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Die Erfindung betrifft eine Dichtung zur Anordnung zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Dichtung.
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Dichtungen in Strömungsmaschinen wie stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil wie rotorseitigen Laufschaufeln und gegenüberliegenden Gehäuseabschnitten oder gehäuseseitigen Leitschaufeln und gegenüberliegenden Rotorabschnitten dienen insbesondere zur Minimierung von Spaltverlusten bzw. von Strömungsverlusten über Dichtspalten zwischen den Bauteilen, was insbesondere zur Gewährleistung eines stabilen Betriebsverhaltens bei hohem Wirkungsgrad unabdingbar ist. Die Dichtungen bestehen aus einzelnen Bogensegmenten und werden jeweils bei der Montage der Strömungsmaschine zu einem über den Umfang geschlossenen Ring gefügt. Häufig werden sogenannte Wabendichtungen verwendet, die rotor- oder statorseitig angeordnet sind und in die die Leitschaufeln bzw. Laufschaufeln mit ihren Schaufelspitzen oder mit sogenannten auf ihren Schaufeldeckbändern angeordneten Dichtfins einlaufen. Die Herstellung derartiger Wabendichtungen ist jedoch verhältnismäßig aufwändig. In dem europäischen Patent
EP 1 673 239 B1 der Anmelderin wird daher vorgeschlagen, die Wabendichtungen durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen. Das pulvermetallurgische Spritzgießen erlaubt insbesondere einen reduzierten Fertigungsaufwand, da z. B. Schleif- und Entgratungsarbeiten entfallen. Jedoch erfordert das Spritzgießen entsprechende Werkzeugformen, wodurch die Gestaltungsfreiheit der Wabendichtungen eingeschränkt ist. Kompromisse bei der Gestaltungsfreiheit können sich allerdings nachteilig auf das Dichtverhalten der Dichtungen auswirken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dichtung mit einem verbesserten Dichtverhalten zur Anordnung zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine flexible Gestaltungsfreiheit der Dichtung ermöglicht und eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Dichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Dichtung zur Anordnung zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, wird zumindest ein Dichtungsabschnitt der Dichtung generativ durch Fixierung von Materialschichten mit einem Hochenergiestrahl hergestellt. Durch die generative Herstellung ist die Geometrie der Dichtung hochflexibel gestaltbar, da die Dichtung unmittelbar aus 3D-Daten hergestellt wird. Somit kann die Geometrie der Dichtung optimal an den jeweiligen Bau- bzw. Montageraum und die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden. Zudem können mechanische und materialtechnische Eigenschaften wie Elastizität, Steifigkeit und Werkstoffzusammensetzung jedes einzelnen Dichtungsabschnitts individuell eingestellt werden. Die Bereitstellung von Werkzeugformen bzw. deren individuelle Anfertigung ist nicht notwendig, wodurch zudem der Fertigungsaufwand reduziert wird. Der Einsatz eines Hochenergiestrahls wie ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl erlaubt dabei die Verwendung von metallischem und keramischen Materialen bzw. Materialzusammensetzungen zur Herstellung der Dichtung.
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Eine erfindungsgemäße Dichtung zur Anordnung zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, hat erfindungsgemäß zumindest einen Dichtungsabschnitt, der generativ durch Fixierung von Materialschichten mit einem Hochenergiestrahl hergestellt ist. Eine derartige Dichtung zeichnet sich aufgrund ihrer optimalen geometrischen Eigenschaften und optimalen mechanischen und materialtechnischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Elastizität durch ein sehr gutes Dichtverhalten aus.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dichtung ohne Freiheitsgrade ausgeführt. Hierzu ist eine Vielzahl von Dichtungsabschnitten zu einer Wabendichtung gefügt.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Dichtung mit einem Freiheitsgrad ausgeführt. Hierzu ist eine Vielzahl von Dichtungsabschnitten mit einer lamellenartigen Geometrie nebeneinander in parallelen Reihen in Form einer Lamellendichtung angeordnet. Lammellendichtungen haben eine hohe Dichtwirkung und sind generativ verhältnismäßig einfach herzstellbar.
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Alternativ kann die Dichtung auch mit mehreren Freiheitsgraden, bspw. mit zwei Freiheitsgraden, ausgeführt sein. Hierzu ist eine Vielzahl von Dichtungsabschnitten mit einer säulenartigen Geometrie bürsten- bzw. haarartig in Form einer Bürstendichtung zueinander angeordnet. Die Dichtungsabschnitte können dabei je nach Anforderungen kreisförmige, ovale, rechteckige, quadratische oder andersartige Querschnitte aufweisen. Eine derartige Dichtung ist verhältnismäßig robust, da der Ausfall einzelner Dichtungsabschnitte, beispielsweise aufgrund von Beschädigungen, durch die Vielzahl der Dichtungsabschnitte gut ausgeglichen werden kann.
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Bei einem fertigungstechnisch einfachen Ausführungsbeispiel weisen die Dichtungsabschnitte der Dichtung eine einheitliche konstante Steifigkeit auf.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel haben zumindest einige Dichtungsabschnitte unterschiedliche Steifigkeiten. D. h., einige Dichtungsabschnitte haben andere Steifigkeiten als die restlichen Dichtungsabschnitte und/oder über ihren Körper variierende Steifigkeiten, so dass die Dichtungsabschnitte gezielt an die Betriebsbedingungen in ihrer jeweiligen Montageposition angepasst sind.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen zumindest einige Dichtungsabschnitte richtungsabhängige Elastizitäten auf. Hierdurch kann beispielsweise ein herkömmliches Einlaufen von Schaufelspitzen bzw. Dichtfins mit irreversibler Verformung verhindert werden.
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Die Steifigkeit und Elastizität des jeweiligen Dichtungsabschnitts können beispielsweise über eine variierende Wandstärke und/oder einen als integriertes Gelenk ausgebildeten Körperabschnitt eingestellt sein.
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Bei einer alternativen bzw. ergänzten Variante ist der zumindest eine Dichtungsabschnitt zur Einstellung seiner Steifigkeit und Elastizität aus einem gradierten Werkstoff hergestellt, wodurch die mechanischen und materialtechnischen Eigenschaften schichtweise variieren können.
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Ein bevorzugter Dichtungsabschnitt mit richtungsunabhängigen Elastizitäten hat zwei in Hochrichtung übereinander angeordnete und um die Hochachse zueinander versetzte Ausnehmungen. Ein derartiger Dichtungsabschnitt ist verhältnismäßig einfach herstellbar und gut zu dimensionieren.
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Eine bevorzugte Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, weist zumindest eine Dichtung zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil auf. Eine derartige Strömungsmaschine zeichnet sich durch minimierte Spaltverluste und somit ein stabiles Betriebsverhalten bei hohem Wirkungsgrad und verbesserten Standzeiten auf, da die Dichtung aufgrund der nahezu unbegrenzten Gestaltungsmöglichkeiten bzgl. ihrer Geometrie und ihrer mechanischen und materialtechnischen Eigenschaften optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst ist.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen perspektivische Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dichtung,
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2 einen perspektivische Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dichtung, und
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3 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Dichtelements eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dichtung.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Anordnungen sind nur Beispiele bezüglich Geometrie und Anordnung der Lamellen. D. h. die Geometrie der Lamellen muss nicht rechteckig (quadratisch) sein und die Anordnung muss nicht gleichmäßig sein.
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1 zeigt einen perspektivische Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßes Dichtung 1 zur Reduzierung von Spaltverlusten zwischen rotierenden Laufschaufeln und einem gegenüberliegenden feststehenden Gehäuseabschnitt oder zwischen feststehenden Leitschaufeln und einem gegenüberliegenden Rotorabschnitt einer Gasturbine wie einem Flugzeugtriebwerk. Die Dichtung 1 unterteilt sich in eine Vielzahl von Dichtungssegmenten, die über ihren Umfang einen geschlossen Ring ergeben und an einem Bauteil wie ein schaufelseitiges Deckband oder ein stator- bzw. rotorseitiges Tragelement angebunden bzw. mit diesem integral ausgebildet sind.
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Die Dichtung 1 ist als eine Lammellendichtung mit einem in Längsrichtung 2 verlaufenden Freiheitsgrad ausgebildet. Sie weist eine Vielzahl von generativ hergestellten wandartigen Dichtungsabschnitten bzw. Dichtelementen 4 bzw. 4a bis 4d auf, die sich von einer Bauteilfläche 6 in Längsrichtung 2 erstrecken und über zwischen ihnen verlaufende U-förmige Längskanälen 8a, 8b, 8c und somit in Querrichtung 10 voneinander beabstandet sind.
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Die Dichtelemente 4 haben einen rechteckigen Querschnitt mit jeweils einer parallel bzw. nahezu parallel zur Bauteilfläche 6 verlaufenden ebenen rechteckigen Dichtfläche 12, zwei voneinander abgewandte Seitenflächen 14 und zwei voneinander abgewandte Stirnflächen 16. Aufgrund der Perspektive ist jedoch nur eine Seitenfläche 14 und eine Stirnfläche 16 sichtbar ist. Die Seitenflächen 14 und die Stirnflächen 16 erstrecken sich rechtwinklig bzw. nahezu rechtwinklig von der Bauteilfläche 6 sind jeweils parallel zueinander orientiert, so dass die Dichtelemente 4 jeweils eine konstante Wandstärke bzw. Breite b aufweisen. Zudem weisen die Dichtelemente 2 in Richtung ihrer durch einen Pfeil angedeuteten Hochachse 17 eine konstante Höhe h auf. Die Dichtelemente 4 haben eine über ihren Querschnitt unveränderte Materialzusammensetzung, so dass sie in Kombination mit der konstanten Breite b eine konstante und einheitliche Steifigkeit aufweisen. Die Dichtungselemente können geometrisch fei wählbar sein.
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2 zeigt einen perspektiven Ausschnitt eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Dichtung 1 zur Reduzierung von Spaltverlusten bei Strömungsmaschinen.
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Die Dichtung 1 ist als eine Bürstendichtung mit zwei Freiheitsgraden ausgebildet, wobei der eine Freiheitsgrad in Längsrichtung 2 und der andere Freiheitsgrad in Querrichtung 10 verläuft. Sie weist eine Vielzahl von generativ hergestellten Dichtungsabschnitten bzw. Dichtelementen 4 bzw. 4a bis 4g auf, die sich säulenartig von einer Bauteilfläche 6 erstrecken und stark vereinfacht über Längskanäle 8a, 8b, 8c und Querkanäle 18 jeweils voneinander beabstandet sind. Bei detailgetreuer Darstellung sind die Dichtelemente 4 wesentlich enger zueinander gestaffelt, so dass in Abhängigkeit von der Staffelung die Trennung in Längs- und Querkanäle 8a, 8b, 8c, 18 nicht mehr möglich erscheint.
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Die Dichtelemente 4 haben jeweils einen quadratischen Querschnitt mit jeweils einer nahezu parallel bzw. parallel zur Bauteilfläche 6 verlaufenden ebenen quadratischen Dichtfläche 12 und vier voneinander abgewandten Seitenflächen 14, 16, von denen nur jeweils zwei Seitenflächen 14, 16 in der gezeigten Perspektive sichtbar sind. Die Seitenflächen 14, 16 erstrecken sich rechtwinklig bzw. nahezu rechtwinklig von der Bauteilfläche 6 und verlaufen zu ihrer jeweils entgegengesetzten Seitenfläche 14, 16 parallel. Somit weisen die Dichtelemente 4 jeweils eine konstante Wandstärke sowohl in Querrichtung 10 als auch in Längsrichtung 2 und somit eine Breite b auf, die ihrer Länge l entspricht. Zudem haben die Dichtelemente 4 in Richtung ihrer durch einen Pfeil angedeuteten Hochachse 17 eine konstante und einheitliche Höhe h und eine über ihren Querschnitt unveränderte Materialzusammensetzung, so dass sie in Kombination mit den konstanten Wandstärken b, l eine konstante und einheitliche Steifigkeit aufweisen.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Dichtungsabschnitts bzw. Dichtelements 4 eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dichtung 1, das im Unterschied zu den vorbeschriebenen Lösungen nach den 1 und 2 richtungsabhängige Elastizitäten aufweist.
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Das Dichtelement 4 hat eine säulenartige Geometrie mit einem quadratischen Querschnitt. Es hat eine parallel bzw. nahezu parallel zur Bauteilfläche 6 verlaufende ebene quadratische Dichtfläche 12 und vier voneinander abgewandte Seitenflächen 14, 16, von denen nur zwei Seitenflächen 14, 16 aufgrund der gezeigten Perspektive sichtbar sind. Die Seitenflächen 14, 16 erstrecken sich rechtwinklig bzw. nahezu rechtwinklig von der Bauteilfläche 6 und verlaufen zu ihrer jeweils entgegengesetzten Seitenfläche 14, 16 parallel.
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Zur Einstellung der richtungsabhängigen Elastizitäten weist es eine sich in Längsrichtung 2 erstreckende U-förmige Längsausnehmung 20 und eine sich in Querrichtung 10 erstreckende U-förmige Querausnehmung 22 auf. Die Ausnehmungen 20, 22 durchsetzen das Dichtelement 4 in Längsrichtung 2 bzw. Querrichtung 10 und haben jeweils zwei gegenüberliegende und parallel zueinander orientierte Wandungen 24, die über einen Grund 26 miteinander verbunden sind. Aufgrund der Perspektive ist jedoch jeweils nur eine der Wandungen 24 sichtbar. Das Dichtelement 4 wird durch die um 90° zueinander versetzte Ausnehmungen 20, 22 in einen bodenflächenseitigen Fußabschnitt 28, einen Kopfabschnitt 30 und einen zwischen dem Fußabschnitt 28 und dem Kopfabschnitt 30 angeordneten Zentrumsabschnitt 32 unterteilt. Die Verbindung des Fußabschnitts 28 mit dem Zentrumsabschnitts 32 erfolgt dabei über einen sich in Querrichtung 10 erstreckenden Quersteg 34, der den Grund 26 der Querausnehmung 22 ausbildet und bündig mit der sich in Querrichtung 10 erstreckenden hinteren Seitenfläche und der sich in Längsrichtung 2 erstreckenden linken Seitenfläche und der rechten Seitenfläche 14 abschließt. Die Verbindung des Zentrumsabschnitt 32 mit dem Kopfabschnitt 30 erfolgt über einen sich in Längsrichtung 2 erstreckenden Längssteg 36, der den Grund 26 der Längsausnehmung 20 definiert und bündig mit der sich in Längsrichtung 2 erstreckenden linken Seitenfläche und der sich in Querrichtung 10 erstreckenden hinteren Seitenfläche und vorderen Seitenfläche 16 abschließt.
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Die Herstellung der vorbeschriebenen Dichtungen 1 bzw. Dichtelemente 4 erfolgt jeweils durch ein generatives Herstellungsverfahren aus einer Vielzahl von metallischen Pulverschichten oder durch Laserauftragsschweißen, die jeweils mit einem Hochenergiestrahl wie einem Laserstrahl oder einem Elektrodenstrahl an ihrer jeweils zuvor ausgebildeten Pulverschicht fixiert werden. Zur Einstellung unterschiedlicher Steifigkeiten und richtungsabhängiger Elastizitäten können neben geometrischen Anpassungen wie unterschiedliche Wandstärken und einer integralen Ausbildung von Gelenken die Pulverschichten alternativ oder zusätzlich verschiedene metallische Werkstoffe bzw. Werkstoffzusammensetzungen aufweisen, wodurch die Dichtelemente 4 entlang ihrer Hochachse 17 eine graduierte Materialzusammensetzung aufweisen.
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Offenbart ist eine Dichtung, insbesondere zur Anordnung zwischen einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil einer Strömungsmaschine zur Reduzierung von Spaltverlusten, die zumindest ein Dichtelement aufweist, das generativ durch Fixierung von Materialschichten mit einem Hochenergiestrahl hergestellt wird sowie eine Strömungsmaschine mit zumindest einer derartigen Dichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtung
- 2
- Längsrichtung
- 4, 4a bis h
- Dichtelement
- 6
- Bauteilfläche
- 8a, b, c
- Längskanäle
- 10
- Querrichtung
- 12
- Dichtfläche
- 14
- Seitenfläche
- 16
- Stirnfläche
- 17
- Hochachse
- 18
- Querkanäle
- 20
- Längsausnehmung
- 22
- Querausnehmung
- 24
- Wandung
- 26
- Grund
- 28
- Fußabschnitt
- 30
- Kopfabschnitt
- 32
- Zentrumsabschnitt
- 34
- Quersteg
- 36
- Längssteg
- b
- Breite
- h
- Höhe
- l
- Länge
