In modernen Turbomotoren bilden Dichtringe den entscheidenden Schutz zwischen extremer Verbrennungsenergie und mechanischer Integrität. An kritischen Schnittstellen der Turbinenwelle positioniert, widerstehen diese Miniaturbauteile folgenden Belastungen:
- 950°C Abgase
- 180.000 U/min Zentrifugalkräfte
- **>3 bar pulsierende Druckdifferenzen**
Ein Versagen kann zu Ölverkokung, Ladedruckverlusten oder katastrophalem Lagerschaden führen – daher ist Innovation bei der Dichtungstechnik von größter Bedeutung.
I. Die Dichtungsdreifaltigkeit: Funktionen und Ausfallarten
Dreifache Funktionen und Versagensgrenzen von Turbodichtungen
| Funktion | Standort | Folgen eines Fehlers |
|---|---|---|
| Öleindämmung | Wellenzapfen für Kompressor/Turbine | Öleintritt in den Abgastrakt → blaue Rauchentwicklung, Katalysatorvergiftung |
| Ladedrucksperre | Kompressor-Rückplatte | Leistungsverlust, verzögertes Ansprechverhalten des Turboladers (z. B. >15 % Ladedruckabfall) |
| Abgasisolierung | Schnittstelle zwischen Turbinengehäuse | Heißgasleckage → Verkokung des Lageröls |
II. Materialentwicklung: Von Graphit zu fortschrittlichen FKM/PTFE-Hybriden
Materialentwicklung: Triumph der Hochtemperaturpolymere
- Grenzen traditioneller Materialien
- Graphitbeschichtete StahlringeRissbildung bei Temperaturen über 750 °C aufgrund von Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten.
- Silikonkautschuk (VMQ): Verschlechtert sich im direkten Abgasstrom (Betriebsdauer < 500 h bei > 250 °C)
- Durchbrüche bei Fluorelastomeren
- Hochtemperatur-FKM(z. B. DuPont™ Viton® Extreme™): Hält Spitzentemperaturen von 300 °C stand, hervorragende Ölbeständigkeit.
- PTFE-Verbundwerkstoffe: Kohlenstofffaser-/Graphit-Füllstoffe → 40 % niedrigerer Reibungskoeffizient, verbesserte Verschleißfestigkeit (z. B. Saint-Gobain NORGLIDE® HP).
- Mehrlagige Dichtungsringe: Stahlskelett + FKM-Dichtlippe + PTFE-Reibfläche → vereint dynamische und statische Abdichtung.
III. Gestaltungsherausforderungen: Der Tanz zwischen Rotation und Stasis
Konstruktionsherausforderungen: Präziser Ausgleich an dynamisch-statischen Schnittstellen
- Labyrinth aus Wärmeausdehnung: Unterschiedliche Ausdehnung zwischen Turbinenwelle (Stahl) und Gehäuse (Gusseisen) bis zu 0,3 mm → erfordert radiale Nachgiebigkeit.
- Mikrometer-Level-FreigabekontrolleDie ideale Ölfilmdicke beträgt 3-8 μm. Ein zu geringer Film führt zu Trockenreibung; ein zu großer Film verursacht Ölaustritt.
- UmkehrdruckfalleUnzureichender Kompressorgegendruck bei niedrigen Drehzahlen → erfordert federunterstützte Lippenexpansion (z. B. Wave-Spring-Design).
IV. Zukunftsperspektiven: Intelligente Dichtungen und Materialrevolution
Zukunftstechnologien: Integrierte Sensorik und Ultrahochtemperaturmaterialien
- Eingebettete Sensoren: RFID-Tags zur Überwachung von Dichtungstemperatur/Verschleiß → ermöglichen vorausschauende Wartung.
- Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe (CMC): Hält Temperaturen von über 1000°C stand (z. B. SiC/SiC) und wird in Magerverbrennungsturbinen der nächsten Generation eingesetzt.
- Aktive Luftfilmdichtungen: Nutzung des Ladedrucks zur Bildung dynamischer Gasbarrieren → nahezu reibungsfrei (z. B. BorgWarner eTurbo™-Konzept).
Veröffentlichungsdatum: 19. Juni 2025