DE3235745C2 - Turbinenschaufelabdichtung für Gasturbinenmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelabdichtung für Gasturbinenmaschinen, die von einem Turbinengehäuse getragen wird, mit einem einseitig radial verschlossenen Wabenabdichtungsring, in dem sich die Zellen der Waben im wesentlichen radial erstrecken und die wenigstens teilweise mit einem Isolationsmaterial durch Flammspritzen gefüllt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wabendichtung.

Diese Art von Abdichtungen werden verwendet, um eine Gaspfadabdichtung zwischen den umlaufenden Turbinenschaufeln und einem diese radial unmittelbar umschließenden (feststehenden) Turbinengehäuseabschnitt zu bewirken. Es ist ferner bekannt, daß zwischen den Turbinenschaufelspitzen (sog. Deckbänder) und der Oberfläche der Abdichtung in jedem Betriebszustand der Turbine ein so gering wie möglich zu haltender Spalt vorhanden sein muß, damit ein Kontakt der rotierenden und der feststehenden Teile unterbunden wird, der zu einer Beschädigung der Teile und Beeinträchtigung der Turbinenleistung führen kann. Ein kritischer Zeitpunkt beim Turbinenbetrieb tritt z. B. während der Verzögerung auf, wenn das kühlere Gas über die Abdichtungen und dessen Tragstruktur hinwegtritt und bewirkt, daß diese Strukturen rascher schrumpfen als der die Turbinenschaufeln tragenden rotor, so daß sich die Möglichkeit ergibt, daß sich die Abdichtung und das Deckband berühren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind im Stand der Technik mehrere Vorschläge gemacht worden, wie die Turbinenschaufelabdichtung auszubilden ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 38 371 A1 ist eine Turbinenschaufelabdichtung der oben angegebenen Gattung bekannt, bei der die Abdichtung aus einer entsprechend gekrümmten Metallplatte besteht, auf der eine Honigwabenstruktur als mechanisches Matrixverbindungsmittel für das Isolationsmaterial angeordnet ist. Die Isolationsmaterialfüllung besteht dort aus einer der Haftvermittlung dienenden ersten dünnen Schicht aus NiCrAlY und einer Deckschicht aus einer Keramikmischung, z. B. bestehend aus Zirkonoxid und Magnesiumoxid. Das gewählte Isolationsmaterial stellt sicher, daß die thermischen Gradienten in dem Turbinengehäuse vermindert werden und dadurch der Kontakt zwischen den Schaufeln und der Abdichtung aufgrund thermischer Materialexpansion auf ein Minimum reduziert ist. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist hierbei, daß zur Erzielung der erwünschten geringen Spaltbreite zwischen Abdichtung und Turbinenschaufelspitzen die Abdichtung mit extrem genauen Toleranzen hergestellt werden muß und daher sehr teuer in der Herstellung ist.

Andererseits ist in dem US-Patent 3 126 149 eine Turbinenschaufelabdichtung beschrieben, bei der die Isolation aus einem aufgeschäumten Metall, z. B. Aluminium mit NaSiO₂ besteht. Die dort zur Stützung des Isolationsmaterials verwendete Wabe ist vollständig ausgeschäumt. Die Abdichtung ist so dimensioniert, daß die zu den Turbinenschaufeln weisende Oberfläche beim Erreichen der maximalen Turbinenbetriebstemperatur während der ersten Einsätze mit den Turbinenschaufelspitzen in Berührung kommt und von diesen leicht abgerieben, d. h. eingeschliffen wird.

Während dieses Einschleifens aufgrund des gewählten, aufgeschäumten Materials möglich ist, und somit eine optimale, geringe Spaltbreite erhalten wird ist idese Vorgehensweise bei der Abdichtung gemäß der erwähnten DE 30 38 371 A1 aufgrund des dort als Isolation verwendeten Keramikmaterial weder möglich noch vorgesehen. Andererseits ist das in dem US-Patent erwähnte Material nicht geeignet, eine gute thermische Isolation zu bewirken.

Aus der DE-OS 28 38 250 ist ein Schleifgegenstand bekannt, der einen Metallgrundkörper besitzt, in dem mit Aluminiumoxid überzogene Siliciumcarbidteilchen dispergiert sind. Der Überzug soll die Diffusion oder Auflösung der überzogenen Teilchen in das Grundmetall bei erhöhter Temperatur hemmen, wodurch eine höhere Lebensdauer des Schleifgegenstandes gewährleistet ist. In der Offenlegungsschrift sind als Beispiele solcher Schleifgegenstände Turbinenschaufelspitzen erwähnt, die zur Erzeugung des Spaltes zwischen Abdichtung und Turbinenschaufeln härter und abschleifender als die Abdichtung sein müssen. Die Verwendung eines solchen Materials zur Füllung der Wabenstruktur einer Turbinenschaufelabdichtung würde daher zum einen aufgrund der im wesentlichen aus Metall bestehenden Grundstruktur des Materials keine ausreichende Isolation bewirken und zum anderen eine abriebfeste Füllung bilden, die von den Turbinenschaufelspitzen zur Erzeugung des Dichtungsspaltes nicht eingeschliffen werden könnte.

Aus der offengelegten französischen Patentanmeldung 2 258 524 ist eine Turbinenschaufelabdichtung bekannt, die einen von einer Metallplatte einseitig radial verschlossenen Wabenabdichtungsringabschnitt aufweist, dessen Zellen durch Flammspritzen mit einem abreibbaren Füllmaterial gefüllt sind. Das Füllmaterial besteht aus einer Mischung reinen Nickels und nickel-überzogenen Aluminiumteilchen, die aufgrund des Ni-Überzugs nach dem Flammspritzen eine bessere Haftung untereinander haben. Zwar erlaubt das verwendete Material einen Einschleifvorgang zwischen Abdichtung und Turbinenschaufeln, eine Isolationswirkung wird jedoch in keiner Weise erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Turbinenschaufelabdichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 das Anlauf- oder Einschleifverhalten durch Materialauswahl zu verbessern und die Abdichtung und ihren Träger effektiv voneinander zu isolieren, um das thermische Ansprechen der Teile zu vermindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer gattungsgemäßen Turbinenschaufelabdichtung die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen, und bei einem Verfahren zur Herstellung der gattungsgemäßen, einseitig verschlossenen Wabendichtung die Merkmale des Anspruchs 4.

Durch das Flammverspritzen des aus mit einer Metallegierung vorbeschichteten Bentonitteilchen bestehenden Pulvers wird eine Turbinenschaufelabdichtung geschaffen, welche die erwünschten Isoliereigenschaften sowie bei ausreichender Härte der Beschichtung ein günstiges Einschleifverhalten ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird das isolierende Pulver bis zu erwünschten Dickenabmessung in den Zellen der Wabe durch Flammspritzen abgeschieden. Das bevorzugte isolierende Pulver ist ein NiCrAl beschichtetes Bentonit-Pulver, bei dem die Partikel aus Bentonitkernen bestehen, die mit einer NiCrAl-Legierung beschichtet sind.

Durch die gleichmäßige Auftragung wird eine isolierende Struktur erzeugt, die die erwünschten Eigenschaften aufweist, ohne daß eine weitere Behandlung neben dem Flammspritzen erforderlich ist.

Die Isolation vermindert die Schrumpfungsrate der Abdichtung, und demgemäß die Wahrscheinlichkeit einer Berührung zwischen der Abdichtung und dem Deckband der Turbinenschaufeln. Da die Abstände bzw. Spielräume der Maschine für den obengenannten kritischen Zustand ausgewählt sind und der Spaltabstand durch das Einschleifen erzeugt wurde, ermöglicht die Verwendung dieser Isolierung zudem eine Verminderung der Maschinen- Konstruktionsspiele, wodurch sich eine Maschine höherer Leistung wegen der verminderten Leckage an der Abdichtung vorbei ergeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht durch eine Turbine, wobei die Lage der Wabendichtung dargestellt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht der an der Abdichtung vorgenommenen Beschichtung, und

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Abdichtung.

Gemäß der Fig. 1 sind die Wabenabdichtungen 2 und 4 von einem Dichtungsring 6 getragen, der innerhalb des Turbinengehäuses 8 angeordnet ist. Die Abdichtung 2 weist einen kleineren Durchmesser auf als die Abdichtung 4 auf und steht mit den Deckbändern 10 der Turbinenschaufel 12 im Bereich der voreilenden Ränder dieser Deckbänder im Eingriff. Die Abdichtung 4 weist einen größeren Durchmesser auf und umgibt in enger Nachbarschaft eine zentrale Rippe 14 dieser Deckbänder. Vorzugsweise weisen die Abdichtungen zu den Deckbändern ein minimales Spiel auf, um die Leckage von Gas an diesen Dichtungen vorbei zu vermindern; das Wabenmaterial ist als Abdichtung ausgewählt, da es sich bei einem Kontakt mit den Schaufeldeckbändern während Motor- bzw. Maschinen- Übergangszuständen rasch abnutzt, ohne auf die Turbine nachteilige Einflüsse auszuüben.

Es ist wünschenswert, die Wärmeübertragung von dem durch die Turbine durchtretenden Gas auf die Dichtungen zu vermindern, so daß die Veränderungsrate des Durchmessers der Dichtungen während der Maschinen-Übergangszustände vermindert wird. Wie vorstehend ausgeführt, konnte dies dadurch erfolgen, daß ein isolierendes Material in Pasten- bzw. Breiform manuell in die Wabendichtungen eingepackt wurde. Ein derartiger Vorgang war zeitraubend und führte nicht zu einer gleichförmigen Verteilung der Paste in den Öffnungen der Abdichtung, insbesondere wenn die Dichtungsöffnungen nur teilweise gefüllt werden sollten. Zur Herbeiführung einer besseren und verläßlicheren Isolierung wurde gefunden, daß ein geeignetes Isolierpulver in die Abdichtung hinein flammgespritzt werden kann und der erwünschte gleichförmige Isoliereffekt mit der erwünschten Tiefe der Isolation in den Wabenräumen oder -zellen herbeigeführt werden kann. Überdies bewirkt das Flammspritzen eine bessere Haftung des Isolierungsmaterials mit gleichmäßigeren Isolationseigenschaften. Das Material wird durch das Flammspritzen überdies mit der erwünschten Härte ausgehärtet, so daß eine weitere Wärmebehandlung der Abdichtung mit der dahin befindlichen Isolation vermieden wird. Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, weist die bienenwabenartig gestaltete Turbinenschaufelabdichtung 2 Öffnungen oder Hohlräume 16 auf, die sich in ihr radial erstrecken, wobei die äußeren Enden dieser Hohlräume oder Zellen durch den umgebenden Dichtungsring 18 geschlossen sind. Zur Erzielung der erwünschten Isolation dieser Abdichtung wird ein geeignetes isolierendes Pulver mit den erwünschten isolierenden Eigenschaften mit der erwünschten Tiefe in die Hohlräume oder Zellen hinein flammgespritzt. Bei der speziell dargestellten Abdichtung beträgt die Zellenabmessung 1,59 mm und die Höhe der Wabe beträgt 2,54 mm. Das Pulver wird in die Zellen hinein flammgespritzt, um eine Isolation 28 mit einer Tiefe von 1,27+0,5 mm innerhalb der Zellen zu bilden. Es ist anzumerken, daß diese Abmessungen nur beispielsweise angegeben werden, und daß die Zellengröße oder die Isolationstiefe im Rahmen der Erfindung nicht kritisch sind.

Das bevorzugte Pulver besteht aus Partikeln von Bentonit, mit normalerweise 70 Gew.-% SiO₂ und 20 Gew.-% Al₂O₃; diese Partikel sind mit einer Mischung aus NiCrAl beschichtet, um eine Zusammensetzung in dem Pulver von 1,5 bis 6,5% Chrom, 1,0 bis 6,0 % Aluminium, 18 bis 24% Bentonit und dem Rest Nickel zu erzeugen. Dieses spezielle Pulver liefert eine sehr zufriedenstellende isolierende Beschichtung. Die Abdichtungen werden vorzugsweise vor dem Flammspritzen gereinigt, um eine gute Verbindung mit dem isolierenden Material sicherzustellen; danach wird das Pulver mit einer herkömmlichen Spritzausrüstung versprüht, die die erwünschte Beschichtungsdichte erzeugen kann.

Das isolierende Pulver kann beispielsweise mit einer Flammspritzeinrichtung 20 aufgesprüht werden, die eine Düse 22 aufweist, welche eine Flamme 24 gegen die Abdichtung abgibt. Das Pulver wird über ein Rohr 26 zugeführt, und durch die Düse zum Eintritt in die Flamme und zur Ablagerung auf der Abdichtung abgegeben. Die Düse wird axial relativ bezüglich der Abdichtung und parallel zu deren Oberfläche bewegt, während der Teil zur Ablagerung des Materials rotiert. Die Düse wird auch vorzugsweise axial an der Abdichtung vorbei während der Umfangsbewegung vorbeibewegt, um eine gleichförmige Ablagerung in allen Zellen der Abdichtung sicherzustellen. Die normale Flammspritz-Abscheidung überdeckt einen verhältnismäßig kleinen Bereich und wäre normalerweise nicht weit genug, um die Zellen über die gesamte Breite der Abdichtung ohne diese axiale Bewegung zu füllen. Gemäß der Darstellung wird die Isolation 28 nur von dem unteren Teil der Zelle bis hinauf zur erwünschten Tiefe angebracht. Es wurde gefunden, daß durch Flammspritzen in der beschriebenen Weise im wesentlichen nichts von dem isolierenden Pulver an den Seitenwänden der Abdichtung zwischen der Isolation und dem offenen Ende der Abdichtung anhaftet.

Claims (5)

1. Turbinenschaufelabdichtung, die von einem Turbinengehäuse (18) getragen wird, mit einem einseitig radial verschlossenen Wabendichtungsring (2, 4), in dem sich die Zellen der Waben im wesentlichen radial erstrecken und die wenigstens teilweise mit einem Isoliermaterial (28) durch Flammspritzen gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das flammgespritzte Isoliermaterial (28) aus mit einer Metallegierung vorbeschichteten Bentonit-Tonpartikeln besteht.

2. Turbinenschaufelabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (18) vorgesehen ist, der am äußeren Umfang des Wabendichtungsrings (2, 4) angeordnet ist.

3. Turbinenschaufelabdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (28) aus mit NiCrAl vorbeschichteten Bentonit-Tonmpartikeln besteht.

4. Verfahren zur Herstellung einer von einem Turbinengehäuse getragenen, einseitig verschlossenen Wabendichtung, in der die Zellen der Waben im wesentlichen radial verlaufen und die wenigstens teilweise mit einem Isoliermaterial durch Flammspritzen gefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuspritzende Isoliermaterial aus einem Pulver besteht, das aus Bentonit-Tonpartikeln besteht, die mit einer Metallegierung beschichtet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuspritzende Pulver in Form von Partikeln vorliegt, welche einen Bentonitkern mit einer NiCrAl-Beschichtung haben.