DE10221114C1 - Dichtung für Strömungsmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Dichtungen für Strömungsmaschinen, die an Rotorelementen und/oder einem Stator angeordnet oder ausgebildet sein können und die erfindungsgemäßen Dichtungen können vorteilhaft unter Bedingungen mit erhöhter thermischer Wechselbeanspruchung eingesetzt werden. Dabei soll die Aufgabe gelöst werden, dass auch bei stark wechselnden thermischen Beanspruchungen nahezu konstante Spaltmaßverhältnisse, die einen höheren Wirkungsgrad hervorrufen, in weiten Grenzen erreichbar sind. Hierzu ist die Dichtung aus punktuell miteinander verbundenen Hohlkugeln und/oder Hohlkugelsegmenten gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft Dichtungen für Strömungsma­ schinen, die an Rotorelementen und/oder einem Stator einer Strömungsmaschine angeordnet oder ausgebildet sein können. Wegen der vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Dichtungen können diese insbe­ sondere bei solchen Strömungsmaschinen eingesetzt werden, die thermischer Wechselbeanspruchung unterzo­ gen werden, d. h. dass die Temperatur beim Einsatz solcher Strömungsmaschinen stark schwankt, also eine starke Erwärmung beim Betrieb auftreten kann.

Die erfindungsgemäßen Dichtungen können daher beson­ ders vorteilhaft bei entsprechend hochthermisch bean­ spruchten Verdichtern in allgemeiner Form, bei Abgas­ turboladern und auch bei Gasturbinen, wie sie z. B. im Fahrzeugbau Einsatz finden, eingesetzt werden.

Bei Strömungsmaschinen hängt deren Wirkungsgrad, un­ ter anderem auch wesentlich von der Einhaltung klei­ ner Spaltmaße zwischen den Rotorelementen und der Statorwand ab, um den Volumenstrom des jeweiligen Fluides, der in unerwünschter Form, durch den Spalt zwischen den stirnseitigen Enden der rotierenden Ele­ mente und der Statorwandung gelangen kann, möglichst klein zu halten.

Auch bei Verwendung gleicher Werkstoffe, mit demzu­ folge gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gelingt es jedoch, wegen der verschiedenen Größenverhältnisse und Dimensionierungen dieser Rotor- und Statorelemen­ te nicht, dieses Spaltmaß bei den verschiedenen Be­ triebstemperaturen konstant zu halten.

Wegen der Wärmeausdehnung wird daher die Dimensionie­ rung, der das Spaltmaß beeinflussenden Elemente häu­ fig unter dem Sicherheitsaspekt durchgeführt, so dass die in Rede stehenden Strömungsmaschinen auch bei Be­ triebstemperaturbereichen betrieben werden, in denen das jeweilige Spaltmaß den Wirkungsgrad der Strö­ mungsmaschine erheblich reduziert.

Häufig werden die Strömungsmaschinen auch unter ex­ tremen Bedingungen, was insbesondere die thermische Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit betrifft, betrieben.

Insbesondere aus erstgenanntem Grunde wird daher ge­ fordert, dass solche Dichtungen oder Dichtelemente bestimmte thermische Eigenschaften aufweisen sollen. Dies kann beispielsweise eine erhöhte thermische Iso­ lationswirkung oder auch eine bestimmte günstige und gezielte Wärmeleitung, für eine Ableitung von Abwärme sein.

Aus diesen Gründen, sind die Verwendung von Waben­ strukturen, auch "honey combs" bezeichnet, aus dem Stand der Technik bekannt. Mit einer solchen geomet­ rischen Gestaltung können sowohl die thermische Iso­ lation, wie auch eine spezifische mechanische Festig­ keit erreicht werden, die einmal größer als die des verwendeten homogenen Werkstoffes und zum anderen bei zumindest ausreichender Festigkeit einen reduzierten Werkstoffeinsatz zur Folge haben.

Das Problem der unterschiedlichen Spaltmaße, bei den verschiedenen Betriebstemperaturen der Strömungsma­ schinen kann aber mit solchen Wabenstrukturen nur in geringen Grenzen beseitigt werden, da die Stege einer solchen Wabenstruktur aus Festigkeitsgründen bestimm­ te Ausrichtungen aufweisen müssen und die jeweilige Stegausrichtung auch die Gesamtwärmeausdehnung eines solchen Dichtelementes richtungsabhängig vorgeben und beeinflussen. So sind die Wandungen solcher Waben, wie z. B. in EP 0 967 363 A2 beschrieben, senkrecht zum zu dichtenden Spalt, auch in einem dort als An­ streif-Abschnitt bezeichneten Teil einer Dichtung, ausgerichtet. Dadurch wird durch die Ausrichtung der Wandungen auch die Richtung der maximalen Wärmeaus­ dehnung vorgegeben. Dies ist aber bei solchen An­ streifdichtungen eher kontraproduktiv, da es beim Be­ trieb infolge unmittelbarer Berührungen von Rotorele­ menten zu inreversiblen und nicht kompensierbaren Werkstoffabtrag kommt. Dementsprechend ist nach einer kurzen Einlaufphase bei niedrigeren Betriebstempera­ turen ein größeres Spaltmaß die Folge.

Strömungskanalsegmente zur Verwendung in Gasturbinen­ maschinen und insbesondere keramische abreibbare Be­ schichtungen für solche Strömungskanalsegmente sind in DE 696 11 138 T2 beschrieben. Ein solches segmentier­ tes abreibbares keramisches Beschichtungssystem auf einem metallischen Substrat soll aus mehreren Einzel­ schichten hergestellt werden. Für die Herstellung hohle auch kugelförmige Ausgangspulver eingesetzt werden, die mittels herkömmlicher Plasmaspritz- Verfahren auf das jeweilige Substrat aufgebracht wer­ den sollen.

In DE 34 24 661 A1 ist ein Einlaufbelag für Strö­ mungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen beschrieben, der eine moderate Härte aufweisen soll und aus kugel­ förmigen Pulverteilchen mit nichmetallischem Kern und metallischer Hülle in Schichttechnik hergestellt wer­ den soll, wobei als bevorzugtes Herstellungsverfahren das Sintern Erwähnung findet.

Von der Fraunhofer- Gesellschaft wurde in einem Prospekt aus dem Jahre 2001 auf die prinzipielle Eignung von Hohlkugeln für die Anwendung als abrasive Dichtungen hingewiesen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dichtung für Strömungsmaschinen vorzuschlagen, die auch bei stark wechselnden thermischen Beanspruchungen, nahezu kon­ stante Spaltmaßverhältnisse gewährleisten kann, die einen höheren Wirkungsgrad in weiten Grenzen bewir­ ken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Dich­ tung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiter­ bildungen der Erfindung können mit den in den unter­ geordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Die erfindungsgemäßen Dichtungen werden aus punktuell miteinander verbundenen Hohlkugeln und/oder Hohlku­ gelsegmenten gebildet. Eine solche Dichtung kann im Dichtspaltbereich sowohl an Rotorelementen, wie auch an entsprechenden Bereichen eines Stators von Strö­ mungsmaschinen angeordnet oder daran ausgebildet sein.

Dabei soll eine solche Dichtung mit mindestens eine Lage bildenden Hohlkugeln ausgebildet sein.

In der Regel wird es aber günstiger sein, eine solche Dichtung aus mehreren übereinander angeordneten Lagen solcher Hohlkugeln zu bilden. Dabei können die jewei­ ligen Hohlkugeln der einzelnen Lagen bei jeweils gleichen Außendurchmessern in versetzter Anordnung punktuell miteinander verbunden werden.

Vorteilhaft kann aber auch ein gradierter Außendurch­ messerübergang von Hohlkugeln in den einzelnen Lagen einer solchen mehrlagigen Dichtung gewählt werden. In diesem Fall sollten die Außendurchmesser der Hohlku­ geln in den einzelnen Lagen sukzessiv größer werden, so dass der Außendurchmesser der Hohlkugeln ausgehend von der auf den zu dichtenden Spalt weisenden ober­ sten Lage vergrößert ist.

Durch die Kugelform wird eine nahezu gleiche Wär­ meausdehnung der gesamten Dichtung in alle Richtungen erreicht, so dass im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine Reduzierung der Wärmeausdehnung, die einen negativen Einfluß auf das jeweilige Spaltmaß bei den unterschiedlichen Betrieb­ stemperaturen zur Folge hat, in Spaltrichtung er­ reicht wird. Bezüglich der Wärmeausdehnung kann quasi isotropes Verhalten erreicht werden und die Wärmeaus­ dehnung zu großen Teilen intern kompensiert werden.

Dabei wirkt sich auch die lediglich punktuelle Ver­ bindung der Hohlkugeln untereinander vorteilhaft aus. Bei der punktuellen Verbindung der einzelnen Hohlku­ geln miteinander sollte gewährleistet sein, dass ma­ ximal 25% der Oberfläche der Hohlkugeln einen Kon­ takt zu jeweils benachbarten anderen Hohlkugeln auf­ weisen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ent­ sprechend große Oberflächenbereiche des Schalenmate­ rials der Hohlkugeln elastisch verformt werden kön­ nen, so dass auch dadurch ein gewisses Maß der Wär­ meausdehnung kompensiert und Eigenspannungen im Werk­ stoff vermieden werden können.

Das räumliche Wärmeausdehnungsverhalten erfindungsge­ mäßer Dichtungen ist bei bekannten Eigenschaften, Di­ mensionierung und Anordnung der eingesetzten Hohlku­ geln definiert und kann entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen und hier insbesondere der Be­ triebstemperaturen vorab berücksichtigt werden.

Dies ist bei porösen geschäumten Strukturen, wegen der regellosen Anordnung und Größe der Einzelporen, die auch für Dichtungen eingesetzt worden sind, nicht möglich.

Die lediglich punktuelle Verbindung mit entsprechend kleinen Berührungsflächen reduziert auch die Wärme­ leitung und es wird außerdem Konvektion zumindest be­ hindert, letzteres wirkt sich verstärkt bei reduzier­ ten Innendrücken der Hohlkugeln aus. In jedem Fall wird die Wärmeisolation mit Hohlkugeln erhöht, wenn vergleichbare Werkstoffe eingesetzt werden.

Bei der vorteilhaften Ausbildung einer erfindungsge­ mäßen Dichtung mit mehreren in Bezug zum abzudichten­ den Spalt übereinander angeordneten Lagen, können ne­ ben der bereits erwähnten Verwendung von Hohlkugeln mit verschiedenen Außendurchmesser-Fraktionen zusätz­ liche Vorteile erzielt werden.

Bei einer mehrlagigen Anordnung sollten die Mittel­ punkte der Hohlkugeln innerhalb einer Lage eindimen­ sional betrachtet, auf einer gemeinsamen Achse ange­ ordnet sein.

So kann eine mehrlagige Ausbildung die verschiedenen mechanischen und thermischen Einflußnahmemöglickeiten berücksichtigen.

Es können für die einzelnen Lagen auch Hohlkugeln mit Schalen aus unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt werden, so dass entweder beispielsweise höhere mecha­ nische Festigkeiten, eine erhöhte Wärmeisolation und/oder eine verbesserte Wärmeabfuhr infolge erhöh­ ter Wärmeleitfähigkeit eines solchen für die Schalen von Hohlkugeln eingesetzten Werkstoffes, ausgenutzt werden können.

Die Schalen von erfindungsgemäß einzusetzenden Hohl­ kugeln können zumindest nahezu porenfrei sein, um das Eindringen von Fluid zu verhindern und Gasdichtheit zu gewährleisten.

Bei den vorteilhaft pulvermetallurgisch hergestellten Hohlkugeln sollte eine minimale Porosität der Schalen von 90%, bevorzugt von mindestens 92% und besonders bevorzugt von mindestens 98% erreicht worden sein. Die Porosität der Hohlkugeln kann auch gradiert sein und ausgehend vom Dichtspalt größer werden.

Dabei sollten Ausgangspulver eingesetzt werden, deren mittlerer Korndurchmesser d₅₀ bei maximal 20% der jeweiligen Schalendicke und deren maximaler Durchmes­ ser d₉₅ bei maximal 50% der jeweiligen Schalendicke liegt.

Die Porenfreiheit ist außerdem ein Erfordernis, wenn Hohlkugeln mit erhöhter Wärmeisolation eingesetzt werden, deren Innendruck unterhalb des Atmosphären­ druckes liegt, wobei der Innendruck solcher sogenann­ ter Vakuumkugeln, gegenüber dem Atmosphärendruck deutlich reduziert sein sollte.

Die für erfindungsgemäße Dichtungen einsetzbaren Hohlkugeln können aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sein. So können die für eine Dichtung einge­ setzten Hohlkugeln aus einem jeweils gleichen Werk­ stoff, aber auch, wie bereits erwähnt, aus einer Aus­ wahl mehrerer solcher Werkstoffe, insbesondere bei mehrlagig ausgebildeten Dichtungen bestehen.

So können die Schalen der erfindungsgemäß zu verwen­ denden Hohlkugeln aus hochtemperaturstabilen Metall- Legierungen, wie z. B. Nickel-, Cobalt-, Titan- oder Eisen-Basis-Legierungen gebildet werden.

So ist z. B. eine Eisenlegierung mit 20 Masse-% Cr, 6 Masse-% Al sowie geringen Anteilen an Reaktivelemen­ ten gut geeignet.

So können z. B. unter der Handelsbezeichnung Haynes 214, Hastelloy X oder PM 2000 eingesetzt werden.

Insbesondere ein Anteil von mindestens 4 Masse-% Alu­ minium bei Legierungen oder eines intermetallischen Werkstoffes kann sich vorteilhaft auswirken.

So ist es bei normalen Betriebsbedingungen möglich, dass eine schützende Deckschicht aus Al₂O₃ gebildet wird, die auch bei Abplatzungen wieder regenerativ nachgebildet werden kann. Dieser Effekt kann aber auch bei Hohlkugeln aus Aluminium oder Aluminiumle­ gierungen ausgenutzt werden.

Mit entsprechenden höheren Anteilen von mindestens 4 Masse-% Aluminium oder auch geeigneten Metallen kann aber auch der punktuelle Verbund der jeweiligen eine Dichtung bildenden Hohlkugeln untereinander durch sogenanntes Diffusionsschweißen erreicht wer­ den, wenn die Hohlkugeln überwiegend aus höherschmel­ zenden Komponenten als Aluminium gebildet werden.

Eine solche Diffusionsschweißverbindung der Hohlku­ geln ist aber auch gleichzeitig oder nachfolgend mit einem Träger oder unmittelbar auf einem Stator- oder Rotorteil möglich.

Dabei kann auch in die Grundwerkstoffe, z. B. Eisen- Basis-Legierungen eindiffundiertes Aluminium die Oxi­ dationsbständigkeit erhöhen.

Es können aber auch intermetallische Werkstoffe auf Eisen-, Titan- oder Nickelbasis eingesetzt werden.

In anderer Form, insbesondere unter dem Aspekt einer erhöhten Isolationswirkung, können für die Schalen von Hohlkugeln auch Silicide, bevorzugt Molybdän- oder Wolframsilicid oder Aluminide, wie z. B. Nickel- Aluminid, Titanaluminid oder Eisenaluminid eingesetzt werden.

Mit solchen intermetallischen Werkstoffen kann eine Erhöhung der maximalen Betriebstemperatur und dadurch eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden, was insbesondere bei Gasturbinen wünschenswert ist.

Außerdem soll darauf hingewiesen werden, dass solche intermetallischen Werkstoffe technologisch zwar zur Herstellung von Hohlkugeln geeignet sind. Eine Her­ stellung von an sich bekannten Wabenstrukturen oder auch porösen Strukturen aus solchen intermetallischen Werkstoffen aber zumindest aus Kostengründen ausge­ schlossen ist.

Insbesondere wegen des Wärmeausdehnungsverhaltens eignen sich auch sogenannte Glas-Keramiken, z. B. un­ ter der Handelsbezeichnung Ceran bekannte, für die Herstellung von für Dichtungen verwendbare Hohlku­ geln.

Werden für die Hohlkugeln Metalle, Metall-Legierun­ gen, Keramiken oder die bereits erwähnten intermetal­ lischen Werkstoffe, als Werkstoffe für solche Hohlku­ geln eingesetzt, kann die punktuelle Verbindung der jeweiligen Hohlkugeln durch Sintern und demzufolge mit an sich bekannten Sinterbrücken hergestellt wer­ den.

Bei der Auswahl des jeweiligen Kugelwerkstoffes, sollte jedoch die entsprechende Wärmeausdehnung zum einen unter Berücksichtigung des Werkstoffes, aus dem die jeweiligen Rotorelemente oder der jeweilige Sta­ tor gebildet sind und zum anderen bei Verwendung un­ terschiedlicher Hohlkugelwerkstoffe auch die jeweils verwendeten Werkstoffe für solche Hohlkugeln berück­ sichtigt werden.

Unter anderem sind Herstellungsverfahren für Hohlku­ geln bekannt, bei denen in der Regel unter Zugabe ei­ nes Bindemittels auf einen sphärischen Körper aus ei­ nem polymeren Material ein Überzug, der im Wesentli­ chen aus dem die eigentliche Schale einer Hohlkugel bildenden Werkstoff besteht, ausgebildet wird. Im An­ schluß an eine Trocknung, wird eine weitere Erwär­ mung, die zum Austreiben der Kohlenwasserstoffe durch einen sogenannten Pyrolyseprozess führt, durchgeführt und ein bereits in seinem Inneren hohler Grünkörper kann dann nachfolgend bei weiterer Temperaturerhöhung dicht gesintert werden.

Für die Herstellung von erfindungsgemäßen Dichtungen können aber mehrere Verfahrensschritte miteinander kombiniert werden.

Dies betrifft insbesondere das Sintern, wobei die be­ reits erwähnten Grünkörper entsprechend der später gewünschten Gestaltung der Dichtung zueinander ange­ ordnet und bei einem Sinterprozess sowohl die Schalen der Hohlkugeln dicht und die benachbart zueinander angeordneten Kugeln punktuell miteinander gleichzei­ tig versintert werden können.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die später mit­ einander zu versinternden, die eigentliche Dichtung bildenden Hohlkugeln bereits vor dem eigentlichen Sintern entsprechend zueinander anzuordnen, also den Pyrolyseschritt bereits mit entsprechender Anordnung der einzelnen Hohlkugeln, die zu diesem Zeitpunkt noch die polymeren Kerne beinhalten können, vorzuneh­ men. In diesem Fall können die in diesem Stadium noch verformbaren Hohlkörper gegen eine Forminnenwand mit einer Druckkraft beaufschlagt werden, so dass die später in Richtung auf den zu dichtenden Spalt wei­ senden Oberflächen von Hohlkugeln abgeflacht sind. Gleichzeitig werden durch Erwärmung und Überführung der den Kern bildenden Kohlenwasserstoffe in die Gas­ phase, die Kohlenwasserstoffe ausgetrieben und der Hohlraum im Inneren der Hohlkugeln ausgebildet. Der Sinterprozess kann dann noch innerhalb des Formwerk­ zeuges, aber auch außerhalb von diesem durchgeführt werden.

Neben der Verbindung der Hohlkugeln durch Sintern, können diese auch in anderer Form, z. B. durch Löten oder mit Bindemitteln miteinander verbunden und so die Dichtung in Form gebracht und gehalten werden. Die letztgenannten Verbindungstechniken eignen sich insbesondere für Betriebstemperaturobergrenzen, zu­ mindest unterhalb 1000°C.

Bei der erfindungsgemäßen Dichtung können die einzel­ nen punktuell miteinander verbundenen Hohlkugeln auch zwischen den Hohlkugeln Hohlräume bilden, die eine erhöhte Wärmeisolation bewirken können.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, durch gezielte Anordnung der Hohlkugeln oder durch entsprechend ge­ zielte Auswahl und Anordnung von Hohlkugeln mit ent­ sprechenden Außendurchmessern, solche Hohlräume in Kanalform auszubilden. Diese Kanäle können dann be­ vorzugt als Kühlkanäle, durch die ein entsprechend geeignetes Kühlmedium geführt werden kann, ausgebil­ det sein.

Es ist aber auch denkbar, ein vorgewärmtes Medium durch solche Kanäle zu führen, um durch entsprechen­ den Wärmeaustausch eine Vorwärmung einer erfindungs­ gemäßen Dichtung zu erreichen.

Es besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Dichtung unmittelbar auf einem Rotorelement oder ei­ nem entsprechenden Bereich eines Stators auszubilden, wobei zumindest das punktuelle versintern der einzel­ nen Hohlkugeln, in diesem Fall gleichzeitig, durchge­ führt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Dichtung kann aber auch im Gan­ zen oder als Einzelteile einer solchen Dichtung vorab gesondert hergestellt und ein solches Dichtungsele­ ment oder einzelne Dichtungselemente dann nachfolgend an einer Innenwandung eines Statorgehäuses oder einer äußeren Stirnfläche eines Rotorelementes befestigt werden.

Die Befestigung kann in unterschiedlicher Form er­ reicht werden. So besteht eine formschlüssige Verbin­ dungsmöglichkeit durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung der Dichtung, so dass eine solche Dichtung, beispielsweise in eine im Inneren eines Statorgehäuses ausgebildete, umlaufende Nut einge­ setzt werden kann.

Es sind aber auch Löt-, Schweiß-, Schraub- oder Nietverbindungen sowie ein Aufsintern oder das be­ reits erwähnte Diffusionsschweißen denkbar.

Insbesondere im Hochleistungsbereich betriebene Strö­ mungsmaschinen, bei denen sowohl höhere Betriebstem­ peraturen, wie auch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen statischen und rotierenden Elementen der Strömungsmaschine zu verzeichnen sind, kann eine me­ chanische Bearbeitung bestimmter Oberflächenbereiche eines oder mehrerer Dichtungselemente vorteilhaft sein. Dies betrifft insbesondere die Fläche solcher Dichtungselemente, die in Richtung auf den Dichtspalt weist. Mittels einer entsprechenden zerspanenden Be­ arbeitung kann die gewünschte Maßhaltigkeit herge­ stellt werden. Durch den damit verbundenen Werk­ stoffabtrag werden an dieser Fläche von Dichtungsele­ menten die Schalen der Hohlkugeln teilweise entfernt, so dass dieser Dichtflächenbereich aus in Richtung auf den Dichtspalt offenen Hohlkugelsegmenten gebil­ det werden kann.

Die daraus resultierende Festigkeitsverringerung ist unkritisch.

Die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Dich­ tungen eingesetzten Hohlkugeln können eine sehr ge­ ringe Wandstärke aufweisen, die üblicherweise ≦ 0,5 mm sein kann.

Auch mit diesen kleinen Wanddicken solcher Hohlkugeln kann eine ausreichend hohe Stabilität und Festigkeit erreicht werden. Es können Hohlkugeln mit Außendurch­ messern im Bereich von 0,5 bis 10 mm, bei mehrlagiger Anordnung auch mit aus diesem Bereich ausgewählten unterschiedlichen Durchmesserfraktionen eingesetzt werden.

Der Aufgriff des erfindungsgemäßen Gedankens, nämlich für in Rede stehende Dichtungen punktuell miteinander verbundene Hohlkugeln und/oder Hohlkugelsegmente ein­ zusetzen, können unter Berücksichtigung der unter­ schiedlichen Betriebsbedingungen diesen entsprechende Dichtungskompositionen zur Verfügung gestellt werden.

Durch entsprechend gezielte Variation der Außen- und Innendurchmesser der eingesetzten Hohlkugeln, deren gezielte Anordnung im Verbund ermöglichen Einfluss­ nahmen auf die räumliche Wärmeausdehnung, die Wärme­ leitung und demzufolge auch auf die erreichbare Wär­ meisolation.

Des weiteren besteht die Möglichkeit der Auswahl ent­ sprechend geeigneter Werkstoffe, was insbesondere die mechanische Festigkeit und die thermische Stabilität betrifft.

Außerdem können für die verschiedensten möglichen Einsatzfälle auch die Porosität der Hohlkugelschalen, die Elastizität, die Duktilität und bei Bedarf auch ein gewisses Maß an Sprödheit eingehalten werden.

Für eine Beeinflussung der thermischen Eigenschaften, was insbesondere die Wärmeleitfähigkeit und die Wär­ meisolation betrifft, sind zusätzlich nicht unbedingt Werkstoffe mit hierfür günstigeren Eigenschaften, als Deckschichten, Beschichtungen oder Füllmaterialien erforderlich.

Gegenüber den aus EP 0 976 363 A2 bekannten Waben­ strukturen können mit entsprechend ausgebildeten er­ findungsgemäßen Dichtungen Anstreifdichtelemente er­ halten werden, mit denen der unmittelbare Kontakt von heißen Verbrennungsgasen im Wesentlichen auf den Be­ reich des abzudichtenden Spaltes begrenzt ist und ein Eindringen der heißen Verbrennungsgase in tiefer lie­ gende Bereiche der Dichtung vermieden und die Wärmei­ solationswirkung erhöht werden kann.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher be­ schrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine mehrlagige Anordnung von Hohlkugeln für ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Dichtung, bei der die Hohlkugeln in jeweils benachbarten Lagen versetzt zueinander an­ geordnet sind;

Fig. 2 ein Beispiel für eine mehrlagige Anordnung von Hohlkugeln, bei der die Hohlkugeln in den einzelnen Lagen übereinander angeordnet sind und

Fig. 3 eine mehrlagige Anordnung von Hohlkugeln mit jeweils gradierten Außendurchmessern in den einzelnen Lagen.

Mit den Fig. 1 und 2 sollen Möglichkeiten gezeigt werden, wie für eine erfindungsgemäße Dichtung Hohl­ kugeln mit jeweils gleichen Außendurchmessern in meh­ reren Lagen angeordnet und punktuell miteinander ver­ bunden werden können.

Dabei sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel die Hohlkugeln jeweils benachbarter Lagen, versetzt zu­ einander angeordnet. Dadurch sind die Oberflächenbe­ reiche der einzelnen Hohlkugeln, die mit jeweils be­ nachbarten Oberflächenbereichen weiterer Hohlkugeln berührend miteinander verbunden sind, gegenüber der Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, größer. Dadurch kann eine erhöhte mechanische Festigkeit und eine dichtere Struktur einer so ausgebildeten Dich­ tung, im Vergleich, zu der Anordnung und Verbindung von Hohlkugeln nach Fig. 2 erreicht werden.

Durch die Anordnung und Verbindung von Hohlkugeln, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, bei der die Mittel­ punkte der Hohlkugeln in den einzelnen Lagen sowohl in vesrtikaler, wie auch in horizontaler Richtung je­ weils auf einer Achse liegen, sind die durch die punktuellen Verbindungen betroffenen Oberflächenbe­ reiche der Hohlkugeln kleiner, als bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Dadurch können größere Bereiche der Hohlkugelschalen elastisch verformt werden und dementsprechend ein höheres Maß an Wärmeausdehnung intern innerhalb der Dichtung kompensiert werden.

Des weiteren sind die Hohlräume zwischen den Hohlku­ geln gegenüber dem Beispiel, wie es in Fig. 1 ge­ zeigt ist, vergrößert, so dass auch eine erhöhte Wär­ meisolation erreicht werden kann.

Mit Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Möglich­ keit, für die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Dichtung angedeutet worden.

Hierbei wird die oberste Lage, die in Richtung auf den zu dichtenden Spalt weist, aus Hohlkugeln mit re­ lativ kleinem Außendurchmesser gebildet. Die darun­ terliegenden, nachfolgenden Lagen werden dann aus Hohlkugeln mit jeweils größeren Außendurchmessern ge­ bildet.

Mit den kleineren Außendurchmessern kann in Richtung auf den zu dichtenden Spalt eine dichtere Struktur erreicht werden, die in diesem Bereich häufig ge­ wünscht ist.

Mit den vergrößerten Außendurchmessern in den nach­ folgenden Lagen, kann dann eine verbesserte Wärmeaus­ dehnungskompensation und eine erhöhte Wärmeisolati­ onswirkung erreicht werden.

Claims (30)

1. Dichtung für Strömungsmaschinen, die an Rotor­ elementen und/oder einem Stator angeordnet oder ausgebildet ist, um bei thermischer Wechselbean­ spruchung nahezu konstante Spaltmaßverhältnisse einzuhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung aus punktuell miteinander verbundenen Hohlkugeln und/oder Hohlkugelsegmenten gebildet ist, wobei maximal 25% der Oberfläche der Hohlkugeln einen Kontakt zu jeweils benachbarten weiteren Hohlku­ geln aufweisen.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen den einzelnen miteinander verbundenen Hohlkugeln jeweils zwischen 5 und 25% der Ge­ samt-Hohlkugeloberfläche beträgt.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln min­ destens eine Lage auf einer Dichtfläche eines Rotorelementes und/oder eines Stators bilden.

4. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkugeln mit mindestens zwei unterschiedlichen Außendurchmesser-Fraktionen punktuell miteinan­ der verbunden sind.

5. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrlagigen Ausbildung in den einzelnen Lagen jeweils unterschiedliche Außendurchmesser- Fraktionen von Hohlkugeln miteinander verbunden sind.

6. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeldurchmesser in einer mehrlagigen Aus­ bildung gradiert sind.

7. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugelaußendurchmesser, ausgehend von der in Richtung auf den zu dichtenden Spalt weisenden Lage, von Lage zu Lage vergrößert sind.

8. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrlagiger Ausbildung, in den einzelnen Lagen, die Hohlkugeln aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind.

9. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalen der Hohlkugeln dicht und porenfrei aus­ gebildet sind.

10. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu­ mindest teilweise Hohlkugeln mit gegenüber dem Außendruck reduziertem Innendruck vorhanden sind.

11. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln aus einer Hochtemperatur-Metall- Legierung gebildet sind.

12. Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln aus einer hochwarmfesten Eisen-, Cobalt-, Titan- oder Nickelbasislegierung gebildet sind.

13. Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Chrom und/oder Alu­ minium als Legierungselemente enthalten sind.

14. Dichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Hohlkugelschalen eine Deckschicht aus Al₂O₃ aus­ gebildet ist.

15. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln aus einem intermetallischen Werkstoff gebildet sind.

16. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln aus einem Silicid oder Aluminid ge­ bildet sind.

17. Dichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln aus Molybdän-Silicid gebildet sind.

18. Dichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln aus Titan-, Eisen-, oder Nickel-Aluminid gebildet sind.

19. Dichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlku­ geln aus einer Glas-Keramik gebildet sind.

20. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen den Hohlkugeln Hohlräume ausgebildet sind.

21. Dichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie Kanäle bilden.

22. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung auf den zu dichtenden Spalt weisen­ den Oberflächen von Hohlkugeln abgeflacht ausge­ bildet sind.

23. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus miteinander verbundenen Hohlkugeln gebildete Dichtung an der Innenwandung eines Statorgehäu­ ses befestigbar ist.

24. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung auf den abzudichtenden Spalt offene Hohlkugelsegmente zumindest im Dichtspaltbereich angeordnet sind.

25. Dichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den mitein­ ander verbundenen Hohlkugeln gebildete Dichtung formschlüssig am Statorgehäuse befestigbar ist.

26. Dichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die aus miteinander verbundenen Hohlkugeln gebildete Dichtung, durch Löten, Verschweißen, Vernieten, Verschrauben, Diffusionsschweißen und/oder Versintern am Sta­ torgehäuse befestigbar ist.

27. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln und/oder Hohlkugelsegmente punktuell miteinander versintert oder durch Diffusions­ schweißen miteinander verbunden sind.

28. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Hohlkugel und/oder Hohlkugelseg­ mente kleiner als 0,5 mm ist.

29. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außendurchmesser der Hohlkugeln Außendurchmesser von 0,5 bis 10 mm aufweisen.

30. Dichtung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugelschalen überwiegend geschlossenporig mit einer Porosität von mindestens 90% ausge­ bildet sind.