EP1766193B1

EP1766193B1 - Einlaufbelag

Info

Publication number: EP1766193B1
Application number: EP05749930A
Authority: EP
Inventors: Manfred DÄUBLER; Wilfried Smarsly
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH; MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: DE102004031255B4; EP1766193A1; US8895134B2; US20090214824A1; DE502005010910D1; DE102004031255A1; WO2006000174A1

Abstract

Es wird ein Einlaufbelag (10) für ein Verdichtergehäuse beschrieben, der zumindest zwei Schichten (12, 14, 28, 30, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht (12, 28) formstabil und mindestens eine weitere Schicht (14, 30, 32) einlauffähig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einlaufbelag gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In Flugtriebwerken und Gasturbinen ist ein wesentlicher Faktor, der auf den wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Systems Einfluss nimmt, die Spalthaltung zwischen einem Rotor und einem Stator. Besonders schwierig gestaltet sich diese Spalthaltung zwischen einem Verdichterrotor, insbesondere Hochdruckverdichterrotor, und dem Verdichtergehäuse. Bei den Verdichterschaufeln muss anders als bei der Turbine auf Deckbänder verzichtet werden. Zudem werden immer geringere Stufen- und Schaufelzahlen in integraler Bauweise angestrebt, um die Herstellungs- und wartungskosten zu minimieren. Hieraus ergeben sich aber im Gegenzug höhere Drehzahlen und Umfangsgeschwindigkeiten der Rotoren und somit eine höhere Belastung.
Eine Verschlechterung, d.h. eine Vergrößerung des Spalts zwischen dem Rotor und dem Verdichtergehäuse, beeinflusst mit zunehmender Betriebszeit sowohl den wirkungsgrad als auch die Pumpgrenze des verdichters. Allerdings muss der verdichter für alle Betriebszeitpunkte ausgelegt sein und in allen Betriebsbereichen einen ausreichenden Wirkungsgrad ohne Beschädigung von einzelnen Komponenten erzeugen können.
Dies ist insbesondere problematisch, da aufgrund von Fliehkraft und thermischer Ausdehnung des Rotors sowie aufgrund von Montagetoleranzen und Exzentritäten von Rotor und Gehäuse ein Anstreifen des Rotors an dem Stator nicht verhindert werden kann.
Bei der Spalthaltung muss bei stationärer Volllast und hoher Teillast ein minimaler Spalt erzielbar sein. Weiterhin muss aber der Spalt während der Beschleunigung des kalten Triebwerks so klein sein, dass bei Volllast der Rotor gerade einläuft. In allen anderen Betriebspunkten, wie beispielsweise der erneuten Beschleunigung eines warmen Triebwerks, muss ein Einlaufen des Rotors vermieden werden.
Zur Verhinderung der Beschädigung der Schaufelspitzen, die anders als bei der Turbine nicht durch ein Deckband geschützt sind, werden in der Regel die Schaufelspitzen mit einem harten abrasivem Belag versehen. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verhinderung des Schaufelspitzenverschleißes bei Einstellung minimaler Radialspalte das Gehäuse mit sogenannten Einlaufbelägen beschichtet werden. Einlaufbeläge weisen insbesondere den Vorteil auf, dass diese bei einem Materialabtrag aufgrund des Kontakts mit den schaufelspitzen nicht zu einer Spaltvergrößerung über den gesamten Umfang und somit nur zu einem geringeren Leistungsverlust des Triebwerks führen.
Weiterhin ist bekannt, dass es in Verdichtern zu einem sogenannten Pumpen kommen kann, wenn die Luftströmung durch den Verdichter gestört wird und es zu einem vollständigen Abreißen der Förderung im gesamten Verdichter kommt. Ein Verdichter muss daher so ausgelegt sein, dass ein guter Sicherheitsabstand zwischen der sogenannten Pumpgrenze, das heißt dem Zustand, bei dem es bei den herrschenden Luftdurchsatz- und Druckverhältniswerten zu Pumpschwingungen kommt, und der Arbeirslinie, das heißt den Luftdurchsatz- und Druckverhältniswerten, bei denen der Verdichter normalerweise betrieben wird, gegeben ist. Es ist daher notwendig, den Durchsatz so zu steuern, dass das Triebwerk über einen weiten Drehzahlbereich effizient, insbesondere mit geringem wirkungsgradverlust, betrieben werden kann und der Abstand zur Pumpgrenze aufrechterhalten werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, kann ein sogenanntes "Casing Treatment" eingesetzt werden. Hierbei wird das Verdichtergehäuse mit Schlitzen versehen, die in der Regel in Bezug auf die Drehachse des Rotors schräg verlaufen und im Bereich von mindestens einem Schaufelkranz an der Innenseite des Gehäuses vorgesehen sind. Die Verteilung der Schlitze und deren Geometrie haben einen Einfluss auf den Pumpgrenzenabstand und den Wirkungsgrad des Verdichters. Da in dem Bereich des Verdichtergehäuses, in dem diese Schlitze vorgesehen sind, das heißt im Bereich des Rotors, auch der erwähnte Einlaufbelag vorgesehen sein sollte, ist die Verteilung und Geometrie dieser Schlitze zusätzlich durch die Beschaffenheit des Einlaufbelags bestimmt.
Aus dem Dokument EP-A-1 375 696 ist ein Schichtsystem für die Rotor-/Statordichtung mit einem zweischichtigen Einlaufbelag bekannt, dessen erste Schicht relativ zu einer zweiten, einlauffähigen Schicht härter ist. Bei guter Einlauffähigkeit werden dadurch die Erosionsbeständigkeit und die Thermowechselbeständigkeit erhöht, somit letztlich die Lebensdauer des Systems.
Das Dokument US-A-4 405 284 schützt einen wärmeisolierenden Einlaufbelag für ein verdichtergehäuse. Der Einlaufbelag ist über eine Haftschicht auf die Innenseite des Gehäuses aufgebracht und kann eine Honigwabenstruktur aufweisen, welche ganz oder teilweise mit einlauffähigem Material gefüllt ist.
Das Dokument EP-A-0 965 730 betrifft einen keramischen Einlaufbelag mit einer relativ dichten, erosionsbeständigen Schicht und mit einer einlauffähigen Schicht. Die erosionsbeständige Schicht ist mit konstanter Dicke auf ein mit einer Vertiefung versehenes Substrat aufgebracht.
Das Dokument EP-A-1 253 294 betrifft einen vergleichbaren keramischen Einlaufbelag mit zwei unterschiedlichen Schichten, wobei die an das Substrat angrenzende Schicht über substratfeste, kugel- bzw. pilzförmige Erhebungen auch formschlüssig gehalten wird.
Das Dokument US-B1-6 203 021 schützt einen Einlaufbelag mit einem lasergefertigten, regelmäßigen Muster zur Verbesserung der Einlauffähigkeit. Das Muster kann Löcher, Nuten, Stege u. ä. umfassen.
Das Dokument EP-A-0 192 162 offenbart einen Einlaufbelag mit Anbindung einer keramischen Schicht an ein metallisches Substrat über gleichmäßig verteilte, metallische verankerungselemente in der Form von Drähten, Gittern, Spiralen, Honigwaben, Fasern u. ä.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen auf die Innenseite eines Verdichtergehäuses aufgebrachten Einlaufbelag zu schaffen, der eine flexible Gestaltung des Verdichtergehäuses, insbesondere ein gezieltes Casing Treatment erlaubt, und der zumindest zwei Schichten aufweist, wobei eine erste Schicht formstabiler und mindestens eine weitere Schicht einlauffähiger ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Schicht ein Profil mit Stegen und Vertiefungen aufweist, dass die mindestens eine, weitere Schicht die erste Schicht so ummantelt, dass im Bereich jeder Vertiefung eine Nut vorhanden ist, und dass der Einlaufbelag über die mindestens eine, weitere Schicht mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist.
Als Einlaufbelag wird hierbei die Beschichtung, insbesondere eine Dichtung, bezeichnet, die auf die Innenseite des Verdichtergehäuses aufgebracht wird. Dieser Einlaufbelag kann auf den Bereich der einzelnen Rotoren begrenzt sein, kann sich aber auch in axialer Richtung über diesen Bereich hinaus erstrecken, insbesondere das gesamte Verdichtergehäuse bedecken beziehungsweise auskleiden. Der Einlaufbelag umfasst nicht ausschließlich die oberste Schicht einer Beschichtung des Verdichtergehäuses, sondern sämtliche Schichten, die auf einen Grundwerkstoff des Verdichtergehäuses aufgebracht werden.
Durch die Kombination der mindestens zwei genannten Schichten, nämlich der einlauffähigeren und der formstabileren Schicht, wird eine flexible Ausgestaltung und Auslegung des Verdichtergehäuses ermöglicht. Insbesondere können durch die unterschiedlichen Schichten Eigenschaften unterschiedlicher Materialien sowie unterschiedliche Geometrien ideal kombiniert werden. Die erste, formstabilere Schicht besteht aus einem Material mit hoher Formstabilität. Hierzu können sowohl gewebte Materialien, Fasern oder Filze als auch poröse oder volle Materialien verwendet werden. Die erste Schicht kann beispielsweise aus Titanhohlkugeln hergestellt sein oder einen Ring aus einem Fasergeflecht darstellen. Mindestens eine weitere Schicht besteht aus einem einlauffähigen Material. Diese weitere Schicht stellt vorzugsweise die zweite Schicht dar, die an die erste Schicht angrenzt. Durch Vorsehen eines einlauffähigen Materials wird dem Einlaufbelag die Eigenschaft verliehen, die notwendig ist, um eine Spalthaltung zwischen dem Rotor und dem Stator in unterschiedlichen Betriebszuständen gewährleisten zu können. Gleichzeitig kann durch das Vorsehen des einlauffähigen Materials eine Beschädigung des formstabilen Materials der ersten Schicht und der Rotoren, insbesondere der Verdichterschaufel, vermieden werden. Hierbei können bekannte einlauf fähige Materialien verwendet werden. Auch Materialien mit Füllstoffen, wie beispielsweise Hohlkugeln, können eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist zumindest die erste der Schichten des Einlaufbelags in definierter Weise profiliert. Durch eine Profilierung können sowohl eine strömungstechnisch vorteilhafte Geometrie erzeugt werden, als auch die thermischen Eigenschaften des Einlaufbelags positiv beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine weitere, einlauffähigere Schicht vorgesehen. Diese liegt unmittelbar an der ersten profilierten Schicht an. Diese zweite Schicht stellt somit eine Ummantelung des durch die erste Schicht gebildeten Profils dar. Die zweite Schicht ist auch auf der Seite der ersten Schicht vorgesehen, an der diese Erhöhungen und/oder Vertiefungen aufweist, das heißt an der der Verdichtergehause-Innenwand abgewandten Seite. Der Vorteil des Aufbringens einer gleichmäßigen Schicht liegt insbesondere in einer Vereinfachung der Herstellung des Einlaufbelags. Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich, eine zweite Schicht mit unterschiedlichen Dicken auf die erste Schicht aufzubringen. So kann beispielsweise die zweite Schicht an den Positionen eine größere Dicke aufweisen, an denen in der ersten Schicht Erhebungen vorgesehen sind.
Durch die Wahl des Materials der ersten Schicht, wie beispielsweise Titanhohlkugeln oder einem anderen formstabilen Material, kann das durch die erste Schicht gebildete Profil auch unter mechanischer Belastung zuverlässig beibehalten werden.
Nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform, die insbesondere für das Casing Treatment geeignet ist, ist der Einlaufbelag so ausgestaltet, dass dieser an einer Seite zumindest teilweise Nuten aufweist, wobei diese durch Vertiefungen in der ersten Schicht gebildet werden. Die Nuten können in der eingebauten Position schräg zu der Rotorachse liegen oder axial ausgerichtet sein.
Durch diese Ausführung wird die Form des gesamten Einlaufbelags im Wesentlichen durch die Form beziehungsweise durch das Profil der ersten Schicht bestimmt. Da diese Schicht aus formstabilem Material hergestellt ist, kann die Beibehaltung der Form des Profils gewährleistet werden. Die Nuten können bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag optimal zur Beeinflussung des Strömungsverhaltens und zur Einstellung unterschiedlicher Druckverhältnisse verwendet werden. Die Nuten sind somit als Mittel für ein Casing Treatment einsetzbar.
Die Geometrie der Nuten kann bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag flexibel gestaltet werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Nuten so auszugestalten, dass diese eine große Tiefe im Vergleich zu deren Breite aufweisen. Insbesondere können Verhältnisse von der Breite der Nuten zu deren Tiefe von maximal 0,5, vorzugsweise maximal 0,3, eingestellt werden.
Diese kleinen Verhältnisse von Profilbreite zu Profilhöhe können mit herkömmlichen Einlaufbelägen, die ausschließlich aus einlauffähigem Material bestehen, nicht realisiert werden, da die Formstabilität bei diesen Einlaufbelägen nicht gegeben ist. Die Vergrößerung der Profiltiefe beziehungsweise Nutentiefe bringt erfindungsgemäß Vorteile mit sich. Insbesondere kann eine Erhöhung des Pumpgrenzenabstands erzielt werden. Weiterhin ist für den Pumpgrenzenabstand auch das Verhältnis von Oberfläche zu Nut an der Oberfläche des Einlaufbelags maßgeblich. Durch eine Verringerung des Oberflächen-Nut Verhältnisses kann der Pumpgrenzenabstand verbessert werden. Das Vorsehen einer großen Anzahl von Nuten über den Umfang des Verdichtergehäuses kann bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag realisiert werden.
Weiterhin kann ein geringes Verhältnis von Breite zu Tiefe der Nuten von Vorteil sein, um nach dem Abrieb eines gewissen Betrags des einlauffähigen Materials eine ausreichende Nutentiefe gewährleisten zu können. Das abgeriebene Material kann in den Nuten aufgenommen werden und dennoch eine ausreichende Nutentiefe sichergestellt werden.
Erfindungsgemäß umgibt die zweite Schicht die erste Schicht vollständig. Dies bedeutet, dass die zweite Schicht sowohl auf der profilierten Seite der ersten Schicht als auch auf der glatten Seite der ersten Schicht vorgesehen ist. Somit dient die erste Schicht als Kern und wird von der zweiten Schicht ummantelt. Diese Ausführung weist insbesondere bezüglich des Herstellungsverfahrens Vorteile auf. Hierbei ist die Ummantelung durchgehend, d.h. bedeckt auch die Enden des Kerns.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen, bei denen die erste formstabile Schicht des Einlaufbelags profiliert ist, werden im folgenden auch als makro-profilierte Einlaufbeläge bezeichnet. Diese können insbesondere in dem Niederdruckbereich eines Verdichters, insbesondere eines Verdichters eines Flugtriebwerk oder einer Gasturbine eingesetzt werden.
Als Material für die einlauffähigere Schicht kann beispielsweise faseriges oder poröses Material verwendet werden.
Als Material für die erste, formstabilere Schicht kommt beispielsweise faseriges, poröses oder aber volles Material in Betracht.
Gemäß einer Ausführungsform kann die die erste, formstabilere und/oder die mindestens eine weitere, einlauffähigere Schicht mit verstärkungsmitteln versehen, insbesondere durchsetzt sein. Diese können beispielsweise Kugeln darstellen. Für die einlauffähigere Schicht bieten sich hierbei Kugeln aus sprödem Material an, die beispielsweise in einer Schicht aus gerichteten Fasern aufgenommen sein können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung genauer beschrieben, wobei

Figur 1: eine perspektivische Schnittansicht eines Ausführungsbei- spiels des erfindungsgemäßen Einlaufbelags mit Makro-Profil zeigt.

In der Figur 1 ist ein Einlaufbelag 10 dargestellt, der eine erste Schicht 12 und eine zweite Schicht 14 umfasst. Dieser Einlaufbelag 10 ist auf einem Grundwerkstoff 16 eines Verdichtergehäuses aufgebracht.
Die erste Schicht 12 weist in der dargestellten Ausführungsform ein Profil auf, bei dem über die Fläche der ersten Schicht 12 eine Anzahl von Stegen 18 vorgesehen ist, zwischen denen Vertiefungen 20 in der ersten Schicht 12 ausgebildet sind. Die Stege 18 können auf die Schicht 12 aufgebracht sein oder die Vertiefungen 20 in die Schicht 12 eingebracht werden. Vorzugsweise können die Vertiefungen 20 bzw. die Stege 18 bei der Herstellung der Schicht 12 durch nicht spanende verfahren, z.B. Gießen oder Pressen, erzeugt werden.
In der dargestellten Ausführungsform umgibt das Profil der ersten Schicht 12 eine zweite Schicht 14, die weitgehend eine einheitliche Schichtdicke aufweist. Durch die Schicht 14 wird somit das Profil der ersten Schicht 12, die den Kern des Einlaufbelags 10 bildet, und insbesondere deren Stege 18 ummantelt. Die den Stegen 18 abgewandte glatte Seite 22 der ersten Schicht 12 wird ebenfalls von der zweiten Schicht 14 abgedeckt. In diesem Bereich der zweiten Schicht 14 ist der Einlaufbelag 10 über eine Fügezone 24 mit dem Grundwerkstoff 16 verbunden. Die Fixierung des Einlaufbelags 10 an dem Grundwerkstoff 16 kann durch herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Schweißen oder Kleben, erfolgen.
Wie sich aus der Figur 1 entnehmen lässt, ist die Tiefe der Nuten 26, die durch die Vertiefungen 20 und die Ummantelung durch die Schicht 14 gebildet sind, im Verhältnis zu der Breite der Nuten 26 groß. Diese Form kann bei dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag 10 aufgrund des formstabilen Kerns realisiert werden.
In der Figur 1 ist nur ein Teil des Einlaufbelags 10 dargestellt. Dieser kann erfindungsgemäß einen Ring darstellen, der in das verdichtergehäuse eingebracht werden kann.

Claims

Einlaufbelag (10) für ein Verdichtergehäuse, der auf die Innenseite des Verdichtergehäuses aufgebracht ist und der zumindest zwei Schichten (12, 14) aufweist, wobei eine erste Schicht (12) formstabiler als mindestens eine weitere Schicht (14) ist, und die mindestens eine weitere Schicht (14) einlauffähiger als die erste Schicht (12) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (12) ein Profil mit einer Anzahl von Stegen (18) und mit Vertiefungen (20) zwischen den Stegen (18) aufweist, dass die mindestens eine, weitere Schicht (14) die erste, profilierte Schicht (12) in der Weise ummantelt, dass im Bereich jeder Vertiefung (20) eine Nut (26) vorhanden ist, und dass der Einlaufbelag (10) über die mindestens eine, weitere Schicht (14) in einer Fügezone (24) mit dem Grundwerkstoff (16) des Verdichtergehäuses verbunden ist.
Einlaufbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, weitere Schicht (14) zumindest über den Großteil ihrer Fläche eine einheitliche Dicke aufweist.
Einlaufbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite der Nuten (26) zu deren Tiefe maximal 0,5 und vorzugsweise maximal 0,3 beträgt.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, weitere Schicht (14) aus einem faserigen oder porösen Material besteht.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, profilierte Schicht (12) aus einem faserigen, einem porösen oder einem vollen Material besteht.
Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, profilierte Schicht (12) und/oder die mindestens eine, weitere Schicht(14) mit Verstärkungsmitteln versehen ist.