Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen bewegten und stationären Komponenten innerhalb einer Strömungsmaschine Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, in der die rotierende Komponente eine Stirnfläche aufweist, die durch einen Dichtspalt gegenüber der stationären Komponente getrennt angeordnet ist, und in der auf der Stirnfläche der rotierenden Komponente und auf der stationären Komponente den Dichtspalt begrenzende Dichtungsstrukturen vorgesehen sind, von denen wenigstens eine eine Honigwabenstruktur aufweist.

Stand der Technik Um den Wirkungsgrad axial durchströmter Strömungsmaschinen, wie Verdichtereinheiten und insbesondere Gasturbinenanlagen zu steigern, ist man bemüht, jegliche im Strömungsweg der Maschinen auftretende Verlustmechanismen zu reduzieren oder falls möglich vollständig zu unterdrücken. Dies gilt insbesondere für den Zwischenspalt, der sich unvermeidbar zwischen den rotierenden und stationären Anlagenkomponenten ergibt, durch den verlustbehaftete Leckageströme hindurchtreten, die nicht zur gewünschten Energieumwandlung innerhalb der Strömungsrotationsmaschine beitragen. Um das Durchströmen dieser unvermeidbar vorhandenen Zwischenspalte für die durch die Strömungsrotationsmaschine axial hindurchtretenden dampf-oder gasförmigen Massenströme zusätzlich zu erschweren, werden in an sich bekannter Weise Labyrinthdichtungen, rippen-, stufen-oder wabenförmige Strukturen in den Zwischenspalt eingebracht, durch die der Strömungswiderstand innerhalb der Dichtspalte weiter vergrößert und der Anteil der Leckageströme erheblich vermindert werden kann.

Da Strömungsrotationsmaschinen im Betrieb wechselnden und je nach Bauteil unterschiedlichen Temperaturen unterworfen sind, ergeben sich in den einzelnen rotierenden und stationären Komponenten unterschiedliche Dehnungsmaße, die zusätzlich durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien, je nach Funktion des Bauteiles, beeinflusst werden. Um dennoch einen weitgehenden Freilauf zwischen den rotierenden und stationären Komponenten, unabhängig in welchem Betriebszustand sich die Strömungsrotationsmaschine befindet, garantieren zu können, wird die Strömungsrotationsmaschine derart ausgelegt, dass sie mit einem sogenannten"Kaltspiel"zusammengebaut wird, d. h. die rotierenden Komponenten sind von den stationären Komponenten der Strömungsrotationsmaschine im kalten Zustand der Maschine gerade so weit voneinander beabstandet, dass ihr gegenseitiger Abstand im Nennbetriebspunkt der Strömungsrotationsmaschine möglichst nahe Null ist. Die genaue Berechnung des Kaltspieles erweist sich jedoch als sehr kompliziert und als eher unzuverlässig, zumal die thermischen Ausdehnungseigenschaften der den Zwischenspalt begrenzenden Anlagenkomponenten nicht genau genug definierbar bzw. bekannt sind. Aus diesem Grunde werden bei der Auslegung des Kaltspieles geeignete Sicherheitsreserven vorgesehen, die jedoch, möchte man jegliche Berührungen zwischen rotierenden und stationären Komponenten innerhalb der Strömungsrotationsmaschine vermeiden, auch im Nennbetriebspunkt zu unbefriedigenden Zwischenspalten führen, durch die erhebliche Leckageverluste auftreten. Andererseits-und dies ist in der heutigen Praxis beim Bau derartiger Strömungsrotationsmaschinen üblich-wird in Kauf genommen, dass die rotierenden Komponenten im Nennbetriebspunkt in einen schleifenden Eingriff mit den stationären Komponenten gelangen. Hierzu sind an den sich unmittelbar gegenüberliegenden Flächenabschnitten der rotierenden und stationären Komponenten Dichtungsstrukturen vorgesehen, von denen eine als Reibpartner ausgebildet ist und daher nachgiebig oder abreibbar (abradable) ausgeführt ist. Derartig aufgebaute klassische Dichtungssysteme weisen als nachgiebig oder abreibbare Reibpartner Dichtstreifen, honigwabenartig ausgebildete Bleche oder abreibbare Schichten, die beispielsweise im Wege des Flammspritzens auf den jeweiligen Flächenabschnitt aufbringbar sind, auf. Die andere, der dem vorstehend genannten Reibpartner gegenüberliegende Seite ist entweder als glatte Wand oder als eine Oberfläche mit Rippen ausgebildet, die in den entsprechenden gegenüberliegenden Reibpartner eingreifen und diesen lokal abträgt.

Von besonderem Interesse unter den vorstehend genannten Reibpartnern sind die als honigwabenförmig strukturierten Dichtstrukturen zu nennen, die in an sich bekannter Weise aus entsprechend verformten Flachblechmaterialien hergestellt sind und mittels geeigneter Löt-oder Schweisstechnik an die aus Metall bestehenden Flächenabschnitte fest verfügt werden. Nachteilig bei diesen aus Blech oder Metall gefertigten Honigwabenstrukturen ist ihre nur begrenzte Oxidationsbeständigkeit, wodurch sie bei Betriebstemperaturen von mehr als 1000 °C regelrecht verbrennen und auf diese Weise vollständig verlorengehen.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, in der die rotierende Komponente und die stationäre Komponente jeweils einen Flächenabschnitt aufweisen, die durch einen Dichtspalt getrennt angeordnet sind und auf wenigstens einen der beiden Flächenabschnitten Dichtungsstrukturen vorsehen, von denen eine eine Honigwabenstruktur aufweist, derart auszubilden, dass trotz Verwendung einer als Honigwabenstruktur ausgebildeten Dichtungsstruktur Betriebstemperaturen der Strömungsrotationsmaschine von mehr als 1000° C erreichbar sind, ohne dass die Honigwabenstruktur Schaden erleidet.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass die als Honigwabenstruktur ausgebildete Dichtungsstruktur aus keramischen Material gefertigt ist und mit dem Flächenabschnitt der rotierenden Komponente oder mit dem Flächenabschnitt der stationären Komponente fest verfügt ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die aus der Katalysatortechnik bekannten keramischen Wabenkörper gezielt als Dichtungsstrukturen innerhalb von Strömungsrotationsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, einzusetzen und diese mittels geeigneter Fügetechniken an die üblicherweise aus Metall bestehenden Flächenabschnitte der jeweiligen rotierenden bzw. stationären Komponenten der Strömungsrotationsmaschine dauerhaft fest zu verfügen.

Insbesondere gilt es beispielsweise das Deckband einer Turbinenlaufschaufel bzw. einer Turbinenleitschaufel oder aber auch die Oberfläche eines Wärmestausegmentes (heat shield) oder entsprechende, einen Dichtspalt begrenzende Oberflächenbereiche innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine mit einer keramischen Honigwabenstruktur möglichst flächendeckend innig fest zu verbinden, so dass nicht nur die keramische Honigwabenstruktur den überaus hohen Betriebstemperaturen von über 1000° C widerstehen kann, sondern insbesondere auch die Fügeverbindung, mit der die Honigwabenstruktur mit ihrem jeweiligen metallischen Untergrund verfügt ist. Als Fügetechnik eignet sich vorzugsweise eine Lötverbindung unter Verwendung sogenannter Aktivlote, beispielsweise sei in diesem Zusammenhang AM 900 + NiTi25 genannt, doch eignen sich auch weitere, in der Literatur bekannte Aktivlote, die Metall-Keramikverbindungen ermöglichen.

Die üblicherweise im Wege eines Extrudier-bzw. Strangpressverfahrens herstellbaren keramischen Honigwabenstrukturen mit üblicherweise Wandstärken von Zehntel Millimetern und darunter können bevorzugt als keramische Honigwabenplatten gefertigt werden, mit einer Plattendicke im Millimeterbereich bis mehrere zehn Millimeter. Derartige Honigwabenplatten können durch geeignete formgebende Verfahren an die jeweilige, individuelle Form des Flächenabschnittes beispielsweise auf das Deckband einer Lauf-oder Leitschaufel zugeschnitten werden. Neben der nahezu beliebigen Ausgestaltungsmöglichkeit bezüglich der Dicke und Form der Honigwabenstruktur verfügt das keramische Material je nach Herstellungsprozess über eine gewünschte Porosität und Dichte, wodurch die Abreibbarkeit (abradability) sowie ihre Abschleifwirkung (abrasivness) in weiten Bereichen variabel eingestellt werden kann. Je nach Einsatzzweck lässt sich somit die aus keramischen Material gefertigte Honigwabenstruktur als abrasives Element oder als abreibbare Materialschicht ausführen.

Besonders bevorzugte keramische Materialien stellen in diesem Zusammenhang reaktionsgebundenes Siliziumnitrit oder Siliziumcarbid dar. Selbstverständlich können auch weitere, literaturbekannte keramische Materialverbindungen, die zur Herstellung vorstehend genannter Honigwabenstrukturen geeignet sind und darüber hinaus über eine Oxidationsbeständigkeit auch bei Temperaturen von über 1000° C aufweisen, verwendet werden.

Neben der bereits vorstehend genannten Möglichkeit der Verbindung der keramischen Wabenstruktur mit Hilfe von Aktivloten ist es vorzugsweise auch möglich, zwischen dem jeweiligen metallischen Flächenabschnitt und der keramischen Honigwabenstruktur eine elastisch oder plastisch verformbare Zwischenschicht vorzusehen, die zudem zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften zwischen dem metallischen Flächenabschnitt und der keramischen Honigwabenstruktur dient. Besonders geeignet sind hierzu Schichten bestehend aus MCrAIY, die im Wege der Flammspritztechnik mit einer gewünschten Porosität und Dichte, je nach eingestelltem Spritzparameter, direkt auf den metallischen Flächenabschnitt der jeweiligen Komponente der Strömungsrotationsmaschine aufgetragen werden kann.

Auch eignen sich Sintermetalle oder geeignet gewählte Metallschäume als entsprechende Zwischenschichten. Die Verbindung zwischen der aus keramischem Material bestehenden Honigwabenstruktur und der Zwischenschicht erfolgt ebenfalls mit Hilfe geeigneter Löt-bzw. Schweisstechniken, vorzugsweise unter Verwendung von Aktivloten.

Aufgrund der komfortablen Verarbeitungsmöglichkeit der mit Hilfe aus der Katalysatortechnik bekannten Herstellverfahren gewonnenen keramischen Honigwabenstruktur kann diese in beliebige flächige Segmente unterteilt und mosaikartig auf einen zu belegenden Flächenabschnitt zusammengefügt werden.

Hierzu dienen vorzugsweise mechanische Befestigungsmittel, wie sie beispielsweise aus der in der Raumfahrt bekannten Kacheltechnik bekannt sind. Auch ist die Verwendung hochtemperaturbeständiger Adhäsivklebemittel als Fügemittel denkbar.

Um die thermische Belastbarkeit vorstehend genannter keramischer Honigwabenstrukturen im Einsatz als Dichtungsstrukturen innerhalb von Strömungsrotationsmaschinen weiter zu verbessern, sind vorzugsweise die mit den Honigwabenstrukturen verbundenen stationären oder rotierenden Komponenten mit Kühlkanälen durchsetzt, die an der Oberfläche des Flächenabschnittes enden, auf dem sich die entsprechende keramische Honigwabenstruktur befindet. Sieht man, wie vorstehend bereits erläutert, zwischen dem metallischen Flächenabschnitt und der keramischen Honigwabenstruktur eine vorzugsweise poröse Zwischenschicht vor, so vermag diese die von Seiten der Komponente aus dem Kühlkanal austretende Kühlluft aufgrund ihrer porösen Schichtstruktur flächig zu verteilen, so dass eine Vielzahl angrenzender, kanalartig ausgebildeter Honigwabenkörper mit Kühlluft versorgt werden kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 photographische Darstellung einer aus keramischem Material gefertigten Honigwabenstruktur, Fig. 2 photographische Darstellung einer Honigwabenstruktur auf einer Laufschaufel, Fig. 3 photographische Darstellung einer Honigwabenstruktur auf dem Deckband einer Leitschaufel, Fig. 4 schematische Darstellung einer Honigwabenstruktur, Fig. 5,6 schematisierter Querschnitt durch eine mit einer Honigwabenstruktur versehene, rotierende oder stationäre Komponente mit Kühlkanälen, und Fig. 7 segmentierte Honigwabenstrukturen mit mechanischen Befestigungshilfen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit In Fig. 1 ist eine photographische Abbildung einer flächig ausgebildeten keramischen Honigwabenstruktur 1 dargestellt, die typischerweise eine Honigwabenstrukturdicke d zwischen 3 und 15 mm aufweist. Die keramische Honigwabenstruktur 1 ist im Wege eines an sich bekannten Extrudier-bzw. Strangpressverfahren aus Siliziumnitrit hergestellt und mit Hilfe eines geeigneten Schnittverfahrens in eine plattenförmige Form überführt worden. Sowohl die Dicke d als auch die äußere Form der Honigwabenstruktur lassen sich nahezu beliebig wählen, um sie beispielsweise mit der Deckfläche 3 einer Turbinenlaufschaufel 2 gemäß Fig. 2 zu verbinden.

Hierbei weist die Honigwabenstruktur 1 eine profilförmige Kontur auf, die bündig am Ende der Turbinenlaufschaufel 2 mittels Lötverbindung unter Verwendung eines Aktiviotes mit der Laufschaufel fest und innig verbunden ist.

Fig. 3 zeigt eine auf dem Deckband einer Turbinenleitschaufel 4 verfügten Honigwabenstruktur 1, die in diesem Falle einen quadratischen Umriss aufweist.

In Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung durch eine rotierende oder stationäre Komponente 5 (die sowohl als"heatshield", Leitschaufel oder Laufschaufel ausgebildet sein kann) dargestellt, auf deren Flächenabschnitt 6, der der Oberfläche eines Deckbandes entspricht, eine Zwischenschicht 7, vorzugsweise bestehend aus einem porösen MCrAIY-Material aufgebracht ist. Auf der Zwischenschicht 7 befindet sich die aus keramischem Material gefertigte Honigwabenstruktur 1, die im übrigen mit Hilfe einer Aktiviot-Verbindung mit der Zwischenschicht 7 verfügt ist. Mittig im Inneren der Komponente 5 sind Kühlkanäle 8 vorgesehen, die für eine Kühlluftzufuhr an der Unterseite der Zwischenschicht 7 sorgen, die aufgrund ihrer Porosität die Kühlluft möglichst lokal flächig verteilt an die aus keramischem Material gefertigte Honigwabenstruktur 1 weiterleitet. Auf diese Weise wird die Honigwabenstruktur 1 wirkungsvoll gekühlt, wodurch die Temperaturbeständigkeit bzw.

Oxidationsbeständigkeit der Honigwabenstruktur 1 weiter verbessert wird.

Ferner dient die Zwischenschicht 7 aufgrund ihrer innewohnenden Porosität und der damit bedingten Eigenelastizität als Kompensationsschicht gegenüber dem Auftreten innerer mechanischer Spannungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungseigenschaften sowohl der aus Metall gefertigten Komponente 5 als auch der aus keramischem Material gefertigten Honigwabenstruktur 1 herrühren.

Alternativ zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die in Fig. 5 abgebildete Komponente 5 eine feingliedrig strukturierte Oberfläche 6 auf, auf der die Honigwabenstruktur 1 direkt aufliegt und mit dieser verfügt ist. Etwaige unterschiedliche Materialausdehnungserscheinungen vermag die feingliedrige Strukturierung aufzunehmen, ohne dabei mechanische Materialverspannungen, insbesondere innerhalb der Honigwabenstruktur 1, hervorzurufen. Auch die feingliedrigen Strukturen auf dem Flächenabschnitt 6 der Komponente 5 vermögen die über Kühlluftkanäle 8 zugeführte Kühlluft lokal großflächig unter der Honigwabenstruktur 1 zu verteilen, um diese wirkungsvoll zu kühlen.

Schließlich ist in Fig. 6 eine Draufsicht auf segmentierte Honigwabenstrukturen 1 dargestellt, die über mechanische Befestigungshilfen 9 mit dem Flächenabschnitt, auf dem die segmentierten Honigwabenstrukturen 1 aufliegen, verbunden sind. Die Verbindungsweise ist der aus der Weltraumtechnik bekannten Kacheltechnik entliehen, durch die die einzelnen segmentierten Honigwabenstrukturen relativ beweglich zueinander mit dem entsprechenden Flächenabschnitt verfügt sind.

In Figur 7 ist ein Querschnitt durch eine aus der Kacheltechnik bekannte Verbindungsstruktur zwischen einer segmentierten Honigwabenstruktur 1 und der Oberfläche 6 einer Komponente 5 dargestellt. Mit Hilfe eines gewellten Befestigungsdrahtes 10, der in eine in der Honigwabenstruktur 1 vorgesehene Befestigungsnut eingreift, ist eine lösbar-feste Fügeverbindung zwischen der Honigwabenstruktur 1 und der Komponente 5 realisierbar.

Bezugszeichenliste 1 Honigwabenstruktur 2 Laufschaufel 3 Deckband 4 Leitschaufel 5 Stationäre oder rotierende Komponente 6 Flächenabschnitt, Oberfläche 7 Zwischenschicht 8 Kühlkanal 9 Mechanisches Befestigungsmittel 10 Befestigungsdraht