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Abradable seal coatings and claddings for compressor applications

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Konstruktionen von Flugzeugturbinen mit speziellen Beschichtungen

Während des SEAL-COAT-Projekts wurde eine theoretische Herangehensweise zur Untersuchung von speziellen Beschichtungen, sogenannten Einlaufbelägen, die in die Gehäuse von Gasturbinen eingearbeitet sind, initiiert. Hierdurch sollte die Möglichkeit erarbeitet werden, Empfehlungen zu konstruktiven Verbesserungen aussprechen zu können.

Industrielle Technologien

Eine erhöhte Laufleistung im Bereich des Lufttransports zusammen mit der wachsenden Anforderung nach einer Reduzierung der Abgasemissionen stellt hohe Ansprüche an die Effizienz moderner Turbinentriebwerken dar. Im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte konnten konstruktive Verbesserungen wie eine optimierte aerodynamische Bauweise und ein gesteigertes Nebenstromverhältnis erreicht werden, die zu einer Reduzierung des Verbrauchs geführt haben. Weitere Verbesserungen der Effizienz erhofft man sich durch die Minimierung des Abstands zwischen den rotierenden Turbinenschaufeln und dem Gehäuse der Turbine. Im Rahmen des SEAL-COAT-Projekts konzentrierten sich die Forscher auf spezielle Einlaufbeläge, die es der Spitze der Turbinenschaufel erlauben, ohne jegliche Verschleißerscheinung in das Material dieser Beläge einzudringen. Hierdurch wird der optimale Abstand zum Gehäuse von den Turbinenschaufeln selbst hergestellt, wodurch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads durch ein Herausströmen der Luft aus dem Verdichter durch den Spalt zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und dem Gehäuse wirksamer verhindert werden kann. Diese speziellen Einlaufbeläge werden unter Verwendung von verschlissenen Proben, die mit einer Prototypenschaufel bei einer definierten Umdrehungszahl und Eindringtiefe in Kontakt gebracht wurden, validiert. Umfangreichere Untersuchungen des Einflusses der Eigenschaften dieser Einlaufbeläge und der Bedingungen während der Versuche im Prüfstand auf die Leistungsfähigkeit der Einlaufbeläge wurden mithilfe von speziellen Programmcodes durchgeführt. Hierfür wurde von den Projektpartnern an der Technischen Universität von Belfort Montbeliard (Frankreich) ein weit verbreitetes Programm zur Finiten-Elemente-Simulation mit dem Namen ANSYS verwendet. Spezielle Target- und Kontaktelemente wurden bei der Modellierung des Kontakts zwischen der Spitze der Turbinenschaufel und dem Einlaufbelag verwendet, um die Wärmeentwicklung als Ergebnis der Reibung abschätzen zu können. Ein wichtiger Aspekt bei den Berechnungen waren die Eingabedaten für den Einlaufbelag. Diese umfassten mehr als lediglich ihre elastischen Eigenschaften zur Kopplung der mechanischen und thermischen Analysen. Die veränderte Beschaffenheit von Beschichtungen, die durch das thermische Spritzen hergestellt wurden, stellten eine weitere Schwierigkeit dar, die überwunden werden musste. Experimentelle Messungen wurden durchgeführt um die Ergebnisse der Simulationen in jedem einzelnen untersuchten Fall zu validieren, bevor ein verlässlicher Ausgangspunkt zur Verbesserung der Konstruktion von Turbinenbauteilen mit speziellen Beschichtungen bestimmt werden konnte.

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