwirkung auszubilden.
In dem oberen Bereich (d in 3), in dem die Dichtringe 5 die Einlaufschicht 6 kontaktieren, tritt hoher Verschleiß auf, dem durch Aufspritzen, beispielsweise Plasmaspritzen, einer Verschleißschutzschicht (nicht dargestellt) begegnet wird. 1 zeigt den beim thermischen Spritzen von einer Spritzdüse 10 ausgehenden, senkrecht auf die zwischen zwei Rotorscheiben 2 befindlichen Dichtringe 5 gerichteten und aus dem aufzubringenden Verschleißschutzmaterial bestehenden Partikelstrahl 8.
Um nicht nur die Spitze der Dichtringe 5, sondern mindestens auch deren in der Einlaufschicht 6 liegenden oberen Flankenbereich 9 ausreichend mit dem Verschleißschutzmaterial zu beschichten, sind die Dichtringe 5, wie 2 zeigt, so gestaltet, dass der in dem rückströmenden Luftstrom liegende untere Flankenbereich 11 im Wesentlichen senkrecht zu dem Verbindungsflansch 4 ausgerichtet ist und der Flankenwinkel α im Flankenbereich 11 somit etwa zwischen etwa 80° (2) und etwa 110° (3) liegt. Der Flankenwinkel β des in die Einlaufschicht 6 eingreifenden oberen Flankenbereichs 9 der Dichtringe 5 ist hingegen deutlich weniger steil ausgebildet, und beträgt hier beispielsweise 45°. Die verminderte Steilheit des Flankenbereichs 9 gewährleistet dessen sichere Beschichtung mit dem Verschleißschutzmaterial und somit einen sicheren Verschleißschutz der Dichtringe 5, während der in dem rückströmenden Luftstrom liegende steile Flankenbereich 11 für eine hohe Stauwirkung sorgt und die Rückströmung der Luft weitgehend verhindert, um die erforderliche Dichtwirkung zu gewährleisten. Gemäß den 2b und 3 weist der untere Flankenbereich 11 beidseitig eine hohe, etwa zwischen 80° und 110° liegende Steilheit auf. Wie 2a zeigt, kann der Flankenwinkel des von der rückströmenden Luft abgewandten Flankenbereichs 11' jedoch auch insgesamt eine verminderte, an den Flankenwinkel β des oberen Flankenbereichs 9 angepasste Steilheit von beispielsweise 45° aufweisen. Die Querschnittsfläche des in die Einlaufschicht 6 eingreifenden oberen Teils der Dichtringe 5 ist trapezförmig, so dass die Dichtringe 5 eine obere – etwa waagerechte, mit einem Verschleißschutzmittel beschichtete Verschleißfläche 12 aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Blisktrommel
2: Rotorscheibe
3: Schaufeln
4: Verbindungsflansch
5: Dichtringe (Dichtlippen)
6: Einlaufschicht
7: Labyrinthdichtung
8: Partikelstrahl (Verschleißschutzmittel)
9: oberer Flankenbereich v. 5
10: Spritzdüse
11: unterer Flankenbereich (von Luftstrom beaufschlagt)
11': unterer Flankenbereich (gegenüber 11)
12: waagerechte Verschleißfläche
d: Einreibtiefe
α: Flankenwinkel v. 11, 11'
β: Flankenwinkel v. 9, 11'

Claims

Labyrinthdichtung aus in eine Einlaufschicht (6) eingreifenden, mit einer in einem Spritzverfahren aufgebrachten Verschleißschutzschicht versehenen Dichtringen (5) mit seitlichen Flanken, insbesondere für in Bliskbauweise gefertigte Rotoren von Gasturbinentriebwerken, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringe (5) einen unmittelbar von der anströmenden Luftstrom beaufschlagten, im Wesentlichen unbeschichteten ersten – unteren – Flankenbereich (11) mit hoher, eine hohe Stauwirkung verursachender Steilheit sowie einen in die Einlaufschicht (6) eingreifenden, beidseitigen, mit dem Verschleißschutzmaterial durch Aufspritzen beschichteten zweiten – oberen – Flankenbereich (9) mit gegenüber dem ersten Flankenbereich (11) verminderter Steilheit aufweist.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem unteren Flankenbereich (11) gegenüberliegende Flankenbereich (11') eine gleich große oder eine verminderte Steilheit aufweist.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die Steilheit des Flankenbereichs (11') an die Steilheit des oberen Flankenbereichs (9) angepasst ist.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steilheit des unteren Flankenbereichs (11) einem zwischen etwa 80° und etwa 110° liegenden Flankenwinkel (α) entspricht und die Steilheit des oberen Flankenbereichs (9) einem Flankenwinkel (β) von etwa 45° entspricht.
Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den oberen Flankenbereichen begrenzte Querschnittsfläche der Dichtringe trapezförmig ist und eine obere, etwa waagerecht ausgebildete Verschleißfläche (12) aufweist.