DE19828065A1

DE19828065A1 - Wabenstruktur-Dichtung insbesondere für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE19828065A1
Application number: DE19828065A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber
Original assignee: BMW Rolls Royce GmbH
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-12-30
Also published as: EP0967363B1; EP0967363A2; EP0967363A3; DE59905282D1; US6251494B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wabenstrukturdichtung im Gehäuse einer Turbine, insbesondere Gasturbine, mit einer der Gehäusewand zugewandten Grundplatte sowie einem den Spitzen der Turbinen-Rotorschaufeln zugewandten Anstreifabschnitt. Die Dichtung ist gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau, derart, daß sich an die Grundplatte ein luftevakuierter und somit in Teilflächen durch Vakuum isolierender Wabenstrukturabschnitt anschließt, der durch eine Zwischenplatte abgedeckt ist, auf deren der Wabenstruktur abgewandten Seite der Anstreifabschnitt angeordnet ist. Bevorzugt ist die Zwischenplatte mit dem Wabenstrukturabschnitt verlötet, wobei dieser Herstellungsprozeß unter Vakuumbedingungen erfolgt. Der Anstreifabschnitt kann ebenfalls als Wabendichtung ausgebildet sein, wobei die Wabenzellen des Wabenstrukturabschnittes eine signifikant größere Teilfäche aufweisen als die Wabenzellen des Anstreifabschnittes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wabenstruktur-Dichtung zwischen einem rotieren den Element und einem Stator-Element einer Turbine, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem den Spitzen der Turbinen-Schaufeln zugewandten Anstreif-Abschnitt sowie mit einer dem anderen Element der Turbine Zuge wandten Grundplatte. Insbesondere kann es sich bei den besagten Turbi nen-Schaufeln um die Rotorschaufeln handeln, so daß die Grundplatte der Gehäusewand (=Stator-Element) der Turbine zugewandt ist, alternativ kann jedoch die Grundplatte auch der rotierenden Turbinen-Welle zugewandt sein, so daß der besagte Anstreif-Abschnitt den Spitzen der Turbinen-Stator schaufeln zugewandt ist. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 32 35 745 A1 verwiesen. Ferner sei ausdrücklich darauf hingewie sen, daß der Begriff der "Wabenstruktur" allgemein zu verstehen ist, d. h. es muß sich hierbei nicht unbedingt um die dem Fachmann geläufige Bienen wabenstruktur handeln. Vielmehr ist hierunter eine beliebige Anordnung von einander benachbarten Hohlräumen beliebiger Geometrie zu verstehen.

Anstreifdichtungen für die Rotorschaufeln bspw. von Gasturbinen, die an der Innenwand des Turbinengehäuses angeordnet sind, werden unter anderem als Wabenstruktur-Dichtungen, auch "Honeycomb-Dichtung" genannt, aus gebildet. Die Wabenstruktur wird dabei von einer Grundplatte getragen, wäh rend die die Wabenstruktur bildenden Stegwände mit ihren freien Endab schnitten den Spitzen der Rotorschaufeln zugewandt sind. Die von den Stegwänden begrenzten Wabenzellen können dabei zumindest teilweise mit einem geeigneten Isolationsmaterial befüllt sein, so wie dies in der o.g. Schrift beschrieben ist.

Anstreifdichtungen von Gasturbinen müssen zwei Hauptaufgaben erfüllen, nämlich das Arbeitsgas möglichst wirkungsvoll von einer Umströmung der Rotorschaufelspitzen abzuhalten und darüberhinaus das Turbinengehäuse zumindest abschnittsweise gegenüber dem heißen Arbeitsgas zu isolieren. Diese Wärmeisolationswirkung soll dabei derart sein, daß die thermische Gehäusedehnung simultan zur thermischen und der überlagerten, fliehkraftinduzierten Dehnung der Rotor-Scheibe und der Rotorschaufeln verläuft, um das Spaltmaß zwischen den Schaufelspitzen und dem Turbinengehäuse auch während instationärer Betriebszustände (bspw. während der Aufheizphase) der Turbine zu minimieren. Eine Spaltmaßminimierung über dem gesamten Arbeitszyklus einer Gasturbine, insbesondere Flug-Gasturbine ist notwendig, da jede Vergrößerung des Spaltmaßes eine Schub- und Wirkungsgradverminderung bedeutet.

Diese soeben beschriebenen Anforderungen werden mit den bestehenden Lösungen von Wabenstruktur-Dichtungen zumindest teilweise nur unzu reichend erfüllt. Entweder sind gut dichtende, feinstrukturierte Honeycomb- Strukturen nicht hinreichend gut mit isolierendem Material zu füllen, oder es weisen die gröberen, gut füllbaren Honeycomb-Strukturen keine befriedigen den Dichteigenschaften auf. Die thermische Isolation des Turbinengehäuses ist als Folge hiervon nicht ausreichend groß, darüberhinaus weisen Metall- Keramik Verbindungen (wenn die Honeycomb- oder Waben-Struktur wie üb lich metallisch und das in die Waben eingebrachte isolierende Material ke ramisch ist) insbesondere bei thermozyklischer Belastung eine einge schränkte Lebensdauer auf. Weiterhin können die keramischen Füllstoffe Beschädigungen an den dem Fachmann bekannten Einlaufstegen hervor rufen.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau der Wabenstruktur-Dichtung derart, daß sich an die Grundplatte ein luftevakuierter und somit in Teilflächen durch Vakuum isolierender Waben struktur-Abschnitt anschließt, der durch eine zwischenplatte abgedeckt ist, auf deren dem Wabenstruktur-Abschnitt abgewandten Seite der Anstreif- Abschnitt angeordnet ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Dabei sei nochmals darauf hingewiesen, daß der sog. Wabenstruktur-Abschnitt als eine Anordnung von mehreren Hohlräumen von im wesentlichen beliebiger Form nebeneinander zu verstehen ist.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs beispieles, wobei in der beigefügten einzigen Figur eine erfindungsgemäße Wabenstruktur-Dichtung in perspektivischer Explosionsdarstellung gezeigt ist.

Mit der Bezugsziffer 1 ist eine Grundplatte bezeichnet, auf deren Oberfläche eine bei Honeycomb-Dichtungen an sich übliche Wabenstruktur angeordnet ist. Diese der Grundplatte 1 benachbarte Wabenstruktur wird im weiteren als Wabenstruktur-Abschnitt 2 der erfindungsgemäßen Wabenstruktur-Dichtung bezeichnet.

Auf der der Grundplatte 1 gegenüberliegenden Seite schließt sich an den Wabenstruktur-Abschnitt 2 eine Zwischenplatte 3 an, d. h. der Wabenstruk tur-Abschnitt 2 ist von der Zwischenplatte 3 abgedeckt. In diesem Zusam menhang sei nochmals darauf hingewiesen, daß es sich bei der beigefügten Figur um eine Explosionsdarstellung handelt, d. h. in der Realität ist der Wa benstruktur-Abschnitt 2 direkt zwischen der Grundplatte 1 einerseits und der Zwischenplatte 3 andererseits eingebettet.

Auf der Zwischenplatte 3 ihrerseits, und zwar auf deren dem Wabenstruktur- Abschnitt 2 abgewandten Seite ist ein sogenannter Anstreif-Abschnitt 4 an geordnet. Auch dieser Anstreif-Abschnitt 4 liegt wieder direkt auf der Zwi schenplatte 3 auf.

Die gezeigte und insoweit beschriebene Wabenstruktur-Dichtung zeichnet sich somit durch einen mehrlagigen Aufbau aus, bestehend aus der Grund platte 1, dem Wabenstruktur-Abschnitt 2, der Zwischenplatte 3 und dem An streif-Abschnitt 4. Im Einbauzustand dieser Wabenstruktur-Dichtung in einer Turbine, insbesondere einer Flug-Gasturbine, liegt dabei die Grundplatte 1 mit ihrer freien (hier unteren) Oberfläche an der Innenwand des nicht ge zeigten Turbinen-Gehäuses an, während die (in der Figurendarstellung obe re) freie Oberfläche des Anstreif-Abschnittes 4 den (ebenfalls nicht gezeig ten) Schaufelspitzen der Turbinen-Rotorschaufeln zugewandt ist.

Demzufolge ist der Anstreif-Abschnitt 4 im Hinblick auf die erforderliche Dichtwirkung, d. h. auf die Abdichtung des Spaltes zwischen den nicht ge zeigten Schaufelspitzen und der Wabenstruktur-Dichtung hin ausgebildet. Bei diesem Anstreif-Abschnitt 4, an welchem die Schaufelspitzen zur Erzie lung einer optimalen Dichtwirkung tatsächlich anstreifen können bzw. sollen, kann es sich somit um eine Bürstendichtung , um eine Plasmaspritzschicht, um ein Metallfilz oder um eine dem Fachmann bekannte "Metco"-Schicht, oder auch um andere geeignete Dichtstrukturen handeln. Beim hier gezeig ten Ausführungsbeispiel ist dieser Anstreif-Abschnitt 4 selbst wieder in Form einer (an sich üblichen) Wabendichtung ausgebildet, d. h. er besteht wie üb lich aus einer Vielzahl von hier bspw. bzw. bevorzugt bienenwaben-förmig angeordneten Stegwänden 5, die jeweils sogenannte Wabenzellen 6 bilden. In die Wabenzellen 6 dieses als Wabendichtung ausgebildeten Anstreif- Abschnittes 4 ist dabei kein thermisches Dichtmaterial eingebracht, da die Funktion dieses Anstreif-Abschnittes 4 wie bereits erwähnt lediglich darin liegt den Spalt zwischen den Schaufelspitzen des Turbinen-Rotors und der gesamten Wabenstruktur-Dichtung gegen eine Durchströmung mit Arbeits gas so gut als möglich abzudichten.

Die - wie eingangs erläutert - daneben noch benötigte zweite thermische Dichtfunktion der erfindungsgemäßen Wabenstrukturdichtung wird hingegen vom Wabenstruktur-Abschnitt 2 übernommen. Letzterer ist hierzu luftevaku iert, d. h. in den Teilflächen der einzelnen Wabenzellen 6 des Wabenstruktur- Abschnittes 2 liegt eine durch Vakuum bedingte thermische Isolation vor. Damit das in den Wabenzellen 6 zumindest im wesentlichen vorliegende Va kuum erhalten bleibt, ist es selbstverständlich erforderlich, daß die Waben zellen 6 (in der Figurendarstellung nach oben und nach unten hin) abge schlossen sind, was durch die Grundplatte 1 einerseits und durch die Zwi schenplatte 3 andererseits gewährleistet ist.

Hergestellt werden kann dabei zumindest der durch den Wabenstruktur- Abschnitt 2 sowie die Grundplatte 1 und die Zwischenplatte 3 gebildete Ab schnitt der Wabenstruktur-Dichtung durch Hochtemperaturlöten unter Vaku umbedingungen. Dies bedeutet, daß auf den bereits mit der Grundplatte 1 geeignet verbundenen Wabenstruktur-Abschnitt 2 im Vakuum (soweit tech nisch erreichbar; ein absolutes Vakuum ist selbstverständlich nicht möglich) die Zwischenplatte 3 aufgelötet wird. Im gleichen Fertigungsprozess kann dabei gleichzeitig auch der Anstreif-Abschnitt 4 mit der Zwischenplatte 3 ver bunden werden.

Die hier vorgeschlagene Wabenstruktur-Dichtung besteht somit aus zwei, durch eine Zwischenplatte 3 voneinander getrennten Honeycomb- Strukturen, nämlich dem Wabenstruktur-Abschnitt 2 und dem Anstreif- Abschnitt 4. Diese beiden Honeycomb-Strukturen können handelsüblich sein und bestehen bevorzugt aus dünnen, metallischen Hochtemperatur legierungen. Der (hier untere) Wabenstruktur-Abschnitt 3 übernimmt dabei die Funktion der Wärmedämmung; demzufolge kann er konstruktiv durch Variation der Struktur-Größe und -Höhe der erforderlichen Isolier charakteristik angepasst werden. Da die gewünschte thermische Isolationswirkung durch das in den Wabenzellen 6 herrschende (zumindest im wesentlichen) Vakuum erzielt wird, sollten diese Wabenzellen 6 bevorzugt eine möglichst große Grund- bzw. Querschnittsfläche aufweisen.

Demgegenüber ist die hier obere dichtende Honeycomb-Struktur, d. h. der Anstreif-Abschnitt 4 in ihrer/seiner Ausführung an die Erfordernisse der Dichtwirkung bezüglich des daran vorbeistreichenden Turbinen-Arbeitsgases angepasst. Bei einer Ausbildung als Waben- oder Honeycomb-Struktur ist die erzielbare Dichtwirkung wie bekannt umso besser, je kleiner die Grund- bzw. Querschnittsflächen der Wabenzellen 6 dieser Wabenstruktur sind. Demzufolge ist wie ersichtlich vorgesehen, daß die Wabenzellen 6 des als Wabendichtung ausgebildeten Anstreif-Abschnittes 4 eine signifikant kleine re Teilfläche aufweisen als die Wabenzellen 6 des Wabenstruktur- Abschnittes 2.

Insgesamt ist an einer erfindungsgemäßen Wabenstruktur-Dichtung durch Variation des (hier unteren) luftevakuierten Wabenstruktur-Abschnittes 2 hinsichtlich Strukturgröße, Strukturhöhe und Stegstärke in weiten Grenzen eine gewünschte Wärmedämmung (und auch Wärmeleitung) erzielbar. Durch die kleineren und daher eine passierende Arbeitsgas-Strömung besser behindernde und hierdurch besser abdichtende (hier obere) Wabenstruktur als Anstreif-Abschnitt 4 wird die Umströmung der diesem Anstreif-Abschnitt 4 zugewandten (nicht gezeigten) Schaufelspitzen vermindert. Da die Wärmedämmung vom hier unten liegenden Waben struktur-Abschnitt 2 übernommen wird, ist eine Füllung der (hier oberen) Wabenzellen 6 des Anstreif-Abschnittes 4 nicht erforderlich, ggf. jedoch möglich.

Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß der vakuumisolierte Wabenstruktur-Abschnitt 2 alternativ auch als isolierender Unterbau für einen anderen als den gezeigten Anstreif-Abschnitt 4 nutzbar ist, d. h. für diesen Anstreif-Abschnitt 4 sind auch andere Dichtungssysteme einsetzbar, wie bspw. eine Bürstendichtung, METCO-Schichten, Plasmaspritzschichten, Metallfilze oder ähnliches, die jeweils auf die beschriebene Vakuum isolierstruktur appliziert werden können. Selbstverständlich können dabei ei ne Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abwei chend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Grundplatte

2

Wabenstruktur-Abschnitt

3

Zwischenplatte

4

Anstreif-Abschnitt

5

Stegwand einer Wabenstruktur

6

Wabenzelle einer Wabenstruktur

Claims

1. Wabenstruktur-Dichtung zwischen einem rotierenden Element und einem Stator-Element einer Turbine, insbesondere für eine Gasturbi ne, mit einem den Spitzen der Turbinen-Schaufeln zugewandten An streif-Abschnitt (4) sowie mit einer dem anderen Element der Turbine zugewandten Grundplatte (1), gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau derart, daß sich an die Grundplatte (1) ein luftevakuierter und somit in Teilflächen durch Vakuum isolierender Wabenstruktur-Abschnitt (2) anschließt, der durch eine Zwischenplatte (3) abgedeckt ist, auf deren der Waben struktur (2) abgewandten Seite der Anstreif-Abschnitt (4) angeordnet ist.

2. Wabenstruktur-Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (3) mit dem Waben struktur-Abschnitt (2) verlötet ist, wobei dieser Herstellungsprozess unter Vakuumbedingungen erfolgt.

3. Wabenstruktur-Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifabschnitt (4) ebenfalls als Wabendichtung ausgebildet ist.

4. Wabenstruktur-Dichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenzellen (6) des als Waben dichtung ausgebildeten Anstreif-Abschnittes (4) eine signifikant kleine re Teilfläche aufweisen als die Wabenzellen (6) des Wabenstruktur- Abschnittes (2).