EP1013890B1 - Anstreifdichtung für Turbomaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer derartigen Anstreifdichtung. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 32 35 745 C2 insbesondere auf die EP 0 605 417 B1 sowie auf die US 5,388,959 und die US 4,392,656 verwiesen.

Anstreifdichtungen von bzw. in Gasturbinen müssen im wesentlichen zwei Aufgaben erfüllen, nämlich erstens eine Umströmung der einzelnen Laufstufen der Gasturbine verhindern und zweitens die Gehäusestruktur bzw. die das Heißgas in der Gasturbine führenden Wandabschnitte thermisch isolieren bzw. den in die Wandabschnitte übertretenden Wärmestrom derart steuern, daß die thermische Gehäusedehnung simultan zur thermischen Dehnung der rotierenden Schaufeln bzw. der diese tragenden Scheiben verläuft. Das sog. Spaltmaß zwischen den Spitzen der Turbinen-Schaufeln und den diese umgebenden Wandabschnitten bzw. der auf den Wandabschnitten vorgesehenen Anstreifdichtung sollte nämlich über dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine so gering als möglich sein, da jede Vergrößerung des Spaltmaßes eine Schubverminderung und somit einen reduzierten Wirkungsgrad zur Folge hat.

Diese genannten Anforderungen können mit den bisherigen in Serie befindlichen Anstreifdichtungen nicht vollständig erfüllt werden. So sind gut dichtende, fein strukturierte Wabendichtungsstrukturen, so wie sie in der eingangs erstgenannten Schrift gezeigt sind, nicht hinreichend gut mit isolierendem Material befüllbar. Gröbere, gut befüllbare Wabendichtungsstrukturen hingegen weisen keine befriedigenden Dichteigenschaften auf. Bekannt sind ferner Metall-Keramik Verbindungen, bspw. zwischen einer Wabendichtungsstruktur und deren Füllung, die jedoch insbesondere bei thermozyklischer Beanspruchung eine eingeschränkte Lebensdauer zeigen. Ferner existieren aufgespritzte Dichtschichten (wie bspw. METCO), die jedoch Nachteile hinsichtlich des Einlaufverhaltens, der thermischen Isolierung und ihrem Dichtungsverhalten zeigen.

Die eingangs zuletzt genannte US 4,392,656 beschreibt, zum Beispiel, ein gekühltes Dichtungselement, dessen Grundfunktion in der Luftdurchlässigkeit, offenporige Struktur, begründet ist. Hierbei wird Kompressorluft zur Kühlung der Dichtungsstruktur und der Schaufelspitzen von außen durch die Dichtungselemente hindurch in Richtung Triebwerksmittelachse befördert.

Eine im Hinblick auf die genannten Anforderungen verbesserte Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anstreifdichtung vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung besteht, wobei diese Hochtemperaturlegierung eine geschlossenporige Struktur aufweist. In den Unteransprüchen ist ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer derartigen Metallschaum-Anstreifdichtung angegeben.

Einfach ausgedrückt ersetzt die hier vorgeschlagene Erfindung die o.g. bekannten Dichtsysteme durch einen Metallschaum. Durch die Verwendung einer gleichmäßig aufgeschäumten korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung wie z.B. Hastalloy X, IN 601, ODS-Legierungen werden die genannten Anforderungen in hervorragender Weise erfüllt. Dabei ist die in jüngerer Zeit aktuell gewordene Metallschaum-Technologie dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Hierbei wird eine geeignete Metall-Legierung - bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine metallische korrosionsbeständige Hochtemperaturlegierung - mittels bekannter Methoden aufgeschäumt, so dass sich eine im wesentlichen feine Schaumstruktur bildet, wobei dünne Metallwände eine Vielzahl von Hohlräumen zwischen sich einschließen. Bei einer solchen Aufschäummethode kann bspw. ein Metallpulver mit einem Metallhydrit vermengt und anschließend extrudiert werden, wonach dieses Vormaterial thermisch geschäumt wird. Alternativ ist eine entsprechende Herstellung aus vorgefertigten metallischen Hohlkugeln möglich. Generell wird hierdurch eine vornehmlich geschlossenporig geschäumte Struktur mit hoher Porosität und guten thermischen Isolationseigenschaften gebildet.

Für den vorgeschlagenen Anwendungsfall, nämlich für eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine, vereinigt eine solche Struktur mit hoher Porosität in sich günstige Einlaufeigenschaften, ein hohes Dichtvermögen und zusätzlich eine gute Wärmedämmung in einem einzigen Werkstoff. Vorteilhafterweise lässt sich eine derartige Anstreifdichtung auch äußerst einfach fertigen, wobei im eigentlichen Herstellprozess die Porosität der entstehenden Struktur wie gewünscht gesteuert werden kann. Damit wiederum ist es möglich, die Einlauf-, die Dicht- und die Dämmeigenschaften in der gewünschten Richtung zu beeinflussen.

Für die Herstellung einer Gasturbine mit einer Metallschaum-Anstreifdichtung gemäß der vorangehenden Beschreibung gibt es zwei besonders geeignete Möglichkeiten. Zum einen können vorgefertigte und dabei geeignet geformte Metallschaumelemente durch Hochtemperaturlöten mit den jeweiligen Wandabschnitten verbunden werden. Da dieser Metallschaum eine geschlossenporige Struktur aufweist, ist dieser Metallschaum lötbar.

Das Lot wandert dabei nicht (wie z.B. bei offenporigen Strukturen oder Metallfilzen) durch Kapilarkräfte von der Fügestelle in die Dichtstruktur; so daß der Schaum gut lötbar ist.
Ein alternativer Herstellweg besteht darin, in einem ersten Prozessschritt das ungeschäumte Vormaterial mit dem jeweiligen Wandabschnitt bzw. mit der Gehäusestruktur zu verbinden und in einem zweiten Prozessschritt dieses Vormaterial zu schäumen. Danach erfolgt selbstverständlich eine spanende Bearbeitung, um den Metallschaum bzw. die Anstreifdichtung in die gewünschte Form zu bringen.

Gegenüber den bisherigen Lösungen für Anstreifdichtungen führt die Verwendung von Metallschaumdichtungen zu einem besseren Dichtverhalten bei gleichzeitiger Verbesserung der Isolierung der Gehäusestruktur gegen das in der Gasturbine bzw. zwischen den Anstreifdichtungen und den Turbinenschaufeln geführte Heißgas. Dabei führt der relativ einfache Herstellweg zu Kosteneinsparungen. Durch Einflussnahme auf die Aufschäumparameter ist die Zellstruktur der Anstreifdichtung in gewissen Grenzen beeinflussbar, so dass die Einlaufeigenschaften, die Umströmungsbehinderung und die Isolierwirkung auf diese Weise bestimmt werden können.

Claims (2)

1. Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine, die vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Hochtemperaturlegierung eine geschlossenporige Struktur aufweist.
2. Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer Anstreifdichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aufgeschäumte Vormaterial der Anstreifdichtung zunächst mit den Wandabschnitten verbunden und anschließend daran aufgeschäumt wird.