DE19750516A1

DE19750516A1 - Abreibbare Dichtung

Info

Publication number: DE19750516A1
Application number: DE19750516A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Dr Nazmy; Martin Scheu; Markus Staubli
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-05-20

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer abreibbaren Dichtung mit wärmedämmender und dichtender Funktion nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Aus der DE 30 18 620 C2 sind Dichtungselemente mit Abriebschichten für Hochtemperaturanwendungen in Turbomaschinen bekannt. Die Abriebschichten bestehen aus einer wabenartigen Metallstruktur und einer keramischen Schicht. Die keramische Schicht dient dabei zur Wärmedämmung gegenüber dem Gehäu se, die aus der keramischen Schicht hervorstehende wabenartige Metallstruktur dient als Dichtungselement, in die sich die Schaufelspitzen einlaufen können. Bei modernen Gasturbinen, bei denen die Betriebstemperaturen immer höher gewählt werden, um den Wirkungsgrad zu steigern, müssen diese Dichtungselemente ge kühlt werden, da sie bei Temperaturen über 750 bis 800°C zerstört werden. Durch die zur Kühlung benötigte Kühlluft nimmt jedoch der Wirkungsgrad der thermi schen Strömungsmaschine wieder ab.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer abreibbaren Dichtung der eingangs genannten Art die Dichtung im Bereich der Schaufeln zu verbessern und die Effizienz der Turbomaschine zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, daß die abreibbare Dichtung ein filzähnliches Material, bestehend aus zusammengepreßten und gesinterten intermetallischen Fasern ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch die Verwendung von intermetallischen Fasern die zur Kühlung der Abreibschicht be nötigte Kühlluft deutlich reduziert werden kann. Das auf intermetallischen Fasern basierende filzähnliche Material kann bei Temperaturen von über 1000°C verwen det werden, da die intermetallischen Fasern eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften können zudem durch die gewählte intermetallische Phase gezielt eingestellt und den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Ein weite rer Vorteil ist, daß die hier verwendeten intermetallischen Fasern ein feinkörniges Gefüge und das aus den Fasern hergestellte filzähnliche Material eine einstellbare Porosität aufweist. Dadurch kann die Härte des filzähnliche Materiales so einge stellt werden, daß sie unterhalb derjenigen des sich in sie eingrabenden Mate riales liegt. Dadurch können beispielsweise Kosten zur Rekonditionierung der Laufschaufelspitzen eingespart werden, da die Laufschaufelspitzen nicht mehr von der abreibbaren Dichtung zerstört werden können. Zudem können Kosten bei der Herstellung der Schaufel eingespart werden, da an der Schaufelspitze keine Verstärkungen angeordnet werden müssen. Weiter kann die abreibbare Dichtung aufgrund der obengenannten Vorteile so dick gewählt werden, daß beispielswei se die durch eine sich tief in die Abriebschicht eingrabende Schaufelspitze ver bleibende Spalte zwischen Schaufelspitze und abreibbarem Material viel kleiner als bei herkömmlichen Dichtanordnungen ist. Dadurch wird der Verlust durch die Spalte zwischen rotierenden und feststehenden Teilen verringert und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer axialen Strömungsmaschine dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch eine axiale Strömungsmaschi ne. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente ge zeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In der einzigen Figur ist eine axiale Strömungsmaschine, hier eine Gasturbine, mit einem Rotor 1 und einem den Rotor umgebenden feststehenden Gehäuse 2 dar gestellt. Im Zwischenraum zwischen dem Rotor 1 und dem Gehäuse 2 sind Leit schaufeln 7 und Laufschaufeln 3 angeordnet, die mit einem Fluid in einer Strö mungsrichtung 11 beaufschlagt werden. Die Laufschaufeln 3, umfassend einen Schaufelfuß 5, ein Schaufelblatt 4 und ein Deckband 6 oder eine Schaufelkopf 19, sind mit ihren Schaufelfüßen im Rotor 1 befestigt und drehen sich mit dem Rotor. Die Leitschaufeln 7, umfassend einen Schaufelfuß 9, ein Schaufelblatt 10 und ein Deckband 8, sind mit ihren Schaufelfüßen im Gehäuse 2 befestigt. Am äußeren Ende des Deckbandes 8, auf der dem Rotor 1 zugewandten Seite, ist eine abreibbare Dichtung 17 angeordnet. Gegenüber der Abriebschicht 17, sind auf der Oberfläche des Rotors Dichtstreifen 18 angeordnet, wodurch eine Laby rinthdichtung geschaffen wird. Bei thermischen Dehnungen der Leitschaufeln 7, des Gehäuses 2 und des Rotors 1 verändert sich der Abstand zwischen der Ab riebschicht 17 und den Dichtstreifen 18. Bei großen thermischen Dehnungen streifen die Dichtstreifen 18 die Abriebschicht an, ohne daß die Dichtstreifen 18 beschädigt werden.

Auf dem Deckband 6 der rotierenden Laufschaufeln 3 sind Dichtstreifen 13, hier als Zacken ausgebildet, angeordnet. Gegenüber dem Deckband 6 ist eine weitere Abriebschicht 14 im Gehäuse angebracht, die materialmäßig der Abriebschicht 17 entspricht. Auch hier wird durch die Abriebschicht und die Dichtstreifen eine Labyrinthdichtung gebildet. Bei großen thermischen Dehnungen können die Zac ken 13 die Abriebschicht 14 anstreifen, ohne daß die Zacken 13 beschädigt wer den. Das Deckband und/oder die Dichtstreifen können auch weggelassen wer den, insbesondere bei Gasturbinen, wobei sich dann der Schaufelkopf 19 direkt in die Abriebschicht einläuft.

Durch die aus leicht abreibbarem Material bestehende abreibbare Dichtung 17 wird das Spiel zwischen feststehendem Teil und rotierendem Teil der Strömungs maschine verkleinert. Dadurch wird die Leckage durch die Spalten zwischen fest stehenden und rotierenden Teilen verringert, was zu einer bedeuteten Wirkungs gradverbesserung führt.

Die Abriebschicht besteht aus einem filzähnlichen Material, wie es beispielsweise aus "VDI Bericht 1151, 1995, Metallische Hochtemperaturfasern durch Schmelzextraktion - Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen, Stephani et al., Seite 175ff", bekannt geworden sind. Dort werden Fasern im Schmelzextraktions verfahren hergestellt, die Fasern verpreßt und gesintert. Das so gebildete filzähnliche Material wird als Filter und als Katalysator-Träger verwendet. Erfindungsgemäß wird nun dieses filzähnliche Material aus intermetallischen Fa sern hergestellt und als abreibbare Dichtung verwendet. Dazu werden vorteilhaf terweise intermetallische Phasen auf Eisen- oder Nickelbasis verwendet. Diese weisen eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften auf. Zudem sind die vorgenannten Eigen schaften durch die Wahl der intermetallischen Phase in einem weiten Bereich ein stellbar.

Die abreibbare Dichtung aus intermetallischen Fasern kann nun an die Leit schaufelspitzen oder an das Gehäuse angebracht werden. Die Befestigung kann insbesondere durch Hochtemperaturlöten erfolgen, wobei das Lot natürlich einen höheren Schmelzpunkt als die Anwendungstemperatur in der thermischen Strö mungsmaschine aufweisen muß.

Die im Schmelzextraktionsverfahren hergestellten intermetallischen Fasern wei sen ein feinkörniges Gefüge auf, welches die Sprödigkeit der intermetallischen Phase reduziert. Die Sprödigkeit wird aber nur soweit reduziert, damit ein vorteil haftes abrasives Verhalten bestehen bleibt. Das bedeutet das die Sprödigkeit so eingestellt wird, daß das filzähnliche Material nur dort abgetragen wird, wo bei spielsweise die Schaufelspitze die Abreibschicht berührt.

Die Porosität der abreibbaren Dichtung kann durch die Parameter des Herstel lungsprozesses wie Pressdruck und Sinterparameter eingestellt werden. Ein Vor teil dieser porösen Struktur ist, das die abreibbare Dichtung direkt durch ihre offe ne Porosität gekühlt werden kann, indem Kühlluft durch die abreibbare Dichtung geblasen wird. Durch die Möglichkeit der Kühlung der abbreibbaren Dichtung können die Anwendungstemperaturen der thermischen Strömungsmaschine über den üblichen Verwendungstemperaturen der intermetallischen Phasen liegen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Laufschaufeln können beispielsweise auch ohne Deckbänder und/oder ohne Dichtstreifen ausgebildet werden. Die abreib bare Dichtung kann überall in der thermischen Strömungsmaschine für die Dich tung des Spiels zwischen feststehenden und rotierenden Teilen verwendet wer den.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Gehäuse

3

Laufschaufel

4

Schaufelblatt

5

Schaufelfuß

6

Deckband

7

Leitschaufel

8

Deckband

9

Leitschaufelfuß

10

Leitschaufelblatt

11

Strömungsrichtung

13

Dichtstreifen/Zacken Laufschaufel

14

Abriebschicht Gehäuse

17

Abriebschicht Leitschaufel

18

Dichtstreifen Rotor

19

Laufschaufelkopf

Claims

1. Abreibbare Dichtung (14, 17) mit wärmedämmender und dichtender Funk tion für das Spiel zwischen einem feststehenden (2, 7) und einem rotieren den Teil (1, 3) einer Strömungsmaschine, insbesondere einer axialen Tur bomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die abreibbare Dichtung (14, 17) ein filzähnliches Material, bestehend aus zusammengepreßten und gesinterten intermetallischen Fasern ist.

2. Abreibbare Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallischen Fasern aus einer intermetallischen Phase auf Eisenbasis oder Nickelbasis bestehen.

3. Abreibbare Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abreibbare Dichtung mittels einer offenen Porosität kühlbar ist.

4. Abreibbare Dichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am rotierenden Teil (1, 3) mindestens ein Dichtstreifen (13, 18) ange ordnet ist, der in die auf dem feststehenden Teil (2, 7) angeordnete abreib bare Dichtung (14, 17) eingreift.

5. Abreibbare Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Teil ein Schaufelkopf (19) einer auf einem Rotor (1) befestigten Laufschaufel (3) ist und daß der feststehende Teil die Innen seite eines Gehäuses (2) einer Turbomaschine ist.

6. Abreibbare Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Teil ein Deckband (6) der auf dem Rotor (1) befestigten Laufschaufel (3) ist.

7. Abreibbare Dichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtstreifen (13) des rotierenden Teiles als Zacken ausgebildet ist.

8. Abreibbare Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Teil eine Oberfläche eines Rotors (1) ist und der fest stehenden Teil ein Deckband (8) einer in einem Gehäuse (2) befestigten Leitschaufel (7) einer Turbomaschine ist.

9. Abreibbare Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbomaschine eine Gasturbine ist.