DE1921919A1

DE1921919A1 - Verbesserte Hochtemperaturdichtungen

Info

Publication number: DE1921919A1
Application number: DE19691921919
Authority: DE
Inventors: Waldemar Hrynszak; Graham Robert Porteous
Original assignee: Clarke Chapman Group Ltd
Current assignee: Clarke Chapman Group Ltd
Priority date: 1968-04-29
Filing date: 1969-04-29
Publication date: 1969-11-20
Also published as: US3633926A; DE1921919B2; DE1921919C3; GB1267805A

Description

Verbesserte üochteiaperaturdichtungen

Die Erfindung betrifft Dichtungen zur Verwendung zwischen beweglichen bauteilen, die zum Betrieb bei verhältnismäßig hohen Temperaturen geeignet sind.

Bei vielen Anwendungsgebieten der Ingenieurtechnik ist es notwendig, Dichtungen vorzusehen, die in gleitender Verbindung mit einem beweglichen Bauteil stehen und die einer hochtemperaturigen Umgebung ausgesetzt sind_a In rotierenden regenerativen Wärmetauschern dreht sich z.ß« ein scheibenförmiger oder zylindrischer trommelartiger Rotor in einem Statorgehäuse, wobei in dem Gehäuse abwechselnd Kammern mit heißer und mit kalter Flüssigkeit durchlaufen werden. Wenn die Flüssigkeiten unterschiedliche Drücke aufweisen,^ ist es erforderlich, daii Dichtungen vorhanden sind, die den itotor verbinden, um Lecks über die Eotoroberfläche zwischen den verschiedenen Kammern abzudichten.

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* . trägt

üifferentielle Expansion kann zu Dimensionsänderungen führen, die die Wirksamkeit der Dichtungen herabsetzen^ und allgemein ist die ideale Dichtung für solche Zwecke eine solche, die ausreichend flexibel ist, damit sie sich auf Dimensionsänderungen einstellt, während sie gleichzeitig in ungeschmiertem Reibungskontakt verschleißbeständig und reibungsarm ist.

Eine Dichtung nach der Erfindung hat' einen zusammengesetzten Aufbau, der aus einem Überflächenelement, das eine Fläche für eine gleitend© Dichtung schafft, und einem faserigen Stützelement besteht, das das Oberflächenelement

Bei zwei möglichen Anordnungen nach der Erfindung kann das Oberflächenelement durch Abscheidung auf einer Fläche des faserigen Stützelementes gebildet sein, oder das faserige Element kann ein nachgiebiges Gehäuse bilden, das ein separat gebildetes Dichtungselement aufnimmt.

Das faserige Stützelement ist vorzugsweise keramischer Natur, d.h. aus einem feuerbeständigen, liocntemperaturund/o(ier korrosionsbestäsjctigen nichtmetallischen Material, wobei die Fasern durch einen geeigneten Binder zusammengehalten werden*

Die Dichte des faserigen Stützelementes kann durchweg einheitlich sein oder zwischen einera maximalen Wert nahe der Dicheungsofaerfläche bis zu einem minimalen Wert entfernt von der uiclstungsoberf läcne* variieren. Die unterschiedlichen Dichten können dadurch erhalten worden sein, d&d das Stützelement in Schichten aufgebaut ist, wobei der Binder einer üchickt eine Konzentration hat, die sich von der des Binders jeder anderen Schicht unterscheidet»

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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung sind:

Fig« 1 bis 5 Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen von Dichtungen nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A. in Fig. 5,

Fig. 7a ein Schnitt durch eine Form zur Ausbildung des faserigen Stützelementes für eine Dichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist,

Fig. 7b eine Ansicht einer durch die Form erhaltenen Dichtung in Draufsicht, und

Fig. 8 ein Querschnitt einer Dichtung nach der

Erfindung, bei der das faserige Stützelement unterschiedliche Dichten aufweist.

Die in Fig. 1 dargestellte Dichtung enthält ein faseriges Stützelement la und ein versehleiübeständiges Oberflächenelement 2a mit niedrigen ileibungseigenschafteiu Die Dichtung befindet sich in einem Gehäuse 3 eines der abzudichtenden. Bauteile.

In Fig. 2 hat das faserige Stützelement die Form eines Bettes Ib, das das Oberfiücheneleraent 2b isi einex" Ausnehmung aufnimmt. Bei einer alternativen Form (Fig. b) bildet; das Gehäuse ο einen Kanal, und das Stützelement Ic trä^t ein metallisches überfiächenelement 2c, das sepai-at von eiern Stützelement ausgebildet ist. Das Oberflächenelement 2c kann selbst die üichtungsilache darstellen, oder es kann eine Oberflächenschicht 2c* aufweisen, die den Keibun₆skontakt für die Dichtung übernimmt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten üusführungsform besteht das Oberflacheneioment aus einem metallischen Bauteil 2d, das Anschlage 4a mit nach innen gerichteten Abkantungen üa

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aufweist, welch letztere in Ausnehmungen in den Seiten des faserigen ütützelementes Id eingreifen.

i den in Fig. 5 und ü dargestellten Ausfuhrungsformen ist das überflächeneieraent durch ein metallisches Bauteil 2e gebildet, welches zusammen mit dem faserigen Element Ie in einem Gehäuse aa. angeordnet ist. Das Gehäuse aa weist Nuten 6 auf, in denandie Anschläge 4b auf dein Bauteil 2e sitzen. Die Querschnittbreite des Stützelements und des ilauptteils des Oberflächenelements ist kleiner als die des Gehäuses Oa, jedoch erhöhen auswärts gewendete Abkantungen 5b auf den Anschlägen 4b die Gesamtbreite auf die des Gehäuses.·

Jas faserige stützelement kann aus keramischem Material, wie Aiuminosilikat, chromstabilisiertem Aluminosilikat, · Kohlefasern (z.ü. Kohlefasergewebe), Bornitrid usw. in Form von Papier, Gewebe oder Fasermasse sein.

üur Ausbildung des Stützelements werden eine Fasermasse oder Schichten aus Fasermaterial auf das Profil der Dichtung geschnitten und in ein einen flüssigen Binder, wie Siiiconester oaer kolloides Kieselgel, enthaltendes Bad getaucht. Nach äerausnehmen aus dem Bad wird das Material schwach gepreiüt, um überschüssigen Binder ,zu entfernen, und dann in eine jcorm 14 (vgl. Fig. 7) eingebracht, die mit einer geeigneten Beschichtung aus einem Material, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, behandelt ist, um das anschließende Herausnehmen des Stütz^elements aus der Form zu erleichtern. In die Form können verschiedene Schichten faserigen Materials eingelegt werden, bevor ein abdeckendes Teil 15 eingepaßt und Druck aui das Material angewendet wird, um ihm die gewünschte Dicke und Dichte zu verleihen. Das material wird in der Form belassen, bis es vollständig trocken ist, beispielsweise zwei bis drei Tage bei Lufttrocicnuni=; oder vier bis sechs Stünden, wenn

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mit einem Ofen bei Temperaturen bis zu 82° C getrocknex wird. Nach Herausnehmen aus der Form wird das Stützelement leicht festgehalten, und um Absplittern zu ver hindern, wird es mit unverdünntem flüssigem Binder oder einem feinkörnigen Überzugszement beschichtet. Das in Fig. 7 dargestellte Stützelement hat die Form eines inneren und äußeren Ringes aus Material, das durch (nicht dargestellte) Speichen verbunden ist.

Bei vielen Anwendungsgebieten ist es vorteilhaft, wenn die Dichte des faserigen Stützelements variiert. Dies kann erreicht werden, indem das Element in verschiedenen Schichten aufgebaut ist, wie durch l^f, 1" usw. in Fig. dargestellt ist, und indem die Verdünnung des Binders (z.B. von unverdünnt bis zu 50 %iger Verdünnung) für aufeinanderfolgende Schichten erhöht wird. Die Schichtungen können in einem einzigen Preßvorgang gepreßt werden, oder jede kann für sich unter Druck getrocknet werden, bevor eine weitere Schicht hinzugefügt wird.

Eine abgestufte Dichteanordnung ist nützlich, wenn das Oberflächenelement durch Feuer- oder Plasmaaufsprühen erhalten ist, v/eil die beanspruchte Oberfläche bei dem Prozeß zerstört werden kann, wenn sie nicht starr und hinreichend einheitlich ist. Durcn Variierung der Dichte des Stützelements wira eine geeignet starre überfläche für den Sprühprozeß gescnaffen, ohne daß die für die fertige Dichtung erforderliche Nachgiebigkeit geopfert wird.

uas überflächenelement 2 kann auf vielfältige Weise herjGSteilt werden. Dazu gehören Feuer- oder Plasmabesprühen des faserigen Stützelements mit einem hartflächigen Metall oder einem keramischen Stoff. Auch kann das Element in einem festen hartflächigen Metall oder einem keramischen Stoff, wie im Falle der Elemente 2b oder 2c, gefertigt sein, iüine andere Möglichkeit ist das Feuer- oder Plasma-

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einsprühen des Flächenmaterials auf einen Metallformer, wie die Bauteile 2d und 2e, der auf dem faserigen Stützelement montiert wird, und zwar entweder fest mit dem Substrat verbunden oder einfach von. diesem getragen.

In allen Fällen ist es wünschenswert, durch Schleifen und Läppen der Dichtungsfläche die feinste mögliche Oberflächenausrüstung zu erreichen, und es ist natürlich notwendig zu gewährleisten, daß die Rotorfläche, mit der die Dichtung in Berührung steht, in gleicher V/eise eine hochwertige Ausrüstung aufweist. Wenn das Oberflächenelement aus Metall besteht, kann es außerdem gewünschtenfalls mit einem Material mit niedrigen iieibungseigenschaften beschichtet sein.

Wenn ein aufgesprühtes Cberflächenelement ausgebildet wird, kann das Stützelement auf einem Dorn montiert sein und gedreht werden, während die ciprühbeschichtung in der gewünschten Dicke abgeschieden wird. Offensichtlich diktieren die Temperatur und die flüssige Umgebung der Dichtung bei deren Betrieb neben der Materialart des üotors oder anderer Bauteile, die mit ihr in Üeibung stehen, in vielen Fällen die .auswahl des anzuwendenden üeschichtungsmaterials. Als einfache Beispiele aus dem Bereich der zur Verfügung stehenden Materialien können erwähnt werden Cr₃O.. +

Al₂O₃ + TiG₂, TiU₂, Ni₂O_a, Al₂O₅, ^rO₂, "Cr₂Oy₁. Cr₃C₂, WC usw. Bei dem Aufbringen einer Beschichtung muß vor-sichtig vorgegangen werden, um eine überhitzung des Substrates zu vermeiden und um auch einen gleichmäßigen Abscheidungsaufbau zu gewährleisten. Nach beendeter Beschichtung wird die Dichtung auf dem Dorn geschliffen und dann zum abschließenden Läppen abgenommen.

Wenn die Dichtung ein gesondertes metallisches oder keramisches Oberflächenelement axifweist, kann dies getrennt von dem Stützelement hergestellt werden, erforderlichenfalls

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wie vorstehend erläutert, vor dem Verbinden mit dem Stützelement durch Sprühabscheidung einer dichtenden Schicht unter Verwendung von beispielsweise Natriumsilikatlösung. Alternativ kann das Oberflächenelement an dem Stützelement befestigt werden, indem es mit dem faserigen MaterIaI in die Form gebracht wird.

Die fertige Dichtung kann in einem (nicht dargestellten) Bett oder Gehäuse von der Struktur montiert werden, in welcher sie zum Einsatz gelangt, wobei diese Struktur die Dichtung sowohl in Stellung hält als sie auch seitlich stützt.

Auf vorstehend beschriebene Weise hergestellte Dichtungen weisen einen beachtlichen Nachgiebigkeitsgrad auf, können in einer Vielzahl von Formen ausgebildet sein, wobei sie · prinzipiell aus keramischen Stoffen mit geringer Schüttdichte hergestellt sind, weisen eine gute Wärmeschockbeständigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, während sie bei hoher Temperatur, ζ,Βί. bis zu ö50 C und mehr, eingesetzt werden können, wenn sie in rotierenden regenerativen Wärmetauschern angewendet werden, ohne daii auf Kühlsysteme zurückgegriffen werden muß.

Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche

(l.j Dichtung mit einer Fläche für eine gleitende Abdichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zusammengesetzten Aufbau hat, der aus einem die Abdichtungsfläche bildenden Oberflächenelement (2) und einem faserigen Stützelement (1) besteht, welches das Oberflächenelement trägt.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dtützeiement (1) eine Dichte aufweist, welche mit dem Abstand von dem Überflächenelement (2) variiert, wobei der Bereich größter Dichte (I¹'¹) dem Oberflächeneiement am nächsten ist.

j. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, duio das Überf lächenelement (2) durch Abscheidung auf einer Oberfläche des Gtützelementes (1) gebildet ist.

4. Dichtung nach Anspruch ü, dadurch gekennzeichnet, daß das überf Iächeneieraent (2) aus einer aufgesprühten Schicht eines harten Metalls oder eines keramischen Materials auf einer Oberfläche des Stützelements (1) besteht.

;i. Dichtung nach Anspruch 1 oaer 2, dadurch gekennzeichnet, daii das überf lächenelement (2) aus einem separat von dem Stützelement (i) gebildeten metallischen oauteil besteht.

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ö. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daiä das Oberflächenelement (2d oder 2e) in Stellung haltende Hilfsteile (4) aufweist, welche zum Kingriff mit dem Stützelement (Id oder Ie) aus der Dichtungsfläche herausragen zur Verhinderung einer relativen Bewegung zwischen dem Oberflächen- und dein Stützelement in einer zu der Dichtungsfläche parallelen Ebene.

7. Dichtung nach Anspruch u, dadurch gekennzeichnet, daß die in Stellung haltenden Hilfsteile (4a) sich an gegenüberliegenden Seitenkanten des Schnittes des Stützelements (Id) befinden und daß mindestens ein Teil eine einwärts gerichtete Abkantung (5a) aufweist, die in ihre zugehörige Seitenkante hineinragt.

c^:. Dichtung nach Anspruch G, dadurch gekennzeichnet, daß das überflächen- und das Stützelement (2a, Ie) von einem Gehäuse oder Träger (3a) getragen werden, der bzw. das eine '.,juerSchnittbreite aufweist, die größer ist als die des Stützelements (Ie), wobei die in Stellung haltenden Hilfsteile (4b) des Oberflächenelements (2e) nach außen gerichtete Abkantungen (ob) auf\veisen, die die Gesamtquerschnittbreite des Cberflächenelements weitgehend auf die des Trägers erhöhen.

ti. Dichtung nach Ansjrucn 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (öa) mit Seitenflächen versehen ist, die sich in Richtung auf das Oberflächenelement (2e) erstrecken, um zumindest einen Teil der Tiefe des Stützeleinents dazwischen zu umgreifen, wobei die in Stellung haltenden Hilfsteile (4b) in in Abstand gehaltenen Unterbrechungen (:J) dieser Seicenflachen angeordnet sind.

Dichtung· nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Überflächenelement (2b) in einem Kanal oder einer Ausnehmung auf einer !«'lache des Stützelements (Ib) > sitzt»

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11. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenelement eine Beschichtung aus einem ivlaterial mit niedrigen Ke ibungs ei genschaften aufweist, das auf seine Abdichtungsfläche aufgetragen ist.

12. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (1) aus zusammen mit einem Bindemittel verformten keramischen Fasern besteht.

Ib. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dais das Stützteil (i) aus Fasern aus einen keramischen Ivlaterial, wie Aluminosilikat, chromstabilisiertem aluminosilikat, oder Kohlefasern in Form von t-apier, Gewebe oder Fasermasse gebildet wird, wobei die Fasern vor ihrer Verformung zu der Form des 3tützteiles in einem Bad eines Binders, wie Siliconester, getränkt v/erden.

1<±. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (1) durch Verformen eines faserigen Materials, das mit einem Bindemittel getränkt ist, gebildet wird, wobei das faserige luateriai in Schichten (1*, 1", l'^fl) aufgebaut wird und die -Anteile an rsinclemittel progressiv in aufeinanderfolgenden Schichten verändert werden, um dem Stützelement eine richte zu geben, die in itichtung auf das Oberflächenelement (2) ansteigt.

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