DE102015206516A1 - Labyrinth seal with improved sealing ribs - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Labyrinthdichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Labyrinthdichtung auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine mit mindestens einer Dichtrippe (2), die sich zumindest teilweise entlang eines Kreises erstreckt, wobei die Dichtrippe (2) radial aus dem Bauteil hervorsteht und wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung des Bauteils (1), Bereitstellung eines oder mehrerer Formkörper (4) aus Keramik oder aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit Keramikpartikeln in einer Metallmatrix, Anbringen des oder der Formkörper (4) an dem Bauteil (1), in dem Bereich, in dem die Dichtrippe (2) hergestellt werden soll, so, dass die Formkörper entlang des Verlaufs der Dichtrippe angeordnet sind, wobei die Formkörper durch Schweißen oder Löten und/oder eine formschlüssige Verbindung an dem Bauteil angebracht werden.The present invention relates to a labyrinth seal and a method for producing a labyrinth seal on a component of a turbomachine with at least one sealing rib (2) extending at least partially along a circle, wherein the sealing rib (2) protrudes radially from the component and wherein the method comprising: providing the component (1), providing one or more shaped bodies (4) of ceramic or of a metal matrix composite material with ceramic particles in a metal matrix, attaching the molded body or bodies (4) to the component (1), in the region, in which the sealing rib (2) is to be produced, so that the shaped bodies are arranged along the course of the sealing rib, wherein the shaped bodies are attached to the component by welding or soldering and / or a positive connection.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Labyrinthdichtung auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise einer stationären Gasturbine oder einem Flugtriebwerk, sowie eine entsprechend hergestellte Labyrinthdichtung. The present invention relates to a method for producing a labyrinth seal on a component of a turbomachine, such as a stationary gas turbine or an aircraft engine, and a correspondingly produced labyrinth seal.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken müssen die sich drehenden Schaufeln gegenüber dem Gehäuse abgedichtet werden, um Strömungsverluste zu vermeiden. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, sogenannte Labyrinthdichtungen vorzusehen, bei denen radial hervorstehende Dichtrippen in entsprechende Aussparungen eingreifen, um den Strömungswiderstand durch den Spalt zwischen den rotierenden Schaufeln und dem stationären Gehäuse zu erhöhen und dadurch eine Dichtwirkung zu erzielen. Allerdings besteht hierbei das Problem, dass auf Grund der unterschiedlichen Temperaturbedingungen beim Anfahren und Betrieb der Strömungsmaschine sowie unterschiedliche Druckbedingungen bei Flugtriebwerken der Spalt zwischen den Dichtrippen und einem gegenüberliegenden Dichtungsbelag, in dem die Aussparungen vorgesehen sind, in die die Dichtrippen eingreifen, hinsichtlich der radialen Dimensionen und der axialen Anordnung Schwankungen unterliegt, sodass es zum reibenden Kontakt zwischen den Dichtrippen und dem gegenüberliegenden Dichtungsbelag kommen kann. Dies ist unter Umständen sogar erwünscht, um einen besonders engen Spalt ausbilden zu können. In turbomachines, such as stationary gas turbines or aircraft engines, the rotating blades must be sealed from the housing to avoid flow losses. For this purpose, it is known, for example, to provide so-called labyrinth seals in which radially protruding sealing ribs engage in corresponding recesses in order to increase the flow resistance through the gap between the rotating blades and the stationary housing and thereby achieve a sealing effect. However, there is the problem here that due to the different temperature conditions during startup and operation of the turbomachine and different pressure conditions in aircraft engines, the gap between the sealing ribs and an opposite sealing pad, in which the recesses are provided, in which engage the sealing ribs, with respect to the radial dimensions and the axial arrangement is subject to fluctuations, so that it can come to frictional contact between the sealing ribs and the opposite sealing coating. This may even be desirable in order to be able to form a particularly narrow gap.
Allerdings wird durch den reibenden Kontakt ein starker Verschleiß bewirkt, sodass die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung in unakzeptablem Maße abnehmen kann. However, a strong wear is caused by the rubbing contact, so that the sealing effect of the labyrinth seal can decrease to unacceptable levels.
Um dem Verschleiß entgegenzuwirken sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, die zum Teil Abhilfe schaffen. To counteract the wear various measures have been proposed, which provide some remedy.
So können die Dichtrippen der Labyrinthdichtung mit einer Panzerung versehen werden, die eine erhöhte Verschleißbeständigkeit aufweist, um so dem Verschleiß der Dichtrippen entgegenzuwirken. Nach dem Stand der Technik werden üblicherweise Panzerungen durch thermisches Spritzen aufgebracht, wobei hier nur relativ dünne Schichten, meist < 0,2 mm, aufgebracht werden können. Thus, the sealing ribs of the labyrinth seal can be provided with an armor, which has an increased wear resistance, so as to counteract the wear of the sealing ribs. According to the prior art armor usually be applied by thermal spraying, in which case only relatively thin layers, usually <0.2 mm, can be applied.
Darüber hinaus ist vorgeschlagen worden, sogenannte Schneidelemente an den Dichtrippen vorzusehen, die im Kontaktfall mit dem gegenüberliegenden Dichtbelag die Bewegungsbahn für die Dichtrippe freischneiden, um so einen Reibungskontakt der restlichen Dichtrippe mit dem gegenüberliegenden Dichtbelag zu vermeiden. Beispiele für derartige Schneidelemente sind in der
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION
AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Labyrinthdichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Labyrinthdichtung bereitzustellen, mit welchen die Verschleißbeständigkeit der Dichtrippen von Labyrinthdichtungen verbessert werden kann, sodass insbesondere längere Wartungsintervalle für entsprechende Strömungsmaschinen mit derartigen Labyrinthdichtungen erreichbar sind. Gleichzeitig sollen die entsprechenden Labyrinthdichtungen jedoch eine gute Dichtwirkung erzielen und im Betrieb zuverlässig sein sowie einfach in der Herstellung sein. It is therefore an object of the present invention to provide a labyrinth seal and a method for producing a labyrinth seal with which the wear resistance of the sealing ribs of labyrinth seals can be improved, so that in particular longer maintenance intervals for corresponding flow machines can be achieved with such labyrinth seals. At the same time, however, the corresponding labyrinth seals should achieve a good sealing effect and be reliable in operation and easy to manufacture.
TECHNISCHE LÖSUNG TECHNICAL SOLUTION
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Labyrinthdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Labyrinthdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method for producing a labyrinth seal with the features of
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, eine Labyrinthdichtung mit mindestens einer Dichtrippe zu schaffen, wobei die Dichtrippe ein oder mehrere Formkörper aus Keramik oder aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfasst, die stoffschlüssig durch eine Schweiß- oder Lötverbindung und/oder formschlüssig an einem entsprechenden Bauteil angeordnet werden. Damit ist es möglich, entweder die Dichtrippen insgesamt aus einem harten und somit verschleißbeständigen Material zu bilden oder eine ausreichend dicke Schicht aus einem harten und verschleißbeständigen Material an der Dichtrippe vorzusehen, welche eine längere Lebensdauer der Dichtrippe gewährleistet und somit längere Wartungsintervalle für Strömungsmaschinen mit derartigen Labyrinthdichtungen ermöglicht. Insbesondere kann durch das Vorsehen von Formkörpern eine harte, verschleißbeständige Schicht im Bereich einer Dichtrippe mit einer Dicke > 0,2 mm, insbesondere ≥ 0,4 mm, vorzugsweise ≥ 0,5 mm bereitgestellt werden. The present invention proposes to provide a labyrinth seal with at least one sealing rib, wherein the sealing rib comprises one or more shaped bodies made of ceramic or of a metal matrix composite material, which are cohesively arranged by a welded or soldered connection and / or a form-fitting on a corresponding component , Thus, it is possible either to form the sealing ribs as a whole from a hard and thus wear-resistant material or to provide a sufficiently thick layer of a hard and wear-resistant material to the sealing rib, which a longer Ensured life of the sealing rib and thus allows longer maintenance intervals for turbomachinery with such labyrinth seals. In particular, the provision of shaped bodies can provide a hard, wear-resistant layer in the region of a sealing rib with a thickness of> 0.2 mm, in particular ≥ 0.4 mm, preferably ≥ 0.5 mm.
Die Formkörper werden entlang des Verlaufs der Dichtrippe aneinander angrenzend lückenlos angeordnet, sodass sich eine kontinuierliche Oberfläche des harten, verschleißbeständigen Materials an der Dichtrippe ergibt. Damit sind entlang des Verlaufs oder Umfangs der Dichtrippe keine Inhomogenitäten gegeben, welche die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Schwingungsverhalten und dergleichen der sich schnell drehenden Bauteile negativ beeinflussen könnten. The moldings are arranged along the course of the sealing rib adjacent to each other gapless, so that there is a continuous surface of the hard, wear-resistant material on the sealing rib. Thus, no inhomogeneities are given along the course or circumference of the sealing rib, which could adversely affect the mechanical properties with respect to vibration behavior and the like of the rapidly rotating components.
Die Dichtrippe gemäß der vorliegenden Erfindung kann sowohl an einem drehenden Bauteil, also dem Rotor und den daran entsprechend angeordneten Bauteilen ausgebildet sein, oder an einem stationären Bauteil, wie beispielsweise dem Gehäuse. In beiden Fällen erstreckt sich die Dichtrippe üblicherweise aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors entlang eines Kreises, wobei die Dichtrippen auf den einzelnen Bauteilen lediglich Segmente dieses Kreises darstellen können. The sealing rib according to the present invention can be formed both on a rotating component, that is to say the rotor and the components arranged correspondingly thereon, or on a stationary component, such as, for example, the housing. In both cases, the sealing rib usually extends due to the rotational movement of the rotor along a circle, the sealing ribs on the individual components can only represent segments of this circle.
Die Formkörper, die zur Ausbildung der Dichtrippe insgesamt oder zumindest einer äußeren, verschleißbeständigen Schicht Verwendung finden, können entsprechend zumindest teilweise der Kontur der Dichtrippe entsprechen. The shaped bodies which are used to form the sealing rib as a whole or at least an outer, wear-resistant layer can correspondingly correspond at least partially to the contour of the sealing rib.
Der Formkörper, der zumindest teilweise entweder aus einem keramischen Material oder aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit in einer Metallmatrix eingelagerten Keramikpartikeln gebildet ist, kann aus mehreren Komponenten aufgebaut sein, um die Anbringung an das Bauteil zu vereinfachen. The shaped body, which is formed at least partially either of a ceramic material or of a metal matrix composite material with ceramic particles embedded in a metal matrix, may be constructed of a plurality of components in order to simplify the attachment to the component.
So kann der Formkörper beispielsweise ein Formteil aus Keramik, beispielsweise eine Keramikplatte, sowie ein Keramikvlies umfassen, welches zur Anbindung an das Bauteil Verwendung findet. Das Keramikvlies, das aus einer Vielzahl von Keramikfasern aufgebaut ist, kann bei einer formschlüssigen Verbindung durch Schweißen oder Löten von dem aufgeschmolzenen Material, also dem Lotwerkstoff oder dem aufgeschmolzenen Material des Bauteils bzw. einem Schweißhilfswerkstoff infiltriert werden, um so eine sichere und feste Haftung des Formteils auf dem Bauteil zu bewirken. For example, the shaped body may comprise a molded part made of ceramic, for example a ceramic plate, as well as a ceramic fleece, which is used for connection to the component. The ceramic nonwoven, which is composed of a plurality of ceramic fibers, can be infiltrated in a positive connection by welding or soldering of the molten material, so the solder material or the molten material of the component or a welding aid, so as to ensure a secure and firm adhesion To effect molding on the component.
Darüber hinaus kann der Formkörper neben einem Formteil aus Keramik zusätzlich einen Grünkörper umfassen, der zur Anbindung an das Bauteil dient, indem beispielsweise der Grünkörper Lotmaterial oder Schweißzusatzstoffe aufweist, die beim Löten bzw. Schweißen aufschmelzen und für eine stoffschlüssige Verbindung des Formkörpers bzw. des Formteils aus Keramik mit dem darunter liegenden Bauteil sorgen. In addition, in addition to a shaped part made of ceramic, the shaped body can additionally comprise a green body, which serves for connection to the component, for example by having the green body solder material or welding additives which melt during soldering or welding and for a cohesive connection of the molded part or of the molded part made of ceramic with the underlying component.
Insgesamt kann die Haftung eines Formkörpers an dem Bauteil dadurch verbessert werden, dass der Formkörper zumindest teilweise porös ausgebildet ist, sodass beim stoffschlüssigen Verbinden mittels Schweißen oder Löten das aufgeschmolzene Material in die Porosität des Formkörpers eindringen kann und durch die Infiltration des Formkörpers eine sichere und zuverlässige Verbindung mit dem Bauteil ermöglicht wird. Dadurch entsteht im Randbereich bzw. im Grenzbereich zwischen Formkörper und Bauteil ein Verbundwerkstoff aus dem porösen Formkörpermaterial, also beispielsweise der porösen Keramik und dem aufgeschmolzenen Lot bzw. dem aufgeschmolzenen Bauteilmaterial oder Schweißzusatzwerkstoff. Overall, the adhesion of a shaped body to the component can be improved in that the shaped body is at least partially porous, so that when cohesively joining by welding or soldering, the molten material can penetrate into the porosity of the molding and by the infiltration of the molding a safe and reliable Connection with the component is made possible. This results in the edge region or in the boundary region between the molding and the component, a composite material of the porous molding material, so for example, the porous ceramic and the molten solder or the molten component material or welding filler.
Bei einer zusätzlichen oder alternativen formschlüssigen Verbindung der Formkörper mit dem Bauteil kann in dem Bauteil eine entsprechende Aussparung, in Form einer Nut oder dergleichen ausgebildet sein, in die die zumindest teilweise komplementär ausgebildeten Formkörper eingesetzt werden können. Beispielsweise können die Formkörper einen Fußbereich aufweisen, der komplementär zu einer Nut im Bauteil ausgebildet ist, wobei sowohl der Fuß des Formkörpers als auch die Nut des Bauteils mit entsprechenden Hinterschneidungen ausgebildet sein kann, sodass eine sichere Aufnahme des Formkörpers im Bauteil gegeben ist und die Formkörper beispielsweise lediglich durch seitliches Einschieben in die Nut mit dem Bauteil verbunden oder von diesem wieder gelöst werden können. In an additional or alternative positive connection of the molded body with the component, a corresponding recess, in the form of a groove or the like may be formed in the component, in which the at least partially complementary shaped body can be used. For example, the molded bodies can have a foot region which is designed to be complementary to a groove in the component, whereby both the foot of the molded body and the groove of the component can be formed with corresponding undercuts so that a secure reception of the molded body in the component is provided and the shaped bodies For example, connected only by lateral insertion into the groove with the component or can be solved by this again.
Entsprechend kann bei dem Verfahren zur Herstellung einer Dichtrippe bzw. einer Labyrinthdichtung mit einer entsprechenden Dichtrippe eine formgebende Bearbeitung des Bauteils, beispielsweise zur Einbringung einer entsprechenden Nut, vor der Anbringung der Formkörper durchgeführt werden. Die formgebende Bearbeitung kann mechanisch und/oder elektrochemisch oder in einer sonstigen geeigneten Art und Weise durchgeführt werden. Accordingly, in the method for producing a sealing rib or a labyrinth seal with a corresponding sealing rib, a shaping processing of the component, for example for introducing a corresponding groove, be carried out prior to the attachment of the molded body. The shaping treatment can be carried out mechanically and / or electrochemically or in any other suitable manner.
Die formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung der Formkörper mit dem Bauteil kann auch miteinander kombiniert werden, sodass die formschlüssig an dem Bauteil angeordneten Formkörper zusätzlich durch Schweißen oder Löten befestigt werden. The positive and cohesive connection of the molded body with the component can also be combined with each other, so that the form-fitting arranged on the component moldings are additionally secured by welding or soldering.
Mit den Formkörpern ist es möglich harte und verschleißbeständige Dichtrippen insbesondere mit einer ausreichend dicken Schicht des harten und verschleißbeständigen Materials auszubilden, wobei das harte und verschleißbeständige Material der Formkörper über der gesamten Oberfläche der Dichtrippe, die mit dem gegenüberliegenden Dichtbelag in Kontakt kommen kann, vorliegt, sodass insbesondere in Umfangsrichtung ein homogener Aufbau der Dichtrippe gegeben ist. Entsprechend kann die Dichtrippe auf einem Bauteil an der entsprechenden Fläche des Bauteils, die die Dichtrippe aufweisen soll, von einem ersten Ende der Fläche bis zu einem zweiten Ende der Fläche verlaufen. With the moldings, it is possible hard and wear-resistant sealing ribs, in particular with a sufficiently thick layer of form hard and wear-resistant material, wherein the hard and wear-resistant material of the molded body over the entire surface of the sealing rib, which may come into contact with the opposite sealing coating, is present, so that in particular in the circumferential direction, a homogeneous structure of the sealing rib is given. Accordingly, the sealing rib on a component on the corresponding surface of the component, which is to have the sealing rib, extend from a first end of the surface to a second end of the surface.
Das Keramikmaterial, aus welchem die Formkörper bzw. Formteile sowie die eingelagerten Keramikpartikel der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe gebildet sein können, kann eine Oxidkeramik oder eine nicht-oxidische Keramik sein, also Oxide oder Karbide, insbesondere Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, Wolframkarbid, Chromkarbid und dergleichen umfassen. Als Metallmatrix für die Metallmatrix-Verbundwerkstoffe bieten sich insbesondere Metalllegierungen an, die für das entsprechende Bauteil eingesetzt werden können, wie beispielsweise Nickelbasislegierungen, Eisenbasislegierungen, Kobaltbasislegierungen oder Titanlegierungen, wobei der Begriff Basislegierungen angibt, dass das hierzu genannte chemische Element den größten Bestandteil der Legierung bildet. Entsprechend kann als Metallmatrix beispielsweise auch eine Nickel-Chrom-Legierung eingesetzt werden. The ceramic material from which the shaped bodies or molded parts and the embedded ceramic particles of the metal matrix composite materials may be formed may be an oxide ceramic or a non-oxidic ceramic, ie oxides or carbides, in particular aluminum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, yttrium-stabilized zirconium oxide, tungsten carbide, Chromium carbide and the like. In particular metal alloys which can be used for the corresponding component, such as, for example, nickel-base alloys, iron-base alloys, cobalt-base alloys or titanium alloys, are suitable metal matrix for the metal matrix composite materials, the term base alloys indicating that the chemical element mentioned forms the largest constituent of the alloy , Accordingly, as a metal matrix, for example, a nickel-chromium alloy can be used.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in The accompanying drawings show in a purely schematic manner in FIG
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EMBODIMENTS
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Further advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of exemplary embodiments. However, the invention is not limited to these embodiments.
Die
Die Dichtrippe
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind an dem Bauteil
Zwischen der im Bauteil
Wird die Verbindung der Formkörper
Wird die Verbindung zwischen den Formkörpern
Die Formkörper
Die Formkörper
Die
Neben der rein stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Formkörpern
In der
Die
Wie sich aus den
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein. Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the invention is not limited to these embodiments, but rather modifications are possible in the manner that individual features can be omitted or other types of combinations of features can be realized, as long as the scope of the appended claims is not abandoned. The present disclosure includes all combinations of the features presented.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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