Impact of material combinations and the degree of contamination by foreign substances on the rubbing and leakage behaviour of brush seals

Neben der Steigerung der thermodynamsichen Kenngrößen, wie der Turbineneintrittstemperatur und dem Verdichterdruckverhältnis, lässt sich insbesondere durch die Verringerung der Verluste im Sekundärluftsystem die Effizienz von Turbomaschinen deutlich steigern. Zur Verringerung dieser Verluste ist die Weiterentwicklung der Dichtsysteme von entscheidender Bedeutung. Eine Möglichkeit besteht im Einsatz von Bürstendichtungen als Ersatz für konventionelle Labyrinthdichtungen. Ihr wertvollster Vorteil gegenüber anderen Dichtungskonzepten ist der sehr kleine Spalt zwischen Dichtungspaket und Rotor und damit ein reduzierter Leckagemassenstrom. ... mehrDieser kleine Spalt kann durch die große radiale Flexibilität der Borsten erreicht werden, ohne dass die Gefahr einer sofortigen Zerstörung der Dichtungs- bzw. Rotorstruktur durch das Anstreifen besteht. Das Anstreifen zwischen Rotor und Dichtung während des Betriebs kann z.B. durch eine ungleichmäßige thermische Ausdehnung von Rotor und Stator oder eine Rotorverlängerung durch Fliehkräfte oder Manöverkräfte entstehen. Dank der flexible Struktur der Bürstendichtung werden die Kontaktkräfte während eines Reibvorgangs reduziert, wobei der Reibungswärmeeintrag noch immer beträchtlich sein kann. Insbesondere bei Flugzeugtriebwerken mit ihren dünnen und leichten Rotorstrukturen können die zulässigen Materialspannungen durch eine erhöhte Wärmeeinbringung leicht überschritten werden und damit die Integrität des Triebwerks beeinträchtigen.
Die Materialpaarung und der Zustand der Dichtung haben dabei einen entscheidenden Einfluss auf die entstehenden Kontaktkräfte und somit den Wärmeeintrag. Die komplexen Zusammenhänge zwischen den tribologischen Parametern der Dichtung und dem Wärmeeintrag sowie den Leckageeigenschaften sind noch nicht vollständig verstanden.
Diese Arbeit ist ein Beitrag zum weiteren Verständnis des Einflusses der Materialparameter und Verschmutzungsgrade der Bürstendichtung auf die Wärmezufuhr und die Leckage beim Anstreifen der Dichtung am Rotor. In diesem Bericht wird der Einfluss einer Rotorbeschichtung aus Wolframcarbid gegenüber einem unbeschichteten Rotor aus Inconel 718 untersucht. Die experimentellen Tests wurden mit dem Bürstendichtungsprüfstand des Instituts für Thermische Turbomaschinen (ITS) unter maschinenrelevanten Bedingungen durchgeführt. Diese Anstreifversuche wurden unter Variation des Differenzdrucks (1,0 - 4,0 bar), der Überdeckung (0,1 - 0,4 mm) und der Umfangsgeschwindigkeit (30 - 200 m/s) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Beschichtung einen großen Einfluss auf die Gesamtverlustleistung und auch auf die Verteilung der Wärmeströme im Reibkontakt hat.

Zusätzlich zu den Anstreifversuchen wurde das Einschleifverhalten einer Bürstendichtung experimentell betrachtet. Die Gesamtversuchsdauer der hierfür durchgeführten Langzeittests beträgt ca. 100 h. Ziel dieses Versuches ist es die Zeit zu bestimmen, zu der die Dichtung komplett eingeschliffen ist und kein weiterer Verschleiß mehr auftritt. Die Messungen ergaben, dass zu Beginn der Messungen die höchsten Verschleißraten auftraten und nach ca. 40h kein weiterer signifikanter Verschleiß mehr auftratt.

In addition to increasing the thermodynamic parameters, such as the turbine inlet temperature and the compressor pressure ratio, the efficiency of turbomachinery can be significantly increased by reducing losses in the secondary air system. In order to reduce these losses, the further development of sealing systems is of decisive importance. One possibility is the use of brush seals as a replacement for conventional labyrinth seals. Their most valuable advantage over other sealing concepts is the very small gap between the sealing package and the rotor
and thus a reduced leakage mass flow. ... mehrThis small gap can be achieved due to the great radial flexibility of the bristles without running the risk of severe detrimental deterioration in case of rubbing. Rubbing between rotor and seal during operation might occur as a result of e.g. an unequal thermal expansion of the rotor and stator or a rotor elongation due to centrifugal forces or manoeuvre forces. Thanks to the flexible structure of the brush seal the contact forces during a rubbing event are reduced, however the frictional heat input can still be considerable. Particularly in aircraft engines with their thin and lightweight rotor structures the permissible material stresses can easily be exceeded by an increased heat input and thus harm the engine’s integrity.
The material combination and the condition of the seal have a decisive influence on the resulting contact forces and thus on the heat input. The complex relationships between the tribological parameters of the seal and the heat input as well as the leakage properties are not yet fully understood.
This work is a contribution to further understand the influence of the material parameters and degrees of contamination of brush seal on the heat input and the leakage during the rubbing of the seal on the rotor. This report examines the influence of a tungsten carbide rotor coating compared to an uncoated Inconel 718 rotor. The experimental tests were carried out on the brush seal test rig of the Institute of Thermal Turbomachinery (ITS) under machine-relevant conditions. These rubbing tests were carried out varying the differential pressure (1.0 - 4.0 bar), the interference (0.1 - 0.4 mm) and the circumferential velocity (30 - 200 m/s). It could be shown that the coating has a large influence on the total power loss and also on the distribution of the heat flows in the friction contact.
In addition to the rubbing tests, the wear-in behaviour of a brush seal was examined experimentally. The total test duration of the long-term tests carried out for this purpose is approx. 100 h. The aim of this test is to determine the time at which the seal is completely worn in and no further wear occurs. The measurements showed that at the beginning of the measurements the highest wear rates occurred and after approx. 40h no further significant wear was noticed.