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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft allgemein drehende Maschinen und insbesondere eine Sekundärdichtungsanordnung zum Abdichten einer drehenden Maschine.
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Zumindest einige drehende Maschinen, wie Dampfturbinen, weisen mehrere definierte Fluidströmungswege auf, die durch sie hindurch verlaufen. Ein primärer Strömungsweg weist in einer seriellen Strömungsbeziehung einen Fluideinlass, eine Turbine und einen Fluidauslass auf. Ein Leckströmungsweg ist in manchen bekannten drehenden Maschinen stromaufwärts vom primären Strömungsweg vorhanden. In zumindest einigen bekannten drehenden Maschinen enthält das Fluid Schmutzteilchen und tritt in den Leckströmungsweg aus, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine herabgesetzt wird und schädliche Verunreinigungen in die Maschine eingebracht werden. Das Fluid muss genau überwacht und gesteuert werden, um die Verunreinigungen zu eliminieren, die sich an inneren Komponenten der drehenden Maschine ablagern und zu einer Blockierung von zumindest einem Teil der Strömungswege führen können.
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In einigen drehenden Maschinen werden mehrere Dichtungsanordnungen im Leckströmungsweg verwendet, um die Erhöhung des betrieblichen Wirkungsgrads der drehenden Maschine zu erleichtern. Im Allgemeinen beinhalten bekannte drehende Maschinen eine Primärdichtung und eine Sekundärdichtung im Leckströmungsweg. Die Primärdichtung ist zwischen einer stationären Komponente und einer drehenden Komponente angebracht, um eine Abdichtung zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich bereitzustellen. Die Sekundärdichtung ist innerhalb der stationären Komponente angeordnet und ist axial bewegbar, um die Funktion der Primärdichtung zu unterstützen. Während des Betriebs der drehenden Maschine lagert sich ein Teil des Schmutzes, der im Leckstrom enthalten ist, in der Nähe der Sekundärdichtung ab und wächst an den stationären Komponenten der drehenden Maschine auf. Diese Ansammlung von Schmutz verhindert die axiale Bewegung der Sekundärdichtung, was zu einem Versagen der Primärdichtung führen kann. Ein Versagen der Primärdichtung kann die Effizienz des Betriebs der drehenden Maschine herabsetzen.
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In manchen bekannten drehenden Maschinen, beispielsweise in Gasturbinen, kann die Wartung der Leckabdichtungsanordnungen relativ unkompliziert sein. Zumindest einige bekannte Leckabdichtungsanordnungen in Gasturbinen können leicht von der Drehwelle abgebaut und von etwaigen Schmutzablagerungen gesäubert werden. Jedoch kann die Wartung der Sekundärdichtung in manchen bekannten drehenden Maschinen, beispielsweise in Dampfturbinen, problematisch sein. Zumindest einige bekannte Dampfturbinen können über einen Zeitraum von mehreren Jahren ununterbrochen in Betrieb sein, was eine übermäßige Anlagerung von Schmutz und Verunreinigungen auf der stationären Komponente in der Nähe der Sekundärdichtung begünstigt. Außerdem sind zumindest einige der bekannten Dampfturbinen sehr groß und enthalten drehbare Wellen mit Durchmessern von mehr als 20 Inch. Solche großen inneren Komponenten machen die Wartung der Dichtungen solcher bekannten Dampfturbinen noch komplizierter.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Aspekt wird eine Dichtungsringanordnung zur Verwendung mit einer eine Drehachse aufweisenden drehenden Maschine geschaffen. Die Dichtungsringanordnung weist ein Dichtungsgehäuse mit einer Sekundärdichtungsoberfläche und eine Sekundärdichtungsanordnung auf, die mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist. Die Sekundärdichtungsanordnung weist einen Dichtungsring auf, der mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist, wobei der Dichtungsring so gestaltet ist, dass er mit der Sekundärdichtungsoberfläche eine Sekundärdichtung bildet. Die Sekundärdichtungsanordnung weist auch mindestens einen stromaufwärts vom Dichtungsring angeordneten Schutzring auf. Die Sekundärdichtungsanordnung ist so gestaltet, dass sie entlang der Achse so vorbelastet wird, dass die Vorbelastung des mindestens einen Schutzrings das Entfernen von Schmutz von mindestens einem Teil der Sekundärdichtungsoberfläche, über die der Dichtungsring während der Vorbelastung wandert, erleichtert.
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Der mindestens eine Schutzring kann einen ersten Schutzring, der stromaufwärts vom Dichtungsring angebracht ist, und einen zweiten Schutzring beinhalten, der stromabwärts vom Dichtungsring angebracht ist.
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Der mindestens eine Schutzring jeder der oben genannten Dichtungsringanordnungen kann so gestaltet sein, dass er sich um die Achse dreht.
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Die Dichtungsringanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner einen Vorbelastungsring umfassen, wobei der Vorbelastungsring umfasst: eine erste Nut, die so gestaltet ist, dass von dem mindestens einen Schutzring einen ersten aufnimmt, und eine zweite Nut, die so gestaltet ist, dass sie den Dichtungsring aufnimmt.
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Die Dichtungsringanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner eine Vorbelastungskomponente aufweisen, die mit dem Dichtungsring verbunden ist, wobei die Vorbelastungskomponente so gestaltet ist, dass sie die Dichtungsringanordnung entlang der Achse so vorbelastet, dass die Sekundärdichtungsringanordnung zusammen mit dieser bewegbar ist.
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Die Dichtungsringanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner einen Stützring aufweisen, der stromabwärts vom Vorbelastungsring mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist, wobei der Stützring eine Nut aufweist, die so gestaltet ist, dass sie von dem mindestens einen Stützring einen zweiten aufnimmt.
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Die Dichtungsringanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner mindestens einen Ausrichtungsschlitz aufweisen, der durch sie hindurchgehend definiert ist, wobei der mindestens eine Ausrichtungsschlitz so gestaltet ist, dass er mit einem jeweiligen Ausrichtungselement des Dichtungsgehäuses in Gleitverbindung stehen kann.
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Der mindestens eine Schutzring jeder der oben genannten Dichtungsringanordnungen kann einander entgegengesetzte Enden aufweisen, wobei die einander entgegengesetzten Enden eine Sägezahnform aufweisen können, die so gestaltet ist, dass sie die Sekundärdichtungsoberfläche berührt, um das Entfernen von Schmutz zu erleichtern.
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Der mindestens eine Schutzring jeder der oben genannten Dichtungsringanordnungen kann ein Streifelement aufweisen, wobei das Streifelement so gestaltet ist, dass es die Sekundärdichtungsoberfläche berührt, um das Entfernen von Schmutz zu erleichtern.
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In einem anderen Aspekt wird eine Flächendichtungsanordnung zur Verwendung mit einer eine Drehachse aufweisenden drehenden Maschine geschaffen. Die Flächendichtungsanordnung weist einen drehenden Dichtungsring, ein Dichtungsgehäuse mit einer Sekundärdichtungsoberfläche und eine stationäre Dichtungsringanordnung auf, die zwischen dem Dichtungsgehäuse und dem drehenden Dichtungsring angebracht ist, so dass der drehende Dichtungsring und die stationäre Dichtungsringanordnung eine Primärdichtung bilden. Die stationäre Dichtungsringanordnung weist eine Sekundärdichtungsanordnung auf, die eine Sekundärdichtungsring aufweist, der mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist, wobei der Sekundärdichtungsring so gestaltet ist, dass er mit der Sekundärdichtungsoberfläche eine Sekundärdichtung bildet. Die Sekundärdichtungsanordnung weist auch mindestens einen stromaufwärts vom Dichtungsring angeordneten Schutzring auf. Die Sekundärdichtungsanordnung ist so gestaltet, dass sie entlang der Achse so vorbelastet wird, dass die Vorbelastung des mindestens einen Schutzrings das Entfernen von Schmutz von mindestens einem Teil der Sekundärdichtungsoberfläche, über die der Dichtungsring während der Vorbelastung wandert, erleichtert.
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Der mindestens eine Schutzring der Flächendichtungsanordnung kann einen ersten Schutzring, der stromaufwärts vom Dichtungsring angebracht ist, und einen zweiten Schutzring beinhalten, der stromabwärts vom Dichtungsring angebracht ist.
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Die Flächendichtungsanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner einen Vorbelastungsring umfassen, wobei der Vorbelastungsring umfasst: eine erste Nut, die so gestaltet ist, dass sie von dem mindestens einen Schutzring einen ersten aufnimmt, und eine zweite Nut, die so gestaltet ist, dass sie den Dichtungsring aufnimmt.
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Die Flächendichtungsanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner eine Vorbelastungskomponente aufweisen, die mit dem Vorbelastungsring verbunden ist, wobei die Vorbelastungskomponente so gestaltet sein kann, dass sie die Dichtungsringanordnung entlang der Achse so vorbelastet, dass die Sekundärdichtungsringanordnung zusammen mit dieser bewegbar ist.
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Die Flächendichtungsanordnung jeder der oben genannten Arten kann ferner einen Stützring aufweisen, der stromabwärts vom Vorbelastungsring mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist, wobei der Stützring eine Nut aufweisen kann, die so gestaltet ist, dass sie von dem mindestens einen Stützring einen zweiten aufnimmt.
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Der mindestens eine Schutzring jeder der oben genannten Dichtungsanordnungen kann einander entgegengesetzte Enden aufweisen, wobei die einander entgegengesetzten Enden eine Sägezahnform aufweisen können, die so gestaltet ist, dass sie das Dichtungsgehäuse berührt, um das Entfernen von Schmutz zu erleichtern.
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Der mindestens eine Schutzring jeder der oben genannten Dichtungsanordnungen kann ein Streifelement aufweisen, wobei das Streifelement so gestaltet ist, dass es das Dichtungsgehäuse berührt, um das Entfernen von Schmutz zu erleichtern.
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In einem noch anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Zusammensetzen einer Flächendichtungsanordnung zur Verwendung mit einer eine Drehachse aufweisenden drehenden Maschine geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Dichtungsgehäuses, das eine Sekundärdichtungsoberfläche aufweist, und das Verbinden einer Sekundärdichtungsanordnung mit dem Dichtungsgehäuse in der Nähe der Sekundärdichtungsoberfläche, wobei die Sekundärdichtungsanordnung einen Dichtungsring und mindestens einen Schutzring aufweist. Der Dichtungsring wird so mit dem Dichtungsgehäuse verbunden, dass der Dichtungsring und die Sekundärdichtungsoberfläche eine Sekundärdichtung bilden. Der mindestens eine Schutzring wird stromaufwärts vom Dichtungsring angebracht, wobei die Sekundärdichtungsanordnung so gestaltet ist, dass sie entlang der Achse so vorbelastet wird, dass die Vorbelastung des mindestens einen Schutzrings das Entfernen von Schmutz von zumindest einem Teil der Sekundärdichtungsoberfläche, über die der Dichtungsring während der Vorbelastung wandert, erleichtert.
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Das Anbringen des mindestens einen Schutzrings stromaufwärts vom Dichtungsring kann ferner das Anbringen eines ersten Schutzrings stromaufwärts vom Dichtungsring und das Anbringen eines zweiten Schutzrings stromabwärts vom Dichtungsring umfassen.
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Das Verfahren kann umfassen, dass das Anbringen des mindestens einen Schutzrings stromaufwärts vom Dichtungsring ferner das Einsetzen eines ersten Schutzrings in eine erste Nut eines Vorbelastungsrings und das Einsetzen des Dichtungsrings in eine zweite Nut des Vorbelastungsrings umfasst, wobei die erste Nut stromaufwärts von der zweiten Nut liegt.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann ferner das Verbinden einer Vorbelastungskomponente mit dem Vorbelastungsring umfassen, wobei die Vorbelastungskomponente so gestaltet ist, dass sie die Sekundärdichtungsanordnung entlang der Achse vorbelastet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Dampfturbine;
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2 ist eine detailliertere schematische Darstellung eines Abschnitts der Dampfturbine von 1 in einem Bereich, der vom Kästchen 2 in 1 definiert wird;
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3 ist eine schematische Schnittdarstellung einer hydrodynamischen Flächendichtung, die mit der in 1 dargestellten Dampfturbine verwendet wird;
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Sekundärdichtungsanordnung, die mit der hydrodynamischen Flächendichtung von 3 verwendet wird, in einem Bereich, der vom Kästchen 4 in 3 definiert wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die hierin beschriebenen Beispielsanordnungen und -verfahren überwinden zumindest einige der Nachteile, die mit drehenden Maschinen verbunden sind, bei deren Arbeit Fluid aus der drehenden Maschine in die Außenumgebung austreten kann. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen schaffen eine Sekundärdichtungsanordnung, welche in einer stationären Komponente der drehenden Maschine angeordnet ist und die Leistungsverbesserung der drehenden Maschine erleichtert. Genauer ist die hierin beschriebene Sekundärdichtungsanordnung eine selbstreinigende Dichtungsanordnung, die mindestens einen Dichtungsring, der einen Fluidaustritt aus einer drehenden Maschine wesentlich verringert, und mindestens einen Schutzring aufweist, der auf der Hochdruckseite des Dichtungsrings angeordnet ist und der kontinuierlich Fremdstoffe entfernt, wie Schmutz und Verunreinigungen, die von dem Prozessfluid in der stationären Komponente abgeschieden worden sind, beispielsweise von dem Dampf, der in einer Dampfturbine verwendet wird.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Dampfturbine 10. Obwohl 1 ein Beispiel für eine Dampfturbine beschreibt, sei klargestellt, dass die hierin beschriebenen Dichtungsvorrichtungen und -systeme nicht auf irgendeinen bestimmten Turbinentyp beschränkt sind. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die hierin beschriebenen aktuellen Dichtungsvorrichtungen und -systeme mit jeder drehenden Maschine, einschließlich einer Gasturbine, in jeder geeigneten Konfiguration verwendet werden können, die den Betrieb einer solchen Vorrichtung und eines solchen Systems wie hierin näher beschrieben ermöglicht.
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In dem Ausführungsbeispiel ist die Dampfturbine 10 eine einflutige Dampfturbine. Alternativ dazu kann die Dampfturbine 10 jede Art von Dampfturbine sein, unter anderem eine Niederdruckturbine, eine Gegenstrom-, Hochdruck- und Mitteldruck-Dampfturbinenkombination, eine zweiflutige Dampfturbine und/oder dergleichen. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung, wie oben erörtert, nicht auf die Verwendung in Dampfturbinen beschränkt und kann auch in anderen Turbinensystemen verwendet werden, beispielsweise in Gasturbinen.
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In dem Ausführungsbeispiel weist die Dampfturbine 10 mehrere Turbinenstufen 12 auf, die mit einer Drehwelle 14 verbunden sind. Ein Gehäuse 16 ist horizontal in eine obere Hälfte 18 und eine (nicht dargestellte) untere Hälfte geteilt. Die Dampfturbine 10 weist eine Hochdruck-(HP-)Dampfeinlassleitung 20 und eine Niederdruck-(LP-)Dampfauslassleitung 22 auf. Die Welle 14 erstreckt sich durch das Gehäuse 16 entlang einer Mittelachse 24. Die Welle 14 wird an einander entgegengesetzten Endabschnitten 30 der Welle 14 durch (nicht dargestellte) Zapfenlager getragen. Mehrere Endpackungsregionen oder Dichtungselemente 32, 34 und 36 sind zwischen den Endabschnitten 30 der Drehwelle und dem Gehäuse 16 angebracht, um die Abdichtung 16 des Gehäuses 16 um die Welle 14 herum zu erleichtern.
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Im Betrieb wird unter hohem Druck stehender heißer Dampf 40 von einer Dampfquelle, beispielsweise einem Dampfkessel oder dergleichen (nicht dargestellt) zu Turbinenstufen 12 geleitet, wobei Wärmeenergie von den Turbinenstufen 12 in mechanische Drehenergie umgewandelt werden kann. Genauer wird der Dampf 40 durch das Gehäuse 16 hindurch über die Dampfeinlassleitung 20 in ein Einlassbecken 26 geleitet, wo er auf mehrere Turbinenblätter oder Schaufeln 38 trifft, die mit einer Welle 14 verbunden sind, um eine Drehung der Welle 14 um eine Mittelachse 24 zu bewirken. Der Dampf 40 verlässt das Gehäuse 16 an der Dampfauslassleitung 22. Der Dampf 40 kann dann zum Dampfkessel (nicht dargestellt) geleitet werden, wo er erneut erhitzt oder zu anderen Komponenten des Systems geleitet werden kann, z.B. zu einem Niederdruck-Turbinenabschnitt oder einem (nicht dargestellten) Kondensator.
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2 ist eine detailliertere schematische Darstellung eines Abschnitts der Dampfturbine 10 in einem Bereich 2, der vom Kästchen 2 in 1 definiert wird. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Dampfturbine 10 eine Welle 14, eine mit einem Innenmantel 44 des Gehäuses 16 verbundene Statorkomponente 42 und mehrere mit der Statorkomponente 42 verbundene Dichtungselemente 34 auf. Das Gehäuse 16, der Innenmantel 44 und die Statorkomponente 42 erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung um die Welle 14 und die Dichtungselemente 34. In dem Ausführungsbeispiel bilden die Dichtungselemente 34 einen kurvenreichen Dichtungsweg zwischen der Statorkomponente 42 und der Welle 14. Die Welle 14 weist mehrere Turbinenstufen 12 auf, durch die unter hohem Druck stehender, heißer Dampf 40 über eines oder mehrere Einlassbecken 26 auf einer Einlassseite 11 der Dampfturbine 10 geleitet wird. Die Turbinenstufen 12 weisen mehrere Einlassdüsen 48 auf. Die Dampfturbine 10 kann jede Anzahl von Einlassdüsen 48 aufweisen, die einen Betrieb der Dampfturbine 10 wie hierin beschrieben ermöglichen. Zum Beispiel kann die Dampfturbine 10 mehr oder weniger Einlassdüsen 48 aufweisen als in 2 dargestellt. Die Turbinenstufen 12 weisen auch mehrere Turbinenblätter oder Schaufeln 38 auf. Die Dampfturbine 10 kann jede Anzahl von Schaufeln 38 aufweisen, die einen Betrieb der Dampfturbine 10 wie hierin beschrieben ermöglichen. Zum Beispiel kann die Dampfturbine 10 mehr oder weniger Schaufeln 38 aufweisen als in 2 dargestellt. Der Dampf 40 tritt durch die Dampfeinlassleitung 20 in das Einlassbecken 26 ein und strömt entlang der Welle 14 durch die Turbinenstufe 12 nach unten.
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Ein Teil des zugegebenen unter hohem Druck stehenden, heißen Dampfs 40 wird über eine Austrittsregion 50 durch die Endpackungs-Dichtungselemente 34 geleitet. Der Verlust von Dampf 40 durch die Austrittsregion 50 führt zu einem Verlust an Wirkungsgrad der Dampfturbine 10. Um den Austritt von Dampf 40 durch die Endpackungsregion 32 zu verringern, wie oben beschrieben, weist die Dampfturbine 10 in dem Ausführungsbeispiel, eine einzigartige hydrodynamische Flächendichtungsanordnung auf, die allgemein mit 52 bezeichnet ist.
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3 ist eine schematische Schnittdarstellung einer hydrodynamischen Flächendichtung 52, die in einer (in 1 dargestellten) Dampfturbine 10 verwendet werden kann. In dem Ausführungsbeispiel erleichtert die Flächendichtung 52 die Verringerung oder Verhinderung des Austretens eines unter Druck gesetzten Prozessfluids, z.B. von Dampf 40, zwischen einer Region relativ hohen Drucks und einem Bereich relativ niedrigen Drucks. Die Flächendichtung 52 verringert ferner das Aufwachsen von Fremdstoffen, beispielsweise Verunreinigungen oder Schmutzteilchen, die im Dampf 40 enthalten sind und die auf einer Oberfläche einer Flächendichtung 52 abgeschieden werden können und bewirken, dass die Flächendichtung 52 weniger effizient arbeitet.
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In dem Ausführungsbeispiel ist die Flächendichtung 52 eine Hochdruckdichtung, die zwischen einer Welle 14 und einem Innenmantel 44 des Gehäuses 16 auf einer Einlassseite 11 der Turbinenstufen 12 angeordnet ist. Obwohl eine Dampfturbine 10 dargestellt ist, kann die Flächendichtung 52, wie oben beschrieben, in jeder Anwendung verwendet werden, wo eine selbstregulierende Dichtung erwünscht oder nötig ist. In dem Ausführungsbeispiel weist die Flächendichtung 52 einen drehenden Dichtungsring 54, eine stationäre Dichtungsringanordnung 56 und ein Dichtungsgehäuse 58 auf, die mit einer Mittelachse 24 der Welle 14 konzentrisch sind und um diese herum verlaufen. Der drehende Dichtungsring 54 und die stationäre Dichtungsringanordnung 56 bilden zusammen eine Primärdichtung 55.
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In dem Ausführungsbeispiel ist der drehende Dichtungsring 54 mit der Welle 14 verbunden und ist mit dieser zusammen drehbar. Alternativ dazu kann der drehende Dichtungsring 54 als integraler Teil der Welle 14 ausgebildet sein. In dem Ausführungsbeispiel ist der drehende Dichtungsring 54 im Allgemeinen scheibenförmig und weist eine axial ausgerichtete, erste Primärdichtungsoberfläche 60 auf, die hydrodynamische Merkmale aufweist, wie Kanäle oder Nuten 61, die darin definiert sind. Die Kanäle oder Nuten 61 lenken Prozessfluid, z.B. Dampf 40, zwischen den drehenden Dichtungsring 54 und den stationären Dichtungsring 56, wodurch eine Prozessfluidfilmschicht gebildet wird, die im Allgemeinen höchstens etwa 0,002 Inch dick ist. Alternativ oder zusätzlich dazu können Kanäle oder Nuten 61 in einer sekundären Primärdichtungsoberfläche 74 der stationären Dichtungsringanordnung 56 ausgebildet sein.
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Die stationäre Dichtungsringanordnung 56 weist einen primären Ring 94 und einen Stützring 84 auf, die in einer Lagebeziehung, in der ihre Flächen einander zugewandt sind, durch ein Element 77 miteinander verbunden sind, das Drehhemmungs-, Positionierungs- und Befestigungsfunktionen aufweist. Der primäre Ring 94 ist im Allgemeinen scheibenförmig und weist eine sich radial erstreckende Oberfläche auf, die eine zweite Primärdichtungsoberfläche 74 definiert. Die zweite Primärdichtungsoberfläche 74 ist in einer Lagebeziehung mit einer ersten Primärdichtungsoberfläche 60 so angeordnet, dass ihre Flächen einander zugewandt sind und aufeinander passen. Die ersten und zweiten Primärdichtungsoberflächen 60 und 74 bilden einen ungeradlinigen oder kurvenreichen Strömungsweg für das Fluid, z.B. den Dampf 40.
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In dem Ausführungsbeispiel ist das Dichtungsgehäuse 58 so gestaltet, dass es die stationäre Dichtungsringanordnung 56 mit dem Innenmantel 44 des Gehäuses 16 verbindet. Das Dichtungsgehäuse 58 ist eine drehfeste, axial verlaufende Komponente, die eine nachstehend beschriebene Sekundärdichtungsanordnung 100 aufweist, die ein axiales Gleiten der Dichtungsanordnung 56 gestattet, so dass diese dem drehenden Dichtungsring 56 dynamisch in einer axialen Verschiebung folgen kann, während sie für eine Abdichtung sorgt. Das Dichtungsgehäuse 58 weist außerdem einen oder mehrere Federsitze 64 auf. Das Dichtungsgehäuse 58 kann ein radial einwärts verlaufendes Ausrichtungselement 66 aufweisen, das mit einem Ausrichtungsschlitz 68 einer stationären Dichtungsringanordnung 56 verbunden ist. Die stationäre Dichtungsringanordnung 56 ist so mit dem Dichtungsgehäuse 58 verbunden, dass die stationäre Dichtungsringanordnung 56 entlang der Mittelachse 24 axial bewegbar ist und lateral nicht bewegbar oder drehbar ist. Der Ausrichtungsschlitz 68 ist an einem Außenrand sowohl des primären Rings 94 als auch des Stützrings 84 ausgebildet. Alternativ dazu kann die stationäre Dichtungsringanordnung 56 eine beliebige Anzahl von Schlitzen 68 aufweisen, die radial um ihren Außenrand herum beabstandet sind. Die Nut-Feder-Verbindung dient als drehungsverhinderndes Merkmal, um zu verhindern, dass sich die sekundäre Primärdichtungsringanordnung 56 mit dem ersten primären drehenden Ring 54 dreht.
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In manchen Ausführungsformen kann das Dichtungsgehäuse 58 als Einheit mit dem Innenmantel 44 des Gehäuses 16 ausgebildet sein. Ferner kann die stationäre Dichtungsringanordnung 56 in manchen alternativen Ausführungsformen direkt mit dem Innenmantel 44 verbunden sein. In dem Ausführungsbeispiel ist das Dichtungsgehäuse 58 mit einer strukturellen Dichtung 76, die sich entlang eines Außendurchmessers 62 des Dichtungsgehäuses 58 erstreckt, mit dem Innenmantel 44 verbunden. Das Dichtungsgehäuse 58 weist eine Nut 78 auf, die so gestaltet ist, dass sie die strukturelle Dichtung 76 aufnehmen kann. In dem Ausführungsbeispiel ist die strukturelle Dichtung 76 ein O-Ring. Alternativ dazu kann die strukturelle Dichtung 76 jede Art von Dichtung sein, die eine Funktion der Flächendichtung 52 wie hierin beschrieben ermöglicht, unter anderem ein Metallring vom V-Typ oder vom C-Typ.
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In dem Ausführungsbeispiel erstrecken sich eine oder mehrere Vorbelastungskomponenten 70, beispielsweise eine Feder, zwischen dem Federsitz 64 und einem sich radial erstreckenden Vorbelastungsring 72 der stationären Dichtungsringanordnung 56. Die Vorbelastungskomponente 70 drängt die stationäre Dichtungsringanordnung 56 weg vom drehenden Ring 54, um eine Drehung der Drehwelle 14 zu ermöglichen, ohne dass beim Starten zunächst ein Kontakt mit der Dichtungsfläche besteht. Alternativ dazu kann die Vorbelastungskomponente 70 so gestaltet sein, dass sie die stationäre Dichtungsringanordnung 56 in Richtung auf die erste Dichtungskomponente 54 drängt bzw. vorbelastet, so dass die Drehwelle 14 sich mit einem zu Anfang bestehenden Dichtungsflächenkontakt zu drehen beginnt.
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Der primäre Ring 94 weist eine sich radial erstreckende Oberfläche auf, die eine axial ausgerichtete zweite Primärdichtungsoberfläche 74 definiert, die in einer Lagebeziehung mit der ersten Primärdichtungsoberfläche 60, in der ihre Flächen einander zugewandt sind und aufeinander passen, an der ersten Flächendichtungskomponente 54 angeordnet ist. Die ersten und zweiten Primärdichtungsoberflächen 60 und 74 bilden einen ungeradlinigen oder kurvenreichen Strömungsweg für das Fluid, z.B. den Dampf 40. In dem Ausführungsbeispiel sind der primäre Ring 94 und der Stützring 84 jeweils in mindestens zwei Segmente geteilt, um ihre Installation zu ermöglichen. Die Segmentfugen des Stützrings 84 sind zu den Segmentfugen des primären Rings 94 versetzt. Diese zweilagige stationäre Dichtungsringanordnung 56 macht es möglich, dass die Segmentfugen des primären Rings 94 auf einer zusammenhängenden Oberfläche des Dichtungsrings 84 aufliegen, wodurch potentielle Stufen über Segmentfugen vermieden werden. Sowohl der Stützring 84 als auch der primäre Ring 94 können doppelt überlappt sein, um eine vorgegebene Anforderung an die Flachheit (typischerweise weniger als 0,001 Inch) auf beiden Seitenflächen zu erfüllen. In dem Ausführungsbeispiel sind der Stützring 84 und der Vorbelastungsring 72 separate Bauteile, um die Herstellung zu vereinfachen. Alternativ dazu können sie als einstückiges Teil hergestellt werden, das segmentiert wird.
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In dem Ausführungsbeispiel weist die Flächendichtung 52 ferner eine Sekundärdichtungsanordnung 100 auf, die zwischen der stationären Dichtungsanordnung 56 und dem Dichtungsgehäuse 58 angeordnet ist. Die Sekundärdichtungsanordnung 100 ist so gestaltet, dass sie von der Vorbelastungskomponente 70 axial mit der stationären Dichtungsringanordnung 56 vorbelastet wird. In dem Ausführungsbeispiel weist die Sekundärdichtungsanordnung 100 mehrere Ringe 102 auf, die zusammenwirken, um Schmutz von der Sekundärdichtungsoberfläche 80 zu entfernen und eine Dichtung für austretendes Fluid zwischen einer stromaufwärtigen Seite 104 und einer stromabwärtigen Seite 106 der Sekundärdichtungsanordnung 100 bereitzustellen. In dem Ausführungsbeispiel weist die Sekundärdichtungsanordnung 100 eine Sekundärdichtungsring 108, der eine Dichtung zwischen dem Dichtungsgehäuse 56 und der stationären Dichtungsringanordnung 56, welche die Druckbelastung wegen des Austritts von Dampf 40 aufnimmt, bildet, und mindestens einen Dichtungsring 110 auf. Der Sekundärdichtungsring 108 sorgt für eine Dichtung zwischen der stromaufwärtigen Seite 104 und der stromabwärtigen Seite 106 der Sekundärdichtungsanordnung 100. In dem Ausführungsbeispiel ist der Sekundärdichtungsring 108 ein O-Ring. Alternativ dazu kann der Sekundärdichtungsring 108 jede Art von Dichtung sein, die ein Gleiten der stationären Dichtungsringanordnung 56 in axialer Richtung relativ zum Dichtungsgehäuse 58 ermöglicht, beispielsweise eine Bürstendichtung, ein Kolbenring oder ein Teflonring. Der Sekundärdichtungsring 108 sorgt für eine Dichtung gegen die Sekundärdichtungsoberfläche 80 des Dichtungsgehäuses 58, um ein Austreten des Dampfs 40 zwischen der stromaufwärtigen Seite 108 und der stromabwärtigen Seite 106 der Sekundärdichtungsanordnung 100 und dem Dichtungsgehäuse 58 zu verhindern und dabei zuzulassen, dass sich die Sekundärdichtungsanordnung 100 axial mit der stationären Dichtungsringanordnung 56 bewegt, um der Bewegung des drehenden Dichtungsrings 45 aufgrund einer Wärmeausdehnung, eines Rückstoßes oder einer Wackeligkeit der Dichtungsoberfläche aufgrund von Herstellungstoleranzen folgen zu können.
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Vorzugsweise weist die Sekundärdichtungsanordnung 100 einen ersten Schutzring 110, der auf der stromaufwärtigen Seite 104 des Sekundärdichtungsrings 108 angeordnet ist, und einen zweiten Schutzring 112 auf, der auf der stromabwärtigen Seite 106 des Sekundärdichtungsrings 108 angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Sekundärdichtungsanordnung 100 nur einen ersten Schutzring 110 auf der stromaufwärtigen Seite 104 des Sekundärdichtungsrings 108 aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel ist der erste Schutzring 110 in einer Nut 114 am Vorbelastungsring 72 angebracht, und der Dichtungsring 108 ist in einer zweiten Nut 116, ebenfalls am Vorbelastungsring 72, angebracht. Der zweite Schutzring 112 ist in einer Nut 118 am Stützring 84 der stationären Dichtungsanordnung 56 angebracht. Alternativ dazu können die Ringe 108, 110 und 112 innerhalb von Nuten des Vorbelastungsrings 72 und des Stützrings 84 in einer beliebigen Gestaltung angebracht sein, so dass alle drei Ringe 108, 110 und 112 mit dem Vorbelastungsring 72 oder dem Stützring 84 verbunden sind.
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In dem Ausführungsbeispiel strömt austretender Dampf 40 (in 1 dargestellt) durch Lücken, die zwischen dem Ausrichtungsschlitz 68 und dem Ausrichtungselement 66 vorhanden sind, in das Dichtungsgehäuse 58. Dann strömt der Dampf 40 zum stromaufwärtigen Ende 104 und über die Sekundärdichtungsoberfläche 80, bevor er auf den Vorbelastungsring 72 und den Sekundärdichtungsring 108 trifft. Der Dampf 40 enthält Schmutzteilchen, die auf der Sekundärdichtungsoberfläche 80 in der Nähe des Sekundärdichtungsrings 108 abgeschieden werden und sich auf der Oberfläche 80 und anderen Komponenten der stationären Dichtungsringanordnung 56, beispielsweise den Ringen 72, 84 und 94 ansammeln können. Die Ansammlung der Schmutzteilchen kann eine axiale Vorbelastung der stationären Dichtungsringanordnung 56 und genauer des Sekundärdichtungsrings 108 verhindern. Ein solches Festfressen kann zu einem Kontakt zwischen der Rotorwelle 14 und der Sekundärdichtungsanordnung 100 und/oder der stationären Dichtungsringanordnung 56 führen, was zu einer Beschädigung von irgendwelchen dieser Komponenten führen kann. Ferner kann ein Festfressen der Sekundärdichtungsanordnung 100 und der stationären Dichtungsringanordnung 56 zu einem Versagen der Primärdichtung 55 führen, was wiederum die Effizienz des Betriebs der Dampfturbine 10 (in 1 dargestellt) herabsetzen kann.
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Der erste Schutzring 110 ist auf einer stromaufwärtigen Hochdruckseite 104 des Sekundärdichtungsrings 108 angeordnet, und der zweite Schutzring 112 ist auf einer stromabwärtigen Niederdruckseite des sekundären Schutzrings 108 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel stehen die Schutzringe 110 und 112 mit der Sekundärdichtungsoberfläche 80 in Kontakt und sind so gestaltet, dass sie Schmutzteilchen, die durch den Dampf 40 auf der Oberfläche 80 abgelagert wurden, entfernen. Da die stromaufwärtige Seite 104 des Sekundärdichtungsrings 108 Dampf 40 ausgesetzt wird, der unter höherem Druck steht und mehr Schmutzteilchen enthält als auf der stromabwärtigen Seite 106, muss der erste Schutzring die Teilchen von der unter hohem Druck stehenden stromaufwärtigen Seite 104 des Sekundärdichtungsrings 108 entfernen, während der optionale zweite Schutzring 112 so gestaltet ist, dass er etwaige verbliebene Teilchen auf der mit niedrigem Druck beaufschlagten stromabwärtigen Seite 106, die entweder durch den Sekundärdichtungsring 108 oder durch die Primärdichtung 55 gelangen, entfernt. Da der Vorbelastungsring 72, der Stützring 84 und der primäre Ring 94 über der Sekundärdichtungsoberfläche 80 vorbelastet werden, werden die ersten und zweiten Schutzringe 110 und 112 gleichzeitig in einer axialen Richtung vorbelastet, um das Entfernen von Schmutz von dem Abschnitt der Oberfläche 80, über die der Sekundärdichtungsring 108 wandert, zu erleichtern. Das Entfernen von Schmutz von der Sekundärdichtungsoberfläche 80 erleichtert die Ausbildung einer guten Abdichtung am Sekundärdichtungsring 108 und verhindert ein Festfressen der Sekundärdichtungsringanordnung 100.
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Außerdem können die ersten und zweiten Schutzringe 110 und 112 so gestaltet sein, dass sie sich innerhalb der Nuten 114 bzw. 118 um die Achse 24 drehen. Die Ringe 110 und 112 können sich drehen, wenn die Vorbelastungskomponente nicht aktiv ist, um für die Entfernung von Schmutz zu sorgen, wenn die Ringe 110 und 112 sich nicht axial bewegen.
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Alternativ dazu können sich die Ringe 110 und 112 drehen, wenn die Vorbelastungskomponente aktiv ist, um zusätzlich für die Entfernung von Schmutz zu sorgen, wenn die Ringe 110 und 112 sich axial bewegen. In dem Ausführungsbeispiel weist der erste Schutzring 110 einen stromaufwärtigen Rand 120, einen stromabwärtigen Rand 122 und eine radial innere Oberfläche 124 auf, die sich dazwischen erstreckt. Ebenso weist der zweite Schutzring 112 einen stromaufwärtigen Rand 126, einen stromabwärtigen Rand 128 und eine radial innere Oberfläche 130 auf, die sich dazwischen erstreckt. Mindestens einer bzw. eine von den stromaufwärtigen Rändern 120 und 126, den stromabwärtigen Rändern 122 und 128 und den inneren Oberflächen 124 und 130 steht in leichtem Kontakt Sekundärdichtungsoberfläche 80 während der Vorbelastung der Sekundärdichtungsanordnung 100, um die Entfernung von Schmutzteilchen von der Oberfläche 80 zu erleichtern. In dem Ausführungsbeispiel weisen die Ränder 120, 122, 126 und 128 zugespitzte Enden (nicht dargestellt) auf, die das Abschaben von Schmutz von der Sekundärdichtungsoberfläche 80 erleichtern. Alternativ dazu können die Ränder 120, 122, 126 und 128 jede beliebige Form aufweisen, unter anderem eine Sägezahnform, die den Betrieb der Sekundärdichtungsanordnung 100 wie hierin beschrieben erleichtert. Ferner können die Ränder 120, 122, 126 und 128 und jede von den inneren Oberflächen 124 und 130 ein (nicht dargestelltes) Streifelement, beispielsweise Drahtborsten, aufweisen, das die Entfernung von Schmutzteilchen von der Sekundärdichtungsoberfläche 80 erleichtert, während die Sekundärdichtungsanordnung 100 von der Komponente 70 vorbelastet wird. Die ersten und zweiten Schutzringe 110 und 112 kommen nur minimal in Kontakt mit der Oberfläche 80, so dass die Ringe 110 und 112 nur dazu dienen, die Oberfläche 80 zu reinigen und keine Druckbelastung aufnehmen, wodurch verhindert wird, dass sich die Ringe 110 und 120 festfressen.
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Die hierin beschriebene Anordnung und die hierin beschriebenen Verfahren erleichtern die Verbesserung der Leistung einer drehenden Maschine durch Bereitstellen einer selbstreinigenden Sekundärdichtungsanordnung, die ein Austreten von Prozessfluid in einer drehenden Maschine wesentlich verringert. Genauer weist die Sekundärdichtungsanordnung einen Sekundärdichtungsring und Schutzringe auf, die auf jeder Seite angeordnet sind und die für eine Entfernung von aufgewachsenen Schmutzteilchen sorgen, die von einem Prozessfluid auf einem Dichtungsgehäuse zurückgelassen worden sind. Da die Sekundärdichtungsanordnung entlang einer Oberfläche des Dichtungsgehäuses vorbelastet wird, streifen die Ränder der Schutzringe über die Oberfläche, um darauf zurückgebliebene Schmutzabscheidungen zu entfernen, was die Verhütung eines Festfressens der Sekundärdichtungsringanordnung erleichtert. Daher erleichtern die Anordnung und die Verfahren, die hierin beschrieben sind, im Gegensatz zu bekannten hydrodynamischen Flächendichtungen ohne reinigende Schutzringe die Reduzierung der Wartungsperiode für Flächendichtungen mit großem Durchmesser und erleichtern die Verringerung des Austretens von Prozessfluid aus der drehenden Maschine.
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Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel können Komponenten jedes Systems und/oder Schritte jedes Verfahrens unabhängig und getrennt von anderen Komponenten und/oder Schritten, die hierin beschrieben sind, verwendet und/oder durchgeführt werden. Außerdem kann jede Komponente und/oder jeder Schritt auch mit anderen Anordnungen und Verfahren verwendet und/oder durchgeführt werden.
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Obwohl die Erfindung anhand verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung mit einer Modifikation im Gedanken und Bereich der Ansprüche in die Praxis umgesetzt werden kann.
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Eine Dichtungsringanordnung 56 zur Verwendung mit einer drehenden Maschine, die eine Drehachse 24 aufweist, weist ein Dichtungsgehäuse 58 mit einer Sekundärdichtungsoberfläche 80 und eine Sekundärdichtungsanordnung 100 auf, die mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist. Die Sekundärdichtungsanordnung weist einen Dichtungsring 108 auf, der mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist, wobei der Dichtungsring so gestaltet ist, dass er mit der Sekundärdichtungsoberfläche eine Sekundärdichtung 76 bildet. Die Sekundärdichtungsanordnung weist auch mindestens einen Schutzring 110, 112 auf, der stromaufwärts vom Dichtungsring angeordnet ist. Die Sekundärdichtungsanordnung ist so gestaltet, dass sie entlang der Achse so vorbelastet wird, dass die Vorbelastung des mindestens einen Schutzrings das Entfernen von Schmutz von mindestens einem Teil der Sekundärdichtungsoberfläche, über die der Dichtungsring während der Vorbelastung wandert, erleichtert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Dampfturbine
- 11
- Einlassseite
- 12
- Turbinenstufen
- 14
- Welle
- 16
- Gehäuse
- 18
- obere Hälfte
- 20
- Dampfeinlassleitung
- 22
- Dampfauslassleitung
- 24
- Mittelachse
- 26
- Einlassbecken
- 30
- Wellenendabschnitte
- 32
- Dichtungselement
- 34
- Dichtungselement
- 36
- Dichtungselemente
- 38
- Turbinenblätter
- 40
- Dampf
- 42
- Statorkomponente
- 44
- Innenmantel
- 48
- Einlassdüsen
- 50
- Austrittsregion
- 52
- Flächendichtung
- 54
- drehender Dichtungsring
- 55
- Primärdichtung
- 56
- stationäre Dichtungsringanordnung
- 58
- Dichtungsgehäuse
- 60
- Primärdichtungsoberfläche
- 60
- erste Primärdichtungsoberfläche
- 61
- Nuten
- 62
- Außendurchmesser
- 64
- Federsitz
- 66
- Ausrichtungselement
- 68
- Ausrichtungsschlitz
- 70
- Vorbelastungskomponente
- 72
- Vorbelastungsring
- 74
- zweite Primärdichtungsoberfläche
- 76
- strukturelle Dichtung
- 77
- Element
- 78
- Nut
- 80
- Sekundärdichtungsoberfläche
- 84
- Stützring
- 94
- primärer Ring
- 100
- Sekundärdichtungsanordnung
- 102
- mehrere Ringe
- 104
- stromaufwärtiges Ende
- 106
- stromabwärtiges Ende
- 108
- Sekundärdichtungsring
- 110
- erster Schutzring
- 112
- zweiter Schutzring
- 114
- Nut
- 116
- Nut
- 118
- Nut
- 120
- stromaufwärtiger Rand
- 122
- stromabwärtiger Rand
- 124
- radial innere Oberfläche
- 126
- stromaufwärtiger Rand
- 128
- stromabwärtiger Rand
- 130
- radial innere Oberfläche
