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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Stirndichtungen
für drehende
Maschinen und im Besonderen auf Saug-Stirndichtungen oder Stirndichtungen
mit Gas-Druckausgleich.
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Stirndichtungen
werden verwendet, um die Leckmenge durch einen Spalt zwischen zwei
Komponenten dort zu minimieren, wo derartige Leckage von einem Bereich
mit höherem
Druck zu einem Bereich mit niedrigerem Druck stattfindet. Derartige
Dichtungen wurden und werden in Rotationsmaschinen wie beispielsweise
Dampf- und Gasturbinen benutzt.
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In
Gasturbinen werden Stirndichtungen zwischen statischer Hardware
und zwischen Rotor- und Statorkomponenten verwendet und können auch
zwischen verschiedenen rotierenden Komponenten verwendet werden.
Die Spalte oder Leckpfade zwischen diesen verschiedenen Komponenten
müssen
abgedichtet werden und die verwendeten Dichtungen müssen in
der Lage sein, Veränderungen
der Spalten auf Grund von differenzial-thermischer und mechanischer
Ausdehnung der Komponenten während
des Maschinen-Betriebszyklus zu kompensieren.
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Für den abzudichtenden
veränderlichen
Spalt wird üblicherweise
entweder ein sich anpassender Kontakt zur Verfügung gestellt, der zwischen
den Komponenten erhalten wird, wie beispielsweise durch Verwendung
einer Bürsten- oder Blattdichtung,
oder ein komplexer Leckpfad geschaffen, was Druckverluste und damit eine
reduzierte Strömung
zur Folge hat wie beispielsweise bei einer Labyrinthdichtung. In
einer Labyrinthdichtung zwischen rotierenden und statischen Komponenten
können
Extreme beim Verschluss des Spalts ausgeglichen werden, indem ein
Reiben der Rotor-Labyrinth-Spitzen
an einer weicheren Stator-Matrix („abreibbar") zugelassen wird. In Abhängigkeit
von den anfänglichen
Spalten und dem Kontakt der Dichtungen mit benachbarten Oberflächen ist
es möglich,
dass keine dieser Dichtungen alle Anforderungen an Leistung und
Dauerhaftigkeit erfüllt.
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Beispielsweise
stellt 1 einen Teil eines Gasturbinentriebwerks dar,
umfassend: das hintere Ende eines Verdichters (10), einen
Diffusor (12), eine Ringbrennkammer (14) und eine
Hochdruckturbine (16), die eine stationäre Düse (18) und rotierende
Turbinenschaufeln (20), getragen von einem Turbinenrotor
(22), umfasst. Der Verdichter (10) wird von der
Turbine (16) über
eine Welle (24) angetrieben. Der Abstand zwischen dem primären Heißgasströmungspfad „F" und der Welle (24)
definiert einen sekundären
Strömungspfad.
Aus verschiedenen Gründen
wie Effizienzmaximierung und Vermeidung von Abnutzung ist es wünschenswert,
die Leckage durch den sekundären
Strömungspfad
so weit als möglich
zu verhüten.
Dieses wird erreicht durch Einbeziehen von einer oder mehreren Dichtungsanordnung(en),
die den Durchfluss dort reduzieren oder blockieren. In dem dargestellten
Beispiel ist eine Verdichterausgangsdruck-Dichtungsanordnung (CDP-seal
assembly), umfassend ein rotierendes Teil (28) mit einer Vielzahl
von sich radial auswärts
erstreckenden ringförmigen
Dichtungsspitzen (30), angeordnet gegenüber einem stationären Abrieb-Teil
(32), in dem Diffusor (12) angeordnet. Eine vordere äußere Dichtung
(forward outer seal, FOS)(34), umfassend ein rotierendes
Teil (36) mit einer Vielzahl von sich radial auswärts erstreckenden
ringförmigen
Dichtungsspitzen (38), angeordnet gegenüber einem stationären Abrieb-Teil
(40), ist in der Turbinendüse (18) angeordnet.
Stirndichtungen werden an anderen Stellen innerhalb der Maschine
ebenfalls verwendet. Sowohl die CDP- Dichtungsanordnung (26) als
auch die FOS (34) unterliegen wie oben beschrieben der
Abnutzung bei längerem
Betrieb.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Stirndichtung mit geringer Leckage
und hoher Dauerhaftigkeit zur Verfügung. Der Abstand zwischen
den Dichtungselementen ist so geregelt, dass die Dichtungsspitzen
sich nicht am Dichtungsrotor reiben. Dies sorgt für eine effiziente
Dichtung, sowohl zum Herstellungszeitpunkt des Triebwerks als auch
nach längerer
Betriebszeit. Es wird geschätzt,
dass die Leckage quer über
die primäre Dichtungsoberfläche im Vergleich
mit Stirndichtungen nach dem Stand der Technik um circa 25% reduziert werden
kann.
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Gemäß einem
Aspekt stellt die Erfindung eine Dichtungsanordnung zur Verfügung, umfassend:
eine erste ringförmige
Komponente, die eine generell axial ausgerichtete erste primäre Dichtungsoberfläche definiert,
und eine zweite ringförmige
Komponente, die eine generell axial ausge richtete zweite primäre Dichtungsoberfläche bildet,
wobei die zweite ringförmige
Komponente in axial beweglicher Beziehung zu einer Dichtungshalterung
montiert ist, so dass die zweite primäre Dichtungsoberfläche gegenüber der
ersten primären Dichtungsoberfläche angeordnet
ist, und wobei entweder die erste primäre Dichtungsoberfläche oder
die zweite primäre
Dichtungsoberfläche
zumindest eine ringförmige
Dichtungsspitze aufweist, die sich von ihr axial erstreckt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Dichtungskörper für eine um
eine Achse angeordnete Dichtungsanordnung: einen ringförmigen,
sich axial erstreckenden Teil, einen sich radial erstreckenden Teil,
der eine primäre
Dichtungsoberfläche
definiert und der mit dem sich axial erstreckenden Teil zusammenwirkt,
um einen generell L-förmigen
Querschnitt zu bilden, und zumindest eine ringförmige Dichtungsspitze, die
sich axial von der primären
Dichtungsoberfläche
erstreckt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst eine um eine Achse für ein Gasturbinentriebwerk
angeordnete Dichtungsanordnung: einen Rotor mit einer axial ausgerichteten
ersten primären
Dichtungsoberfläche;
eine stationäre,
dem Rotor benachbart angeordnete Dichtungshalterung; einen ringförmigen,
an der Dichtungshalterung befestigten Dichtungskörper, der zwischen dem Rotor
und der Dichtungshalterung angeordnet ist, wobei der Dichtungskörper in
Bezug auf die Dichtungshalterung axial beweglich ist und der ringförmige Dichtungskörper einen
sich im Grundsatz radial erstreckenden Teil umfasst, der eine axial
ausgerichtete zweite primäre
Dichtungsoberfläche
defi niert, die zur ersten primären
Dichtungsoberfläche
ausgerichtet ist, sowie einen sich im Grundsatz axial erstreckenden
Teil, wobei entweder die erste primäre Dichtungsoberfläche oder
die zweite primäre
Dichtungsoberfläche
zumindest eine ringförmige
Dichtungsspitze aufweist, die sich von ihr axial erstreckt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung lässt
sich am Besten Bezug nehmend auf die nachfolgende Beschreibung in
Verbindung mit den begleitenden Figuren nachvollziehen:
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerks
nach dem Stand der Technik;
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2 ist
eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts einer Stirndichtungsanordnung
nach einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ist
eine Vorderansicht eines Teils der Stirndichtungsanordnung aus 2;
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4 ist
ein vergrößerter Schnitt
eines Teils der Stirndichtungsanordnung aus 2;
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5 ist
ein weiterer vergrößerter Schnitt
eines Teils der Stirndichtungsanordnung aus 2, und
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6 ist
eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts einer anderen
beispielhaften Stirndichtungsanordnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf die Figuren, in denen identische Bezugsnummern in allen
verschiedenen Ansichten dieselben Elemente bezeichnen, zeigen die 2 und 3 eine
beispielhafte Dichtungsanordnung 42, die gegen Leckage
zwischen einem Bereich mit relativ hohem Druck P(high) und einem
Bereich mit relativ niedrigem Druck P(low) abdichtet. In diesem
speziellen Beispiel nimmt die Dichtungsanordnung 42 CDP-Dichtung wie oben
beschrieben ein und ist angeordnet zwischen einer Kernwelle 24' und einem Diffusorgehäuse 12', es sollte
jedoch beachtet werden, dass die Eigenschaften der Dichtungsanordnung 42 in
jeder Ausführungsform
verwendet werden können,
wo eine Stirndichtung erforderlich ist. Die Grundkomponenten der
Dichtungsanordnung 42 können
einen Rotor 44, eine stationäre Dichtungshalterung 46 und
einen Dichtungskörper 48 (manchmal
als „slider", Deutsch: „Gleiter" bezeichnet), umfassen,
die alle um eine Längsachse
des Triebwerks angeordnet sind. Der Rotor 44 ist im Grundsatz
scheibenförmig
und definiert eine erste axial ausgerichtete primäre Dichtungsoberfläche 50.
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Die
Dichtungshalterung 46 ist eine nicht-rotierende, sich axial
erstreckende Komponente und definiert eine radial ausgerichtete
zweite Dichtungsoberfläche 47.
In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen 360°-Ring, aber
die Dichtungshalterung 46 könnte auch als segmentierte
ringförmige
Struktur oder als eine Anordnung einzelner Halterungen gestaltet
sein. Ihr hinteres Ende 52 weist einen sich radial erstreckenden
Flansch 54 auf, der am Diffusor 12' mit einem oder mehreren Befestigungsmit teln 56 befestigt
ist. Das vordere Ende 58 der Dichtungshalterung 46 trägt einen
oder mehrere Federsitze 60. In diesem Beispiel handelt es
sich um fünf
Federsitze, die gleich beabstandet um den Umkreis der Dichtungshalterung 46 angeordnet sind,
jedoch könnten
die Federsitze 60 auch als durchlaufende oder segmentierte
ringförmige
Struktur gestaltet sein. Wie am Besten in 3 zu sehen,
hat der Springsitz 60 einen im Grundsatz zylindrischen
Körper 62 und
einen gewölbten
Flansch 64, der ein Paar sich seitlich erstreckender Befestigungsflansche 63.
Der Federsitz ist an der Dichtungshalterung 46 mit einem
oder mehreren Befestigungsmittel(n) 65 befestigt. Der Körper 62 umfasst
eine sich radial einwärts
erstreckende Ausrichtschiene 66, die von einem komplementären Ausrichtschlitz 68 des
Dichtungskörpers 48 aufgenommen
wird, um die erwünschte
Winkeljustierung der Dichtungshalterung 46 und des Dichtungskörpers 48 zu
erhalten. Der Dichtungskörper 48 wird
daher von der Dichtungshalterung 46 derart getragen, dass
er sich axial aber nicht seitlich bewegen kann. Der Dichtungskörper 48 ist
eine ringförmige
Komponente, die durchlaufend oder segmentiert sein kann, mit einem
im Grundsatz L-förmigen
Querschnitt mit einem sich radial erstreckenden Teil 70 und
einem sich axial erstreckenden Teil 72.
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Eine
Vielzahl von Rückzugsfedern 73 sind
zwischen den Federsitzen 60 und einem sich radial auswärts erstreckenden
Flansch 74 des Dichtungskörpers 48 angeordnet.
Das hintere Ende jeder Rückzugsfeder 73 befindet
sich in einer Federabstützung 76 des
Flansches 74 oder einer anderen geeigneten Stelle. Die Rückzugsfedern 73 dienen
dazu, den Dichtungskörper 48 vom
Rotor 44 weg zu verlagern. Diese Funktion wird unten detaillierter
beschrieben. Wie dargestellt, sind fünf Druckschraubenfedern vorhanden,
aber es können auch
andere Federtypen und eine andere Anzahl von Federn verwendet werden.
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Eine
sekundäre
Dichtung 78, beispielsweise ein bekannter Kolbenring-Typ,
ist in einer Nut 80 im Flansch 74 angeordnet und
dichtet ab gegen die axial ausgerichtete sekundäre Dichtungsoberfläche 47 der Dichtungshalterung 46.
Es kann sich dabei um einen bekannten Kolbenring-Typ handeln, der
eine durchgehende (oder fast durchgehende) umlaufende Dichtung bewirkt.
Zweck der sekundären
Dichtung 78 ist es, Leckage durch einen Pfad zwischen dem
Dichtungskörper 48 und
der Dichtungshalterung 46 zu verhindern, der demselben
Druckdifferenzial unterworfen ist wie die primäre Dichtung, und dabei eine
axiale Bewegung des Dichtungskörpers 48 zu
ermöglichen.
Es ist zu beachten, dass die oben beschriebene spezifische Konfiguration
der Dichtungskomponenten und der Montagestruktur nicht entscheidend
ist und im Interesse einer speziellen Ausführungsform verändert werden
kann, ohne die funktionellen Aspekte der Dichtungsanordnung 42 zu beeinträchtigen.
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Wie
in den 4 und 5 gezeigt, definiert der sich
radial erstreckende Teil 70 des Dichtungskörpers 48 eine
axial ausgerichtete zweite primäre
Dichtungsoberfläche 82.
Diese zweite primäre
Dichtungsoberfläche 82 ist
nahe dem Rotor 44 angeordnet und liegt gegenüber der
ersten primären
Dichtungsoberfläche 50. Eine
umlaufende Dichtungsspitze 84, allgemein „starter
seal" (Anfangsdichtung)
genannt, erstreckt sich axial vom äußeren Ende des sich radial
erstreckenden Teils 70, außerhalb des Rotors 44,
und ist in diesem speziellen Beispiel radial nach innen gewinkelt.
Die Fluidkanäle 86, 87 werden
durch den sich radial erstreckenden Teil 70 auf bekannte
Weise gebildet, wie es für
den hydrostatischen Ausgleich des Dichtungskörpers 48 im Betrieb
erforderlich ist (unten detaillierter beschrieben).
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Die
zweite primäre
Dichtungsoberfläche 82 umfasst
einen ebenen inneren Teil 82A und einen äußeren Teil 82B,
der durch eine Nut 83 vom inneren Teil getrennt wird. Der äußere Teil 82B umfasst
zumindest eine und optional eine Vielzahl von ringförmigen,
radial beabstandeten, sich axial erstreckenden Dichtungsspitzen 88,
die einen herumführenden
oder gewundenen Strömungspfad
bilden sollen, zwecks radialem Fluidstrom, um den Fluss vom primären Strömungspfad
zum sekundären
Strömungspfad
zu begrenzen. In dem dargestellten Beispiel sind zwei Dichtungsspitzen 88A und 88B mit
zugespitzten Querschnittsprofilen vorhanden, die durch ringförmige Nuten 90 mit
abgerundetem Boden voneinander getrennt werden. Die Spitzen 88 könnten, wenn
es gewünscht
wird, auch aus einer ebenen Oberfläche hervorragen. Es ist zu
beachten, dass die Konfiguration der Dichtungsspitzen umgekehrt
sein könnte,
d. h. die Dichtungsspitze 88 könnte auch auf der ersten primären Dichtungsoberfläche 50 ausgebildet
werden.
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Die
Konfiguration der zweiten primären
Dichtungsoberfläche 82 kann
teilweise durch verschiedene Eigenschaften der Dichtungsspitzen 88 definiert
sein, umfassend die Anzahl der Dichtungsspitzen 88, ihre
Höhe „H" in axialer Richtung,
ihre Spitzenbreite „W", ihr eingeschlossener
Winkel im Querschnitt „A", ihre Abweichung
nach innen o der außen
von der Axialausrichtung, bezeichnet als Neigungswinkel „S" (es ist zu beachten,
dass dieser Winkel im dargestellten Beispiel sehr klein ist), ihr
radialer Abstand „P" sowie die gesamte
radiale Ausdehnung oder Länge
der Dichtungsspitzen 88, bezeichnet mit „L". Nichteinschränkende Beispiele
dieser Dimensionierungen nachfolgend: Spitzenhöhe H ca. 0,38 mm (0,015 in),
Spitzenwinkel A ca. 10°,
Neigungswinkel S von ca. 0°–ca. 45°, Spitzenbreite
W ca. 0,13 mm (0,005 in.) bis ca. 0,76 mm (0,030 in.) und Abstand
P c. 1,3 mm (0,05 in.) bis ca. 3,8 mm (0,15 in.). Diese Werte können im
Interesse einer bestimmten Ausführungsform
geändert
werden.
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In
dem dargestellten Beispiel hat die erste primäre Dichtungsoberfläche 50 einen
inneren Teil 50A und einen äußeren Teil 50B, der
von dem inneren Teil axial nach vorn verschoben ist, und zwar um
eine Entfernung „D" (s. 2),
der im Wesentlichen gleich dem axialen Abstand Spitzen der Dichtungsspitzen 88 von
dem inneren Teil 82A der zweiten primären Dichtungsoberfläche 82 ist.
Bei dieser Konfiguration wird eine dem radialen Fluss entgegen stehende
Stufe an der Verbindungsstelle der inneren und äußeren Teile 50A und 50B der ersten
primären
Dichtungsoberfläche 50 definiert,
und bei Betrieb werden entfernte Teile der Dichtungsspitzen 88 axial
zwischen den inneren und äußeren Teilen 50A und 50B der
ersten primären
Dichtungsoberfläche 50 angeordnet.
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Im
Betriebszustand bildet der Dichtungskörper 48 eine Dichtung
gemeinsam mit dem Rotor 44. Die Rückzugsfedern 73 halten
den Dichtungskörper 48 von
Rotor 44 fern, um einen Kontakt zwischen den beiden Komponenten
zu vermei den, wenn das Triebwerk angehalten wird. Während die
Betriebsgeschwindigkeit des Triebwerks zunimmt, nehmen die Fluiddrücke in den
primären
und sekundären
Strömungspfadbereichen
des Triebwerks zu, und dementsprechend ist die Dichtungsanordnung 42 zunehmenden
auf ihre axial ausgerichteten Oberflächen einwirkenden Drücken ausgesetzt,
deren Auswirkung es ist, zu bewirken, dass der Dichtungskörper 48 sich
auf den Rotor 44 zu bewegt. Durch Auswahl der relativen
Oberflächenbereiche
der verschiedenen Teile des Dichtungskörpers 48, der Anzahl
und der Dimensionierungen der Kanäle 86, 87 und
der Dimensionierungen der Rückzugsfedern 73 auf
bekannte Weise, erfährt
die Dichtungsanordnung 42 bei gewählten Betriebsbedingungen einen
hydrostatischen Druckausgleich. Dementsprechend kommt die zweite
primäre
Dichtungsoberfläche 82 nie
in Kontakt mit der ersten primären
Dichtungsoberfläche 50,
sondern operiert mit einem geringen axialen Abstand, beispielsweise
ca. 0,05 mm (0,002 in.) bis ca. 0,13 mm (0,005 in.). Der geringe
Betriebsabstand der Saugdichtungsanordnung 42 in Verbindung
mit dem komplexen Strömungspfad durch
die Dichtungsspitzen 88 und zwischen der ersten und zweiten
primären
Dichtungsoberfläche 50 und 82 minimiert
die Leckage.
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6 stellt
eine andere Dichtungsanordnung 142 dar, umfassend einen
Rotor 144, eine Dichtungshalterung 146 und einen
Dichtungskörper 148 mit
sich radial und axial erstreckenden Teilen 170 und 172.
Diese Dichtungsanordnung 142 ist von der Konstruktion her ähnlich der
beschriebenen Dichtungsanordnung, aber weicht in der Konfiguration
der ersten und zweiten primären
Dichtungsoberfläche 150 und 182 davon
ab. Eine umlaufende Anfangsdich tung 184 erstreckt sich
axial von dem äußeren Ende
des sich radial erstreckenden Teils 170. Die Fluidkanäle 186, 187 können durch
den sich radial erstreckenden Teil 170 auf bekannte Weise so
ausgebildet werden, wie es für
den hydrostatischen Ausgleich des Dichtungskörpers 148 erforderlich
ist.
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Die
zweite primäre
Dichtungsoberfläche 182 umfasst
zumindest eine und optional eine Vielzahl von ringförmigen,
radial beabstandeten, sich axial erstreckenden Dichtungsspitzen 188,
die einen herumführenden oder
gewundenen Strömungspfad
in einer radialen Richtung bilden sollen. In dem dargestellten Beispiel
sind drei Dichtungsspitzen 188A, 188B und 188C mit
zugespitzten Querschnittsprofilen vorhanden, die voneinander durch
ringförmige
Nuten 190 mit abgerundetem Boden getrennt werden.
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Die
Eigenschaften der Dichtung zwischen der ersten und der zweiten primären Dichtungsoberfläche 150 und 182 können im
Interesse einer speziellen Anwendungsform auf ähnliche Weise verändert werden,
wie oben für
die Dichtungsanordnung 48 beschrieben.
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Eine
ringförmige
Dichtungsnut 92 mit abgerundetem Boden wird in der ersten
primären
Dichtungsoberfläche 150 ausgebildet.
Die entsprechende Dichtungsspitze 188C hat in axialer Richtung
eine größere Höhe als die
anderen Dichtungsspitzen 188A und 188B, und ragt
im Betriebszustand in die Dichtungsnut 92 hinein, um Leckage
noch weiter zu reduzieren.
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Diese
Dichtungsanordnungen bieten den komplexen Leckpfad einer Labyrinthdichtung,
und reduzieren so die Leckage im Vergleich zu einer flachen Stirndichtung.
Jedoch im Gegensatz zu Labyrinthdichtungen nach dem Stand der Technik,
die sich an benachbarten Komponenten reiben können, ist der Abstand zwischen den
Dichtungselementen so geregelt, dass die Dichtungsspitzen sich nicht
am Dichtungsrotor reiben. Dies sorgt für effiziente Abdichtung, sowohl
zum Zeitpunkt der Triebwerksherstellung als auch nach längerer Betriebsdauer.
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Vorangehend
wurde eine Stirndichtungsanordnung beschrieben. Während spezifische
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist für Fachleute
ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen daran vorgenommen
werden können,
ohne von Geist und Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen.
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