DE10020673C2 - Ringstruktur in Metallbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ringstruktur in Metallbauweise für den Laufschaufelbe­ reich von axial durchströmten Verdichter- und Turbinenstufen, gemäß dem Oberbeg­ riff des Patentanspruchs 1.

Für die strömungstechnischen Eigenschaften von axial durchströmten Verdichter- und Turbinenstufen ist es sehr wichtig, dass der Radialspalt zwischen den Laufschau­ felspitzen und der äußeren Strömungskanalwand möglichst klein und möglichst kon­ stant gehalten wird. Dafür sollte die Wandstruktur zunächst ausreichend formstabil und geometrisch genau sein. Thermische und mechanische Einflüsse sollten die Ge­ ometrie möglichst wenig verändern. Mit dem zumeist heißen Arbeitsgas sollte i. w. nur die Innenseite der Struktur beaufschlagt sein, Leckageverluste durch die Struk­ tur sind zu minimieren. Im instationären Betrieb ist es vorteilhaft, wenn die insbe­ sondere thermisch induzierte Maßänderungen der Wandstruktur zeitlich und grö­ ßenmäßig an diejenigen des beschaufelten Rotors angeglichen sind. Da sich mecha­ nische Kontakte zwischen den Schaufelspitzen und der Wandstruktur unter besonde­ ren Belastungen kaum vermeiden lassen, sollte die Innenseite der Wandstruktur zu­ mindest schaufelspitzenseitig verformbar/nachgiebig bzw. abradierbar ausgeführt sein.

Die EP-B-0 728 258 betrifft ein Deckbandsement einer Turbine, welches zusammen mit gleichartigen Segmenten die Innenwand und einen Teil der Verbindungsstruktur zur Außenwand einer Wandstruktur bildet. Infolge von Temperaturunterschieden zwi­ schen Innen- und gekühlter Außenseite der Segmente im Betrieb sowie infolge von unterschiedlichem Materialverhalten des Grundmaterials und einer in der Regel vor­ handenen Beschichtung tendieren die Segmente dazu, ihre Krümmung zu verändern. Um zu verhindern, dass die Segmente dabei stellenweise in die Laufbahn der Schau­ felspitzen geraten, sind sie über eine spezielle, hakenartige Geometrie an Vorder- und Hinterkante mit dem Außenbereich der Gehäusestruktur verbunden, welche stellenweise eine Radialbewegung nach außen zulässt. Da die Innenkontur somit häufig von der Kreisform mit Tendenz zur Polygonbildung abweicht, ist eine definierte Spalthaltung schwierig. Die Abdichtung der spalt- und spielbehafteten Segmente ist konstruktiv ebenfalls aufwendig.

Die EP-B-0 781 371 behandelt eine Anordnung zur dynamischen Kontrolle des Schaufelspitzenspiels in Gasturbinen. Die Innenwand der Gehäusestruktur besteht aus radial nach außen beweglichen, in Umfangsrichtung überlappenden, kreisbogen­ förmig gekrümmten Segmenten, deren Bewegung radial nach innen durch eine ihre Vorder- und Hinterkante hakenartig einseitig haltende, umlaufende Gehäusestruktur begrenzt wird. Die Segmente werden durch mechanische Federelemente oder durch Gasdruck radial nach innen gegen Anschlag vorgespannt. Die Laufschaufeln weisen spitzenseitig Keilflächen auf, welche bei schneller Rotation ein dynamisches Gaspols­ ter erzeugen, dessen Druck die Wandsegmente in einem definierten, kleinen Abstand zu den Schaufelspitzen halten soll. Dabei muss sich ein Gleichgewicht zwischen in­ nerer Gaskraft und äußerer Federkraft einstellen, das die Segmente in Balance hält. Ein solches System erscheint sehr störanfällig, schwer kalkulierbar und schwin­ gungsgefährdet. Die Haltestruktur der Segmente ist dem Arbeitsgas ausgesetzt und somit ggf. thermisch hoch belastet, wobei sie auch eine erhebliche Wärmemenge zur Außenwand der Struktur leitet.

Die EP-B-0 616 113 betrifft eine Gasturbine und ein Verfahren zur Montage einer Dichtung in dieser Gasturbine. Aus dieser Patentschrift ist es u. a. bekannt, metalli­ sche Honigwaben als Einlaufbeläge für Labyrinthdichtungen zu verwenden. Die Wa­ ben sind einseitig auf einen flächigen, metallischen Träger gelötet, in der Regel in ringförmig geschlossener Geometrie, wobei ihre Öffnungen schneidenartigen, ring­ förmigen Dichtspitzen zugewandt sind. Das Verformungsverhalten der duktilen, dün­ nen, hochkant stehenden Wabenwände beschleunigt einen ggf. erforderlichen Ein­ laufvorgang und schont die Dichtspitzen. Die offene Struktur mit einer Vielzahl von Kammern erhöht die Dichtwirkung durch Strömungsumlenkung und -verwirbelung. Vorzugsweise im Flugzeug- und Bootsbau werden sandwichartige Leichtbaustruktu­ ren verwendet, bei denen ein relativ dicker, leichter Kern mit einem hohen Leervolu­ menanteil, z. B. ein Wabenkern, beidseitig mit dünnen, hochfesten, geschlossenen Wänden verbunden und abgedeckt wird Bei Biegung einer solchen Struktur werden die Wände primär auf Zug oder Druck in ihrer Ebene belastet, der Kern überträgt die Kräfte von Wand zu Wand, insbesondere Schubkräfte. Die Wände sind bevorzugt in Faserverbundbauweise ausgeführt, mit dem Kern verklebt und hinsichtlich ihrer Di­ cke und mechanischen Eigenschaften zumindest vergleichbar.

Die DE-OS 15 51 183 betrifft zusammengesetzte Dichtungsbauteile für Gasturbinen­ triebwerke. Derartige Bauteile werden in Fachkreisen auch als Mantelringe bzw. Li­ ner bezeichnet und sind rund um Laufschaufelkränze angeordnet, insbesondere mit der Funktion der Laufschaufelspitzenabdichtung. Im Hinblick auf einfache Montage und ungehinderte Wärmedehnung sind die Liner meist segmentiert und unter Belas­ sung von Dehnfugen angeordnet. Die Dichtungsbauteile nach dieser Offenlegungs­ schrift sind in Sandwichbauweise mit einem metallischen Wabenkern und mit diesen beidseitig abdeckenden, metallischen Wänden/Blechen ausgeführt, daher der Aus­ druck "zusammengesetzt". Die innere, abreibbare Wand (Schicht 58') kann an den Kanten des Dichtungsbauteils abgewinkelt, bis zur äußeren Wand (hinteren Schicht 50') verlängert und mit letzterer durch Verlötung (60) verbunden sein (siehe Seite 9 ab achtletzter Zeile). Die Dichtungsbauteile bilden entweder gewölbte Segmente, wie in den Figuren dargestellt, oder vollständige Ringe (siehe Seite 10, Zeilen 1 bis 6). Im ersten Fall sind somit zwangsläufig die Außen- und die Innenwand unterbrochen, d. h. segmentiert, im zweiten Fall ist keine der Wände segmentiert. Mit Ausnahme des Hinweises auf ein direktes Verlöten von Außen- und Innenwand im Kantenbereich gibt es keine Hinweise auf die Art der Verbindung zwischen den Wänden und dem Wabenkern. Wie aus den Fig. 2 bis 5 ersichtlich, ist die Außenwand mit Flan­ schen (52, 53) versehen, um sie am Triebwerksgehäuse (11) aufhängen zu können. Somit ist die Außenwand (hintere Schicht) jedes Dichtungsbauteils keine Gehäuse­ wand. Die Ausführung der Kernschicht ist auf Wabenmaterial beschränkt.

Die WO 98/26158 betrifft abreibbare Dichtungen, d. h. Einlaufbeläge bzw. einlauffä­ hige Oberflächen, wobei die Dichtungen mit einem durch Laserabtragen gefertigten Muster aus Rillen bzw. anderen Vertiefungen versehen sind. Dadurch wird der Ab­ reibwiderstand des Belages reduziert, außerdem werden Räume für die Aufnah­ me/Einbettung von abgeriebenem Material geschaffen. Da die Rillen bzw. Vertiefun­ gen die jeweilige Schicht oder Wand nicht vollständig durchdringen, ist keine Unter­ brechung/Segmentierung gegeben.

Die US-PS 3 126 149 schützt eine spezielle Mantelringbauweise für Axialverdichter. Jeder Mantelring dieser Art ist aus mehreren Segmenten zusammengesetzt, wobei jedes Segment eine ausgeschäumte, gefüllte Hohlkammerstruktur umfasst. Das ge­ schäumte Material besteht aus Natriumsilikat und Aluminium und ermöglicht ein Anstreifen bzw. Einlaufen der Schaufelspitzen ohne diese zu beschädigen. Die Man­ telringsegmente (13) sind über Niete (25) mit der mechanisch stabilen, äußeren Ver­ dichtergehäusewand (29) verbunden, wobei zusätzliche Dichtungselemente (31) zur Gehäusewand (29) hin erforderlich sind.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ringstruktur in Metallbauweise für den Laufschaufelbereich von axial durchströmten Verdichter- und Turbinenstufen zu schaffen, die sich durch eine hohe Maß- und Formgenauigkeit unter wechselnden Betriebsbedingungen und Temperatu­ ren, eine hohe mechanische Lastaufnahmefähigkeit, eine gute thermische Isolati­ onswirkung sowie eine minimale Arbeitsfluidleckage durch die Struktur auszeichnet und durch besonders kleine, sich wenig ändernde Spalte zu den Laufschaufelspitzen einen hohen Stufenwirkungsgrad bzw. eine hohe Stufenbelastung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Die Erfindung ist somit in der Kombination aus einer segmentierten Innenwand, einer geschlossenen, von einer Gehäusewand gebildeten, tragenden Außenwand, einer zwischen den Wänden angeordneten Verbindungsstruktur und aus deren stoff­ schlüssiger Integration durch Löten zu sehen. Die Verbindungsstruktur ist in an sich bekannter Weise als filigrane, leichte, praktisch den gesamten Hohlraum zwischen Innen- und Außenwand einnehmende Hohlkammerstruktur ausgeführt - beispiels­ weise als Honigwabenstruktur - und mit einer oder beiden Wänden durch Löten ver­ bunden. Durch die "quasi-flächige" Verbindung der Wände ist es möglich, die Form­ genauigkeit der tragenden Außenwand in allen Betriebszuständen der segmentierten Innenwand aufzuprägen. Ein Verwölben bzw. "Polygonisieren" der Innenkontur lässt sich so vermeiden. Die Lötverbindung ist durch ihren "flächigen Charakter" optimal hinsichtlich mechanischer Festigkeit sowie Dauerhaftigkeit und hat keinen negativen Einfluss auf das Werkstoffgefüge. Andererseits ist die filigrane Verbindungsstruktur elastisch genug, um thermische Dehnungen/Kontraktionen der Innenwandsegmen­ te in Umfangsrichtung ohne kritische Zwangskräfte zuzulassen. Die Verbindungs­ struktur wirkt thermisch isolierend, was durch ihren hohen Leervolumenanteil be­ dingt ist und durch die Auswahl ihres Werkstoffes ebenfalls beeinflussbar ist Somit nimmt die Innenwand etwa die meist hohe Temperatur des Arbeitsgases an, die Au­ ßenwand kann deutlich kühler gehalten werden, was günstig für ihre mechanischen Eigenschaften ist. Natürlich ist die Isolationswirkung auch gut für den thermodyna­ mischen Wirkungsgrad der Maschine. Die filigrane Verbindungsstruktur ist in Um­ fangs- und Axialrichtung praktisch gasundurchlässig, so dass zusätzliche Dichtungs­ maßnahmen entfallen. Die Leckage durch die wenigen, kleinen Dehnfugen der In­ nenwand ist dabei ohne jede Bedeutung.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Ringstruktur gekenn­ zeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter im Bereich eines Leit- und ei­ nes Laufschaufelkranzes,

Fig. 2 zwei nebeneinander gezeichnete Teilquerschnitte durch zwei unterschiedli­ che Ringstrukturen, und

Fig. 3 drei nebeneinander gezeichnete Teilschnitte durch drei verschiedene Hohl­ kammerstrukturen.

Die Ringstruktur gemäß Fig. 1 ist Teil eines Axialverdichters, der von links nach rechts durchströmt werden soll. Man erkennt den radial äußeren Teil einer Leit­ schaufel 21 sowie einer - deckbandlosen - Laufschaufel 20. Die Außenwand 3 der Ringstruktur erstreckt sich über beide Schaufelbereiche, wobei die Aufhängung der Leitschaufel 21 formschlüssig, d. h. konventionell ist. Die erfindungsgemäße Ring­ struktur 1 befindet sich in der Figur rechts, d. h. im Bereich der Laufschaufel 20, und umfasst eine Innenwand 5, eine Hohlkammerstruktur 10 sowie den der Innenwand 5 gegenüberliegenden Teil der Außenwand 3, d. h. den rechten Teil bis zum Flansch. Die Innenwand 5 ist zur Schonung der Laufschaufelspitzen beim Anstreifen mit ei­ nem Einlaufbelag 9 versehen. Die Innenwand 5 einschließlich des Einlaufbelages 9 ist segmentiert, d. h. sie weist über den Umfang verteilt mehrere, zumindest vorwie­ gend axial verlaufende Dehnfugen 7 auf (siehe Fig. 2). Die Ringstruktur 1 stellt ein integrales Gebilde mit stoffschlüssiger Verbindung seiner Elemente 3, 5 und 10 dar. Die Hohlkammerstruktur 10 ist dabei mit der Außenwand 3 und mit der Innenwand 5 verlötet. Es ist ebenso möglich, die Hohlkammerstruktur mit einer der beiden Wände einstückig zu fertigen und danach mit der anderen Wand zu verlöten.

Fig. 2 zeigt zwei unterschiedliche, erfindungsgemäße Ringstrukturen 1, 2 im Teil­ querschnitt, auf der rechten bzw. linken Seite einer vertikalen, strichpunktierten Li­ nie in der Mitte der Zeichnung. Die rechte Ringstruktur 1 entspricht derjenigen aus Fig. 1, wobei eine durch die Innenwand 5 und den Einlaufbelag 9 verlaufende Dehn­ fuge 7 zu erkennen ist.

Die linke Ringstruktur 2 unterscheidet sich von der rechten zunächst dadurch, dass ihre Innenwand 6 über die gesamte Dicke aus einem von den Schaufelspitzen prob­ lemlos verformbaren bzw. abtragbaren Material besteht. Dieses kann ein poröses Metall ohne oder mit Einlagerungen von Kunststoff, Graphit oder anderen Stoffen sein, beispielsweise in Form einer gesinterten Struktur. Die Außenwand 4 und die Hohlkammerstruktur 11 weisen keine Besonderheiten gegenüber den entsprechen­ den Positionen 3 und 10 auf. Allerdings ist als spezielle, konstruktive Maßnahme ein sogenanntes "Casing Treatment" erkennbar, welches bei Verdichtern die Aerodyna­ mik verbessern kann im Sinne einer Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. der Pump­ grenze. Zu diesem Zweck ist die Innwand 6 mit gleichmäßig über den Umfang verteil­ ten, geometrisch definierten Durchbrüchen 8 versehen. In der Hohlkammerstruktur 11 wirken Aussparungen 19 mit den Durchbrüchen 8 zusammen und bilden Rezir­ kulationskammern für einen Teil der Verdichterströmung im Schaufelspitzenbereich. In axialer Richtung erstrecken sich die Durchbrüche 8 und Aussparungen 19 strom­ aufwärts bis vor die Schaufeleintrittskanten, stromabwärts enden sie hinter der axi­ alen Schaufelmitte und vor den Schaufelaustrittskanten. Dies ist dem Fachmann geläufig und daher nicht gesondert dargestellt. Die Aussparungen in der Hohlkam­ merstruktur müssen nicht zwingend radial bis zur Außenwand reichen. Es ist denk­ bar, die teilweise ausgesparte Hohlkammerstruktur mit einem Füllmaterial einzueb­ nen, d. h. strömungstechnisch zu glätten. Es kann auch günstig sein, die Längsmittel­ ebenen der Durchbrüche und Aussparungen nicht radial, sondern in Umfangsrichtung geneigt zu orientieren. All dies ist für den Fachmann auch ohne gesonderte Darstellung klar.

Fig. 3 zeigt beispielhaft drei verschiedene Hohlkammerstrukturen 12, 13 und 14 in Schnitten parallel zur Innen- bzw. Außenwand der Ringstruktur. Links ist eine Honig­ wabenstruktur mit gleichseitigen, sechseckigen Waben zu sehen, deren zusammen­ hängende Wandelemente 15 somit geometrisch gleich groß sind und in 120°- Winkeln zueinander stehen.

Die mittlere Struktur 13 weist rechteckige Kammern auf, welche von kleineren Wandelementen 16 und größeren Wandelemente 17 in rechtwinkliger Anordnung begrenzt werden.

Die rechte Struktur 14 ähnelt der linken Struktur 12, jedoch haben bei 14 die Hohl­ kammern eine runde - statt einer sechseckigen - Form. Somit ergeben sich Wand­ elemente 18 mit örtlich unterschiedlicher Dicke. Die Hohlkammerstruktur 14 kann beispielsweise durch mechanisches oder elektrochemisches Bohren in einem zu­ nächst dickwandigen Vollmaterial erzeugt werden. Bezogen auf die erfindungsgemä­ ße Ringstruktur kann auf diese Weise die innere oder äußere Wand einstückig mit der Hohlkammerstruktur gefertigt werden, wobei die jeweils andere Wand durch Löten integriert wird. Die filigraneren Strukturen 12 und 13 werden eher separat aus Blechstreifen, Streckmetall o. ä. gefertigt.

Claims (6)

1. Ringstruktur in Metallbauweise für den Laufschaufelbereich von axial durch­ strömten Verdichter- und Turbinenstufen, insbesondere in Gasturbinentriebwer­ ken, mit einer kreisringförmigen Außenwand, mit einer kreisringförmigen sowie in geringem radialem Abstand zu den Laufschaufelspitzen stehenden Innenwand und mit einer zumindest in radialer Richtung lastübertragenden Verbindungs­ struktur zwischen Innen- und Außenwand, wobei als Verbindungsstruktur eine sich zumindest über den Großteil der einander zugewandten Oberflächenberei­ che von Innen- und Außenwand erstreckende, vielfach unterteilte Hohlkammer­ struktur angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet
dass die Außenwand (3, 4) eine geschlossene, mechanisch stabile Gehäusewand der Verdichter- oder Turbinenstufe ist,
dass die Innenwand (5, 6) über ihren Umfang mehrfach durch axial oder vorwie­ gend axial verlaufende Dehnfugen (7) unterbrochen, d. h. segmentiert ist, und
dass die Hohlkammerstruktur (10, 11, 12, 13, 14) mit der Innen- (5, 6) und/oder mit der Außenwand (3, 4) durch Löten verbunden ist.

2. Ringstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierte Innenwand (5) schaufelseitig mit einer Beschichtung in Form eines von den Lauf­ schaufelspitzen bei Kontakt mechanisch verformbaren bzw. abtragbaren Einlauf­ belages (9) versehen ist.

3. Ringstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierte Innenwand (6) vollständig, d. h. in ihrem gesamten Materialquerschnitt, als Ein­ laufbelag ausgeführt ist, vorzugsweise in Gestalt eines porösen Metallkörpers ohne oder mit Einlagerungen aus einem anderen Material, wie Kunststoff oder Kohlenstoff.

4. Ringstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierte Innenwand (6), abgesehen von den zumindest vorwiegend axial verlaufenden Dehnfugen (7), mit über ihren Umfang verteilten, geometrisch definierten Durchbrüchen (8) versehen ist, wobei die Hohlkammerstruktur (11) im Bereich der Durchbrüche (8) zurückgesetzt bzw. ausgespart (19) ist.

5. Ringstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerstruktur (12) als Honigwabenstruktur ausgeführt ist.

6. Ringstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerstruktur (14) als integraler Bestandteil der Innen- (5, 6) oder der Außenwand (3, 4) durch abtragende Fertigung erzeugt ist, z. B. durch Fräsen, Boh­ ren oder elektrochemisches Abtragen.