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Die
Erfindung betrifft ein Triebwerk mit einem Stator und einem in dem
Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei zwischen dem Stator und dem
Rotor eine Dichtungseinrichtung vorgesehen ist.
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Derartige
Triebwerke sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Die Dichtungseinrichtung
ist bei diesen Triebwerken typischerweise mehrteilig ausgebildet,
wobei ein erster Teil durch eine wabenförmige Dichtungsstruktur repräsentiert
wird, welche an der Innenseite des Stators peripher angeordnet ist.
Die Waben der Dichtungsstruktur sind dabei jeweils abschnittsweise
aus Stegen gebildet, wobei die Stege an der Innenseite des Stators
zumindest teilweise so ausgerichtet sind, dass sich ihre Längsachsen
in Umfangsrichtung erstrecken. Die Dichtungsstruktur ist typischerweise
auf einem Trägermaterial
ausgebildet und über
dieses Trägermaterial
an der Innenseite des Stators befestigt. Die Dichtungseinrichtung
umfasst weiterhin typischerweise eine Mehrzahl von Dichtfins, welche
der Dichtungsstruktur gegenüberliegend
an der Peripherie des Rotors angeordnet sind. Die Dichtfins können zum
Beispiel auf den dem Stator zugewandten freien Enden von Schaufelblättern des
Rotors befestigt sein. Zum Erzielen einer gewünschten Dichtwirkung zwischen
Stator und Rotor sind die Dichtfins an der Peripherie des Rotors
so ausgebildet, dass Sie insbesondere bei einer Rotation des Rotors
an der Dichtungsstruktur radial und/oder axial anstreifen.
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Das
Anstreifen führt
zu einer mechanischen und thermischen Belastung von sowohl der Dichtungsstruktur
wie auch den Dichtfins und aufgrund der beschriebenen Belastungen
zu unerwünschten
Schäden
sowohl an den Dichtfins wie auch an der Dichtungsstruktur.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein bekanntes Triebwerk dahingehend weiterzubilden, dass Schäden, welche
aufgrund des Anstreifens von Dichtfins an einer Dichtungsstruktur
entstehen, reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser
Gegenstand in Form eines Triebwerks ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Stege der Waben zumindest in dem Anstreifbereich so ausgerichtet
sind, dass die Längsachsen
der Stege nicht parallel zu der Umlaufrichtung des Rotors verlaufen.
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Der
Begriff "Umlaufrichtung
des Rotors" ist
unabhängig
von der Drehrichtung des Rotors, das heißt ob der Rotor im oder entgegen
dem Uhrzeigersinn rotiert, zu verstehen; mathematisch gesprochen
wird hier lediglich auf die Richtung, nicht aber auf die Orientierung
eines Vectors abgestellt. Der Begriff Umlaufrichtung kann im Rahmen
der vorliegenden Beschreibung auch als Umfangsrichtung interpretiert
werden.
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Die
beanspruchte Ausrichtung der Stege der Dichtungsstruktur bewirkt
vorteilhafterweise, dass die Kontaktlängen und -flächen sowie
die Zeiten, bei bzw. während
derer die Dichtfins insbesondere bei einer Rotation des Rotors in
Kontakt mit den Stegen treten, gegenüber einer Anordnung der Stege,
bei denen deren Längsachsen
parallel zur Umlaufrichtung des Rotors ausgerichtet sind, reduziert
werden. Durch diese Reduzierung der Kontaktlängen und -flächen verringert
sich automatisch auch die thermische und mechanische Belastung von
sowohl der wabenförmigen
Dichtungsstruktur wie auch der Dichtfins. Aufgrund der geringeren
Belastung können
Schäden
an sowohl der Dichtungsstruktur wie auch an den Fins vermieden werden,
wodurch Kosten eingespart werden können. Bei den Schäden an den
Dichtfins handelt es sich insbesondere um Anrisse oder Verschleiß.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Triebwerks sind
zumindest einzelne Stege der Dichtungsstruktur mit ihrer jeweiligen
Längsachse
in einem Winkel von 90° zu
der Umlaufrichtung ausgerichtet. Dann sind die Kontaktlängen und
-zeiten und damit auch die resultierenden Schäden minimal.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Dichtungsstruktur ist Gegenstand
eines Unteranspruchs.
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Der
Beschreibung sind insgesamt 5 Figuren beigefügt, wobei
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1 einen
Querschnitt durch ein Triebwerk;
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2 eine
Abwicklung einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Dichtungsstruktur bei radialem Anstreifvorgang;
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3 einen
axialen Anstreifvorgang;
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4 ein
Beispiel für
die Größenordnung
der Waben der Dichtungsstruktur; und
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5 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Reduzierung der Kontaktlängen bei
der erfindungsgemäß ausgebildeten
Dichtungsstruktur im Vergleich zu einer Dichtungsstruktur aus dem
Stand der Technik zeigt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Triebwerk 100.
Das Triebwerk umfasst einen Stator 110 und einen Rotor 120,
welcher in dem Stator 110 um die Triebwerksachse RA drehbar
gelagert ist. Zum Abdichten eines Spaltes zwischen dem Stator 110 und
dem Rotor 120 ist eine Dichtungseinrichtung 130 vorgesehen,
welche teilweise auf dem Stator 110 und teilweise auf dem
Rotor 120 ausgebildet ist. Auf der Innenseite des Stators 110 umfasst
die Dichtungseinrichtung 130 zunächst ein Trägermaterial 132, auf
welchem, dem Rotor 120 zugewandt, eine wabenförmige Dichtungsstruktur
aufgebracht ist. Diese wabenförmige Dichtungsstruktur 134 ist über den
Umfang des Stators 120 auf dessen Innenseite verteilt angeordnet.
Auf Seiten des Rotors 120 umfasst die Dichtungsstruktur 130 Dichtfins 136,
welche stellenweise an der Peripherie des Rotors, zum Beispiel an
den freien Enden von Schaufeln des Rotors 120 bzw. des
Triebwerks angeordnet sind. Insbesondere bei einer Rotation des
Rotors 120 streifen diese Dichtfins 136 radial,
das heißt
in r-Richtung und/oder axial, das heißt x-Richtung an der Dichtungsstruktur 134 an.
Das Anstreifen hat eine mechanische und thermische Belastung von
sowohl der Dichtungsstruktur 134 wie auch der Dichtfins 136 zur
Folge.
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In 2 ist
das radiale Anstreifen durch eine Darstellung des Schnittes II-II
aus 1 veranschaulicht. Es ist eine Abwicklung der
wabenförmigen
Dichtstruktur 134 entlang des Umfanges des Stators gezeigt.
Hier sind die einzelnen Waben W der Dichtungsstruktur 134 mit
ihren Stegen S zu erkennen. Es ist weiterhin zu erkennen, dass einzelne
Stege zweier benachbarter Waben parallel verlaufen und zusammen
einen Doppelsteg DS ausbilden. Es ist weiterhin ein Anstreifbereich
A zu erkennen; dieser repräsentiert
die Fläche,
welche bei einer Rotation des Rotors 120 von der Dichtfin 136 radial
angestreift wird. Wichtig ist, dass die Stege S, inklusive der Doppelstege
DS, gemäß der erfindungsgemäßen Ausrichtung,
wie sie in 2 dargestellt ist, mit ihren
Längsachsen
L nicht parallel zur Umlaufrichtung U des Rotors verlaufen. Zn 2 ist
sogar eine besonders vorteilhafte Ausrichtung der Stege gezeigt,
wobei die Längsachsen der
Doppelstege DS in einem Winkel von 90°, das heißt quer zu der Umlaufrichtung
U, verlaufen. Diese spezielle Ausrichtung reduziert Vorteilhafterweise
die Kontaktlängen
der Dichtfins 136 mit der Dichtungsstruktur 134,
das heißt
genauer gesagt hier beispielhaft mit den Doppelstegen DS, auf ein
Minimum. Mit der minimalen Kontaktlänge geht vorteilhafterweise ein
minimaler Schaden an der Dichtungsstruktur 134 und an den
Dichtfins 136 und damit ein minimaler Kostenaufwand für eventuelle
Reparaturen einher.
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Neben
der in 2 veranschaulichten radialen Anstreifung ist auch
eine axiale Anstreifung der Dichtfins 136 in x-Richtung
an die wabenförmige
Dichtungsstruktur 134 denkbar. Der dazugehörige Anstreifbereich ist
in 3 mit dem Bezugszeichen A bezeichnet. Auch in
diesem Fall ist die beanspruchte Ausrichtung der Stege S der Waben
W der Dichtungsstruktur nicht parallel zur Umlaufrichtung vorteilhaft,
weil diese Ausrichtung auch in diesem Fall die Kontaktlänge und
damit die auftretenden Schäden
reduziert.
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Anhand
der 4 und 5 wird nachfolgend die Reduktion
der Kontaktlänge
bei einer Ausrichtung der Doppelstege DS quer zur Umlaufrichtung
U im Vergleich zu einer Ausrichtung der Doppelstege parallel zur Umlaufrichtung
U beispielhaft berechnet und veranschaulicht.
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Die
Berechnung erfolgt auf Basis der in 4 gezeigten
Dichtungsstruktur mit den dort angegebenen Maßen für die Waben. Beispielhaft wird
davon ausgegangen, dass die Dichtungsstruktur 134 lediglich
aus gleichförmigen
Waben besteht, deren lichte innere Weite jeweils 1,588 mm und deren
lichte äußere Weite
beziehungsweise Zellgröße jeweils
1,842 mm beträgt.
Die Breite beziehungsweise Wanddicke der Stege der Waben beträgt jeweils
0,127 mm. Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass der innere Umfang
des Stators 110, an welchem die Dichtungsstruktur 134 in
Umfangsrichtung bzw. in Umlaufrichtung des Rotors verteilt angeordnet
ist, konstant ist. Dies bedeutet, dass ein Dichtfin 136,
welches bei traditioneller Ausrichtung der Doppelstege DS, insgesamt
1842 Wabeneinheiten mit jeweils einer Wabe und einem benachbarten
Doppelsteg DS in Umlaufrichtung anstreifen muss, um eine Umdrehung
zu realisieren. Eine Wabeneinheit hat bei dem in 4 gezeigten
Beispiel eine Breite Xw von 2,897 mm. Demgegenüber muss das Dichtfin 136 bei
erfindungsgemäßer Ausrichtung
der Stege der Waben und Umlauf in Umlaufrichtung U, insgesamt 2897
benachbarte Waben passieren, welche jeweils benachbart angeordnet
sind, um die gleiche Umfangslänge 1x anzustreifen.
Die Waben haben bei dem in 4 gezeigten
Beispiel jeweils die oben erwähnte
Zellgröße von 1,842
mm.
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In
der nachfolgenden Tabelle Tab. 1 sind die resultierenden Kontaktlängen bei
einem Anstreifen in y-Richtung für
Waben mit unterschiedlicher äußeren lichten
Weite kumulativ für
insgesamt 1842 während
einer Umdrehung angestreifter Waben berechnet.
Tab.
1
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Aus
dieser Tabelle Tab. 1 geht hervor, dass die maximale Kontaktlänge bei
einem Anstreifen in y-Richtung für
das genannte Beispiel 2228,820 mm beträgt.
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Demgegenüber ist
in der nachfolgenden Tabelle Tab. 2 die maximale Kontaktlänge für insgesamt
2897 pro Umdrehung anzustreifender Waben bei einer maximalen Größe einer
Wabeneinheit Xw von 2,897 mm, kumulativ berechnet.
Tab.
2
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Aus
Tabelle Tab. 2 geht hervor, dass die maximale Kontaktlänge bei
einem Anstreifen in x-Richtung bei dem in 4 gezeigten
Zahlenbeispiel 1471,676 mm beträgt.
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Das
Anstreifen in x-Richtung ist vergleichbar mit einem Anstreifen bei
erfindungsgemäß ausgerichteten
Waben, bei welchem die Doppelstege DS quer zur Umlaufrichtung U
ausgerichtet sind. Demgegenüber
ist das in Tabelle 1 beispielhaft berechnete Anstreifen in y-Richtung
vergleichbar mit einem Anstreifen der Dichtfins an Stegen, deren
Längsachsen
L parallel zur Umlaufrichtung U ausgerichtet sind.
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Die
Differenz der beiden oben berechneten maximalen Kontaktlängen in
yund x-Richtung beträgt
hier beispielhaft 757,144 mm; dies bedeutet, dass bei dem Anstreifen
in y-Richtung, das heißt
bei einer Stegausrichtung parallel zur Umlaufrichtung U, eine um
51,4 % größere Kontaktlänge als
bei einer Ausrichtung der Doppelstege DS quer zur Umlaufrichtung
auftritt.
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In 5 ist
diese Differenz zwischen einem Anstreifen in x-Richtung, das heißt bei Ausrichtung
der Stege gemäß der Erfindung,
und einem Anstreifen in y-Richtung graphisch veranschaulicht. Es
ist zu erkennen, dass die maximale Kontaktlänge, aufgetragen auf der Ordinate,
bei einem Anstreifen in x-Richtung, siehe Kurve I, kumuliert über eine
Umfangslänge
knapp 1500 mm, genauer gesagt 1471,676 mm beträgt, während sie bei einem Anstreifen
in x-Richtung bei dem oben genannten Beispiel 2228,820 mm beträgt, siehe
Kurve II. Auf der Abszisse in 5 ist der
von dem Dicht fin 136 bei einer Umdrehung zurückgelegte
Weg, das heißt
die jeweilige Bogenlänge
abgewickelt dargestellt. Die veranschaulichte kürzere kumulierte Kontaktlänge bei
der Kurve I repräsentiert
die besagten Einsparpotentiale bei Ausrichtung der Waben bzw. deren
Stege gemäß der Erfindung.
