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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wabendichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine nach einem derartigen Verfahren hergestellte Wabendichtung sowie eine Strömungsmaschine.
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Wabendichtungen werden bei Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken regelmäßig zur Abdichtung eines radialen Spaltes zwischen rotierenden Triebwerkskomponenten und stationären Triebwerkskomponenten eingesetzt. Sie ermöglichen ein beschädigungsfreies Einlaufen von Schaufelspitzen oder Dichtstegen bzw. Dichtfins und eine Reduzierung von Leckageströmen.
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Bekannte Wabendichtungen weisen eine Vielzahl von Dichtsegmenten auf, die jeweils aus einem Wabenelement und einem Grundkörper zur Anordnung des Wabenelementes an einen Träger bestehen. Das Wabenelement und der Grundkörper werden getrennt zueinander hergestellt und anschließend durch Hochtemperaturlöten im Vakuum miteinander verbunden. Der Grundkörper ist ein massiver Körper, der vorzugsweise aus einer hochtemperaturfesten Nickellegierung hergestellt ist, und das Wabenelement besteht aus einer Vielzahl von umgeformten und miteinander zu Waben verbundenen Blechen. Die Blechumformung schränkt jedoch die Gestaltungsfreiheit der Dichtsegmente und somit die der Wabendichtung ein, wodurch konstruktive Kompromisse eingegangen werden müssen, die sich nachteilig auf das Gewicht der Dichtsegmente bzw. der Wabendichtungen sowie auf den Wirkungsgrad des Flugzeugtriebwerks auswirken. Zudem wird die Konstruktion der Dichtsegmente durch die Anbindung des Wabenelements an den Grundkörper bestimmt.
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Aus dem deutschen Patent
DE 102 59 963 B4 ist eine Wabendichtung bekannt, deren Dichtsegmente einteilig durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt sind. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine flexible Gestaltungsfreiheit, jedoch erfordert das Spritzgießen einen verhältnismäßig hohen vorrichtungstechnischen Aufwand, der sich unter anderem in den Herstellkosten ausdrückt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Wabendichtung zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine vereinfachte Herstellung eines Dichtsegmentes ermöglicht, sowie eine gewichtsoptimierte Wabendichtung zu schaffen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine effiziente Strömungsmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Wabendichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Wabendichtung für eine Strömungsmaschine zur Abdichtung eines Radialspaltes zwischen einem Rotor und einem Stator, die eine Vielzahl von Dichtsegmenten aufweist, die jeweils ein Wabenelement und einen Grundkörper zur Positionierung des Wabenelementes an einem Träger haben, werden die Dichtsegmente erfindungsgemäß jeweils einteilig als ein Schmiedeteil hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache und somit kostengünstige Herstellung einer Wabendichtung. Eine Konstruktion der Dichtsegmente nach Erfordernissen der Blechumformung und der Verbindung des Grundkörpers mit dem Wabenelement ist nicht mehr erforderlich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Gestaltungsfreiheit ermöglicht.
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Bei Bedarf können die Wandstärken der Waben der Wabenelemente chemisch eingestellt werden. Die chemische Behandlung ermöglicht eine genaue Maßfertigung und ein bauteilschonendes Abtragen von überstehendem Material.
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Eine erfindungsgemäße Wabendichtung für eine Strömungsmaschine zur Abdichtung eines Radialspaltes zwischen einem Rotor und einem Stator hat eine Vielzahl von Dichtsegmenten, die jeweils ein Wabenelement und einen Grundkörper zur Positionierung des Dichtsegmentes an einem Träger aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Dichtsegmente jeweils einteilige Schmiedeteile.
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Eine Wabendichtung mit derartigen Dichtsegmenten ermöglicht eine optimale Abdichtung eines Radialspaltes, da die Dichtsegmente aufgrund des einteiligen Herstellungsverfahrens strukturmechanisch und geometrisch optimiert sind. Zudem weisen sie durch die Einteiligkeit bei einem reduzierten Gewicht eine höhere strukturelle Stabilität als herkömmliche Dichtsegmente auf.
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Zur weiteren Verbesserung der Abdichtung können die Wabenelemente Waben mit unterschiedlichen Orientierungen haben.
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Zur Positionierung der Dichtsegmente an dem Träger können die Dichtsegmente Führungsabschnitte zum bequemen Aufschieben auf den Träger aufweisen.
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Zur gegenseitigen Stützung von benachbarten Dichtsegmenten können diese jeweils zumindest einen Vorsprung und zumindest eine Ausnehmung aufweisen, die an entgegengesetzten Seitenflächen zur Herstellung einer Formschlussverbindung mit benachbarten Dichtsegmenten ausgebildet sind.
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Die Ausbildung der Vorsprünge sowie der Ausnehmungen lässt sich vereinfachen, wenn diese sowohl in dem Grundkörper als auch in dem Wabenelement ausgebildet sind und sich somit in Hochrichtung durch das Dichtsegment erstrecken.
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Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine ist mit einer an einem Träger angeordneten erfindungsgemäßen Wabendichtung versehen und weist durch die verbesserte Abdichtung und das geringere Gewicht einen im Vergleich zu einer Strömungsmaschine mit einer herkömmlichen Wabenrichtung höheren Wirkungsgrad auf.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1, 2 u. 3 ein erstes Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wabendichtung,
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4, 5 u. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Wabendichtung,
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7 ein drittes Ausführungsbeispiel der Wabendichtung, und
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8 ein viertes Ausführungsbeispiel der Wabendichtung.
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Gemäß der perspektivischen Darstellung in 1 hat ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wabendichtung 1 zum Abdichten eines radialen Spaltes zwischen sich bewegenden und stationären Komponenten eines Flugzeugtriebwerks eine Vielzahl von Dichtsegmenten 2 die auf einen Träger 4 aufgeschoben sind und stirnseitig aneinander anliegen. Der Träger 4 bildet einen Ring und besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Trägersegmenten 6, die je nach dem abzudichtenden radialen Spalt gehäuseseitig oder rotorseitig angeordnet sind.
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Die Dichtsegmente 2 haben jeweils eine quaderförmige Gestalt mit zwei in Schieberichtung verlaufenden Längsseiten 8, 10 und mit zwei quer zur Schieberichtung verlaufende Schmalseiten 12, 14, mittels denen sich die benachbarten Dichtsegmente 2, 2', 2'' jeweils flächig in Anlage befinden. Sie sind in einem mittleren Bereich der Trägersegmente 6 angeordnet und erstrecken sich nahezu über deren gesamte Erstreckung in Strömungsrichtung x (s. 2). Zur gegenseitigen Stabilisierung der Dichtsegmente 2 ist in den voneinander abgewandten Schmalseiten 12, 14 jeweils ein Vorsprung 16 und eine entsprechend ausgebildete Ausnehmung 18 eingebracht, die mit einer gegenüberliegenden Ausnehmung 18'' bzw. einem gegenüberliegenden Vorsprung 16' im montierten Zustand jeweils eine Formschlussverbindung zwischen den benachbarten Dichtsegmenten 2, 2' bzw. 2, 2'' bilden.
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Die Dichtsegmente 2 werden als einteilige Schmiedeteile hergestellt und haben wie in 3 gezeigt jeweils einen Grundkörper 20 sowie ein Wabenelement 22. Hierdurch weisen die Dichtsegmente 2 wie im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele erkennbar eine hohe Gestaltungsfreiheit auf, wodurch die Wabendichtung optimal an die triebwerksseitige angepasst werden können.
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Der Grundkörper 22 hat einen etwa rechteckigen Querschnitt und dient zur Anordnung des Wabenelementes 4 an den Trägersegmenten 6 bzw. an dem Träger 4. Er hat hierzu zwei an seinen entgegengesetzten Längsseiten 8, 10 ausgebildete keil- bzw. pfeilartige Führungsabschnitte 24, 26, mittels denen er in entsprechende eine Schwalbenschwanzführung bildende v-förmige in 3 gezeigte innere Führungsbahnen 28, 30 der Trägersegmente 6 eingreift.
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Das Wabenelement 4 hat eine Vielzahl von Waben 32 deren Wandungen 34 durch ein chemisches Verfahren wie ein Ätzverfahren auf Maß gefertigt werden. Die Waben 32 bilden eine Einlauffläche bzw. radiale Dichtebene und weisen zur Erreichung einer optimalen Abdichtung zumindest bereichsweise verschiedene Orientierungen auf. So erstrecken sie sich in Randbereichen des Wabenelements 22 längs zur Rotationsrichtung senkrecht zum Grundkörper 20. In einem Bereich zwischen den Randbereichen verlaufen die Waben 32 in drei Längsreihen 36, 38, 40, wobei in der mittleren Längsreihe 38 die Waben 32 senkrecht zum Grundkörper 20 orientiert sind und in den seitlichen Längsreihen 36, 40 nahezu in Strömungsrichtung x einer Hauptströmung und somit quer zur Rotationsrichtung orientiert sind.
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Wie ebenfalls in 2 zu erkennen, sind der Vorsprung 16 und die Ausnehmung 18 derart an den Schmalseiten 14, 16 ausgebildet, dass sich diese in Hochrichtung über das Dichtsegment 2 erstrecken.
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In den 4, 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wabendichtung 1 gezeigt. Dies hat ebenfalls eine Vielzahl von als einteilige Schmiedeteile ausgebildeten Dichtsegmenten 2, die jeweils nebeneinander auf Trägersegmente 6 eines nicht gezeigten ringförmigen Trägers 4 aufschiebbar sind und wie in 5 gezeigt jeweils einen Grundkörper 20 und ein Wabenelement 22 aufweisen. Sie sind in einem mittleren Bereich der Trägersegmente 6 angeordnet und erstrecken sich nahezu über deren gesamte Erstreckung in Strömungsrichtung x. Zur Anordnung an den Trägersegmenten 6 haben die Dichtsegmente 2 ebenfalls an ihren Längsseiten 8, 10 entgegengesetzt zueinander orientierte pfeilförmige Führungsabschnitte 24, 26, mittels denen sie in entsprechende eine Schwalbenschwanzführung bildende in 6 bezifferte v-förmige innere Führungsbahnen 28, 30 der Trägersegmente 6 eingreifen.
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Im Unterschied zum vorgehenden ersten Ausführungsbeispiel nach den 1, 2 und 3 hat der Grundkörper 20 einen in etwa bogenförmigen Querschnitt und das Wabenelement 22 ist stufenartig mit zwei Einlaufflächen bzw. zwei Dichtebenen ausgebildet. Zudem erstrecken sich die einzelnen Waben 32 einheitlich gemäß der Darstellung in 5 in vertikaler Richtung von dem Grundkörper 20 weg.
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In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wabendichtung 1 gezeigt. Dies hat ebenfalls eine Vielzahl von als einteilige Schmiedeteile ausgebildeten Dichtsegmenten 2, die jeweils nebeneinander auf ein Trägersegment 6 eines nicht gezeigten ringförmigen Trägers 4 aufschiebbar sind und jeweils einen Grundkörper 20 und ein Wabenelement 22 aufweisen. Das Wabenelement 22 hat eine Vielzahl von sich gemäß der Darstellung in 7 in vertikaler Richtung erstreckenden Waben 32, die eine Einlauffläche bzw. eine Dichtebenen bildet. Zur Anordnung an den Trägersegmenten haben die Dichtsegmente 2 ebenfalls zwei an ihren Längsseiten 8, 10 entgegengesetzt zueinander orientierte und in der gewählten Perspektive nicht sichtbare keilförmige Führungsabschnitte 24, 26, mittels denen sie in entsprechende eine Schwalbenschwanzführung bildende v-förmige innere Führungsbahnen 28, 30 der Trägersegmente 6 eingreifen.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 und den 4 bis 6 sind die Dichtsegmente 2 schmaler ausgebildet und die Führungsbahnen 28, 30 sind im sich in Rotationsrichtung erstreckenden Randbereich der Trägersegmente 6 angeordnet, so dass grundsätzlich weitere Triebwerkskomponenten an dem Trägersegmenten 6 angeordnet werden können.
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In 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wabendichtung 1 gezeigt. Dies hat ebenfalls eine Vielzahl von als einteilige Schmiedeteile ausgebildeten Dichtsegmenten 2, die jeweils nebeneinander auf ein Trägersegment 6 eines ringförmigen Trägers 4 aufschiebbar sind und jeweils einen Grundkörper 20 und ein Wabenelement 22 aufweisen. Das Wabenelement 22 ist vergleichend zum Wabenelement 20 nach den 4, 5 und 6 stufenartig mit zwei Einlaufflächen bzw. zwei Dichtebenen ausgebildet, die von einer Vielzahl von sich gemäß der Darstellung in 8 in vertikaler Richtung erstreckenden Waben 32 gebildet werden.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3, den 4 bis 6 und nach 7 sind die Dichtsegmente 2 nicht in inneren schwalbenschwanzartigen Führungen an den Trägersegmenten 6 geführt, sondern an voneinander abgewandten äußeren Führungsbahnen 28, 30. Zum Umgreifen der Führungsschienen hat der Grundkörper an seinen Längsseiten 4, 6 jeweils einen nach innen gerichteten hakenartigen Führungsabschnitt 24, 26, wodurch ein in etwa C-förmiger Querschnitt gebildet wird.
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Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wabendichtung für eine Strömungsmaschine zur Abdichtung eines Radialspaltes zwischen einem Rotor und einem Stator, mit einer Vielzahl von Dichtsegmenten, die jeweils ein Wabenelement und einen Grundkörper zur Positionierung des Wabenelementes an einem Träger aufweisen, wobei die Dichtsegmente jeweils einteilig als ein Schmiedeteil hergestellt werden, eine Wabendichtung mit einer Vielzahl derartiger Dichtsegmente sowie eine Strömungsmaschine.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wabendichtung
- 2, a, b
- Dichtsegment
- 4
- Träger
- 6
- Trägersegmenten
- 8
- Längsseiten
- 10
- Längsseiten
- 12
- Schmalseiten
- 14
- Schmalseiten
- 16, 16'
- Vorsprung
- 18, 18'
- Ausnehmung
- 20
- Grundkörper
- 22
- Wabenelement
- 24
- Führungsabschnitt
- 26
- Führungsabschnitt
- 28
- Führungsbahn
- 30
- Führungsbahn
- 32
- Wabe
- 34
- Wandung
- 36
- Längsreihe
- 38
- Längsreihe
- 40
- Längsreihe
- x
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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