Optimierung adaptiver Dichtsysteme

Das Sekundärluftsystem in modernen Gas- und Dampfturbinen ist mit nahezu allen Komponenten eng vernetzt und beeinflusst den Maschinenwirkungsgrad maßgeblich. Mit Hilfe hocheffizienter Kühl- und Dichtkonzepte können die maximalen Turbineneintrittstemperaturen und Druckverhältnisse weiter gesteigert werden. Aus diesem Grund werden am Institut für Thermische Strömungsmaschinen adaptive Dichtsysteme experimentell^[1],[2] und numerisch^[3] untersucht. Experimentelle Untersuchungen bilden die Basis für das Verständnis des charakteristischen Betriebsverhaltens von Dichtsystemen in Turbomaschinen. In Ergänzung liefern numerische Simulationen einen tieferen Einblick in die aerodynamischen Effekte und tragen maßgeblich zum Verständnis des Gesamtbetriebsverhaltens bei. Durch die Kombination von Experiment und Simulation entsteht ein physikalisch validierter Digitaler Zwilling mit dem das Betriebsverhalten vorhergesagt und der Auslegungsprozess von Dichtsystemen verbessert werden kann.

Am Prüfstand für Adaptive Dichtungen werden die Dichtsysteme experimentell untersucht. Mit der hochpräzisen Messtechnik können Dichtspalte von 0,05 – 10 mm hochdynamisch erfasst werden. Die Daten ermöglichen es neben dem stationären auch das transiente Verhalten von adaptiven Dichtungen, zum Beispiel bei Unwucht-erregten Schwingungen, zu verstehen. In Kombination mit den variablen Randbedingungen (Drehzahl, Drücke oder Vordrall) können unterschiedlichste Betriebsbedingungen umfassend untersucht werden.

Ziele im Forschungsbereich

• Untersuchung neuartiger statischer und dynamischer Dichtsysteme
• Beschreibung des stationären und transienten Betriebsverhaltens 
• Weiterentwicklung und Adaption der Messtechnik zur hochpräzisen dynamischen Erfassung des Dichtspalts
• Validierung und Weiterentwicklung von Berechnungsmethoden zur Auslegung von Dichtsystemen

Betriebsverhalten adaptiver Dichtungen

Konventionelle Labyrinthdichtungen werden für eine bestimmte Spaltweite ausgelegt. Im Betrieb ergeben sich durch relative Verformungen zwischen Gehäuse und Rotor jedoch abhängig vom Betrieb der Maschine unterschiedliche Dichtspaltweiten. Mit steigender Spaltweite steigt die Leckage und bei reduzierter Spaltweite wird die Leckage vermindert. In den Extremfällen strömt entweder zu viel Luft durch die Dichtung oder zu wenig. Insbesondere dort wo Labyrinthdichtungen den Kühlluftmassenstrom regulieren, kann eine zu geringe Leckage zum Einbruch der Kühlung und letztlich zum Ausfall der Gesamtmaschine führen.

Adaptive Dichtungen zeichnen sich durch einen nahezu berührungsfreien und folglich verschleißarmen Betrieb aus. Ein typsicher Verlauf der Spaltweite s mit steigendem bzw. sinkendem Druckverhältnis  ist in folgender Abbildung (links) gezeigt. Die Ergebnisse aus Beermann et al. [2] zeigen den zunächst vergleichsweise großen Spalt bei kleinen Druckverhältnissen. Mit steigendem Verhältnis aus Vor- und Gegendruck nehmen die Spaltweiten ab und pendeln sich bei nahezu konstanten Werten (hier etwa 20 %) ein. Gleiches gilt auch für die Leckage. In der Abbildung rechts ist die äquivalente Spaltweite, ein Maß für die Dichtungsleckage, gezeigt. Der Verlauf entspricht qualitativ der Entwicklung der Spaltweite. Die Spaltweite bleibt bei gleichem Druckverhältnis konstant und ist unabhängig von einer Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Gehäuse. Das macht adaptive Dichtungen besonders interessant für den Einsatz in Turbomaschinen.

Transientes Verhalten adaptiver Dichtungen

In der Regel werden adaptive Dichtungen mit einem großen Einbauspalt s_inst konstruiert, um eine mögliche Berührung der Dichtung mit dem Rotor auszuschließen. Im Betrieb fährt die Dichtung, getrieben durch die anliegenden Drücke, selbstständig auf eine kleine Spaltweite s. Bei radial adaptiven Dichtungen liegt diese in der Regel bei etwa 20% des Einbauspalts. Für axial adaptive Dichtungen können deutlich geringere Werte unter 2% erreicht werden. Ein Beispiel für die transiente Spaltänderung ist in folgender Abbildung gezeigt. Die Grafik ist aus Beermann et al. [2] entnommen. Die Erfassung des transienten Betriebsverhaltens ermöglicht ein vertieftes Verständnis des Dichtsystems in kritischen Betriebszuständen und fördert die Weiterentwicklung der Auslesungswerkzeuge und Berechnungsmethoden.

Quellen:

[1] Beermann, L. S., Höfler, C. und Bauer, H.-J. (2015). „Design of a High-Speed Rotating Test Rig for  Adaptive Seal Systems“. In: ASME Turbo Expo 2015: Turbomachinery Technical Conference and Exposition . American Society of Mechanical Engineers.

[2] Beermann, L. S.; Wilhelm, J.; Höfler, C.; Bauer, H.-J. (2018). „Experimental Investigation of the Sealing Performance of a New Adaptive Seal System”. Proceedings of GPPS Forum 18, Zurich, CH, January 10-12, 2018, Paper 005

[3] Beermann, L., Wilhelm, J., and Bauer, H. (2019). "Measurements and Modeling of the Movement Behavior of a Radial Adaptive Seal." ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. November 2019; 141(11): 111011. https://doi.org/10.1115/1.4044970