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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung und ein Verfahren zum Dichten eines ersten und eines zweiten Raumes gegeneinander.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Dichtungsanordnungen für Turbomaschinen, insbesondere Gas- oder Dampfturbinen oder Pumpen, bekannt, in denen ein Dichtelement vorgesehen ist. Das Dichtelement dient zum Abdichten eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Stator, so dass ein Fluidstrom von einem ersten Raum über den Spalt in einen zweiten Raum oder umgekehrt verhindert oder wenigstens reduziert wird.
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Hierzu ist es grundsätzlich bekannt, Berührungsdichtungen oder berührungslose Dichtungen zum Abdichten des Spalts zu verwenden. Unter Berührungsdichtungen werden dabei insbesondere Dichtungen wie beispielsweise Gleitringdichtungen und Bürstendichtungen verstanden, bei denen ein statordrehfestes Dichtelement in Reibkontakt mit einem Rotor oder ein rotordrehfestes Dichtelement in Reibkontakt mit einem Stator ist. Als berührungslose Dichtungen werden entsprechend insbesondere Spaltdichtungen, Labyrinthdichtungen oder hydraulische Dichtungen verwendet, bei denen kein Reibkontakt zwischen einem Rotor und einem Dichtelement besteht.
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Die
DE 10 2007 060 890 offenbart eine hydraulische Dichtung zum Abdichten eines Niederdruckbereichs von einem Hochdruckbereich eines Strahltriebwerks. Die hydraulische Dichtung weist einen Einsatz auf, der an einer Welle drehfest angebracht ist und mittels dem bei einem Drehen der Welle eine Fliehkraft auf das Öl ausgeübt wird. Des Weiteren weist die hydraulische Dichtung einen von einer Gehäusewand vorstehenden Vorsprung und eine an der Welle angebrachte Ringscheibe auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen ersten und einen zweiten Raum gegeneinander abzudichten. Dabei kann unter einem Abdichten insbesondere eine vollständige Abdichtung, die eine Strömung von Fluid, insbesondere Flüssigkeit wie beispielsweise Öl, von dem einen in den anderen Raum vollständig verhindert, oder auch eine Abdichtung verstanden werden, die einen solchen Fluidübertritt nur reduziert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 11 stellt ein Verfahren zum Dichten mittels einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung unter Schutz. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein am Rotor angebrachtes, insbesondere drehfest mit diesem verbundenes oder einstückig mit diesem ausgebildetes, Rotordichtelement an der Umfangsfläche wenigstens teilweise schrauben- bzw. spiralförmig ausgebildet.
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Eine vorteilhafte Wirkung einer schraubenförmigen Ausbildung des Rotordichtelements kann darin bestehen, dass aufgrund der schraubenförmigen Ausbildung des Rotordichtelements auf einen größeren Fluidbereich, wie z. B. einen Ölbereich, eine Kraft ausgeübt wird, als dies bei einer Verwendung des zuvor genannten bekannten Einsatzes möglich ist, da die mit dem Fluid in Kontakt stehende Fläche des schraubenförmig ausgebildeten Rotordichtelements größer ist als die mit dem Fluid in Kontakt stehende Fläche des bekannten Einsatzes. Im Ergebnis kann so die Dichtungseigenschaft des Rotordichtelements verbessert werden.
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Zusätzlich kann in einer bevorzugten Ausführung eine Steigung der schraubenförmigen Umfangsfläche derart sein, dass bei drehendem Rotordichtelement eine Förderwirkung hin zu dem einen der beiden gegeneinander abzudichtenden Räume, vorzugsweise dem Raum, in dem ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit aufgenommen ist, deren Übertritt in den anderen Raum verhindert oder reduziert werden soll, auf dieses Fluid ausgeübt wird. Beispielsweise kann die Steigung der wenigstens teilweise schraubenförmigen Umfangsfläche zu einem Raum hin gerichtet sein, der als Lagerkammer ausgebildet ist, in der Öl aufgenommen ist, welches nicht in einen angrenzenden Raum, beispielsweise einen Strömungskanal einer Turbomaschine, gelangen soll.
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Ein Vorteil der Erfindung kann somit darin liegen, dass aufgrund der schraubenförmigen Ausbildung des Rotordichtelementes bei einer Drehung des Rotors die Richtung, in der das Fluid zurückgedrängt wird, gesteuert bzw. vorgegeben werden kann, indem das schraubenförmige Rotordichtelement derart ausgebildet ist, dass es eine Kraft auf das Fluid ausübt, die derart gerichtet ist, dass das Fluid in den das Fluid enthaltenen Raum zurückgedrängt wird. Im Ergebnis wird eine Förderrichtung des Fluids erreicht, die weg vom Rotordichtelement gerichtet ist.
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Das Rotordichtelement weist aufgrund der schraubenförmigen Ausbildung vorteilhafterweise einen höheren Strömungswiderstand auf, so dass auch bei einem Stillstand des Rotors kein oder weniger Fluid aus dem fluidenthaltenen Raum austreten kann.
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Im Ergebnis kann durch die Verwendung einer Schraubenform für das Rotordichtelement die Dichtungseigenschaft des Rotordichtelements bei einer Drehung des Rotors und/oder bei einem Stillstand des Rotors verbessert werden.
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Unter einem Rotordichtelement, das an seiner Umfangsfläche schrauben- bzw. spiral- bzw. schneckenförmig ausgebildet ist, wird vorliegend insbesondere ein Rotordichtelement verstanden, das einen Kanal aufweist, der entlang der Axialrichtung des Rotordichtelements um dieses herum gewunden ist. Der Kanal erstreckt sich vorzugsweise von einem weiteren Rotordichtelement, zum Beispiel einer Bürstendichtung, in Richtung zu einem das abzudichtende Fluid enthaltenden ersten und/oder zweiten Raum.
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Das Rotordichtelement ist vorzugsweise in einem ersten Raum angeordnet, in dem sich eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, befindet. Bevorzugt ist zumindest ein Teilabschnitt des Rotordichtelements mit der Flüssigkeit in Kontakt. Das Rotorelement kann als separates Bauteil an dem Rotor angebracht sein oder mit dem Rotor einstückig ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist neben dem Rotordichtelement ein weiteres Dichtelement vorgesehen, das beispielsweise am Stator angebracht und relativ zum Rotor drehfest sein kann. Das weitere Dichtelement ist strömungstechnisch vorzugsweise zwischen dem Rotordichtelement und einem zweiten Raum vorgesehen, wobei in dem zweiten Raum vorzugsweise ein gasförmiges Fluid, wie beispielsweise Luft, vorhanden ist. Das weitere Dichtelement kann beispielsweise als Bürstendichtung, Gleitringdichtung, Labyrinthdichtung oder als eine andere Dichtung ausgebildet sein. Durch die Verwendung des weiteren Dichtelements wird das Abdichten des sich zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten Spalts verbessert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass ein abzudichtender Spalt zwischen dem Rotor und einer Halterung für das weitere Dichtelement ausgebildet ist. Die Halterung für das weitere Dichtelement kann an einem Gehäuse angebracht sein und weist vorzugsweise einen Abschnitt auf, der im Wesentlichen parallel zu dem Rotor und dem Rotordichtelement verläuft. Ein solcher abzudichtender Spalt, der zwischen diesem Abschnitt der Halterung und dem Rotor ausbildet ist, ist vorteilhafterweise kleiner als ein Spalt zwischen einem Gehäuse und dem Rotor. Da der Spalt klein ist, kann dieser leichter durch das Rotordichtelement abgedichtet werden.
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In einer Ausführungsform, in der keine Halterung vorgesehen ist, kann der Spalt zwischen dem Rotor und einem Gehäuse ausgebildet sein. Das Gehäuse ist vorzugsweise ein Gehäuse, das den Strömungskanal einer Turbomaschine definiert.
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In einer bevorzugten Ausführung wird eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung in einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine wie vorzugsweise einem Flugtriebwerk, oder einer Dampfturbine oder einer Pumpe verwendet, insbesondere, um eine Lagerkammer und einen Luft- bzw. Dampfkanal gegeneinander abzudichten. Ein abzudichtender Spalt ist vorzugsweise ein Radialspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der sich axial und/oder radial zwischen dem ersten und dem zweiten Raum erstreckt.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt die einzige:
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1: eine schematische Darstellung einer Dichtungsanordnung mit zwei Dichtelementen nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Die in 1 gezeigte Dichtungsanordnung 1 weist einen Rotor 11 und einen Stator 10 auf. Bei dem Rotor 11 handelt es sich beispielsweise um eine Welle, die beispielsweise wenigstens eine Laufschaufel (nicht dargestellt) eines Flugtriebwerkes trägt.
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In der Dichtungsanordnung 1 ist ein primäres, d. h. einem abzudichtenden Fluid zugewandtes, Rotordichtelement 2 und ein weiteres Dichtelement 3 vorgesehen.
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Das Rotordichtelement 2 und das weitere Dichtelement 3 dienen zum Abdichten eines ersten und zweiten Raums R1, R2, in denen unterschiedliche Drücke vorherrschen und innerhalb derer sich teilweise unterschiedliche Fluide befinden. Bei dem ersten Raum R1 handelt es sich beispielsweise um eine Lagerkammer, wobei das Lager in 1 nicht dargestellt ist. Innerhalb des ersten Raums R1 befindet sich beispielsweise ein Öl-Luft-Gemisch oder ein anderes Gas-Flüssigkeitsgemisch. Bei dem zweiten Raum R2 handelt es sich beispielsweise um einen Strömungskanal, der einer nicht weiter dargestellten Turbinenstufe in Strömungsrichtung gesehen nachgeschaltet ist. Innerhalb des zweiten Raum R2 befindet sich beispielsweise Luft oder ein anderes Gas, die bzw. das einen höheren Druck aufweist als die Luft bzw. ein anderes Gas innerhalb des ersten Raums R1.
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Das Rotordichtelement 2 ist an seiner Umfangsfläche zumindest teilweise schrauben- bzw. spiral- bzw. schneckenförmig ausgebildet und weist einen Außendurchmesser auf, der wenigstens im Wesentlichen einem Außendurchmesser des Rotors 11 entspricht. Das Rotordichtelement 2 ist bezüglich des Rotors 11 derart angeordnet, dass eine Außenfläche 21 des Rotordichtelements 2 bündig zu einer Außenfläche 11' des Rotors 11 ist. Das Rotordichtelement 2 kann als separates Bauteil, das mit dem Rotors 11 verbunden ist, oder mit dem Rotor 11 einstückig ausgebildet sein. Das Rotordichtelement 2 ist innerhalb des ersten Raums R1 derart angeordnet, dass es mit dem im ersten Raum R1 vorhandenen Fluid in Kontakt ist. Insbesondere ist das Rotordichtelement 2 mit der im ersten Raum R1 vorhandenen Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, in Kontakt. Natürlich können innerhalb des ersten Raums R1 auch andere Flüssigkeiten als Öl vorhanden sein.
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Das weitere Dichtelement 3 ist strömungstechnisch bzw. axial zwischen dem zweiten Raum R2 und dem Rotordichtelement 2 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das weitere Dichtelement 3 als eine Bürstendichtung ausgebildet und wird im Folgenden derart bezeichnet.
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Die Borsten der Bürstendichtung werden durch eine drehfeste Halterung 30 gehalten. Die Halterung 30 weist einen Deckel 31 und ein Stützelement 32 auf und ist in einer Aussparung des Gehäuses 10 angeordnet. Das Stützelement 32 weist einen ersten Abschnitt 321, der zum Stützen der Borsten dient und sich in einer Richtung von dem Gehäuse 10 zu dem Rotor 11 erstreckt. Des Weiteren weist das Stützelement 32 einen zweiten Abschnitt 322 auf, der in den ersten Raum R1 ragt. Insbesondere erstreckt sich der zweite Abschnitt 322 von dem Ende des ersten Abschnitts 321, das von dem Gehäuse 10 entfernt ist. Die Erstreckung des zweiten Abschnitts 322 von dem ersten Abschnitt 321 ist derart, dass die zu dem Rotor 11 und zu dem Rotordichtelement 2 weisende Fläche des zweiten Abschnitts 322 dem Rotor 11 und dem Rotordichtelement 2 gegenüberliegt und im Wesentlichen parallel zu diesen ist. Zwischen dem zweiten Abschnitt 322 des Stützelements 32 und dem Rotor 11 ist somit ein abzudichtender Spalt 13 ausgebildet.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform, in der nur das Rotordichtelement 2 vorgesehen ist, kann der abzudichtende Spalt 13 zwischen dem Gehäuse 10 selbst und dem Rotor 11 ausbildet sein, oder auch zwischen dem Rotor 11 und einer ähnlichen Halterung, die zum Verkleinern des Spalts 13 vorgesehen ist.
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Die vom Rotor 11 entfernten Enden der Borsten sind innerhalb eines Aufnahmeraums 36, der sich zwischen dem Deckel 31 und dem ersten Abschnitt 321 des Stützelements 32 ausbildet, um einen Kernring 34 gebogen. Die gebogenen Enden der Borsten werden mittels eines Klemmrohrs 35 an dem Kernring 34 befestigt, wobei sich das Klemmrohr 35 ebenfalls innerhalb des Aufnahmeraums 36 befindet. Das Klemmrohr 35 weist an seiner zu dem Rotor 11 weisenden Seite einen Umfangsschlitz auf, durch den die Borsten gehen. Die Borsten der Bürstendichtung liegen an einer Seite an dem ersten Abschnitt 321 des Stützelements 32 an und sind länger ausgebildet als der erste Abschnitt 321 des Stützelements 32. Somit wird das zu dem zweiten Raum R2 gerichtete Ende des Spalts 13 durch die Borsten von dem zweiten Raum R2 getrennt und somit abgedichtet.
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Im Folgenden wird der Dichtungsvorgang beim Betrieb einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine wie beispielsweise einem Flugtriebwerk kurz beschrieben.
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Während des Betriebs dreht sich der Rotor 11 und damit auch das Rotordichtelement 2. Infolge der Drehung des Rotordichtelements 2 wird auf das mit dem Rotordichtelement 2 in Kontakt stehende Fluid, das sich innerhalb des ersten Raums R1 befindet, eine Fliehkraft ausgeübt. Die Fliehkraft bewirkt, dass das Fluid in radialer Richtung zu einer Drehachse des Rotors 11 zum zweiten Abschnitt 322 des Stützelements 32 gedrängt wird. Im Ergebnis bildet sich zwischen dem zweiten Abschnitt 322 des Stützelements 32 und dem Rotor 11 ein Fluidfilm aus, der eine abdichtende Funktion zwischen dem ersten Raum R1 und dem zweiten Raum R2 und somit dem Spalt 13 ausübt. Der Fluidfilm verhindert oder erschwert, dass ein Fluid aus dem ersten Raum R1, wie beispielsweise Öl, über den Spalt 13 in den zweiten Raum R2 strömt.
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Die Schraubenform des Rotordichtelements 2 ist derart ausgebildet, dass eine Kraft auf das Fluid wirkt, die eine Komponente in Richtung zum ersten Raum R1 hin aufweist. Somit wird bei einer Drehung des Rotors 11 ein Fluidtransport in Richtung zum ersten Raum R1 erreicht, d. h. eine Strömung bzw. Förderwirkung von der Dichtstelle weg zum ersten, die Flüssigkeit aufnehmenden Raum R1 hin aufgeprägt.
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Die Bürstendichtung verhindert während des Betriebs der Turbomaschine, dass das Fluid aus dem zweiten Raum R2 über den Spalt 13 in den ersten Raum R1 strömt. Es sei angemerkt, dass auch bei einer nicht dargestellten Ausführungsform, in der keine Bürstendichtung vorgesehen ist, durch den Fluidfilm ein Fluidstrom von dem zweiten Raum R2 in den ersten Raum R1 verhindert bzw. reduziert werden kann.
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Bei einem Stillstand des Rotors 11 wird durch den höheren Strömungswiderstand, der sich aufgrund der schraubenförmigen Ausbildung des Rotors 11 ergibt, eine Fluidströmung aus dem ersten in den zweiten Raum R1, R2 oder umgekehrt verhindert bzw. reduziert.
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Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 1 wurde vorstehend unter Bezug auf eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine beschrieben. Jedoch kann die Dichtungsanordnung 1 in allen Vorrichtungen verwendet werden, in denen ein abzudichtender Spalt zwischen einem Rotor und einem Stator vorhanden ist, wobei ein Übertreten oder Durchmischen von Fluiden auf verschiedene Seiten des Dichtelements verhindert bzw. reduziert werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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