DE68906780T2 - Einlaufschicht fuer eine abreibbare spaltabdichtung fuer gasturbinen. - Google Patents
Einlaufschicht fuer eine abreibbare spaltabdichtung fuer gasturbinen.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Aufbau eines abschleifbaren Dichtungssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der abschleifbaren Dichtungen von Gasturbinentriebwerken. Die Erfindung befaßt sich mit der Verringerung von nachteiligen anfänglichen Wechselwirkungen in einem abschleifbaren Dichtungssystem.
- Gasturbinentriebwerke finden breite Verwendung als Antriebsquellen, insbesondere in der Flugzeugindustrie. Solche Triebwerke bestehen aus einem Verdichterabschnitt, der Luft auf Zustände mäßigen Druckes und mäßiger Temperatur verdichtet. Ein Brennerabschnitt vereinigt Brennstoff mit der verdichteten Luft, und ein Turbinenabschnitt entnimmt den Verbrennungsprodukten nutzbare Energie. Der Turbinenabschnitt speist Energie zurück zu dem Verdichterabschnitt und wahlweise zu externen Belastungen. In einer üblichen Form eines Gasturbinentriebwerks treibt der Turbinenabschnitt auch einen Fanabschnitt an, welcher zusätzlichen Schub liefert.
- Der Wirkungsgrad des Triebwerks kann erhöht werden, indem gewährleistet wird, daß die Luft nur dort strömt, wo sie strömen soll, und daß Leckage, z.B. um die Laufschaufelspitzen und die Leitschaufelenden, minimal ist. Die Dichtungsaufgabe wird dadurch schwieriger, daß die Turbinentriebwerksteile mit Temperatur- und Spieländerungen bei veränderten Belastungsbedingungen expandieren und kontraktieren. Gegenwärtig finden abschleifbare Dichtungen breite Verwendung. Eine abschleifbare Dichtung besteht aus einem spröden, zerbrechlichen Material, üblicherweise einem schwach gebundenen, teilchenförmigen Verbundmaterial, das (theoretisch) sauber wegbricht statt zu fließen oder zu verschmieren, wenn es mit der bewegten Laufschaufelspitze oder dem Leitschaufelende in Wechselwirkung tritt. Das abschleifbare Dichtungssystem beinhaltet ein abschleifbares Gebilde (üblicherweise stationär) in Kombination mit einem bewegten Bauteil, welches mit dem abschleifbaren Gebilde in Wechselwirkung tritt, um eine Nut in dieses einzuschneiden. Das bewegte Bauteil arbeitet während des normalen Betriebes in der Nut, wodurch ein gutes Maß an Abdichtung erzielt wird.
- Die Aufgabe, die geeignete abschleifbare und schleifende Kombination für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen zu finden, ist eine schwierige Aufgabe, insbesondere dann, wenn auch annehmbare Fertigungskosten verlangt werden.
- Die US-A-3 413 136, 3 879 831, 3 844 011 und 3 147 087 beschreiben typische abschleifbare Dichtungssysteme, die zur Wechselwirkung mit einer Vielfalt von bewegten Bauteilen ausgelegt sind. Der schleifende Teil wird hinzugefügt, um zu gewährleisten, daß Verschleiß an dem abschleifbaren Bauteil und nicht an der bewegten Laufschaufelspitze oder der Messerkantendichtung auftritt. Die optimale Kombination aus abschleifbar und schleifend ist noch nicht gefunden worden. Es gibt beträchtliche Probleme, welche auftreten, wenn abschleifbar und schleifend nicht richtig in Wechselwirkung treten, sondern vielmehr die Wechselwirkung des abschleifbaren Teils auf eine verschmierende oder duktile Weise auftritt, durch die Haftung und Aufbau von Ablagerungen auf der Abschleifoberfläche verursacht werden. Wenn dieser Typ von Verhalten begonnen hat, wird er andauern, weil die Ablagerung auf der Schleifoberfläche durch die abschleifbaren Dichtungsbestandteile benetzbar und für diese anziehend ist. Jegliches Benetzen des umlaufenden Teils durch das Dichtungsmaterial wird anschließende nachteilige Auswirkungen haben, die sogar so weit gehen können, daß eine ausreichende Unwucht verursacht wird, um Schwingung und spätere Ermüdungsrisse hervorzurufen.
- Die EP-A-0 187 612 beschreibt ein abschleifbares System, das ein abschleifbares Material enthält, und auf die Oberfläche dieses Materials wird eine dünne Schicht aufgebracht, die eine polymerisierte Keramikmatrix aufweist, welche einen abgerundeten, teilchenförmigen Füllstoff enthält.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein abschleifbares und abschleifendes System zusammen mit einem transienten Zwischenüberzug zu schaffen, welcher für minimale Wechselwirkung sorgt, bei minimaler Materialübertragung von der Dichtung auf das umlaufende Teil, insbesondere während des Anfangskontakts zwischen der schleifenden Oberfläche und der abschleifbaren Dichtung.
- Das abschleifbare und schleifende System nach der vorliegenden Erfindung ist in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben.
- Es ist festgestellt worden, daß die meiste Schleif-Abschleif-Wechselwirkung während der wenigen Anfangssekunden oder -minuten des Triebwerksbetriebs auftritt. Während dieser kurzen Anfangsperiode wird das große Volumen an abschleifbarem Material abgeschliffen, und während dieser Zeitspanne setzt die Wechselwirkung zwischen dem Schleifen und Abschleifen den Ton für den anschließenden Triebwerksbetrieb und das anschließende Dichtungsverhalten.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer herkömmlichen abschleifbaren Dichtung deren Wechselwirkung mit einer Schleifoberfläche wesentlich modifiziert werden, indem zwischen ihnen ein transienter Überzug auf der Oberfläche des bewegten Bauteils vor dem Anfangstriebwerksbetrieb angeordnet wird.
- Gemäß einer Form des Standes der Technik kann ein Schleifmaterial durch Plasmaspritzen auf die Laufschaufelspitzen und Messerkantendichtungen aufgetragen werden. Dieses Material besteht aus einer oxidations- und korrosionsbeständigen Matrix, die Schleifmaterial enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt worden ist, die aus Carbiden, Nitriden und Oxiden besteht. Dieses Schleifmaterial wird mit einer abschleifbaren Dichtung herkömmlichen Typs in Wechselwirkung treten, wie er beispielsweise in den US-A-3 413 136, 3 879 831, 3 844 011 und 3 147 087 beschrieben ist. Gemäß Erfahrungen, die mit diesem Typ von Technologie gemacht worden sind, haben sich solche Kombinationen nicht als gänzlich zufriedenstellend erwiesen, weil nachteilige Wechselwirkungen aufgetreten sind.
- Gemäß der Erfindung werden diese Wechselwirkungen beträchtlich reduziert, indem auf die Oberfläche des Schleifmaterials eine kollodiale Suspension eines keramischen Materials aufgetragen wird, die durch das abschleifbare Material während Wechselwirkungen bei hoher Temperatur nicht benetzbar ist, wodurch die Übertragung von abschleifbarem Material auf das umlaufende Bauteil und die Haftung an demselben minimiert werden. Typische Materialien umfassen Al&sub2;O&sub3;, MgO, ZrO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; und BN. Durch das Vorsehen von solchem Material wird die Wechselwirkung während der ersten Augenblicke des Triebwerksbetriebes stark reduziert. Wenn nachteilige Wechselwirkungen während des Anfangstriebwerksbetriebes vermieden werden können, kann das abschleifbare Dichtungssystem, das sonst unzufriedenstellend arbeiten würde, für die wesentlich geringere Anforderungen stellenden Wechselwirkungen zufriedenstellend sein, die während des üblichen Triebwerksgebrauches auftreten.
- Die Wechselwirkungsverringerung resultiert offenbar aus Verringerungen an Reibungserwärmung (die feinen Partikel ergeben eine gewisse Schmierfähigkeit) in Kombination mit der Nichtbenetzbarkeit der Materialien.
- Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung deutlicher werden.
- Die Figur ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Gasturbinentriebwerks, der typische Dichtungsgebilde veranschaulicht.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen, die in Gasturbinentriebwerken benutzt werden, insbesondere in solchen mit axialer Durchströmung. Diese Triebwerke weisen abwechselnde Kränze von stationären Leitschaufeln und bewegten Laufschaufeln auf, wobei die Laufschaufeln an dem Umfang von auf der Welle befestigten umlaufenden Scheiben befestigt sind.
- Die Figur zeigt einen Querschnitt eines Teils eines modernen Gasturbinentriebwerks. Zu den Bauteilen, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wichtig sind, gehören mehrere drehbare Scheiben 1, an deren äußerem Umfang eine Vielzahl von Laufschaufeln 2 befestigt ist. Die Laufschaufeln drehen sich innerhalb des inneren Gehäuses 3 und haben engen Abstand von demselben. Minimale Leckage zwischen den Laufschaufeln und dem inneren Gehäuse wird durch das Vorsehen einer Dichtung 4 (der äußeren Luftabdichtung) erzielt, die an dem inneren Gehäuse befestigt ist.
- Innerhalb des inneren Gehäuses 3 und an demselben ist eine Vielzahl von Leitschaufeln 5 befestigt, an deren inneren, freien Enden 6 eine weitere Dichtung 7 (die innere Luftabdichtung) befestigt ist, welche engen Abstand von Messerkanten 8 hat, die an Fortsätzen der Scheiben 1 befestigt sind. Die Messerkante 8 und die innere Luftabdichtung 7 sorgen gemeinsam für eine Verringerung der Leckage und für eine Verbesserung des Wirkungsgrads. In einem anderen Triebwerksschema haben die Scheiben keine integralen Vorsprünge, sondern sind durch Distanzstücke getrennt, an denen Messerkanten befestigt sein können.
- Die Dichtungen, für die die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist, sind an dem inneren Gehäuse 3 benachbart zu den freien Enden der Laufschaufeln 2 (der äußeren Luftabdichtung) und an den freien Enden 6 der Leitschaufeln 5 (der inneren Luftabdichtung) angeordnet. Die Dichtungen nach der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise auf stationären Substraten befestigt, die so angeordnet sind, daß sie mit bewegten Bauteilen in Berührung kommen.
- Die Erfindung beinhaltet die bessere Ausnutzung von herkömmlichen Dichtungsmaterialien, welche bereits im Stand der Technik mit unregelmäßigen Ergebnissen versucht worden sind. Die Erfindung erbringt bei diesen früher weniger als erfolgreichen Kombinationen Erfolg mit sich durch die Anbringung eines Anfangszwischenüberzugs, der nachteilige und schädliche Wechselwirkungen zwischen dem schleifenden und dem abschleifbaren Material während des Anfangs des Triebwerkslaufes stark reduziert. Die abschleifbare Dichtung kann z.B. auf den Lehren der US-A-3 413 136, 3 879 831, 3 844 011 und 3 147 087 ausgewählt werden.
- Aluminiumoxid ist eine gut bekannte Keramik, die bei hohen Temperaturen benutzt wird und die Eigenschaft hat, daß sie mit Metallegierungen des Typs, wie er in den abschleifbaren Gebilden und Schleifoberflächen benutzt wird, insgesamt nicht reagiert oder nicht benetzt wird. Dadurch, daß gewährleistet wird, daß ein solches nichtbenetzendes, keine Reaktion eingehendes Material während der Anfangsreibung zwischen dem schleifenden und dem abschleifbaren Material vorhanden ist, wird die Anfangswechselwirkung eine nichtbenetzende Wechselwirkung sein, und die Probleme, die während des anfänglichen Triebwerkslaufes oft auftreten, werden minimiert werden. Die Erfindung beinhaltet funktional äquivalente, nichtbenetzbare Keramiken, die bis wenigstens 1650 ºC (3000 ºF) stabil sind und zu denen Al&sub2;O&sub3;, MgO, ZrO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; und BN gehören. Die Partikelgrößen sind vorzugsweise kleiner als 10 um (Mikrometer) und die Überzugsdicke sollte 25,4 um (1 Mil) übersteigen.
- Die Schleifoberfläche, welche mit diesem abschleifbaren Dichtungsmaterial in Wechselwirkung tritt, kann durch gemeinsames Plasmaspritzen einer schleifenden Substanz, die aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Carbiden und Oxiden und insbesondere aus WC, Cr&sub2;C&sub3;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, SiC und Gemischen derselben besteht, mit einem Bindemittel geschaffen werden.
- Das Bindemittel wird, wenn es benutzt wird, so gewählt, daß es mit dem Schleifmaterial im wesentlichen nicht reagiert, d.h. durch dasselbe nicht benetzbar ist. Im Falle von Wolframcarbid ist eine Pulvermischung benutzt worden, die aus 88 Gewichtsprozent Wolframcarbid und 12 Gewichtsprozent eines Cobaltbindemittels bestand, wogegen in dem Fall der Chromcarbidschleifschicht ein Pulver benutzt worden ist, das 75 Gewichtsprozent Cr&sub3;C&sub2; und 25 Gewichtsprozent einer Legierung enthielt, die aus 80 % Nickel und 20 % Chrom bestand. Es wird sich oft als erwünscht herausstellen, einen Anfangsverbindungsüberzug zu benutzen, um sicherzustellen, daß das Schleifmaterial an dem Substrat haftet; ein solcher Verbindungsüberzug kann, beispielsweise, dieselben Legierungen beinhalten, die denjenigen gleichen, welche als Matrixmaterial oder Bindemittel in Verbindung mit dem Schleifmaterial benutzt werden. Andere Verbindungsüberzüge können benutzt werden, welche Legierungen des MCrAl-Typs beinhalten, wobei M ein Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Cobalt und Gemischen derselben besteht; Cr Chrom in einer Menge von 5 Gew.% bis 25 Gew.% ist; und Al Aluminium in einer Menge von 5 Gew.% bis 20 Gew.% ist. Reaktionsfähige Metalle wie Y, La, Sc, Hf und dgl. können in Mengen in der Größenordnung von 0,1 % bis 2 % zugesetzt werden.
- Es ist das abschleifbare Material, welches hauptsächlich in nachteilige Wechselwirkung mit dem schleifenden Überzug tritt, und es ist diese Reaktion bei hohen Temperaturen zwischen dem Schleifmaterial und dem abschleifbaren Material, welche durch den transienten Zirkoniumdioxidüberzug nach der vorliegenden Erfindung verhindert wird. Der Überzug nach der vorliegenden Erfindung kann am vorteilhaftesten als eine kolloidale Suspension, und zwar entweder als eine wäßrige oder als eine organische, d.h. auf der Basis von Cellulosenitrat, aufgebracht werden oder könnte prinzipiell durch einen sehr leichten Plasmaspritzüberzug aufgebracht werden. Wir haben mit Erfolg flüssiges Auftragen benutzt.
Claims (1)
1. Anfangsaufbau eines abschleifbaren Dichtungssystems
eines Gasturbinentriebwerks, mit einer Schicht abschleifbaren
Materials (4) auf einem stationären Bauteil (3) und mit
einem relativbewegten Bauteil (2), das einen Schleifüberzug
auf seinem freien Ende hat, der mit dem stationären Bauteil
in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Verbessern des Wirkungsgrads eine dünne, vorübergehende
Schicht von kolloidalen Keramikpartikeln, die durch das
abschleifbare Material (4) nicht benetzbar ist, auf den
Schleifüberzug aufgebracht wird, um eine negative
Wechselwirkung zwischen der Schicht des abschleifbaren Materials
(4) und dem bewegten Bauteil (2) in der Anfangsperiode des
Laufes des Triebwerks zu minimieren.
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