DE2453150B2

DE2453150B2 - Verfahren zur Herstellung der Gleitfläche von Flachdichtungen

Info

Publication number: DE2453150B2
Application number: DE2453150A
Authority: DE
Inventors: V. Durga Nageswar Woodhaven Rao; Yeshwant P. Grosse Ile Telang
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-11-14
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1981-02-05
Also published as: US3930071A; DE2453150A1; JPS5079852A; GB1474564A; DE2453150C3; CA1037791A; JPS584277B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der Gleitfläche an einer metallischen Flachdichtung für den aus keramischen Material bestehenden, trommeiförmigen Kern des Drehregenerators von Gasturbinen.

Die vorliegend interesssierenden Flachdichtungen sind beispielsweise beschrieben in der US-PS 36 59 861, die auch nähere Ausführungen über den Aufbau von Gasturbinen und speziell die Funktion von deren Drehregenerator enthält. Es ist für die Erfindung von besonderem Interesse, daß der Kern eines solchen Drehregenerators zwei senkrecht zu seiner Drehachse angeordnete Stirnflächen aufweist, 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

ίο 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 die Flachdichtungen mit einer Gleitfläche versehen werden, die bezüglich des keramischen Materials des Regeneratorkerns einen weitgehend niedrigen Reibungsfaktor hat Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diesen Vorstellungen entsprechende Gleitfläche bereitzustellen, damit solche Flachdichtungen einem geringeren Verschleiß unterliegen und folglich entsprechend längere Betriebszeiten bei optimalen Dichtungsverhältnissen erhalten.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gemisch eines Polyarylensulfon-Polymeren mit Graphit im Mischungsverhältnis von 35% zu 65% auf die mit einem aus einem Pulvergemisch aus 80% Nickel und 20% Chrom bestehenden Haftgrund beschichtete Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht und für wenigstens 15 Minuten bei 120 bis 150° C getrocknet und anschließend für eine halbe bis eine Stunde bei 205 bis 260° C ausgehärtet wird, und daß danach für eine halbe bis eine Stunde die Druckbeaufschlagung des Laminats mit einem Druck zwischen 55 und 105 kg/cm² vorgenommen wird, an die sich abschließend ein Abkühlungsvorgang auf Raumtemperatur und ein Abschleifen der erhaltenen Gleitfläche anschließt Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung enthält das Gemisch 40% Polyarylensulfon-Polymeres, 40% Graphit und 20% Bornitrid.

Als Polymeres eignet sich insbesondere das unter der Warenbezeichnung »Astrel Polymer 360« von der Firma Minnesota Mining and Manufacturing Company hergestellte Polymere, das auch in der GB-PS 10 60 546 und in dem Artikel »Polyarylsulfones: Synthesis and Properties«, veröffentlicht in der Zeitschrift »Polymer Preprints«, Vol. 10, Nr. 1, Ausgabe April 1969, beschrieben ist. Bei der Vorbereitung dieses Gemisches geht man so vor, daß zunächst der Graphit und das Bornitrid mittels einer Kugelmühle vermählen und miteinander vermischt werden. Dieses Pulvergemisch wird dann dem in einem schnell trocknenden Lösungsmittel gelösten Polymeren hinzugefügt, so daß eine dicke, syrupartige Paste erhalten wird, die beispielsweise mittels einem Spachtel auf die Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht wird, auf die zuvor der aus einer Chrom-Nickel-Verbindung bestehende Haftgrund aufgebracht wurde.

Die mit diesen beiden Schichtlagen versehene Flachdichtung wird dann anschließend der geschilderten Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgesetzt, an welche sich schließlich nach der erfolgten Abkühlung auf Raumtemperatur das Abschleifen der Gleitfläche anschließt. Sollte es sich dabei als zweckmäßig erweisen, daß die Gleitfläche eine größere Dicke hat, dann kann der Beschichtungsvorgang wiederholt werden.

Erhalten wird eine Flachdichtung, deren Gleitfläche

einen extrem geringen Reibfaktor bezüglich des keramischen Materials des Regeneratorkerns hat, so daß eine wesentlich verlängerte Standzeit solcher Flachdichtungen erhalten wird Die Materialeigenschaften der Gleitfläche 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 isL

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 3 bis 6 erfaßt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in auseinandergezogene Perspektivdarstellung den Regenerator einer Gasturbine einschließlich der Rachdichtungen, die am Regeneratorkern anliegen,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Draufsicht auf die eine dieser beiden Flachdichtungen,

Fig. 3einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fi g. 2, F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 2 und

F i g. 5 einen Querschnitt durch den Belag, der die Gleitfläche einer solchen Flachdichtung bildet.

Für die Einbauverhältnisse des Regenerators einer Gasturbine ist vorliegend von Interesse, daß das Turbinengehäuse 10 zwei im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmige Strömungskanäle 16 und 18 aufweist, welche durch eine mittlere Trennwand 15 gegeneinander abgetrennt sind. Der eine dieser beiden Strömungskanäle 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 Regeneratorskerns liegt je eine Flachdichtung 24 bzw. 34 an, welche die beiden Strömungskanäle 16 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. Das dritte Einzelteil 32 ist dazu diametral angeordnet. Die Flachdichtung 24 stützt sich auf einer in der Form angepaßten Abstützfläche 26 des Turbinengihäuses 10 ab. Die andere Flachdichtung 34 ist im wesentlichen D-förmig ausgeführt. Auch für sie ist eine entsprechend geformte Abstützfläche an einem nicht dargestellten Deckel des Turbinengehäuses vorgesehen. Die Erfindung ist an jeder dieser beiden Flachdichtungen zu verwirklichen und sollte für mindestens eine Dichtung vorgesehen sein.

In den Fig.3 und 4 ist für die Flachdichtung 34 ^r>5 gezeigt, daß die dem Regeneratorkern 20 zugewandte Oberfläche eines metallischen Grundkörpers 36 mit einem Belag 38 beschichtet ist, dessen Herstellung nachfolgend näher beschrieben wird. An der Rückseite 40 des halbkreisförmigen Abschnitts dieser Flachdich- «> tung ist eine treppenförmige Abstufung 42 ausgebildet, an welcher eine aus zwei Blattfedern 48 und 50 gebildete Stützkonstruktion angreift, welche die Flachdichtung gegen den Regeneratorkern vorspannt und so angeordnet und ausgebildet ist, daß sie auch die beiden t>> Strömungskanäle gegeneinander abdichtet. Die beiden Blattfedern 48 und 50 sind durch eine Klammer 46 verklammert, welche an dem metallischen Grundköder 36 anliegt und bei 44 die zugeordneten Enden der beiden Blattfedern übergreift Auch Stegteil 52 der Flachdichtung ist durch zwei Blattfedern 54 und 56 gegen den Regeneratorkern vorgespannt, wobei die beiden Blattfedern 54 und 56 ebenfalls eine solche Abdichtung der beiden Strömungskanäle bewirken.

Zur Herstellung der Gleitfläche muß zuerst der metallische Grundkörper 36 sorgfältig gesäubert werden, so daß für die 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 mittels feinkörnigem Keramiksand, der zur Verhinderung einer Verschmutzungsgefahr wenigstens alle 50 Stunden erneuen werden sollte. Die Druckbeaufschlagung sollte so geregelt sein, daß unter Vermeidung einer übermäßigen 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-Alkoho! abgespült und dann getrocknet werden, und zwar vorzugsweise mit gefilterter und ölfreier Druckluft, um auch dadurch sicherzustellen, daß an der zu beschichtenden Oberfläche keine Fremdstoffe anhaften.

In diesem Zustand kann die zu beschichtende Oberfläche 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 Flachdichtung 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 95° C hat.

Die Grundbeschichtung wird mit einem Pulvergemisch aus 80% Nickel und 20% Chrom vorgenommen. Dabei sollte die Schichtdicke einen maximalen Wert zwischen 0,101 und 0,127 mm nicht übersteigen. Die als Haftgrund dienende Schichtlage ist in F i g. 5 mit 58 bezeichnet. Auf diesen Haftgrund wird dann die eigentliche Gleitfläche aufgebracht

Das oben angegebene, handelsübliche Polymere wird für 12 Stunden bei 150⁰C getrocknet. Cs wird dann anschließend in Dimethyl-Azetamid gelöst, um eine dicke syrupartige Paste zu erhalten. Ein mittels einer Kugelmühle vermahlenes Pulvergemisch aus Bornitrid und Graphit wird dann mit dieser Paste vermischt, wobei das Gemisch 40% Polymeres, 40% Graphit und 20% Bornitrid enthält. Das Gemisch sollte ausreichend dünn sein, damit es auf die zu beschichtende Oberfläche mittels einem Spachtel oder mittels eines Pinsels aufgebracht werden kann, wobei es nicht schädlich ist, wenn weiteres Dimethyl-Azetamid zugesetzt wird, um eine streichfähige Masse zu erhalten.

Die 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 10

Minuten bei 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 120 bis 15O⁰C 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 zu dünn ausfallen, dann kann in diesem Stadium der Beschichtungsvorgang so lange wiederholt werden, bis die erwünschte Schichtdikke erhalten ist.

Der Schichtkörper wird dann in eine Preßform eingelegt, in welche zuvor eine größere Menge des pulvrigen Polymeren eingebracht wurde. Das pulvrige Polymere kann dabei mit einer geringen Menge Isopropyl-Alkohol versetzt sein, um eine gleichmäßige Verteilung in der Preßfrom sicherzustellen. Bei der Presse, in welcher die Preßform anschließend einer Druckbeaufschlagung von 100 km/cm² unterworfen wird, sollte der obere Pressentisch eine Temperatur von 365° C haben. Die Druckbeaufschlagung sollte über 5 bis 15 Minuten andauern. Die Temperaturbeaufschlagung sollte so geregelt sein, daß eine maximale Temperatur von 380° C der Preßform auf jeden Fall nicht überschritten wird. Nach dieser Zeitspanne sollte dann die Temperatur der Preßform auf einen Wert von weniger als 230°C abgesenkt werden, wobei die Druckbeaufschlagung beibehalten wird. Ist dieser Temperaturwert erreicht, dann solte die Preßform der Presse entnommen werden, so daß dann eine rasche Abkühlung 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 sollten zur Erzielung einer optimalen Qualität des Belages bestimmte Korngrößen eingehalten werden. Das pulvrige Polyarylsensulfon-Polymere sollte eine Teilchengröße von weniger als 100 μηι, das pulvrige

: 5crnif^;d eine Teilchengröße von we"^·· als 8f> yv und der pulvrige Graphit eine Teilchengröße von weniger als 70 μιτι haben.

Sofern die Gleitfläche einer solchen Flachdichtung Betriebstemperaturen von weniger als 250°C ausgesetzt ist, kann auf die Verwendung des Bornitrids verzichtet werden. Wird kein Bornitrid verwendet, dann sollte ein Mischungsverhältnis von 35% des Polymeren zu 65% des Graphits eingehalten werden. Bei diesem Mischungsverhältnis verhindert das Polymere einen Zerfall des Graphits bis zu der angegebenen Temperatur von 350° C. Es ergibt sich dabei Reibungskoeffizient von etwa 0,02 bei 260° C, was einer Verschleißrate von etwa einem 'Λμιτι/ΙΟΟ Betriebsstunden entspricht. Dieser Reibungsfaktor erhöht sich auf etwa 0,08 bei einer Betriebstemperatur von 345°C, und gleichzeitig erhöht sich dabei dann die Verschleißrate auf einen Wert von 1 μπι/100 Betriebsstunden.

Wird zusätzlich Bornitrid verwendet, dann kann der Belag Temperaturen von 400⁰C aushalten. Bei einer Temperatur von 380°C ergibt sich dann ein Reibungsfaktor von etwa 0,04 und eine Verschleißrate von ^xh μπι/100 Betriebsstunden. Bei einer Temperatur von 400° C erhöht sich dieser Reibungskoeffizient auf einen Wert von 0,06 und die Verschleißrate auf 3 μπι/100

jo Betriebsstunden.

Bei einer alternativen Ausbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß das das Polyarylensulfon-Polymere enthaltende Gemisch mittels eines Lösungsmittels zu einer Aufschlämmung verarbeitet und diese

v, Aufschlämmung dann als dünnes Flächengebilde auf die mit dem Haftgrund versehene Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht und anschließend der Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zur Herstellung der Gleitfläche an einer metallischen Flachdichtung für den aus keramischen Material bestehenden, trommeiförmigen Kern des Drehregenerators von Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch eines Polyarylensulfon-Polymeren mit Graphit im Mischungsverhältnis von 35% des Polymeren zu 65% des Graphits auf die mit einem aus einem Pulvergemisch aus 80% Nickel und 20% Chrom bestehenden Haftgrund beschichtete Oberfläche der Flachdichtung aufgebracht und für wenigstens 15 Minuten bei 120 bis 150° C getrocknet und anschließend für eine halbe bis eine Stunde bei 205 bis 260° C ausgehärtet wird, und daß danach für eine halbe bis eine Stunde eine Druckbeaufschlag^ing des Lf.minats mit einem Druck zwischen 55 und 105 kg/cm² vorgenommen wird, an die sich abschließend ein AbkübJungsvorgang auf Raumtemperatur und ein Abschleifen der erhaltenen Gleitfläche anschließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 40% Polyarylensulfon-Polymeres, 40% Graphit und 20% Bornitrid enthält
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das das Polyarylensulfon-Poiymere 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 380⁰C einer Druckbeaufschlagung unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulvrige Polyarylensulfon-Polymere eine Teilchengröße von 100 μίτι und weniger, das pulvrige Bornitrid eine Teilchengröße von 80 μπι und weniger und der pulvrige Graphit eine Teilchengröße von 70 μπι und weniger Kat.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch eines Polyarylensulfon-Polymeren mit Graphit zusätzlich Glasfasern oder Asbestfasern enthält.
6. Verwendung der nach den Ansprüchen 1 bis 5 hergestellten Reibfläche als Flachdichtung für den aus keramischen Material bestehenden trommeiförmigen Kern des Drehgenerators von Gasturbinen.