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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bürstendichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bürstendichtung für den Einbau zwischen einem Rotor und einem Stator, wobei die Bürstendichtung eine Vielzahl von Filamenten bzw. Borsten (im weiteren verwendeter Begriff) oder Fasern aufweist und den Rotor umschließt.
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Es gibt eine Reihe von Anwendungsfällen, beispielweise in Lagern oder Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen oder Strahltriebwerken, in denen ein Spalt zwischen zwei zueinander beweglichen Oberflächen abzudichten ist. Besonders bei Strahltriebwerken werden häufig nicht-hermetische Bürstendichtungen eingesetzt. Technologisch sind derzeit hermetische Bürstendichtungen nicht realisierbar. Dennoch weisen Bürstendichtungen deutlich geringere Leckagen auf als andere nicht-hermetische Dichtungstypen, weshalb diese Technologie bevorzugt in Turbomaschinen Verwendung findet.
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Es können derzeit Differenzdrücke von ca. 2 MPa bei Temperaturen von bis zu 700 C und einer maximalen Gleitgeschwindigkeit von 500 m/s abgedichtet werden.
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DE 103 37 867 A1 beschreibt gemäß dem Stand der Technik eine Bürstendichtung zur Abdichtung zweier relativ zueinander rotierender Teile, nämlich einen Stator und einen Rotor, die beide Komponenten einer Turbomaschine sein können, wobei in diesem Fall der Rotor drehbar im Stator gelagert ist. Eine derartige Anordnung weist zwischen Stator und Rotor einen Luftspalt auf, der auf geeignete Weise, beispielsweise durch eine Bürstendichtung wie in
DE 103 37 867 A1 , abzudichten ist, um in axialer Richtung unterschiedliche Druckniveaus zu realisieren. Die Dichtwirkung wird durch Borsten erzielt, die in der Regel im Ruhezustand, d. h. bei der Drehzahl Null, am Rotor anliegen und im Betrieb federnd auf das rotierende Bauteil drücken.
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Die gemäß dem Stand der Technik verwendeten Borsten haben den Nachteil, dass sie vermehrt Schmutzpartikel einlagern, die während des Betriebs nicht herausgespült werden können, dauerhaft in der Bürste verbleiben und so als Schleifgut wirken. Zum andern weisen die Borsten eine geringe Eigensteifigkeit auf, so dass sie bei Drehzahlschwankungen des Rotors dazu neigen aneinander hängen zu bleiben, in der Fachliteratur auch als Hysterese bezeichnet, und so die Dichtwirkung besonders bei Lastwechseln reduzieren. Zur Erhöhung der Eigensteifigkeit feiner Borsten muss mit geringen Faserhöhen gearbeitet werden, die wiederum nur eine eingeschränkte Bewegung der Dichtfläche erlauben.
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Angesichts des Standes der Technik und seiner Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bürstendichtung mit verbesserter Dichtungswirkung vorzuschlagen, wobei die Hysterese sowie die Einlagerung von Schmutzpartikeln reduziert werden.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Bürstendichtung umfassend eine Vielzahl von Borsten, die vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, in Paketen zusammengefasst sind. Die Querschnittsfläche der Borsten hat mindestens eine Ecke. Vorzugsweise ist die Borsten-Querschnittsfläche in Form eines Vielecks ausgeführt, wobei dieses Vieleck n-fache Symmetrien aufweisen kann. Der Parameter n kann dabei jede von Null verschiedene positive natürliche Zahl annehmen, wodurch jeweils regelmäßige Vielecke bzw. Polygone, also geometrische Körper mit mindestens drei Ecken, entstehen. ES ist auch denkbar, dass der Querschnitt die Form eines unregelmäßigen Vielecks oder eines Tropfens annehmen kann. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich beim abzudichtenden Raum nicht zwingend um einen Luftspalt handeln muss. Es sind auch andere Medien vorstellbar.
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Eine Bürstendichtung besteht prinzipiell aus einem Dichtelement und einem Gehäuse, wobei das Dichtelement sich aus einem Kerndraht, einem Draht- oder Faserpaket und einem Klemmrohr bzw. Klemmelement zusammensetzt. Eine derartige Konstruktion gewährleistet einen formschlüssigen sicheren Halt. Das Gehäuse einer Bürstendichtung besteht in der Regel aus einem Deckring zum Schutz des Dichtelements und einem Stürzring, an den es sich bei Druckbeaufschlagung anlegt. Die Bürstendichtung ist konzentrisch aufgebaut, und wird konzentrisch zum Rotor angeordnet.
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Die Borsten einer Bürstendichtung sind aus Metalldrähten oder Fasern, beispielsweise Kunststoffen oder Glas gefertigt, deren Dichtwirkung im wesentlichen von verbleibenden Freiräumen, auch als ungefüllte Volumina oder Borstenspitzen mit dem rotierenden Bauteil abhängt. Dabei ist es erforderlich, dass sich die Bostenspitzen in Vorzugsrichtung der Drehbewebung des rotierenden Bauteils ausrichten können. Die Borsten müssen demnach eine gewisse Elastizität aufweisen.
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Durch Verwendung von Querschnitten, die zumindest ein Eck aufweisen, werden nicht ausgefüllte Volumina, im weiteren als Borstenzwischenräume bezeichnet, weitergehend vermieden.
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Um die Borstenzwischenräume zu reduzieren, eignen sich gemäß denn Anspruch 1 besonderes Borstenquerschnitte, die mindestens eine Ecke aufweisen. Vorzugsweise kann mindestens eine Ecke abgerundet ausgeführt sein. Dabei kann der Borstenquerschnitt einer Bürstendichtung oder einer einzelnen Borste einer Bürstendichtung bezüglich Form und Flächeninhalt variieren. Es sei auch darauf hingewiesen, dass der Querschnitt einer einzelnen Borste bezüglich Form und Flächeninhalt variieren kann.
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In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die Borstenquerschnitte hexagonal ausgeführt. Dabei ist es von Vorteil, dass die Querschnittfläche die Form eines regelmäßigen Hexagons aufweist und für sämtliche Borsten konstant ist. In der Literatur werden regelmäßige Hexagone oder Sechsecke häufig auch als reguläre Hexagone oder Sechsecke bezeichnet. Der Vorteil einer derart geformten Querschnittsfläche ist, dass sich die Borsten nahezu lückenlos nebeneinander anordnen lassen. Der entsprechende mathematische Fachterminus für die Eigenschaft der lückenlosen Anordnung bezüglich regulärer hexagonaler Querschnitte ist die so genannte Parkettierung, die als bevorzugt in Sinne der Erfindung hervorzuheben ist.
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Es gibt zahlreiche Polygone die sich lückenlos parkettieren lassen. Neben den regulären Sechsecken sind auch gleichseitige Dreiecke, Rechtecke, insbesondere Quadrate, oder rhombisch geformte Querschnitte für die Anwendung in Bürstendichtungen denkbar, die sämtlich den besonderen Vorteil aufweisen, dass sie sich in einem Paket zusammengefügt selbstständig aneinander ausrichten können.
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Zum Zweck der Parkettierung sind die Borsten bevorzugt schichtweise versetzt zueinander angeordnet.
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Vorzugsweise sind die erfindungsgemäß geformten Borsten mit einem Querschnitt im Bereich von 0,035–3 mm2 ausgeführt. Bevorzugt ist eine rechteckige Querschnittfläche von 0,05 mm auf 0,7 mm bis 1 mm auf 3 mm. Die Borstenhysterese reduziert sich dadurch deutlich. Damit verringern sich die Neigung der Borsten, aneinander hängen zu bleiben, die Auslenkung der Borsten bezüglich des Borstenpakets der Bürstendichtung sowie die Neigung, Fremdkörper aus dem abzudichtenden Medium dauerhaft aufzunehmen.
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Da die Borsten bevorzugt einen erhöhten Querschnitt aufweisen, bei Anwendung in Bürstendichtung für Turbomaschinen aber rotorkonzentrisch angeordnet sind, müssen sie bei linearer Ausrichtung des elastischen Kernelements im Bereich von 0 bis 50% der Faserbreite zueinander beabstandet sein, um bei konzentrischer Anordnung eine Dichtfläche mit möglichst wenig Zwischenräumen an den Borstenspitzen zu ermöglichen. Das heißt, der Abstand zwischen den zueinander zeigenden Borstenflächen beträgt 0 bis 50% der Faserbreite.
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Bürstendichtungen mit derart geformten Borsten eignen sich aufgrund der gegenüber dem Stand der Technik erzielbaren Vorteilen besonders für den Einsatz in Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen oder Strahltriebwerken, mit einem Stator und einem im Stator drehbar gelagerten Rotor zur Erzeugung unterschiedlicher Druckniveaus entlang der im Betrieb rotierenden Komponenten.
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Die Anwendung der vorgeschlagenen Bürstendichtung beschränkt sich nicht auf Turbomaschinen, wie z. B. Pumpen oder Verdichter. Der Einsatz einer solchen Bürstendichtung ist in einer Vielzahl von Anwendungen auf dem Gebiet des Maschinenbaus denkbar, beispielweise in Werkzeugmaschinen zur Abdichtung von Lagern, wobei in diesem Fall das Lagerschmiermittel am Austritt aus dem Lager zu hindern ist. Ebenso ist die Bürstendichtung zur Abdichtung von Spindeln geeignet.
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Bevorzugtes Borstenmaterial ist ein Thermoplast, ein Meta-Aramid, Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Metall. Daneben eignet sich Polyamid (PA). Bevorzugte Metalle sind HS25, eine Co-Ni-Cr-W Legierung, sowie alle nicht rostenden Stähle.
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Der Legewinkel der Bürstendichtung liegt in einem Bereich von 0 bis 60°. Bevorzugt 10° bis 60°. Besonderes bevorzugt 20–60°.
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Eine weiterführende Erläuterung der Erfindung und deren bevorzugte Ausführungsform ist der folgenden Figurbeschreibung zu entnehmen.
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1 zeigt eine Anordnung mit einer Bürstendichtung (10) in einer schematischen Schnittzeichnung. Die Bürstendichtung (10) dient der Abdichtung eins Spalts (12) zwischen einem feststehenden Stator (13) und einem Rotor (14). Die Bürstendichtung (10) verfügt über eine Vielzahl von beispielweise stählernen Borsten (20), die um ein im Querschnitt kreisrundes, drahtförmiges Kernelement (16) gewickelt und über ein Klemmelement (17), welches in der abgebildeten Ausführungsform realisiert ist, am Kernelement fixiert sind. Die Einheit aus Borsten (20), Kernelement (16) sowie Klemmelement (17) ist in einem geeigneten Dichtungsgehäuse (18) angeordnet.
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2 zeigt beschränkt das Kernelement (16) und Borsten (20) in Schnittansicht A-A' eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl im Querschnitt rechteckiger Borsten (21, 20), die am Kernelement (16), die dem weiter oben bezeichneten Kernelement (16) entsprechen kann, angebracht sind. Weiterhin zeigt die Abbildung, dass die Borsten (20) mehrlagig versetzt und innerhalb derselben Lage zueinander beabstandet sind.
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3 zeigt wieder die Schnittansicht A-A', mit dem Unterschied, dass das Kernelement (16) in diesem Verarbeitungsstadium eine Konzentrizität aufweist, so dass die abgebildete Anordnung beispielsweise in einer Bürstendichtung rotorkonzentrisch im Stator einer Turbomaschine, vorzugsweise der Gasturbine eines Strahltriebswerks montiert werden kann. Bei konzentrischer Anordnung des Kernelements (16) verschwinden die Abstände zwischen den Borsten an der Dichtfläche, wodurch der erfindungsgemäße Vorteil, dass bei geeigneter geometrischer Ausprägung der Borsten keine Borstenzwischenräume an der Dichtfläche auftreten und sich so letztlich die Leckage vermindert, realisiert wird.
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4 zeigt analog zu 2 wie eine Vielzahl von Borsten (20) um ein Kernelement (16) angebracht ist. Im Unterschied zu 2 weisen die Borsten (20) den Querschnitt eines regulären Hexagons (25) auf, was eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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5 zeigt analog zu 3 in Schnittansicht das eine Konzentrizität aufweisende Kernelement (16), so dass die Gesamtheit der hexagonalen Borsten (20) an der Dichtfläche nahezu keine Borstenzwischenräume aufweist.
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6 zeigt exemplarisch die Draufsicht auf die Dichtfläche (60) von im Querschnitt hexagonal ausgeführten Borsten (20), die sich im Idealfall bei konzentrischer Anordnung des Kernelements (16) an der Dichtfläche lückenlos aneinander fügen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bürstendichtung
- 12
- Spalt bzw. Luftspalt
- 13
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Kernelement
- 17
- Klemmelement
- 18
- Dichtungsgehäuse
- 20
- Borsten
- 21
- reckeckiger Borstenquerschnitt
- 22
- Halteeinrichtung
- 25
- hexagonaler Borstenquerschnitt
- 60
- Dichtfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10337867 A1 [0004, 0004]
