DE19527605C2 - Bürstendichtung für Turbomaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstendichtung für Turbomaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bürstendichtungen der genannten bekannten Art (DE 39 07 614 A1) kommen bei Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, zum Einsatz, um fluidisch unterschiedlich druckbeaufschlagte Räume an Umfangsspalten, z. B. zwischen einem Maschinengehäuse und dem Rotor oder einer Maschinenwel­ le, mit möglichst geringem Leckfluß gegeneinander abzudichten. Dabei sollen z. B. aus Rotorunwuchten resultierende exzentrische Rotor- oder Wellenposi­ tionen relativ zum Gehäuse durch eine elastische und bewegliche Borsten­ nachführung ausgeglichen werden können. Die Borsten stützen sich aufgrund des anliegenden Differenzdrucks zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckraum an einem sich in Radialrichtung bis nahe an die Dichtfläche erstreckenden Stützring ab.

Wesentlicher Mangel zur genannten wie auch zu anderweitig bekannten Bür­ stendichtungen ist es, daß als Folge der Wellenrotation die Borsten der Bür­ stendichtung einer rotierenden Wirbelströmung ausgesetzt sind, die sich auf die Form und die gewollte geometrische Anordnung der Bürste, und somit auf die Dichtwirkung negativ auswirkt. Besonders negativ wirkt sich die Wirbel­ strömung auf die örtliche Position der freien einen Enden der Borsten aus, die gegenüber den Enden von Führungsstegen in Richtung auf die Rotor-oder Wellenoberfläche vorstehen. Eine zuverlässige, leckagearme Primärdichtung ist somit nicht gewährleistet. Die genannte Wirbelströmung und deren nach­ teilhafte Folgen sind auch an der Niederdruckseite der Dichtung nicht aus­ zuschließen. Außerdem kann die Entstehung individueller und besonders aus­ geprägter Wirbelarten und -geometrien durch spezielle wellenseitige Ober­ flächengeometrien und -anbauten (Schrauben, Sicken, Abstufungen) zusätz­ lich begünstigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bürstendichtung nach der ein­ gangs genannten Gattung anzugeben, die im Hinblick auf eine von der Welle hervorgerufene rotierende Wirbelströmung bzw. Wirbelausbildung die Auf­ rechterhaltung von Form und Geometrie der Borsten zwecks optimaler Abdich­ tung gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Gemäß der Erfindung ist das Abschirmmittel vorteilhaft ein Bestandteil des gewickelten Borstenbündels oder -pakets. Das Abschirmmittel bildet eine das Borstenbündel wirksam vor einer rotierenden Wirbelströmung schützende und stabilisierende Einrichtung aus. Dabei sind die Borsten eines Borstenbündels über den jeweils größeren Teil ihrer Längenerstreckung hinweg zwischen den axial beabstandeten Stegen geführt und gegenüber den örtlichen Druckräu­ men abgeschirmt. Der Axialspalt S, dessen eine Spaltflanke jeweils von einem Abschirmmittel ausgebildet werden kann (Patentanspruch 3) kann von kleine­ rer Spaltweite - als später durch die Fig. verdeutlicht - ausgeführt werden und im wesentlichen mit ca. 1/10 der maximalen Breite des Borstenbündels be­ messen werden. Dieser Axialspalt verhindert eine örtliche Einzwängung der Borsten zwischen den beiden Stegen und gewährleistet ein benötigtes Min­ destspiel der Borsten in Umfangs- und in axialer Richtung. Außerdem kann über diesen Axialspalt eine umfänglich gleichförmige Fluiddruckverteilung am betreffenden Abschirmmittel und auf daran - innen - angrenzende übrige Bor­ stenbestandteile des Bündels erzielt werden.

Gemäß einer Variante der Erfindung (Anspruch 2) kann das Abschirmmittel von mindestens einer Lage oder Reihe von Borsten relativ großer Borsten- oder Fadendicke am Borstenbündel ausgebildet werden. Die größte Borsten­ dicke sollte so bemessen sein, daß u. a. auch von diesen dicken Borsten die erforderliche Verformungselastizität zwecks optimaler Abdichtung gewähr­ leistet bleibt.

Eine erhöhte Gesamtstabilität gegenüber einer gegebenenfalls auch nieder­ druckseitig auftretenden Wirbelströmung ergibt sich gemäß Patentanspruch 8.

Abdichtwirkung und Gesamtstabilität des Borstenbündels lassen sich - neben vorhandenen Abschirmmitteln - durch zusätzliche Bauweise des Bündels mit lagen- oder reihenweise wechselnder Faden- oder Borstendicke erhöhen (An­ spruch 7).

Zuvor gesagtes gilt auch in Kombination mit einem als Drahtgeflecht ausgebil­ deten Abschirmmittel (Patentanspruchs 5). Letzteres kann aus über Kreuz ver­ löteten bzw. untereinander verwobenen Feindrähten bestehen. Über die Ma­ schen des Drahtgeflechts kann z. B. ein rotierender Luftwirbel gedämpft bzw. weitgehend neutralisiert werden. Bei hoch- und niederdruckseitiger Anordnung dieses "Abschirmmittels" werden die Borsten käfigartig axial zusammengehal­ ten, so daß auch axiale Borstenauslenkungen, insbesondere an dem radial von den Stegen herausragenden Bürstenende begrenzt werden können. Das Drahtgeflecht ist ringförmig ausgebildet und mit einer zentralen Bohrung ge­ genüber dem Rotor bzw. der Welle mit Spiel gehalten.

Anhand der Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläu­ tert; es zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt der Bürstendichtung in Zuordnung zur abge­ brochen gezeichneten Abschnitten des Maschinenstators und -rotors und mit dem Abschirmmittel längs der einen hochdruck­ seitigen Borstenflanke des Axialspalts S, wobei das Abschirm­ mittel von Borstenlagen relativ großer Fadendicke gebildet ist;

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Blickrichtung C der Fig. 1,

Fig. 3 ein alternativer Axialschnitt im Sinne der Fig. 1, wobei jedoch das Abschirmmittel längs der hochdruckseitigen Borstenflanke des Axialspalts S von einem Drahtgeflecht am Borstenbündel aus­ gebildet ist und

Fig. 4 eine Ansicht gemäß Blickrichtung E der Fig. 3, worin das Draht­ geflecht durch sich überkreuzende Linien verdeutlicht ist.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Bürstendichtung für eine Turbomaschine; die Bür­ stendichtung soll zwischen einem Maschinengehäuse 1 und der Oberfläche eines koaxial im Gehäuse drehbar gelagerten Maschinenrotors 2 einen Um­ fangsspalt gegenüber fluidisch unterschiedlich druckbeaufschlagten Räumen R1, R2 abdichten. Es ist dabei der existierende Fluiddruck P1 im Raum R1 hö­ her als der Fluiddruck P2 im Raum R2. Der primäre Leckfluß an der Dichtung ist durch den Pfeil F charakterisiert. Am Maschinenstator 1 ist für ein Borsten­ bündel B eine Halterung 3 vorgesehen. Von der Halterung 3 aus ist das Bor­ stenbündel B zwischen im wesentlichen parallelen und relativ zur Rotorober­ fläche senkrecht stehenden Stegen 4, 5 abdichtend gegen die Rotoroberfläche geführt. Auf der dem Raum R2 niedrigeren Druckes P2 zugekehrten Seite tan­ giert das Borstenbündel B die betreffende eine Innenfläche des Steges 4. Auf der anderen, dem Raum R1 höheren Druckes P1 zugekehrten Seite bildet das Borstenbündel B gegenüber der Innenfläche des Steges 5 einen Axialspalt S in Umfangsrichtung aus. Es bilden gem. Fig. 1 und 2 die Abschirmmittel 6 die eine Flanke des Axialspalts S am Borstenbündel B aus. Beim Abschirmmittel 6 handelt es sich um mindestens zwei axial reihen- oder lagenweise aufeinand­ erfolgende Borsten relativ großen Borstendurchmessers im Verhältnis zu den übrigen, mit relativ kleinen Durchmessern ausgestatteten Borsten am Borsten­ bündel B.

Aus Fig. 2 erkennt man die hier lediglich schematisch mit relativ großen Um­ fangsabständen eingezeichneten Borsten des Bündels B, wobei die Borsten über dem Umfang im Sinne der Drehrichtung D des Maschinenrotors 2 jeweils gleichförmig unter einem Winkel von 45° schräg angestellt sind und dabei die Rotoroberfläche tangieren.

Das erwähnte Abschirmmittel 6 ist zusammen mit dem Borstenbündel B an der Halterung 3 angeordnet; das Abschirmmittel ist dabei zwischen einem im we­ sentlichen U-förmig um einen Kernring 7 umgebogenen Abschnitt des Bor­ stenbündels B und einem Klemmrohr 8 gefaßt; letzteres weist einen Um­ fangsschlitz für das Borstenbündel B auf; radial innen sitzt das Klemmrohr 8 fest in einem einseitig offenen Ringraum 9, der von zwei die Umfangsstege 4, 5 enthaltenen Gehäuseteilen ausgebildet ist. Beide Gehäuseteile mit den Ste­ gen 4, 5 sind in einer Umfangsnut verklemmt und gehalten; diese wird ausge­ bildet von einer abgestuften Aufweitung 10 des Maschinengehäuses 1 auf einen größeren Innendurchmesser sowie von der axialen Endfläche eines Ringbauteils 11; letzteres ist längs der Linien L, L′ mit dem Maschinengehäuse 1 verschraubt.

Sämtliche Borsten des Borstenbündels B können aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumkarbid, gefertigt sein. Alternativ ist der Einsatz von hoch legierten metallischen Borstenwerkstoffen möglich. Die genannten Werkstoffangaben können im Rahmen der Erfindung bei sämtlichen Ausfüh­ rungsbeispielen sinngemäß angewendet werden.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für eine mit Fig. 1 und 2 grundle­ gend identische Bauweise verkörpern Fig. 3 und Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die vom Borstenbündel B hochdruckseitig ausgebil­ dete eine Flanke des Axialspalts S durch ein als Drahtgeflecht gefertigtes Ab­ schirmmittel 6′ verkörpert ist. Die Befestigung über die Halterung 13 ist prak­ tisch mit derjenigen nach Fig. 1 identisch. Gemäß Blickrichtung E aus Fig. 3 ist in Fig. 4 das Drahtgeflecht als Abschirmmittel 6′ durch Überkreuzlage der Drähte und, durch das Borstenbündel B und den Steg 4 hindurchscheinend, verdeutlicht.

Die Erfindung kann auch als Stufendruckdichtung mit mindestens zwei axial mit Abstand relativ zur Welle aufeinanderfolgenden Bürstendichtungen mit jeweiligen Borstenbündeln B gemäß Fig. 1 und 2 bzw. Fig. 2 und 3 ausgeführt werden.

Die Erfindung kann bevorzugt bei Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Bürstendichtung für Turbomaschinen zur Abdichtung von unterschiedlich druckbeaufschlag­ ten Räumen (R1, R2) an einem Umfangsspalt, insbesondere zwischen einem Maschinensta­ tor (1) und einem Maschinenrotor (2), worin am Maschinenstator für ein Borstenbündel (B) eine Halterung (3) vorgesehen ist, von der aus das Borstenbündel (B) zwischen Umfangs­ stegen (4, 5) abdichtend gegen den Maschinenrotor (2) geführt ist und gegenüber dem der Hochdruckseite zugekehrten Steg (5) einen Axialspalt (S) in Umfangsrichtung ausbildet, da­ durch gekennzeichnet, daß das Borstenbündel (B) zumindest auf der dem Raum (R1) höhe­ ren Druckes (P1) zugekehrten Seite Abschirmmittel (6, 6′) gegenüber einer vom Maschinen­ rotor (2) ausgelösten Wirbelströmung umfaßt.

2. Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmmittel (6) von mindestens einer umfänglichen Borstenlage mit der jeweils größten Borstendicke am Bor­ stenbündel (B) ausgebildet ist.

3. Bürstendichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmmittel (6, 6′) eine Flanke des Axialspalts (S) am Borstenbündel (B) ausbildet.

4. Bürstendichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Borstenbündel (B) la­ gen- oder reihenweise mit einer in Richtung auf die eine Flanke des Axialspalts (S) zuneh­ menden Borsten- oder Fadendicke ausgestattet ist.

5. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abschirmmittel (6′) von einem Borstenbündel (B) enthaltenen Draht­ geflecht ausgebildet ist.

6. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abschirmmittel (6, 6′) zusammen mit dem Borstenbündel (B) an der Halterung (3) angeordnet ist und dabei zwischen einem im wesentlichen U-förmig um einen Kernring (7) umgebogenen Abschnitt des Borstenbündels (B) und einem mit einem Um­ fangsschlitz ausgestatteten Klemmrohr (8) gefaßt ist, das radial innen in einem einseitig of­ fenen Ringraum (9) sitzt, der von zwei die Umfangsstege (4, 5) enthaltenden Gehäuseteilen ausgebildet ist.

7. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das das Abschirmmittel (6, 6′) enthaltende übrige Borstenbündel (B) rei­ hen- oder lagenweise von Borsten unterschiedlicher Borsten- oder Fadendicke ausgebildet ist.

8. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Borstenbündel (B) auf der dem Raum (R2) niedrigeren Druckes (P2) zugekehrten Seite Abschirmmittel (6, 6′) umfaßt.