DE19529655C2 - Bürstendichtung für Turbomaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstendichtung für Turbo­ maschinen 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 einer Maschinenwelle, mit möglichst geringem Leckfluß gegeneinander ab­ zudichten. Dabei sollen z. B. aus Rotorunwuchten resultierende exzentrische Wellenpositionen relativ zum Gehäuse durch eine elastische und bewegliche Borstennachführung ausgeglichen werden können. Vergleichsweise ausgeprägte Wellenexzentrizitäten sind im allgemeinen mit einem hohen Leckfluß an der Dichtung verknüpft.

Wesentlicher Mangel zur genannten wie auch zu anderweitig bekannten Bürstendichtungen ist es, daß als Folge der Wellenrotation die Bor­ sten der Bürstendichtung einer vom Raum höheren Druckes ausgehenden, 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 Wir­ belströmung 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 Primär­ dichtung ist somit nicht gewährleistet. Außerdem kann die Entstehung individueller und be­ sonders ausgeprägter Wirbelarten und -geometrien durch spezielle wellenseitige Oberflä­ chengeometrien und -anbauten (Schrauben, Sicken, Abstufungen) zusätzlich begünstigt werden.

Aus den gattungsgemäßen Druckschriften DE 44 27 265 C1 und EP 0 639 735 A1 ist es bekannt, durch die dem Borstenbündel auf der Seite höheren Druckes, d. h. stromaufwärts, vorgelagerte Wand (Spaltfläche, side-plate) eine Fluidströmung in den Axialspalt zwischen Wand und Borstenbündel zu führen. Zu diesem Zweck sind Bohrungen bzw. Schlitze in der Wand vorhanden, oder die Wand ist aus porösem, d. h. gasdurchlässigem, Material herge­ stellt. Die Fluidströmung in den Axialspalt soll die Borsten in ihrer gewünschten Orientierung halten und dadurch ein Aufspreizen bzw. Abheben von der Welle - verbunden mit höherer Leckage - verhindern.

Aus der ebenfalls gattungsgemäßen Druckschrift GB 2 268 277 A ist es zusätzlich bekannt, im Axialspalt einen Abdeckring (plate) auf der Oberfläche des Borstenbündels anzuordnen, welcher die Welle mit radialem Abstand umgibt und mittels einer mechanischen Feder (wave spring) gegen das Borstenbündel gedrückt wird. Durch diese Maßnahme wird der schädliche Einfluß von Wirbelströmungen auf die Borstenorientierung weiter reduziert.

Die Vorspannung des Borstenbündels mittels Feder und Abdeckring wirkt sich aber sicher­ lich auch reibungs- und verschleißerhöhend aus, abgesehen vom konstruktiven Mehrauf­ wand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bürstendichtung nach der eingangs genann­ ten Gattung anzugeben, die trotz einer von bzw. an der Welle hervorgerufenen rotierenden Wirbelströmung - im Raum höheren Druckes, vor der Dichtung - die Aufrechterhaltung von Form und Geometrie der Borsten zwecks optimaler Abdichtung mit geringem konstruktivem Aufwand sowie günstigem Reibungs- und Verschleißverhalten gewährleistet.

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

Der Abdeckring schützt das Borstenbündel wirksam vor einer im Raum höheren Druckes ausgebildeten Wirbelströmung. Eine besonders ausgeprägte Wirbelströmung kann z. B. von einer mit der Welle mitrotierenden und stromauf im Raum höheren Druckes angeordneten Verschraubung hervorgerufen werden, die durch in umfänglicher Unterbrechung axial vor­ stehende Schraubenköpfe gekennzeichnet ist. Im Wege des gegenüber den örtlichen Ste­ genden radial vorstehenden Teils schützt der Abdeckring den gegenüber Wirbelbildung des Fluids, z. B. Druckluft, besonders gefährdeten Abschnitt des Borstenbündels, der für die Pri­ märdichtung an der Welle hauptsächlich verantwortlich ist.

Außerdem wird mit dem radial aus dem Axialspalt gegenüber den Stegenden vorstehenden Teil des Abdeckringes die primäre Dichtwirkung zusätzlich erhöht.

Über den herrschenden Differenzdruck (P1 < P2) wird der Abdeckring axial gegen den einen, der Hochdruckseite zugekehrten Abschnitt des Borstenbündels gedrückt und hierdurch wie­ derum das Borstenbündel gegen die umfängliche Innenfläche des der Niederdruckseite zu­ gekehrte Steges in abdichtender Auflage gedrückt. Dabei bildet der Abdeckring im Axialspalt gegenüber der Innenflanke des stromauf angeordneten Steges einen Abstandsspalt X aus, der nicht nur eine maximal zulässige axiale Wanderbewegung des Abdeckringes definiert, sondern auch eine sekundäre Leckflußpassage und eine über dem Umfang gleichförmige Druckverteilung für die Andrückung an das Borstenbündel ausbildet.

Die Erfindung ermöglicht auch im Hinblick auf ausgeprägte Wellenexzentrizitäten eine ver­ gleichsweise geringe primäre Leckage an der Dichtung über den bei Wellenexzentrizität von der Maschinenwelle einseitig radial verschobenen Abdeckring in Relation zur örtlich deutlich wesentlich ausgeprägteren Radialverschiebung der Maschinenwelle gegenüber den Borsten.

Die radiale Verschiebbarkeit des Abdeckringes ist von der axialen Anpreßkraft an das Bor­ stenbündel, hervorgerufen durch den anliegenden Differenzdruck, abhängig. Um die axiale Anpreßkraft des Abdeckringes in vorgegebenen Grenzen zu halten, können fluidische Aus­ gleichs- bzw. Entlastungsvorkehrungen am Abdeckring getroffen werden, die sich in den Merkmalen der Patentansprüche 2 (Perforation) und/oder 3 (Durchgangslöcher oder - bohrungen) äußern. Bei der Perforation kann es sich um nadeldicke, hochfeine Bohrungen handeln. Ferner kann es sich dabei um eine sieblochartige Gestaltung handeln. Der Begriff "Perforation" kann gemäß der Erfindung auch so verstanden werden, daß der Abdeckring axial strömungsdurchlässig porös gestaltet ist.

Gemäß Anspruch 4 sollen die genannten fluidischen Entlastungsmaßnahmen (Perforation, Löcher, Bohrungen) so getroffen werden, daß der die Stegenden in Richtung auf die Welle radial überkragende Endteil des Borstenbündels weitestgehend von einem in sich geschlos­ senen Umfangsabschnitt des Abdeckringes vor wirbelartigem Fluid geschützt ist und so fer­ ner eine erhöhte primäre Abdichtwirkung durch den Abdeckring erreicht wird.

Anhand der Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt der Bürstendichtung in Zuordnung zu örtlich abgebrochen gezeichneten Abschnitten des Maschinengehäuses und der Maschinenwel­ le, wobei die gehäuseseitige Halterung der Bürstendichtung und deren Funktion über den vom Differenzdruck betätigten Abdeckring verdeutlicht sind,

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Blickrichtung C der Fig. 1, worin u. a. in vergleichsweise großen und gleichen Umfangs­ abständen der jeweils über dem Umfang im Sinne der Drehrichtung Dr der Welle 2 jeweils gleich schräge Anstellwinkel (45°) der Borsten des Bündels relativ zur Wellenoberfläche verdeutlicht ist,

Fig. 3a und 3b eine axialschnittartige Gegenüberstellung der Bürstendichtung mit wesentlichen Grundelementen nach Fig. 1 und 2, hier jedoch mit axial durchbohrtem Abdeckring, worin Fig. 3a (links) den stationären Betriebszustand - ohne Wellenexzentritzität - repräsentiert und Fig. 3b (rechts) eine im Ver­ gleich zu Fig. 3a (links) deutlich ausgeprägte Wellenexzentrizität (Δr) und die daraus haupt­ sächlich resultierende primäre Abdichtung über den radial verschobenen Abdeckring verkörpert.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Bürstendichtung für eine Turbo­ maschine; die Bürstendichtung soll zwischen einem Maschinen­ gehäuse 1 und der Oberfläche einer koaxial im Gehäuse drehbar gelagerten Maschinenwelle 2 einen Umfangsspalt gegenüber fluidisch unterschiedlich druckbeaufschlagten Räumen R1, R2 abdichten. Es ist dabei der existierende Fluiddruck P1 im Raum R1 höher als der Fluiddruck P2 im Raum R2. Der primäre Leckfluß an der Dichtung ist durch den Pfeil F charakterisiert. Am Maschinenstatar 1 ist für ein Borstenbündel B eine Halterung 3 vorgesehen. Von der Halterung 3 aus ist das Borstenbündel 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 tangiert 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.

Aus Fig. 2 erkennt man die hier lediglich schematisch mit relativ großen Umfangsabständen eingezeichneten Borsten des Bündels B, wobei die Borsten über dem Umfang im Sinne der Drehrichtung Dr der Maschinenwelle 2 jeweils gleichförmig unter einem Winkel von 45° schräg angestellt sind und dabei die Wellenoberfläche tangieren können - oder wie in Fig. 1 dargestellt - unter Belassung eines minimalen radialen Dichtspalts gegenüber der Wellenoberfläche angeordnet sein können.

Das Borstenbündel B ist über die Halterung 3 fest mit dem Maschinengehäuse 1 verbunden. An einem im wesentlichen U-förmig um einen Kernring 7 umgebogenen Abschnitt ist das Borsten­ bündel B von einem Klemmrohr 8 gefaßt; letzteres weist einen Umfangsschlitz 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 Stegen 4, 5 sind in einer Umfangsnut verklemmt und gehalten; diese wird aus­ gebildet von einer stufenartigen Aufweitung 10 des Maschinen­ gehäuses 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.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist im Axialspalt S ein Abdeckring 6 für das Borstenbündel B axial und radial beweglich angeordnet. Der Abdeckring 6 wird vom herrschenden Differenzdruck P1 < P2 betätigt, so daß er bei hinreichender Druckdifferenz axial nach links gegen das Borstenbündel B verschoben wird; hier­ durch wird seinerseits das Borstenbündel B längs der nieder­ druckseitigen umfänglichen Endfläche gegen die Innenfläche des der Niederdruckseite zugekehrten Steges 4 gedrückt. Gegenüber den die Maschinenwelle 2 mit jeweils gleich großen Umfangsabständen H umgebenden Enden der Stege 4, 5 ragt der Abdeckring 6 aus dem Axialspalt S heraus. Der Abdeckring 6 umschließt die Welle 2 unter Belassung eines radialen Dicht­ spalts D. Der schon genannte Stegabstand H gegenüber der Ober­ fläche der Maschinenwelle 2 ist so groß gewählt, daß auch bei relativ ausgeprägter Wellenexzentrizität Δr (Fig. 3b) es nicht zu einem Anstreifen der Maschinenwelle an den betreffen­ den Enden der Stege 4, 5 kommen kann. In der beschriebenen Anordnung und vom Differenzdruck P1 < P2 betätigt, bildet der Abdeckring 6 einen axialen Ringspalt X gegenüber der Innen­ fläche des in Fig. 1 rechten Steges 5 aus. Unter Vorgabe einer entsprechenden Weite des Axialspalts S relativ zur Dicke des Abdeckringes 6 definiert somit der belassene axiale Ringspalt X die maximale axiale Bewegungsfreiheit des Abdeck­ ringes im Axialspalt S.

Der Ringspalt X stellt eine sekundäre Leckflußpassage für einen verhältnismäßig kleinen Anteil des aus dem Raum R1 höheren Druckes P1 zugeführten Fluids dar, welches oberhalb des Abdeck­ ringes 6 über einen Teil des Axialspalts S und von dort, durch das Borstenbündel B hindurchsickernd, in den Raum R2 niedrige­ reren Druckes P2 abströmt.

Mit W ist schematisch eine im Raum R1 herrschende, rotierende Wirbelströmung bezeichnet, aus der die Dichtung gemäß Pfeil P mit einem Fluid, z. B. Druckluft, gespeist wird. Die An­ ordnung des Abdeckringes 6 schützt das Borstenbündel B vor der verwirbelt zuströmenden Druckluft. Insbesondere der für die primäre Wellendichtung verantwortliche Endteil des Borsten­ bündels B, der die Enden beider Stege 4, 5 in Richtung auf die Maschinenwelle 2 überkragt, wird somit nicht hinsichtlich seiner gewollten Anordnung und Geometrie negativ beeinflußt.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 weist der Abdeckring 6 nach Fig. 3a und 3b untereinander gleichförmig über dem Umfang verteilte Durchgangslöcher oder Durchgangs­ bohrungen 12 auf. Im Hinblick auf einen vorgegebenen Differenz­ druck soll so die seitliche Anpreßkraft des Abdeckringes 6 am Borstenbündel B in vorgegebenen Grenzen gehalten werden.

In Fig. 3a und 3b ist lediglich schematisch eine für beide Fälle gleiche und unveränderte axiale Position des Maschinen­ gehäuses 1 verdeutlicht.

Gegenüber Fig. 3a - stationärer Betriebszzustand z. B. eines Gasturbinentriebwerkes - verdeutlicht Fig. 3b die abdichtende Kompensation einer vergleichsweise ausgeprägten Wellen­ exzentrizität Δr im instationären Betriebszustand; im radial äußeren Umfangsbereich werden die Borsten relativ zur Exzen­ trizität Δr verschoben, wobei der Abdeckring 6 der Wellen­ verschiebung radial folgt; relativ zur radialen Wellenver­ schiebung ergibt sich örtlich unten der maximale Wellenspalt y gegenüber den örtlichen Borstenenden. Man erkennt, daß ört­ lich unten die maximale Spaltweite 2D deutlich, d. h. um mehr als die Hälfte kleiner als der örtlich untere maximale Wellen­ spalt y gegenüber den Borstenenden ist. Mithin definiert in diesem Falle der Abdeckring 6 überwiegend die primäre Abdichtung an der Maschinenwelle 2 mit einer vergleichsweise geringen Dichtleckage.

Der maximale Innendurchmesser des Abdeckringes 6 relativ zur Oberfläche der Maschinenwelle 2 definiert also im normalen bzw. stationären Betriebszustand (Fig. 1 und 3a) den radialen Dicht­ spalt D über den Gesamtumfang, der im Falle der Fig. 3b örtlich radial oben zu Null geworden ist und örtlich radial unten um das Zweifache (2D) seiner normalen Spaltweite vergrößert ist.

Sofern nicht schon ausdrücklich beansprucht, ist die zuvor anhand der Zeichnungen beschriebene Bürstendichtung ebenfalls Bestandteil der Erfindung.

Claims (4)

1. Bürstendichtung für Turbomaschinen zur Abdichtung von unterschiedlich druckbeauf­ schlagten Räumen (R1, R2) an einem Umfangsspalt, insbesondere zwischen einem Ma­ schinengehäuse (1) und einer Maschinenwelle (2), worin am Maschinengehäuse (1) für ein Borstenbündel (B) eine Halterung (3) vorgesehen ist, von der aus das Borstenbündel (B) zwischen Umfangsstegen (4, 5) abdichtend gegen den Maschinenrotor (2) geführt ist und gegenüber dem einen, der Hochdruckseite zugekehrten Steg (5) einen Axialspalt (S) in Umfangsrichtung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. im Axialspalt (S) ein Abdeckring (6) für das Borstenbündel (B) axial und radial beweglich angeordnet ist, der vom Differenzdruck (P1 < P2) betätigt und gegen das Borstenbündel (B) verschiebbar ist;
• 2. der Abdeckring (6) gegenüber den die Maschinenwelle (2) mit Abstand (H) um­ gebenden Enden der Stege (4, 5) aus dem Axialspalt (S) herausragt und die Ma­ schinenwelle mit einem derart gesamtumfänglich groß bemessenen radialen Dichtspalt (D) umschließt, daß bei einer Wellenexzentrizität (Δr), und damit ein­ hergehender Borstenverschiebung auf der einen Seite sowie jeweils daraus re­ sultierendem örtlich maximalen Wellenspalt (y) gegenüber den Borstenenden auf der gegenüberliegenden anderen Seite, der Abdeckring (6) im Sinne der Wellen­ exzentrizität (Δr) radial im Axialspalt (S) mitbewegt wird und dabei hauptsächlich die primäre Wellendichtung ausbildet, deren örtliche maximale radiale Spalt­ weite (2D) geringer als der jeweils örtliche maximale Wellenspalt (y) gegenüber den Borstenenden ausgebildet ist.

2. Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckring axial strömungsdurchlässig perforiert ausgebildet ist.

3. Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckring (6) axiale Durchgangslöcher oder -bohrungen (12) aufweist.

4. Bürstendichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforati­ on oder die Durchgangslöcher oder -bohrungen (12) im wesentlichen im Bereich des Axialspalts (s) am Abdeckring (6) angeordnet ist. bzw. sind.