DE102008027021A1

DE102008027021A1 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102008027021A1
Application number: DE200810027021
Authority: DE
Inventors: Alfons Gail
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spalts (11) zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zwischen einem Rotor und einem Stator, mit einer Borsten (17) umfassenden Bürstendichtung (13), die zumindest abschnittsweise in einem Aufnahmeraum (14) eines Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei freie Enden der Borsten (17) aus dem Aufnahmeraum (14) des Gehäuses (12) herausragen, und wobei die Borsten (17) als Kunststofffasern ausgebildet sind. Erfindungsgemäß liegt die Dicke der Borsten (17) zwischen 0,005 und 0,05 mm, wobei dieselben in einer Dichte von 500 bis 10000 pro mm Dichtungslänge vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinen bestehen aus mehreren Baugruppen, so z. B. aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer sowie mindestens einer Turbine. Der oder jeder Verdichter sowie die oder jede Turbine verfügen über einen Rotor, der gegenüber einem feststehenden Stator rotiert. Bei dem Stator handelt es sich insbesondere um ein feststehendes Gehäuse, dem feststehende Leitschaufeln zugeordnet sind. Dem Rotor sind Laufschaufeln zugeordnet, die sich zusammen mit dem Rotor gegenüber den feststehenden Leitschaufeln sowie dem feststehenden Gehäuse drehen. Zur Optimierung des Wirkungsgrads von Gasturbinen ist es erforderlich, Leckageströmungen zu minimieren. Dies gilt einerseits für Leckageströmungen zwischen relativ zueinander rotierenden Bauteilen und anderseits für Leckageströmungen zwischen feststehenden Bauteilen. Dichtungsanordnungen zur Abdichtung eines Spalts zwischen relativ zueinander rotierenden Bauteilen bezeichnet man auch als dynamische Dichtungsanordnungen. Dichtungsanordnungen zur Abdichtung eines Spalts zwischen feststehenden Bauteilen bezeichnet man auch als statische Dichtungsanordnungen.
Zur Abdichtung sogenannter Ringspalte zwischen relativ zueinander rotierenden Baugruppen, nämlich zwischen einem Rotor und einem Stator, haben sich Bürstendichtungen bewährt.
So ist aus der EP 1 203 178 B1 eine Dichtungsanordnung bekannt, bei welcher in einem von einem Gehäuse definierten Aufnahmeraum eine Bürstendichtung positioniert ist. Die Bürstendichtung umfasst Borsten, die mit Hilfe eines Fixierelements an einem Borstenträger fixiert sind, wobei die Borsten mit Enden aus dem vom Gehäuse definierten Aufnahmeraum herausragen und am Rotor anliegen. Das Gehäuse, welches den Aufnahmeraum für die Borstendichtung bildet, umfasst ein Stützelement und ein Deckelement. Nach der EP 1 203 178 B1 sind die Borsten der Bürstendichtung als Kunststofffasern ausgebildet, so z. B. als Aramidfasern bzw. Kevlarfasern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Dichtungsanordnung zu schaffen.
Dieses Problem wird durch eine Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß liegt die Dicke der Borsten zwischen 0,005 und 0,05 mm, wobei dieselben in einer Dichte von 500 bis 10000 pro mm Dichtungslänge vorhanden sind. Dann, wenn wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Dicke der Borsten zwischen 0,005 und 0,05 mm beträgt und dieselben in einer Dichte von 500 bis 10000 Borsten pro mm Dichtungslänge sind, kann eine besonders gute Dichtwirkung erzielt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung.
1 verdeutlicht die Erfindung am Beispiel einer Dichtungsanordnung 10 zur Abdichtung eines Ringspalts 11 zwischen einem Rotor und einem Stator, wobei die Dichtungsanordnung 10 eine in einem Gehäuse 12 positionierte Bürstendichtung 13 aufweist. Das Gehäuse 12 definiert einen Aufnahmeraum 14 zur Aufnahme der Bürstendichtung 13, wobei das Gehäuse 12 von einem Deckelement 14 und einem Stützelement 15 gebildet ist.
Die Bürstendichtung 13 umfasst ein Borstenpaket 16 aus mehreren Borsten 17, wobei die Borsten 17 des Borstenpakets 16 an einem Borstenträger 18 mit Hilfe eines Fixierelements 19 befestigt sind. Beim Borstenträger 18 handelt es sich um einen im Querschnitt runden Klemmdraht und bei Fixierelement 19 um ein im Querschnitt C-förmiges Klemmelement. Die Borsten 17 ragen aus dem vom Gehäuse 12 gebildeten Aufnahmeraum 14 mit einem Ende heraus und liegen an einer Oberfläche 20 des Rotors an. In 1 ist eine Axialrichtung des Rotors durch den Pfeil 21 und eine Radialrichtung desselben durch den Pfeil 22 dargestellt. Die Umfangrichtung erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene. Es sei erwähnt, dass die Borsten auch auf andere Weise, z. B. Kleben oder andere Klemmgeometrien fixiert werdenkönnen.
Bei den Borsten 17 der Bürstendichtung 13 handelt es sich um Kunststofffasern, z. B. um Polymerfasern oder Aramidfasern. Die Dicke der Borsten liegt dabei zwischen 0,005 mm und 0,05 mm, wobei die Borsten 17 in einer Dichte von 500 bis 10000 Borsten, vorzugsweise in einer Dichtung von 1000 bis 10000 Borsten, pro mm Dichtungsfläche, hier Umfangslänge des Rotors 20, vorhanden sind. Mit einer solchen Dicke und Dichte der Borsten 17 innerhalb der Bürstendichtung 13 kann eine besonders bevorzugte Dichtungswirkung erzielt werden.
In Radialrichtung 22 des Rotors 20 gesehen beträgt die projizierte Länge der Borsten vorzugsweise zwischen 2,5 mm und 8 mm. Die Borsten 17 sind dabei in Umfangsrichtung des Rotors 20 gegenüber der Radialrichtung 22 desselben um einen Winkel zwischen 3° und 45° in Drehrichtung des Rotors 20 geneigt. Dann, wenn dieser Lagewinkel der Borsten 17 zwischen 3° und 20° beträgt, kann die Drehrichtung des Rotors 20 kurzfristig auch gegensätzlich zur Richtung der Borsten 17 erfolgen. Bei sehr geringen Lagewinkeln der Borsten 17 ist die Bürstendichtung drehrichtungsunabhängig.
Die Borsten 17 weisen vorzugsweise eine Steifigkeit zwischen 100·10⁶ Pa·m^–1 und 100·10⁹ Pa·m^–1 auf. Die Steifigkeit der Borsten 17 wird dabei so gewählt, dass ein elastisches Auslenken derselben beim Kontakt mit der Oberfläche 20 des Rotors möglich ist.
Die auf der Oberfläche 20 des Rotors aufsetzenden Enden der Borsten 20 werden vorzugsweise mit Hilfe von Laserschneiden hergestellt.
Das Gehäuse 12 aus Stützelement 15 und Deckelement 14 kann metallisch ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch das Gehäuse 12 aus Stützelement 15 und Deckelement 13 aus Kunststoff auszubilden. Dann, wenn das Gehäuse 12 aus Kunststoff gebildet ist, kann der Radialspalt 11 deutlich geringer eingestellt werden, da ein Anstreifen eines Kunststoffgehäuses am Rotor keinen Schaden verursacht. Bei Verwendung eines Kunststoffgehäuses kann demnach die Dichtwirkung als auch ein maximal möglicher Differenzdruck verbessert werden, den eine solche Dichtung aufbauen kann.
Dann, wenn Deckelement 14 und Stützelement 15 des Gehäuses 12 aus Kunststoff gebildet sind, sind dieselben vorzugsweise über eine Stift-Bohrung-Verbindung bzw. Nut-Feder-Verbindung miteinander verbunden, und zwar derart, dass die geometrischen Abmaße dieser Verbindung so gewählt sind, dass sich beim Zusammendrücken von Deckelement 14 und Stützelement 15 eine kraftschlüssige Verbindung ergibt.
Es sei erwähnt, dass das Gehäuse mit Aufnahmeraum in einem benachbartem statischen Bauteil vorgesehen sein kann.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bürstendichtung 13 als kreisförmiges bzw. ringförmiges Element ausgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung jedoch räumlich beliebig gekrümmt bzw. konturiert sein kann. Hierdurch lassen sich beliebige dreidi mensionale Dichtungsgeometrien erzeugen und beliebig geformte Dichtspalte abdichten.
Dann, wenn hohe Differenzdrücke abzudichten sind und/oder sehr hohe Dichtwirkungen erzielt werden sollen, können in Axialrichtung 21 mehrere Bürstendichtungen 13 axial hintereinander in Reihe verbaut werden.
Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung eignet sich besonders als dynamische Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Stator einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine wie eines Gasturbinenflugtriebwerks oder einer Dampfturbine. Mit derselben können Differenzdrücke von Gasen und Flüssigkeiten abgedichtet werden. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung kann auch als statische Dichtungsanordnung zwischen zwei feststehenden Bauteilen Verwendung finden.

10: Dichtungsanordnung
11: Ringspalt
12: Gehäuse
13: Bürstendichtung
14: Deckelement
15: Stützelement
16: Borstenpaket
17: Borsten
18: Borstenträger
19: Fixierelement
20: Oberfläche
21: Axialrichtung
22: Radialrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1203178 B1 [0004, 0004]

Claims

Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spalts (11) zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zwischen einem Rotor und einem Stator, mit einer Borsten (17) umfassenden Bürstendichtung (13), die zumindest abschnittsweise in einem Aufnahmeraum (14) eines Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei freie Enden der Borsten (17) aus dem Aufnahmeraum (14) des Gehäuses (12) herausragen, und wobei die Borsten (17) als Kunststofffasern ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Borsten (17) zwischen 0,005 und 0,05 mm liegt und in einer Dichte von 500 bis 10000 Borsten (17) pro mm Dichtungslänge in der Bürstendichtung vorhanden sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (17) in einer Dichte von 1000 bis 10000 pro mm Dichtungslänge, insbesondere Umfanglänge des Rotors, vorhanden sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Radialrichtung des Rotors projizierte Länge der Borsten (17) zwischen 2,5 und 8 mm beträgt.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (17) in Umfangrichtung des Rotors gegenüber der Radialrichtung desselben um einen Winkel zwischen 3° und 45° geneigt sind.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (17) eine Steifigkeit zwischen 100·10⁶ Pa·m^–1 und 100·10⁹ Pa·m^–1 aufweisen.
Dichtungsanordnung nach der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) ein Stützelement (15) und ein Deckelement (14) umfasst und metallisch ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) ein Stützelement (15) und ein Deckelement (14) umfasst und aus Kunststoff gebildet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Kunststoff gebildete Stützelement (15) und das aus Kunststoff gebildete Deckelement (14) über eine kraftschlüssige Stift-Bohrung-Verbindung oder Nut-Feder-Verbindung miteinander verbunden sind.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung des Rotors mehrere Bürstendichtungen hintereinander verbaut sind.
Turbomaschine mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 9.
Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9.
Dampfturbine mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9.