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Gleitdichtung mit hohem Temperaturgradienten Die Erfindung betrifft
eine Gleitdichtung zur gegengeitigen Abdichtung zweier unterschiedlichen Temperaturen
unterliegenden Räumen, insbesondere zur Abdichtung einer umlaufenden Regeneratorscheibe
in einer Gasturbinenanlage, mit wenigstens einem beweglich aber dichtend an einem
Naschinenbauteil aufgehängten eine Dichtfläche des Dichtflächen-Gleitspaltes der
Gleitdichtung tragenden dem Temperaturgefälle zwischen den beiden gegenseitig abzudichtenden
Räumen unterworfenen Dichtkörper. Derartige Dichtungen befinden sich in lebhafter
Entwicklung und eine solche ist z.B. aus der DT-OS 2 230 662 bekannt.
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Ein Erschwernis für eine zuverlässige Funktion dieser Dichtungen ist
bei der Anwendung auf Gasturbinenregeneratoren, daß über die Dichtung hinweg nicht
nur ein
Druckgefälle sondern auch - übrigens in entgegengesetzter
Richtung - ein großes Temperaturgefälle herrscht.
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Dieses Temperaturgefälle führt zu thermisch bedingten Deformationen
der an der Dichtung beteiligten Einzelteile, insbesondere auch des Dichtungkrpers.
Erfahrungsgemäß hebt sich durch den inneren Spannungszustand die Dichtung an der
heißeren Seite von der Gegendichtfläche ab, so daß der Dichtkörper nur noch an der
der Hochdruckseite zugekehrten Längskante anliegt. Dadurch wiederum wird die tatsächliche
Anlagefläche sehr schmal, der Druckgradient im Dichtspalt über die Dichtungsbreite
hinweg sehr groß und demzufolge der Verschleiß der Dichtung und deren Leckage ebenfalls
sehr groß. Beides ist im Hinblick auf die praktische Brauchbarkeit der zugehörigen
Gasturbine sehr nachteilig, da der Wirkungsgrad der Anlage und auch die Reparaturintervalle
zurückgehen bzw. kurzer werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, wie derartige Auswirkungen
des hohen Temperaturgefälles, wenn nicht beseitigt, so doch wenigstens gemildert
werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aufgrund einer
Auswahl von Werkstoffen für den Dichtkörper mit geeigneten Wärmedehnungszahlen der
Wärmeverzug des Dichtkörpers möglichst gering oder gleichmäßig ist.
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ErfindungsgeiSß wird also durch geeignete Materialauswahl oder Naterialkonbination
hinsichtlich des Wärmedehnungsverhaltens des Dichtungskörpers dessen Wärmverzug
möglichst gering bzw. gleichmäßig gehalten, so
daß die thermisch
bedingten Formabweichungen von der Sollform im Zulässigkeitsbereich liegen. Durch
Wahl eines Werkstoffes mit möglichst geringem Wärmedehnungskoeffizienten, vorzugsweise
der unter der Bezeichnung Invarstahl im Handel bekannten Eisen-Nickel-Legierung
mit der Normbezeichnung (DIN 17ovo6) X Ni 36 kann der Wärmeverzug und somit die
Sollformabweichung auch bei starken Temperaturgradienten in zulässigen Grenzen gehalten
werden. Dies Ergebnis kann man aber auch dadurch erreichen, daß wenigstens ein Dichtkörper
der Gleitdichtung aus wärme leitend verbundenen Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
nach folgender Vorschrift aufgebaut ist: a) Jede Materialgrenze verläuft wenigstens
in grober Annäherung entlang einer Linie gleicher Temperatur, b) der jeweilige Wärmeausdehnungskoeffizient
der Materialien ist etwa proportional dem Kehrwert der mittleren bei Betrieb in
den Materialien jeweils herrschenden Temperatur.
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Demnach wird also der funktionsentscheidende, wärmeverzugsempfindliche
Dichtkörper hinsichtlich seines Wärmedehnungsverhaltens nach Maßgabe der stationären
Temperaturverteilung heterogen aufgebaut, um die unterschiedlichen Wärmedehnungen
zu kompensieren. Heiße Stellen des Dichtkörpers werden aus einem Werkstoff mit geringerem
thermischen Dehnungsverhalten und weniger heiße Stellen aus einem Werkstoff höherer
Wärmedehnung hergestellt.
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Dadurch kann trotz einer stark unterschiedlichen Erwärmung des Dichtkörpers
dessen Wärmeverzug gleichmäßig
sein, so daß er sich bei Erwärmung
lediglich geometrisch etwas vergrößert aber nicht deformiert. Die Gleitdichtfläche
verkantet sich daher nicht, sondern liegt breitflächig an der Gegenfläche an. Eine
breite Dctflche tatsächliche mit geringem Druckgradienten und eine geringe/Flächen
pressung sind die angestrebte vorteilhafte Folge davon.
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Die Dichtung ist dadurch funktionssicherer, Leckmengen werden verringert
und die Standzeit der Dichtung erhöht.
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Zur fertigungsmäßigen Vereinfachung kann ein Kompromiß hinsichtlich
des Verlaufes der Materialgrenzen eingegangen werden. Meist sind ja die Dichtungen
im weaentlichen streifenförmig aufgebaut. Die Annäherung des Verlaufes von Materialgrenzen
an den Verlauf von Isothermen ist von der Wirkungsweise her noch genügend genau,
aber fertigungsmäßig günstig, wenn Materialgrenzen parallel zur Streifenlängsrichtung
und/oder zur Dichtfläche verlaufen. Zur Kompensation von Temperaurgradienten in
Streifenlängsrichtung kann vorgesehen sein, daß Materialgrenzen auch quer zur Streifenlängsrichtung
verlaufen.
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Diese können zur Dichtfläche und/oder zur Streifenlängsrichtung geneigt
verlaufen. Eine gute wärmeleitende Verbindung der unterschiedlichen Materialien
bei gleichzeitiger Möglichkeit einer definierten Formgebung bzw. gegenseitigen Abgrenzung
besteht darin, die Materialien des Dichtkörpers untereinander zu verlöten.
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Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
im folgenden näher erlduterm; es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen Regenerator für eine Gasturbine mit ebenen erfindungsgemäßen Dichtungen,
Fig. 2 eine achsparallele Ansieht auf einen Dichtungssatz u n d Fig. 3 einen Querschnitt
durch eine Dichtung gemäß der Linie III-III in Fig. 2.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Regenerator ist eine axial luftdurchlässige
Scheibe 1 (angedeutet durch die Axialschraffur) aus wärmebeständigem Stoff, z.B.
aus Keramik mittels einer Achs 2 drehbar in einem Gehäuse 3 gelagert. Die Scheibe
ist am Außenumfang mit einem Zahnkranz 4 unter Zwischenschaltung einer elastisch
nachgiebigen temperaturbeständigen Zwischenlage 5 versehen und kann über das Ritzel
6 von der Welle 7 aus langsam angetrieben werden. In dem dargestellten Beispiel
münden vier Leitungsanschlüsse (Abgaseintritt 8, Abgasaustritt 9, Lufteintritt lo,
Luftaustritt li), die alle einen jeweils unterschiedlichen Betriebsdruck und eine
unterschiedliche Temperatur aufweisen und von denen zur Vermeidung von Strömungskurzschlüssen
an wenigstens drei Einmündungen eine Abdichtung gegen die Regeneratorscheibw 1 vorhanden
sein muß.
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An dem Leitungsanschluß mit dem höchsten Druck, nämlich dem Lufteintrittsstutzen
lo, an dem die verdichtete Luft unter relativ hohem Druck und niedriger Temperatur
der nichtdargestellten Gasturbine mittelbar zugeführt wird, ist eine Dichtung gegenüber
der Scheibe 1 nicht vorgesehen,
eo daß das Innere des Regeneratorgehäuses
unter dem Lufteintrittsdruck der Luft P1 und somit alle anderen Dichtungen auf der
Außenseite unter dem stets den höchsten Wert von allen anderen Drücken einnehmenden
Druck und der niederen Lufteintrittatemperatur stehen. Im Luftaustrittastutzen 11
herrscht ein geringfügig niedrigerer Druck als im Lufteintritt, nämlich der um den
Druckabfall A p in der Regeneratorscheibe gegenüber dem Lufteintrittsetutzen erniedrigte
Druck. Die Luftauatrittstemperatur liegt relativ des Gaseintrittskanals 8 hoch,
aber noch unterhalb der Maximaltemperatur/ Die Dichtung 12 am Luftaustrittsstutzen
muß also lediglich gegen den relativ geringen äußeren Überdruck /\ p abdichten.
Sie ist aber mit einem relativ hohen Temperaturgefälle beaufschlagt. Gegen die Druckdifferenz
über die Dichtung 12 hinweg muß auch der Dichtungsstoß 15 (sh. Fig. 2) abdichten.
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Die von der Gasturbine zum Regenerator strömenden Abgase stehen unter
einem sehr viel geringeren Druck g als die Frischluft, aber unter sehr hoher Temperatur.
Die vom Regenerator abströmenden Abgase stehen unter einem um den Druckabfall #p
in der Regeneratorscheibe verminderten Druck, aber unter einer relativ niedrigen
Temperatur, die Jedoch über der Zulufttemperatur liegt.
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Die beiden Abgasdichtungen 13 und 14 sind daher auf ihrer Außenseite
von einem sehr viel höheren Luftdruck beaufschlag als von innen und es herrscht
ein von innen nach außen verlaufendes relativ steile Temperaturgefälle, insbesondere
an der Abgaseintrittsdichtung 13. Diese Temperaturgefiille
sind
übrigens über den Umfang hinweg wegen der Drehung der Regeneratorscheibe nicht konstant
(vgl. das angedeutete Temperaturprofil in Fig. 2).
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Die Abgase treten durch die langsam umlaufende Regeneratorscheibe
hindurch und geben dabei ihre Wärme an die Scheibe ab. Damit die erwärmte Scheibe
nur einen möglichst kurzen Übergang von dem abgasbeaufschlagten Bereich in den frischluftbeaufschlagten
Bereich hat, ist die Luftdichtung 12 nicht als geschlossene, sondern (vgl. Fig.
2) als offene halbkreisförmige oder C-förmige Dichtung ausgebildet, die an zwei
Stoßstellen 15 an die geschlossene D-förmige Abgasdichtung angeschlossen ist (sogenannter
D-C-Typ). Über die Stoßstelle 15 und über die Luftdichtung 12 hinweg herrscht -
wie bereits erwähnt - der geringe Druckunterschied p. Grundsätzlich ließe sich eine
solche Abdichtung auch durch andere Kombinationen von Luftaustritts- und Gaseintrittsdichtungen
bewerkstelligen, und zwar durch einen C-I-C-Typ oder durch einen i-Typ Die grundsätzlich
streifenförmig verlaufende Dichtung ist gemäß dem Querschnitt der Fig. 3 aufgebaut.
Auf der glattgeschliffenen Stirnfläche 16 der Regeneratorscheibe liegt ein mit einem
schichtförmigenGleitdicht werkstoff 17 versehener Dichtkörper 18 auf. Zwischen der
Scheibenoberfläche 16 und dem Dichtkörper entsteht der Gleitdichtflächenspalt 22.
An dem Dichtkörper ist ein Blechbauteil 19 entlang eines schmalen Streifens 20 dichtend
befestigt. Das Blechbauteil besteht im wes tlichen
aus einer kragenartigen
federelastischen Blechmembran, die sich von der Niederdruckseite (Befestigungskante
20) schräg zur Dichtebene 22 über den Zwischenraum zwischen der Regeneratorscheibe
i bzw. dem Dichtkörper 18 einerseits und dem Gehäuse 3 andererseits hinweg von der
Nieder- zur Hochdruckseite erstreckt. Durch diese Membran wird der Dichtkörper 18
am Gehäuse 3 abgestützt.
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Der Dichtkörper 18 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im
Querschnitt in fünf verschiedene durch Löten wärmeleitend miteinander verbundene
Einzelbestandteile 23, 24, 25, 26 und 27 unterschiedlichen Temperaturdehnungsverhaltens
aufgeteilt. Die rechte Seite des Dichtkörpers 18 und die Oberseite der Befestigungsleiste
20 sind der hohen Abgastemperatur T g ausgesetzt; die linke Seite des Dichtkörpers
unter der Membran 19 ist der geringen Frischlufttemperatur T1 ausgesetzt. Die dem
Gleitspalt zugekehrte Dichtkörperunterseite ist von rechts nach links einem Wärmegefälle
von Tg nach T1 unterworfen, das sich auf die ganze Gleitspaltbreite verteilt. Der
Temperaturgradient ist daher nicht besonders hoch. Auf der Dichtkörperoberseite
ist ein entsprechendes Temperaturgefälle zu beobachten, welches sich jedoch auf
der rechten Seite im Bereich der Befestigungsfläche 20 zusammendrängt.
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Folgendes angenommene in Tabellenform aufgestelltes Beispiel soll
die erfindungsgemäße Lehre veranschaulichen:
| Teil mittlere Tem- erf.mittl.Temperatur- Dehnung in |
| peratur darin dehnungskoeffizient in |
| in Grad Celsius #10-7m# #10-3m# |
| m°C m |
| 24 200 265 53 |
| 23 300 177 53 |
| 25 500 1o6 53 |
| 26 6oo 88 53 |
| 27 700 76 53 |
Durch die Wahl der Wärmedehnungszahlen so, daß sie proportional zum Kehrwert der
entsprechenden Temperaturen sind, ist überall die Wärmedehnung, nämlich das Produkt
aus Temperatur und Wärmedshnungszahl gleich groß, d.h.
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der Dichtkörper dei sich trotz örtlich stark unterschiedlicher Erwärmung
überall gleichmäßig aber geometrisch gleichbleibend und die Sollformabweichungen
sind vernachlässigbar.
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Die Materialgrenzen 28 sind wenigstens in grober Annäherung parallel
zu Linien gleicher Temperatur angeordnet (vgl. auch Fig. 2). Mit Rücksicht auf eine
fertigungsgünstige Gestaltung sind die Materialgrenzen parallel zu den Seifen des
im wesentlichen streifenförmigen Dichtkörpers 18 gelegt. Es können auch Materialgrenzen
rechtwinklig quer (29) oder geneigt (3o) zur Streifenlängsrichtung angeordnet werden,
um auch unterschiedlichen Temperaturverteilungen in Streifenlängsrichtung (vgl.
die
von der Drehrichtung 31 der Regeneratorscheibe abhängigen Temperaturprofile
32 und 33) Rechnung tragen zu können.