DE2455195A1

DE2455195A1 - Dichtung zwischen relativ zueinander beweglichen maschinenteilen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2455195A1
Application number: DE19742455195
Authority: DE
Inventors: John Gilbert Ferguson; Geoffrey Dallinger Waters
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-11-23
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1975-05-28
Also published as: IT1030826B; US3917150A; DE2455195C3; DE2462726B1; DE2455195B2; JPS5330854B2; JPS50112651A; FR2252516A1; FR2252516B1; DE2462726C3; GB1450553A

Description

PATB

Din,, ing. R. HOLZEB

AUGSBUItG

PHILIPPINE-WBI₁SER-SiFnASBHI M

R.913

Augsburg, den 20. November 1974

Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James's Square,

London SWlY 4JS, England

Dichtung zwischen relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Dichtung zwischen relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

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Bei Dichtungen zwischen sich relativ zueinander bewegenden Maschinenteilen besteht stets die Gefahr, daß sich die beiden Maschinenteile einander zu stark annähern, so daß starke Reibung zwischen den beiden einander zugewandten Elementen der Dichtung zwischen diesen beiden Maschinenteilen auftreten kann. Dieses Problem ist bei Gasturbinentriebwerken besonders ausgeprägt, welche viele mit hohen Drehzahlen umlaufende und Dichtungen tragende Komponenten aufweisen und ein Reiben der Dichtungen bei diesen hohen Drehzahlen eine übermäßige Erwärmung der Dichtelemente und sogar eine Zerstörung der Dichtungen herbeiführen kann.

Diesem Problem wurde in der Vergangenheit beispielsweise dadurch begegnet, daß auf dem feststehenden Dichtelement abschleifbare überzüge aufgebracht wurden, welche durch das umlaufende Dichtelement abgeschliffen werden können. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß, wenn einmal ein Schleifen stattgefunden hat, der Spielraum zwischen dem umlaufenden Dichtelement und dem abgeschliffenen Überzug des feststehenden Dichtelements größer und die Dichtwirkung geringer ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung der eingangs dargelegten allgemeinen Art so zu verbessern,

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daß ein Schleifen der Dichtung weder eine übermäßige Erwärmung noch eine den Dichtspalt vergrößernde Abnutzung herbeiführt.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Dichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Bürste ausgebildet ist und eine Vielzahl von dichtgepackten, mit ihrem einem Ende zwischen zwei Halteelementen befestigten Borsten aufweist.

Findet die Dichtung zwischen einem feststehenden und einem umlaufenden Maschinenteil Anwendung, so stehen die Borsten vorzugsweise entweder radial auswärts oder radial einwärts von den Halteelementen ab.

■ Bei Anwendung der Dichtung in Gasturbinentriebwerken bestehen die Borsten normalerweise aus Metall und, wenn hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, aus hitzebeständigem Metall.

Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl dichtgepackter Borsten an einer Haltevorrichtung befestigt werden, daß danach die freien Enden der von der Haltevorrichtung abstehenden Borsten zwischen zwei Halteelementen

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eingespannt und die Borstenspitzen unlösbar mit den Halteelementen verbunden werden und daß anschließend die Haltevorrichtung mit den daran befestigten Borstenenden abgetrennt wird.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben. Es stellen dar:

Pig. I die erste Fertigungsstufe einer

Dichtung nach der Erfindung, bei welcher die Borsten in einer Haltevorrichtung befestigt sind,

Fig, 2 die in Fig. I dargestellte An

ordnung mit daran befestigten Halteelementen,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die in

Fig. 2 dargestellte Anordnung, und

Fig. 4 einen Teil eines Gasturbinen

triebwerks mit einer Dichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Haltering 1 dargestellt, in welchem

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eine Vielzahl von Bohrungen 3 gebildet ist, welche an ihrem radial inneren Ende eine Abstufung 5 aufweisen. Auf der linken Seite der Fig. 1 sind die Bohrungen radial verlaufend dargestellt, während der rechte Teil der Pig. I eine alternative Lösung zeigt, bei welcher die Bohrungen 3 jeweils einen Winkel mit der Radialrichtung bilden.

Die Bohrungen 3 werden so nahe nebeneinander angeordnet, wie es ohne Zerstörung der dazwischenliegenden Wandungen möglich ist, und in jede dieser Bohrungen wird ein Bündel von Metallborsten 6 eingesetzt. Die Borsten sind normalerweise gerade Stücke eines Drahtes mit kleinem Durchmesser, der kleiner als 0,13 mm ist, und es werden so viele Borsten wie möglich in jede Bohrung eingesetzt.

Die Borsten werden mittels eines Bindedrahtes 7 in den Bohrungen gehalten, der durch einen Kupferdraht mit kleinem Durchmesser gebildet ist und jeweils nach oben in eine Bohrung hinein, um den Mittelteil des umgebogenen Borstenbündels herum und wieder durch die gleiche Bohrung nach unten und zur nächsten Bohrung geführt ist, so daß alle Borstenbündel zusammengebunden sind und soweit in die jeweils zugehörige Bohrung hineingezogen werden können, daß sie auf der Abstufung 5 aufsitzen.

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.α.

Die Anzahl der aus den Bohrungen herausragenden Borsten soll so groß wie möglich sein und es können für , jede Bohrung 3 beispielsweise 1*10 umgebogene Draht abschnitte mit einem Durchmesser von 0,075 mm eingesetzt werden, so daß aus jeder Bohrung 280 Borsten herausragen.

Der Bohrungsdurchmesser beträgt in diesem Fall 1,53 mm und die Dicke des hergestellten Borstenbündels, d.h. der axiale Abstand zwischen den Klemmringen beträgt 2,5 mm.

Die bis hierher beschriebene Bürstenkonstruktion umfaßt also Bündel von im wesentlichen parallelen Borsten, die aus den Bohrungen herausragen, wobei jedes Borstenbündel vom nächsten Borstenbündel durch die Wanddicke zwischen den Bohrungen getrennt ist. Das wäre bei einer Dichtung selbstverständlich nicht zulässig, da diese Abstände Leckströmungswege herstellen.

An ihren freien Enden sind die Borsten jedoch nicht ganz parallel, sondern die Borstenbündel dringen ineinander ein und es entsteht kein Abstand zwischen den benachbarten Borstenbündeln, wie es unmittelbar am Haltering der Fall ist.

Zwei Klemmringe 8 werden beiderseits der so gebildeten

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Bürste angeordnet und die radial äußeren Borstenenden werden mit diesen Ringen verschweißt, so daß eine unlösbare Verbindung entsteht. Der Haltering 1 und die zusammengebundenen Borstenenden werden dann beispielsweise entlang der gestrichelten Linie 10 in Pig, 2 abgetrennt, so daß die von den Klemmringen 8 abstehenden Borsten die gewünschte Länge haben.

Sofern die ursprüngliche Länge der Drahtabschnitte ausreichend lang zur Bildung von Borsten mit einer Länge bis zu 18,5 mm ist, sind die Borsten an ihren radial äußeren Enden ausreichend kompakt und genügend miteinander verflochten, daß sie im letzten Herstellungsschritt auf eine Länge von etwa 6 mm abgeschnitten werden können. Die Länge der Borsten ermöglicht eine ausreichende Biegsamkeit und die Borsten können trotzdem straff zusammengehalten werden.

Das oben beschriebene Herstellungsverfahren ergibt eine Bürste mit radial einwärts ragenden Borsten, jedoch kann dieses Verfahren selbstverständlich auch zur Herstellung einer Bürste mit radial auswärts ragenden Borsten Anwendung finden. In diesem Falle wird die anfängliche Bürste mit radial einwärts ragenden Borsten hergestellt und die radial inneren Borstenenden werden zusammen ge klemmt und verschweißt.

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Danach wird der Haltering mit dem äußeren Borstenende abgetrennt, so daß eine Bürste mit radial auswärts ragenden Borsten verbleibt.

Selbstverständlich braucht das hergestellte Dichtelement nicht ringförmig zu sein, sondern kann eben sein, wobei in diesem Falle die ursprüngliche Bürste gerade ausgebildet wird.

Die Verbindung der Borste mit den Klemmringen erfolgt vorzugsweise durch Schweißen. Ein bevorzugtes "Verfahren ist die Anwendung eines Elektronenstrahls, der auf den äußeren Umfang der Borsten und der Ringe gerichtet wird. Dadurch werden die äußeren Borstenspitzen und die Ringe miteinander zu einer Schweißnaht 12 verschmolzen, welche die Borsten und die Ringe einstückig miteinander verbindet. Selbstverständlich sind auch andere Verbindungsverfahren anwendbar, beispielsweise Hartlöten oder Diffusionsbindung.

Um die Verbindung der Borsten mit den Klemmringen 8 zu erleichtern, sind Borsten und Ringe vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff hergestellt, im Falle von Gasturbinentriebwerken beispielsweise aus rostfreiem Stahl,

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Bei Hochtemperaturdichtungen kann eine Nickelbasislegierung Anwendung finden.

Die Borsten brauchen nicht aus Metall zu bestehen, sondern die Erfindung ist auch bei nichtmetallischen Borsten anwendbar.

Eine typische Anwendung der erfindungsgemäßen Dichtung ist in Fig. 4 gezeigt, welche zwei Statorstufen 20 eines Verdichters eines Gasturbinentriebwerks und eine dazwischen, liegende Rotorstufe zeigt. Die Rotorstufe weist eine Rotorscheibe 19 mit einer Vielzahl von darauf montierten Laufschaufeln 18 auf. Zwischen einem Plansch 24 der Rotorscheibe und einem Plansch 21 einer der Statorstufen 20 ist eine Dichtung gebildet, welche ein Dichtelement 25 in Form einer nach dem er findungs ge mäße η Verfahren, hergestellten Bürste aufweist. Das Dichtelement 25 bildet mit dem Planseh 24 zusammen eine Dichtung, welche den Durchtritt von Luft zwischen dem umlaufenden Teil und der festen Konstruktion vermindert.

Die Vorteile der er findungs gemäßen Dichtung liegen darin, daß, falls der Flansch 24 sich infolge einer übermäßigen unterschiedlichen Wärmedehnung während eines

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Übergangszustands des Triebwerks nach außen dehnt, bei einem Kontakt zwischen dem Plansch 24 und den Borsten durch die Biegsamkeit und die Pederwirkung der Borsten ein Ausbiegen der Borsten stattfindet, so daß nur geringer Verschleiß eintritt. Nach dem Aufhören des Reibkontaktes, d.h. wenn sich normale Triebwerksbetriebsbedingungen eingestellt haben, kehren die Borsten in ihre Normallage zurück und der Dichtspalt bleibt auf einem geringen Wert.

Eine weitere Wirkung der Borsten liegt darin, daß sie sich nicht so schnell wie ein massives Materialstück erwärmen, wie es beispielsweise bei einer herkömmlichen Labyrinthdichtung der Fall ist. Der Grund liegt teilweise darin, daß durch die Ausbiegung der Borsten der Reibdruck vermindert wird und teilweise darin, daß, obowhl die Borsten dichtgepackt sind, eine sehr geringe Leckströmung an den Borsten vorbei in axialer Richtung stattfindet, was einen Teil der durch die Reibung erzeugten Wärme abführt. Polglich ist hier die Neigung geringer, infolge der Reibungswärme eine vergrößerte Wärmedehnung des Flansches herbeizuführen und dadurch die Reibung noch zu verstärken.

Um das Ausbiegen der Borsten zu unterstützen, können

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diese in Drehrichtung des Flansches 24 abgewinkelt sein, indem die auf der rechten Seite der Fig. 1 dargestellte alternative Konstruktion Anwendung findet.

Je nach dem erforderlichen Abdichtungsgrad kann eine Anzahl von Dichtelementen in Reihenanordnung Anwendung finden, und eine Mehrfachdichtung dieser Art kann durch Einspannen eines weiteren Borstensatzes zvrischen dem einen Klemmring der beschriebenen Dichtung und einem dritten Klemmring und Anschweißen derselben an das beschriebene Dichtelement erfolgen. Weitere Borstensätze können, falls gewünscht, in dieser Weise noch hinzugefügt werden.

Die Bürstendichtung kann entweder als feststehendes oder umlaufendes Dichtelement zwischen zwei relativ zueinander umlaufenden Teilen verwendet werden, jedoch ist das bürsten-, förmige Dichtelement vorzugsweise das feststehende Dichtelement, um Fliehkraftwirkungen auf die Borsten zu vermeiden, welche die Dichtwirkung beeinflussen könnten. Selbstverständlich können auch Dichtelemente dieser Bauart zur Abdichtung feststehender Teile Anwendung finden.

Einer der Klemmringe 8 kann eine größere radiale Ausdehnung als der andere (wie in Fig. M beispielsweise darge-

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stellt) haben, um eine seitliche Biegung der Borsten infolge eines über der Dichtung stehenden Differenzdruckes zu verhindern.

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Claims

Patentansprüche

(l.YDichtung zwischen relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Bürste ausgebildet ist und eine Vielzahl von dichtgepackten, mit ihrem einen Ende zwischen zwei Halteelementen (8) befestigten Borsten (6) aufweist,
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Borsten (6) und die beiden Halteelemente (8) aus Metall bestehen.
3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Borsten (6) jeweils unter einem bestimmten Winkel von den Halteelementen (8) abstehen.
4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (8) koaxiale Ringe sind und die Borsten (6) radial einwärts oder auswärts von diesen abstehen.
5. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine

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Vielzahl dicht gepackter Borsten an einer Haltevorrichtung befestigt werden, daß danach die freien Enden der von der Haltevorrichtung abstehenden Borsten zwischen zwei Halte- ' elementen eingespannt und die Borstenspitzen unlösbar mit den Haitee lementen verbunden werden und daß anschließend die Haltevorrichtung mit den daran befestigten Borstenenden abgetrennt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die aus Metall bestehenden Borsten durch Schweißen, Hartlöten oder Diffusionsbindung mit den ebenfalls aus Metall bestehenden Halteelementen verbunden werden,
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Borsten unter einem Winkel zur Haltevorrichtungsoberfläche in die Haltevorrichtung eingesetzt werden.

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