DE19858031A1 - Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine, die vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung besteht. Nach einem ersten Herstellverfahren werden vorgefertigte Metallschaumsegmente durch Hochtemperaturlöten mit den Wandabschnitten verbunden. Alternativ kann das nicht aufgeschäumte Vormaterial der Anstreifdichtung zunächst mit den Wandabschnitten verbunden und anschließend daran aufgeschäumt werden. Solche Metallschaumdichtungen besitzen ein optimales Dichtverhalten, bei gleichzeitiger Verbesserung der Isolierung der Gehäusestruktur gegen das Heißgas. Durch Einflußnahme auf die Aufschäumparameter ist die Zellstruktur der Anstreifdichtung in bestimmten Grenzen beeinflußbar, so daß die Einlaufeigenschaften, die Umströmungsbehinderung und die Isolierwirkung auf diese Weise bestimmt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer derartigen Anstreif­ dichtung. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 32 35 745 C2 insbe­ sondere auf die EP 0 605 417 B1 sowie auf die US 5,388,959 verwiesen.

Anstreifdichtungen von bzw. in Gasturbinen müssen im wesentlichen zwei Aufgaben erfüllen, nämlich erstens eine Umströmung der einzelnen Lauf­ stufen der Gasturbine verhindern und zweitens die Gehäusestruktur bzw. die das Heißgas in der Gasturbine führenden Wandabschnitte thermisch isolie­ ren bzw. den in die Wandabschnitte übertretenden Wärmestrom derart steu­ ern, daß die thermische Gehäusedehnung simultan zur thermischen Deh­ nung der rotierenden Schaufeln bzw. der diese tragenden Scheiben verläuft. Das sog. Spaltmaß zwischen den Spitzen der Turbinen-Schaufeln und den diese umgebenden Wandabschnitten bzw. der auf den Wandabschnitten vorgesehenen Anstreifdichtung sollte nämlichen über dem gesamten Be­ triebsbereich der Gasturbine so gering als möglich sein, da jede Vergröße­ rung des Spaltmaßes eine Schubverminderung und somit einen reduzierten Wirkungsgrad zur Folge hat.

Diese genannten Anforderungen können mit den bisherigen in Serie befindli­ chen Anstreifdichtungen nicht vollständig erfüllt werden. So sind gut dichten­ de, fein strukturierte Wabendichtungsstrukturen, so wie sie in der eingangs erstgenannten Schrift gezeigt sind, nicht hinreichend gut mit isolierendem Material befüllbar. Gröbere, gut befüllbare Wabendichtungsstrukturen hinge­ gen weisen keine befriedigenden Dichteigenschaften auf. Bekannt sind fer­ ner Metall-Keramik Verbindungen, bspw. zwischen einer Wabendich­ tungsstruktur und deren Füllung, die jedoch insbesondere bei thermozykli­ scher Beanspruchung eine eingeschränkte Lebensdauer zeigen. Ferner exi­ stieren aufgespritzte Dichtschichten (wie bspw. METCO), die jedoch Nach­ teile hinsichtlich des Einlaufverhaltens, der thermischen Isolierung und ihrem Dichtungsverhalten zeigen.

Eine im Hinblick auf die genannten Anforderungen verbesserte Anstreif­ dichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anstreif­ dichtung vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbe­ ständigen Hochtemperaturlegierung besteht. In den Unteransprüchen sind zwei vorteilhafte Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer derar­ tigen Metallschaum-Anstreifdichtung angegeben.

Einfach ausgedrückt ersetzt die hier vorgeschlagene Erfindung die o. g. be­ kannten Dichtsysteme durch einen Metallschaum. Durch die Verwendung einer gleichmäßig aufgeschäumten korrosionsbeständigen Hochtemperatur­ legierung wie z. B. Hastalloy X, IN 601, ODS-Legierungen werden die ge­ nannten Anforderungen in hervorragender Weise erfüllt. Dabei ist die in jün­ gerer Zeit aktuell gewordene Metallschaum-Technologie dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Hierbei wird eine geeignete Metall-Legierung - bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine metallische korrosionsbe­ ständige Hochtemperaturlegierung - mittels bekannter Methoden aufge­ schäumt, so daß sich eine im wesentlichen feine Schaumstruktur bildet, wo­ bei dünne Metallwände eine Vielzahl von Hohlräumen zwischen sich ein­ schließen. Bei einer solchen Aufschäummethode kann bspw. ein Metallpul­ ver mit einem Metallhydrit vermengt und anschließender extrudiert werden, wonach dieses Vormaterial thermisch geschäumt wird. Alternativ ist eine entsprechende Herstellung aus vorgefertigten metallischen Hohlkugeln mög­ lich. Generell wird hierdurch eine vornehmlich geschlossenporig geschäumte Struktur mit hoher Porosität und guten thermischen Isolationseigenschaften gebildet.

Für den vorgeschlagenen Anwendungsfall, nämlich für eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine, vereinigt eine solche Struktur mit hoher Porosität in sich günstige Einlaufei­ genschaften, ein hohes Dichtvermögen und zusätzlich eine gute Wärme­ dämmung in einem einzigen Werkstoff. Vorteilhafterweise läßt sich eine der­ artige Anstreifdichtung auch äußerst einfach fertigen, wobei im eigentlichen Herstellprozeß die Porosität der entstehenden Struktur wie gewünscht ge­ steuert werden kann. Damit wiederum ist es möglich, die Einlauf-, die Dicht- und die Dämmeigenschaften in der gewünschten Richtung zu beeinflussen.

Für die Herstellung einer Gasturbine mit einer Metallschaum-Anstreif­ dichtung gemäß der vorangehenden Beschreibung gibt es zwei besonders geeignete Möglichkeiten. Zum einen können vorgefertigte und dabei geeig­ net geformte Metallschaumelemente durch Hochtemperaturlöten mit den jeweiligen Wandabschnitten verbunden werden. Da dieser Metallschaum eine geschlossenporige Struktur aufweist, ist dieser Metallschaum lötbar.

Das Lot wandert dabei nicht (wie z. B. bei offenporigen Strukturen oder Me­ tallfilzen) durch Kapilarkräfte von der Fügestelle in die Dichtstruktur; so daß der Schaum gut lötbar ist.

Ein alternativer Herstellweg besteht darin, in einem ersten Prozeßschritt das ungeschäumte Vormaterial mit dem jeweiligen Wandabschnitt bzw. mit der Gehäusestruktur zu verbinden und in einem zweiten Prozeßschritt dieses Vormaterial zu schäumen. Danach erfolgt selbstverständlich eine spanende Bearbeitung, um den Metallschaum bzw. die Anstreifdichtung in die ge­ wünschte Form zu bringen.

Gegenüber den bisherigen Lösungen für Anstreifdichtungen führt die Ver­ wendung von Metallschaumdichtungen zu einem besseren Dichtverhalten bei gleichzeitiger Verbesserung der Isolierung der Gehäuestruktur gegen das in der Gasturbine bzw. zwischen den Anstreifdichtungen und den Turbi­ nenschaufeln geführte Heißgas. Dabei führt der relativ einfache Herstellweg zu Kosteneinsparungen. Durch Einflußnahme auf die Aufschäumparameter ist die Zellstruktur der Anstreifdichtung in gewissen Grenzen beeinflußbar, so daß die Einlaufeigenschaften, die Umströmungsbehinderung und die Isolier­ wirkung auf diese Weise bestimmt werden können.

Claims (3)

1. Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufel­ spitzen einer Gasturbine, die vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung be­ steht.

2. Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer Anstreifdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorgefertigte Metallschaumelemente durch Hochtemperaturlöten mit den Wandabschnitten verbunden wer­ den.

3. Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer Anstreifdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht aufgeschäumte Vormaterial der Ansteifdichtung zunächst mit den Wandabschnitten verbunden und anschließend daran aufgeschäumt wird.