DE3144463C2

DE3144463C2 -

Info

Publication number: DE3144463C2
Application number: DE3144463A
Authority: DE
Inventors: Gary Francis Vernon Conn. Us Chaplin
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-11-14
Filing date: 1981-11-09
Publication date: 1992-08-20
Also published as: JPS57110891A; US4336943A; DE3144463A1; IT8125061A0; GB2087501B; CA1163928A; FR2494376B1; GB2087501A; IT1139728B; FR2494376A1; JPH0315069B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Flanschverbindung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Flanschverbindung ist aus der US 28 63 679 und aus der US 28 78 041 bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Leitungen für Arbeitsgase bestehen häufig aus axialen Abschnitten, die an einer Flanschverbindung miteinander verbunden sind. Die Flanschverbindung ist ein potentieller Leckweg für das Arbeitsgas, wenn das Arbeitsgas unter einem Druck steht, der höher als der Umgebungsdruck ist, oder ein potentieller Leckweg für Umgebungsgase, wenn der Umgebungsdruck höher als der Arbeitsgasdruck ist. Der Leckweg wird häufig durch Toleranzveränderungen in der Flanschverbindung, durch Verzug der Flanschverbindung aufgrund von ungleichmäßiger Erhitzung und Abkühlung und durch ungleichmäßige Wärmegradienten in der Flanschverbindung verursacht. Es ist aus der US 35 20 544 bekannt, die Flanschverbindung zwischen zwei Rohren mit einem Dichtring zu versehen, um eine solche Leckage zu blockieren. Dieser bekannte Dichtring hat einen Y-förmigen Querschnitt und wird zwischen zwei Rohrflanschen angeordnet und hohen Druckkräften ausgesetzt, so daß er bis zur Herstellung von Linienkontakt zusammengedrückt und verformt wird. Beispiele weiterer Dichtringe sind ein in der US 38 57 572 beschriebener Dichtring mit E-Querschnitt und ein in der US 37 58 123 beschriebener Dichtring mit Omega-Querschnitt. Bei anderen bekannten Dichtringen hat der Querschnitt eine C-Form.

Die eingangs bereits erwähnten US 28 63 679 und US 28 78 041, aus denen eine Flanschverbindung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bekannt ist, betreffen jeweils eine als Rohrkupplung dienende Flanschverbindung. Die in solchen Flanschverbindungen verwendeten Dichtringe bilden sogenannte Breitbasisdichtungen, d. h. sie haben einen radialen Querschnitt, bei dem die Basisabmessung so groß wie die radial orientierte Länge des Querschnittes ist. Solche Dichtringe erfordern eine größere Nut und größere Flansche, was wegen der damit verbundenen Gewichtszunahme insbesondere bei in Flugzeugen verwendeten Axialströmungsmaschinen wie Gasturbinentriebwerken unerwünscht ist. Weiter liegen bei diesen bekannten Flanschverbindungen die Flansche der beiden miteinander zu verbindenden Rohre nicht aneinander an, sondern haben zwischen sich einen axialen Spalt. Die Flansche werden axial so zusammengespannt, daß sie den Dichtring unter allen Betriebsbedingungen ungeachtet der Größe des Spalts zwischen den Flanschen zusammendrücken. Die erforderliche Dichtkraft wird also durch das Zusammenspannen der Flansche erzeugt, welche gegen den Dichtring drücken. Bei einer Flanschverbindung, bei der die miteinander zu verbindenden und miteinander abzudichtenden Enden keinen axialen Spalt zwischen sich haben, also stets aneinander anstoßen, wie z. B. bei den Gehäuseteilen des Stators eines Gasturbinentriebwerks, kann eine solche auf den Dichtring ausgeübte Dichtkraft aber nicht erzeugt werden. Wenn die Flansche unter allen Betriebsbedingungen aneinander anliegen, muß also der Dichtring die Dichtkraft zwischen sich und den Flanschen selbst erzeugen.

Bei dem vorgenannten Stand der Technik handelt es sich um Dichtringe, bei denen während des Betriebes aufgrund von Druck- und Temperaturschwankungen Relativbewegungen zwischen den einzelnen Rohren auftreten können. Die Dichtringe können sich diesen Relativbewegungen anpassen und die Abdichtung auch bei gegenseitiger Verlagerung der Rohre gewährleisten. Wenn bei der Flanschverbindung nach der vorgenannten US 28 63 679 der Innendruck steigt, wird durch diesen Innendruck der Dichtring radial nach außen aufgeweitet, ohne daß es zur Leckage kommt. Der dadurch verstärkte Dichtkontakt zwischen dem Ring und den Rohren kann aber durch die axiale Beweglichkeit der Rohre aufgehoben werden. Würde man die Schrauben, welche die Flansche der Rohre zusammenhalten, so weit anziehen, daß sich die Flansche aneinander anlegen, würde der Dichtring festgespannt werden, so daß die Dichtkontakterhöhung mit steigendem Innendruck nicht oder kaum möglich wäre. In Flugzeuggasturbinentriebwerken ändert sich die Differenz zwischen dem Arbeitsgasdruck und dem Umgebungsdruck mit der Zeit. Demgemäß ist ein Dichtring erwünscht, der eine größere Dichtkraft bei denjenigen Betriebsbedingungen des Gasturbinentriebwerks ausübt, welche die größte Druckdifferenz an dem Dichtring verursachen. Ein solcher Dichtring muß also sowohl bei niedriger Innentemperatur und niedrigem Innendruck als auch bei hoher Innentemperatur und hohem Innendruck wirksam sein. Dabei darf aber der Dichtring im Radialquerschnitt keine wesentliche Breite aufweisen, um die Abmessungen der Flanschverbindung möglichst klein zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Flanschverbindung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß auch bei aneinander anstoßenden Gehäuseteilen mittels des Dichtringes bei steigender Temperatur eine zunehmende Dichtkraft erzeugt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Die Flanschverbindung nach der Erfindung ist mit einem Dichtring versehen, der zwischen zwei starr miteinander verbundenen Gehäuseteilen, die flächig aneinander anliegen, bei erhöhtem Innendruck radial nach außen aufweitbar ist, um die Dichtkraft zu vergrößern. Bei niedrigem Innendruck hat der Dichtring einen kleineren Durchmesser und liefert eine geringere Dichtkraft, wogegen er bei erhöhtem Innendruck einen größeren Durchmesser aufweist und eine größere Dichtkraft liefert, da er bei seiner radialen Ausdehnung stärker in axialer Richtung zusammengedrückt wird, als dies bei der Herstellung der Flanschverbindung der Fall ist. Der Dichtring kann sich in die keilförmige Nut zwischen den beiden Gehäuseteilen fester und fester hineinziehen. Der Dichtring der Flanschverbindung nach der Erfindung muß bei dem Herstellen der Flanschverbindung nur wenig axial zusammengedrückt werden, um die erforderliche geringe Dichtkraft bei geringem Innendruck zu erzeugen. Es kann deshalb ein Dichtring verwendet werden, der eine verhältnismäßig kleine Breite in axialer Richtung im Vergleich zu seiner Abmessung in radialer Richtung aufweist. Dadurch brauchen die Abmessungen der Flanschverbindung nicht wesentlich vergrößert zu werden, was für die Anwendung bei einem Flugzeuggasturbinentriebwerk wesentlich ist. Die erforderliche höhere Abdichtkraft bei höherem Innendruck wird gewährleistet durch das stärkere axiale Zusammendrücken des Dichtringes, wenn dieser sich radial nach außen in die sich nach innen aufweitende keilförmige Nut hineinzieht, ohne daß die Gehäuseteile axial ausweichen können. Erfindungsgemäß kann also ein Dichtring verwendet werden, der eine kleine Basisabmessung im Vergleich zu der radial orientierten Länge hat, im Gegensatz zu dem Stand der Technik, wo das Verhältnis dieser Abmessungen im wesentlichen bei etwa 1 liegt, damit der Dichtring die erforderliche Dichtkraft schon bei der Herstellung der Flanschverbindung aufbringen kann.

Um die radiale Ausdehnung des Dichtringes zu erreichen, macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, daß die Druckerhöhung stets mit einer Temperaturerhöhung verbunden ist. Der Dichtring der Flanschverbindung nach der Erfindung wird demgemäß aus einem Material hergestellt, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Gehäuseteile aufweist. Dadurch spricht der Dichtring rasch auf eine Temperaturerhöhung an und kann sich schnell radial ausdehnen und bei dem erhöhten Innendruck die erhöhte Dichtkraft liefern. Der spitze Winkel in dem Bereich zwischen 20° und 40° ist wesentliche, um den Dichtring einerseits die erforderliche Flexibilität zu verleihen, damit er die axiale Verformung aushält, und andererseits die erwünschte Federsteife zu geben, um die Dichtkraft sowohl in der Stellung mit kleinem Durchmesser als auch in der Stellung mit großen Durchmesser zu gewährleisten. Durch die Verwendung aller dieser Merkmale ist eine Flanschverbindung geschaffen worden, die sich auch für die Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk od. dgl. eignet, wo zwei starr miteinander verbundene Gehäuseteile mit aneinander anstoßenden Flächen vorhanden sind und bei möglichst geringen Abmessungen der Flanschverbindung der Dichtring bei hohem Innendruck eine wesentlich höhere Dichtkraft als bei geringerem Innendruck bereitstellen soll. Bei Verwendung der Flanschverbindung nach der Erfindung in einem Gasturbinentriebwerk ergibt sich ein Gewinn an Triebwerkswirkungsgrad aufgrund des Blockierens der Leckage von Arbeitsgasen zwischen den benachbarten Gehäuseteilen. Schließlich ist ein noch weiterer Vorteil der Flanschverbindung nach der Erfindung das Vermeiden einer Leistungseinbuße, die bei C-förmigen Dichtringen auftritt, weil die Größe der Flansche der Gehäuseteile zum Aufnehmen eines im Querschnitt keilförmigen Dichtringes in der Nut nicht in dem Ausmaß vergrößert zu werden braucht, das erforderlich ist, um eine Nut für einen im Querschnitt C-förmigen Dichtring zu schaffen, der eine gleichwertige Dichtkraft entwickelt. Darüber hinaus wird bei der Flanschverbindung nach der Erfindung die Möglichkeit einer Fehlausrichtung des Dichtringes während des Zusammenbaus der Flanschverbindung durch die Abmessungsstabilität des Dichtringes in dem freien Zustand verringert, die sich aus dem Verhältnis der radial orientierten Länge zu der Basisabmessung des Querschnittes des Dichtringes ergibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks, von dessen Gehäuse ein Teil weggebrochen ist, um eine Flanschverbindung sichtbar zu machen,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der Flanschverbindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittansicht eines Dichtringes,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2 gezeigten Dichtringes im nichteingebauten Zustand, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der normierten Dichtkraft über der normierten Verringerung der Basisabmessung b des Dichtringes für einen nichteingebauten Dichtring, für einen eingebauten Dichtring und für einen Dichtring während des Betriebes.

In Fig. 1 ist ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk gezeigt, das eine Drehachse R hat. Die Hauptabschnitte des Triebwerks sind ein Verdichtungsabschnitt 10, ein Verbrennungsabschnitt 12 und ein Turbinenabschnitt 14. Ein im Querschnitt ringförmiger Strömungsweg 16 für heiße Arbeit erstreckt sich axial durch das Triebwerk. Ein Stator 18, der sich axial durch das Triebwerk erstreckt, begrenzt den Strömungsweg für die Arbeitsgase. Der Stator 18 hat eine Flanschverbindung 20 in dem Turbinenabschnitt 14.

Gemäß den Fig. 1 und 2 erstreckt sich die Flanschverbindung 20 in Umfangsrichtung um das Triebwerk und verbindet zwei zylindrische Gehäuseteile 24, 26 an einem stromaufwärtigen Gehäuse 22. Mehrere Löcher 28, die sich durch die Flanschverbindung 20 erstrecken, nehmen mit Muttern versehene Schrauben 30 auf, die den stromaufwärtigen Gehäuseteil 24 und den stromabwärtigen Gehäuseteil 26 in gegenseitiger Anlage halten. Jeder Gehäuseteil hat denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten α_c. Jeder Gehäuseteil kann einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

Gemäß Fig. 2 hat die Flanschverbindung 20 zwei nach außen konvergierende Seitenwände 32 und 34. Die Seitenwand 32 befindet sich an dem Ende des stromaufwärtigen Gehäuseteils 24. Die Seitenwand 34 befindet sich an dem stromabwärtigen Gehäuseteil 26. Ein Winkel R ist der spitze Winkel zwischen den konvergierenden Seitenwänden 32, 34. Die konvergierenden Seitenwände 32, 34 bilden zusammen eine Nut 36, die sich in Umfangsrichtung zwischen den Gehäuseteilen 24, 26 erstreckt. Die Nut 36 ist eine sich verengende Nut, weil die Seitenwände 32, 34 aufeinanderzu konvergieren.

Ein Dichtring 38 ist in der Nut 36 angeordnet und erstreckt sich in Umgangsrichtung. Der Dichtring 38 ist nicht in Segmente geteilt und ist freistehend. Der Dichtring 38 hat eine sich nach innen erstreckende Lippe 40. Ein Tragring 42 hat eine sich nach außen erstreckende Lippe 44. Die Seitenwand 32, die Seitenwand 34 und der Tragring 42 schließen gemeinsam den Dichtring 38 in der radialen und in der axialen Richtung ein. Der Dichtring 38 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α_s. Die gestrichelten Linien in der Nut 40 zeigen die bewegte Position des Dichtringes 38, die sich während des Betriebes ergibt. Die gestrichelten Linien außerhalb der Nut 36 zeigen den Dichtring 38 vor dem Zusammenbau der Flanschverbindung 20.

Gemäß den Fig. 2 und 3 hat der Dichtring 38 einen keilförmigen radialen Querschnitt 48. Der Querschnitt 48 hat einen Spitzenbereich 50. Eine erste Fläche 52 erstreckt sich von dem Spitzenbereich 50 einwärts. Eine zweite Fläche 54 erstreckt sich von dem Spitzenbereich 50 einwärts und divergiert von der ersten Fläche 52 aus einwärts. Ein Winkel R′ ist der spitze Winkel zwischen den beiden Flächen 52, 54. Die Flächen 52, 54 könnten mit einem Material mit niedriger Streckfestigkeit, wie beispielsweise Silber, überzogen werden, um das Dichtvermögen des Dichtringes 38 zu verbessern. Der Querschnitt des Dichtringes 38 könnte massiv oder hohl sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Querschnitt des Dichtringes 38 hohl und besteht aus einem Material mit einer Dicke t. Ein erster Arm 56 und ein zweiter Arm 58 erstrecken sich von dem Spitzenbereich 50 aus nach innen. Die Lippe 40 ist mit dem zweiten Arm 58 verbunden. Die erste Fläche 52 befindet sich an dem ersten Arm 56. Die zweite Fläche 54 befindet sich an dem zweiten Arm 58. Der Winkel zwischen diesen Armen 56, 58 ist ungefähr der Winkel R′ zwischen den Flächen 52, 54 an dem Dichtring 38.

Der keilförmige Querschnitt 48 hat eine Umfangssymmetriefläche C in gleichem Abstand von der ersten Fläche 52 und der zweiten Fläche 54. Der Querschnitt 48 hat eine radial orientierte Länge L gemessen längs der Fläche C. Der Querschnitt 48 hat eine Basis 60 mit einer Basisabmessung b. Die Basisabmessung b wird auf einer Linie gemessen, die zu der Fläche C in dem breitesten Teil des Querschnittes 48 des Dichtringes 38 in der Nut 36 rechtwinklig ist. Weil der erste Arm 56 einen gekrümmten Teil 62 und der zweite Arm 58 einen gekrümmten Teil 64 hat, wird die Basisabmessung zwischen diesen beiden gekrümmten Teilen 62, 64 an deren Berühungslinie mit den Seitenwänden 32, 34 und der Fläche C gemessen. Die Basisabmessung des Dichtringes 38 beträgt im nichteingebauten Zustand b_u und ist eine Nummer größer als die Basisabmessung b_i des Dichtringes im eingebauten Zustand. In anderen Ausführungsformen kann die Basisabmessung b_u selbstverständlich gleich der Basisabmessung b_i sein. Im Betrieb nimmt die Basisabmessung b auf b_o ab.

Fig. 4 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung des Dichtringes 38, von welchem ein Teil weggebrochen worden ist, um den Querschnitt 48 sichtbar zu machen. Der Dichtring 38 hat eine Symmetrieachse A. Eine Strecke R_o ist der Abstand zwischen der Symmetrieachse A und dem Arm 56 des Dichtringes 38. In der gezeigten Ausführungsform ist der Dichtring 38 kreisförmig und hat einen konstanten Radius R_o. Der Dichtring 38 könnte irgendeine gekrümmte Fläche sein, wie beispielsweise eine Ellipse, oder ein anderes umfangsmäßig ununterbrochenes Gebilde mit einem keilförmigen Querschnitt.

Die relative Wärmeausdehnung zwischen dem Dichtring 38 und den Gehäuseteilen 24, 26 vergrößert die Dichtkraft, die durch den Dichtring ausgeübt wird. Die Dichtkraft nimmt zu, wenn der Abstand R_o vergrößert wird, und nimmt ab, wenn die radial orientierte Länge L zunimmt. Ein empfohlener Bereich für das Verhältnis des Abstands R_o zu der Länge L ist ein Bereich von etwa 75 bis etwa 170

Wenn sich das Verhältnis dem unteren Ende des Bereiches nähert, sind das Ausmaß der Wärmeausdehnung des Dichtringes 38 und die Dichtkraft kleiner als an dem oberen Ende des Bereiches. An dem oberen Ende des Bereiches ist die Wärmeausdehnung größer, aber die Abmessungsstabilität des Dichtringes 38 in dem freien Zustand wird verringert, und der Dichtring 38 kann die Möglichkeit haben zu rollen. "Rollen" ist die Tendenz des Dichtringes 38, auf äußere Kräfte hin seine Innenseite nach außen zu drehen. Das Rollen ist in dem Buch "Formulas for Stress and Strain", Roark und Young, McGraw Hill Book Company (5. Auflage, 1975), S. 384, erläutert. Der Dichtring 38 muß eine ausreichende axiale Steifigkeit haben, damit dieses Rollen nicht während des Zusammenbaus auftritt. Der radiale Querschnitt des Dichtringes 38 muß jedoch ein schmales Profil haben, um den Einfluß der Basisabmessung b_i auf die Breite der Nut 36 und so auf die Größe der Flanschverbindung 20 zu minimieren. Das schmale Profil und Überlegungen hinsichtlich des Rollens führen zu einem Verhältnis der Länge L zur Basisabmessung b_u in einem Bereich von etwa 1,5 bis etwa 3,5

Darüber hinaus muß der Dichtring 38 eine Flexibilität aufweisen, damit er eine axiale Verformung aushält, wenn er sich aufgrund von Wärmeausdehnung nach außen ausdehnt und nach innen zusammenzieht, und trotzdem muß er eine ausreichend hohe Federsteife haben, um zu gewährleisten, daß die Dichtkraft aufgrund des thermischen Wachstums ausreichend ist. Der spitze Winkel R′ zwischen den Flächen 52, 54 des Dichtringes 38 sollte in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 40° liegen ((20°R′40°). Der spitze Winkel R zwischen den nach außen konvergierenden Seitenwänden 32, 34 sollte in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 40° liegen (20°R40°). Unter einem Winkel von 20° beginnt der Dichtring 38 als eine ebene Platte zu wirken, und die Dichtkraft fällt mit zunehmender Zusammendrückung schnell ab. Winkel oberhalb von 40° bewirken, daß der Dichtring 38 bei einem relativ kleinen radialen Wachstum an der Basis 60 stark zusammengedrückt wird. Außerdem ist die Basisabmessung für die entwickelte Dichtkraft groß, wodurch das Gewicht der Flanschverbindung 20 nachteilig beeinflußt wird. Es ist klar, daß sich trotz vorstehender Empfehlungen wirkungsvolle Kombinationen aus Gebilden ergeben können, die außerhalb dieser Bereiche liegen, wenn eine oder mehrere der obigen Überlegungen nicht von besonderer Bedeutung sind.

Ein zufriedenstellender Dichtring 38 besteht aus der Metallegierung AMS (Aerospace Materials Specification) 5596, der in einer Nut 36 angeordnet ist, die durch zwei zylindrische Gehäuseteile 24, 26 aus der Metallegierung AMS 5707 begrenzt wird. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung AMS 5596 α_s=14,76×10^-6 cm/cm°C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung AMS 5707 ist α_c=13,86×10^-6 cm/cm°C. Dieser besondere Dichtring hat eine Dicke t von 0,1524 mm, eine Basisabmessung b von 2,54 mm und eine radial orientierte Länge L von 4,064 mm. Das Verhältnis des Abstands R_o zu der radial orientierten Länge L beträgt ungefähr 130

Diese Näherung wird durch Toleranzen des Abstands R_o, die ungefähr 51,61 cm beträgt, verursacht. Das Verhältnis der radial orientierte Länge L zu der Basisabmessung b beträgt 1,6

Ein solcher Dichtring wird ungefähr 20% der Basisabmessung b_u beim Zusammenbau zusammengedrückt.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks strömen Arbeitsgase auf dem ringförmigen Strömungsweg 16 einwärts von den zylindrischen Gehäuseteilen 24 und 26. Ein Teil der Arbeitsgase findet seinen Weg in die Nut 36 zwischen dem stromaufwärtigen Gehäuseteil 24 und dem stromabwärtigen Gehäuseteil 26 und um den Dichtring 38. Diese Leckage verringert den Triebwerkswirkungsgrad. Wenn die Leckage in die Nut 36 strömen, hetzen sie das stromaufwärtige Gehäuse 22, den stromaufwärtigen Gehäuseteil 24 und den stromabwärtigen Gehäuseteil 26 auf. Die durch diese Teile gebildete Flanschverbindung 20 wird durch Strahlung und Konvektion nach außerhalb in die umgebende Atmosphäre gekühlt. Ein Temperaturgradient wird in der Flanschverbindung 20 gebildet. Die Temperatur an der Innenseite der Flanschverbindung 20 ist größer als die Temperatur an der Außenseite der Flanschverbindung. Als Ergebnis des Temperaturanstieges dehnen sich die Gehäuseteile 24, 26 und die Flanschverbindung 20 von der Drehachse R weg nach außen aus. Der Dichtring 38 ist in Berührung mit dem inneren Teil des stromaufwärtigen Gehäuseteils 24 und des stromabwärtigen Gehäuseteils 26. Der Dichtring 38, der sonst Abstand von diesen Teilen aufweist, wird ansonsten an einer Bewegung nach außen in der Nut 36 nicht behindert. Der Dichtring 38, der mit den heißen Arbeitsgasen in innigem Kontakt ist, empfängt Wärme aus den Arbeitsgasen. Der Dichtring 38 verliert eine geringe Wärmemenge durch Leitung zu dem stromaufwärtigem Gehäuseteil 24 und dem stromabwärtigen Gehäuseteil 26 über den beinahe Linie-Linie- Kontakt mit den gekrümmten Teilen 62, 64 der Arme 56, 58. Der Wärmegewinn bewirkt, daß der Dichtring 38 eine Betriebstemperatur erreicht, die ungefähr 55,6°C größer ist als die mittlere Temperatur der Gehäuseteile 24, 26 während des Starts in Meereshöhe. Die Temperaturdifferenzen und die Wärmeausdehnungsdifferenzen zwischen dem Dichtring 38 und den Gehäuseteilen 24, 26 bewirken, daß sich der Dichtring in bezug auf die Gehäuseteile nach außen bewegt und die Basis 60 auf b_o zusammendrückt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Als Ergebnis dieser Zusammendrückung nimmt die Dichtkraft zu. Es ist wichtig, den Berührungsbereich zwischen dem Dichtring 38 und den Gehäuseteilen 24, 26 in Fällen zu minimieren, in denen die Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht sehr verschieden sind. Wenn nicht, wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Dichtring 38 und den Gehäuseteilen 24, 26 verringert, was eine kleinere Ausdehnung des Dichtringes und einen kleineren Anstieg der Dichtkraft verursacht.

Die Änderung in der Dichtkraft an den zusammenpassenden Flächen zwischen dem Dichtring 38 und den Gehäuseteilen 24, 26 ist unter der Annahme eines im wesentlichen Linie-Linie- Kontakts in Fig. 5 graphisch dargestellt. In Fig. 5 ist auf der vertikalen Achse die normierte Dichtkraft aufgetragen, die als das Verhältnis der Dichtkraft F_O während des Betriebes dividiert durch die Dichtkraft F_I beim Einbau definiert ist. Die normierte Abnahme der Basisabmessung b ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die Abnahme der Basisabmessung b ist für den nichteingebauten Zustand, in welchem die Basisabmessung gleich b_u ist, null. Beim Einbau, bei dem die Basisabmessung b_i ist, ist die prozentuale Verringerung der Basisabmessung b_u minus b_i dividiert durch b_u mal 100%

Beim Start in Meereshöhe hat die Basisabmessung weiter von b_u auf b_o abgenommen.

Gemäß Fig. 5 ergibt sich ein Ansteig der Dichtkraft von 45% aus der relativen Wärmeausdehnung zwischen dem Dichtring 38 und den zylindrischen Gehäuseteilen 24, 26. In der bewegten Position hat sich die Dichtung 38 um eine Strecke nach außen in bezug auf die Gehäuseteile 24, 26 ausgedehnt, die etwas größer als 10% der radial orientierte Länge L des Querschnittes 48 bei einer Temperaturdifferenz von 100°C ist. Die Differenz im thermischen Wachstum ergibt sich, weil die zylindrischen Gehäuseteile 24, 26 durch Konvektion und Strahlung Wärme an die Umgebung verlieren und weil der Wärmeausdehnungskoeffizient α_s des Materials des Dichtringes 38 größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient α_c der Gehäuseteile 24, 26. Dieser Dichtring 38 ist in jeder Konstruktion verwendbar, wo es erwünscht ist, die Leckage zwischen zwei Flanschen zu blockieren, und wo der Aufbau so angepaßt werden kann, daß eine relative Wärmedehnung zwischen dem Dichtring und den Flanschen auftritt. Der Dichtring 38 ist besonders bei Flugzeuggasturbinentriebwerken verwendbar, und zwar wegen der schmalen Basisabmessung im Vergleich zu im Querschnitt C-förmigen Dichtringen, die dieselbe Dichtkraft liefern. Ein Dichtring, der eine große Basisabmessung b hat, würde breitere Flansche erfordern, was mit einer Gewichtszunahme und mit einer zunehmenden Leistungseinbuße des Gasturbinentriebwerks verbunden wäre. Darüber hinaus verändern sich der Druck und die Temperatur der Arbeitsgase in Gasturbinentriebwerken gemeinsam in derselben Richtung, d. h., wenn der Druck der Arbeitsgase zunimmt, nimmt auch die Temperatur zu. Wenn die Druckdifferenz zwischen den Arbeitsgasen und der umgebenden Atmosphäre zunimmt, nimmt die Leckströmung bei einem bestimmten Leckweg zu. Wenn die Temperatur ansteigt, dehnt sich der Dichtring 38 in bezug auf die benachbarten Gehäuseteile 24, 26 aus, und der Dichtring übt eine größere Dichtkraft auf diese Gehäuseteile aus. Wenn sich die Notwendigkeit einer größeren Dichtkraft ergibt, sorgt demgemäß der Dichtring 38 für eine stärkere Abdichtung.

Claims

1. Flanschverbindung zum Verbinden von zwei zylindrischen Gehäuseteilen (24, 26), insbesondere der aneinanderstoßenden Enden von zwei zylindrischen Gehäuseteilen (24, 26) einer Axialströmungsmaschine,
mit zwei unter einem spitzen Winkel (R) nach außen konvergierenden Seitenwänden (32, 34), eine an jedem der aneinanderstoßenden Enden der zylindrischen Gehäuseteile (24, 26), die eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (36) zwischen den Gehäuseteilen (24, 26) bilden, und
mit einem Dichtring (38), der einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt (48) hat und in der Nut (36) in Richtung nach außen verschiebbar angeordnet ist, wobei der Dichtring (38) eine Symmetrieachse (A) hat, der innere Teil des Dichtringes (38) einen gewissen Abstand (R_o) von der Symmetrieachse (A) hat und der Querschnitt (48) des Dichtringes (38) eine bestimmte radial orientierte Länge (L) und eine bestimmte Basisabmessung (b) hat und aus zwei Armen (56, 58) gebildet ist, die sich von einem Spitzenbereich (50) des Querschnittes (48) des Dichtringes (38) nach innen erstrecken und nach innen divergieren und eine erste bzw. zweite Fläche (52, 54) aufweisen, welche einen weiteren spitzen Winkel (R′) miteinander bilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des Abstands (R_o) zu der Länge (L) in einem Bereich von 75 bis 170 liegt, daß das Verhältnis der Länge (L) zu der Basisabmessung (b) in einem Bereich von 1,5 bis 3,5 liegt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dichtringes (38) größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gehäuseteile (24, 26) ist und daß die spitzen Winkel (R, R′) jeweils in einem Bereich zwischen 20° und 40° liegen.

2. Flanschverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Dichtring (38) relativ zu den Gehäuseteilen (24, 26) um eine Strecke, die größer als 0,1 L ist, bei einer Temperaturdifferenz von 55,6°C zwischen dem Dichtring (38) und der mittleren Temperatur der Gehäuseteile (24, 26) nach außen bewegt.

3. Flanschverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (56, 58) des im Querschnitt keilförmigen Dichtringes (38) gekrümmte Teile (62, 64) haben, über die der Dichtring (38) mit den Gehäuseteilen (24, 26) in Linienberührung ist.