(57) Die Erfindung betrifft eine Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den
Schaufelspitzen einer Gasturbine, die vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen,
korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung besteht. Nach einem ersten Herstellverfahren
werden vorgefertigte Metallschaumsegmente durch Hochtemperaturlöten mit den Wandabschnitten
verbunden. Alternativ kann das nicht aufgeschäumte Vormaterial der Ansteifdichtung
zunächst mit den Wandabschnitten verbunden und anschließend daran aufgeschäumt werden.
Solche Metallschaumdichtungen besitzen ein optimales Dichtverhalten, bei gleichzeitiger
Verbesserung der Isolierung der Gehäuestruktur gegen das Heißgas. Durch Einflußnahme
auf die Aufschäumparameter ist die Zellstruktur der Anstreifdichtung in bestimmten
Grenzen beeinflußbar, so daß die Einlaufeigenschaften, die Umströmungsbehinderung
und die Isolierwirkung auf diese Weise bestimmt werden können.
[0001] 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 verwiesen.
[0002] 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 nämlichen 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.
[0003] 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.
[0004] 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. In den Unteransprüchen sind zwei vorteilhafte Verfahren zum Herstellen einer
Gasturbine mit einer derartigen Metallschaum-Anstreifdichtung angegeben.
[0005] 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 anschließender 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Gegenüber den bisherigen Lösungen für Anstreifdichtungen führt die Verwendung von
Metallschaumdichtungen zu einem besseren Dichtverhalten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Isolierung der Gehäuestruktur 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.
1. Anstreifdichtung zwischen einem Wandabschnitt und den Schaufelspitzen einer Gasturbine,
die vollständig aus einer aufgeschäumten, metallischen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturlegierung
besteht.
2. Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer Anstreifdichtung nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet, daß vorgefertigte Metallschaumelemente durch Hochtemperaturlöten
mit den Wandabschnitten verbunden werden.
3. Verfahren zum Herstellen einer Gasturbine mit einer Anstreifdichtung nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet, daß das nicht aufgeschäumte Vormaterial der Ansteifdichtung
zunächst mit den Wandabschnitten verbunden und anschließend daran aufgeschäumt wird.