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Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gasturbine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit wenigstens einem Dichtungssystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungssystems.
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Segmentierte Leitschaufelkränze von Gasturbinen, die auch als so genannte Vane-Cluster bezeichnet werden, weisen wegen der axialen Spalte zwischen dem Turbinengehäuse und dem Leitschaufelkranz vergleichsweise hohe Leckagemengen auf. Besonders hohe Leckagemengen treten speziell dann auf, wenn die Leitschaufelkränze in hintere Lagerstrukturen der Gasturbine integriert sind. Um die Leckagemengen zu verringern, werden die Leitschaufeln alternativ auch als integraler Leitschaufelring (Vanering) ausgebildet. Wegen der während des Betriebs der Gasturbine auftretenden thermischen Belastungen muss der Leitschaufelkranz bzw. der Vanering gegenüber dem diesen haltenden Turbinengehäuse speichenzentriert werden. Dies stellt herkömmliche, in Strömungsrichtung gesehen hintere Dichtungssysteme (sog. Vanering-Dichtung) häufig vor große Probleme, die durch die thermischen Dehnungen relativ große Relativ-Verschiebungen zwischen dem Turbinengehäuse und dem Leitschaufelkranz auftreten.
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Aus dem Stand der Technik sind als Dichtungssysteme unter anderem Klappendichtungen (Flapseals) und tellerfederartige Dichtungen bekannt. Die Klappendichtungen eignen sich jedoch nicht, um die hohen Leckagemengen nennenswert zu verringern. Die tellerfederartigen Dichtungen sind ihrerseits teuer, relativ empfindlich gegen axiale Verschiebungen und sehr verschleißempfindlich.
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Ein verbessertes Dichtungssystem ist beispielsweise aus der
DE 103 51 583 A1 bekannt. Das Dichtungssystem dient dabei zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil einer Gasturbine. Das Dichtungssystem umfasst eine Bürstendichtung, welche einen in einer Nut des ersten Bauteils angeordneten ersten Endbereich und einen an einer Dichtfläche des zweiten Bauteils anliegenden zweiten Endbereich aufweist. Die Nut erlaubt dabei eine besonders einfache Montage und Demontage der Bürstendichtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dichtungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine erhöhte Zuverlässigkeit auch unter stark wechselnden Betriebszuständen besitzt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit einem derartigen Dichtungssystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Dichtungssystems zu schaffen.
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Dichtungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Gasturbine gemäß Patentanspruch 11 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungssystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Dichtungssystem als vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasturbine und des Verfahrens anzusehen sind. Umgekehrt sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasturbine bzw. des Verfahrens auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Dichtungssystems zu betrachten.
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Bei einem erfindungsgemäßen Dichtungssystem ist ein Haltelement vorgesehen, welches einen Anschlag für den ersten Endbereich der Bürstendichtung bildet und die Bürstendichtung gegen ein Herausfallen aus der Nut sichert. Im Unterschied zum Stand der Technik, gemäß welchem die Bürstendichtung lediglich in die Nut eingesteckt und gegebenenfalls durch einen Presssitz in der Nut festgelegt wird, erlaubt das Halteelement eine wesentlich höhere Betriebssicherheit des Dichtungssystems auch unter stark wechselnden thermischen und mechanischen Einflüssen. Zur Montage des Dichtungssystems kann die Bürstendichtung einfach in die Nut eingesteckt und anschließend mit Hilfe des Halteelements vor einem Herausfallen aus der Nut gesichert werden. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass das Halteelement jegliche Relativbewegung zwischen der Bürstendichtung und den die Nut begrenzenden Wänden des ersten Bauteils verunmöglicht. Alternativ kann das Halteelement derart ausgebildet bzw. angeordnet sein, dass gewisse Relativbewegungen der Bürstendichtung innerhalb der Nut gestattet sind und lediglich das vollständige Herausbewegen der Bürstendichtung aus der Nut verunmöglicht ist. Die Nut selbst ist vorzugsweise von rechteckigem Querschnitt, kann jedoch grundsätzlich auch abweichende Querschnittsgeometrien, beispielsweise eine Trapezform oder zur Öffnung hin geschrägte oder gebogene Wände, aufweisen. Die Dichtwirkung des Dichtungssystems wird durch das Drahtpaket der Bürstendichtung erzeugt, indem anströmendes Gas gezwungen wird, durch das Drahtpaket zu strömen. Dieser Gasstrom bewirkt dabei eine Verdichtung des Drahtpakets und erhöht somit automatisch die Dichtwirkung der Bürstendichtung, indem die Freiräume zwischen den Drähten geschlossen werden. Die Drahtpakete der Bürstendichtung können grundsätzlich relativ leicht verformt werden, so dass eine hohe Dichtwirkung der Dichteinrichtung auch unter wechselnden Betriebsbedingungen – beispielsweise aufgrund schwankender Umgebungstemperaturen und -drücke sowie bei thermisch oder mechanisch verformten Dichtflächen – zuverlässig gewährleistet ist. Die mit Hilfe des Dichtungssystems abgedichteten Bauteile können problemlos in Hochtemperaturbereichen verwendet werden, da keine Schraubverbindungen oder dergleichen erforderlich sind. Des Weiteren kann die Bürstendichtungen leicht montiert und demontiert werden, wodurch sich entsprechende Kostenvorteile bei Herstellung und Reparatur der Bauteile bzw. des Dichtungssystems ergeben. Weitere Kostenvorteile ergeben sich, da eine zuverlässige Abdichtung auch zwischen Bauteilen mit unregelmäßigen Oberflächen erzielt werden kann. Beispielsweise können mit Hilfe der Bürstendichtung auch Gussoberflächen ohne Nachbearbeitung und Glättung zuverlässig abgedichtet werden. Darüber hinaus besitzen Bürstendichtungen ein sehr geringes Gewicht sowie einen geringen Bauraumbedarf, wodurch die mit Hilfe des Dichtungssystems abgedichteten Bauteile einfacher an unterschiedliche Anforderungsprofile und Einsatzzwecke angepasst werden können. Weitere Vorteile liegen in einem geringen Verschleiß an der Dichtstelle.
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Indem das Halteelement als Halteblech ausgebildet ist kann die Bürstendichtung besonders einfach, kostengünstig und betriebssicher in der Nut gehalten werden. Des Weiteren kann das Halteblech einfach durch Umbiegen oder Bördeln montiert werden.
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Eine besonders einfache Sicherung der Bürstendichtung wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass das Halteelement am ersten Bauteil festgelegt ist und/oder eine Wulst des ersten Bauteils umgreift und/oder hakenförmig ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bürstendichtung ein Drahtpaket umfasst, welches um einen Kerndraht gewickelt und mittels eines Klemmrohrs am Kerndraht festgelegt ist. Eine derartige Bürstendichtung ist flexibel, einfach und kostengünstig herstellbar. Je nach Einsatzzweck der abzudichtenden Bauteile können die Drähte des Drahtpakets beispielsweise aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung und/oder aus einem nicht-metallischen Material, beispielsweise aus Aramid, bestehen, wodurch die Dichteinrichtung optimal anpassbar ist. Weiterhin kann die Länge des Drahtpakets besonders einfach variiert werden, so dass räumlich beliebig ausgeführte Bauteilgeometrien abgedichtet werden können.
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Indem das Halteelement am Klemmrohr anliegt ist die Bürstendichtung auf konstruktiv besonders einfache und kostengünstige Weise gegen Relativbewegungen in der Nut lagegesichert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Wand der Nut eine Anlagefläche für das Drahtpaket der Bürstendichtung bildet. Hierdurch ist auf konstruktiv einfache Weise sichergestellt, dass die Bürstendichtung auch unter wechselnden Innen- und Außendruckverhältnissen zuverlässig abdichtet und vor übermäßigen Biegemomenten geschützt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass einander gegenüberliegende Wände der Nut im Querschnitt unterschiedlich lang sind. Hierdurch kann das Dichtungssystem besonders einfach an typischerweise während des Betriebs einer zugeordneten Vorrichtung auftretende Druckdifferenzen angepasst werden, da die längere Wand – beispielsweise beim Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz – als große Anlagefläche für das Drahtpaket der Bürstendichtung fungieren kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Bürstendichtung ringförmig und/oder segmentiert ausgebildet ist. Hierdurch kann das Dichtungssystem besonders einfach an unterschiedliche Ausgestaltungen der abzudichtenden Bauteile angepasst werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Drahtpaket der Bürstendichtung in einem Winkel zwischen 10° und 90° zu seiner zugeordneten Dichtfläche angeordnet ist. Unter einem Winkel zwischen 10° und 90° sind dabei insbesondere Winkel von 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85° oder 90° sowie entsprechende Zwischenwinkel zu verstehen. Der Winkel kann dabei grundsätzlich mit oder gegen den Uhrzeigersinn ermittelt werden. Mit Hilfe einer derartigen Bürstendichtung können thermisch oder mechanisch induzierte Relativbewegungen der Bauteile aufgrund der Nachgiebigkeit der Drähte besonders gut ausgeglichen werden. Darüber hinaus ist hierdurch eine einfache Anpassbarkeit an unterschiedliche Bauteilgeometrien gegeben.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil einem statischen und/oder dynamischen System einer Gasturbine zugehören. Bei statischen Systemen stehen die beiden Bauteile absolut oder relativ zueinander still. In einem dynamischen System werden beide Bauteile mit gleicher oder unterschiedlicher Richtung sowie mit gleicher oder unterschiedlicher Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt. Der Spalt zwischen beiden Bauteilen kann daher relativ stillstehen oder räumlich und/oder zeitlich variieren. Eine Abdichtung zwischen zwei Bauteilen, die absolut oder relativ zueinander stillstehen, wird auch als statische oder quasistatische Dichtung bezeichnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit wenigstens einem Dichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem vorgestellten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Gasturbine und umgekehrt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Bauteil als Turbinengehäuse und/oder als Axiallager und/oder das zweite Bauteil als Leitschaufelkranz und/oder als Rotor ausgebildet. Hierdurch können die vorstehend geschilderten Vorteile des Dichtungssystems variabel sowohl bei bewegten als auch bei unbewegten Strukturen erzielt werden, wodurch die jeweiligen Leckagen erheblich verringert werden. Durch die verbesserte Abdichtung der Bauteile wird im Gegenzug der Wirkungsgrad der Gasturbine signifikant gesteigert.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Nut und/oder die Bürstendichtung bezüglich einer Drehachse eines Rotors der Gasturbine axial angeordnet ist. Insbesondere wenn die beiden Bauteile relativ hohen Relativ-Verschiebungen unterliegen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Bürstendichtung nicht radial, sondern axial einzusetzen. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Bürstendrähte verbogen werden könnten. Axial sind die Relativ-Verschiebungen entsprechend gering, so dass das Dichtungssystem eine erhöhte Lebensdauer besitzt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtungssystems, insbesondere für eine Gasturbine, bei welchem zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil ein erster Endbereich einer Bürstendichtung in einer Nut des ersten Bauteils angeordnet wird, wobei ein zweiter Endbereich der Bürstendichtung an einer Dichtfläche des zweiten Bauteils anliegt. Dabei wird eine erhöhte Zuverlässigkeit des Dichtungssystems auch unter stark wechselnden Betriebszuständen erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass mittels eines Haltelements ein Anschlag für den ersten Endbereich gebildet und die Bürstendichtung gegen ein Herausfallen aus der Nut gesichert wird. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem bzw. der erfindungsgemäßen Gasturbine vorgestellten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Halteelement ein Halteblech verwendet wird, welches durch Umbiegen und/oder Bördeln am ersten Bauteil festgelegt wird. Dies stellt eine konstruktiv einfache, schnelle und kostengünstige Möglichkeit dar, um die Bürstendichtung herausfallsicher in der Nut zu halten.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 einen schematischen und ausschnittsweisen Längsschnitt einer Gasturbine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 gezeigten Details II;
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3 einen schematischen und ausschnittsweisen Längsschnitt der Gasturbine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 eine vergrößerte Ansicht des in 3 gezeigten Details IV; und
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5 einen schematischen und ausschnittsweisen Längsschnitt der Gasturbine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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1 zeigt einen schematischen und ausschnittsweisen Längsschnitt einer Gasturbine 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden, welche eine vergrößerte Ansicht des in 1 gezeigten Details II zeigt. Der grundsätzliche Aufbau der Gasturbine 10 ist dabei aus dem Stand der Technik bekannt und wird nicht näher erläutert werden. Die Gasturbine 10 umfasst ein Dichtungssystem 12 zur Abdichtung eines Spalts 14 zwischen einem ersten, als Turbinengehäuse ausgebildetem Bauteil 16a und einem zweiten Bauteil 16b. Das zweite Bauteil 16b ist vorliegend als speichenzentrierter integraler Leitschaufelkranz (Vanering) ausgebildet. Das Bauteil 16a weist mehrere Drosselbohrungen 17 auf. Das Dichtungssystem 12 umfasst eine Bürstendichtung 18, welche einen in einer Nut 20 des ersten Bauteils 16a angeordneten ersten Endbereich 18a und einen an einer Dichtfläche 22 des zweiten Bauteils 16b anliegenden zweiten Endbereich 18b aufweist. Die Bürstendichtung 18 ist vorliegend ringförmig ausgebildet, kann alternativ aber auch aus mehreren Ringsegmenten bestehen. Zur Verbesserung der Betriebssicherheit der Bürstendichtung 18 ist ein als Halteblech ausgebildetes Haltelement 24 vorgesehen ist, welches einen Anschlag für den ersten Endbereich 18a bildet und die Bürstendichtung 18 gegen ein Herausfallen aus der Nut 20 sichert. Zu diesem Zweck verringert das Halteelement 24 eine lichte Höhe H der Nut 20, so dass der erste Endbereich 18a, welcher einen größeren Durchmesser als die verbleibende lichte Höhe H besitzt, nicht mehr aus der Nut 20 herausbewegt werden kann. Die Bürstendichtung 18 ist damit herausfallsicher in der Nut 20 gehalten. Das Halteelement 24 ist seinerseits am ersten Bauteil 16a festgelegt, indem es zunächst in hakenförmigem Zustand in die Nut 20 eingebracht und anschließend gemäß dem in 2 gezeigten Pfeil IIa um eine Wulst 26 des ersten Bauteils 16a umgebogen bzw. gebördelt wird, bis es die Wulst 26 umgreift und am ersten Bauteil 16a festgelegt ist. Die initiale Hakenform ist vorliegend aus Gründen des verfügbaren Bauraums erforderlich. Falls möglich kann das Halteelement 24 aber natürlich zunächst in länglicher Form in die Nut 20 eingeführt und anschließend zweimal umgebogen werden.
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Das Halteelement 24 ist bereichsweise innerhalb der Nut 20 angeordnet, berührt die Bürstendichtung 18 in der gezeigten Stellung jedoch nicht. Hierdurch kann sich die Bürstendichtung 18 innerhalb der Nut 20 geringfügig bewegen, wodurch beispielsweise thermisch oder mechanisch induzierte Spannungen abbaubar sind. Die Nut 20 ist im gezeigten Beispiel von rechteckigem Querschnitt.
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In ihrem Endbereich 18a umfasst die Bürstendichtung 18 ein Drahtpaket 28, welches um einen Kerndraht 30 gewickelt und mittels eines Klemmrohrs 32 am Kerndraht 30 festgelegt ist. Die Drahtspitzen des Drahtpakets 28 der Bürstendichtung 18 liegen im Wesentlichen senkrecht auf der zugeordneten Dichtfläche 22 des zweiten Bauteils 16b an und zwingen anströmende Gase, durch das Drahtpaket 28 der Bürstendichtung 18 zu strömen. Dieser Gasstrom bewirkt eine Verdichtung des Drahtpakets 28 und erhöht somit automatisch die Dichtwirkung der Bürstendichtung 18. Die Drahtpakete 28 der Bürstendichtung 18 bestehen vorliegend aus einer hochtemperaturfesten Metalllegierung und können leicht verformt werden, so dass die Dichtwirkung des Dichtungssystems 12 auch unter stark wechselnden Betriebsbedingungen zuverlässig gewährleistet ist. Die Bauteile 16a, 16b können daher relativ zueinander bewegt werden, ohne dass es zu einer Erhöhung der Leckageströmung durch den Spalt 14 kommen würde. Alternativ oder zusätzlich kann die Bürstendichtung 18 auch nicht-metallische Drähte bzw. Drahtpakete 28 umfassen. Um hohe Relativverschiebungen zwischen den Bauteilen 16a, 16b zu erlauben, ist die Bürstendichtung 18 nicht in eine radiale, sondern in eine axial bezüglich einer Drehachse eines Rotors (nicht gezeigt) der Gasturbine 10 verlaufende Nut 20 eingesetzt. Die Drahtpakete 28 werden somit während des Betriebs der Gasturbine 10 nicht nennenswert verbogen, so dass einerseits eine gute Dichtwirkung und andererseits eine lange Lebensdauer des Dichtungssystems 12 sichergestellt werden.
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Wie in 2 erkennbar ist, sind die einander gegenüberliegenden Wände 20a, 20b der Nut 20 im Querschnitt unterschiedlich lang ausgebildet. Die radial äußere Wand 20a, welche im gezeigten Beispiel länger als die radial innere Wand 20b ist, dient als Anlagefläche für das Drahtpaket 28 der Bürstendichtung 18. Bei großen Druckdifferenzen wird damit verhindert, dass die Bürstendichtung 18 den Kontakt mit der Dichtfläche 22 verliert und die Dichtwirkung aufgehoben wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die radial innere Wand 20b und/oder das Halteelement 24 als Anlage- bzw. Stützfläche fungieren.
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3 zeigt einen schematischen und ausschnittsweisen Längsschnitt der Gasturbine 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und wird in Zusammenschau mit 4 erläutert werden, welche eine vergrößerte Ansicht des in 3 gezeigten Details IV zeigt. Der grundlegende Aufbau der Gasturbine 10 entspricht demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, wobei zusätzlich eine Laufschaufel 34 eines stromab des Bauteils 16b (Vanerings) angeordneten Rotors erkennbar ist. Der Aufbau des Rotors bzw. der Laufschaufel 34 ist dem Fachmann ebenfalls aus dem Stand der Technik geläufig. Wie insbesondere in 4 erkennbar ist, sind die gegenüberliegenden Wände 20a, 20b der Nut 20 im vorliegenden Beispiel nicht rechtwinklig ausgebildet, sondern verlaufen bereichsweise schräg bezüglich einer Drehachse des Rotors. Ein weiterer Unterschied zum vorhergehenden Beispiel besteht darin, dass das Halteelement 24 unmittelbar am Klemmrohr 32 bzw. an der Bürstendichtung 18 anliegt und somit Relativbewegungen der Bürstendichtung 18 innerhalb der Nut 20 grundsätzlich unterbindet. Weiterhin beschränkt das Halteelement 24 in Abhängigkeit seiner Dicke die Drehbarkeit der Bürstendichtung um den als Drehachse fungierenden Kerndraht 30, so dass eine besonders zuverlässige Anlage des Drahtpakets 28 an der Dichtfläche 22 des zweiten Bauteils 16b gewährleistet ist.
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5 zeigt einen schematischen und ausschnittsweisen Längsschnitt der Gasturbine 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Auch hier entspricht der grundsätzliche Aufbau der Gasturbine 10 dem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Im Unterschied zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist das als Turbinengehäuse ausgebildete Bauteil 16a im Bereich des Dichtungssystems 12 mit einem weiteren Gehäusesegment 16a' verschraubt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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