DE60017293T2

DE60017293T2 - Werkstoffe für Dichtungen und Beilagscheiben von verstellbaren Leitschaufeln

Info

Publication number: DE60017293T2
Application number: DE60017293T
Authority: DE
Inventors: Thomas Carl Loveland Mesing; Wayne Ray West Chester Bowen; David Barkley West Chester Hester
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: US6915574B2; EP1024252A3; EP1024252B1; US6264369B1; DE60017293D1; CA2296655C; JP2000337385A; US20010016091A1; EP1024252A2; CA2296655A1

Description

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Lageranordnungen und insbesondere Materialien für Lageranordnungen, wie sie beispielsweise aus den Patenten GB 2 095 170, US 5 162 157 und US 5 322 882 bekannt sind.
Gasturbinentriebwerke enthalten im Allgemeinen einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer und eine Hochdruckturbine. Durch das Triebwerk strömt komprimierte Luft , wobei Kraftstoff mit der Druckluft vermischt und gezündet wird, um in dem Hochdruckverdichter bzw. der Brennkammer einen hochenergetischen Gasstrom zu erzeugen. Der Hochdruckverdichter, die Brennkammer und die Hochdruckturbine werden gelegentlich zusammengefasst als ein Kerntriebwerk bezeichnet. Solche Gasturbinentriebwerke können ferner einen Niederdruckverdichter, der dazu dient, dem Hochdruckverdichter Druckluft für eine zusätzliche Verdichtung zuzuführen, und einen Bläser aufweisen, der dem Niederdruckverdichter Luft zuführt.
Der Hochdruckverdichter weist gewöhnlich einen Rotor auf, der von einem Gehäuse umgeben ist. Das Gehäuse ist gewöhnlich abnehmbar ausgebildet, z.B. indem das Gehäuse in zwei Hälften geteilt ist, die in diesem Falle zerlegbar zusammengefügt werden. Der Hochdruckverdichter weist mehrere Stufen auf und jede Stufe enthält eine Reihe von Laufschaufeln und eine Reihe von Leitschaufeln. Das Gehäuse trägt die Leitschaufeln, und die Laufschaufeln sitzen auf dem Rotor. Die Leitschaufelreihen sind zwischen den Laufschaufelreihen angeordnet und lenken einen Luftstrom auf eine stromabwärts gelegene Reihe von Laufschaufeln.
Verstellbare Leitschaufelanordnungen dienen dazu, die durch den Verdichter strömende Luftmenge zu steuern, um die Leistung des Verdichters zu optimieren. Jede verstellbare Leitschaufelanordnung weist eine verstellbare Leitschaufel auf, die sich zwischen benachbarten Laufschaufeln erstreckt. Die verstellbare Leitschaufel ist um eine Achse drehbar. Die Orientierung der verstellbaren Leitschaufel beeinflusst den Luftstrom durch den Verdichter.
Eine bekannte verstellbare Schaufelanordnung enthält eine verstellbare Schaufel, eine Lagerzapfendichtung und eine Dichtungsscheibe. Die verstellbare Schaufelanordnung ist mit einem Statorgehäuse eines Hochdruckverdichters verschraubt, und die Lagerzapfendichtung und Dichtungsscheibe umgeben eine Öffnung, die sich durch das Gehäuse erstreckt. Die verstellbare Schaufel weist einen Schaufelgrundkörper auf, der sich durch die Öffnung in dem Gehäuse und durch die Lagerzapfendichtung und die Dichtungsscheibe erstreckt. Die Dichtung und Dichtungsscheibe sind hier als eine Lageranordnung bezeichnet. Die Lageranordnung bietet eine Oberfläche geringer Reibung, die einen Kontakt von Metall auf Metall vermeidet. Solche verstellbare Schaufelanordnungen weisen möglicherweise durch die Öffnungen in dem Gehäuse verlaufende Luftleckstrompfade auf. Außerdem verursacht die mit hoher Geschwindigkeit und unter hoher Temperatur strömende Luft Oxidation und Erosion an den Lageranordnungen, was zu einem Versagen von Faserstoffen innerhalb der Lageranordnung und zu einem eventu ellen Ausfall der verstellbaren Schaufelanordnung führen kann.
Wenn die Lageranordnung versagt, kommt es zu einem Anstieg des durch die Öffnung strömenden Leckstroms, mit der Folge eines Leistungsverlustes. Darüber hinaus kann es bei Versagen der Lageranordnung zu einer Berührung zwischen der Leitschaufel und dem Gehäuse kommen, was Verschleiß hervorruft und die Wartungskosten des Triebwerks steigert.
Dementsprechend wäre es erwünscht, Lageranordnungen zu schaffen, die aus Materialien mit Leistungseigenschaften hergestellt sind, die den Luftleckverlust zwischen dem Grundkörper einer Leitschaufel und dem Verdichtergehäuse reduzieren oder eliminieren. Darüber hinaus wäre es erwünscht, eine Steigerung der Beständigkeit der Zusammensetzung der Dichtung und der Dichtungsscheibe zu ermöglichen, um die Lebensdauer der Komponente zu steigern.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Lageranordnung eine Scheibe und eine Dichtung, die an dem Gehäuse angeordnet ist, um eine Öffnung zu umgeben. Der Schaufelgrundkörper erstreckt sich durch die Öffnung und durch die Lageranordnung. Äußere Schichten jedes Elements in der Lageranordnung sind aus einer Kombination von Materialien hergestellt, die einen niedrigen Reibungskoeffizienten ermöglichen.
Die Dichtung verhindert, dass die Leitschaufel das Statorgehäuse berührt und hindert den Luftstrom daran, durch die Öffnung zu entweichen. Die Dichtungsscheibe verhindert die Berührung zwischen einem Abstandhalter und dem Gehäuse und hindert außerdem den Luftstrom daran, durch die Öffnung zu entweichen. Die Lageranordnung schafft auf diese Weise zwei Barrieren gegen ein Entweichen des Luftstroms durch die Öffnung in dem Statorgehäuse.
Die Dichtung und Dichtungsscheibe sind aus einer Kombination von Materialien hergestellt, beispielsweise in einem Polyimidharz getränkte Teflonfasern und/oder Glasfasern, die erwünschte Leistungseigenschaften aufweisen und einen niedrigen Reibungskoeffizienten ermöglichen. Darüber hinaus erhöhen die Lageranordnungsmaterialien die Lebensdauer der Leitschaufelanordnung erheblich und reduzieren einen durch die Öffnung in dem Statorgehäuse auftretenden Luftleckverlust. Weiter ermöglicht die Lageranordnung eine Verbesserung des Wirkungsgrads des Turbinentriebwerks bei gleichzeitiger Reduzierung der durch einen Kontakt von Metall auf Metall zwischen dem Statorgehäuse, der Leitschaufel und dem Abstandhalter verursachten Reparaturkosten.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen eingehender beschrieben:
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Hochdruckverdichters eines Turbinentriebwerks;
2 zeigt eine Schnittansicht einer verstellbaren Schaufelanordnung mit einer Lageranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 zeigt eine Schnittansicht von Schichten der in 2 gezeigten Lagerkomponenten.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Hochdruckverdichters 100 für ein (nicht gezeigtes) Turbinentriebwerk. Der Verdichter 100 umfasst mehrere Stufen 102, und jede Stufe 102 umfasst eine Reihe von Laufschaufeln 104 und eine Reihe von verstellbaren Leitschaufelanordnungen 106. Die Laufschaufeln 104 werden gewöhnlich von Rotorscheiben 108 getragen und sind mit einer Rotorwelle 110 verbunden. Die Rotorwelle 110 ist eine Hochdruckwelle, die auch mit einer (nicht gezeigten) Hochdruckturbine verbunden ist. Die Rotorwelle 110 ist von einem Statorgehäuse 112 umgeben, das verstellbare Leitschaufelanordnungen 106 trägt.
Jede der verstellbaren Leitschaufelanordnungen 106 weist eine verstellbare Schaufel 114 und einen Schaufelgrundkörper 116 auf. Der Schaufelgrundkörper 116 ragt durch eine Öffnung 118 in dem Gehäuse 112 hervor. Die verstellbaren Schaufelanordnungen 106 weisen ferner einen Hebelarm 120 auf, der sich ausgehend von der verstellbaren Schaufel 114 erstreckt und dazu dient, um die verstellbaren Schaufeln 114 zu drehen. Die Orientierung der Schaufeln 114 bezüglich des durch den Verdichter 100 verlaufenden Strömungspfads steuern den durch den Verdichter strömenden Luftstrom. In manchen Fällen sind die verstellbaren Schaufelanordnungen 106 an dem Gehäuse 112 durch Bolzenschrauben 122 befestigt.
Die verstellbaren Schaufelanordnungen 106 steuern den durch den Verdichter 100 strömenden Luftstrom. Allerdings eröffnen verstellbare Schaufelanordnungen 106 auch einen potentiellen Pfad für den Luftstrom aus dem Verdichter 100 heraus, z.B. über die Öffnungen 118. Der Verlust an Luftstrom durch die Öffnungen 118 reduziert den Wirkungsgrad des Verdichters 100.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer verstellbaren Schaufelanordnung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die verstellbare Schaufelanordnung 200 weist eine verstellbare Schaufel 202 auf. Auf der verstellbaren Schaufel 202 ist eine Dichtung 204 angeordnet. Ein Gehäuse 206 trägt die verstellbare Schaufel 202 und weist einen ersten zurückgesetzten Abschnitt 208, einen inneren Abschnitt 210 und einen zweiten zurückgesetzten Abschnitt 212 auf. Durch den inneren Abschnitt 210 wird eine Öffnung 214 gebildet.
Die Dichtung 204 umfasst einen ersten Abschnitt 216 und einen zweiten Abschnitt 218. Der erste Abschnitt 216 der Dichtung steht in unmittelbarer Berührung mit dem ersten zurückgesetzten Abschnitt 208 des Gehäuses und trennt die verstellbare Schaufel 202 von dem Gehäuse 206. Der zweite Abschnitt 218 der Dichtung berührt den inneren Abschnitt 210 des Gehäuses und trennt die verstellbare Schaufel 202 von dem Gehäuse 206. In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Abschnitt 216 der Dichtung im Wesentlichen über eine gesamte Länge des ersten zurückgesetzten Abschnitts 208 des Gehäuses. Zusätzlich erstreckt sich der zweite Abschnitt 218 der Dichtung im Wesentlichen über eine gesamte Länge des zweiten zurückgesetzten Abschnitts 212 des Gehäuses und verläuft im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Abschnitt 216 der Dichtung. Die Dichtung 204 hindert die verstellbare Schaufel 202 daran, das Gehäuse 206 unmittelbar zu berühren.
Die verstellbare Schaufelanordnung 200 enthält ferner eine Scheibe 220. In einem Ausführungsbeispiel ist die Scheibe 220 im Wesentlichen eben und weist eine Außenumfangsfläche 222 und eine Außenumfangsfläche 224 auf. Insbesondere weist die Scheibe 220 eine erste Wand 226, eine zweite Wand 228 und eine Dicke 230 auf, die ausgehend von der Annenumfangsfläche 222 hin zur Außenumfangsfläche 224 im Wesentlichen konstant ist. Die Dichtungsscheibe 220 steht in unmittelbarer Berührung mit dem zweiten zurückgesetzten Abschnitt 212 des Gehäuses und erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des zweiten zurückgesetzten Abschnitts 212 des Gehäuses.
Die verstellbare Schaufelanordnung 200 umfasst einen Abstandhalter 232, der mit der Scheibe 220 in Berührung steht. Die Dichtungsscheibe 220 verhindert eine Berührung des Abstandhalters 232 mit dem zweiten zurückgesetzten Abschnitt 212 des Gehäuses. Der Abstandhalter 232 weist einen ersten Abschnitt 234 und einen zweiten Abschnitt 236 auf. Der erste Abschnitt 234 des Abstandhalters berührt die Scheibe 220 und weist eine Länge auf, die im Wesentlichen gleich einer radialen Länge der Scheibe 220 ist. Der Abstandhalter 232 ist durch die Scheibe 220 von der Dichtung 204 getrennt. In einem Ausführungsbeispiel berühren sich die Dichtung 204 und die Scheibe 220 nicht gegenseitig. Die Dichtungsscheibe 220 hindert den Abstandhalter 232 daran das Gehäuse 206 zu berühren.
Die verstellbare Schaufel 202 weist ebenfalls einen ersten Abschnitt 238, einen Vorsprung 240 mit einem äußeren Abschnitt 242 und einen Abstandhaltersitzabschnitt 244 auf. Der Vorsprung 240 umgibt einen Schaufelgrundkörper 246. Der Schaufelgrundkörper 246 und der Vorsprung 240 ragen durch die Öffnung 214 in das Gehäuse 206. Der zweite Abschnitt 218 der Dichtung erstreckt sich entlang des inneren Abschnitts 210 des Gehäuses 206. Der zweite Abschnitt 218 der Dichtung hindert den äußeren Abschnitt 242 des Vorsprungs daran den inneren Abschnitt 210 des Gehäuses zu berühren.
Die verstellbare Schaufelanordnung 200 enthält ferner einen Hebelarm 248, der um den Schaufelgrundkörper 246 herum angeordnet ist und den Abstandhalter 232 berührt. Der Hebelarm 248 dient dazu, den Winkel der verstellbaren Schaufel 202 einzustellen und auf diese Weise den durch den Verdichter strömenden Luftstrom zu verändern.
Weiter enthält die verstellbare Schaufelanordnung 200 eine Muffe 250, die den Hebelarm 248 berührt und eine Hebelarmschraube 252, die die Muffe 250 berührt. die Hebelarmschraube 252 wirkt mit dem Schaufelgrundkörper 246 zusammen und erhält die Berührung der verstellbaren Schaufelanordnung 200 mit dem Gehäuse 206 aufrecht.
Die verstellbare Schaufelanordnung 200 wird zusammengebaut, indem die Dichtung 204 auf der verstellbaren Schaufel 202 geeignet plaziert wird, so dass der erste Abschnitt 216 und der zweite Abschnitt 218 die verstellbare Schaufel 202 berühren und im Wesentlichen senkrecht verlaufen. Die verstellbare Schaufel 202 und die Dichtung 204 ragen durch die Öffnung 214.
Die Dichtungsscheibe 220 wird auf dem Gehäuse 206 zu der Dichtung 204 benachbart angeordnet. Der Abstandhalter 232 wird auf der verstellbaren Schaufel 202 angeordnet und berührt die Scheibe 220. Der Hebelarm 238 wird über dem Schaufelgrundkörper 246 angeordnet und berührt den Abstandhalter 232. Die Muffe 250 wird über dem Schaufelgrundkörper 246 angeordnet und berührt den Hebelarm 248. Zuletzt wird die Hebelarmschraube 252 über dem Schaufelgrundkörper 246 angeordnet und berührt die Muffe 250.
Die Dichtungsscheibe 220 und die Dichtung 204 bilden eine in der verstellbaren Schaufelanordnung 200 zu verwendende Lageranordnung, die beispielsweise in einem Hochdruckverdichter eingesetzt werden kann. Selbstverständlich kann die Scheibe 220 und die Dichtung 204 in einem anderen Umfeld verwendet werden, beispielsweise in einer Laufschaufelanordnung, in einer Niederdruckverdichteranordnung mit verstellbaren Schaufeln, in einer Hochdruckturbine oder in einer Niederdruckturbine.
3 zeigt eine Schnittansicht eines Lagerelements 300. Das Lagerelement 300 kann beispielsweise in einer verstellbaren Schaufelanordnung, z.B. der (in 2 gezeigten) verstellbaren Schaufelanordnung 200, als die Scheibe 220 und/oder die Dichtung 204 verwendet werden. Selbstverständlich kann das Lagerelement 300 in jeder Lageranordnung verwendet werden, für die eine lange Lebensdauer und ein niedriger Reibungskoeffizient gewünscht sind.
Das Lagerelement 300 weist eine erste Schicht 302, eine zweite Schicht 304 und eine dritte Schicht 306 auf. Die zweite Schicht 304 weist eine erste Seite 308 und eine zweite Seite 310 auf. Die erste Schicht 302 weist eine Innenfläche 312 und eine Außenfläche 314 auf. In ähnlicher Weise weist die dritte Schicht 306 eine Innenfläche 316 und eine Außenfläche 318 auf.
Die erste Schicht 302 und die dritte Schicht 306 sind aus Teflonfasern und Glasfasern hergestellt, die in Form einer Matte gewebt sind. Die zweite Schicht 304 wird aus Glasfasern gefertigt, die ebenfalls in Form einer Matte gewebt sind. Die in der Herstellung der ersten Schicht 302 und der dritten Schicht 306 verwendeten Teflon- und Glasfasern sind so gewebt, dass die Außenflächen 314 und 318 hauptsächlich Teflonfasern enthalten, während die Innenflächen 312 und 316 hauptsächlich Glasfasern enthalten. Die Teflonfasern auf den Außenflächen 314 und 318 vermindern den Reibungskoeffizient der Lagerkomponente 300, und die Glasfasern auf den Innenflächen 312 und 316 ermöglichen ein besseres Haften der ersten Schicht 302 und der dritten Schicht 306 an der zweiten Schicht 304. Alternativ können die Schichten 302, 304 und 306 geflochten sein, wobei die erste Schicht 302 und die dritte Schicht 306 mittels Teflonfasern und Kohlenstofffasern herge stellt ist, und die zweiten Schicht 304 auf Kohlenstofffasern basiert.
Die erste Schicht 302, die zweite Schicht 304 und die dritte Schicht 306 sind mit einem Polyimidharz durchtränkt, das geeignet ist, um die Langlebigkeit zu erhöhen und den Reibungskoeffizienten des Lagerelements 300 zu reduzieren. Zu geeigneten Polyimidharzen gehören NR-150, im Handel beziehbar von E.I. duPont de Nemours & Co, Wilmington, Delaware; MVK-19, im Handel zu beziehen von der Maverick Corporation, Cincinnati, Ohio; Xylan 1010, zu beziehen von Whitford Corporation, West Chester, Pennsylvanien; Skybond-703, im Handel zu beziehen von I.S.T. America, Chula Vista, Kalifornien; und PMR-15, im Handel zu beziehen von Cytec Industries, Inc., West Paterson, New Jersey.
Um das Lagerelement 300 auszubilden, werden die erste Schicht 302, die zweite Schicht 304 und die dritte Schicht 306 in einem Polyimidharz getränkt, das anschließend vernetzt wird. Die erste Schicht 310, die zweite Schicht 312 und die dritte Schicht 314 werden einander berührend angeordnet und dann miteinander verklebt, um die Lagerkomponente 300 zu bilden.
Darüber hinaus kann dem Polyimidharz Teflon-Pulver hinzugefügt werden, um die Langlebigkeit der Lagerkomponente 300 zu erhöhen und ihren Reibungskoeffizienten zu reduzieren. Eine abschließende Beschichtung, die auf dem Teflon-Pulver enthaltenden Polyimidharz, den MoS₂-Partikeln oder Kombinationen davon basiert, kann ferner verwendet werden, um eine weitere Erhöhung der Langlebigkeit und eine zusätzliche Reduzierung des Reibungskoeffizienten der Lagerkomponente 300 zu erreichen. Alternativ können die erste Schicht 302, die zweite Schicht 304 und die dritte Schicht 306 vor dem Tränken in dem Polyimidharz Plasma-geätzt werden, um die Bindung des Harzes an der Lagerkomponente 300 zu verbessern.
Die Glasfasern, die dazu dienen, um die erste Schicht 302, die zweite Schicht 304 und die dritte Schicht 306 auszubilden, sind gewöhnlich mit einem Schlichtmaterial, z.B. einem Epoxidharz beschichtet. Das Schlichtmaterial kann durch andere geeignete Werkstoffe, z.B. Silan, ersetzt werden. Alternativ können die Glasfasern, die verwendet werden, um die erste Schicht 310, die zweite Schicht 312 und die dritte Schicht 314 zu bilden, durch Quarzfasern ersetzt werden.
Die Lageranordnung beschränkt einen durch das Statorgehäuse austretenden Luftstrom erheblich und führt auf diese Weise zu einer längeren und verbesserten Lebensdauer der verstellbaren Schaufelanordnung. Da durch die Öffnung führende Luftlecks verringert oder ausgeschlossen werden, weist das Turbinentriebwerk einen gesteigerten Wirkungsgrad auf. Darüber hinaus werden die Wartungskosten des Turbinentriebwerks im Allgemeinen und des Verdichters im Besonderen reduziert, da eine mögliche Berührung zwischen dem Gehäuse, der verstellbaren Schaufel und dem Abstandhalter erheblich reduziert oder ganz ausgeschlossen ist.

Claims

Lagerelement (300) enthaltend: mehrere Schichten (302,304,306), wobei wenigstens eine der Schichten aus mehreren Materialien gebildet ist, die wenigstens eines von Teflonfaseren, Glasfasern und Kombinationen davon aufweisen, und dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teflon-Pulverharz die Schichten tränkt.
Lagerelement (300) nach Anspruch 1, wobei die Glasfasern mit einem Schlichtmaterial beschichtet sind, das wenigstens eines von einer Epoxid-Beschichtung, einer Silan-Beschichtung und Kombinationen davon aufweist.
Lagerelement (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Schicht eine gewebte Matte aus den mehreren Materialfasern aufweist.
Lagerelement (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Schicht eine geflochtene Matte aus den mehreren Materialfasern aufweist.
Lagerelement (300) nach Anspruch 2, wobei die mehreren Schichten Plasma-geätzt sind.
Lagerelement (300) nach Anspruch 2, wobei das Schlichtmaterial ferner Teflon-Pulver aufweist.
Lagerelement (300) nach Anspruch 1, wobei ferner eine Beschichtung vorgesehen ist, die ein Polyimidharz enthält, das wenigstens eines von einem Teflon-Pulver, MoS₂-Teilchen und Kombinationen davon aufweist.
Lagerelement (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Schichten ferner eine erste Schicht (302), die eine gewobene Matte aus Teflonfasern und Glasfaserns aufweist, eine zweite Schicht (304), die eine gewobene Matte aus Glasfasern aufweist, und eine dritte Schicht (306) enthält, die eine gewobene Matte aus Teflonfasern und Glasfaserns aufweist.
Lagerelement (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lagerelement wenigstens eine Scheibe und eine Dichtung aufweist.