Experimentelle und numerische Untersuchungen des Einsatzes von Materialien mit definierten Durchlässigkeitsbeiwerten und deren Verteilung in aerostatisch wirkenden Gasdichtungen
Leckagen zwischen rotierenden und stationären Teilen in Turbomaschinen haben einen relativ großen Einfluss auf deren Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit. Die Nachfrage nach robusten und zuverlässigen Dichtungslösungen ist daher hoch. Den Stand der Technik stellen aerostatisch sowie aerodynamisch wirkende Gasdichtungen dar. Diese Dichtungstypen bilden einen im Betrieb ändernden Dichtspalt axial zur Rotorachse, wodurch eine mechanische Berührung zwischen den rotierenden (Gegenring) und den statischen Maschinenelementen (Gleitring) im Betrieb vermieden wird. Daher werden sie zu den axialen Dichtungstypen zugeordnet und als aktive Dichtungen bezeichnet. Sie werden verwendet, um große Leckagen sowie hohe Reibungsverluste zu vermeiden, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine erhöht wird und die gesamte Anlage effizienter betrieben werden kann. Aufgrund der aktuell erteilten Patente existieren gemäß dem aktuellen Kenntnisstand kaum frei verfügbare wissenschaftliche Erkenntnisse über die axial aerostatisch wirkenden Gasdichtungen.
Bei einer axial aerostatisch wirkenden Dichtung wird über mehrere Bohrungen, die auf dem Gleitring verteilt sind, ein unter Druck stehendes Gas zugeführt und dadurch ein Gaspolster zwischen Gleitring und dem korrespondierenden Gegenring erzeugt. Der entstandene Spalt zwischen Gleit- und Gegenring hat eine Ausdehnung von wenigen Mikrometern. Der Aufbau und die Funktionsweise einer axial aerostatisch wirkenden Dichtung ist sehr ähnlich zum Aufbau eines aerostatischen Luftlagers. Der Hauptunterschied zwischen einer aerostatisch wirkenden Dichtung und einem Luftlager besteht darin, dass das durchströmte Bauteil eines Luftlagers fest im Gehäuse montiert ist, während es in einer Dichtung frei beweglich gelagert ist. Durch die freie Lagerung kann sich das durchströmte Bauteil, der Gleitring, autonom entsprechend seines Kräftegleichgewichtes, seine Lage einstellen. Diese charakteristische Eigenschaft wirkt sich auf das Betriebsverhalten einer Dichtung positiv aus. Ein weiterer Unterschied stellt die Geometrie des durchströmten Bauteils dar. In der Literatur ist beschrieben, dass die Verwendung von Luftlagern mit flächenverteilten durchlässigen Materialien die Druckverteilung im Spalt hinsichtlich seiner Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften im Vergleich zu den Luftlagern mit wenigen Bohrungen verbessert. Somit werden flächenverteilte durchlässige Materialien vermehrt in Luftlager eingesetzt.
In dieser Arbeit wird erstmalig das druckabhängige Verhalten aerostatisch wirkender Gasdichtungen unter Verwendung durchlässiger Materialien mit definierter Durchlässigkeitsverteilung und definierten Durchlässigkeitsbeiwerten numerisch sowie experimentell untersucht. Zur Validierung der numerisch ermittelten Ergebnisse wird ein Prüfstand konstruiert, gefertigt und aufgebaut. Dazu werden für die Untersuchungen verschiedene durchlässige Gleitringe entworfen und hergestellt. Die Herstellung der in den Gleitringen implementierten definierten Durchlässigkeitsbeiwerten erfolgt mittels additiver Fertigungsverfahren (laserbasierte Pulverbettfusion von Metallen). Dabei werden Gleitringe mit einer radial gleichmäßigen sowie ungleichmäßigen flächenverteilten Durchlässigkeitsbeiwert hergestellt.
Nach der Validierung ist es möglich, typische Eigenschaften von aerostatisch wirkenden Gasdichtungen mit durchlässigen Gleitringen, wie die Spalthöhe und die auftretende Leckage, in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit der Gleitringe und dem Versorgungsdruck vorherzusagen. Für die Vorhersage werden vorab die Druckverteilungen im Spalt, die resultierenden Kräfte, die durch die Drücke erzeugt werden, sowie deren Angriffspunkte berechnet.
Weiterhin wird gezeigt, dass das Berechnungsverfahren nicht nur auf den stationären Fall anwendbar ist, sondern auch auf den dynamischen Betriebsfall mit einem rotierenden Gleitring.
Die anschließende Untersuchung verschiedener Gleitringe bezieht sich auf die folgenden Einflüsse:
- Form des Gleitringes
- Einfluss der Verteilung des Durchlässigkeitsbeiwerts
- Einsatz verschiedener Gase
- Einfluss des Versorgungsdruckes
- Änderung der anliegenden Drücke an den Rändern
Mit den dargestellten Ergebnissen wird die Auslegung einer aerostatisch wirkenden Gasdichtung mit durchlässigem Gleitring nach deren Einsatzgebiet und Funktion ermöglicht.
Leakage between rotating and stationary parts in turbomachinery has a strong impact on performance and reliability. The demand for robust and reliable sealing solutions is therefore high. Aerostatic and aerodynamic acting gas seals are used to avoid high leakage rates and high friction losses, which increases the efficiency of the entire system. These types of seals form their sealing gap, which changes during operation, axially to the rotor axis, which prevents mechanical contact between the rotating (rotating ring) and the static machine elements (stationary ring) during operation. They are therefore assigned to the axial seal types and are referred to as active seals. Currently, due to the patent situation there is hardly any freely available scientific knowledge about aerostatic acting gas seals.
In general, an aerostatic acting seal is pressurized through several bores distributed across the stationary ring. This creates a gap of a few micrometres between the stationary ring and the rotating ring. This process is very similar to that of an air bearing. The main difference between an aerostatic acting seal and an air bearing is that the permeable layer of an air bearing is fixed in the housing, whereas it is freely movable in a gas seal and thus adjusts itself autonomously with regard to its force balance. These characteristic properties have a positive effect on the overall operating behaviour of a seal. Past publications on this topic show that the use of permeable materials with distributed permeabilities, gives an improved pressure profile in the gap enhancing its damping and stiffness properties, when compared to bearings with a few bores in the stationary ring.
In this thesis, an aerostatic acting gas seal with a permeable distribution, which has not yet been considered in science, is numerically investigated. A test bench is designed, manufactured and set up to validate the numerical calculation. In addition, permeable stationary rings are designed and manufactured to experimentally validate the existing calculation program. Here, by means of the additive manufacturing process (Laser-Powder-Bed-Fusion-Processes), permeable stationary rings with defined permeability coefficients distributions are produced.
After validation, it is possible to predict typical properties of aerostatic acting gas seals with permeable seal rings, such as the gap height and the leakage depending on the permeability of the seal rings and the supply pressure. For this prediction, the pressure distributions in the gap, the resulting forces that are generated by the pressures and their points of application are calculated in advance.
It is also shown that the calculation can be applied not only to the stationary case, but also to the dynamic operating case with a rotating ring.
The subsequent investigation of various stationary rings relates to the following influences:
- Shape of the stationary ring
- Influence of the permeability coefficient distribution
- Use of different gases
- Influence of the supply pressure
- Change in the pressures applied at the edges
With the results presented, it is possible to design an aerostatic acting gas seal with a permeable stationary ring according to its area of application and function.