DE60319797T2

DE60319797T2 - Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements

Info

Publication number: DE60319797T2
Application number: DE2003619797
Authority: DE
Inventors: Martin Tuffs; Mark Henry Shipton; Junfa Mei; Wu Xinhua
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: GB0304546D0; DE60319797D1; GB2398844B; EP1452696A2; EP1452696A3; EP1452696B1; GB0329085D0; GB2398844A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine abschleifbare Dichtung für ein Gasturbinentriebwerk.
In Gasturbinentriebwerken sind manche der Schaufelblätter und insbesondere die Turbinenschaufeln herkömmlicherweise von einer Dichtungskonstruktion umgeben, die eine ringförmige Dichtung oder einen segmentierten Dichtungsring aufweisen kann, der aus einer Mehrzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten aufgebaut ist. Weil die Turbinenschaufeln sich ausdehnen und zusammenziehen, wenn ihre Temperaturen sich im Betrieb verändern, und Zentrifugalkräfte auf sie wirken, ist es üblich, einen kleinen Spalt zwischen den Turbinenschaufelspitzen und der Dichtung vorzusehen, um diese Schwankung zuzulassen.
Es ist bekannt, eine abschleifbare Dichtung zum Abdichten zwischen den Turbinenschaufelspitzen und der Dichtungskonstruktion vorzusehen. Dies ermöglicht es, dass die Spitzen der Turbinenschaufeln von der Dichtung weg verschleißen bis zu einer optimalen Größe und Form, ohne dass eine Beschädigung der Turbinenschaufelspitzen verursacht wird. Solche abschleifbaren Dichtungen können aus einer offenzelligen Konstruktion bestehen, die aus einem verdichteten kompaktierten Pulvermetall gebildet sind, wie im britischen Patent GB 1 361 814 beschrieben ist. Alternativ können solche abschleifbaren Dichtungen aus einem offenzelligen Honigwabengitter bestehen, das an Ort und Stelle verlötet und anschließend mit einem geeigneten abschleifbarem Material wie beispielsweise einem Metallpulver gefüllt ist. Wie in der europäischen Patentanmeldung EP 1 146 204 beschrieben ist, ist es auch bekannt, ein Dichtungssegment, das aus einer oxidationsbeständigen Legierung besteht, direkt beispielsweise durch Elektroentladungsbearbeitung (EDM) herauszuarbeiten, um eine Honigwabenkonstruktion zu bilden, die ebenfalls mit einem geeigneten abschleifbarem Material wie beispielsweise einem Metallpulver gefüllt wird. In beiden Fällen wirkt die Honigwabe als Stütze für das abschleifbare Material. Die tragende Honigwabe wird anschließend teilweise durch die umlaufenden Turbinenschaufeln abgeschliffen, wodurch eine Dichtung gebildet wird.
Bei den obigen Dichtungen treten gewisse Probleme auf. Die Dichtungen können einem fortschreitenden Oxidationsangriff unterliegen, wenn das Gittermaterial eine ungeeignete Oxidationsbeständigkeit hat. Zusätzlich können Probleme mit den Hartlötverbindungen auftreten, und die Dichtungen können schwierig zu kühlen sein.
Zusätzliche Probleme treten auf, wenn die Honigwabenkonstruktion verschlissen ist und erneuert werden muß. Durch Vakuumhartlöten dünnwandiger Honigwabenkonstruktionen zu einem Dichtungssegment hergestellte Dichtungskomponenten werden dadurch erneuert, dass Reste der verschlissenen Honigwabe abgetragen werden und eine neue Honigwabe durch Vakuumhartlöten befestigt wird. Während die Hartlötqualität für Niedertemperaturanwendungen ausreichend sein kann, verliert die Hartlötung bei erhöhten Temperaturen ihre Integrität und bricht, wodurch diese Technik auf Niedertemperaturanwendungen begrenzt ist.
Wo abschleifbare Teile aus einem massiven Dichtungssegment herausgearbeitet worden sind, ist es erforderlich, das Dichtungssegment in seiner Gesamtheit zu ersetzen, was die Gesamtkosten des Reparaturverfahrens erhöht.
Das US-Patent Nr. 5 160 822 lehrt das gleichmäßige Aufbringen von Material über die gesamte Oberfläche der Spitze einer Gasturbinentriebwerksschaufel.
Dementsprechend ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements zum Positionieren radial außerhalb mindestens einiger der Tragflügelschaufeln in einem Gasturbinentriebwerk vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst:
Bilden einer Dichtungsstruktur mit einem radial inneren Oberflächenbereich,
Bilden einer Mehrzahl vorspringender Wände an dem radial inneren Oberflächenbereich zum Bilden einer Mehrzahl offener Zellen,
dadurch gekennzeichnet, dass die vorspringenden Wände so ausgebildet sind, dass sie eine Dicke bis zu etwa 0,4 mm haben und durch pulvergespeisten Laserschweißauftrag gebildet sind.
Pulvergespeistes Laserschweißen ist früher schon bei der Aufarbeitung von Gasturbinentriebwerkskomponenten eingesetzt worden, aber nur für die Aufarbeitung von Turbinen schaufeln. Diese Technik ist spezifisch zum Aufbau von Schaufelspitzen eingesetzt worden, die während des Triebwerkslaufs verschlissen worden sind, mit der Möglichkeit zum Herstellen einer Wanddicke von bis zu 1,0 mm. Laserschweißen kann Zellenstrukturen herstellen, die durch andere Bearbeitungsverfahren wie beispielsweise Elektroentladungsbearbeitung nicht erreichbar sind. Strukturen für die Elektroentladungsbearbeitung müssen das Herausziehen des Elektroentladungsbearbeitungswerkzeugs in Betracht ziehen, wenn die Bearbeitung abgeschlossen ist, und sind daher auf die Herstellung konischer Strukturen ohne Überhänge beschränkt. Zusätzlich lässt das Laserschweißen die Notwendigkeit für teure Werkzeugausstattung entfallen und ermöglicht das Verwenden eines größeren Bereichs von Materialien zur Bildung der Zellenstruktur.
Das Verfahren kann das Bilden einer Dichtungsstruktur umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Teil eines etwa ringförmigen Gehäuses bildet. Das Dichtungselement kann ein Dichtungssegment sein.
Vorzugsweise sind die Wände so ausgebildet, dass sie von dem radial inneren Oberflächenbereich im wesentlichen radial einwärts vorspringen. Die Wände können auch so konfiguriert sein, dass sie unter einem Winkel von bis zu etwa 30° aus der Radialrichtung einwärts vorspringen.
Vorzugsweise sind innere Ränder der Wände geformt, um eine im wesentlichen bogenförmige Innenfläche des Dichtungselements zu bilden.
Vorzugsweise ist die Dichtungsstruktur über im wesentlichen die Gesamtheit eines radial inneren Oberflächenbereichs des Dichtungselements hergestellt.
Die Dicke der Wände kann sich allgemein zu ihren radial inneren Kanten hin verringern. Die Wände können so geformt sein, dass sie eine Vielzahl radial offener Zellen bilden, und jede Zelle kann nur an einer radial inneren Seite offen sein. Eine oder mehrere der Zellen können, in der Radialrichtung gesehen, im wesentlichen rautenförmig sein. Die Zellen können alle im wesentlichen die gleiche Größe haben oder können unterschiedliche Größen haben. Die Dicke der Wände kann an ihren radial inneren Rändern zunehmen, so dass die Größe der Zellen sich an ihren offenen radial inneren Seiten verringert.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Dichtungselement vorgesehen, bei welchem Öffnungen zwischen den Wänden mindestens teilweise mit einem abschleifbarem Dichtungsmaterial gefüllt sind. Das abschleifbare Dichtungsmaterial kann radial einwärts über die radial inneren Ränder der Wände vorstehen.
Die Wände können abschleifbar sein. Mit "abschleifbar" ist gemeint, dass das Material durch Berührung mit den Spitzen umlaufender Schaufelblätter abgetragen werden kann, ohne eine wesentliche Beschädigung der Schaufelspitzen zu verursachen.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Dichtungssegmentring für eine Turbine eines Gasturbinentriebwerks vorgesehen, wobei der Dichtungssegmentring eine Mehrzahl von Dichtungselementen enthält, wie oben definiert.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Gasturbinentriebwerk mit einer Turbine mit einem Dichtungssegmentring vorgesehen, wie im vorhergehenden Absatz definiert. Die Turbine kann die Hochdruckturbine des Gasturbinentriebwerks sein.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungselements zum Positionieren radial auswärts von mindestens einigen der Schaufelblätter eines Gasturbinentriebwerks, wobei das Verfahren den Schritt des integralen Formens einer Dichtungsstruktur mit einer Mehrzahl radial einwärts vorspringender Wände in einem radial inneren Oberflächenbereich des Dichtungssegments umfasst.
Die vorspringenden Wände können auf einer Struktur auf einem Substrat unter Verwendung des pulvergespeisten Laserschweißens aufgetragen werden. Die aufgetragene Schweißstruktur wird unter Anwendung herkömmlicher Techniken bearbeitet, um die notwendigen engen Toleranzen zu erhalten.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungselements vorgesehen, bei welchem eine oder mehrere der Zellen, in der Radialrichtung gesehen, im wesentlichen rautenförmig ist.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungselements vorgesehen, wobei die einwärts vorspringenden Wände in einem Pfeilmuster gebildet werden.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungselements vorgesehen, wobei die einwärts vorspringenden Wände in einem Bogenmuster gebildet werden.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Dichtungselement vorgesehen, wobei die einwärts vorspringenden Wände unter einem Winkel zur Längsachse des Triebwerks vorgesehen sind, in welches die Dichtung eingebaut wird.
Gemäß der Erfindung ist weiter ein Dichtungselement vorgesehen, wobei die einwärts vorspringenden Wände im wesentlichen umfangsmäßig um die radial innere Oberfläche des Dichtungselements hergestellt sind.
Das pulvergespeiste Laserschweißen macht es möglich, die vorspringenden Wände direkt mit oder ohne einer nachfolgenden maschinellen Bearbeitung aufzubauen. Die vorspringenden Wände sind aus einer Legierung mit einer Temperaturbeständigkeit gebildet, die gleich oder besser als das Substrat ist. Das Substrat kann aus irgendeinem oxidationsbeständigem Material hergestellt sein und braucht kein kostspieliges, in hohem Maße oxidationsbeständiges Material zu sein. Unter Anwendung dieser Technik zum Auftragen von hoch oxidationsbeständigem Material nur dort, wo es erforderlich ist, ermöglicht die Wahl eines billigeren Materials für das Substrat, wodurch die Gesamtkosten der fertigen Komponente reduziert werden.
Ein abschleifbares Material wird in die Zellen eingebracht, um die Spitzenleckage weiter zu verringern. Wenn die Wände abgeschliffen oder oxidiert sind, bietet dieses Verfahren ein Verfahren zum Aufarbeiten der Komponente auf ihre Ursprungsabmessungen durch Auftragen eines Netzwerks von einwärts vorspringenden Wänden oder eines Gitters auf die Substratoberfläche. Eine gewisse Fertigbearbeitung kann erforderlich sein.
Das pulvergespeiste Laserschweißen hat auch den Vorteil, dass es abschleifbare Muster ermöglicht, die komplexere Geometrien haben und die den abschleifbaren Füllstoff effektiver zurückhalten.
Ausführungsformen der Erfindung werden nur zum Zwecke der Erläuterung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerks zeigt,
2 einen schematischen Schnitt durch ein Turbinendichtungssegment gemäß der Erfindung zeigt,
3 eine schematische Darstellung in Richtung des Pfeils Y in 2 zeigt,
4 einen schematischen Schnitt längs der Linie X-X in 3 zeigt,
5 eine schematische teilweise Einzelheit einer Zellenstruktur eines Turbinendichtungssegments nach der Erfindung zeigt,
6 eine bildliche Darstellung der Anordnung des Laserschweißgeräts zeigt,
7A eine bildliche Darstellung der Struktur einer Ausführungsform der Zellenstruktur zeigt,
7B eine bildliche Darstellung der in 7A gezeigten Struktur mit Wanden mit Untergröße zeigt,
7C eine bildliche Darstellung der in 7A gezeigten Struktur mit Wanden mit Übergröße zeigt,
8 einen schematischen Schnitt durch ein alternatives Turbinendichtungssegment nach der Erfindung zeigt,
9 eine schematische Ansicht in Richtung des Pfeils x in 8 zeigt,
10 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Zellenstruktur zeigt,
11 einen Querschnitt der Zellenstruktur zeigt,
12 einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der Zellenstruktur zeigt,
13 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Zellenstruktur zeigt,
14 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Zellenstruktur zeigt, und
15 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Zellenstruktur zeigt.
Gemäß 1 weist ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, in Richtung der Axialströmung nacheinander einen Lufteinlauf 12, ein Schubgebläse 14, einen Mitteldruckverdichter 16, einem Hochdruckverdichter 18, eine Brenneinrichtung 20, eine Hochdruckturbine 22, eine Mitteldruckturbine 24, eine Niederdruckturbine 26, und eine Austrittsdüse 28 auf.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in der herkömmlichen Weise so, dass in den Einlauf 12 eintretende Luft durch das Gebläse 14 beschleunigt wird, um zwei Luftströme zu erzeugen, nämlich einen ersten Luftstrom in den Mitteldruckverdichter 16, und einen zweiten Luftstrom, der Antriebschub erzeugt. Der Mitteldruckverdichter 16 verdichtet den in ihn eingeleiteten Luftstrom, bevor er die Luft zum Hochdruckverdichter 18 fördert, wo eine weitere Verdichtung stattfindet.
Die vom Hochdruckverdichter 18 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Brenneinrichtung 20 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt wird, und das Gemisch wird verbrannt. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren dann dadurch und treiben so die Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen 22, 24, 26 an, bevor sie durch die Düse 28 zum Erzeugen von zusätzlichem Vortriebsschub ausgestoßen werden. Die Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen 22, 24 und 26 treiben jeweils den Hochdruck- und Mitteldruckverdichter 16 bzw. 18 und das Gebläse 14 über geeignete Verbindungswellen an.
Die 2 bis 4 zeigen ein Turbinendichtungssegment 30 für die Hochdruckturbine 22. Eine Mehrzahl von bogenförmigen Dichtungselementen in der Form eines Turbinendichtungssegments bilden zusammen einen im wesentlichen zylindrischen Dichtungssegmentring, der die umlaufenden Hochdruckturbinenschaufeln 32 umgibt (siehe 2). Ein kleiner Spalt 34 ist zwischen den Spitzen 36 der Turbinenschaufeln 32 und einer radial inneren Oberfläche 33 des Dichtungssegments 30 vorgesehen. Die Größe des Spalts 34 verändert sich mit der Zeit aus verschiedenen Gründen einschließlich Veränderungen der Temperaturen der Turbinenschaufeln 32 und anderer Komponenten.
Gemäß den Figuren wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine offene Zellenstruktur 38 integral mit dem Turbinendichtungssegment 30 im Bereich von dessen radial innerer Oberfläche 33 gebildet. Die offene Zellenstruktur 38 umfaßt aufstehende Wände 40, die radial einwärts vorspringen. Die Wände 40 bilden zwischen sich eine Vielzahl offener Zellen 44, wobei die Zellen 44 etwa umfangsmäßig verlaufende Böden 42 haben. Die Zellen 44 können ein abschleifbares Material 45 wie beispielsweise ein Metallpulver aufnehmen und halten.
Bei dem in 5 dargestellten Beispiel sind die Zellen 44 etwa rautenförmig, in der Radialrichtung der Turbine gesehen, und die Wände sind, im Gebrauch, unter etwa 30° zur Axialrichtung der Turbine orientiert. Eine erste Gruppe etwa paralleler Wände kreuzt und schneidet eine zweite Gruppe etwa paralleler Wände zur Bildung der rautenförmigen Zellen 44.
Die Wände 40 können bis zu etwa 3 mm radial einwärts von der Oberfläche 42 vorspringen. Die Wände 40 haben eine Dicke von etwa 0,2 mm bis 0,4 mm, und die etwa parallelen Wände sind etwa 2 mm bis 2,5 mm beabstandet positioniert. In dem dargestellten Beispiel sind die Wände im Querschnitt etwa rechteckig, obwohl dem Fachmann klar ist, dass andere Querschnittsformen die gleiche Wirkung erzielen können.
Innerhalb des Dichtungssegments 30 radial außerhalb der Zellenstruktur 38 sind Kühlkanäle 46 vorgesehen. Durch die Kühlkanäle strömende Luft hilft beim Kühlen der Zellenstruktur 38 und eines darin befindlichen abschleifbaren Materials 45.
Die offene Zellenstruktur 38 kann durch Laserschweißauftrag gebildet werden. Die gewählte Schweißlegierung braucht nicht aus dem selben Material wie das Dichtungssegment 30 zu bestehen. Tatsächlich können Vorteile darin liegen, ein anderes Material zu wählen. Die Verwendung eines in hohem Maße oxidationsbeständigen Materials zur Bildung der Zellenstruktur 38 läßt die Notwendigkeit entfallen, das Segment 30 aus einem solchen Material herzustellen.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, wonach ein Laser 50 vorgesehen und nach unten fokusiert ist, um die erforderliche Energiedichte im Arbeitsbereich 52 auf dem Substrat 54 herzustellen. Pulver 56 wird über Pulverzufuhrrohre 58 zum Arbeitsbereich 52 zugeführt. Der Laser 50 und die Pulverzufuhrrohre 58 werden alle feststehend gehalten. Die Position und Bewegung des Substrats wird durch ein Computersteuersystem 60 gesteuert. Der fokusierte Laser wälzt das Pulver 56 und das Substrat 54, die sich miteinander vermischen und verfestigen, wenn der Laser 50 sich zu einer neuen Position bewegt. Um die Struktur 38 aufzubauen, kann es nötig sein, den Laser eine Anzahl von Malen über den gleichen Bereich zu bewegen. Jeder Durchgang trägt etwa 0,5 mm auf. Die Laserschweißeinrichtung und der Arbeitsbereich 52 sind in einer abgedichteten Kammer 62 oder einem "Handschuhkasten" eingeschlossen, worin der Sauerstoff- und Feuchtigkeitspegel durch einen Gasreiniger 64 gesteuert wird. Dies schafft eine gesteuerte Atmosphäre, wodurch eine Kontaminierung der Schweißschmelze vermieden wird.
Beim Aufbau der Wände 40 liegt ein besonderer Vorteil darin, das Kreuzen über Schweißmaterial zu vermeiden. Im Wege eines nicht beschränkenden Beispiels werden beim Aufbau des rautenförmigen Musters Schweißlinien festgelegt, um benachbarte Zickzacklinien zu bilden, die so positioniert sind, dass der Scheitel jeder Zickzacklinie in enger Nähe zum Scheitel einer benachbarten Zickzacklinie liegt, wie in 7A gezeigt ist.
Vorzugsweise sollte der Scheitel jeder Zickzackschweißlinie den Scheitel einer benachbarten Zickzackschweißlinie berühren, die dargestellt ist, so dass eine solche Konfiguration die mechanische Integrität einer solchen Struktur verbessert. Es versteht sich, dass die Di cke der Wände 40 nicht konstant zu sein braucht. In Bereichen, wo die Wanddicke Untermaß hat, befindet sich ein Spalt zwischen den Scheiteln der Zickzacklinien, die bei "C" in 7B angedeutet ist. Umgekehrt überlappen sich in Bereichen, wo die Wanddicke Übergröße hat, die Scheitel der benachbarten Zickzacklinien, wie bei "D" in 7C angedeutet ist.
Das Vermeiden des Kreuzen über den Schweißaufbau und/oder von Schweißüberlappungen stellt sicher, dass die Integrität des Schweißaufbaus beibehalten wird. Es hat sich gezeigt, dass, wenn die Schweißlinien sich kreuzen, die größere Menge von am Knoten aufgetragenen Material einen Noppen (oder "Buckel") des Schweißaufbaus bildet. Dies führt Restspannungen am Knoten ein, was zur Bildung von Rissen und Hohlräumen führen kann. Die Risse können sich über den Rest der Struktur ausbreiten.
Es versteht sich daher, dass die bevorzugte Konfiguration eine Wandstruktur umfasst, bei welcher die Mehrzahl der Zickzackschweißlinienscheitel sich berühren anstatt überlappen oder mit einem kleinen Spalt zwischen den Schweißlinienscheiteln ausgebildet sind.
Obwohl es sich versteht, dass irgendeine geeignete Ausrüstungskombination eingesetzt werden kann, hat es sich gezeigt, dass ein CO₂-Laser des Typs TR1750/380 (Wegmann-Baasel Laser GmbH) in Verbindung mit einer Sulzer Metco Typ-9 MPE-Pulverzuführeinheit, einem X-Y-Tisch und einem Z-Achsen-Motor, und eine CNC-Steuereinheit die erforderlichen Ergebnisse bringt.
Die folgenden Betriebsparameter haben sich als zufrieden stellende Ergebnisse erzeugend erwiesen:
Laserleistung: zwischen 144 und 432 W
Laserscangeschwindigkeit: zwischen 200 und 400 mm/min
Pulverzuführrate: zwischen 8 und 20 g/min
Pulverträgergas: Argon
Trägergasströmungsrate: 12 l/min
Der Laser 50 wird im Impulsmodus betrieben, wobei die Impulsfrequenz auf 1 kHz eingestellt ist. Die Spitze und das Tal des Impulses wird auf 100% bzw. 0% der Leistungsein stellung eingestellt. Um den gewünschten kleinen Brennfleck des Laserstrahls zu erhalten, kann es erforderlich sein, über der Fokuslinse einen Strahlendehner zu positionieren.
Ein besonderer Vorteil hat sich bei der Verwendung von vier Pulverzufuhrrohren 58 gezeigt. Die vier Rohre wurden symmetrisch und mit gleichen Abständen um den Laserstrahl 50 angeordnet, wobei der Winkel zwischen jedem der Rohre 58 und dem Laser 50 auf 30° eingestellt war.
Es versteht sich, dass die obigen Angaben nur als Beispiele angegeben sind und dass zufrieden stellende Ergebnisse auch mit Ausrüstung erreicht werden kann, die eine verschiedene Spezifikation und Konfiguration hat.
Vor dem Auftrag wird die Oberfläche des Substrats 54 mit dem Laserstrahl 50 entlang der Pfade, wo die Wände aufzubauen sind, gescannt. Diese Aktion beseitigt irgendwelche Verunreinigungen wie beispielsweise einen Oxidfilm von der Oberfläche des Substrats 54, wodurch die Bindung zwischen dem Substrat 54 und der Wand 40 verbessert wird.
Es hat sich als von besonderem Vorteil erwiesen, eine relativ hohe Laserleistungseinstellung für den Reinigungsdurchgang und für die ersten paar Schweißdurchgänge als für die nachfolgenden Schweißdurchgänge zu benutzen. Dadurch heizt sich das Substrat 54 auf, wodurch die Bindung zwischen dem Substrat 54 und der Struktur 38 verbessert wird.
Das Substrat 54 ist aus mindestens einem einer Gruppe von Materialien ausgewählt, die auf Nickel basierende Superlegierungen, CMSX-4, MM002, C1023 und IN713LC umfassen. Dem Fachmann ist klar, dass diese Liste nicht erschöpfend ist.
Das Pulver 56 wird aus mindestens einem einer Gruppe von Materialien ausgewählt, das CM186, Rene 142, Haynes 214 und Amdry 955 umfaßt. Dem Fachmann ist klar, dass diese Liste nicht erschöpfend ist. Die verwendete Pulvergröße lag im Bereich von 50 μm bis 100 μm, obwohl es sich versteht, dass auch andere Pulvergrößen sich als von gleicher Nützlichkeit erweisen können.
Nachdem die Zellenstruktur 38 gebildet worden ist, kann es notwendig sein, sie zu bearbeiten, um das gewünschte Profil zu erhalten. Die Oberflächen der Zellen 44 können nickel beschichtet werden, und die Zellen 44 können anschließend mit einem abschleifbarem Material 45 gefüllt werden. Alternativ können die Zellen überfüllt werden, so dass das abschleifbare Material 45 radial einwärts über die radial inneren Ränder der Wände 40 übersteht. In diesem Fall dient die offene Zellenstruktur 38 als Rückhaltesystem für das abschleifbare Material 45, wodurch eine Beschädigung der Wände 40 minimiert wird.
Das abschleifbare Material 45 ist aus mindestens einem einer Gruppe von Materialien ausgewählt, die poröses YSZ, poröses Aluminiumoxid, und hohles NiAl-Pulver umfasst. Dem Fachmann ist klar, dass diese Liste nicht erschöpfend ist.
Die oben beschriebene Ausführungsform schafft also ein Turbinendichtungssegment, welches viele der mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme überwindet. Es gibt keine Hartlötverbindung zwischen der offenen Zellenstruktur 38 und dem Rest des Dichtungssegments 30, und daher keine Möglichkeit, dass sich die offene Zellenstruktur 38 von dem Substrat 54 ablöst. Des weiteren kann die Tiefe des abschleifbaren Materials 45 verringert werden, da keine zusätzliche Tiefe zur Aufnahme von verlaufenem Hartlötmaterial erforderlich ist. Des weiteren hat die beschriebene Ausführungsform gegenüber der Elektroentladungsbearbeitung den Vorteil, dass, wenn die durch Elektroentladungsbearbeitung gebildete Struktur einmal abgeschliffen ist, kein Material zur Bildung einer neuen Zellenstruktur 38 mehr verfügbar ist. Die beschriebene Ausführungsform schafft eine Maßnahme zum Hinzufügen von Material zum Dichtungssegment 30.
Die Wände der offenen Zellenstruktur 38 haben eine relativ hohe Oxidationsbeständigkeit und können leicht gekühlt werden, da sie nahe der Kühlkanäle 46 positioniert sind.
Im Betrieb schleifen die Schaufelspitzen der Hochdruckturbinenschaufeln 32 das abschleifbare Material 45 und die Wände 40 ab.
Die 8 und 9 zeigen eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei welcher entsprechende Bezugszahlen für äquivalente Teile benutzt sind. Bei dieser Ausführungsform weist die offene Zellenstruktur 38 aufstehende Wände 40 auf, die zwischen sich eine Vielzahl von Zellen bilden. Bei dieser Ausführungsform ist eine kleine Anzahl von etwa rautenförmig geformten Zellen 44 an den äußeren Rändern des Dichtungssegments angeord net. Jedoch hat die Mehrzahl der Zellen 144 längliche Rhomboidformen, wenn in der Radialrichtung der Turbine gesehen.
Es können verschiedene Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Der dargestellte Querschnitt der Wände ist etwa rechteckig. Jedoch kann ein "Eiffelturm"-Querschnitt benutzt werden, um die Kühlung zu verbessern. Bei dieser Ausführungsform nimmt die Dicke der Wände 40 zu ihren Basen zu, wodurch ein verbesserter Wärmeübergang zu den Kühlkanälen 46 hergestellt wird.
Die Dicke der Wände 40 kann jedoch an ihrem radial inneren Rändern etwas vergrößert sein, um eine Hinterschneidungsform zu bilden, was dazu beiträgt, ein Lösen des abschleifbaren Materials 45 aus der Zellenstruktur zu verhindern.
Die offenen Zellen 38 brauchen nicht rauten- oder rhomboidförmig zu sein, sondern können z. B. rechteckig, dreieckig usw. sein. Die Zellen 38 können diskret sein, wie dargestellt, oder können miteinander verbunden sein.
Eine Mehrzahl eng beabstandeter Wände oder Stege, die parallel sein können, können eine Dichtungsstruktur bilden. In einer alternativen Ausführungsform sind die Wände 40, wie in 10 gezeigt, unter einem Winkel zur Längsachse des Triebwerks konfiguriert. Ein Querschnitt durch diese Struktur, wie in 11 gezeigt ist, zeigt das Überfüllen der Zellenstruktur 40 mit dem abschleifbaren Material 45.
12 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform, wobei die Wände 40 in der Laufrichtung der Turbinenschaufel 32, angedeutet durch den Pfeil "B", geneigt sind. Die Wände 40 sind bis zu etwa 30° gegenüber der Radialrichtung geneigt.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die Wände 40 in einem Pfeilmuster gebildet sein, wobei die Pfeile in Umfangsrichtung orientiert sind, wie in 13 gezeigt. Diese Konfiguration hat gezeigt, dass sie nicht nur gegen Beschichtungsverlust aufgrund thermischer Stöße beständig ist, sondern auch Beschichtungsverlust von den Stegen während der Schaufelberührung verringert. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass die Pfeilkonfiguration, wenn sie so angeordnet ist, dass die Wand 40 abgewinkelt ist, so dass sie sowohl hinter die Vorderkante als auch die Hinterkante der Schaufel 32 weist, einen saubereren Schliff der Schaufel 32 erzeugt, als wenn die Wand 40 vorwärts abgewinkelt ist. Eine Bogenanordnung, wie in 14 gezeigt, würde den gleichen Effekt erzeugen. Eine Konfiguration, wo die Wände 40 im wesentlichen umfangsmäßig um die radial innere Oberfläche des Dichtungselements vorgesehen sind, d. h. senkrecht zur Schaufelrichtung, wie in 15, erzeugt ebenfalls einen sauberen Schliff der Schaufel 32.
Bei den in den 10 bis 15 gezeigten Ausführungsformen ist erkennbar, dass, wenn die Laufrichtung der Turbinenschaufel 32 über die Struktur so verläuft, wie allgemein durch den Pfeil "A" gezeigt ist, die Zellenstruktur 40 als Rückhaltematrix für das abschleifbare Material 45 wirkt.
Alternativ kann die Dichtungsstruktur 38 ohne die Verwendung von zusätzlichem Dichtungsmaterial bilden. Die Schweißlegierung und infolgedessen die Zellenwände 40 können als abschleifbares Material eingesetzt werden.
Anschließend an den Auftrag kann eine elektrochemische Bearbeitung oder ein Ätzen eingesetzt werden, um die Dicke der Wände 40 in der Dichtungsstruktur 38 zu reduzieren.
Es versteht sich, dass das Verfahren zum Herstellen der vorspringenden Wände 40 auch dazu eingesetzt werden kann, dünnwandige abschleifbare Gitter, die im Betrieb verschlechtert worden sind, wieder herzustellen oder aufzuarbeiten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements zum Positionieren radial außerhalb mindestens einiger der Tragflügelschaufeln (32) in einem Gasturbinentriebwerk (10), wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Dichtungsstruktur (38) mit einem radial inneren Oberflächenbereich (33), Bilden einer Mehrzahl vorspringender Wände (40) an dem radial inneren Oberflächenbereich (33) zum Bilden einer Mehrzahl offener Zellen (44), dadurch gekennzeichnet, dass die vorspringenden Wände (40) so ausgebildet sind, dass sie eine Dicke bis zu etwa 0,4 mm haben und durch pulvergespeisten Laserschweissauftrag gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen der Dichtungsstruktur (38) das Formen einer so konfigurierten Dichtungsstruktur (38) umfasst, dass mindestens ein Teil eines etwa ringförmigen Gehäuses gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (40) so ausgebildet sind, dass sie im wesentlichen radial einwärts von dem radial inneren Oberflächenbereich (33) vorspringen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wände (40) so ausgebildet sind, dass sie unter einem Winkel von bis zu etwa 30° zur Radialeinrichtung einwärts vorspringen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial innere Ränder der Wände so ausgebildet sind, dass sie eine im wesentlichen bogenförmige Innenfläche des Dichtungselements bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsstruktur (38) im wesentlichen über der Gesamtheit eines radial inneren Oberflächenbereichs (33) des Dichtungselements gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der vorspringen Wände (4) so ausgebildet ist, dass sie eine Dicke hat, die zu einem radial inneren Rand der mindestens einen vorspringenden Wand (40) allgemein abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der vorspringenden Wände so ausgebildet ist, dass sie eine Dicke hat, die zu einem radial inneren Rand der mindestens einen vorspringenden Wand (40) zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (44) nur an einer radial inneren Seite offen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Zellen (44), in der Radialrichtung gesehen, im wesentlichen rautenförmig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einwärts vorspringenden Wände (40) in einem Pfeilmuster gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einwärts vorspringenden Wände (40) in einem Bogenmuster gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einwärts vorspringenden Wände mit einer Höhe bis zu etwa 3 mm ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einwärts vorspringenden Wände (40) mit einem Abstand von etwa 2 mm voneinander ausgebildet werden.