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WO2009129787A1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

Dichtungsanordnung Download PDF

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WO2009129787A1
WO2009129787A1 PCT/DE2009/000530 DE2009000530W WO2009129787A1 WO 2009129787 A1 WO2009129787 A1 WO 2009129787A1 DE 2009000530 W DE2009000530 W DE 2009000530W WO 2009129787 A1 WO2009129787 A1 WO 2009129787A1
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sealing arrangement
sealing
gas turbine
reinforced plastic
fibers
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PCT/DE2009/000530
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schober
Siegfried Sikorski
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F01D11/125—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material with a reinforcing structure
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/614—Fibres or filaments

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement, in particular for a gas turbine.
  • stator In the case of gas turbines and other turbomachines, in the course of optimizing the efficiency, there is a need to seal a stator and a rotor against a gas flow passing through the turbomachine.
  • stator In the case of a gas turbine, the stator is usually a fixed housing with stationary vanes. The rotor has blades that rotate relative to the stator vanes. In order to avoid leakage flows between the rotor and the stator, in particular the gap between the radially inner ends of the guide vanes on the one hand and the rotor on the other hand is to be sealed off.
  • outer air seals designate sealing arrangements for sealing the gap between the radially outer ends of the blade of the rotor, on the one hand, and the housing, on the other hand.
  • a silicon coating is provided, it can be cast or glued. Also, the soldering of metal honeycomb structures as a gasket is known. If, however, an advantageous seal carrier made of fiber-reinforced plastic is used, the only option left is the sticking of a silicon scrape pad. However, this process is associated with high costs (fixtures, working hours, guaranteed life). In addition, the quality assurance of the bonding process requires a relatively high effort compared to the total cost of the squint.
  • honeycomb structures made of plastic, more precisely from meta-aramids (for example Nomex®), as gas turbine gaskets. in particular as abradable coatings for fan blades (outer air seals).
  • the honeycombs are provided with a filler made of glass bead-filled synthetic resin (potting).
  • potting glass bead-filled synthetic resin
  • the object of the invention is to provide a cost-producible and mountable seal arrangement, with which the above-mentioned disadvantages are avoided.
  • a sealing arrangement in particular for a gas turbine, proposed for sealing a gap between a stator and a rotor, which comprises a squelch coating, which consists at least partially of a fiber-reinforced plastic.
  • the invention is based on the finding that a Anstreifbelag based on a fiber-plastic composite meet the high demands on a seal in a gas turbine and can be easily produced together with a carrier.
  • Fiber-plastic composites generally have high specific stiffness and strength at low weight.
  • Plastic thus has a weight advantage over a metallic scuffing coating. It is also particularly advantageous that the mechanical and thermal properties of fiber-plastic composites can be adjusted via a variety of parameters. In addition to the fiber-matrix combination z. As the fiber angle, the fiber volume proportion, the layer order, etc. are varied.
  • the abradable coating is formed integrally with a carrier, in particular with a carrier, which consists of a fiber reinforced with carbon fibers plastic.
  • the fiber content of the squint coating is below 50%.
  • the invention also provides a gas turbine with a sealing arrangement according to the invention and the sealing arrangement opposite Dichtfmnen, wherein the squealer contains fibers of a material whose melting temperature is locally exceeded during frictional contact with the sealing fins during running-in of the gas turbine. Furthermore, the invention provides a method for producing a seal arrangement according to the invention, in which the scrape coating is formed together with a carrier made of fiber-reinforced plastic. The method according to the invention has the advantage that any expense for a subsequent gluing of the abradable coating is eliminated.
  • the seal arrangement shown in the figure is particularly suitable as an inner air seal for mounting on a rotor in the compressor of a gas turbine.
  • the sealing arrangement has a squid coating 10, which is applied to a carrier ring 12 made of a plastic reinforced with carbon fibers (carbon fibers). The manufacture of the seal assembly will be described later in more detail.
  • the Abstbelag 10 of the seal assembly consists essentially of a several millimeters thick layer of fiber reinforced plastic.
  • the matrix is usually a thermosetting resin.
  • the fiber content of the abradable coating 10 is preferably less than 50%. Basically, fibers of different materials can be used for the squealer 10.
  • a material is preferably chosen whose melting temperature is locally exceeded when the gas turbine is run in, when the abradable coating 10 is in frictional contact with the sealing fins of the opposite guide vanes of the turbine housing (not shown).
  • the melting temperature of the fibers is below a temperature range in which the sealing fins could suffer thermal damage (any form of structural changes, grain changes, soft annealing, melting, etc.).
  • this temperature range starts at about 300 to 320 ° C.
  • the temperature range may be higher.
  • Polyester diols, melting temperature about 235 to 260 ° C
  • PVA polyvinyl acetate
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • Natural fibers do not melt, but their decomposition temperature is in the range between 300 and 400 ° C.
  • the fibers are preferably arranged at an angle (eg 45 °) to the direction of rotation of the vane or sealing fin to minimize the cutting forces.
  • the definition of the angle relative to a 0 ° direction is shown in the figure.
  • the abradable coating 10 with the embedded fibers is produced together with the carrier 12, which - as already mentioned - preferably consists of a carbon fiber-reinforced plastic.
  • the intended for the Abradable 10 fibers are introduced as layers and impregnated directly with the resin for the carrier 12. There is a common curing and finishing. An attachment of the squelch covering 10 on the support 12 is completely eliminated.
  • Inner air seal for sealing the gap between a rotor and fixed vanes of a gas turbine, but is not limited to this application.
  • an inventive squealer can also be used as an outer air seal or at least as a repair material for defective locations in a honeycomb-rubbing seal.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Eine Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Gasturbine, zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Stator und einem Rotor umfaßt einen Anstreifbelag (10). Der Anstreifbelag (10) besteht zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff. Eine Gasturbine mit einer solchen Dichtungsanordnung und der Dichtungsanordnung gegenüberliegenden Dichtfinnen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag (10) Fasern aus einem Material enthält, dessen Schmelztemperatur bei einem Reibkontakt mit den Dichtfinnen während eines Einlaufens der Gasturbine lokal überschritten wird. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtungsanordnung sieht vor, daß der Anstreifbelag (10) zusammen mit einem Träger (12) aus faserverstärktem Kunststoff gebildet wird.

Description

Dichtungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Gasturbine.
Bei Gasturbinen und anderen Strömungsmaschinen besteht im Zuge der Optimierung des Wirkungsgrads die Notwendigkeit, einen Stator und eine Rotor gegen einen die Strömungsmaschine durchlaufenden Gasstrom abzudichten. Im Falle einer Gasturbine handelt es sich bei dem Stator in der Regel um ein feststehendes Gehäuse mit unbeweglichen Leitschaufeln. Der Rotor weist Laufschaufeln auf, die sich gegenüber den Leitschaufeln des Gehäuses drehen. Zur Vermeidung von Leckageströmungen zwischen dem Rotor und dem Stator ist insbeson- dere der Spalt zwischen den radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln einerseits und dem Rotor andererseits abzudichten. Hierfür vorgesehene Dichtungsanordnungen werden als „inner air seals" bezeichnet. Dagegen bezeichnen „outer air seals" Dichtungsanordnungen zur Abdichtung des Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der Laufschaufel des Rotors einerseits und dem Gehäuse andererseits.
Es ist bekannt, im Verdichter einer Gasturbine die innenliegenden Enden der Leitschaufel mit einem Anstreifbelag und den Rotor mit Dichtfmnen zu versehen. Bei Flugmanövern, Vogelschlag oder durch Montagetoleranz stehen die Dichtfinnen des Rotors in Reibkontakt mit dem Anstreifbelag der Leitschaufeln und graben darin eine Mulde, so daß Beschädigungen am Rotor vermieden werden.
Wenn ein Anstreifbelag aus Silikon vorgesehen ist, kann er gegossen oder eingeklebt werden. Auch das Auflöten von Metallwabenstrukturen als Dichtungsbelag ist bekannt. Wird allerdings ein vorteilhafter Dichtungsträger aus faserverstärktem Kunststoff verwendet, verbleibt werkstoffbedingt als einzige Option das Aufkleben eines Anstreifbelags aus Silikon. Dieser Prozeß ist jedoch mit hohen Kosten verbunden (Vorrichtungen, Arbeitszeit, Gewährleistung der vorgeschriebenen Lebensdauer). Außerdem erfordert die Qualitätssicherung des Klebeprozesses einen relativ hohen Aufwand im Vergleich zu den Gesamtkosten des Anstreifbelags.
Weiterhin ist es bekannt, wabenförmige Strukturen (sog. Honeycombs) aus Kunststoff, genauer gesagt aus meta-Aramiden (z. B. Nomex®), als Dichtung in Gasturbinen einzusetzen, insbesondere als Anstreifbeläge für Fanschaufeln (outer air seals). Die Honeycombs sind mit einem Füller aus Glasperlen-gefülltem Kunstharz (Potting) versehen Die Nachteile dieser Art von Dichtung sind neben den hohen Kosten (Füllen der Waben, aufwendige Vorrichtungen zum Aushärten, hoher Qualitätssicherungsaufwand) in der begrenzten Tempera- turbeständigkeit der Potting-Kunstharze zu sehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herstell- und montierbare Dichtungsanordnung zu schaffen, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Gasturbine, zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Stator und einem Rotor vorgeschlagen, die einen Anstreif belag umfaßt, der zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Anstreifbelag auf Basis eines Faser- Kunststoff- Verbundes die hohen Anforderungen an eine Dichtung in einer Gasturbine erfüllen und in einfacher Weise zusammen mit einem Träger hergestellt werden kann. Faser- Kunststoff- Verbünde weisen allgemein hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten bei geringem Gewicht auf. Ein erfindungsgemäßer Anstreifbelag aus einem faserverstärkten
Kunststoff hat somit gegenüber einem metallischen Anstreif belag einen Gewichtsvorteil. Besonders vorteilhaft ist darüber hinaus, daß die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff- Verbunden über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden können. Neben der Faser-Matrix-Kombination können z. B. der Faserwinkel, der Faservolumen- anteil, die Schichtreihenfolge usw. variiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist der Anstreifbelag einstückig mit einem Träger ausgebildet, insbesondere mit einem Träger, der aus einem mit Kohlenstof- fasern verstärktem Kunststoff besteht.
Vorzugsweise liegt der Fasergehalt des Anstreifbelags unter 50 %.
Die Erfindung schafft auch eine Gasturbine mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung und der Dichtungsanordnung gegenüberliegenden Dichtfmnen, bei der der Anstreifbelag Fasern aus einem Material enthält, dessen Schmelztemperatur bei einem Reibkontakt mit den Dichtfinnen während eines Einlaufens der Gasturbine lokal überschritten wird. Femer schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, bei dem der Anstreifbelag zusammen mit einem Träger aus faserverstärktem Kunststoff gebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß jeglicher Aufwand für eine nachträgliche Klebung des Anstreifbelags entfällt.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung.
Die in der Figur dargestellte Dichtungsanordnung ist insbesondere als inner air seal zur Anbringung auf einem Rotor im Verdichter einer Gasturbine geeignet. Die Dichtungsanordnung weist einen Anstreifbelag 10 auf, der auf einem Trägerring 12 aus einem mit Kohlenstoffasern (Carbonfasern) verstärktem Kunststoff aufgebracht ist. Die Herstellung der Dichtungsanordnung wird später noch genauer beschrieben.
Der Anstreifbelag 10 der Dichtungsanordnung besteht im wesentlichen aus einer mehreren Millimetern dicken Schicht aus faserverstärktem Kunststoff. Als Matrix dient üblicherweise ein duroplastisches Harz. Der Fasergehalt des Anstreifbelags 10 liegt vorzugsweise unter 50 %. Grundsätzlich können Fasern aus verschiedenen Materialien für den Anstreifbelag 10 verwendet werden. Es wird vorzugsweise ein Material gewählt, dessen Schmelztemperatur beim Einlaufen der Gasturbine, wenn der Anstreifbelag 10 in Reibkontakt mit den Dichtfinnen der gegenüberliegenden Leitschaufeln des Turbinengehäuses (nicht gezeigt) steht, lokal überschritten wird.
Die Schmelztemperatur der Fasern liegt aber in jedem Fall unterhalb eines Temperaturbereichs, in dem die Dichtfinnen thermischen Schaden erleiden könnten (jede Form von Ge- fügeänderungen, Kornveränderungen, Weichglühen, Schmelzen, etc.). Bei Dichtfinnen, die aus einer Titan-6-4-Legierung bestehen, beginnt dieser Temperaturbereich etwa bei 300 bis 320°C. Bei anderen Titanlegierungen kann der Temperaturbereich auch höher liegen. Als Material für die Fasern kommt daher z. B. Polyester (Diolen; Schmelztemperatur etwa 235 bis 260°C), Polyvinylacetat (PVA; Schmelztemperatur etwa 232 bis 2380C), Polypropylen (PP; Schmelztemperatur etwa 160 bis 165°C) oder Polyethylen (PE; z. B. Spectra®; Schmelztemperatur etwa 152°C) in Frage. Auch Naturfasern wie etwa Leinen oder Flachs sind nicht grundsätzlich ausgeschlossen. Naturfasern schmelzen bekanntermaßen nicht, ihre Zersetzungstemperatur liegt jedoch im Bereich zwischen 300 und 400°C.
Die Fasern sind vorzugsweise in einem Winkel (z. B. 45°) zur Drelirichtung der Leitschaufel oder Dichtfinne angeordnet, damit die Schneidkräfte möglichst klein gehalten werden. Die Definition des Winkels relativ zu einer 0°-Richtung geht aus der Figur hervor.
Der Anstreif belag 10 mit den eingebetteten Fasern wird zusammen mit dem Träger 12 hergestellt, der - wie bereits erwähnt - vorzugsweise aus einem karbonfaserverstärkten Kunst- stoff besteht. Die für den Anstreifbelag 10 vorgesehenen Fasern werden als Schichten eingebracht und direkt mit dem Harz für den Träger 12 durchtränkt. Es erfolgt eine gemeinsame Aushärtung und Fertigbearbeitung. Eine Befestigung des Anstreif belags 10 auf dem Träger 12 entfällt vollständig.
Zur Reparatur defekter Stellen können lokal Anstreiffasern einlaminiert und ausgehärtet wer- den.
Die Erfindung wurde beispielhaft für die Anwendung als sog. inner air seal zur Abdichtung des Spalts zwischen einem Rotor und feststehenden Leitschaufeln einer Gasturbine beschrieben, ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Anstreifbelag auch als outer air seal oder zumindest als Reparaturmaterial für defekte Stellen in einer Waben-Anstreifdichtung eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Gasturbine, zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Stator und einem Rotor, mit einem Anstreifbelag (10), der zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag (10) einstückig mit einem Träger (12) ausgebildet ist.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) aus einem mit Kohlenstoffasern verstärkten Kunststoff besteht.
4. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Fasergehalt des Anstreifbelags (10) unter 50 % liegt.
5. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreif belag (10) Fasern aus einem Material enthält, dessen Schmelztemperatur unterhalb von 320°C, vorzugsweise unterhalb von 300°C liegt.
6. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß der Anstreif belag (10) primär aus einer wabenartigen Struktur besteht und einen oder mehrere Bereiche aufweist, die aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
7. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreif belag (10) Fasern aus wenigstens einem der folgenden Materialien enthält: Polyester, Polyvinylacetat, Polypropylen, Polyethylen.
8. Gasturbine mit einer Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und der Dichtungsanordnung gegenüberliegenden Dichtfinnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag (10) Fasern aus einem Material enthält, dessen Schmelztemperatur bei einem Reibkontakt mit den Dichtfinnen während eines Einlaufens der Gasturbine lokal überschritten wird.
9. Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag (10) Fasern aus einem Material enthält, dessen Schmelztemperatur unterhalb eines Temperaturbereichs liegt, in dem die Dichtfinnen der Gasturbine thermischen Schaden erleiden.
10. Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des An- streifbelags (10) in einem Winkel, vorzugsweise 45°, zur Drehrichtung einer gegenüberliegenden Leitschaufel oder Dichtfinne angeordnet sind.
11. Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag (10) zusammen mit einem Träger (12) aus faserverstärktem Kunststoff gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) aus einem kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Anstreifbelag (10) vorgesehenen Fasern als Schichten eingebracht werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Anstreifbelag (10) vorgesehenen Fasern zusammen mit den Fasern des Trägers (12) mit einem Matrixmaterial, vorzugsweise einem duroplastischen Harz, wie Polyimidharz, Phenolharz oder Epoxidharz durchtränkt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag (10) zusammen mit dem Träger (12) ausgehärtet und fertigbearbeitet wird.
16. Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstreifbelag (10) mit einem Gehäuse aus Metall, insbesondere aus Titan- oder Aluminiumlegierungen, oder aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, verklebt wird.
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