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Die Erfindung betrifft eine statische Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die hier vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abdichtung zwischen zwei Strukturen, die entweder demselben statischen oder demselben dynamischen System zugeordnet sind und absolut oder relativ zueinander stillstehen. Das Stillstehen der beiden Strukturen wird in einem statischen System dadurch erzielt, dass beide Strukturen feststehend ausgebildet sind. In einem dynamischen System werden beide Strukturen vorzugsweise mit gleicher Richtung sowie gleicher Geschwindigkeit relativ zueinander angetrieben, so dass der Spalt zwischen beiden Strukturen relativ stillsteht. Eine Abdichtung zwischen zwei Strukturen, die absolut oder relativ zueinander stillstehen, wird auch als statische oder quasistatische Dichtung bezeichnet. Dynamische Dichtungsanordnungen sind in den Druckschriften
DE 196 28 559 A1 oder
DE 697 36 690 T2 beschrieben.
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Turbomaschinen wie Gasturbinen, die zum Beispiel in Flugzeugen als Triebwerke verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere in axialer Richtung der Turbomaschinehintereinander angeordnete, feststehende Leitschaufelkränze. Jeder der feststehenden Leitschaufelkränze ist aus mehreren Schaufelsegmenten gebildet, wobei jedes Schaufelsegment zumindest eine Leitschaufel umfasst. Die Schaufelsegmente sind einerseits mit radialem Spiel und andererseits mit axialem Spiel relativ zu einem feststehenden Gehäuse oder einem freistehenden Träger der Turbomaschine angeordnet. Bei dem Gehäuse bzw. dem Träger und den Leitschaufelkränzen handelt es sich um feststehende, rotationssymmetrische Bauteile der Turbomaschine, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des axialen Spiels zwischen den feststehenden Leitschaufelsegmenten eines Leitschaufelkranzes und dem feststehenden Gehäuse einer Turbomaschine.
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Um bei einer Gasturbine eine Strömung zwischen einem feststehenden Leitschaufelkranz und dem feststehenden Gehäuse zu unterbinden, ist nach dem Stand der Technik zwischen dem Leitschaufelkranz und dem Gehäuse eine Blechdichtung angeordnet. Die Blechdichtung dichtet einen durch das axiale Spiel zwischen den Schaufelsegmenten und dem Gehäuse ausgebildeten axialen Spalt ab. Da sich bei Bildung eines Leitschaufelkranzes aus mehreren Schaufelsegmenten ein axialer Versatz zwischen den Schaufelsegmenten ausbilden kann, können sich Unregelmäßigkeiten im axialen Spiel und damit im axialen Spalt zwischen den Schaufelsegmenten und dem Gehäuse ausbilden. Ein derartiger axialer Versatz kann durch Fertigungstoleranzen der gegeneinander abzudichtenden Bauteile hervorgerufen werden. Weiterhin können im Betrieb einer Gasturbine sich die einzelnen Schaufelsegmente in Folge von Erwärmungen unterschiedlich stark ausdehnen. Des weiteren können die Schaufelsegmente während des Betriebs der Gasturbine verschoben werden. All diese Faktoren können auch in Kombination miteinander auftreten und für Abweichungen des abzudichten, axialen Spalts in einer Größenordung von einigen Millimetern sorgen. Eine Blechdichtung gewährleistet zwar bereits ein hohes Maß an Dichtigkeit, sie vermag jedoch derartige Unregelmäßigkeiten zwischen den gegeneinander abzudichtenden Bauteilen nicht auszugleichen und lässt dann unerwünschte Leckagen zu. Blechdichtung verfügen demnach über den Nachteil, dass dieselben Unregelmäßigkeiten des axialen Spalts nur schlecht ausgleichen können.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine verbesserte 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. Erfindungsgemäß ist zwischen den vorzugsweise beiden Strukturen zur Abdichtung des axialen Spalts eine als Bürstendichtung ausgebildete Dichtungseinrichtung angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine effektive Abdichtung des axialen Spalts. Leckagen werden auf ein absolutes Minimum reduziert.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Bürstendichtung mehrere in axialer Richtung verlaufende Borsten, wobei die Orientierung der Borsten eine Komponente in axialer Richtung und eine Komponente in Umfangsrichtung aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass die beiden Strukturen sich geringfügig relativ zueinander bewegen können, was zum Beispiel bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung der beiden Strukturen von Bedeutung ist.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung in stark schematisierter Seitenansichtansicht.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbine 10 in stark schematisierter Seitenansicht. So zeigt 1 einen Abschnitt eines feststehenden Gehäuses 11 der Gasturbine 10 sowie einen Abschnitt eines ebenfalls feststehend ausgebildeten Leitschaufelkranzes 12 derselben. Der Leitschaufelkranz 12 umfasst mehrere Leitschaufeln, wobei ein derartiger Leitschaufelkranz 12 typischerweise aus mehreren Schaufelsegmenten gebildet wird. Jedes Schaufelsegment umfasst mindestens eine Leitschaufel. Obwohl in 1 nicht dargestellt, sind bei einer Gasturbine neben dem gezeigten Gehäuse 11 sowie dem gezeigten Leitschaufelkranz 12 in axialer Richtung, die in 1 durch die Linie 13 dargestellt ist, mehrere feststehende Leitschaufelkränze 12 hintereinander positioniert, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten, feststehenden Leitschaufelkränzen 12 jeweils ein Laufschaufelkranz angeordnet ist, wobei Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes zusammen mit einem Rotor gegenüber dem feststehenden Gehäuse 11 sowie den feststehenden Leitschaufeln 12 rotieren. Die Drehachse des Rotors fällt dabei üblicherweise mit der axialen Richtung gemäß Linie 13 zusammen bzw. verläuft parallel zu derselben.
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Aus betriebstechnischen Gründen ist bei einer Gasturbine 10 zwischen dem Gehäuse 11 und dem Leitschaufelkranz 12 ein sich in axialer Richtung erstreckender Spalt 14 ausgebildet. Zur Optimierung des Wirkungsgrades der Gasturbine muss eine Durchströmung des Spalts 14 unterbunden werden. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des axialen Spalts 14 zwischen dem Gehäuse 11 und einem Leitschaufelkranz 12, wobei sowohl das Gehäuse 11 als auch der Leitschaufelkranz 12 feststehend ausgebildet sind und demnach die Dichtungsanordnung 14 als statische bzw. quasistatische Dichtung ausgeführt ist.
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Wie bereits erwähnt, wird ein Leitschaufelkranz 12 in der Regel aus mehreren Schaufelsegmenten zusammengesetzt, wobei jedes Schaufelsegment mindestens eine Leitschaufel umfasst. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann es zu einem axialen Versatz zwischen den einzelnen Schaufelsegmenten eines Leitschaufelkranzes 12 kommen, wodurch sich Unregelmäßigkeiten im axialen Spalt 14 ergeben. Erfindungsgemäß wird zur Abdichtung des axialen Spalts 14 eine als Bürstendichtung 15 ausgebildete Dichtungseinrichtung verwendet. Die Bürstendichtung 15 umfasst mehrere Borsten 16, wobei die Borsten 16 um ein Führungselement 17 gewickelt sind und über ein Klemmelement 18 an dem Führungselement 17 fixiert sind. Das Führungselement 17 ist als Seelendraht ausgebildet und das Klemmelement 18 verfügt gemäß 1 über ein im Querschnitt C-förmiges Profil. Die Fixierung der Borsten 16 am Führungselement 17 über das Klemmelement 18 bildet eine Einspannstelle 19.
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Die Bürstendichtung 15 ist mit der Einspannstelle 19 in eine entsprechende Nut 20 des Gehäuses 11 eingebaut. Innerhalb dieser Nut 20 erstrecken sich die Borsten 16 der Bürstendichtung 15 hauptsächlich in axialer Richtung.
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Gemäß 1 sind die Borsten 16 der Bürstendichtung 15 in axialer Richtung angestellt, d.h. die Borsten 16 verfügen in axialer Richtung über einen gekrümmten bzw. schräggestellten Verlauf. So liegen die Borsten 16 an einer radial außenliegenden Wand 21 der Nut 20 an. Mit freien Enden 22 stehen die Borsten 16 der Borstendichtung 15 auf den Schaufelsegmenten des Leitschaufelkranzes 12 auf. Die radial außenliegende Wand 21 bildet eine sogenannte Stützplatte für die Bürstendichtung 15. Neben dieser Komponente in axialer Richtung verfügt die Orientierung der Borsten 16 auch eine Komponente in Umfangsrichtung, die 1 aus Darstellungsgründen nicht entnommen werden kann. Auch in Umfangsrichtung sind die Borsten schräggestellt. Die Schrägstellung in Axialrichtung beträgt ca. 8° bis 10°, die Schrägstellung in Umfangsrichtung beträgt ca. 40° bis 50°, insbesondere 45°.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Bürstendichtung 15 in die Nut 20 des Gehäuses 11 integriert, wobei die radial außenliegende Wand 21 der Nut 20 die Stützplatte für die Borsten 16 der Bürstendichtung 15 bildet. Im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, die Bürstendichtung in geschlossener Bauform auszuführen, wobei bei einer solchen geschlossenen Bauform die Bürstendichtung nicht in eine Nut des Gehäuses 11 integriert wird, sondern vielmehr ein komplettes Bürstendichtungselement bereitgestellt wird, bei welchem das Kernelement aus Borsten 16, Führungselement 17 und Klemmelement 18 in einem separaten Bürstendichtungsgehäuse angeordnet ist.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Abdichtung des axialen Spalts zwischen einem feststehenden Gehäuse 11 der Gasturbine 10 und einem feststehenden Leitschaufelkranz 12 der Gasturbine 10 geschaffen, wobei mithilfe der Bürstendichtung 15 Ungeregelmäßigkeiten im axialen Spalt ausgeglichen werden können. Weiterhin vermag die Bürstendichtung 15 Bewegungen zwischen dem Leitschaufelkranz 12 und dem Gehäuse 11, die sich während des Betriebs der Gasturbine 10 ergeben können, optimal auszugleichen. Zusätzlich bewirkt die Bürstendichtung 15 eine Dämpfung der gesamten Anordnung.
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Obwohl die Erfindung am Beispiel eines Leitschaufelkranzes und eines Gehäuse bzw. eines Trägers einer Gasturbine beschrieben wurde, soll die Erfindung auf diesen konkreten Anwendungsfall nicht beschränkt sein. Die Erfindung ist vielmehr überall dort einsetzbar, wo demselben statischen oder dynamischen System zugehörende Bauteile unter Verwendung einer statischen bzw. quasistatischen Dichtungsanordnung gegeneinander abzudichten sind. Der Anwendungsbereich der Erfindung ist also nicht auf Gasturbinen oder Flugtriebwerke beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 11
- Gehäuse
- 12
- Leitschaufelkranz
- 13
- Linie
- 14
- Spalt
- 15
- Bürstendichtung
- 16
- Borste
- 17
- Führungselement
- 18
- Ktemmelement
- 19
- Einspannstelle
- 20
- Nut
- 21
- Wand
- 22
- Ende
