DE19542083C1 - Dichtung für Turbotriebwerke im Bereich der Rotorschaufelspitzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für Turbotriebwerke im Bereich der Rotorschaufelspit­ zen mit einem Deckbandring auf den Schaufelspitzen und gegenüberliegenden, feststehenden Mantelringsegmenten im Gehäuse zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Rotor und Stator.

Eine derartige Dichtung ist aus DE 38 42 710 bekannt. Zur Abdichtung ragen radial nach au­ ßen aus dem Deckbandring scheibenförmige Dichtspitzen, die integral mit dem Deckbandring verbunden sind, heraus, die sich in die gegenüberliegenden, feststehenden Mantelringsegmen­ te im Gehäuse einschleifen und damit die Spaltdichtung optimieren. Derartige Dichtspitzen, wie sie auch aus DE-43 24 755 bekannt sind, schleifen sich beim Anstreifvorgang nicht nur ein, sondern werden dabei mit selbstverstärkender Tendenz und unter Schwächung des mecha­ nisch extrem belasteten Ringmaterials aufgeheizt. Zusätzlich besteht der prinzipielle Nachteil daß beim Anstreifvorgang ein irreversibler Ausrieb der Mantelsegmente im Gehäuse erfolgt, was gleichzeitig zu einer Spaltvergrößerung führt.

Dichtungen, die Schaufeln mit integralen Deckbandsegmenten aufweisen, haben den Nachteil daß im Betrieb eine hohe Unrundheit des Deckbandringes und damit der Dichtspitzen auf dem Deckband auftritt, da die zwangsläufig unter Fliehkraft und Gaslasten stehenden Schaufeln eine periodische Unrundheit des Deckbandes verursachen, so daß Auswölbungen, Stufen und Spalte auf der Lauffläche gegenüber den Mantelsegmenten entstehen, die zu unakzeptablem Verschleiß und zu Leckagen führen.

Bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zwischen Rotor und Stator, wie sie in der Nähe der Wellenlager eines Turbotriebwerks auftreten, haben sich als Spaltdichtungen Bürstendichtun­ gen bewährt. Als Beispiele hierfür sei die Bürstendichtung nach der DE 39 07 614 A1 ange­ führt. Bei einem Anwendungsfall einer Bürstendichtung, wie er sich aus der DE 24 55 195 B1 ergibt, treten jedoch erhebliche Probleme auf, die auf die hohen Relativgeschwindigkeiten zwi­ schen einem Deckbandring und den feststehenden Mantelringsegmenten des Gehäuses zu­ rückzuführen sind. Durch die entstehende große Reibungswärme verglühen die Bürstenhaare.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtung anzugeben, die die Nachteile im Stand der Tech­ nik überwindet und insbesondere eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Turbinentrieb­ werken erzielt, indem der Spalt zwischen Rotor und Stator vermindert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei einer Dichtung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 der Deckbandring radial nach außen eine glatte Deckbandringoberfläche aufweist und von den Schaufeln radial verschieblich gehalten wird und aus den feststehenden Mantel­ ringsegmenten des Gehäuses radial nach innen elastische Lamellenpakete herausragen und Anstreifflächen ausbilden, wobei die Unrundheittoleranz und die Rauhigkeit der radial äußeren Deckbandringoberfläche, die Elastizität des Lamellenpaketes und die Größe der Anstreiffläche jedes Lamellenpaketes derart aufeinander abgestimmt sind, daß ab einer kritischen Relativ­ geschwindigkeit zwischen radial äußerer Deckbandringoberfläche und Anstreiffläche ein aerodynamisches Aufgleiten der Anstreifflächen auf der äußeren Oberfläche des Deckbandrin­ ges erfolgt.

Damit wird vorteilhaft der Spalt zwischen Rotor und Stator auf einen vernachlässigbar dünnen Gasfilm zwischen den aufgleitenden Anstreifflächen und der Ringoberfläche reduziert. Dieser Gasfilm verhindert eine unmittelbare Berührung und Reibung zwischen den elastischen La­ mellen und dem Deckbandring, so daß die Aufheizung der Lamellen und des Deckbandringes vernachlässigbar wird. Die radiale Verschieblichkeit der Schaufelspitzen in dem Deckbandring ist auf den Ausgleich der Wärmedehnungsunterschiede zwischen dem Rotor und seinen Schau­ feln und dem Deckbandring begrenzt. Die Gefahr des Verglühens bei den hohen Relativge­ schwindigkeiten zwischen Schaufelspitze bzw. Deckbandring und gehäuseseitigen Mantel­ ringsegmenten, wie sie beim Übertragen herkömmlicher Dichtungsanordnungen mit Bürsten­ dichtungen auf hohe Umfangsgeschwindigkeiten besteht, ist mit der erfindungsgemäßen Lö­ sung überwunden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung ist die Dämpfungs­ wirkung auf den Rotor. Insbesondere bei Rotoren aus Rotorscheibe mit integral verbundenen Schaufeln, die im Stand der Technik als BLISK bezeichnet werden, ist das Problem der Schwingungsdämpfung mit dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem lösbar, indem die Mas­ se des Deckbandringes und die Elastizität der Lamellen, sowie ihre Verformungsarbeit und ihre Reibarbeit untereinander auf das Schwingungsverhalten des Rotors abgestimmt werden. Die Schwingungen bei herkömmlichen aus Rotorscheibe und Schaufeln mit Schaufelfuß zu­ sammengesetzten Laufrädern werden weitestgehend durch Reibkräfte zwischen Schaufelfuß und Rotorscheibe gedämpft.

Der Deckbandring ist vorzugsweise ein geschlossener selbstragender Ring aus faserverstärkten Materialien. Ein derartiger Ring ist in sich formstabil und nicht an das Ausdehnungsverhalten der Schaufeln gebunden, wie es bei den bekannten Deckbandringen der Fall ist. Damit stellt sich unter Betriebsbedingungen des Turbotriebwerks vorteilhaft eine äußerst geringe Unrund­ heittoleranz ein, die ein frühes Aufgleiten der Anstreifflächen auf der radial äußeren Deck­ bandringoberfläche des glatten Deckbandringes unterstützt, so daß die kritische Drehzahl, bei der das Aufgleiten einsetzt, erreicht wird, bevor die elastischen Bauteile durch übermäßiges Aufheizen mittels Reibungswärme beschädigt werden. Die Faserverstärkung des Deck­ bandringes hat den Vorteil, daß sich bei den unter Betriebsbedingungen auftretenden tangen­ tialen Zugbelastungen der Deckbandring nicht, wie herkömmliche gefügte metallische Deck­ bandsegmente oder Deckbandringe, unzulässig aufweitet, da mit der Faserverstärkung sowohl der Elastizitätsmodul, bezogen auf das Gewicht, als auch die Bruchfestigkeit bezogen auf das Gewicht verbessert werden. Darüberhinaus ist ein Kunststoff als Matrixwerkstoff aufgrund der hohen Betriebstemperatur ungeeignet, so daß nur faserverstärkte Metall- oder Keramikringe den erfindungsgemäßen Anforderungen gerecht werden.

Vorzugsweise wird als Matrixmetall für den faserverstärkten glatten und extrem runden Deck­ bandring der vorliegenden Erfindung eine Titanbasis- oder Aluminiumbasislegierung einge­ setzt. Während ein Deckbandring aus einer Titanbasislegierung ohne Faserverstärkung auf­ grund der Titanfeuergefahr nicht einsetzbar ist, hat der faserverstärkte Deckbandring mit einer Titanbasislegierung den Vorteil, daß faserverstärktes Titan nicht titanfeuergefährdet ist. Die Einsatztemperaturen für Deckbandringe aus faserverstärkten Titanbasislegierungen reichen bis 550°C. Faserverstärkte Deckbandringe mit Aluminiumbasislegierungen als Matrixmetall können bis 400°C eingesetzt werden und wirken sogar titanfeuerhemmend. Die Deckbandrin­ ge aus faserverstärkter Aluminiumbasislegierung haben gegenüber Deckbandringen aus faser­ verstärkter Titanbasislegierung den Vorteil eines verbesserten Elastizitätsmoduls bezogen auf das Gewicht und verbesserter Festigkeitskenndaten bezogen auf das Gewicht.

Der Bezug auf das Gewicht ist von entscheidender Bedeutung, da das Gewicht ein Maß für die Masse ist, die die Fliehkräfte bei hoher Rotationsgeschwindigkeit bestimmt und damit die wirksame tangentiale Zugspannung im Deckbandring festlegt.

Für Betriebstemperaturen bis zu 750°C werden vorzugsweise faserverstärkte Deckbandringe mit intermetallischen Verbindungen als Matrixmetall eingesetzt. Derartige Betriebstemperatu­ ren treten im wesentlichen in Verdichterstufen eines Turbotriebwerks auf. Bei Anwendungs­ fällen, die über den obigen Temperaturbereichen liegen, wie z. B. Turbinenstufen eines Tur­ botriebwerks,sind als Materialien für den Deckbandring faserverstärkte Keramiken zu ver­ wenden.

Um eine verbesserte und minimale Unrundheittoleranz des Deckbandringes zu erreichen, weist das Deckbandring SiC-, B- oder C-Fasern auf. Diese erhöhen die Festigkeit des metal­ lischen Deckbandringes und ermöglichen eine selbsttragende und formstabile Struktur des Deckbandringes unter allen Betriebsbedingungen, so daß ein Aufgleiten der elastischen La­ mellen mit ihren Anstreifflächen begünstigt wird.

Insbesondere besteht der Deckbandring aus einem geschlossenen mit eingebetteten gewickel­ ten Fasern hergestellten Ring einer Titanlegierung. Dazu kann die Faserwicklung kreuzweise und/oder parallel ausgeführt sein. Dieser Ring wird auf seiner radial äußeren Deckbandring­ oberfläche derart poliert, daß sich ein äußerst dünner Gasfilm zwischen den Anstreifflächen der elastischen Lamellen und der radial äußeren Deckbandringoberfläche störungsfrei ausbil­ den kann.

Zur Vergrößerung der Anstreiffläche und zur Erhöhung der Elastizität der Lamellenpakete werden diese radial nach innen in einem Nachlaufwinkel zur Rotationsrichtung zwischen 0 und 60 Grad zur Radialen angeordnet. Das hat den Vorteil, daß ein frühes Aufgleiten begün­ stigt wird. Dabei hat die 0-Grad-Stellung den Vorteil, daß sie gegenüber Drehrichtungsände­ rungen unempfindlich ist und folglich die Gefahr von Beschädigungen bei Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten minimiert ist. Ein Nachlaufwinkel größer 0 Grad hat den Vorteil der Vergrößerung der aerodynamisch wirksamen Aufgleitfläche, so daß sich ein Gleitfilm bei niedrigerer Umdrehungsgeschwindigkeit einstellt, so daß ein Abheben der elastischen Lamel­ len der erfindungsgemaßen Dichtung beim Hochlaufen eines Turbotriebwerks früher einsetzt. Die Gefahr einer Beschädigung der glatten und runden Deckbandringoberfläche wird jedoch bei unbeabsichtigter Drehung in Gegenrichtung größer, da die Wahrscheinlichkeit einer Ver­ spreizung oder Blockade durch die elastischen Elemente beim Drehen in Gegenrichtung mit zunehmendem Nachlaufwinkel wächst.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Mantelringseg­ mente mit elastischen Lamellenpaketen axial hintereinander auf der Breite eines Deckband­ ringes angeordnet. Dadurch können vorteilhaft höhere Druckdifferenzen zwischen den abzu­ dichtenden Räumen bei gleichzeitig geringerer Leckage abgedichtet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Dichtung 10, die einen Spalt 1 zwischen zwei Räumen 2 und 3 unterschiedlichen Druckes in einer Verdichterstufe eines Turbotrieb­ werks abdichtet, wobei der Druck P₂ im Raum 2 höher ist als der Druck P₃ in Raum 3. Die Dichtung 10 ist im Bereich der Rotorschaufelspitzen 4 mit einem Deckbandring 5 auf den Schaufelspitzen 4 und gegenüberliegenden feststehenden Mantelringsegmenten 6 im Gehäuse 20 zur Abdichtung eines Spaltes 1 zwischen Rotor 7 und Stator 8 angeordnet. Der Rotor 7 rotiert im Betrieb um eine Achse 30 in Pfeilrichtung A. Der Deckbandring 5 weist radial nach außen eine glatte radial äußere Deckbandringoberfläche 9 auf und ist nicht mit den Schaufeln 11 integral verbunden sonder wird radial verschieblich gegenüber den Schaufeln im Bereich der Schaufelspitzen 4 gehalten. Aus den feststehenden Mantelringsegmenten 6 des Gehäuses 20 ragen radial nach innen elastische Lamellen 12 heraus. Diese Lamellen 12 bilden Anstreifflä­ chen 13 aus, wobei die Unrundheittoleranz und die Rauhigkeit der radial äußeren Deckband­ ringoberfläche 9, die Elastizität der Bauelemente 12 und die Größe der Anstreiffläche 13 jeder Lamelle derart aufeinander abgestimmt sind, daß ab einer kritischen Relativgeschwindigkeit zwischen radial äußerer Deckbandringoberfläche 9 und Anstreiffläche 13 ein aerodynami­ sches Aufgleiten der Anstreifflächen 13 auf der glatten Oberfläche 9 des Deckbandringes 5 er­ folgt. Die selbsttragenden Eigenschaften des Deckbandringes werden einerseits durch eine Faserverstärkung, die in den metallischen Deckbandring 5 eingebettet ist, und andererseits durch die gleitverschiebliche Lagerung der Schaufelspitzen 4 in Führungsblöcken 14, die radial innerhalb des Deckbandringes 5 befestigt sind, gewährleistet. Vorzugsweise sind die Füh­ rungsblöcke 14 mit der Innenoberfläche des Deckbandringes 15 verklebt, verlötet oder ver­ schweißt. Ein minimaler Spalt 16 zwischen Schaufelspitze 4 und Innenoberfläche des Deck­ bandringes 5 verbleibt, um ein unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten zwischen Schaufelblatt und Deckbandring zuzulassen, ohne den geschlossenen selbsttragenden Deck­ bandring 5 auszuwölben oder in anderer Weise durch die Schaufeln zu verformen, so daß die Unrundheit noch in den zulässigen Grenzen der Unrundheittoleranz für das Aufgleiten beim Betrieb des Turbotriebwerks verbleibt.

Alternativ zu Ausführungsformen mit Titanbasislegierungen oder intermetallischen Verbin­ dungen kann bis zu einer Betriebstemperatur von 400°C der Matrixwerkstoff des faserver­ stärkten Deckbandringes eine Aluminiumbasislegierung sein. Die faserverstärkte Aluminium­ basislegierung hat gegenüber der faserverstärkten Titanbasislegierung den Vorteil, eines noch günstigeren Elastizitätsmoduls bezogen auf das Gewicht, sowie anderer auf das Gewicht bezo­ gener Festigkeitskenndaten.

In einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als Dichtung in Turbinenstufen mit einer Betriebstemperaturen über 750°C eingesetzt wird, ist das Matrix­ material des faserverstärkten Deckbandringes eine Keramik, vorzugsweise aus faserverstärk­ tem Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid.

Claims (9)

1. Dichtung für Turbotriebwerke im Bereich der Rotorschaufelspitzen mit einem Deck­ bandring auf den Schaufelspitzen und gegenüberliegenden, feststehenden Mantelring­ segmenten im Gehäuse zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Rotor und Stator, da­ durch gekennzeichnet, daß der Deckbandring (5) radial nach außen eine glatte Deck­ bandringoberfläche (9) aufweist und von den Schaufeln (11) radial verschieblich gehal­ ten wird und aus den feststehenden Mantelringsegmenten des Gehäuses (20) radial nach innen elastische Lamellenpakete (12) herausragen und Anstreifflächen ausbilden, wobei die Unrundheittoleranz und die Rauigkeit der radial äußeren Deckbandringober­ fläche (9), die Elastizität des Lamellenpaketes (12) und die Größe der Anstreiffläche jedes Lamellenpaketes (12) derart aufeinander abgestimmt sind, daß ab einer kritischen Relativgeschwindigkeit zwischen radial äußerer Deckbandringoberfläche (9) und An­ streiffläche ein aerodynamisches Aufgleiten der Anstreifflächen auf der äußeren Ober­ fläche des Deckbandringes (5) erfolgt.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckbandring (5) ein ge­ schlossener selbstragender Ring aus faserverstärkten Materialien ist.

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern des Deckbandringes (5) SiC-, B- oder C-Fasern sind.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grund­ material eine Titanbasislegierung ist.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gru­ ndmaterial eine Aluminiumbasislegierung ist.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grund­ material eine intermetallische Verbindung ist.

7. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grund­ material Keramik, vorzugsweise aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid ist.

8. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elasti­ schen Lamellenpakete (12) radial nach innen in einem Nachlaufwinkel zur Rotations­ richtung zwischen 0 und 60 Grad zur Radialen angeordnet sind.

9. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere feststehende Mantelringsegmente mit elastischen Lamellenpaketen (12) axial hinter­ einander auf der Breite eines Deckbandringes (5) angeordnet sind.