DE10248554A1

DE10248554A1 - Dichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10248554A1
Application number: DE2002148554
Authority: DE
Inventors: Nicolas Campino Johnson; Jonas Hurter
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-06-24
Also published as: WO2004036094A8; AU2003282112A1; WO2004036094A1

Abstract

In einer Dichtungsvorrichtung, Bürstendichtung, welche insbesondere zur Abdichtung einer Hochdruckseite (3) gegen eine Niederdruckseite (4) zwischen zwei insbesondere relativbeweglichen Bauteilen (1, 2) ist ein elastisches Dichtmittel, Bürste (8), zwischen einer niederdruckseitigen Halteplatte (6) und einer hochdruckseitigen Halteplatte (7) angeordnet. Ein Prallschutzelement (9) ist zur Hochdruckseite hin von der hochdruckseitigen Halteplatte beabstandet angeordnet, und deckt im Wesentlichen den ganzen Dichtungsspalt (t) ab. In dem Prallschutzelement ist eine Druckausgleichsöffnung (12) angeordnet. Dadurch wird vermieden, dass die Restleckageströmung einen Druckabfall über das Prallschutzelement erfährt. Dies gewährleistet es, dass die gesamte Druckdifferenz über das Dichtungsmittel (8) anliegt, welches auf diese Weise definiert belastet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Derartige Dichtungen sind, beispielsweise in der Ausgestaltung als Bürstendichtungen, im Stand der Technik wohlbekannt. Zur Abdichtung zwischen zwei Bauteilen wird die Dichtung mit einer Aufnahmeseite an einem der Bauteile befestigt. Die Borsten einer Bürste oder ein anderes elastisches Dichtmittel, beispielsweise eine Gummilippe, sind auf einer Dichtungsseite mit dem zweiten Bauteil in Kontakt, wodurch eine Abdichtung des Dichtspaltes erreicht wird. Eine niederdruckseitige Halteplatte stützt das elastische Dichtmittel gegen Verformung durch die Druckdifferenz über die Dichtung ab. Eine hochdruckseitige Halteplatte hält die Dichtmittel im Zusammenwirken mit der niederdruckseitigen Halteplatte in einer Sollposition, wobei die hochdruckseitige Halteplatte derart ausgebildet ist, dass die Dichtmittel in der so gebildeten Aufnahmevorrichtung am dichtungsseitigen Ende ein geringes laterales Spiel aufweisen, wodurch ein gewisses Mass an Verformung ermöglicht wird. Die Dichtmittel sind damit in der Lage, Toleranzen in der Relativlage der beiden den Dichtspalt definierenden Bauteile zueinander auszugleichen. Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften werden Dichtungen der beschriebenen Bauart häufig zur Abdichtung von relativ zueinander bewegten Bauteilen wie rotierenden Wellen gegen Gehäuse verwendet. Aufgrund der Elastizität der Dichtmittel sind gattungsgemässe Dichtungen in der Lage, auch bei vergleichsweise grossen Exzentritäten oder Unrundheiten eine gute Dichtwirkung aufzubauen. Gleichwohl muss vermerkt werden, dass beispielsweise die im Turbomachinenbau bei der Abdichtung von rotierenden Bauteilen auf grossem Durchmesser und bei hohen Drehzahlen häufig verwendeten Bürstendichtungen stets einen Leckagemassenstrom aufweisen; es wird bei dieser Dichtungsbauart dann auch häufig von einer stromaufwärtigen und einer stromabwärtigen Seite der Dichtung gesprochen, wobei sich dies auf die Strömungsrichtung des von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite orientierten Leckagestromes bezieht.

Den gattungsgemässen Dichtungen gemeinsam ist eine Empfindlichkeit auf herangetragene Fremdkörper, die durch einen Aufprall entweder das Dichtelement selbst beschädigen können, oder beim Aufprall auf die hochdruckseitige Halteplatte diese verformen, wodurch die Beweglichkeit des Dichtelementes beeinträchtigt und die Dichtwirkung vermindert wird. US 6,116,608 schlägt diesbezüglich vor, bei einer Bürstendichtung Durchtrittsstellen vorzusehen, sowie Leitbleche, welche Fremdkörper durch diese Durchtrittsstellen leiten sollen. Es muss dabei unter Anderem mit einem vergrösserten Leckagestrom gerechnet werden. US 6,139,019 schlägt vor, stromauf einer Bürstendichtung eine Labyrinthdichtung vorzusehen, sowie einen Expansionsraum zwischen der Labyrinthdichtung und der Bürstendichtung vorzusehen. Die Labyrinthspitzen wirken als Prallschutzelemente, indem grössere Fremdkörper beim Aufprall auf die Labyrinthspitzen zerbrechen sollen. Nur kleine Fremdkörper können die Labyrinthspalte passieren. Diese werden weiterhin im Expansionsraum verzögert, so, dass der Aufprall der Fremdkörper auf die Bürstendichtung selbst jedenfalls keine ernsthaften Schäden mehr zu verursachen vermag. Auf der anderen Seite kann es vorkommen, dass der am Prallschutzelement vorbeiströmende beschleunigte Luftstrom das Prallschutzelement zum Schwingen anregt, oder auf das Dichtelement trifft und dessen Funktion stört. Weiterhin erfolgt ein Teil des Druckabbaus über die Dichtungsanordnung bereits über die Labyrinthdichtung, wodurch die Druckdifferenz über das elastische Dichtelement, im vorliegenden Fall über die Bürste, geringer ist, was dazu führen kann, dass sich das elastische Dichtelement nicht mehr sauber an der niederdruckseitigen Halteplatte und mit der Dichtseite an sein Gegenstück anlegt, was in der Konsequenz die Dichtwirkung negativ zu beeinflussen vermag. Zudem baut die vorgeschlagene Dichtungskonstruktion vergleichsweise gross.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtungsvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Probleme des Standes der Technik vermeidet.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einer Dichtungsvorrichtung gelöst, welche die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Kern der Erfindung ist es also, in dem von der niederdruckseitigen Halteplatte beabstandeten Prallschutzelement Druckausgleichsöffnungen vorzusehen. Damit wird eine hohe Strömungsgeschwindigkeit über eine Kante des Prallschutzelementes ebenso vermieden wie ein erheblicher Druckabfall über das Prallschutzelement. Die gesamte Druckdifferenz wird auslegungsgemäss vom elastischen Dichtmittel sebst aufgenommen. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Druckausgleichsöffnungen so angeordnet, dass die hochdruckseitige Halteplatte in ihrer Flucht liegt, und der durchströmende Massenstrom auf die hochdruckseitige Halteplatte geleitet wird. Dadurch wird eine Beeinflussung des elastischen Dichtelementes, wie beispielsweise einer Bürste, durch diese Strömung, eventuell auch eine Schwingungsanregung zu "Flattern" des Dichtungselementes, wirkungsvoll vermieden. Als Dichtungselement selbst kommen insbesondere eine Bürste oder Lamellen oder Formteile aus einem elastischen Material, wie beispielsweise einem Polymer, in Frage; die gesamte Dichtung kann prinzipiell auch eine Simmeringdichtung sein.

Die erfindungsgemässe Dichtung findet mit Vorteil zur Abdichtung zwischen einem stillstehenden Gehäuse und einer rotierenden Baugruppe, insbesondere in Turbomaschinen wie Gasturbinen, Anwendung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen
1 eine Ausführung einer erfindungsgemässen Dichtungsvorrichtung als Bürstendichtung;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Dichtungsvorrichtung.
Dabei sind die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich instruktiv und keinesfalls einschränkend zu verstehen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt. Die Dichtungsvorrichtung ist hier als Bürstendichtung ausgeführt. Die Dichtungsvorrichtung ist zur Abdichtung zwischen einem rotierenden Bauteil oder einer rotierenden Baugruppe 1 und einem feststehenden Bauteil 2 angeordnet. Zwischen der rotierenden Baugruppe 1 und der feststehenden Baugruppe 2 besteht ein Abstand t, welcher von der Dichtungsvorrichtung abgedichtet wird. Das Mass t wird im Folgenden als Nenn-Dichtspaltmass der Dichtungsvorrichtung bezeichnet. Die Dichtungsvorrichtung ist in der feststehenden Baugruppe angeordnet, um die elastischen Dichtmittel nicht mit Fliehkräften zu belasten. Die Dichtungsvorrichtung trennt zwei Räume 3 und 4 unterschiedlichen Druckes voneinander ab; der Druck im Raum 3 ist höher als der Druck im Raum 4. Eine auftretende Leckageströmung ist dementsprechend in der Figur von rechts nach links orientiert. Die Dichtungsvorrichtung weist eine Befestigungsseite auf, an der sie auf geeignete Weise im Stator 2 befestigt ist, sowie eine Dichtseite, welche zum Rotor hin orientiert ist. Bei einer in der Figur dargestellten umlaufenden Konfiguration liegt die Befestigungsseite radial aussen und die Dichtseite radial innen. Die Dichtungsvorrichtung weist weiterhin eine Hochdruckseite auf, welche zum Raum höheren Druckes 3, also in der Figur nach rechts, orientiert ist, sowie eine Niederdruckseite, welche zum Raum niedrigeren Druckes 4, in der Figur links, orientiert ist. Die Dichtungsvorrichtung weist einen Grundkörper 5 auf, der an der Befestigungsseite angeordnet ist, und bei montiertem Zustand im Stator 2 befestigt ist. Eine niederdruckseitige Halteplatte 6 deckt nahezu den gesamten Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor ab, und lässt dichtungsseitig einen kleinen Spalt 13 offen, der aber hinreichend gross gewählt ist, um unter normalen Betriebsbedingungen ein Streifen der Halteplatte 6 am Rotor 1 zu vermeiden. Eine aus einzelnen elastischen Borsten bestehende Bürste 8 ist zwischen der niederdruckseitigen Halteplatte 6 und einer hochdruckseitigen Halteplatte 7 angeordnet, und berührt dichtungsseitig die rotierende Baugruppe 1. Das elastische Dichtungsmittel, in diesem Falle die Bürste 8, deckt den Spalt zwischen der rotierenden Baugruppe 1 und der statischen Baugruppe 2 also vollständig ab; ein Leckagestrom erfolgt primär nur noch zwischen den einzelnen Borsten hindurch. Die niederdruckseitige Halteplatte 6 ist wie bereits erwähnt weit zur Dichtseite hin gezogen, und weist eine ebene Fläche zur Bürste 8 hin auf. Damit kann die Bürste gegen den über die Dichtungsvorrichtung anliegenden Differenzdruck abgestützt werden. Im Zusammenwirken mit dem Differenzdruck und der Stützwirkung werden die Borsten der Bürste 8 bestmöglich mit der rotierenden Baugruppe 1 in Kontakt gehalten, und somit wird eine bestmögliche Dichtwirkung erzielt. Die hochdruckseitige Halteplatte 7 hingegen endet in deutlich grösserem Abstand zur Dichtungsseite, und ist am dichtungsseitigen Ende auch derart ausgeformt, dass ein Abstand zur Bürste 8 besteht. Durch diese Ausgestaltung übernimmt die druckseitige Halteplatte 7 zwar eine Führungsfunktion für die Bürste 8, erlaubt dieser aber eine Beweglichkeit am dichtungsseitigen, der rotierenden Baugruppe 1 zugewandten Seite, um die gesamthafte Elastizität der Bürste nicht zu beeinträchtigen. Zur Hochdruckseite hin um ein Mass s von der hochdruckseitigen Halteplatte 7 beabstandet befindet sich ein Prallschutzelement 9. Das Prallschutzelement 9 wie auch die Halteplatten 6 und 7 sind im Übrigen einstückig mit dem Grundkörper 5 ausgestaltet, was bei einer umlaufenden Dichtungsvorrichtung beispielsweise durch Drehen der Negativ-Innenkontur erfolgt. Obschon die dargestellte einstückige Ausführung keineswegs zwingend ist, handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform; gerade bei sehr grossen Ausführungen kann aber auch eine gebaute Ausführung sinnvoll und vorteilhaft sein. Das Prallschutzelement 9 deckt weitgehend, bevorzugt zu wenigstens 75%, den gesamten zwischen der rotierenden und der stationären Baugruppe gebildeten Spalt ab; die Erstreckung des Prallschutzelementes zur Dichtseite hin, hier in radialer Richtung, ist also bevorzugt wenigstens 75% des Masses t, und lässt zur rotierenden Baugruppe 1 hin einen Spalt 11 frei, der ausreichend gross ist, um unter vernünftigen Betriebsbedingungen ein Streifen des Prallschutzelementes 9 an der rotierenden Baugruppe 1 zu vermeiden. Der kleine verbleibende freie Querschnitt zwischen dem Prallschutzelement 9 und der rotierenden Baugruppe 1 impliziert an sich die Wirkung einer Labyrinthspitze, das heisst, einen Druckabfall vom Hochdruckraum 3 zu der zwischen der hochdruckseitigen Halteplatte 7 und dem Prallschutzelement 9 gebildeten Kavität 10. Diese Wirkung ist aber an sich unerwünscht da die Dichtwirkung durch die auf der rotierenden Baugruppe aufliegende Bürste erzielt werden soll, und so undefinierte Bedingungen für die Bürste erreicht werden, bis hin zu hochturbulenten Strömungen ausgerechnet im Bereich der eigentlichen zwischen Bürste 8 und rotierender Baugruppe 1 gebildeten Dichtfläche. Weiterhin kann durch einen mit hoher Geschwindigkeit den Spalt 11 durchströmenden Leckagestrom das gesamte Prallschutzelement 9 zu Schwingungen bis hin zur Beschädigung angeregt werden. Erfindungsgemäss sind daher in dem Prallschutzelement Druckausgleichsöffnungen, beispielsweise in Form von Bohrungen 12, angeordnet. Die Druckausgleichöffnungen sind bevorzugt im befestigungsseitigen Drittel des Prallschutzelements, das heisst, im eingebauten Zustand nahe an der stationären Baugruppe, angeordnet. Weiterhin führt die Flucht der Druckausgleichsöffnungen 12 auf die druckseitige Halteplatte 7. Auf diese Weise trifft eine die Druckausgleichsöffnungen 12 durchströmende Strömung nicht auf die Bürste 8 und beeinflusst diese negativ, sondern trifft auf die hochdruckseitige Halteplatte 7 und wird dort an diesem festen Bauteil abgebremst. Es erfolgt auf diese Weise eine Erhöhung des Druckes in der Kavität 10, Idealerweise bis auf den Druck auf der Hochdruckseite 3. Dadurch, dass das Prallschutzelement 9 im Wesentlichen bis auf den Spalt 11 den gesamten Zwischenraum zwischen rotierender Baugruppe 1 und stationärer Baugruppe 2 abdeckt, können mit einer Strömung herantransportierte Fremdkörper nicht zur Bürste 8 vordringen und diese beschädigen. Auch ein Aufprall eines Fremdkörpers auf die hochdruckseitige Halteplatte 7 wird vermieden. Sollte hingegen ein Aufprall eins Fremdkörpers das Prallschutzelement 9 beschädigen und verbiegen, so gewährleistet der Abstand s, den das Prallschutzelement 9 von der eigentlichen Dichtung hat, dass das verformte Prallschutzelement 9 die Wirkung der Bürste oder allgemein eines elastischen Dichtungsmittels nicht beispielsweise durch mechanische Blockierung beeinträchtigt. Der Abstand s des Prallschutzelementes vom 9 vom elastischen Dichtmittel 8 beträgt bevorzugt wenigstens 50% des Nenn-Dichtspaltmasses t der Dichtungsvorrichtung.
In 2 ist eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemässen Dichtungsvorrichtung dargestellt. Eine detaillierte Beschreibung erübrigt sich im Lichte der Beschreibung der 1. Das elastische Dichtmittel besteht aus einem elastischen Formteil 14, welches beispielsweise aus einem Polymer gefertigt sein kann. Das Formteil weist dichtungsseitig eine im Wesentlichen V-förmig ausgebildete Lippe 141 auf. Es ist ersichtlich dass die Lippe aufgrund der Druckdifferenz einen Anpressdruck auf die rotierende Baugruppe 1 erfährt, welcher die Dichtwirkung unterstützt; es sind auch Bauformen bekannt, bei denen eine im Nutgrund der Lippe 141 eingelegte Feder den Anpressdruck weiter erhöht. Auch bei dieser Ausgestaltung kommen die Vorteile der Ausgestaltung mit einem zur Hochdruckseite 3 hin vom Dichtmittel beabstandeten Prallschutzelement 9, welches Druckausgleichsöffnungen 12 aufweist, zum Tragen: Das elastische Dichtungselement 14 wird vor Beschädigung durch Fremdkörper geschützt, die eigentliche Dichtungsanordnung wird nicht von schwer vorhersehbaren Spaltströmungen gestört, und die gesamte Druckdifferenz wird auslegungsgemäss von dem elastischen Dichtmittel aufgenommen.
Im Lichte der Beschreibung der Erfindung erschlissen sich dem Fachmann zwanglos andere Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung, und insbesondere auch andere Möglichkeiten zur Ausführung des elastischen Dichtmittels als die in den Ausführungsbeispielen gezeigten.

1: rotierende Baugruppe
2: stationäre Baugruppe
3: Seite höheren Druckes
4: Seite niedrigeren Druckes
5: Grundkörper
6: niederdruckseitige Halteplatte
7: hochdruckseitige Halteplatte
8: elastisches Dichtmittel, Bürste
9: Prallschutzelement
10: Kavität
11: Spalt
12: Druckausgleichöffnung
13: Spalt
14: elastisches Dichtmittel, Formteil
141: Lippe
s: Abstand des Prallschutzelementes vom Dichtungselement
t: Nenn-Dichtspaltmass

Claims

Dichtungsvorrichtung, mit einer Niederdruckseite, einer Hochdruckseite, einer Befestigungsseite, und einer Dichtungsseite, welche Dichtungsvorrichtung umfasst eine niederdruckseitige Halteplatte (6) und eine hochdruckseitige Halteplatte (7); wenigstens ein elastisches Dichtmittel (8, 14), welches zwischen der hochdruckseitigen und der niederdruckseitigen Halteplatte angeordnet ist, und welches ein frei bewegliches dichtungsseitiges Ende aufweist; ein Prallschutzelement (9), welches zum hochdruckseitigen Raum (3) hin von der hochdruckseitigen Halteplatte (7) beabstandet angeordnet ist, und welches im wesentlichen den gesamten Dichtungsspalt (t) abdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallschutzelement (9) Druckausgleichsöffnungen (12) aufweist.
Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtmittel wenigstens eine Bürste (8) ist.
Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtmittel ein Formteil (14) aus einem elastischen Material ist.
Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtmittel aus einer Vielzahl von Lamellen besteht.
Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsvorrichtung eine Simmeringdichtung ist.
Dichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichöffnungen (12) im befestigungsseitigen Drittel des Prallschutzelementes (9) angeordnet sind.
Dichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flucht der Druckausgleichöffnungen (12) die hochdruckseitige Halteplatte (7) angeordnet ist.
Dichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s) des Prallschutzelementes (9) vom Dichtmittel (8; 14) wenigstens 50% des abzudichtenden Spaltmasses beträgt.