DE2453150A1

DE2453150A1 - Verfahren zur herstellung der reibflaeche von flachdichtungen

Info

Publication number: DE2453150A1
Application number: DE19742453150
Authority: DE
Inventors: V Durga Nageswar Rao; Yeshwant P Telang
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-11-14
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DE2453150B2; JPS584277B2; GB1474564A; DE2453150C3; CA1037791A; JPS5079852A; US3930071A

Description

FORD-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, 5 KÖLN-DEUTZ, OTTOPLATZ 2

Verfahren zur Herstellung der Reibfläche von Flachdichtungen,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der

Reibfläche an einer insbesondere metallischen Flaehdichtung für den aus keramischem Material bestehenden, trommelförmigen Kern des Drehregenerators von Gasturbinen.

Die vorliegend interessierenden Flachdichtungen sind beispielsweise näher beschrieben in der US-Patentschrift 3 659 86l, die gleichzeitig nähere Ausführungen über den Aufbau von Gasturbinen und speziell die Funktion von deren Drehregenerator enthält. Es ist vorliegend von besonderem Interesse, daß der Kern eines solchen Dreh-

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regenerators gewöhnlich zwei senkrecht zu seiner Drehachse angeordnete Stirnflächen hat, mit denen auf der einen Seite eine im wesentlichen D-förmige Flachdichtung und auf der anderen Seite eine im wesentlichen kreisförmige und mit einem diametral verlaufenden Steg versehene Flachdichtung zusammenwirkt, um zwei Strömungskanäle gegeneinander abzudichten, von denen der eine an einen im wesentlichen kalte Druckluft liefernden Zentrifugalkompressor angeschlossen ist, während der andere Strömungskanal von den relativ heißen Auspuffgasen der Gasturbine durchströmt ist. Diese heißen Auspuffgase werden mittels des Drehregenerators zum Wärmeaustausch mit der kalten Druckluft gebracht, so daß diese in bereits vorgewärmten Zustand der Brennerkammer der Gasturbine zugeleitet wird.

Die an den Stirnflächen des Regeneratorkerns schleifenden Flachdichtungen sind relativ hohen thermischen Beanspruchungen und Druckbeaufschlagungen ausgesetzt, so daß sie gewöhnlich einem raschen Verschleiß unterliegen. Dieser Verschleiß kann dadurch verringert werden, daß man die Flachdichtungen mit einer jeweiligen Reibfläche versieht, die bezüglich des keramischen Materials des Regenerätorkerns einen weitgehend niedrigen Reibungsfaktor hat. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diesen Vorstellungen entsprechende Reibfläche bereitzustellen, damit solche Flachdichtungen einem geringeren Verschleiß unterliegen und folglich entsprechend längere Betriebszeiten erhalten werden, während welcher optimale Dichtungsverhältnisse vorliegen.

Diese Aulgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gemisch eines Polyarylsulfon-Polymeren mit Graphit im Mischungsverhältnis von etwa 35% zu etwa 65 auf die mit

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einem aus einem Pulvergemisch aus etwa 80% Nickel und etwa 20% Chrom bestehenden Haftgrund beschichtete Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht und für wenigstens 15 Minuten bei etwa 120 bis 15O°C getrocknet und anschliessend für etwa eine halbe bis eine Stunde bei etwa 205 bis 260 C ausgehärtet wird, und daß danach für etwa eine halbe bis eine Stunde die Druckbeaufschlagung des Laminats mit einem Druck zwischen etwa

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55 und 105 km/cm vorgenommen wird, an die sich absehliessend ein langsamer Abkühlungsvorgang auf Raumtemperatur uri ein Abschleifen der erhaltenen Reibfläche anschliesst. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Gemisch des Polymeren zusätzlich Bornitrid in dem dann bevorzugten Mischungsverhältnis von etwa 40% des Polymeren zu etwa 40% des Graphits zu etwa 20% des Börnitrids.

Als geeignetes Polymer kommt das unter der Warenbezeichnung "Astrel Polymer 36O" von der Firma Minnesota Mining and Manufacturing Company hergestellte Polymer in Betracht, das auch näher beschrieben ist in der GB-Patentschrift 1 060 546 und in dem Artikel "Polyarylsulfones: Synthesis and Properties¹¹, veröffentlicht in der Zeitschrift "Polymer Preprints", Vol. 10, Nr. 1, Ausgabe April 1969· Bei der Vorbereitung dieses Gemisches geht man am besten so vor, daß zunächst der Graphit und das Bornitrid mittels einer Kugelmühle vermählen und miteinander vermischt werden, und daß dann dieses Pulvergemisch den in einem schnell trocknenden Lösungsmittel gelösten Polymeren hinzugefügt wird, so daß eine Sicke, syrupartige Paste erhalten wird, die man dann beispielsweise mittels einer Spachtel auf die Oberfläche der Flachdichtung aufbringt, auf die zuvor der aus einer Chrom-Nickel-Verbindung bestehende Haftgrund aufgebracht wurde. Die mit diesen beiden Schichtlagen versehene Flachdiehtung wird dann anschliessend der geschilderten Temperatur-

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und Druckbeaufschlagung ausgesetzt, an welche sich schließlich nach der erfolgten Abkühlung auf Raumtemperatur das Abschleifen der Reibfläche anschliesst. Sollte es sich dabei als zweckmässig erweisen, daß die Reibfläche eine grössere Dicke hat, dann kann der Besehichtungsvorgang wiederholt werden.

Erhalten wird eine Flachdichtung, deren Reibfläche einen extrem geringen Reibfaktor bezüglich des keramischen Materials des Regeneratorkerns hat, so daß eine wesentlich verlängerte Standzeit solcher Flachdichtungen erhalten wird. Die Materialeigenschaften der Reibfläche sind dabei so beschaffen, daß auch optimale Dichtungsverhältnisse bestehen, deren Beibehaltung über längere Zeiträume durch die thermische und Druckwiderstandsfähigkeit dieser speziellen Kombination aus den beiden Schichtlagen gewährleistet ist.

Weitere vorteilhafte und zweckmässige Ausbildungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen Ansprüchen erfasst. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 in auseinandergezogenen Perspektivdarstellung den Regenerator einer Gasturbine einschließlich der Flachdichtungen, die am Regeneratorkern anliegen,

Figur 2 in vergrbssertem Maßstab eine Draufsicht auf die eine dieser beiden Flachdichtungen,

Figur 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Figur 2, Figur k einen Schnitt nach der Linie h-h in Figur 2 und Figur 5 einen Querschnitt durch den Reibbelag, welcher die

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erfindungsgemäß hergestellte Reibfläche einer solchen Flachdichtung bildet.

In der Umgebung des vorliegend interessierenden Regenerators einer Gasturbine hat das Turbinengehäuse 10 gewöhnlich zwei im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmige Strömungskanäle l6 und 18, welche durch eine mittlere Trennwand 15 gegeneinander abgetrennt sind. Der eine dieser beiden Strömungskanale ist an einen druckluftliefernden Zentrifugalkompressor angeschlossen, während der andere Strömungskanal von den heißen Auspuffgasen der Gasturbine durchströmt wird, die durch den drehenden Kern 20 des Regenerators zum Wärmeaustausch mit der relativ kalten Druckluft gebracht werden, bevor diese der Brennkammer der Gasturbine zugeleitet wird. An den beiden senkrecht zur Drehachse 22 ausgerichteten Stirnflächen des Regeneratorkerns liegt je eine Flachdichtung 24t bzw. 34 an, welche die beiden Strömungskanäle l6 und 18 gegeneinander abdichten.

Die eine dieser beiden Flachdichtungen 24 besteht aus insgesamt drei Einzelteilen 28, 30 und 32, von welchen sich die beiden im wesentlichen C-förmigen Einzelteile 28 und 30 zu einer Kreisform ergänzen, bezüglich welcher das dritte Einzelteil 32 diametral angeordnet ist. Diese Flachdichtung 24 stützt sich auf einer in der Form angepassten Abstützfläche 26 des TurbinengehäuseslO ab. Die andere Flachdichtung 34 ist im wesentlichen D-förmig ausgeführt, und auch sie hat eine entsprechend geformte Abstützfläche, die an einem nicht dargestellten Deckel des Turbinengehäuses angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist an jeder dieser beiden Flachdichtungen verwirklichbar und sollte an mindestens einer Dichtung verwirklicht sein, um den damit angestrebten Erfolg zu erzielen.

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In den Figuren 3 und 4 ist für die Verhältnisse der Flachdichtung 34 gezeigt, daß diese aus einem metallischen Grundkörper 36 besteht, dessen dem Regeneratorkern 20 zugewandte Oberflache mit dem erfindungsgemässen Reibbelag 38 beschichtet ist, dessen Herstellung nachfolgend näher beschrieben wird. An der Rückseite 40 des halbkreisförmigen Abschnitts dieser Flachdichtung ist eine treppenförmige Abstufung ausgebildet, an welcher eine aus zwei Blattfedern '48 und 50 gebildete Stützkonstruktion angreift, welche nicht nur die Flachdichtung gegen den Regeneratorkern vorspannt, sondern welche auch so angeordnet und ausgebildet ist, daß sie gleichzeitig eine Abdichtungsfimktion zwischen den beiden Strömungskanälen übernehmen kann. Die beiden Blattfedern 48 und 50 sind durch eine Klammer 46 verklammert, welche einerseits an dem metallischen Grundkörper 36 anliegt und andererseits bei 44 die zugeordneten Enden der beiden Blattfedern übergreift. Der Stegteil 52 der Flachdichtung ist gleichartig durch zwei Blattfedern 54 und 56 gegen den Regeneratorkern vorgespannt, wie in Figur 4 gezeigt. Auch hier ist eine solche Anordnung getroffen, daß die beiden Blattfedern 54 und 56 gleichzeitig eine Abdichtungsfunktion übernehmen können.

Zur Herstellung der Reibfläche ist es zunächst erforderlich, daß der metallische Grundkörper 36 sorgfältig gesäubert wird, so daß für seine zu beschichtende Oberfläche keine Oxidationsgefahr besteht. Die Säuberung kann beispielsweise mittels einer Schleifscheibe oder mittels eines Schmirgelpapiers erfolgen, ergänzt durch ein anschliessendes Abwaschen mit einem geeigneten Reinigungsmittel und ein Spülen mit heißem Wasser oder mit Isopropyl-Alkohol, damit alle Fremdstoffe von der zu beschichtenden Oberfläche entfernt sind. Die zu beschichtende Oberfläche sollte daran anschliessend sandgestrahlt werden, vorzugsweise mitte¹s feinkörnigem Keramiksand^

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der zur Verhinderung einer Verschmutzungsgefahr wenigstens alle 50 Stunden erneuert werden sollte. Die Druekbeaufschlagung sollte dabei so geregelt sein, daß unter Vermeidung einer überinässigen Verformung der Dichtung eine grobkörnige Struktur der zu beschichtenden Oberfläche erhalten wird, damit der an dieser unmittelbar anzubringende Haftgrund eine große Haftfähigkeit erhält. Die sandgestrahlte Oberfläche sollte dann nochmals mit Isopropyl-Alkohol abgespült und dann getrocknet werden, und zwar vorzugsweise mit gefilterter und ölfreier Druckluft, um auch dadurch wieder sicherzustellen, daß an der zu beschichtenden Oberfläche keine Fremdstoffe anhaften.

In diesem Zustand kann die zu beschichtende Oberfläche jetzt einem Plasma-Sprühvorgang ausgesetzt werden, der zur Verhinderung einer sich bei jeder Lagerung zwangsläufig wieder einstellenden Verschmutzungsgefahr im unmittelbaren Anschluß an die Sandbestrahlung vorgenommen werden sollte. Der Sprühvorgang sollte damit eingeleitet werden, daß die jeweilige Plachdichtung zuerst mittels Druckluft gekühlt wird, damit während der Grundbeschichtung keine übermässige Temperaturentwicklung eintritt. Auf alle Fälle sollte sichergestellt sein, daß die Flachdichtung eine Temperatur von nicht mehr als etwa 95°C hat.

Die Grundbeschichtung wird mit einem Pulver gemisch aus etwa 80% Nickel und etwa 20 % Chrom vorgenommen. Dabei sollte die Schichtdicke einen maximalen Wert zwischen etwa 0,101 und 0,127 mm nicht übersteigen. Die als Haftgrund dienende Schichtlage ist in Figur 5 mit 58 bezeichnet. Auf diesen Haftgrund wird dann die eigentliche Reibfläche aufgebracht, und zwar vorzugsweise entsprechend der folgenden Angaben.

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Das oben angegebene, handelsübliche Polymer wird für

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etwa 12 Stunden bei etwa 150 C getrocknet. Es wird dann anschliessend in Dimethy1-Azetamid gelöst, um eine Dicke syrupartige Paste zu erhalten. Andererseits werden Bornitrid und Grphit mittels einer Kugelmühle vermählen und das Pulvergemisch wird dann mit dieser Paste zusammengebracht, und zwar in einem Mischungsverhältnis von etwa 40% des Polymeren zu etwa 40% des Graphits zu etwa 20% des Bornitrids. Das resultierende Gemisch sollte ausreichend dünn sein, damit es auf die zu beschichtende Oberfläche mittels einer Spachtel oder mittels eines Pinsels aufgebracht werden kann, wobei es nicht schädlich ist, wenn weiteres Dimethyl-Azetamid zugesetzt wird, mn eine streichfähige Masse zu erhalten^

Üie bereits mit dem Haftgrund an der zu beschichtenden Oberfläche versehene Flachdichtung wird vor der Aufbringung dieser Masse zweckmässig zuerst noch mit einer dünnen Schichtlage des Polymeren versehen, welches dann anschliessend in einem Ofen für etwa 10 Minuten bei etwa 95 C getrocknet werden sollte. Nach der Herausnahme aus dem Ofen und einer Abkühlung auf Raumtemperatur sollte der Schichtkörper dann mit dieser Paste beschichtet und unmittelbar anschliessend für wenigstens 15 Minuten bei etwa 120 bis 15O°C getrocknet werden. An diesen Trocknungsvorgang wird zweckmässig ein Abkühlungsvorgang auf Raumtemperatur angeschlossen und danach eine Lagerung in einer von jeder Feuchtigkeit freien Umgebung. Sollte die Beschichtung der Flachdichtung als zu dünn befunden werden, dann kann in diesem Stadium der BeSchichtungsvorgang so lange wiederholt werden, bis die erwünschte Schichtdicke erhalten ist.

Der Schichtkörper wird dann in eine Pressform eingelegt, in welche zuvor eine grössere Menge des pulverigen Polymers eingebracht wurde, tlas pulverige Polymer kann dabei

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mit einer geringen Menge Isopropyl-Alkohol versetzt sein, um eine gleichinässige Verteilung in der Pressform sicherzustellen. Bei der Presse, in welcher die Pressform anschliessend einer Druckbeaufschlagung von etwa 100 km/cm unterworfen wird, sollte der obere Pressentisch eine Temperatur von etwa 365 C haben, und die Druckbeaufschlagung sollte über etwa 5 bis 15 Minuten andauern und bezüglich der Temperaturbeaufschlagung so geregelt sein, daß eine maximale Temperatur von etwa 38O°C der Pressform auf jeden Fall nicht überschritten wird. Nach dieser Zeitspanne sollte dann die Temperatur der Pressform auf

ο einen Wert von weniger als etwa 230 C abgesenkt werden, wobei die Druckbeaufschlagung beibehalten wird. Ist dieser Temperaturwert erreicht, dann sollte die Pressform der Presse entnommen werden, so daß dann eine rasche Abkühlung praktisch auf Raumtemperatur stattfinden kann. Für diesen raschen AbkühlungsVorgang wird die Flachdichtung zweckmässig der Pressform entnommen.

Wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für diese Druckbeaufschlagung der mit den beiden Schichtlagen beschichteten Flachdichtung eine geschlossene und heizbare Pressform benutzt, dann sollte zur Erzielung einer optimalen QualHätiles Reibbelages für die Einhaltung bestimmter Korngrössen gesorgt werden. So sollte das pulverige Polyarylsulfon-Polymer eine Teilchengrösse von weniger als etwa 100 Mikrons haben, das pulvrige Bornitrid eine Teilchengrösse von weniger als etwa 80 Mikrons und der pulvrige Graphit eine Teilchengrösse von weniger als etwa 70 Mikrons.

Sofern die Reibfläche einer solchen Flachdichtung Betriebstemperaturen von weniger als etwa 250 C ausgesetzt ist, kann auf die Verwendung des Bornitrids verzichtet werden.

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Wird kein Bornitrid verwendet, dann sollte ein Mischungsverhältnis von etwa 35% des Polymeren zu etwa 65 ⁰Jo des Graphits eingehalten werden. Bei diesem Mischungsverhältnis verhindert das Polymer einen Zerfall des Graphits bis zu der angegebenen Temperatur von etwa 350 C, und man kann mit einem Reibungskoeffizienten von etwa 0,02 bei etwa 260 C rechnen, was einer Verschleißrate von etwa einem halben Mikron je einhundert Betriebsstunden entspricht. Dieser Reibungsfaktor erhöht sich auf einen Wert von etwa 0,08 bei einer Betriebstemperatur von etwa 345°C, und gleichzeitig erhöht sich dabei dann die Verschleißrate auf einen Wert von einem Mikron bei einer Betriebszeit von 100 Stunden.

Wird zusätzlich Bornitrid verwendet, dann kann der Reibbelag Temperaturen von etwa 400⁰C aushalten. Bei

ο einer Betriebstemperatur von etwa 380 C ergibt sich dann ein Reibungsfaktor von etwa 0,04 und eine Verschleißrate von einem halben Mikron bei einer Betriebszeit von einhundert Stunden. Bei einer Betriebstemperatur von etwa 400 C erhöht sich dieser Reibungskoeffizient auf einen Wert von 0,06, und auch die Verschleißrate erhöht sich auf einen Wert von insgesamt 3 Mikrons bei derselben Betriebsdauer.

Für eine alternative Ausführungsform der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß das Polyarylsulfon-Polymer enthaltende Gemisch mittels eines Lösungsmittels zu einer Aufschlämmung zu verarbeitung und diese Aufschlämmung dann als dünnes Flächengebilde auf die mit dem Haftgrund versehene Oberfläche der Flachdichtung aufzubringen und anschliessend der Teraperatur-und Druckbeaufschlagung auszusetzen.

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Claims

Ansprüche

IJ Verfahren zur Herstellung der Reibflache an einer insbesondere metallischen Flachdiehtung für den aus keramischem Material bestehenden, trommelförmigen Kern des Drehregenerators von Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch eines Polyarylsulfon-Polymeren mit Graphit im Mischungsverhältnis von etwa 35% des Polymeren zu etwa 65 des Graphits auf die mit einem aus einem Pulvergemisch aus etwa 80% Nickel und etwa 20% Chrom bestehenden Haftgrund beschichtete Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht und für wenigstens 15 Minuten bei etwa 120 bis 150 C getrocknet und anschliessend für etwa eine halbe bis eine Stunde bei etwa 205 tois 260 C ausgehärtet wird, und daß danach für etwa eine halbe bis eine Stunde eine Druckbeaufschlagung des Laminats mit einem

/ 2 Druck zwischen etwa 55 und 105 kg/cm vorgenommen wird, an die sich absehliessend ein Abkühlungsvorgang auf Raumtemperatur und ein Abschleifen der erhaltenen Reibfläche anschliesst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch eines Polyarylsulfon-Polymeren mit Graphit auch Bornitrid im Mischungsverhältnis von etwa kO°/o des Polymeren zu etwa k0% des Graphits zu etwa 20% des Bornitrids enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η nze i chnet, daß das das Polyarylsulfon-Polymer enthaltende Gemisch mittels eines Lösungsmittels zu einer Aufschlämmung verarbeitet wird, die als dünnes Flächengebilde auf die mit dem Haftgrund versehene Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht und danach bei einer Temperatur von weniger als etwa 380 c einer Druckbeaufschlagung

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unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulvrige Polyarylsulfon-Polymer eine Teilchengrösse von etwa 100 Mikrons und weniger, das pulvrige Bornitrid eine Teilchengrösse von etwa 80 Mikrons und weniger und der pulvrige
Graphit eine Teilchengrösse von etwa 70 Mikrons und weniger hat.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Gemisch eines PoIyarylsulfon-Polymeren mit Graphit weiterhin faserige Füllstoffe, wie Glasfasern oder Asbestfasern, enthält.
6. Flachdichtung für den aus keramischem Material bestehenden, trommeiförmigen Kern des Drehregenerators von Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet , daß sie mit einer Reibfläche, hergestellt nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, versehen ist.

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