DE102020209326A1 - Fastening device for segmented brush seals in a seal carrier - Google Patents

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Norbert Christian Lenz
Christoph Cernay
Stefan Beichl
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung einer Bürstendichtung (20) an einem Maschinengehäuse (30), wobei die Bürstendichtung (20) ein Bürstendichtungsgehäuse (21) aufweist und wobei aus dem Bürstendichtungsgehäuse Borsten ragen, um einen Radialspalt zwischen dem Maschinengehäuse (30) und einer Welle abzudichten, umfassend einen ersten Aufnahmeraum (22) in dem Bürstendichtungsgehäuse (20), einen zweiten Aufnahmeraum (32) in dem Maschinengehäuse (30) und einen Spannstift (10), der eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Aufnahmeraum (22, 32) herstellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spannstift (10) eine Passfläche (11) aufweist, die im eingebauten Zustand der Bürstendichtung (20) mit einer zur Umfangsrichtung (U) und Radialrichtung (R) schräg verlaufenden Anlagefläche (21) in dem Aufnahmeraum (22) verklemmt oder an der Anlagefläche (21) zumindest anliegt.The invention relates to a fastening device for fastening a brush seal (20) to a machine housing (30), the brush seal (20) having a brush seal housing (21) and bristles protruding from the brush seal housing in order to fill a radial gap between the machine housing (30) and a shaft, comprising a first receiving space (22) in the brush seal housing (20), a second receiving space (32) in the machine housing (30) and a dowel pin (10) which creates a positive and/or non-positive connection between the first and the second receiving space (22, 32) produces. According to the invention, the clamping pin (10) has a mating surface (11) which, when the brush seal (20) is installed, has a contact surface (21) running obliquely to the circumferential direction (U) and radial direction (R) in the receiving space (22). jammed or at least rests against the contact surface (21).

Description

Stand der TechnikState of the art

Bürstendichtungen umfassen üblicherweise ein Bürstendichtungsgehäuse, in dem die Borsten an oder um ein Kernelement, insbesondere einem Kerndraht, festgelegt sind und das in einer Aufnahme (beispielsweise in einem Dichtungsträger) eines Maschinengehäuses einer Strömungsmaschine aufgenommen ist. Zusätzlich kann zwischen den Borsten und dem Bürstendichtungsgehäuse eine Klemmhülse bzw. Klemmblech vorgesehen sein, die den Borsten weiteren Halt bietet. Es kann vorgesehen sein, dass die Bürstendichtung ohne Bürstendichtungsgehäuse ausgestaltet ist und direkt in der Aufnahme des Maschinengehäuses aufgenommen ist. Das Maschinengehäuse ist üblicherweise in Umfangsrichtung an Trennebenen geteilt, so dass die einzelnen Segmente des Maschinengehäuses um die Welle auf einfache Weise angeordnet werden können. Eine Bürstendichtung in einem so geteilten Maschinengehäuse (Split Casing) muss sicher fixiert werden. Hierzu sind an den Trennebenen sowohl maschinenseitig als auch bürstendichtungsseitig zusätzliche Aufnahmeräume für Befestigungsmittel vorgesehen. Das Befestigen wird derzeit mit sogenannten Spannpratzen realisiert. Hierbei wird das Bürstendichtungsgehäuse mit den Spannpratzen an der Trennebene radial und in Umfangsrichtung an eine Passfläche der Aufnahme (Nutgrunddurchmesser) gezogen. Die Spannpratzen werden zusätzlich mit Schrauben fixiert.Brush seals usually include a brush seal housing in which the bristles are fixed on or around a core element, in particular a core wire, and which is accommodated in a receptacle (for example in a seal carrier) of a machine housing of a turbomachine. In addition, a clamping sleeve or clamping plate can be provided between the bristles and the brush seal housing, which offers the bristles further support. It can be provided that the brush seal is designed without a brush seal housing and is accommodated directly in the receptacle of the machine housing. The machine housing is usually divided in the circumferential direction at parting planes, so that the individual segments of the machine housing can be arranged around the shaft in a simple manner. A brush seal in a machine housing divided in this way (split casing) must be securely fixed. For this purpose, additional receiving spaces for fasteners are provided on the parting planes both on the machine side and on the brush seal side. Fastening is currently realized with so-called clamping claws. Here, the brush seal housing with the clamping claws on the parting plane is pulled radially and in the circumferential direction onto a fitting surface of the mount (groove base diameter). The clamping claws are additionally fixed with screws.

Technisches ProblemTechnical problem

Das Konzept der Befestigung mit Spannpratzen und Schrauben benötigt viel radialen Bauraum und somit relative dicke Gehäuse. Zusätzlich ist die derzeitige Lösung mit Spannpratze und Schrauben relativ teuer. Beim Austausch gegen Ersatzteile können festsitzende (verzunderte) Gewinde Schwierigkeiten bereiten.The concept of fastening with clamping claws and screws requires a lot of radial space and therefore relatively thick housings. In addition, the current solution with clamping claws and screws is relatively expensive. When replacing spare parts, stuck (scaled) threads can cause problems.

Lösungsolution

Die derzeitig verwendete Spannpratze kann durch einen speziellen Spannstift 10 ersetzt werden. Wie in den 1 bis 3 an einem Ausführungsbeispiel gezeigt, ist der Spannstift 10 so geformt, dass er in eine vorzugsweise schwalbenschwanzförmige Aussparung 22 des Bürstendichtungsgehäuse 20 eingreift. Hierzu weist der Spannstift beispielsweise eine Abschrägung an einem in Umfangsrichtung U abkragenden Vorsprung 12 auf, wobei die Abschrägung eine Passfläche 11 ist, die eine Anlage des Spannstifts 10 in radialer Richtung R und Umfangsrichtung U an dem Bürstendichtungsgehäuse 20 erlaubt. Die Abschrägung weist bevorzugt einen Winkel von 45° auf, kann aber auch spitzere Winkel, beispielsweise bis zu 10°, und stumpfere Winkel, beispielsweise bis zu 80°, aufweisen. Weiterhin weist der Spannstift einen ringförmigen Spannkörper 13 auf, mit dem der Spannstift in der Aufnahme 32 des Maschinengehäuses 30 verspannt ist. Der Spannstift wird vorzugsweise aus einer Nickel-Basislegierung hergestellt, um eine entsprechende Härte, Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Die Wandstärke des Spannkörpers 13 kann entlang seines Umfangsverlaufs variieren, um vorteilhaft den richtigen Einsatz während der Montage zu erleichtern und den radialen Bauraum klein zu halten. Die Wandstärke des Spannkörpers kann variabel entlang seiner Umfangserstreckung sein. Dabei können insbesondere die Außen- und/oder die Innenkontur des Spannkörpers variieren.The clamping claw currently used can be replaced by a special clamping pin 10. As in the 1 until 3 shown in an exemplary embodiment, the roll pin 10 is shaped in such a way that it engages in a preferably dovetail-shaped recess 22 in the brush seal housing 20 . For this purpose, the dowel pin has, for example, a chamfer on a projection 12 projecting in the circumferential direction U, the chamfer being a mating surface 11 that allows the dowel pin 10 to rest against the brush seal housing 20 in the radial direction R and circumferential direction U. The bevel preferably has an angle of 45°, but can also have more acute angles, for example up to 10°, and more obtuse angles, for example up to 80°. Furthermore, the clamping pin has an annular clamping body 13 with which the clamping pin is braced in the receptacle 32 of the machine housing 30 . The dowel pin is preferably made from a nickel-based alloy to ensure appropriate hardness, heat resistance and corrosion resistance. The wall thickness of the clamping body 13 can vary along its circumference in order to advantageously facilitate correct use during assembly and to keep the radial installation space small. The wall thickness of the clamping body can be variable along its circumferential extent. In particular, the outer and/or inner contour of the clamping body can vary.

Man kann den Spannstift kann vorzugsweise in einem Pulverfügeverfahren (additive Fertigung, Sintern) oder aus einem Vollkörper herstellen.The dowel pin can preferably be produced in a powder joining process (additive manufacturing, sintering) or from a solid body.

Es ist auch denkbar, dass ein oben beschriebener Spannstift für andere Dichtungsvarianten einsetzbar ist.It is also conceivable that a dowel pin described above can be used for other sealing variants.

Vorteile sind:

  • • Platzeinsparung in radialer Richtung R, ohne senkrecht zur Trennebene T mehr Raum zu benötigen, da die Innenwand zwischen Schraube und Bürstendichtungsgehäuse nicht mehr vorgesehenen werden muss (Einsatz in Maschinengehäusen mit dünneren Wandstärken möglich).
  • • Sichere Befestigung der Bürstendichtung 20 im Maschinengehäuse 30
  • • Das Konzept erlaubt es, mit einfachen Mitteln das Spannelement 10 zu befestigen und wieder zu entfernen.
  • • Kompatibel zu den bestehenden Dichtungsgehäusen
  • • Kostengünstige Lösung
  • • Nur einfache Bohrung im Gehäuse nötig
Advantages are:
  • • Space savings in the radial direction R, without requiring more space perpendicular to the parting line T, since the inner wall between the screw and the brush seal housing no longer needs to be provided (can be used in machine housings with thinner walls).
  • • Safe attachment of the brush seal 20 in the machine housing 30
  • • The concept allows the clamping element 10 to be fastened and removed again with simple means.
  • • Compatible with existing seal housings
  • • Inexpensive solution
  • • Only simple drilling in the housing required

Varianten:

  1. 1. Spannstift 10 besitzt am Innendurchmesser ein Gewinde, um einen leichten Ausbau zu gewährleisten.
  2. 2. Spannstift 10 hat am Innendurchmesser eine spezielle Kontur (ähnlich Bajonett oder Hinterschnitt), die den Einsatz eines Demontagewerkzeugs erlaubt.
  3. 3. Spannstift 10 hat innenliegende Kontur, um ihn zu lösen, z.B. einem Sicherungsring nach DIN 472 ähnliche Ösen.
  4. 4. Der Spannstift 10 hat eine Öffnung auf der abgeschrägten Seite 11.
  5. 5. Der Spannstift 10 hat eine Öffnung auf der gegenüberliegende Seite der Abschrägung.
  6. 6. Der Spannstift 10 hat die Öffnung an beliebiger Umfangsposition.
  7. 7. Spannstift durch additive Fertigung (beispielsweise SLM) hergestellt.
    1. a. Der Spannstift besteht aus warmfester und korrosionsbeständiger Legierung (z.B. Inconel 718)
    2. b. Die harte und rauhe Außenfläche des Spannstifts führt zu einem hohen Reibkoeffizienten (sicherer Sitz) einem guten Halt mit Gleitreibung ähnlich zur Haftreibung.
    3. c. Das Innengewinde bzw. die Spezialkontur kann direkt hergestellt werden
    4. d. Die Wandstärke kann über den Umfang variiert werden.
  8. 8. Spannstift kann zusätzlich durch einen konischen Dorn aufgespannt werden (ähnlich Spreizdübel)
  9. 9. Das Konzept kann auch für mehrere Träger- und Dichtungssegmente eingesetzt werden.
  10. 10. Herstellung aus einem Normspannstift.
  11. 11. Der Spannstift weist ausgehend von der in 2 gezeigten Ebene T Vertiefungen oder Aussparungen, die es erlauben, ihn vor oder nach dem Einbau bezüglich der Lage um die Achse der Bohrung im Dichtungsträger auszurichten.
    1. a. Der Spannstift hat zwei (beispielsweise pyramidenförmige) Kerben. Ein Montagewerkzeug 40 mit gleichförm iger Erhebungen 41 greift hinein und zeigt wie ein Lineal 42 zugleich, in welchem Winkel der Monteur den Spannstift hält.
    2. b. Die unter 4. bis 6. genannte Öffnung lässt sich nutzen, um den Spannstift nach dem Einbau zu drehen. Das dafür geeignete Werkzeug ist in 4 gezeigt und besteht beispielsweise aus einem Zylinder 43 mit Rippe 44. Man steckt den Zylinder in die Mitte des Spannstiftes, wobei die Rippe in die Öffnung greift und es erlaubt, ein Drehmoment einzuleiten.
    3. c. Neben der unter 4. bis 6. genannten Öffnung hat der Spannstift drei weitere gleichmäßig am Umfang verteilte Kerben, die ihn kompatibel zu einem Kreuzschlitz (z.B. Phillips „PH“) machen.
Variants:
  1. 1. Roll pin 10 is threaded on the inside diameter for easy removal.
  2. 2. Spring pin 10 has a special contour on the inner diameter (similar to a bayonet or undercut) that allows the use of a disassembly tool.
  3. 3. Spring pin 10 has an internal contour to loosen it, eg eyelets similar to a circlip according to DIN 472.
  4. 4. The roll pin 10 has an opening on the beveled side 11.
  5. 5. The roll pin 10 has an opening on the opposite side of the bevel.
  6. 6. The spring pin 10 has the opening at any circumferential position.
  7. 7. Spring pin made by additive manufacturing (e.g. SLM).
    1. a. The dowel pin is made of heat-resistant and corrosion-resistant alloy (e.g. Inconel 718)
    2. b. The hard and rough outer surface of the dowel pin results in a high coefficient of friction (secure fit) and a good grip with sliding friction similar to static friction.
    3. c. The internal thread or the special contour can be produced directly
    4. i.e. The wall thickness can be varied over the circumference.
  8. 8. The spring pin can also be clamped using a conical mandrel (similar to an expansion dowel)
  9. 9. The concept can also be used for several carrier and sealing segments.
  10. 10. Manufacture from a standard dowel pin.
  11. 11. Starting from the in 2 plane T shown, indentations or recesses that allow it to be aligned with respect to position about the axis of the bore in the seal carrier before or after installation.
    1. a. The spring pin has two (e.g. pyramid-shaped) notches. An assembly tool 40 with uniform elevations 41 reaches into it and, like a ruler 42, shows at the same time the angle at which the fitter is holding the dowel pin.
    2. b. The opening mentioned under 4. to 6. can be used to turn the dowel pin after installation. The appropriate tool for this is in 4 and consists for example of a cylinder 43 with rib 44. The cylinder is inserted in the center of the roll pin, the rib engaging in the opening and allowing torque to be applied.
    3. c. In addition to the opening mentioned under 4. to 6., the roll pin has three further notches distributed evenly around the circumference, which make it compatible with a cross slot (eg Phillips "PH").

Claims (14)

Befestigungsvorrichtung zur Befestigung einer Bürstendichtung (20) an einem Maschinengehäuse (30), wobei die Bürstendichtung (20) ein Bürstendichtungsgehäuse (21) aufweist und wobei aus dem Bürstendichtungsgehäuse Borsten ragen, um einen Radialspalt zwischen dem Maschinengehäuse (30) und einer Welle abzudichten, umfassend einen ersten Aufnahmeraum (22) in dem Bürstendichtungsgehäuse (20), einen zweiten Aufnahmeraum (32) in dem Maschinengehäuse (30) und einen Spannstift (10), der eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Aufnahmeraum (22, 32) herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) eine Passfläche (11) aufweist, die im eingebauten Zustand der Bürstendichtung (20) mit einer zur Umfangsrichtung (U) und Radialrichtung (R) schräg verlaufenden Anlagefläche (21) in dem Aufnahmeraum (22) verklemmt oder an der Anlagefläche (21) zumindest anliegt.Fastening device for fastening a brush seal (20) to a machine housing (30), the brush seal (20) having a brush seal housing (21) and bristles protruding from the brush seal housing in order to seal a radial gap between the machine housing (30) and a shaft, comprising a first receiving space (22) in the brush seal housing (20), a second receiving space (32) in the machine housing (30) and a dowel pin (10) which creates a positive and/or non-positive connection between the first and the second receiving space (22 , 32), characterized in that the roll pin (10) has a mating surface (11) which, when the brush seal (20) is installed, has a contact surface (21) running obliquely to the circumferential direction (U) and radial direction (R) in the Recording space (22) is jammed or at least rests against the contact surface (21). Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift zumindest an der Passfläche und/oder zumindest an der Außenseite eines Spannkörpers (13) des Spannstifts (10) eine harte, insbesondere eine Vickershärte von mindestens 400 aufweisende, und/oder rauhe, insbesondere eine Rauhigkeit von Ra 3,55 bis 7,1 aufweisende, Außenfläche aufweist, so dass vorzugsweise der Reibkoeffizient zwischen den Reibpartnern hoch ist.fastening device claim 1 , characterized in that the roll pin is hard, in particular having a Vickers hardness of at least 400, and/or rough, in particular a roughness of Ra 3 55 to 7.1 having outer surface, so that preferably the coefficient of friction between the friction partners is high. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) einen vorzugsweise scheiben- und/oder ringförmigen Spannkörper (13) aufweist, von dem ein Vorsprung (12), an dem die Passfläche (11) angeordnet ist, in Umfangsrichtung (U) auskragt.fastening device claim 1 or 2 , characterized in that the clamping pin (10) has a preferably disc-shaped and / or ring-shaped clamping body (13), from which a projection (12) on which the fitting surface (11) is arranged, in the circumferential direction (U) protrudes. Befestigungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passfläche (11) und die Anlagefläche (21) einen Winkel von mindestens 10° Grad und höchstens 80° gegenüber der Radialrichtung aufweisen.Fastening device according to one of the preceding claims, characterized in that the mating surface (11) and the bearing surface (21) have an angle of at least 10° and at most 80° with respect to the radial direction. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 45° beträgt.fastening device claim 4 , characterized in that the angle is 45°. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Passfläche (11) und der Winkel der Anlagefläche voneinander verschieden sind.fastening device claim 4 or 5 , characterized in that the angle of the mating surface (11) and the angle of the bearing surface are different from each other. Befestigungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) einen ellipsenförmigen oder ringförmigen Spannkörper aufweist, der sich nach außen, vorzugsweise durch einen Spreizdorn, aufspannen lässt, um in dem Aufnahmeräume (22) eingespannt werden zu können.Fastening device according to one of the preceding claims, characterized in that the dowel pin (10) has an elliptical or has an annular clamping body which can be expanded outwards, preferably by an expanding mandrel, in order to be able to be clamped in the receiving space (22). Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Wandstärke des Spannkörpers variabel entlang seiner Umfangserstreckung ist.fastening device claim 7 , wherein the wall thickness of the clamping body is variable along its circumferential extent. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) am Innendurchmesser des ringförmigen Spannkörpers (14) ein Gewinde besitzt.fastening device claim 7 or 8th , characterized in that the clamping pin (10) on the inner diameter of the annular clamping body (14) has a thread. Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) am Innendurchmesser einen Hinterschnitt zum Einsatz eines Werkzeuges, vorzugsweise eines Spreiz- oder Mitnahmewerkzeugs, aufweist.Fastening device according to one of Claims 7 until 9 , characterized in that the dowel pin (10) has an undercut on the inner diameter for the use of a tool, preferably an expanding or driving tool. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannstift (10) innenliegende Kontur, vorzugsweise eine Öse, aufweist, um ihn zu lösen.fastening device claim 7 until 10 , characterized in that the dowel pin (10) has an internal contour, preferably an eyelet, in order to release it. Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) auf der dem abgedichteten Radialspalt zugewandten Seite des Spannkörpers eine Öffnung aufweist.Fastening device according to one of Claims 7 until 11 , characterized in that the clamping pin (10) has an opening on the side of the clamping body facing the sealed radial gap. Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) auf einer dem abgedichteten Radialspalt abgewandte Seite des Spannkörpers eine Öffnung aufweist.Fastening device according to one of Claims 7 until 11 , characterized in that the clamping pin (10) has an opening on a side of the clamping body facing away from the sealed radial gap. Befestigungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannstift (10) durch additive Fertigung, vorzugsweise Selective Laser Melting (SLM), hergestellt ist.Fastening device according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping pin (10) is produced by additive manufacturing, preferably Selective Laser Melting (SLM).
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