DE102012105477B4

DE102012105477B4 - Bürstendichtung

Info

Publication number: DE102012105477B4
Application number: DE102012105477.0A
Authority: DE
Inventors: Xiaoqing Zheng; Bernard Arthur Couture Jr.; Michael John Bowman; William Edward Adis; Michael Dennis Mack; Kim James Clark
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2032-06-23
Also published as: RU2012128914A; FR2976996A1; FR2976996B1; US20120326393A1; DE102012105477A1

Abstract

Dichtung, die aufweist:eine Borstenpackung (500, 600, 800, 900, 1000), die eine erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) und eine zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) aufweist, wobei die Borstenpackung (500, 600, 800, 900, 1000) wenigstens ein Segmentende (601, 602, 901, 902, 1001, 1002) aufweist;wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) konfiguriert ist, um die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) im Wesentlichen zu umgeben, wobei wenigstens eine Borste der ersten Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) einen ersten Durchmesser aufweist;wobei die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) im Wesentlichen in einem Mittelabschnitt der Borstenpackung (500, 600, 800, 900, 1000) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Borste der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) einen zweiten Durchmesser aufweist;wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und die Borsten der ersten Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012), die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes (601, 602, 901, 902, 1001, 1002) angeordnet sind, konfiguriert sind, um die Borsten der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) zu schützen, die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes (601, 602, 901, 902, 1001, 1002) angeordnet sind; gekennzeichnet durcheine dritte Borstenlage (516, 616, 816, 916, 1016), die benachbart zu der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Borste der dritten Borstenlage (516, 616, 816, 916, 1016) einen dritten Durchmesser aufweist, wobei der dritte Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein die Beschränkung der Strömung eines Fluids zwischen zwei unter Druck stehenden Kammern und insbesondere eine Bürstendichtung zur Beschränkung einer Strömung eines Fluids zwischen zwei unter Druck stehenden Kammern einer Turbomaschine.
Turbomaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen und Dampfturbinen, verwenden mit Schaufeln versehene Rotoren in einem Turbinenabschnitt, um thermodynamische Energie aus den Fluiden, wie beispielsweise unter Druck stehendem Dampf, Druckluft und Verbrennungsgasen, in mechanische Energie zur Drehung einer oder mehrerer zentral montierter Wellen umzuwandeln. Die Wellen wiederum liefern Leistung für ein Flugzeug, schweres Gerät, Wasserfahrzeuge und elektrische Stromgeneratoren. Die Schnittstellen zwischen benachbarten Maschinenkomponenten in Turbomaschinen werden auf verschiedene Weise abgedichtet, um eine Leckage von Fluiden, wie beispielsweise dem unter Druck stehenden Dampf, der Druckluft und den Verbrennungsgasen, zu beschränken. Es gibt viele Schnittstellen zwischen umlaufenden und stationären Komponenten in derartigen Turbomaschinen. Eine Abdichtung dieser Schnittstellen stellt aufgrund der übermäßig hohen Fluidtemperaturen und Drücke, kombiniert mit einer relativen axialen und/oder radialen Bewegung zwischen den Maschinenkomponenten, Herausforderungen dar. Im Allgemeinen wird eine Abdichtung dieser Schnittstellen vorgenommen, indem verschiedene Arten von Dichtungen, wie beispielsweise Labyrinthdichtungen und Wabendichtungen, verwendet werden.
Eine Bürstendichtung ist eine hoch entwickelte Dichtung, die eine Alternative zu Labyrinth- oder Wabendichtungen bietet. Die Bürstendichtung umfasst tausende von dicht gepackten Drahtfilamenten (Borsten), die zwischen zwei metallischen Platten gesichert sind. Die Borsten mit einem flexiblen Ende überbrücken einen Spalt zwischen benachbarten Komponenten, und jede Relativbewegung wird durch eine Verbiegung der Borsten aufgenommen. Bürstendichtungen sind sehr effektiv, weil sie während eines normalen Betriebs ein minimales effektives Spiel aufweisen. Der gewundene Weg durch die Borsten erreicht den Beschränkungseffekt, selbst wenn der Spaltabstand sich verändert. Bürstendichtungen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen viele Vorteile. Anders als Labyrinthdichtungen sind Bürstendichtungen dazu ausgelegt, mit einem Rotor in Kontakt zu stehen, um eine kraftschlüssige Abdichtung zu erzielen.
Borsten von Bürstendichtungen sind auch für eine Verbiegung aufgrund einer Fluiddruckbelastung empfindlich. Aus diesem Grund stützen Rückplatten die Borsten entlang eines Großteils ihrer Länge. Die Borsten werden durch den Fluiddruck gegen die Rückplatte belastet, so dass auf diese Weise eine dauerhafte Verbiegung vermieden wird.
Die Rückplatte muss in einem Abstand zu dem Rotor gehalten werden, um jedes Reiben aufgrund einer Rotorauslenkung, eines relativen Versatzes oder einer Störung infolge thermischer und dynamischer Übergangsvorgänge zu vermeiden. Folglich liegen stets einige Borstenlängen vor, die ungestützt bleiben und einer Biegespannung aufgrund der Druckbelastung unterliegen. Jedoch zeigt frühere Flottenerfahrung, dass Borstenverbiegungen irgendwann die Borstenenden freisetzen, was ihre Dichtungseffektivität verringert und sie für einen weiteren Einsatz inakzeptabel macht. Eine reduzierte Bürstendichtungseffektivität vergrößert die Fluidleckage und den Brennstoffverbrauch und erhöht folglich die Betriebskosten, bis die Bürstendichtung ausgetauscht wird. Ein Ausbau und eine Demontage einer Turbomaschine für einen Bürstendichtungsaustausch ist sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig.
US 2005 / 0 006 851 A1 beschreibt eine Bürstendichtung mit einer Frontplatte, einer Rückplatte und einer zwischen der Frontplatte und der Rückplatte angeordneten Borstenpackung, die einer erste Borstenlage benachbart zu der Frontplatte und eine zweite Borstenlage zwischen der ersten Borstenlage und der Rückplatte aufweist. Zur Erhöhung der Steifigkeit der ersten Borstenlage ist diese aus Drähten mit einem größeren Durchmesser (z.B. 0,1524 mm (0,006 Zoll)) als der Durchmesser (z.B. 0,0711 mm (0,0028 Zoll)) der Drähte der zweiten Borstenlage ausgebildet.
US 5 752 805 A beschreibt eine Bürstendichtung mit einer Borstenpackung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1. Die erste Borstenlage mit relativ größerem Borstendurchmesser ist auf der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Seite der zweiten Borstenlage mit dem relativ kleineren Borstendurchmesser angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Dichtung geschaffen, die eine Borstenpackung mit einer ersten Borstenlage und einer zweiten Borstenlage aufweist. Die Borstenpackung weist wenigstens ein Segmentende auf. Die erste Borstenlage ist konfiguriert, um die zweite Borstenlage im Wesentlichen zu umgeben, und wenigstens eine Borste der ersten Borstenlage weist einen ersten Durchmesser auf. Die zweite Borstenlage ist im Wesentlichen in einem Mittelabschnitt der Borstenpackung angeordnet, und wenigstens eine Borste der zweiten Borstenlage weist einen zweiten Durchmesser auf. Der erste Durchmesser ist größer als der zweite Durchmesser, und die Borsten der ersten Borstenlage, die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes angeordnet sind, sind konfiguriert, um die Borsten der zweiten Borstenlage, die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes angeordnet sind, zu schützen. Die Borstenpackung weist ferner eine dritte Borstenlage auf, die benachbart zu der zweiten Borstenlage angeordnet ist, wobei wenigstens eine Borste der dritten Borstenlage einen dritten Durchmesser aufweist, wobei der dritte Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durch die Zeichnungen hinweg kennzeichnen, worin zeigen:

1 eine Bürstendichtung nach dem Stand der Technik, die an einer Rückplatte anliegt, um eine Welle gegen eine Leckströmung aufgrund eines vorderen Differenzdrucks abzudichten;
2 eine radiale Seitenschnittansicht der Bürstendichtung gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht zu der beanspruchten Erfindung gehört;
3 eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht zu der beanspruchten Erfindung gehört;
4 eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht zu der beanspruchten Erfindung gehört;
5 eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Endansicht einer Borstenpackung entlang einer Schnittlinie A-A in 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Endansicht einer Borstenpackung gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht zu der beanspruchten Erfindung gehört;
8 eine Endansicht einer Borstenpackung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Endansicht einer Borstenpackung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 eine Endansicht einer Borstenpackung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Es sollte verstanden werden, dass den Teilen in einer Zeichnung zugewiesene Teilenummern entsprechenden Teilen in nachfolgenden Zeichnungen zugewiesen werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung 10 nach dem Stand der Technik zur Abdichtung einer umlaufenden Welle. Die Bürstendichtung 10 enthält ein Gehäuse 15 zur Montage eines Bürstenhalters 20. Das Gehäuse enthält eine Frontplatte 25 und eine Rückplatte 30 zur Anlage von Bürstendichtungsborsten 22. Die Rückplatte 30 kann Druckausgleichseinrichtungen, wie beispielsweise Umfangsnuten 32, enthalten, um die Reibung aufgrund einer Kontaktkraft zu reduzieren. Die Borsten 22 weisen eine gleichmäßige Größe auf und sind gegen die Rückplatte 30 angelegt, wenn ein höherer Druck P1 in einer ersten Kammer 40 auf einer axialen Seite der Bürstendichtung 10 in Bezug auf den Druck P2 in einer zweiten Kammer 45 auf der zweiten axialen Seite der Bürstendichtung vorliegt. Das Gehäuse ist positioniert, um die Borsten in der Nähe einer bewegbaren Welle 50 zu halten. Die Bürstendichtungsborsten 22 sind an dem Halter 20 befestigt, und die freien Enden sind in der Nähe einer Oberfläche 55 der bewegbaren Welle 50 angeordnet, um die durch diese Druckdifferenz hervorgerufene Leckströmung 60 zu reduzieren.
Erfahrung zeigt, dass Borstenverbiegungen schließlich die Borstenenden unter einer hohen Druckbelastung freisetzen, was ihre Dichtungseffektivität reduziert und sie für einen weiteren Einsatz inakzeptabel macht. In der Vergangenheit sind Borsten mit gleichmäßiger Größe und gleichmäßigem Durchmesser erzeugt worden, und Strömungsstörungen haben ein Flattern der Borsten, insbesondere der vordersten (d.h. stromaufwärtigen) oder der vorne angeordneten Borsten, hervorgerufen, das zu einem schnellen Verschleiß führte. Außerdem können die hinteren Reihen der Borstenpackung einen Bruch oder eine dauerhafte Verformung aufgrund einer hohen Biegespannung erleiden. Aufgrund der kompressiblen Eigenschaft einer Luft- oder Dampfströmung sind die hinteren Reihen (auf der stromabwärtigen Seite) einem unproportional großen Druckabfall ausgesetzt. In den meisten Fällen ist es die Biegespannung an den Borsten, die den Druckgrenzwert für die Bürstendichtungsanwendungen vorgibt. Eine reduzierte Bürstendichtungseffektivität, die durch eine ungewollte Verformung und einen Borstenbruch hervorgerufen ist, vergrößert die Fluidleckage und den Brennstoffverbrauch und erhöht folglich die Betriebskosten, bis die Bürstendichtung ausgetauscht wird. Ein Ausbau und eine Demontage einer Turbomaschine für einen Bürstendichtungsaustausch ist sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig.
Einige frühere Bürstendichtungen verwendeten dünnere Borsten in den vorderen Reihen, was den durch Flattern hervorgerufenen Verschleiß noch schlimmer macht, weil dünnere Borsten weniger stabil und für Störungen der ankommenden Strömung anfälliger sind. Felderfahrung hat gezeigt, dass diese Bürstendichtungen in Gasturbinen und Dampfturbinen durchwegs zu einem spitz zulaufenden Muster von der vorderen Reihe aus verschleißen. Eine Reduktion des Verschleißes der vorderen Reihen in Bürstendichtungen ist ein seit Langem verspürtes, jedoch ungelöstes Bedürfnis, um die Leistungsfähigkeit von Bürstendichtungen aufrechtzuerhalten. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es ein Ziel, den Verschleiß der vorderen Reihen zu reduzieren und die Biegespannung der hinteren Reihen zu reduzieren und dabei eine gute Flexibilität der Bürstendichtung aufrechtzuerhalten. Demgemäß nutzt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dicke Drähte für die vorderen Reihen und die hinteren Reihen und dünnere Drähte zwischen den vorderen und hinteren Reihen. Ein Ergebnis ist, dass eine Bürstendichtung einer höheren Druckbelastung und einer eintretenden Strömungsstörung widerstehen kann, da die dünnen Drähte in der Mitte ein dichtes Abdichtungsvermögen ergeben und die Flexibilität der Dichtung aufrechterhalten.
Die folgenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben viele Vorteile, einschließlich der Schaffung einer Bürstendichtung, die ein verbessertes Abdichtungsvermögen und eine verbesserte Dauerhaltbarkeit aufweist. 2 veranschaulicht eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung 200 zur Abdichtung einer umlaufenden Welle 250 gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht beansprucht ist. Die Bürstendichtung 200 enthält ein Gehäuse 205 zur Montage eines Bürstenhalters 220, der die Borsten 212, 214, 216 durch Schweiß-, Hartlöt-, Epoxid- oder mechanische Mittel haltern kann. Das Gehäuse enthält eine Frontplatte 235 und eine Rückplatte 230 zur Anlage der Bürstendichtungsborsten 212, 214, 216. Die Rückplatte kann mit Druckausgleichseinrichtungen, wie beispielsweise Umfangsnuten 232, beschaffen sein, um eine Reibung aufgrund von Kontaktkräften zu reduzieren. Die Borsten sind in mehrere Lagen/Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen weisen Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu anderen Borstenlagen auf. Die Größe kann den Durchmesser, die Querschnittsfläche und/oder die Steifigkeit jeder Borste in den jeweiligen Lagen oder Gruppen betreffen.
Die erste Borstenlage 212 ist benachbart zu der Rückplatte 230 angeordnet, und jede Borste aus der ersten Borstenlage 212 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Die zweite Borstenlage 214 ist benachbart zu der ersten Borstenlage 212 angeordnet, und jede Borste aus der zweiten Borstenlage 214 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Die dritte Borstenlage 216 ist benachbart zu der zweiten Borstenlage 214 angeordnet, und jede Borste aus der dritten Borstenlage 216 weist einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit auf. Die erste Borstenlage 212 weist die dicksten und/ oder steifsten Borsten auf, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die dritte Borstenlage 216 weist mittlere Borsten auf, um Störungen in der ankommenden Strömung 260 auszuhalten. Die zweite Borstenlage 214, die zwischen der ersten 212 und der dritten Lage 216 eingefügt ist, ist durch feine Borsten und/oder Borsten gebildet, die am wenigstens steifen Borsten aufweisen, um gute Abdichtungseigenschaften zwischen der ersten Kammer 240 und der zweiten Kammer 245 zu erhalten sowie um die Elastizität/Flexibilität aufrechtzuerhalten.
In einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Bürstendichtung derart zu konfigurieren, dass der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und/oder der dritte Durchmesser und/oder der dritte Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser. In anderen Anwendungen könnte der erste Durchmesser größer als oder gleich dem dritten Durchmesser sein. Außerdem kann es erwünscht sein, die Bürstendichtung derart zu konfigurieren, dass die erste Steifigkeit größer ist als die zweite Steifigkeit und/oder die dritte Steifigkeit und/oder die dritte Steifigkeit größer ist als die zweite Steifigkeit. In anderen Anwendungen könnte die erste Steifigkeit größer sein als die, gleich der oder kleiner als die dritte Steifigkeit sein. Falls dies in einer speziellen Anwendung erwünscht ist, könnte der erste Durchmesser / die erste Steifigkeit gleich dem dritten Durchmesser / der dritten Steifigkeit sein, da dies der Borstenpackung ermöglichen würde, umgeklappt zu werden, um Bürstendichtungen sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn hervorzubringen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Lage Borsten umfassen, die den kleinsten Durchmesser aufweisen, während die dritte Lage Borsten mit einem mittleren Durchmesser umfassen kann und die erste Lage Borsten mit dem größten Durchmesser umfassen kann. In einer anderen Ausführungsform kann die zweite Lage Borsten mit der geringsten Steifigkeit umfassen, während die dritte Lage Borsten mit einer mittleren Steifigkeit umfassen kann und die erste Lage Borsten mit der größten Steifigkeit umfassen kann. Diese Anordnung könnte erwünscht sein, falls die gesamte Bürstendichtungssteifigkeit ein Hauptanliegen ist. In Bürstendichtungen kann die Elastizität bzw. Flexibilität durch einen entgegengesetzten Begriff, die Steifigkeit, charakterisiert werden. Die Borstensteifigkeit ist durch die Kraft definiert, die erforderlich ist, um die Borste um eine vorbestimmte Streckeneinheit in einer Radialrichtung zu verbiegen. Für ein gegebenes Borstenmaterial ist die Borstensteifigkeit im Allgemeinen umso höher, je größer der Borstendurchmesser ist. Falls jedoch unterschiedliche Materialien in Bürstendichtungen verwendet werden, kann ein weiches Material mit einem großen Durchmesser eine geringere Steifigkeit aufweisen als ein steifes Material mit einem kleineren Durchmesser.
Außerdem kann die zweite Lage aus Teillagen bestehen, die variable Borstendurchmesser aufweisen. Jedoch kann es in manchen Anwendungen erwünscht sein, dass die Borstendurchmesser in der zweiten Lage derart bemessen sind, dass sie flexibler sind als die erste und die dritte Lage.
Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) enthalten. Die zweite Borstenlage 214 kann einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0508 mm (0,002 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) enthalten. Die dritte Borstenlage 216 kann einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) enthalten. Jedoch kann ein beliebiger geeigneter Borsten/Draht-Durchmesser verwendet werden, wie dies in der speziellen Anwendung erwünscht sein kann.
3 veranschaulicht eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung 300 zur Abdichtung einer umlaufenden Welle 250 gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht beansprucht ist. Die Bürstendichtung 300 enthält ein Gehäuse 305 zur Montage eines Bürstenhalters 320. Das Gehäuse enthält eine Frontplatte 335 und eine Rückplatte 330 zur Anlage von Bürstendichtungsborsten 312, 314, 316. Die Borsten sind in mehreren Lagen/Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen weisen Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu anderen Borstenlagen auf.
Die erste Borstenlage 312 ist benachbart zu der Rückplatte 330 angeordnet, und jede Borste der ersten Borstenlage 312 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage 312 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) enthalten. Die Enden der Borsten können zugeschnitten sein, um einen Abschnitt mit einer spitz zulaufenden Oberfläche 370 in der Nähe des unteren Endes der ersten Borstenlage zu bilden. Die zweite Borstenlage 314 ist benachbart zu der ersten Borstenlage 312 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 314 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 314 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) enthalten. Die Enden der Borsten können zugeschnitten sein, um einen Abschnitt einer spitz zulaufenden Oberfläche 370 in der Nähe des unteren Endes der ersten Borstenlage zu bilden. In der Lage 314 kann entweder die gesamte oder nur ein Teil der Unterseite der Borsten in der Lage 314 zugeschnitten sein, um einen Abschnitt mit einer spitz zulaufenden Oberfläche 370 zu bilden. Die spitz zulaufende Oberfläche 370 kann helfen, die Auswirkung der dickeren und/oder steiferen Borsten in der Lage 312 auf die Wärmeerzeugung und Rotordynamik zu reduzieren. Die spitz zulaufende Oberfläche 370 bildet effektiv einen verjüngten Spalt zwischen den Enden der Borsten und der umlaufenden Welle 250. Wie zuvor erwähnt, kann die spitz zulaufende Oberfläche 370 konfiguriert sein, um sich über alle Borstenlagen oder über Abschnitte der Borstenlagen hinweg zu erstrecken.
Die dritte Borstenlage 316 ist benachbart zu der zweiten Borstenlage 314 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 316 weist einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) enthalten. Jedoch kann ein beliebiger geeigneter Borsten/DrahtDurchmesser verwendet werden, wie dies in der speziellen Anwendung erwünscht sein kann.
Die erste Borstenlage 312 weist die dicksten und/ oder steifsten Borsten auf, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die dritte Borstenlage 316 weist mittlere Borsten auf, um Störungen in der ankommenden Strömung auszuhalten. Die zweite Borstenlage 314, die zwischen der ersten 312 und der dritten Lage 316 eingefügt ist, ist durch feine Borsten und/oder Borsten mit der geringsten Steifigkeit gebildet, um gute Abdichtungseigenschaften zwischen der ersten Kammer 340 und der zweiten Kammer 345 zu erhalten sowie um Flexibilität aufrechtzuerhalten.
Die einzelnen Borsten können aus einem metallischen oder nicht-metallischen Draht erzeugt sein. Metallische Materialien können Kupfer, Stahl, Metalllegierungen (die Haynes 25 und Hastelloy C-276 umfassen können) oder ein beliebiges sonstiges geeignetes Material enthalten, wie es in der speziellen Anwendung erwünscht sein kann. Die Metalllegierungen können Kobaltlegierungen oder Nickellegierungen enthalten, und einige nicht beschränkende Beispiele können Co^a ₅₁Ni₁₀Cr₂₀W₁₅ Fe_3*Mn_1,5Si_0,4*C_0,10, worin „a“ „als Rest“ bezeichnet und „*“ „maximal“ bezeichnet und die Zahlenangaben in Gewichtsprozent sind, oder Ni₅₇Co_2,5Cr₁₆Mo₁₆W₄Fe₅Si_0,08Mn₁C_0,01 sein, worin die Zahlenangaben in Gewichtsprozent sind. Die Kobalt- und Nickellegierungen können auch die Legierung Haynes® 25 und die Legierung Hastelloy® C-276 enthalten (Haynes® und Hastelloy® sind registrierte Handelsmarken von Haynes International, Inc.). Nicht-metallische Materialien können synthetische Para-Aramidfasern (z.B. Kevlar®, eine registrierte Handelsmarke von E. I. du Pont de Nemours and Company), Kohlenstofffasern oder Kombinationen von diesen enthalten. Die Borstenmaterialien und -durchmesser werden je nach Optimierungsbeziehungen zwischen Eigenschaften, wie z.B. Steifigkeit, Kriechwiderstand, Verschleißfestigkeit und chemische Inertheit gegen Öl, ausgewählt. Die Borstendurchmesser werden ausgewählt, um eine strukturelle Stabilität gegen aerodynamische Kräfte sicherzustellen, die durch das Arbeitsfluid auf diese ausgeübt werden, während Kompromissfaktoren, wie beispielsweise die strukturelle Stabilität und die gewünschte Nachgiebigkeit, berücksichtigt werden. Zum Beispiel haben kleine Durchmesser von metallischen oder nicht-metallischen Borsten einen geringeren effektiven Spalt an der Dichtung-Drehkomponente-Grenzstelle und auch eine geringere Steifigkeit zur Folge, was zu einer geringeren Wärmeerzeugung führt.
Jede Borste enthält ein erstes Ende, das mit dem Bürstenhalter 320 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das nahe an der umlaufenden Welle 250 angeordnet ist. In manchen Ausführungsformen der Erfindung ist das gesamte oder ein Teil des zweiten oder unteren Endes der Borsten konfiguriert, um mit der umlaufenden Welle 250 in Kontakt zu stehen. Der Bürstenhalter 320 kann ferner eine Befestigungseinrichtung, wie beispielsweise ein Epoxidmaterial 321, das zwischen der Frontplatte 335 und der Rückplatte 305 angeordnet ist, enthalten. Das Epoxidmaterial 321 ist konfiguriert, um nicht-metallische Borsten mit dem Bürstenhalter 320 zu koppeln. In anderen Ausführungsformen könnte der Bereich 321 als eine Schweißverbindung zur Anbindung der Enden metallischer Borsten konfiguriert sein. Die Frontplatte 335 und die Rückplatte 305 können ein metallisches Material oder ein Verbundmaterial oder eine Kombination von diesen enthalten. Die Borsten können zwischen der Frontplatte 335 und der Rückplatte 305 eingeklemmt sein. Das erste Ende jeder Borste kann mit dem Epoxid/der Schweißstelle 321 verbunden sein, und das zweite Ende ragt in Richtung auf die umlaufende Welle 250 vor. In manchen anderen Ausführungsformen können die Borsten mit der Frontplatte 335 und der Rückplatte 305 wärmeverschweißt sein, oder sie könnten an der Frontplatte 335 und der Rückplatte 305 unter Verwendung von ringförmigen Drähten und Halteklemmen (wie sie hier nachstehend beschrieben sind) gesichert sein.
4 veranschaulicht eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung 400 zur Abdichtung einer umlaufenden Welle 250 gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht beansprucht ist. Die Bürstendichtung 400 enthält ein Gehäuse 405 zur Montage eines Bürstenhalters 420. Das Gehäuse enthält eine Frontplatte 435 und eine Rückplatte 430 zur Anlage von Bürstendichtungsborsten 412, 414, 416. Die Borsten sind in mehreren Lagen/Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen weisen Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu anderen Borstenlagen auf.
Die erste Borstenlage 412 ist benachbart zu der Rückplatte 430 angeordnet, und jede Borste der ersten Borstenlage 412 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage 412 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) aufweisen. Die zweite Borstenlage 414 ist benachbart zu der ersten Borstenlage 412 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 414 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 414 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) aufweisen. Die dritte Borstenlage 416 ist benachbart zu der zweiten Borstenlage 414 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 416 weist einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage 416 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) aufweisen. Jedoch kann jeder beliebige Borsten/DrahtDurchmesser oder jede beliebige geeignete Borsten/Draht-Steifigkeit verwendet werden, wie dies in der speziellen Anwendung erwünscht sein kann.
Die erste Borstenlage 412 kann die dicksten und/ oder steifsten Borsten aufweisen, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die dritte Borstenlage 416 kann mittlere Borsten aufweisen, um Störungen in der ankommenden Strömung auszuhalten. Jedoch können die erste Borstenlage 412 und die dritte Borstenlage 416 hinsichtlich ihres Durchmessers und/oder ihrer Steifigkeit im Wesentlichen ähnlich sein. Die zweite Borstenlage 414, die zwischen der ersten 412 und der dritten Lage 416 eingefügt ist, ist durch feinere Borsten und/oder durch Borsten gebildet, die eine geringere Steifigkeit aufweisen, um gute Abdichtungseigenschaften zwischen der ersten Kammer 440 und der zweiten Kammer 445 zu erhalten sowie um Flexibilität aufrechtzuerhalten.
Jede Borste enthält ein erstes Ende, das mit dem Bürstenhalter 420 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das in der Nähe der umlaufenden Welle 220 angeordnet ist. In manchen Ausführungsformen der Erfindung ist das gesamte oder ein Teil des zweiten oder unteren Endes der Borsten konfiguriert, um mit der umlaufenden Welle 250 in Kontakt zu stehen. Der Bürstenhalter 420 kann ferner eine Befestigungseinrichtung, wie beispielsweise Seitenschienen 421 und 422, enthalten, die an der Frontplatte 435 bzw. der Rückplatte 430 angebracht sein können. Ein oberer Abschnitt der Borsten (d.h. von der Welle 250 weg und in der Nähe des oberen Endes der Borstenpackung) kann miteinander und mit den Seitenschienen 421, 422 durch eine Schweißverbindung 423 verschweißt sein. Die Schweißverbindung 423 kann wie in 4 veranschaulicht konfiguriert sein, oder die Schweißverbindung kann an dem äußerst obersten Ende der Borsten beginnen und sich über eine geeignete Strecke hinweg nach unten strecken (nicht veranschaulicht).
5 veranschaulicht eine radiale Seitenschnittansicht einer Bürstendichtung 500 zur Abdichtung einer umlaufenden Welle 250 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bürstendichtung 500 enthält ein Gehäuse 505 zur Montage eines Bürstenhalters 520. Das Gehäuse enthält eine Frontplatte 535 und eine Rückplatte 530 zur Anlage von Bürstendichtungsborsten 512, 514, 516. Die Borsten sind in mehreren Lagen/Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen können Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu anderen Borstenlagen aufweisen.
Die erste Borstenlage 512 ist benachbart zu der Rückplatte 530 angeordnet, und jede Borste der ersten Borstenlage 512 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage 512 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) enthalten. Die zweite Borstenlage 514 ist benachbart zu der ersten Borstenlage 512 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 514 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 514 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) enthalten. Die dritte Borstenlage 516 ist benachbart zu der zweiten Borstenlage 514 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 516 weist einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage 516 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) enthalten. Jedoch kann jeder beliebige geeignete Borsten/Draht-Durchmesser oder jede beliebige geeignete Steifigkeit verwendet werden, wie dies in der speziellen Anwendung erwünscht sein kann.
Die erste Borstenlage 512 kann die dicksten und/ oder steifsten Borsten aufweisen, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die dritte Borstenlage 516 kann mittlere Borsten aufweisen, um Störungen in der ankommenden Strömung auszuhalten. Jedoch können die erste Borstenlage 512 und die dritte Borstenlage 516 hinsichtlich ihres Durchmessers und/oder ihrer Steifigkeit im Wesentlichen ähnlich sein. Die zweite Borstenlage 514, die zwischen der ersten 512 und der dritten Lage 516 eingefügt ist, ist durch feinere Borsten und/oder Borsten, die eine geringere Steifigkeit haben, gebildet (im Vergleich zu der ersten und der dritten Borstenlage), um gute Abdichtungseigenschaften zwischen der ersten Kammer 540 und der zweiten Kammer 545 zu erhalten sowie um Flexibilität aufrechtzuerhalten.
Der Bürstenhalter 520 kann einen ringförmigen Draht 521 enthalten. Die Borsten 512, 514 und 516 sind um diesen ringförmigen Draht 521 herum angeordnet und werden durch die Verwendung einer Klemme 522 in Position gehalten. Die Klemme 522 übt eine Druckkraft aus, um die Borsten sicher in Position zu halten. In dieser Ausführungsform der Erfindung können mehrere im Wesentlichen symmetrische Borstenlagen eingerichtet sein. Zum Beispiel würde die Borstenlage 514 sich in der Mitte der Borstenpackung befinden, während die Borstenlage 516 auf beiden Seiten der Borstenlage 514 angeordnet sein würde. Die Borstenlage 512 würde an dem äußeren Abschnitt der Borstenlage 514 angeordnet sein. Im Endeffekt wird eine sandwichartige Konstruktion gebildet, die eine Reihe von Lagen ergibt, wobei im Verlauf von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite (oder von links nach rechts in 5) die Borstenpackung die folgenden Lagen umfassen könnte: 512, 516, 514, 516, 512.
6 veranschaulicht eine Endansicht der Borstenpackung 600, die entlang der Schnittlinie A-A in 5 zeigen kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Anwendungen für große Turbomaschinen sind Bürstendichtungen zur Vereinfachung des Einbaus oder aufgrund von Herstellungsbeschränkungen gewöhnlich segmentiert. Kleine Stoßfugen werden zwischen Segmenten verteilt, um ein Wölben zu vermeiden, das aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen Dichtungsspalte zwischen einem Dichtungssegment und einer Dichtungsmontagekomponente eröffnen kann. Die Stoßfuge führt zu einer mehr örtlich begrenzten Leckage, die ein hohes Maß an Beeinträchtigungen an den Borsten in der Nähe der Segmentenden hervorruft und auch das Druckgleichgewicht der Borstenpackung reduziert, was zu mehr Verschleiß und Beschädigung führt. Felderfahrung hat gezeigt, dass Borsten in der Nähe der Segmentenden 601, 602 häufig deutlich mehr verschlissen werden als Borsten in der Mitte der Borstenpackung. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft eine verbesserte Bürstendichtung mit einer Borstenpackung 600, die dickere und/oder steifere Borsten aufweist, die an den Segmentenden 601, 602 angeordnet sind, und diese dickeren/steiferen Borsten umgeben dünnere und/oder weniger steife Borsten in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung.
Die Borsten in der Borstenpackung 600 sind in mehreren Lagen oder Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen können Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu anderen Borstenlagen aufweisen. Zum Beispiel ist die erste Borstenlage 612 als die äußersten Borsten eingerichtet, und jede Borste der ersten Borstenlage 612 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage 612 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) enthalten. Eine zweite Borstenlage 614 ist in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung 600 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 614 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 614 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) enthalten. Die dritte Borstenlage 616 ist zwischen der ersten Borstenlage 612 und der zweiten Borstenlage 614 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 616 kann einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage 616 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) aufweisen. Jedoch kann jeder beliebige geeignete Borsten/Draht-Durchmesser oder jede beliebige geeignete Borsten/Draht-Steifigkeit verwendet werden, wie in der speziellen Anwendung erwünscht.
Die erste Borstenlage 612 kann die dicksten und/ oder steifsten Borsten aufweisen, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die dritte Borstenlage 616 kann mittlere Borsten aufweisen, um Störungen in der ankommenden Strömung auszuhalten. Jedoch können die erste Borstenlage 612 und die dritte Borstenlage 616 hinsichtlich ihres Durchmessers und/oder ihrer Steifigkeit im Wesentlichen ähnlich sein. Die zweite Borstenlage 614 ist durch feinere Borsten und/oder Borsten, die eine geringere Steifigkeit aufweisen, gebildet (im Vergleich zu der ersten und der dritten Borstenlage), um gute Abdichtungseigenschaften zu erhalten und um Flexibilität aufrechtzuerhalten.
Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass die feineren und/oder weniger steifen Borsten 614 durch die dickeren und/oder steiferen Borsten 612, 616 geschützt sind. Eine Leckageströmung oder Strömungsstörungen können an feineren Borsten, die freigelegt sind, einen größeren Verschleiß verursachen, und die feineren/weniger steifen Borsten erzielen eine bessere Abdichtung, so dass es vorteilhaft sein würde, diese „anfälligeren“ Borsten zu schützen. Die dickeren und/oder steiferen Borsten 612, 614 sind robuster und können der Druckbelastung und den Strömungsstörungen, die sie während des Betriebs erfahren, besser standhalten. Jedoch erzielen diese „robusteren“ Borsten 612, 614 auch weniger Abdichtung als die zweite Borstenlage 614.
7 veranschaulicht eine Endansicht der Borstenpackung 700 gemäß einer Ausführungsform, die als solche nicht beansprucht ist. Eine Ausführungsform schafft eine verbesserte Bürstendichtung mit einer Borstenpackung 700, die dickere und/oder steifere Borsten aufweist, die an den Segmentenden 701, 702 angeordnet sind, und diese dickeren/steiferen Borsten umgeben dünnere und/oder weniger steife Borsten in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung.
Die Borsten in der Borstenpackung 700 sind in mehreren Lagen oder Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen können Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu anderen Borstenlagen aufweisen. Zum Beispiel ist die erste Borstenlage 712 als die äußersten Borsten eingerichtet, und jede Borste der ersten Borstenlage 712 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Eine zweite Borstenlage 714 ist in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung 700 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 714 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Die erste Borstenlage 712 kann die dicksten und/oder steifsten Borsten aufweisen, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die zweite Borstenlage 714, die von der ersten Borstenlage 712 im Wesentlichen umgeben ist, ist durch feinere Borsten und/oder Borsten, die eine geringere Steifigkeit aufweisen, gebildet (im Vergleich zu der ersten Borstenlage 712), um gute Abdichtungseigenschaften zu erhalten und um Flexibilität aufrechtzuerhalten. Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass die feineren und/oder weniger steifen Borsten 714 durch die dickeren und/oder steiferen Borsten 712 geschützt sind.
8 veranschaulicht eine Endansicht der Borstenpackung 800 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Borsten in der Borstenpackung 800 sind in mehreren Lagen oder Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen können Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu den anderen Borstenlagen aufweisen. Nur als ein Beispiel könnte diese Konfiguration als eine Variante für die in 5 veranschaulichte Bürstendichtung verwendet werden. Zum Beispiel ist die erste Borstenlage 812 als die äußersten Borsten eingerichtet, und jede Borste der ersten Borstenlage 812 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die erste Borstenlage 812 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) enthalten. Eine zweite Borstenlage 814 ist in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung 800 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 814 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 814 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0508 mm (0,002 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) enthalten. Die dritte Borstenlage 816 ist zwischen der ersten Borstenlage 812 und der zweiten Borstenlage 814 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 816 kann einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage 816 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) enthalten. Jedoch kann ein beliebiger geeigneter Borsten/DrahtDurchmesser oder jede beliebige geeignete Borsten/Draht-Steifigkeit verwendet werden, wie in der speziellen Anwendung erwünscht.
Die erste Borstenlage 812 kann die dicksten und/ oder steifsten Borsten aufweisen, um der Belastung der Hochdruckströmung zu widerstehen. Die dritte Borstenlage 816 kann mittlere Borsten aufweisen, um Störungen in der ankommenden Strömung auszuhalten. Jedoch können die erste Borstenlage 812 und die dritte Borstenlage 816 hinsichtlich ihres Durchmessers und/oder ihrer Steifigkeit im Wesentlichen ähnlich oder gleich sein. Die zweite Borstenlage 814, die im Wesentlichen in der Mitte der Borstenpackung 800 angeordnet ist, ist durch feinere Borsten und/oder Borsten mit einer geringeren Steifigkeit gebildet (im Vergleich zu der ersten und der dritten Borstenlage), um gute Abdichtungseigenschaften zu erhalten und um Flexibilität aufrechtzuerhalten. In dieser Konfiguration erstreckt sich jede Borstenlage im Wesentlichen bis zu den Segmentenden der Borstenpackung.
9 veranschaulicht eine Endansicht der Borstenpackung 900 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Borsten in der Borstenpackung 900 sind in mehreren Lagen oder Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen können Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu den anderen Borstenlagen aufweisen. Zum Beispiel ist die erste Borstenlage 912 als die äußersten Borsten an Segmentenden 901, 902 und auf der stromabwärtigen Seite eingerichtet. Jede Borste der ersten Borstenlage 912 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage 912 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 2,54 mm (0,10 Zoll) enthalten. Eine zweite Borstenlage 914 ist in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung 900 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 914 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 914 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) enthalten. Die dritte Borstenlage 916 ist vor (oder stromaufwärts von) der ersten Borstenlage 912 und der zweiten Borstenlage 914 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 916 kann einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage 916 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) aufweisen. Jedoch kann ein beliebiger geeigneter Borsten/Draht-Durchmesser oder eine beliebige geeignete Borsten/Draht-Steifigkeit verwendet werden, wie in der speziellen Anwendung erwünscht.
10 veranschaulicht eine Endansicht der Borstenpackung 1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Borsten in der Borstenpackung 1000 sind in mehreren Lagen oder Gruppen angeordnet, und diese Lagen/Gruppen können Borsten unterschiedlicher Größe und/oder Steifigkeit im Vergleich zu den anderen Borstenlagen aufweisen. Zum Beispiel ist die erste Borstenlage 1012 als die äußersten Borsten auf der stromabwärtigen Seite eingerichtet. Jede Borste der ersten Borstenlage 1012 weist einen ersten Durchmesser und/oder eine erste Steifigkeit auf. Nur als ein Beispiel kann die erste Borstenlage 1012 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) aufweisen. Eine zweite Borstenlage 1014 ist in dem Zentrum oder der Mitte der Borstenpackung 1000 angeordnet, und jede Borste der zweiten Borstenlage 1014 weist einen zweiten Durchmesser und/oder eine zweite Steifigkeit auf. Zum Beispiel kann die zweite Borstenlage 1014 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,0254 mm (0,001 Zoll) bis etwa 0,1254 mm (0,006 Zoll) aufweisen. Die dritte Borstenlage 1016 ist an Segmentenden 1001, 1002 und vor (oder stromaufwärts von) der ersten Borstenlage 1012 und der zweiten Borstenlage 1014 angeordnet, und jede Borste der dritten Borstenlage 1016 kann einen dritten Durchmesser und/oder eine dritte Steifigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann die dritte Borstenlage 1016 einzelne Borsten mit einem Durchmesser von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll) bis etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) aufweisen. Jedoch kann jeder beliebige geeignete Borsten/Draht-Durchmesser oder jede beliebige geeignete Borsten/Draht-Steifigkeit verwendet werden, wie in der speziellen Anwendung erwünscht. Es ist zu verstehen, dass die Ausrichtung all der hierin offenbarten Borstenpackungen um 180° gedreht werden kann, falls dies in der speziellen Anwendung erwünscht ist.
In Anwendungen für Bürstendichtungen an Dampfturbinen reduzieren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Wellenströmungsleckagen während Strömungsbedingungen, und sie senken den Hilfsdampfbedarf während transienter Belastungen, wie beispielsweise Start-, Abschalt-, Auslöse-, Drehwerksbetriebsvorgänge. Dies reduziert den gesamten Hilfsdampfbedarf der Dampfturbine während Start-, Abschalt-, Auslöse- und Drehwerksbetriebsvorgänge, wodurch die Hilfskesselkosten für den Betreiber reduziert werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es ist eine Dichtung geschaffen, die eine Borstenpackung 600, 700, 800 mit einer ersten Borstenlage 612, 712, 812 und einer zweiten Borstenlage 614, 714, 814 aufweist. Die Borstenpackung weist wenigstens ein Segmentende 601, 602, 701, 702 auf. Die erste Borstenlage 612, 712, 812 ist konfiguriert, um die zweite Borstenlage 614, 714, 814 im Wesentlichen zu umgeben, und wenigstens eine Borste der ersten Borstenlage 612, 712, 812 weist einen ersten Durchmesser auf. Die zweite Borstenlage 614, 714, 814 ist im Wesentlichen in einem Mittelabschnitt der Borstenpackung angeordnet, und wenigstens eine Borste der zweiten Borstenlage 614, 714, 814 weist einen zweiten Durchmesser auf. Der erste Durchmesser ist größer als der zweite Durchmesser, und die Borsten der ersten Borstenlage 612, 712, 812, die in der Nähe wenigstens eines Segmentendes angeordnet sind, sind konfiguriert, um die Borsten der zweiten Borstenlage 614, 714, 814 zu schützen, die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes 601, 602, 701, 702 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

10: Bürstendichtung
15: Gehäuse
20: Bürstenhalter
22: Borsten
25: Frontplatte
30: Rückplatte
32: Nuten
40: erste Kammer
45: zweite Kammer
50: bewegbare Welle
55: Oberfläche der Welle 50
60: Leckströmung
200: Bürstendichtung
205: Gehäuse
212: Borsten - dick
214: Borsten - dünn
216: Borsten - mittel
220: Bürstenhalter
230: Rückplatte
232: Nuten
235: Frontplatte
240: erste Kammer
245: zweite Kammer
250: umlaufende Welle
260: Strömung
300: Bürstendichtung
305: Gehäuse
312: Borsten - dick
314: Borsten - dünn
316: Borsten - mittel
320: Bürstenhalter
321: Befestigungseinrichtung, Epoxid- oder Schweißverbindung
330: Rückplatte
235: Frontplatte
340: erste Kammer
345: zweite Kammer
370: spitz zulaufende Oberfläche
400: Bürstendichtung
405: Gehäuse
412: Borsten - dick
414: Borsten - dünn
416: Borsten - mittel
420: Bürstenhalter
421: Seitenschiene
422: Seitenschiene
423: Schweißverbindung
430: Rückplatte
435: Frontplatte
440: erste Kammer
445: zweite Kammer
500: Bürstendichtung
505: Gehäuse
512: Borsten - dick
514: Borsten - dünn
516: Borsten - mittel
520: Bürstenhalter
521: ringförmiger Draht
522: Klemme
530: Rückplatte
535: Frontplatte
540: erste Kammer
545: zweite Kammer
600: Borstenpackung
601: Segmentende
602: Segmentende
612: Borsten - dick
614: Borsten - dünn
616: Borsten - mittel
700: Borstenpackung
701: Segmentende
702: Segmentende
712: Borsten - dick
714: Borsten - dünn
800: Borstenpackung
812: Borsten - dick
814: Borsten - dünn
816: Borsten - mittel

Claims

Dichtung, die aufweist: eine Borstenpackung (500, 600, 800, 900, 1000), die eine erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) und eine zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) aufweist, wobei die Borstenpackung (500, 600, 800, 900, 1000) wenigstens ein Segmentende (601, 602, 901, 902, 1001, 1002) aufweist; wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) konfiguriert ist, um die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) im Wesentlichen zu umgeben, wobei wenigstens eine Borste der ersten Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) einen ersten Durchmesser aufweist; wobei die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) im Wesentlichen in einem Mittelabschnitt der Borstenpackung (500, 600, 800, 900, 1000) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Borste der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) einen zweiten Durchmesser aufweist; wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und die Borsten der ersten Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012), die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes (601, 602, 901, 902, 1001, 1002) angeordnet sind, konfiguriert sind, um die Borsten der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) zu schützen, die in der Nähe des wenigstens einen Segmentendes (601, 602, 901, 902, 1001, 1002) angeordnet sind; gekennzeichnet durch eine dritte Borstenlage (516, 616, 816, 916, 1016), die benachbart zu der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Borste der dritten Borstenlage (516, 616, 816, 916, 1016) einen dritten Durchmesser aufweist, wobei der dritte Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei eine Steifigkeit der ersten Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) größer ist als eine Steifigkeit der zweiten Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) .
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Durchmesser etwa 0,1254 mm bis etwa 0,254 mm beträgt und der zweite Durchmesser etwa 0,0508 mm bis etwa 0,1254 mm beträgt.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner aufweist: ein Bürstengehäuse (205, 305, 405, 505), das eine Rückplatte (230, 330, 430, 530) und eine Frontplatte (235, 335, 435, 535) aufweist; und wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) benachbart zu der Rückplatte (230, 330, 430, 530) angeordnet ist.
Dichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) und die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) an dem Bürstengehäuse (205, 305, 405, 505) mittels wenigstens eines/einer der folgenden montiert ist: einem Epoxidmaterial (321); einer Schweißverbindung (321); und einem ringförmigen Draht (521) und einer Klemme (522), wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) und die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) über dem ringförmigen Draht (521) verlaufen und durch die Klemme (522) festgehalten sind.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Durchmesser größer ist als der dritte Durchmesser.
Dichtung nach Anspruch 1 oder 6, wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012) konfiguriert ist, um die dritte Borstenlage (516, 616, 816) im Wesentlichen zu umgeben und wobei die dritte Borstenlage (515, 616, 816) konfiguriert ist, um die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) im Wesentlichen zu umgeben.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7, wobei eine Steifigkeit der dritten Borstenlage (616, 816) größer ist als eine Steifigkeit der zweiten Borstenlage (614, 714, 814) .
Dichtung nach Anspruch 8, wobei eine Steifigkeit der ersten Borstenlage (612, 712, 812) größer ist als die Steifigkeit der dritten Borstenlage (616, 816).
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 und 6 bis 9, wobei der dritte Durchmesser etwa 0,1016 mm bis etwa 0,2032 mm beträgt.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 und 6 bis 10, wobei die erste Borstenlage (512, 612, 812, 912, 1012), die zweite Borstenlage (514, 614, 814, 914, 1014) und die dritte Borstenlage (516, 616, 816) wenigstens entweder ein metallisches Material und/oder ein nicht-metallisches Material aufweisen und wobei: das metallische Material wenigstens eins aufweist von: Kupfer, Stahl und Metalllegierungen oder Kombinationen von diesen; und das nicht-metallische Material wenigstens eins aufweist von: synthetische Para-Aramidfasern, Kohlenstofffasern oder Kombinationen von diesen.
Dichtung nach Anspruch 11, wobei die Metalllegierungen entweder Kobaltlegierungen oder Nickellegierungen oder Kombinationen von diesen aufweisen.