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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine nicht-hermetische Dichtung zwischen einem Stator und einem Rotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Bei Strömungsmaschinen, insbesondere bei Gasturbinen wie Flugzeugtriebwerken, gibt es eine Reihe von Anwendungsfällen, in welchen zwei gegeneinander rotierende Teile, nämlich ein Stator und ein Rotor der Strömungsmaschine, gegen einen die Strömungsmaschine durchlaufenden Gasstrom abzudichten sind. Ein derartiger Anwendungsfall ist zum Beispiel die Abdichtung eines Spalts, der zwischen statorzugehörigen, feststehenden Leitschaufeln und einem Rotor eines Flugzeugtriebwerks ausgebildet ist.
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Zur Abdichtung ringförmiger Zwischenräume zwischen relativ zueinander rotierenden Baugruppen sind aus dem Stand der Technik Bürstendichtungen bekannt. Als Stand der Technik, der Bürstendichtungen zeigt, soll hier auf die
WO 98/ 53 230 A1 und die
DE 100 18 273 A1 verwiesen werden. Eine Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 sind aus der
WO 02/090 720 A1 bekannt. Ferner sei auf die
JP 2001 -
317 634 A verwiesen.
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Bei den obigen aus dem Stand der Technik bekannten Bürstendichtungen wird die Bürstendichtung von mehreren drahtartigen Borsten gebildet, die um einen Kern gewickelt sind und am Kern über einen Klemmring fixiert sind. Die Einheit aus Klemmring, Kern und Borsten, welche die eigentliche Bürstendichtung bildet, ist nach dem Stand der Technik in einem Aufnahmeraum angeordnet, welcher von einem Stützring und einem Deckring begrenzt ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Dichtungsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtungsanordnung zu schaffen.
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Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Dichtungsanordnung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
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Erfindungsgemäß sind das Stützelement und das Deckelement zusammen mit der zwischen dem Stützelement und dem Deckelement positionierten Bürstendichtung über mindestens ein Passelement in mindestens einer Ausnehmung, vorzugsweise in einer axial verlaufenden Nut oder Bohrung, des Stators gehalten.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt zusätzlich zur Führung von Stützelement, Deckelement und Bürstendichtung über das Passelement eine Fixierung dieser Baugruppen am Stator über ein Befestigungselement. Das Befestigungselement ist in einer im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Ausnehmung - in einer Nut oder Bohrung - vorzugsweise des Stators angeordnet, wobei diese Ausnehmung benachbart zum Deckelement verläuft, und wobei das Befestigungselement vorzugsweise unmittelbar am Stator und unmittelbar am Deckelement anliegt bzw. mit denselben in Kontakt steht. Ist zwischen dem Stator und dem Deckelement ein Distanzelement angeordnet, steht das Befestigungselement entweder unmittelbar mit dem Stator und unter Zwischenschaltung des Distanzelements mit dem Deckelement oder unmittelbar mit dem Deckelement und unter Zwischenschaltung des Distanzelements mit dem Stator in Kontakt.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Stützelement und dem Deckelement mindestens ein Abstandselement angeordnet ist, wobei die Bürstendichtung benachbart zu dem Abstandselement ebenfalls zwischen dem Stützelement und dem Deckelement angeordnet ist. Die oder jede axial verlaufende Ausnehmung des Stators ist benachbart zum Stützelement angeordnet, wobei sich das oder jedes Passelement durch das Stützelement, das Deckelement und das oder jedes Abstandselement erstreckt, und wobei das oder jedes Passelement mit einem Ende in die jeweilige axial verlaufende Ausnehmung hineinragt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 12 gekennzeichnet.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt;
- 2: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt;
- 3: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt;
- 4: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt; und
- 5: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt.
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Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 5 in größerem Detail erläutert.
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1 zeigt eine Dichtungsanordnung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Dichtungsanordnung 10 gemäß 1 dient der Bereitstellung einer nicht-hermetischen Dichtung zwischen einem Stator 11 und einem Rotor 12. Bei dem Stator 11 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um ein feststehendes Gehäuse einer Gasturbine. Durch eine Bohrung 13 im Stator 11 erstreckt sich der Rotor 12. Eine Oberfläche des Rotors 12 ist mit der Bezugsziffer 14 und eine Längsachse des Rotors 12 mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet.
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Die Dichtungsfunktion der in 1 gezeigten Dichtungsanordnung 10 wird von einer Bürstendichtung 16 bereitgestellt. Die Bürstendichtung 16 umfasst mehrere Borsten 17, die um ein Kernelement 18 gewickelt sind. Das Kernelement 18 ist vorzugsweise als Seelendraht ausgebildet. Mittels eines Klemmelements 19 sind die um das Kernelement 18 gewickelten Borsten 17 am Kernelement 18 fixiert. Das Klemmelement 19 verfügt gemäß 1 im Querschnitt über die Form eines offenen Rings bzw. eines sogenannten C-Rohrs. Mit ihren freien Enden liegen die Borsten 17 der Bürstendichtung 16 auf der Oberfläche 14 des Rotors 12 auf.
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Neben der Bürstendichtung 16 gehört zur Dichtungsanordnung 10 ein Stützelement 20 und ein Deckelement 21. Das Stützelement 20 sowie das Deckelement 21 sind plattenförmig ausgebildet. Bei einem an der Bürstendichtung 16 bzw. der Dichtungsanordnung 10 anliegenden Differenzdruck ist das Deckelement 21 bzw. die Deckplatte auf der Hochdruckseite und das Stützelement 20 bzw. die Stützplatte auf der Niederdruckseite angeordnet. Wie 1 entnommen werde kann, liegen die Borsten 17 der Bürstendichtung 16 zumindest abschnittsweise am Stützelement 20 an.
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Das Stützelement 20 sowie das Deckelement 21 begrenzen einen Aufnahmeraum 22. Innerhalb des Aufnahmeraums 22 ist die Bürstendichtung 16 angeordnet.
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Gemäß 1 sind zwischen dem Stützelement 20 sowie dem Deckelement 21 zur Bildung des Aufnahmeraums 22 zwei Abstandelemente 23 und 24 angeordnet. Die Abstandelemente 23 und 24 erstrecken sich am radial äußeren Ende und damit an dem vom Rotor 12 abgewandten Ende von Stützelement 20 und Deckelement 21 zwischen denselben und lassen am radial innenliegenden Ende bzw. am dem Rotor 12 zugewandten Ende zwischen Stützelement 20 und Deckelement 21 den Aufnahmeraum 22 frei. In diesem Aufnahmeraum 22 ist die Bürstendichtung 16 angeordnet, wobei die freien Enden 17 der Bürstendichtung aus dem Aufnahmeraum 22 herausragen und, wie bereits erwähnt, die Oberfläche 14 des Rotors 12 berühren.
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Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Einheit aus Stützelement 20, Deckelement 21, Bürstendichtung 16 und Abstandelementen 23 und 24 mithilfe mindestens eines Passelements 25 im Stator 11 zu positionieren. Gemäß 1 durchdringt das dargestellte Passelement 25 das Stützelement 20, das Deckelement 21 sowie die beiden Abstandelemente 23 und 24. Hierzu sind in das Stützelement 20, das Deckelement 21 sowie die Abstandelemente 23 und 24 entsprechende Bohrungen eingebracht. Mit einem freien Ende ragt das dargestellte Passelement 25 in eine axial verlaufende, im gezeigten Ausführungsbeispiel als Nut ausgebildete Ausnehmung 26 des Stators 11 hinein. Die axial verlaufende Ausnehmung 26 des Stators 11 ist benachbart zum Stützelement 20 angeordnet. Die Bürstendichtung 16 ist demnach mithilfe des oder jeden Passelements 25 in einer entsprechenden axialen Ausnehmung 26 geführt. Durch eine genaue Positionierung der Passelemente 25 bzw. der Ausnehmungen 26 relativ zur Oberfläche 14 des Rotors 11 und damit relativ zur Lauffläche der Borsten 17 der Bürstendichtung 16 wird eine Gleichförmigkeit des Laufspalts der Dichtungsanordnung 10 gewährleistet.
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An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass das Stützelement 20, das Deckelement 21, die Abstandelemente 23 und 24 sowie die Bürstendichtung 16 ringförmig ausgebildet sind. Über den Umfang der Dichtungsanordnung 10 können demnach mehrere Passelemente 25 vorgesehen sein, die in entsprechende, axial verlaufende Ausnehmungen 26 eingreifen.
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Zur radialen Fixierung der Bürstendichtung 16 zwischen dem Stützelement 20 und dem Deckelement 21 greift das Klemmelement 19 der Bürstendichtung 16 in Ausnehmungen ein, die auf einer Innenseite des Stützelements 20 sowie des Deckelements 21 angeordnet sind. Dies ist in der Darstellung gemäß 1 dadurch verdeutlicht, dass das Klemmelement 19 in den Bereich von Stützelement 20 sowie Deckelement 21 hineinragt. Diese Fixierung kann auch über Madenschrauben, durch Schweißen, Löten oder Kleben erfolgen.
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Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass zusätzlich zur Führung von Stützelement 20, Deckelement 21, Bürstendichtung 16 sowie Abstandselementen 23 und 24 über Passelemente 25 eine Fixierung dieser Baugruppen im Stator 11 über ein Befestigungselement 27 erfolgt. Wie 1 entnommen werden kann, ist die Einheit aus Stützelement 20, Deckelement 21, Abstandelementen 23 und 24 sowie Bürstendichtung 16 in einer radialen Ausnehmung 28 des Stators 11 angeordnet. Die Positionierung dieser Baugruppen relativ zum Rotor 12 erfolgt, wie bereits oben erwähnt, über das oder jedes Passelement 25, welches in axial verlaufenden Ausnehmungen 26 des Stators 11 eingreift. Der Fixierung dieser Baugruppen in dieser Position dient jedoch das zusätzliche Befestigungselement 27. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegt das Befestigungselement 27 einerseits unmittelbar am Stator 11 und andererseits unmittelbar am Deckelement 21 an. Hierzu ist die Ausnehmung 28 des Stators 11 in einem dem Rotor 12 gegenüberliegenden Abschnitt um eine Nut 29, die ebenso wie die Ausnehmung 28 radial bzw. in Umfangsrichtung verläuft, verbreitert. In diese Nut 29 greift das Befestigungselement 27 ein und liegt einerseits unmittelbar am Stator 11 und andererseits unmittelbar am Deckelement 21 an. Das Befestigungselement 27 wird demnach auf diese Art und Weise in die Nut 29 eingeklemmt und fixiert die Bürstendichtung 16 in ihrer Relativposition zum Rotor 12.
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Wie bereits oben erwähnt, sind das Stützelement 20, das Deckelement 21, die Abstandselemente 23 und 24 sowie die Bürstendichtung 16 ringförmig ausgebildet. Diese Baugruppen können entweder als ein umlaufend geschlossener Ring ausgebildet sein oder segmentweise aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt werden. Über den Umfang der Dichtungsanordnung 10 sind vorzugsweise mehrere Passelemente 25 angeordnet. Das Befestigungselement 27 erstreckt sich ebenfalls über den gesamten Umfang der Dichtungsanordnung 10. Das oder jedes Passelement 25 ist vorzugsweise als Passstift oder Passschraube ausgebildet. Das Befestigungselement 27 ist vorzugsweise als Stemmdraht oder Spannpratzen ausgeführt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 30. Bei der Darstellung der Dichtungsanordnung 30 gemäß 2 wurde auf die Darstellung des Rotors verzichtet. Dies gilt übrigens auch für die Dichtungsanordnungen gemäß 3 bis 5. Die Dichtungsanordnung 30 des Ausführungsbeispiels gemäß 2 entspricht im Wesentlichen der Dichtungsanordnung 10 des Ausführungsbeispiels gemäß 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 1 lediglich dadurch, dass zwischen Stützelement 20 und Deckelement 21 lediglich ein Abstandselement 31 angeordnet ist, und nicht wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1, zwei Abstandselemente 23 und 24. Hinsichtlich des übrigen Aufbaus und der Funktionsweise der Dichtungsanordnung 30 ergeben sich jedoch keine Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1. Daher kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
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3, 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Dichtungsanordnungen 32, 33 und 34. Auch bei diesen Ausführungsbeispielen werden zur Vermeidung von Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Die Ausführungsbeispiele gemäß 3 bis 5 unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 dadurch, dass eine weitere Baugruppe in die Ausnehmung 28 des Stators 11 eingebracht ist. Bei dieser Baugruppe handelt es sich um ein Distanzelement.
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So ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Ausnehmung 28 im Stator 11 derart verbreitert, dass neben dem Stützelement 20, dem Deckelement 21 sowie dem Abstandselement 31 auch ein Distanzelement 35 in der Ausnehmung 28 positioniert werden kann. Das Distanzelement 35 verfügt in einem dem Rotor 12 zugewandten unteren Abschnitt über eine Einkerbung bzw. eine Nut 36. In diese Nut 36 ist das Befestigungselement 27 eingebracht. Im Ausführungsbeispiel der 3 liegt demnach das Befestigungselement 27 einerseits unmittelbar am Stator 11 an, jedoch nicht, wie im Ausführungsbeispiel der 1 und 2, am Deckelement 21. Vielmehr liegt das Befestigungselement 27 beim Ausführungsbeispiel der 3 am Distanzelement 35 an und steht demnach unter Zwischenschaltung des Distanzelements 35 mit dem Deckelement 21 in Kontakt. Auch auf diese Art und Weise kann eine sichere Fixierung der Bürstendichtung 16 relativ zum Rotor erfolgen. Die Verbreiterung der Ausnehmung 28 dient einer einfacheren Montage bzw. Positionierung der Einheit aus Stützelement 20, Deckelement 21, Bürstendichtung 16 und Abstandselement 31 im Stator 11.
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Die Dichtungsanordnung 33 des Ausführungsbeispiels gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der Dichtungsanordnung 32 des Ausführungsbeispiels gemäß 3. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung 28 des Stators verbreitert und ein Distanzelement 37 vorgesehen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist eine radiale Nut 38 zur Aufnahme des Befestigungselements 27 jedoch nicht in das Distanzelement 37 eingebracht, sondern in den Stator 11. Sonst bestehen jedoch hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise der Dichtungsanordnung 33 keinerlei Unterschiede zur Dichtungsanordnung 32 der 3. Demnach liegt auch beim Ausführungsbeispiel der 4 das Befestigungselement 27 unmittelbar am Stator 11 an und steht unter Zwischenschaltung des Distanzelements 37 mit dem Deckelement 21 in Kontakt.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 34. So ist auch bei der Dichtungsanordnung 34 gemäß 5 ein Distanzelement 39 vorgesehen, welches in eine verbreiterte Ausnehmung 28 des Stators 11 eingebracht ist. Die Ausführungsform gemäß 5 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 3. Ein erster Unterschied ist darin zu sehen, dass eine Nut 40 zur Aufnahme des Befestigungselements 27 in das Distanzelement 39 an der dem Deckelement 21 zugewandten Seite in das Deckelement 39 eingebracht ist und nicht, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 3, an der dem Deckelement 21 abgewandte Seite. Demnach liegt im Ausführungsbeispiel gemäß 5 das Befestigungselement 27 unmittelbar am Deckelement 21 an und steht unter Zwischenschaltung des Distanzelements 39 mit dem Stator 11 in Kontakt. Für das Prinzip und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung macht dies jedoch keinerlei Unterschied. Ein zweiter Unterschied zwischen der Dichtungsanordnung 34 gemäß 5 und der Dichtungsanordnung 32 gemäß 3 ist darin zu sehen, dass das Distanzelement 39 am radial außenliegenden Ende über einen Vorsprung 41 verfügt. Der Vorsprung 41 greift in eine weitere Ausnehmung innerhalb des Stators 11 ein. Hierdurch kann die Position des Distanzelements 39 im Stator 11 zusätzlich gesichert werden.
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Alle in 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele der hier vorliegenden Erfindung beruhen auf dem selben Prinzip. So erfolgt bei allen Ausführungsbeispielen die Positionierung der Einheit aus Stützelement 20, Deckelement 21, Abstandselementen und Bürstendichtung 16 im Stator 11 über Passelemente 25. Die Passelemente 25 sind vorzugsweise als Passstifte oder Passschrauben ausgebildet, die in entsprechende axial verlaufende Ausnehmungen 26 im Stator 11 eingreifen. Weiterhin ist allen Ausführungsbeispielen gemeinsam, dass die Fixierung im Stator 11 über ein Befestigungselement 27 erfolgt, welches vorzugsweise als Stemmdraht ausgebildet ist.
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Das oben beschriebene Konstruktionsprinzip der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und damit eine einfache Konstruktion aus. Laufspalte der Dichtungsanordnungen können mit geringen Toleranzen eingehalten werden. Eine Fixierung der Bürstendichtung 16 innerhalb des Stators 11 ist mit einfachen Mitteln möglich.
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Obwohl das oben beschriebenen Prinzip der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung bei allen Bürstendichtungen verwendet werden kann, ist die Erfindung besonders vorteilhaft dann einsetzbar, wenn Bürstendichtungen mit großen Durchmessern realisiert werden sollen. So werden nämlich nach dem Stand der Technik das Deckelement 21 bzw. ein entsprechender Deckring sowie das Stützelement 20 bzw. ein entsprechender Stützring durch Drehen oder Tiefziehen hergestellt. Bei großen Durchmessern ist eine Drehbearbeitung von Deckring und Stützring mit den erforderlichen Toleranzen jedoch nur sehr schwierig möglich. Das Tiefziehen ist aufgrund der bei großen Durchmessern erforderlichen großen Werkzeuge nicht mehr wirtschaftlich möglich. Daher werden erfindungsgemäß zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bürstendichtungen das Stützelement 20, das Deckelement 21, das oder jedes Abstandselement sowie die Bürstendichtungen aus geraden Profilen gefertigt, die auf den gewünschten Radius gerundet werden. Bei derartigen Profilen kann es sich zum Beispiel um Blechstreifen oder um aus einer Blechplatte geschnittene Ringe handeln. Die auf den gewünschten Radius gerundeten Profile werden dann zur Herstellung der oben im Detail beschriebenen, erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung verwendet.
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Dies hat den Vorteil, dass keinerlei Begrenzungen hinsichtlich der Größe des Durchmessers der Dichtungsanordnungen bestehen. Weiterhin sind die Dichtungsanordnungen kostengünstig herstellbar. Im Vergleich zu gedrehten Bauteilen ergibt sich des weiteren eine Gewichtsreduzierung für die Dichtungsanordnung.
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Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei den erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen als Bürstendichtung 16 auch sogenannte Hakenbürstendichtungen verwendet werden können.
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Bezugszeichenliste
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| Dichtungsanordnung |
10 |
| Stator |
11 |
| Rotor |
12 |
| Bohrung |
13 |
| Oberfläche |
14 |
| Längsachse |
15 |
| Bürstendichtung |
16 |
| Borste |
17 |
| Kernelement |
18 |
| Klemmelement |
19 |
| Stützelement |
20 |
| Deckelement |
21 |
| Aufnahmeraum |
22 |
| Abstandselement |
23 |
| Abstandselement |
24 |
| Passelement |
25 |
| Ausnehmung |
26 |
| Befestigungselement |
27 |
| Ausnehmung |
28 |
| Nut |
29 |
| Dichtungsanordnung |
30 |
| Abstandselement |
31 |
| Dichtungsanordnung |
32 |
| Dichtungsanordnung |
33 |
| Dichtungsanordnung |
34 |
| Distanzelement |
35 |
| Nut |
36 |
| Distanzelement |
37 |
| Nut |
38 |
| Distanzelement |
39 |
| Nut |
40 |
| Vorsprung |
41 |
