DE3537044A1

DE3537044A1 - Bogenfoermiges wand- und dichtsegment fuer eine axialstroemungsmaschine

Info

Publication number: DE3537044A1
Application number: DE19853537044
Authority: DE
Inventors: Robert H. Glastonbury Conn. Weidner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-10-17
Publication date: 1986-06-26
Anticipated expiration: 2005-10-18
Also published as: IL76660A0; GB2169037A; IT8522684A0; FR2575224B1; JPS61157704A; CH669976A5; SE8505156L; SE458624B; JPH0689654B2; IT1186037B; DE3537044C2; GB8524592D0; IL76660A; US4650395A; FR2575224A1; CA1235070A; GB2169037B; SE8505156D0

Description

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UnserZeichen/Ourref. U 896 Datum/Date 17.10.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Bogenförmiges Wand- und Dichtsegment für eine Axialströmungsmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen, die einen Strömungsweg für Arbeitsmediumgase haben. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kranz von Wandsegmenten, wie beispielsweise die bogenförmigen Dichtsegmente einer äußeren Luftabdichtung, welche sich umfangsmäßig um eine Achse der Maschine erstrecken, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken. Die Erfindung wurde zwar während Arbeiten auf dem Gebiet der Axialgasturbinentriebwerke gemacht, sie findet jedoch auch Anwendung auf anderen Gebieten, bei denen umlaufende Maschinen benutzt werden.

Ein Axialgasturbinentriebwerk hat typisch einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch diese Abschnitte des Triebwerks. Eine Stator- oder Leitradbaugruppe erstreckt sich um den ringförmigen Strömungsweg, um die Arbeitsmediumgase zu

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dem Ströraungsweg zu leiten und auf diesen zu beschränken.

Wenn die Gase auf dem Strömungsweg strömen, werden sie in dem Verdichtungsabschnitt unter Druck gesetzt und in dem Verbrennungsabschnitt mit Brennstoff verbrannt, wodurch den Gasen Energie zugeführt wird- Die heißen, unter Druck stehenden Gase expandieren in dem Turbinenabschnitt, um nutzbare Arbeit zu erzeugen. Ein Hauptteil dieser Arbeit wird als Ausgangsleistung benutzt, beispielsweise zum Antreiben einer Freifahrturbine oder zum Erzeugen von Schub für ein Flugzeug.

Ein verbleibender Teil der durch den Turbinenabschnitt erzeugten Arbeit wird nicht als Ausgangsleistung benutzt. Stattdessen wird dieser Teil der Arbeit innerhalb des Verdichtungsabschnitts des Triebwerks zum Verdichten der Arbeitsmediumgase benutzt. Das Triebwerk ist mit einer Rotoroder Laufradbaugruppe zum Übertragen dieser Arbeit von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt versehen. Die Rotorbaugruppe hat Kränze von Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt zum Empfangen von Arbeit aus den Arbeitsmediumgasen. Die Laufschaufeln haben Flügelprofilteile, welche sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken und in bezug auf die ankommende Strömung abgewinkelt sind, um Arbeit aus den Gasen zu empfangen und die Rotorbaugruppe um die Drehachse anzutreiben. Die Statorbaugruppe hat Kränze von Leitschaufeln, die sich einwärts über den Arbeitsmediumströmungsweg zwischen den Kränzen von Laufschaufeln erstrecken. Die Leitschaufeln leiten die ankommende Strömung unter einem gewünschten Winkel zu den Laufschaufeln.

Die Statorbaugruppe weist weiter ein äußeres Gehäuse und Kränze von Wandsegmenten auf, die an dem äußeren Gehäuse befestigt sind und sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken. Die Wandsegmente sind an dem Arbeits-

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mediumströmungsweg angeordnet/ um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken. Diese Wandsegmente haben radiale Flächen, die gegenseitigen Umfangsabstand aufweisen, so daß zwischen ihnen eine Spalt C vorhanden ist. Dieser Spalt ist vorgesehen, um Änderungen im Durchmesser des Kranzes von Wandsegmenten aufgrund von Betriebsbedingungen des Triebwerks aufzunehmen, wenn das äußere Gehäuse erhitzt wird und sich ausdehnt oder abgekühlt wird und sich zusammenzieht.

Ein Beispiel eines Kranzes von Wandsegmenten ist eine äußere Luftabdichtung. Die äußere Luftabdichtung ist Teil der Statorbaugruppe des Triebwerks und besteht typisch aus mehreren bogenförmigen Dichtsegmenten. Die äußere Luftabdichtung umgibt die Laufschaufeln, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken. Die Statorbaugruppe weist weiter ein Triebwerksgehäuse, wie beispielsweise ein äußeres Gehäuse, und ein einzelnes Gebilde, wie beispielsweise einen stromaufwärtigen Halter und einen stromabwärtigen Halter, zum Abstützen der Dichtsegmente der äußeren Luftabdichtung an dem äußeren Gehäuse auf. Die Dichtsegmente erfassen diese Halter mit einem Paar Flanschen. Das äußere Gehäuse und die Halter positionieren die Dichtsegmente in unmittelbarer Nähe der Laufschaufeln, um die Leckage der Gase vorbei an den Spitzen der Laufschaufeln zu blockieren. Die nach innen weisenden Oberflächen der Dichtsegmente sind gewöhnlich aus einem abschleifbaren Material gebildet, damit die Dichtsegmente während des Betriebes mit den Spitzen der Laufschaufeln in Reibkontakt kommen können. Als Ergebnis ihrer Anordnung an dem Strömungsweg sind die Oberflächen der Segmente und die Segmente selbst mit den heißen Arbeitmediumgasen in innigem Kontakt und empfangen Wärme aus den Gasen. Die Segmente werden gekühlt, um die Temperatur der Segmente innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.

Ein Beispiel einer äußeren Luftabdichtung, die aus Segmenten gebildet ist, ist in der US-PS 3 583 824 beschrieben. Gemäß

dieser US-Patentschrift wird eine äußere Luftabdichtung benutzt, die mit einem stromaufwärtigen Flansch 44 und einem stromabwärtigen Flansch 46 einen Halter erfaßt. Kühlluft strömt in einen Hohlraum, der sich umfangsmäßig um die äuße re Luftabdichtung zwischen der äußeren Luftabdichtung und einem Triebwerksgehäuse erstreckt. Eine Dichtvorrichtung in Form einer Prall- oder Leitplatte erstreckt sich umfangsmäßig um die äußere Luftabdichtung/ um dazwischen einen Prallufthohlraum 58 zu begrenzen. Mehrere Löcher erstrecken sich durch die Prallplatte, um die Kühlluftströmung durch die Prallplatte genau zu dosieren und durch den Prallufthohlraum 58 hindurch und gegen die äußere Oberfläche 59 des Dichtsegments zu leiten. Diese Kühlung erzeugt einen großen Temperaturgradienten zwischen der äußeren Oberfläche 59 und der Oberfläche des abschleifbaren Materials an dem Arbeitsmediumströmungsweg. Die Luft wird dann in dem Pralllufthohlraum gesammelt. Die Kühlluft wird aus dem Prallufthohlraum über mehrere axiale Durchlässe 66 in dem stromabwärtigen Haken 46 abgegeben, um einen kontinuierlichen Fluidstrom durch die Platte und den Prallufthohlraum zu erzeugen. Diese Kühlluft dient zur Konvektionskühlung des Randbereiches der äußeren Luftabdichtung, wenn sie durch die Kammer 64 hindurchgeht. Ein weiteres Beispiel einer kühlbaren äußeren Luftabdichtung bildet den Gegenstand einer gleichzeitig eingereichten weiteren deutschen Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 678 518, vom 5. Dezember 1984 in Anspruch genommen worden ist.

Das abschleifbare Material auf der äußeren Luftabdichtung muß den Reibkontakt der Laufschaufeln zulassen, ohne daß die Laufschaufeln und die äußere Luftabdichtung beschädigt werden. Darüber hinaus muß das abschleifbare Material die aggressive Umgebung des Turbinenabschnitts des Triebwerks aushalten. Repräsentative abschleifbare Dichtstege und -materialen sind in den US-Patentschriften 3 817 719,

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3 879 831, 3 918 925 und 3 936 656 beschrieben.

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Ein attraktives Material für die abschleifbare Oberfläche der äußeren Luftabdichtung ist ein keramisches Deckmaterial. Keramische Deckmaterialien sind erwünscht, weil sie die hohe Temperatur in Gasturbinentriebwerken vertragen. Darüber hinaus sind kleinere Mengen an Kühlluft erforderlich, um die Dichtvorrichtung zu schützen, was eine vorteilhafte Auswirkung auf die Triebwerksleistung hat. Die Dauerhaftigkeit von solchen Vorrichtungen wird jedoch durch thermische Wechselbeanspruchung des Dichtsegments in dem Gasturbinentriebwerk/ die zum Reißen und Abblättern der Keramik und sogar zum Trennen der Keramik von dem Metall führen kann, nachteilig beeinflußt. Beispiele verbesserter Dichtungen, die eine Keramikdeckoberfläche mit guter Wärmestoßbeständigkeit haben, sind in den US-Patentschriften 4 289 446 und 4 109 beschrieben. Trotzdem wird weiterhin versucht, die Dauerhaftigkeit von solchen DichtSegmenten zu steigern, um Dichtsegmente zu schaffen, die eine längere Lebensdauer haben.

Demgemäß suchen Wissenschaftler und Ingenieure, Dichtsegmente zu entwickeln, bei denen Keramikmaterial zur Bildung einer abschleifbaren Fläche benutzt wird und die ein Substrat haben, welches das Keramikmaterial trägt, und durch herkömmliche Techniken in einem Gasturbinentriebwerk gehaltert sind.

Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß die Fähigkeit des keramischen Deckmaterials, Wärmestöße (starke thermische Wechselbeanspruchungen) mit großen Temperaturgradienten auszuhalten, eine starke Funktion der Substratdicke ist, und zwar wegen der Beanspruchung, die sie in der Keramikstruktur hervorruft. Diese Beanspruchung wird als Ergebnis der Fehlanpassung zwischen den Koeffizienten der Wärmeausdehnung und den Elastizitätsmoduln des Keramikmaterials und dem Substratmaterial erzeugt, wenn die Materialien den unterschiedlichen Temperaturen ihrer Betriebshüll-

kurve ausgesetzt sind. Die Substratdicke wird durch das Vorhandensein von Flanschen wirksam gesteigert, welche von der kühlbaren Seite des Dichtsegments vorstehen, wie beispielsweise die Flansche, mit denen das Dichtsegment die Haltevorrichtung erfaßt. Diese Flansche haben eine lokale Auswirkung und eine Gesamtauswirkung auf die Dicke. Die Flansche vergrößern daher die Spannungen und verringern die Fähigkeit der Dichtung, maximale Wärmegradienten auszuhalten.

Ein Kennwert zum Messen der Gesamtauswirkung auf die Dicke der Flansche wird als die gesamte effektive Dicke bezeichnet. Ein Kennwert zum Messen der lokalen Auswirkung auf die Dicke des Flansches wird als lokale effektive Dicke bezeichnet. Es ist demgemäß wichtig, die Auswirkung zu berücksichtigen, die diese Flansche auf die gesamte effektive Dicke des Substrats und auf die lokale effektive Dicke des Substrats haben.

Gemäß der Erfindung hat ein Wandsegment ein Substrat für ein keramisches Deckmaterial und Flansche, die an dem Substrat befestigt und in Längsrichtung unterbrochen sind, um die Auswirkung der Flansche auf die lokale und die gesamte effektive Dicke des Substrats zu verringern.

Gemäß einer Ausführungsform hat jeder Flansch einen ersten Abschnitt, der an dem Substrat befestigt ist und eine Durchgangsöffnung aufweist, und einen zweiten Abschnitt/ der sich parallel zu dem Substrat erstreckt und in der Längsrichtung durch einen Schlitz, welcher sich zu der öffnung in dem ersten Abschnitt erstreckt, vollständig unterbrochen ist.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist ein bogenförmiges Dichtsegment für eine umlaufende Maschine, das eine keramische Deckschicht und ein Substrat aufweist. Die keramische Deckschicht ist an dem Substrat befestigt. Ein weiteres Merk-

mal ist ein Flanschpaar, mittels welchem das Dichtsegment die benachbarte Haltevorrichtung in einer umlaufenden Maschine einfach erfaßt. Jeder Flansch hat einen oder mehrere öffnungen, die die longitudinale Länge des Flansches unterbrechen. In einer Ausführungsform hat der Flansch einen ersten Abschnitt, der an dem Substrat befestigt ist, und einen zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt aus erstreckt und radialen Abstand von dem Substrat hat, so daß zwischen ihnen eine sich in Umfangsrichtung erstrekkende Nut. vorhanden ist. Die öffnungen befinden sich in dem ersten Abschnitt. Der Zwischenraum zwischen dem Substrat und der öffnung in dem ersten Abschnitt ist nicht größer als das Doppelte der Dicke des Substrats. Ein Schlitz in dem zweiten Abschnitt an jeder öffnung unterbricht die longitudinale Kontinuität des zweiten Abschnitts vollständig und erstreckt sich zu der öffnung in dem ersten Abschnitt.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Fähigkeit des Dichtsegments, einen Sprungfunktionswärmegradienten besser auszuhalten als das gleiche bogenförmige Dichtsegment, das durchgehende Flansche hat, was das Ergebnis der gesamten effektiven Dicke und der lokalen effektiven Dicke des Flansches ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Zeitschwingfestigkeit des Dichtsegments, die aus den reduzierten Spannungen resultiert, welche bei den longitudinal unterbrochenen Flanschen auftreten, im Vergleich zu dem gleichen bogenförmigen Segment, das longitudinal durchgehende Flansche hat.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines

Teils einer Axialströmungsmaschine,

die einen Teil eines Turbinenabschnitts 12 und eine Drehachse A des Triebwerks zeigt,

Fig. 2 eine perspektivische Teilschnitt

ansicht einer bekannten Konstruktion,

Fig. 3 eine Ansicht insgesamt nach der

Linie 3-3 in Fig. 1, wobei Teile eines äußeren Halters weggebrochen worden sind, um die Vorderseite von zwei benachbarten bogenförmigen Dichtsegmenten sichtbar zu machen,

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht

des in Fig. 3 gezeigten Dichtsegments,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des

Dichtsegments nach Fig. 4, wobei Teile einer durchgehenden Wand 38 entfernt worden sind,

Fig. 6 noch eine weitere Ausführungsform

des Dichtsegments nach Fig. 4,

Fig. 7 ein Diagramm des akzeptablen ma

ximalen Wärmegradienten über der effektiven Dicke des Substrats des Dichtsegments,

Fig. 8 ein Diagramm der normierten Span

nungswerte für ein bogenförmiges

Dichtsegment des in Fig. 4 gezeigten Typs längs eines Axialprofils, um die Auswirkung der lokalen effektiven Dicke auf die Spannung zu zeigen, und

Fig. 9 ein Diagramm der normierten

Spannungswerte bei einem bogenförmigen Dichtsegment des in Fig. 4 gezeigten Typs längs eines Umfangsprofils, um die Auswirkung der gesamten effektiven Dicke auf die Spannung zu zeigen.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Axialgasturbinentriebwerks 10, die einen Teil eines Turbinenabschnitts 12 und eine Drehachse A des Triebwerks zeigt. Der Turbinenabschnitt enthält einen ringförmigen Strömungsweg 14 für Arbeitsmediumgase, der um die Drehachse A angeordnet ist. Eine Statorbaugruppe 16 begrenzt den Arbeitsmediumströmungsweg 14. Die Statorbaugruppe 16 weist ein äußeres Gehäuse 18 auf. Das äußere Gehäuse 18 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Arbeitsmediumströmungsweg 14. Mehrere Laufschaufeln, die durch die einzelne Laufschaufel 22 dargestellt sind, erstrecken sich radial nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg 14 bis in die unmittelbare Nähe des äußeren Gehäuses 1 8.

Ein Statorgebilde, das aus mehreren bogenförmigen Wandsegmenten gebildet ist, die durch das einzelne bogenförmige Wandsegment 24 dargestellt sind, erstreckt sich um eine Achse A und begrenzt den ringförmigen Strömungsweg 14. In

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der gezeigten Ausführungsform bilden die bogenförmigen Dichtsegmente 24 eine äußere Luftabdichtung 26, welche die Spitzen der Laufschaufeln 22 umgibt. Die äußere Luftabdichtung 26 ist von den Laufschaufeln 22 durch einen variab-

len Spalt C radial getrennt, der die Relativradialbewegung zwischen der Laufschaufel und der äußeren Luftabdichtung aufnimmt. Die äußere Luftabdichtung 26 ist in radialem Abstand einwärts von dem äußeren Gehäuse 18 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Hohlraum 28 vorhanden ist.

Jedes bogenförmige Dichtsegment 24 hat einen stromaufwärtigen Flansch 30 und einen stromabwärtigen Flansch 32. Diese Flansche haben axialen Abstand voneinander und erstrecken sich in Umfangsrichtung um das Dichtsegment 24. Das Dichtsegment 24 erfaßt mit diesen Flanschen einen stromaufwärtigen Halter 34 und einen stromabwärtigen Halter 36, welche sich von dem äußeren Gehäuse 18 aus nach innen erstrekken. Die Halter 34, 36 sind an dem äußeren Gehäuse 18 befestigt, um die äußere Luftabdichtung 26 in radialer Richtung um die Laufschaufeln 22 abzustützen und zu positionieren. Jeder Halter 34, 36 kann in Segmente geteilt sein, um die Umfangsfestigkeit des Halters zu reduzieren. Flexible Dichtungen 37 sind zwischen jedem Segment und dem Kranz von Segmenten angeordnet. Jedes bogenförmige Segment erfaßt mit einer durchgehenden Wand 38 an dem stromaufwärtigen Flansch und mit einer durchgehenden Wand 39 an dem stromabwärtigen Flansch seine zugeordnete Dichtung.

Eine stromaufwärtige Schiene 40 erstreckt sich an dem stromaufwärtigen Halter 34 in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse 18. Eine stromabwärtige Schiene 42 erstreckt sich an dem stromabwärtigen Halter 36 in Umfangsrichtung um das äußere Gehäuse 18. Eine Einrichtung für aufprallende Kühlluft in Form eines Kühlluftrohres 46 und eines Kühlluftrohres 48 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Schienen 40, 42. Die Rohre 46, 48 sind mit einer Kühlluftquelle (nicht dargestellt) in Strömungsverbindung und lassen über Löcher 52 Kühlluft auf die Schienen prallen.

Ein erster Strömungsweg 54 für Kühlluft erstreckt sich innerhalb des äußeren Gehäuses 18. Der erste Strömungsweg 54 wird durch das äußere Gehäuse 18 begrenzt und erstreckt sich außerhalb des Arbeitsmediumströmungsweges 14 durch das Triebwerk. Der erste Strömungsweg 54 erstreckt sich zwischen der äußeren Luftabdichtung 26 und dem äußeren Gehäuse 18 in den Hohlraum 28. Ein Prallblech oder eine Prallplatte 56, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, ist zwischen der äußeren Luftabdichtung 26 und dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Halter 34 bzw. 36 eingeschlossen. Die Prallplatte begrenzt den Hohlraum 28 und hat radialen Abstand von der äußeren Luftabdichtung 26, wodurch ein zweiter Hohlraum 58 gebildet ist. Ein zweiter Strömungsweg 60 für Kühlluft erstreckt sich axial und in Umfangsrichtung unter der äußeren Luftabdichtung 26 in dem zweiten Hohlraum 58. Mehrere Prallöcher 62 in der Prallplatte 56 bringen den ersten Strömungsweg 54 in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 60 und ermöglichen der Kühlluft, auf die äußere Oberfläche 64 der äußeren Luftabdichtung 26 zu prallen.

Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht, die eine bekannte äußere Luftabdichtung 26a zeigt, welche aus mehreren Dichtsegmenten 24a besteht. Wegen der grundsätzlichen Ähnlichkeiten im Aufbau zwischen der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion und der Erfindung werden die gleichen Bezugszahlen für beide benutzt, wobei den in Fig. 2 benutzten Bezugszahlen jeweils der Buchstabe "a" hinzugefügt ist.

Das bogenförmige Dichtsegment 24a hat ein metallisches Substrat 66a mit einem vorderen Rand 68a und einem hinteren Rand 70a, die sich umfangsmäßig um das Segment erstrecken. Eine nach innen weisende gekrümmte Oberfläche 72a und eine nach außen weisende gekrümmte Oberfläche 74a erstrecken sich axial zwischen dem vorderen Rand und dem hinteren Rand. Die gekrümmte Oberfläche 72a erstreckt sich umfangsmäßig um eine Achse A , und die gekrümmte Oberfläche 74a

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erstreckt sich umfangsmäßig um eine Achse A¹ , , welche in der gezeigten Ausführungsform zusammenfallen. Ein keramisches Deckmaterial 76a, das eine Keramikdeckoberfläche 78a hat, bildet eine gekrümmte Dichtfläche, die sich umfangsmäßig um die Achse A erstreckt. Das keramische Deckmaterial ist auf dem Substrat auf in der US-PS 4 289 446 beschriebene Weise befestigt, auf die bezüglich näherer Einzelheiten auch hinsichtlich des Materials verwiesen wird. Gemäß dieser US-Patentschrift weist das keramische Deckmaterial eine poröse metallische Unterlage 82 und einen Unterlegüberzug 84 auf, mit dem die Unterlage 82 zum Befestigen des keramischen Deckmaterials an dem Substrat getränkt ist.

Der stromaufwärtige Flansch 30a und der stromabwärtige Flansch 32a bilden ein Flanschpaar, das an dem Substrat befestigt ist. Diese Flansche erstrecken sich in Umfangsrichtung um das Substrat und haben axialen Abstand voneinander. Jeder Flansch hat eine longitudinale Länge L, gemessen längs einer Bezugsoberfläche, die zu der nach außen weisenden Oberfläche 74a des Substrats im wesentlichen parallel ist. Der stromaufwärtige Flansch 30a hat einen ersten Abschnitt 86a, welcher sich von dem Substrat 66a nach außen erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 88a, der sich von dem ersten Abschnitt 86a zu dem vorderen Rand 68a erstreckt. Der zweite Abschnitt 88a hat durch den ersten Abschnitt 86a radialen Abstand von dem Substrat 66a, so daß eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 90a dazwischen vorhanden ist. Der stromabwärtige Flansch 32a hat einen ersten Abschnitt 92a, der sich von dem Substrat 66a nach außen erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 94a, der sich axial zu dem hinteren Rand 70a erstreckt. Der zweite Abschnitt 94a hat durch den ersten Abschnitt 92a radialen Abstand von dem Substrat 66a, so daß eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 96a dazwischen vorhanden ist. Die genuteten Flansche ermöglichen dem Dicht-

segment, den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Halter 34 bzw. 36 zu erfassen.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht des bogenförmigen Dichtsegments 24 nach der Linie 3-3 in Fig. 1. Teile des benachbarten feststehenden Aufbaus sind weggebrochen worden, um den stromaufwärtigen Flansch 30 des Dichtsegments sichtbar zu machen.

Das keramische Deckmaterial 76 hat eine Dicke T^ , die in

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dem Bereich von 3,05 bis 5,08 mm liegt, und besteht hauptsächlich aus einem hochschmelzenden Oxid und Kombinationen von hochschmelzenden Oxiden, wie beispielsweise ZrO2 (Zirkoniumoxid), Al₃O₃ (Aluminiumoxid)/ MgAl₂O₄ (Spinell) und 3Al₃O₃ " 2 SiO (Mullit). Das keramische Deckmaterial hat eine keramische Oberflächenschicht 98 und eine Keramik/Metall-Zwischenschicht 102 mit einer zugeordneten Verbindungsschicht 104. Das Metall, das in der Keramik/Metall-Zwischenschicht benutzt wird, kann eine Legierung sein, die aus einem Metall mit Chrom, Aluminium und Yttrium (MCrAlY) gebildet ist, wobei Kobalt das bevorzugte Metall ist (CoCrAlY) · Das keramische Deckmaterial hat einen Elastizitätsmodul, der sich mit der Temperatur und der Zusammensetzung der Keramikschichten von über 21000 MPa (3x10 psi) bei Raumtemperatur bis unter 14000 MPa (2x1O⁶ psi) bei Temperaturen über 1316 ⁰C (2400⁰F), und die Zwischenschicht 102 hat einen Elastizitätsmodul von etwa 63000 MPa (9x10 psi) bei Raumtemperatur bis unter 28000 MPa (4x10 psi) bei Temperaturen von etwa 815 ° C (1500⁰F).

Ebenso wie das in Fig. 2 gezeigte bogenförmige Dichtsegment 24a hat das bogenförmige Dichtsegment 24 ein metallisches Substrat 66, einen stromaufwärtigen Flansch 30 und einen stromabwärtigen Flansch 32 (nicht dargestellt). Das Substrat 66 hat eine mittlere Dicke T , die sich zwisehen der nach innen weisenden, gekrümmten Oberfläche 72

und der nach außen weisenden gekrümmten Oberfläche 74 erstreckt. Der stromaufwärtige Flansch 30 und der stromabwärtige Flansch 32 können sich etwas unterscheiden und etwas unterschiedliche radiale, longitudinale und axiale Längen sowie einen unterschiedlichen Abstand zwischen Teilen von sich haben. Trotzdem werden beide Flansche vorzugsweise auf hier beschriebene Weise gebildet. Es wird zwar nur auf den stromaufwärtigen Flansch Bezug genommen, die in den Fig. 3-7 gezeigten Ausführungsformen sind jedoch sowohl für den stromaufwärtigen als auch für den stromabwärtigen Flansch 30 bzw. 32 exemplarisch.

Der in Fig. 3 gezeigte Flansch 30 hat eine longitudinale Länge L längs einer Bezugsfläche, die sich im wesentlichen parallel zu der äußeren Oberfläche 74 des Substrats 66 erstreckt. Die Bezugsfläche könnte sich exakt parallel zu dieser Oberfläche erstrecken, aber weil es geringfügige Diskontinuitäten in der Oberfläche gibt, ist die Referenzfläche im wesentlichen parallel zu ihr und ist eine glatte Oberfläche. Der erste Abschnitt 86 des Flansches 30 erstreckt sich von dem Substrat 66 nach außen und hat eine Breite W₁ (vgl. Fig. 1) und eine Dicke T.. Eine oder mehrere öffnungen 108 erstrecken sich durch die gesamte Breite W. des ersten Abschnitts 86. In der Summe erstrecken sich diese öffnungen gemeinsam über ein Stück der Bezugsfläche, das größer oder gleich 40 % der Länge L ist, um die longitudinale Kontinuität des ersten Abschnitts 86 zu unterbrechen. Der zweite Abschnitt 88, der sich von dem ersten Abschnitt 86 aus axial in der Richtung des vorderen Randes erstreckt, ist um den ersten Abschnitt radial von dem Substrat 66 entfernt, so daß dazwischen die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 90 verbleibt. Der zweite Abschnitt 88 hat eine Breite W„ (vgl. Fig. 1) und eine Dikke T . Ein Schlitz 110 an jeder öffnung erstreckt sich

durch die gesamte Breite W~ des zweiten Abschnitts 88 und die Dicke T„ des zwe
ersten Abschnitt 86.

die Dicke T„ des zweiten Abschnitts zu der öffnung in dem

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht der Ausführungsform nach Fig. 3. Der erste Abschnitt 86 des stromauf wärt igen Flansches 30, der sich von der nach außen weisenden Oberfläche 74 aus nach außen erstreckt, weist einen ersten Bereich 114 und einen zweiten Bereich 116 auf. Der erste Bereich 114 erstreckt sich von der nach außen weisenden Oberfläche 74 des Substrats 66 aus um eine Strecke T₁₁ nach außen, die das Doppelte der mittleren Dicke T des Substrats 66 ist. Der zweite Bereich 116 erstreckt sich von dem ersten Bereich 114 aus und hat eine Breite W₁ und eine Dicke T₁₂. Die öffnungen 108 erstrecken sich durch die gesamte Breite des ersten Abschnitts 86 in dem zweiten Bereich 116 und über ein Stück der Bezugsfläche, das größer als oder gleich 40 % der Länge L der Bezugsfläche ist, um die longitudinale Kontinuität des ersten Abschnitts 86 zu unterbrechen. Die öffnungen 108 lassen einen Spalt G zwischen benachbarten Teilen des ersten Abschnitts 86.

Der erste Bereich 114 des ersten Abschnitts 86 hat die Wand 38, die aus longitudinal durchgehendem Material gebildet ist. Die Wand 38 erstreckt sich von dem Substrat 66 aus über eine Strecke, die kleiner als die oder gleich der Dicke T₁₁ des ersten Bereiches 114 ist. Die Wand 38 hat eine Breite W₁ in den Teilen des ersten Bereiches 114, die sich zwischen dem Substrat 66 und den ununterbrochenen Teilen des zweiten Bereiches 116 erstrecken. Die Wand 38 hat eine Wand reduzierter Breite W₁, die kleiner ist als die Breite W₁ in den Teilen des ersten Bereiches 114, die sich zwischen dem Substrat 66 und jeder öffnung 108 in dem ersten Abschnitt 86 erstrecken.

Der zweite Abschnitt 88 hat einen ersten Bereich 118 benachbart zu dem ersten Abschnitt 86

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und einen zweiten Bereich 122, welcher sich von dem ersten Bereich aus axial erstreckt. Der zweite Abschnitt 88 hat eine Gesamtbreite W„, welche gleich der Summe der Breite dieser Bereiche ist. Der Schlitz 110 läßt einen Spalt G_T zwisehen benachbarten Teilen des zweiten Abschnitts 88 in dem zweiten Bereich und einen Spalt G_T' zwischen benachbarten Teilen des zweiten Abschnitts in dem ersten Bereich 118, der größer als der oder gleich dem Spalt G_T ist (G₁.¹ ^G).

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In der dargestellten Ausführungsform ist der Spalt G in dem ersten Abschnitt 86 gleich dem Spalt G₁. ' .

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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform als in Fig. 4, bei der die Wand 38 beseitigt ist. Dieser Typ von Konstruktion ist der in Fig. 4 gezeigten Konstruktion vorzuziehen, weil die Wand die effektive Dicke des Substrats im Vergleich zu den Konstruktionen, die keine Wand haben, vergrößert. Die Wand bildet jedoch eine Dichtfläche, an der das Dichtsegment 37 besser anliegt. Gemäß der gestrichelten Darstellung in Fig. 4 könnte die Öffnung 108 einen kleinen Schlitz aufweisen, der sich einwärts zu dem Substrat 66 erstreckt.

Fig. 6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des Dichtsegments nach Fig. 4, bei der der Schlitz 110 einen Spalt G_T"

hat und jede Öffnung in dem ersten Abschnitt 86 einen Spalt zwischen benachbarten Teilen des ersten Abschnitts bildet, der die gleiche Größe wie der Spalt G_T'' hat. Während des

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Betriebes des Gasturbinentriebwerks 10, das in Fig. 1 gezeigt ist, strömen Kühlluft und heiße Arbeitsmediumgase in den Turbinenabschnitt 12 des Triebwerks. Die heißen Arbeitsmediumgase strömen längs des ringförmigen Strömungsweges Kühlluft strömt auf dem ersten Strömungsweg 54 und tritt in den Turbinenabschnitt außerhalb des Arbeitsmediumstromungsweges ein. Die Bestandteile des Turbinenabschnitts, zu denen das äußere Gehäuse 18, die äußere Luftabdichtung 26 und der stromaufwärtige und der stromabwärtige Halter 34 bzw. 36

für die äußere Luftabdichtung gehören, werden durch die heißen Arbeitsmediumgase erhitzt und durch die Kühlluft gekühlt.

Diese Teile des Triebwerks sprechen thermisch unterschiedlich auf das Erwärmen durch die Arbeitsmediumgase und das Kühlen durch die Kühlluft an. Faktoren, welche ihr thermisches Ansprechen nachteilig beeinflussen, umfassen die Wärmekapazität der Teile und das Ausmaß, in welchem die Teile den heißen Gasen und der Kühlluft ausgesetzt sind. Beispielsweise befinden sich Teile wie die äußere Luftabdichtung 26 und der stromaufwärtige sowie der stromabwärtige Halter 34, 36 näher bei dem Arbeitsmediumstromungsweg 14 als das äußere Gehäuse 18. Darüber hinaus haben die äußere Luftabdichtung 26 sowie der stromaufwärtige und der stromabwärtige Halter 34, 36 eine Wärmekapazität, die kleiner als die des äußeren Gehäuses 18 ist. Infolgedessen sprechen die äußere Luftabdichtung 26 und der stromaufwärtige und der stromabwärtige Halter 34, 36 schneller auf Änderungen in der Gaswegtemperatur an als das äußere Gehäuse 18. Eine Zunahme der Temperatur der heißen Arbeitsmediumgase, zu der es beispielsweise während der Beschleunigung und des Anlaufs kommt, bewirkt, daß sich die äußere Luftabdichtung 26 und die Halter 34, 36 ausdehnen, wodurch die Umfangsspalte C zwischen den benachbarten bogenförmigen Dichtsegmenten 24, die vorgesehen sind, um eine zerstörerische Berührung zwischen den Dichtsegmenten zu vermeiden, verkleinert werden.

Diese Temperatürzunahmen, die beispielsweise während der Beschleunigung und des Anlaufs auftreten, können große Wärmegradienten in der äußeren Luftabdichtung 26 zwischen der inneren Oberfläche 78 der äußeren Luftabdichtung und der äußeren Oberfläche 74 des Substrats 66 verursachen.

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Dieses plötzliche Aufprägen des Temperaturyradienten wird als Wärmestoß bezeichnet. Der Wärmestoß ist bedeutsam, und zwar wegen Inkompatibilitäten zwischen dem Substrat 66 und der Keramikschicht, die hauptsächlich durch Differenzen zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und der Deckmaterialien und durch Differenzen zwischen den Elastizitätsmoduln der beiden Materialien über der thermischen Hüllkurve verursacht werden, welcher das Dichtsegment 24 während seiner Lebensdauer ausgesetzt ist. Beispielsweise ist das Dichtsegment 24 nicht nur der Betriebsumgebung eines Gasturbinentriebwerks ausgesetzt, sondern auch einer völlig anderen Umgebung während langer Zeitspannen bei Umgebungsdruck und -temperatur, bevor es in das Triebwerk eingebaut wird, und während Zeitspannen, in denen das Triebwerk nicht in Betrieb ist. Demgemäß müssen das Substrat und das aufgesprühte Material sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Betriebsbedingungen zusammenbleiben, bei denen das Substrat in dem Bereich von 537 bis 815 ⁰C arbeiten wird, während Teile der Oberflächenschicht eine Temperatur von 1647 ⁰C überschreiten können.

Die Dicke des Substrats 66 und der Flansche 30, 32 haben einen merklichen Einfluß auf die Fähigkeit des bogenförmigen Dichtsegments 24, den Wärmestoß auszuhalten. Dieser Effekt wird durch Tests im Prüfstand und im Triebwerk veranschaulicht, welche darauf gerichtet sind, die Auswirkung der gesamten effektiven Dicke auf die Fähigkeit eines mit Keramik bedeckten bogenförmigen Dichtsegments, einen Wärmestoß auszuhalten, zu bestimmen. Diese Tests wurden unter Verwendung eines PrüfStandes ausgeführt, bei dem ein heißer Strahl von Gasen gegen die nach innen weisende Oberfläche des Dichtsegments 24 gerichtet wurde. Die Temperatur der Oberfläche 78 des Dichtsegments wurde überwacht. Gleichzeitig prallte Kühlluft auf die nach außen weisende Ober-

fläche 74 des Substrats 66 auf. Die Ergebnisse von einigen dieser Tests sind in Fig. 7 zusammengefaßt dargestellt. Fig. 7 ist eine graphische Darstellung des maximalen Wärmegradienten, der bewirkte, daß das bogenförmige Dichtsegment versagte, in Abhängigkeit von der effektiven Dicke des Substrats. Gemäß Fig. 7 nimmt die Fähigkeit der mit Keramik bedeckten äußeren Luftabdichtung 26, einen maximalen Wärmegradienten ohne Zerstörung ertragen zu können,mit abnehmender effektiver Substratdicke zu.

Wenn die Dicke des Substrats 66 relativ zu der Dicke des keramischen Deckmaterials zunimmt, vergrößert die Dickenzunahme die Fähigkeit des Substrats, Kräfte auszuüben, die aus Differenzen im Wärmeausdehnungskoeffizienten im Keramikmaterial und dem Substrat resultieren. Die effektive Dicke (und demgemäß die Fähigkeit des Substrats, Kräfte auszuüben) wird durch das Vorhandensein der Flansche vergrößert, die sich von dem Substrat 66 nach außen erstrecken.

Diese Flansche 30, 32 haben eine lokale Auswirkung und eine Gesamtauswirkung auf ein Substrat gegebener tatsächlicher Dicke und veranlassen das Substrat, sich genau so zu verhalten wie ein Substrat größerer Dicke, d.h., das Substrat hat eine effektive Dicke, die größer ist als die tatsächliche Dicke, und zwar wegen des Vorhandensexns der Flansche. Diese gesamte effektive Dicke kann entweder analytisch oder experimentell gemessen werden. Eine experimentelle Lösung, die durchführbar ist, besteht darin, das Substrat als einen freitragenden Träger zu haltern, indem ein Umfangsende an einem starren Halter befestigt und eine gleichmäßige Belastung auf das andere ümfangsende des Trägers ausgeübt wird. Das Messen der Durchbiegung (d.h. der Winkelbewegung des Trägers), die durch die Belastung verursacht wird, ermöglicht die Berechnung einer effektiven Dicke für den Träger, wenn der Träger so behandelt wird, als hätte er eine gleich-

is

förmige theoretische Dicke. Diese berechnete gleichförmige Dicke wird als gesarate effektive Dicke des bogenförmigen Dichtsegments bezeichnet. Eine weitere Lösung besteht darin, die Methode der Analyse finiter Elemente zu benutzen, um die gesamte effektive Dicke durch analytisches Nachbilden des Experiments mit dem freitragenden Träger zu berechnen.

Darüber hinaus haben die Flansche eine lokale Auswirkung, die zu einer lokalen Vergrößerung der Steifigkeit (oder der lokalen Dicke) des Substrats führt. Diese lokale Vergrößerung der Steifigkeit des Substrats verursacht Unterschiede in der Durchbiegung des Substrats zwischen zwei benachbarten Stellen des Substrats bei einem bestimmten Wärmegradienten. Weil die Keramik auf dem Substrat durch eine Verbindungsschicht befestigt ist, erfährt die Keramik unterschiedliche Durchbiegungen, denn sie muß den Durchbiegungen des Querschnitts folgen, mit dem sie verbunden ist, und infolgedessen erfährt jede Stelle in einer Schicht der Keramik unterschiedliche Spannungen. Durch Verwendung derselben Methode der finiten Elemente zur Strukturanalyse kann die lokale effektive Dicke auch an dem Flanschabschnitt ausgewertet werden. Das erfolgt durch Nachbilden des gesamten Flansches einschließlich des Substrats bis zu derselben Breite wie die maximale Breite des Flansches.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm des Spannungswertes in dem keramischen Deckmaterial längs eines Axialschnittes durch zwei axialen Abstand aufweisende Flansche, welche sich von dem Substrat nach außen erstrecken, wenn die bogenförmigen Dichtsegmente auf Raumtemperatur sind. Druckspannungen sind negativ, und Zugspannungen sind positiv. Die Kurven sind normiert worden, indem sämtliche Spannungen durch die maximale Zugspannung dividiert worden sind. Die ausgezogene Kurve 1 zeigt die Spannungskonzentration, die durch die Flansche 30, 32 verursacht wird, welche keine Schlitze haben. Im Vergleich dazu zeigt die gestrichelte Kurve 2 die reduzierte Auswirkung der

Flansche aufgrund der Schlitze und der öffnungen gemäß der Ausführungsform nach Fig. 4 mit sowohl einer großen Verringerung in der lokalen Variation der Spannungen als auch einer Verringerung in den gesamten Spannungen. Diese Verringerung im Spannungswert und in der Variation der Spannungen vergrößert die Lebensdauer des bogenförmigen Dichtsegments im Vergleich mit Teilen, die die Schlitze und Öffnungen gemäß Fig. 4 nicht haben.

Fig. 9 zeigt den Wert der Spannungen für dieselben Konstruktionen, die in der Umfangsrichtung durch den Flanschquerschnitt analysiert worden sind. Sie gilt für den Arbeitspunkt maximaler Leistung des Triebwerks unter Bedingungen, bei denen der Überzug am schwächsten ist (seine geringste Festigkeit hat) und einem starken Wärmegradienten ausgesetzt ist. Ein bogenförmiges Dichtsegment mit Flanschen, die Schlitze haben, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, hat ebenfalls einen beträchtlich reduzierten Spannungswert in der Umfangsrichtung, wie es die Kurve 2 zeigt, im Vergleich zu dem Spannungsprofil eines bogenförmigen Dichtsegments, das die umfangsmäßig durchgehenden Flansche hat, was in Fig. 1 gezeigt ist.

Basierend auf der experimentellen Arbeit, bei der Keramikmaterial benutzt worden ist, das aus hochschmelzenden Oxiden hergestellt worden ist, wird angenommen, daß ein äußeres Luf tabdichtungssegnient, das ein keramisches Deckmaterial der oben beschriebenen Art hat, mit Flanschen hergestellt werden kann, um die Benutzung von herkömmlichen Techniken zum Haltern des Segments in einem Gasturbinentriebwerk zu gestatten. Die Erfahrung zeigt, daß ein solches Dichtsegment einen Wärmestoß von 815 ⁰C aushalten wird, ohne daß es zu einem Ausfall aufgrund des Flansches kommt, der die Vergrößerung der gesamten effektiven Dicke und der lokalen effektiven Dicke des Substrats ergibt, vorausgesetzt, daß

gewisse Richtlinien eingehalten werden. Insbesondere sollte das Dichtsegment eine Keramikdeckschicht haben, die eine Dicke in dem Bereich von 3,05 bis 5,08 mm (0,120 bis 0,200 Zoll) hat, ein Substrat, das eine tatsächliche mittlere Dicke T hat, die in dem Bereich von 1,78 bis 2,54 mm

(ο_;070 bis 0,100 Zoll) hat, die weniger als 25 % größer als die tatsächliche Dicke des Substrats ist; das heißt, das Segment hat einen Kennwert C der gesamten effektiven Dicke, der kleiner als oder gleich 1,25 ist (C_Qe *L 1,25), wobei die gesamte effektive Dicke kleiner als das oder gleich dem 1,25-fachen der tatsächlichen Dicke des Substrats ist. Eine weitere Richtlinie betrifft die lokale Auswirkung der tatsächlichen Flanschdicke auf die effektive Dicke des Substrats. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die lokale effektive Dicke des Substrats kleiner als das 2,5-fache der tatsächlichen Dicke des Substrats sein sollte; d.h., der Kennwert der lokalen effektiven Dicke (C, ) sollte kleiner als oder gleich 2,5 sein (C₁ ·£ 2,5). Schließlich sollte der erste Abschnitt 86 des Flansches keine maximale durchgehende lokale Dicke haben, die größer als das Zweifache der Dicke des Substrats ist (d.h., der Flansch wird eine oder mehrere öffnungen haben, deren innerste Oberfläche innerhalb dem Zweifachen der Dicke des Substrats ist); die Summe der Längen in der longitudinalen Richtung der öffnungen in dem ersten Abschnitt 86 des Flansches ist wenigstens gleich 40 % der Länge des Flansches,und zwar gemessen längs einer Bezugsfläche; und jede öffnung in dem ersten Abschnitt 86 ist mit einer zweiten öffnung in dem zweiten Abschnitt 88 des Flansches verbunden, die sich vollständig durch den zweiten Abschnitt des Flansches erstreckt.

Claims

Patentanwalt
Dip!.-!ng. Rolf Monges

Erhardt£.t \-.?.· 12*'
D-8000 f.!;,;o -.2.1 5

UnserZeichen/Ourref. U

Datum/Date 17.10.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche :

M.)Bogenförmiges Wandsegment für eine Axialströmungsmaschine zum Begrenzen eines Arbeitsmediumströmungsweges (14), mit einem Substrat (66), das eine erste Oberfläche (72) aufweist, die in eine erste Richtung weist, und eine zweite Oberfläche (74), die in die entgegengesetzte Richtung weist, mit einem keramischen Deckmaterial, das an der ersten Oberfläche (72) befestigt ist und den Arbeitsmediumströmungsweg (14) begrenzt, und mit einem Paar Flanschen, die sich von der zweiten Oberfläche (74) aus erstrecken und mit denen das Wandsegment (24) eine Tragvorrichtung (34, 36) erfassen kann, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Flansche (30, 32) an dem Substrat (66) befestigt sind und sich in Umfangsrichtung um das Substrat (66) erstrecken, damit das Wandsegment (24) die Haltevorrichtung (34, 36) erfassen kann, und daß jeder Flansch in Längsrichtung durch öffnungen (108) unterbro-

chen ist, die sich von dem Teil des Flansches aus, der von der zweiten Oberfläche (74) am weitesten entfernt ist, nach innen erstrecken, um die Auswirkung zu verringern, die die Flansche (30, 32) auf die gesamte effektive Dicke des Substrats (66) und auf die lokale effektive Dicke des Substrats (66) haben.
2. Wandsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein bogenförmiges Dichtsegment (24) ist, daß die erste Oberfläche (72) eine nach innen weisende Oberfläche ist und daß die zweite Oberfläche (74) eine nach außen weisende Oberfläche ist.
3. Wandsegment nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flansch (30, 32) einen ersten Abschnitt (86) hat, der an dem Substrat (66) befestigt, radial ausgerichtet ist und sich von dem Substrat aus nach außen erstreckt, daß jeder Flansch (30, 32) einen zweiten Abschnitt (88) hat, der sich von dem ersten Abschnitt (86) aus axial erstreckt und um den ersten Abschnitt (86) von dem Substrat (66) entfernt ist, so daß eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (90) gebildet ist, und daß jeder Flansch (30, 32) mehrere öffnungen (108, 110) hat, die sich durch den Flansch erstrecken und die longitudinale Kontinuität des zweiten Abschnitts (88)vollständig unterbrechen und sich in den ersten Abschnitt (86) erstrecken und die longitudinale Kontinuität des ersten Abschnitts unterbrechen, um die Auswirkung zu verringern, die die Flansche auf die gesamte effektive Dicke des Substrats (66) und auf die lokale effektive Dicke des Substrats (66) haben.
4. Wandsegment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (66) eine tatsächliche Dicke T hat, daß der erste Abschnitt (86) einen ersten Bereich (114) an dem Sub-

strat (66) und einen zweiten Bereich (116) hat, der sich von dem ersten Bereich (114) aus zu dem zweiten Abschnitt

(88) erstreckt, daß der erste Bereich (114) eine maximale Dicke, gemessen von dem Substrat bis zu dem zweiten Bereich (116),hat, die kleiner als das oder gleich dem Zweifachen der Dicke des Substrats ist, daß der zweite Bereich

(116) durch mehrere Öffnungen (108) unterbrochen ist, so daß die Summe der Längen dieser öffnungen, gemessen längs einer Bezugsoberfläche,die parallel zu der Oberfläche (74) des Substrats (66) ist, gleich oder größer als 40 % der Länge L des Flansches, gemessen längs dieser Ebene, ist, und daß das Substrat (66) und die Flansche (30, 32) einen Kennwert der gesamten effektiven Dicke haben, der kleiner ist als das 1,25-fache der tatsächlichen Dicke des Substrats, und eine lokale effektive Dicke, die kleiner ist als das 2,5-fache der tatsächlichen Dicke des Substrats.
5. Wandsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Deckmaterial (76) ein hochschmelzendes Oxid enthält und eine Dicke hat, die in dem Bereich von 3,05 bis 5,08 mm liegt, daß das Substrat (66) eine tatsächliche Dicke hat, die in dem Bereich von 1,78 bis 2,54 mm liegt, und daß die keramische äußere Luftabdichtung (26) eine keramische Deckfläche (78) an dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) hat und in der Lage ist, einen Sprungfunktionswärmegradienten von wenigstens 815 ⁰C zwischen der keramischen Deckschicht und der Oberfläche (74) des Substrats (66), an der die Flansche (30, 32) befestigt sind, auszuhalten.
6. Bogenförmiges Dichtsegment mit einem keramischen Deckmaterial (76), das sich axial und in Umfangsrichtung um das Dichtsegment (24) erstreckt und den Arbeitsmediumströmungsweg (14) einer Axialströmungsmaschine begrenzt, ge-

kennzeichnet durch:

ein Substrat (66), das sich axial und in Umfangsrichtung erstreckt und versehen ist mit

einem vorderen Rand (68) , der sich in Umfangsrichtung um das Dichtsegment (24) erstreckt, und einem hinteren Rand (70), der sich in Umfangsrichtung um das Dichtsegment (24) erstreckt,

einer inneren Oberfläche (72), die nach innen gewandt ist, sich axial zwischen den Rändern (68, 70) erstreckt und das Dichtsegment (24) in die Lage versetzt, das keramische Deckmaterial (76) aufzunehmen, und einer äußeren Oberfläche (74), die Abstand von der inneren Oberfläche (72) hat, so daß dazwischen eine mittlere Dicke T vorhanden ist; und

zwei Flansche (30, 32), die an dem Substrat (66) befestigt sind, sich in Umfangsrichtung um das Dichtsegment (24) erstrecken, axialen Abstand voneinander haben und eine longitudinale Länge L längs einer Bezugsoberfläche, die sich im wesentlichen parallel zu der äußeren Oberfläche (74) des Substrats (66) erstreckt, aufweisen, wobei wenigstens einer der Flansche (30, 32) versehen ist mit einem ersten Abschnitt (86), der sich von dem Substrat (66) nach außen erstreckt, eine Breite ViL, eine Dicke T₁ und eine oder mehrere Öffnungen (108) hat, die sich durch die gesamte Breite des ersten Abschnitts (86) erstrecken und sich gemeinsam über eine Länge längs einer Bezugsoberfläche erstrecken, die größer als oder gleich 40 % der Länge L ist, um die longitudinale Kontinuität des ersten Abschnitts (86) zu unterbrechen; einem zweiten Abschnitt (88), der sich axial von dem ersten Abschnitt (86) in der Richtung eines der Ränder (68, 70) erstreckt und um den ersten Abschnitt (86) radial von dem Substrat (66) entfernt ist, so daß dazwischen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (90) vorhanden ist, wobei der zweite Abschnitt (88)

eine Breite W„, eine Dicke T„ und einen Schlitz (110) an jeder Öffnung (108) hat, der sich durch die gesamte Breite W~ und die gesamte Dicke T„ zu der öffnung (108) in dem ersten Abschnitt (86) erstreckt; wobei jede öffnung (108) und jeder Schlitz (110) die gesamte effektive Dicke und die lokale effektive Dicke des Substrats (66) im Vergleich zu gleichen Konstruktionen, die longitudinal durchgehende Flansche haben, verringert.
7. Dichtsegment nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (88) einen ersten Bereich (118) an dem ersten Abschnitt (86) und einen zweiten Bereich (122) hat, welch letzterer sich von dem ersten Abschnitt aus axial erstreckt, und daß wenigstens ein Schlitz (110) so ausgebildet ist, daß ein Spalt G-. zwischen benachbarten Teilen des zweiten Abschnitts (88) in dem zweiten Bereich (122) und ein Spalt G' zwischen benachbarten Teilen des zweiten Abschnitts (88) in dem ersten Bereich (118) verbleibt, der größer als der oder gleich dem Spalt G_L ist (G_L' ^. G_L) .
8. Dichtsegment nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (108), zu der sich der Schlitz (110) erstreckt, so ausgebildet ist, daß die Öffnung einen Spalt G₁. ' zwischen benachbarten Teilen des ersten Ab-Schnitts des ersten Abschnitts (86) läßt.
9. Bogenförmiges Dichtsegment mit einem keramischen Deckmaterial (76),das sich axial und in Umfangsrichtung um das Dichtsegment (24) erstreckt und den Arbeitsmediumströmungsweg (14) einer Axialströmungsmaschine begrenzt, gekennzeichnet durch:

ein Substrat (66), das sich axial und in Umfangsrichtung erstreckt und versehen ist mit

einem vorderen Rand (68), der sich in Umfangsrichtung

_ jP _

um das Dichtsegment (24) erstreckt,und einem hinteren Rand (70)/ der sich in Umfangsrichtung um das Dichtsegment (24) erstreckt,

einer inneren Oberfläche (72), die nach innen gewandt ist, sich axial zwischen den Rändern (68, 70) erstreckt und das Dichtsegment (24) in die Lage versetzt, das keramische Deckmaterial (76) zu empfangen , und

einer äußeren Oberfläche (74), die Abstand von der inneren Oberfläche (72) hat, so daß dazwischen eine mittlere Dicke T verbleibt; und

zwei Flansche (30, 32), die an dem Substrat (66) befestigt sind, sich umfangsmäßig um das Dichtsegment (24) erstrekken, axialen Abstand voneinander haben und eine longitudinale Länge L längs einer Bezugsfläche aufweisen, die sich im wesentlichen parallel zu der äußeren Oberfläche (74) des Substrats erstreckt, wobei wenigstens einer der Flansche versehen ist mit

einem ersten Abschnitt (86), der sich von dem Substrat (66) nach außen erstreckt,

mit einem ersten Bereich (114), der sich von dem Substrat (66) um eine Strecke T₁₁ nach außen erstreckt, die das Zweifache der mittleren Dicke T des Substrats (66) ist (T = 2T ),

S IIS

mit einem zweiten Bereich (116), der sich von dem ersten Bereich (114) aus erstreckt, eine Breite W. und eine Dicke T₁₂ hat und mehrere öffnungen (108) aufweist, die sich durch die gesamte Breite des ersten Abschnitts (86) erstrekken, wobei sich die öffnungen über eine Länge erstrecken, um die longitudinale Kontinuität des ersten Abschnitts (86) zu unterbrechen, so daß die Summe der Längen der öffnungen längs einer Bezugsfläche,die parallel zu der äußeren Oberfläche (74) des Substrats (66) ist, gleich oder

größer als 40 % der Länge L längs dieser Ebene ist;

einem zweiten Abschnitt (88), der sich von dem ersten Abschnitt (86) aus axial in der Richtung eines der Ränder (68, 70) erstreckt und um den ersten Abschnitt (86) radial von dem Substrat (66) entfernt ist, so daß dazwischen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (90) verbleibt, wobei der zweite Abschnitt (88) eine Breite W„, eine Dicke T„ und einen Schlitz (110) an jeder Öffnung (108) hat, der sich durch die gesamte Breite W„ und die gesamte Dicke T„ des zweiten Abschnitts (88) erstreckt, um die longitudinale Kontinuität des zweiten Abschnitts und von dem zweiten Abschnitt aus bis zu der Öffnung in dem ersten Abschnitt vollständig zu unterbrechen;

wobei jede Öffnung (108) und jeder Schlitz (110) die gesamte effektive Dicke und die lokale effektive Dicke des Substrats (66) im Vergleich zu gleichen Konstruktionen, die longitudinal durchgehende Flansche haben, verringert.
10. Segment nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (114) des ersten Abschnitts (86) eine Wand (38) aus longitudinal durchgehendem Material hat, die sich über eine Strecke von dem Substrat (66) aus erstreckt, welche kleiner als die oder gleich der Dicke T₁₁ des ersten Bereichs (114) ist, wobei die Wand (38) eine Breite W₁ in den Teilen des ersten Bereichs (114), die sich zwischen dem Substrat und den ununterbrochenen Teilen des zweiten Bereiches (116) erstrecken, und eine Breite W₁₁ in den Teilen des ersten Bereichs (114) hat, die sich zwischen dem Substrat (66) und jeder Öffnung (108) in dem ersten Abschnitt (86) erstrecken, wobei die Breite W kleiner als die Breite W₁ ist.
11. Dichtsegment nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (30) einen zweiten Abschnitt (88) hat, der einen ersten Bereich (118) an dem ersten Abschnitt (86) und einen zweiten Bereich (122) hat, welcher sich von dem ersten Bereich (118) aus axial erstreckt, und daß wenigstens ein Schlitz (110) so ausgebildet ist, daß er einen Spalt G₁. zwischen benachbarten Teilen des Ab-Schnitts (88) in dem zweiten Bereich (122) und einen Spalt G ' zwischen benachbarten Teilen des zweiten Abschnitts (88) in dem ersten Bereich (118), der größer als oder gleich dem Spalt G₁. ist, läßt (G_T ' JSl G_ ) .

u L· L·
12. Dichtsegment nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (108), zu der sich der Schlitz (110) erstreckt, so ausgebildet ist, daß die öffnung einen Spalt G_T' zwischen benachbarten Teilen des ersten Abschnitts

(86) läßt.
13. Dichtsegment nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (108) in dem ersten Abschnitt (86) ein Schlitz ist, der einen Spalt G_T zwischen benachbarten Teilen des ersten Abschnitts läßt, welcher gleich dem Spalt in dem Schlitz (110) in dem zweiten Abschnitt (88) ist.