DE3201862A1

DE3201862A1 - "beruehrungsfreie dichtung"

Info

Publication number: DE3201862A1
Application number: DE19823201862
Authority: DE
Inventors: Paul Park Row Bristol Newman; Raymond Frederick Thornbury Bristol Sargent
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-01-31
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1982-08-12
Also published as: JPS57149670A; GB2092242B; US4405134A; GB2092242A; FR2499198B1; DE3201862C2; FR2499198A1; JPS6261827B2

Description

FAiaSTANWALT

DIPL. IWG. K. HOMER

PHI¹LIPPIIfE -WBIiSBB - STBASSB U SOOO AUGSBOBQ

Β1β470 TELEX 633 80SFOtOl d

Augsburg, den 20. Januar 1982 Anw.Aktenz.: R.1085

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Berührungsfreie Dichtung

Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Dichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf berührungsfreie Gasdichtungen zwischen feststehenden und umlaufenden Maschinenteilen, beispielsweise von Turbomaschinen. Unter berührungsfreien Dichtungen sind Dichtungen zu verstehen, bei denen miteinander zusammenwirkende Dichtungselemente an den feststehenden und umlaufenden Maschinenteilen in geringem Abstand voneinander relativ zueinander umlaufen, so daß zwischen ihnen ein Spalt gebildet ist, der zwar einen Strömungswiderstand, jedoch keine vollständige Strömungssperre für einen strömungsmitteldurchtritt zwischen den beiden Maschinenteilen darstellt.

In der GB-PS 1 540 8^3 ist eine Gleitdichtung zur Abdichtung zwischen einem umlaufenden Bauteil und einem ein Strömungsmittel enthaltenden Gehäuse beschrieben. Diese Druckschrift bezieht sich jedoch auf

GIeitdichtungen einer segraentierten Bauart, wobei die im Gehäuse angeordneten Dichtungsringsegmente mit ihren Dichtflächen einer Dichtfläche des umlaufenden Maschinenteils zugewandt sind und wobei die Dichtungsringsegmente auf dem Strömungsmittel aufgleiten, so daß sie von dem umlaufenden Maschinenteil abgehoben werden. Außerdem bezieht sich diese Druckschrift allgemein auf eine Gasdichtung, bei welcher die Dichtung so ausgebildet ist, daß eine in Drehrichtung des umlaufenden Maschinenteils abnehmende Strömungsmittelfilmdicke erreicht wird, so daß wiederum Auftriebskräfte erzeugt werden, welche die Dichtung vom umlaufenden Maschinenteil abheben.

Eine derartige Dichtung würde dann im Betrieb praktisch berührungsfrei arbeiten. Ein Durchlecken von Gas hinter den Dichtungsringsegmenten wird mittels einer sekundären Dichtung unterbunden, die zwischen einander berührenden Seitenflächen des Gehäuses und der Dichtungsringsegmente gebildet ist.

Um sicherzustellen, daß im Betrieb unter keinen Umständen schleifende Berührung zwischen den Dichtflächen des Dichtungsringes und des relativ dazu umlaufenden Maschinenteils auftreten kann, muß als kritische Bedingung gefordert werden, daß die miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen der Dichtungsringsegmente und des relativ dazu umlaufenden Maschinenteils, zwischen denen durch das Strömungsmittel Auftriebskräfte erzeugt werden, ihre Parallelität quer zur Drehrichtung beibehalten. Die miteinander zusammenwirkenden auftriebserzeugenden Dichtflächen und die zwischen sich eine sekundäre Dichtung bildenden Seitenflächen des Dichtungsgehäuses und der Dichtungsringsegmente stehen rechtwinklig zueinander, und da die miteinander die Sekundärdichtung bildenden Seitenflächen durch den auf der Hochdruckseite der Dichtung wirkenden Strömungs-

mitteldruck in gegenseitige Anlage gedrängt werden, haben Fehler der exakten Rechtwinkligkeit zwischen den Seitenflächen und den Dichtflächen aufgrund von Bearbeitungstoleranzen oder anderer Einflüsse zwangsläufig einen Fehler der Parallelität der miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen und folglich eine Beeinträchtigung der Auftrieb ser ze ugung und der sicheren Berührungsfreiheit zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungsfreie Dichtung ·λ\χ schaffen, die insbesondere in Gasturbinentriebwerken zur Abdichtung verhältnismäßig hoher Druckdifferenzen einsetzbar ist und bei der das eben erläuterte Problem weitgehend behoben ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des-Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Damit wird erreicht, daß weder die einander zugewandten Seitenflächen des Dichtungsgehäuses und der Dichtungsringsegmente, zwischen denen die Sekundärdichtung gebildet ist, noch die Überlappungsbereiche zwischen den umfangsmäßig aufeinanderfolgenden Dichtungsringsegmenten eine Beeinträchtigung der Parallelität der miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen induzieren können, selbst wenn im Betrieb eine hohe Druckdifferenz über dem Dichtungsring steht.

Im Falle einer Radialdichtung, bei welcher die auftriebserzeugenden Dichtflächen in Axial- und Umfangsrichtung verlaufen und die genannten Seitenflächen radial verlaufende Stirnflächen sind, verläuft der schmale Steg jeweils sehnenartig über die Länge des betreffenden Dichtungsringsegments. Handelt es sich bei der Dichtung jedoch um eine Axialdichtung, bei welcher die miteinander zusammenwirkenden auftrieb ser zeugenden Flächen radial verlaufende Stirnflächen

sind, so verläuft der schmale Steg in ümfangsrichtung entlang der betreffenden Umfangsfläche jedes Dichtungsringsegments.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 im Axialhalbschnitt eine Turbinen-

stufe eines Gasturbinentriebwerks

mit einer berührungsfreien Dichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II

in Fig. 1 (nicht maßstäblich),

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt längs

der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt längs

der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Dichtungsfläche eines Dichtungsringsegments, und

Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Axialdichtung nach der Erfindung. 30

Fig. 1 zeigt eine Turbinenstufe eines Gasturbinentriebwerks mit einem Turbinenrotor, dessen Rotorscheibe an ihrem Umfang einen Turbinenschaufelkranz 4 trägt. Der Rotor läuft relativ zu dem feststehenden Gehäuse 6 um und weist einen zylindrischen Wellenansatz 8 auf, der gleichzeitig die umlaufende Komponente einer berührungs-

freien Gasdichtung bildet, die zur Kleinhaltung des Ausleckens des unter hohem Druck stehenden Turbinenarbeitsmittels an der Statorkonstruktion 9 dient. Die radial äußere Mantefläche des Wellenansatzes 8 ist durch genaue Bearbeitung als Dichtfläche ausgebildet und vorzugsweise mit einem überzug mit niedrigem Reibungskoeffizienten überzogen.

In einem ringförmigen Dichtungsgehäuse 14, das an die benachbarte Statorkonstruktion 9 angeschraubt ist, ist ein Dichtungsring 12 angeordnet, der den Zwischenraum zwischen der Statorkonstruktion 9 und dem Wellenansatz 8 zwecks Bildung einer Dichtung im wesentlichen ausfüllt.

Nunmehr wird auf die Figuren 2 bis 5 Bezug genommen, aus welchen ersichtlich ist, daß der Dichtungsring in mehrere Segmente unterteilt ist, die gemeinsam eine radial einwärts weisende Dichtfläche 15 bilden. Das in Drehrichtung vordere Ende 20 jedes Dxchtungsringsegments überlappt sich mit dem hinteren Ende des jeweils vorhergehenden Segments und die radiale Abstufungshöhe der einander überlappenden Segmentenden ist so gewählt, daß das in Drehrichtung vordere Ende jedes Segments in geringem Abstand (beispielsweise etwa 0,1 mm) von der Dichtfläche 10 des Wellenansatzes 8 gehalten wird, so daß ein sich verjüngender Spalt 19 zwischen der Dichtfläche 15 jedes Dxchtungsringsegments und der Dichtfläche 10 des Wellenansatzes 8 gebildet ist. Die Dicke dieses sich verjüngenden Spalts nimmt in Drehrichtung der Rotorseheibe 2 ab.

Die eine Seitenfläche 21 jedes Dxchtungsringsegments kann plan bearbeitet sein, so daß sie an einer entsprechenden Gegenfläche des Dichtungsgehäuses anliegt, um eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 14 und dem Dichtungs-

ring 12 zu bilden. Die gegenseitige Anlage von Dichtungsringsegmenten und Gehäuse wird dabei durch den auf die andere Seitenfläche der Dichtungsringsegmente wirkenden Strömungsmitteldruck erreicht.

In der Praxis machen es jedoch Bearbeitungsungenauigkeiten schwierig, genau rechte Winkel zwischen der Dichtfläche 15 und der Seitenfläche 21 jedes Dichtungssegments herzustellen und auch zwischen der Dicht- fläche 10 und der, der Seitenfläche 21 der Segmente zugewandten Gegenfläche 22 des Gehäuses. Infolgedessen können Fluchtungsfehler zwischen diesen zueinander rechtwinkligen Flächen auftreten, und da die Segmente durch den hohen' Gasdruck mit ihrer Seitenfläche 21 in Anlage an die Gegenfläche 22 des Gehäuses gedrückt werden, neigen diese beiden Flächen dazu, sich unter Aufhebung etwaiger Fluchtungsfehler aneinander anzulegen, was eine entsprechende relative Kippbewegung zwischen den Dichtflächen 10 und 15 zur Folge hat.

Da die Größe des durch das Gas in dem sich in Drehrichtung verjüngenden Spalt zwischen den Dichtflächen erzeugten Auftriebs in kritischem Maße von der Parallelität dieser Flächen in Querrichtung bzw. Axialrichtung abhängt, kann der Eintritt von Querparallelitätsfehlern zwischen diesen Flächen das Auftreten schleifender Berührung zwischen ihnen verursachen. Infolgedessen ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2, 3 und 4 ein sehnenartig verlaufender Steg 23 an der Seitenfläche 21 jedes Dichtungsringsegments gebildet, der um eine kleine Distanz von beispielsweise 0,25 mm bis 0,5 nun über die Seitenfläche übersteht. Dieser Steg 23 wirkt als Gelenk, um welches jedes Segment kippen kann um die Parallelität zwischen den beiden auftriebserzeugenden Dichtungsflächen selbst

dann aufrechtzuerhalten, wenn die Winkel zwischen den Flächen 15 und 21 oder zwischen den Flächen 10 und 22 nicht genau rechtwinklig sind.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die jeweils radial innere der beiden einander überlappenden Flächen schwach dachartig abgeschrägt, um ein weiteres Gelenk herzustellen, das eine schwache relative Kippbewegung zwischen den Segmenten zuläßt.

Die Dichtungsringsegmente 16 werden außerdem durch unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel, das auf die radial äußeren Umfangsflächen der Segmente wirkt, radial gegen die Dichtfläche 10 des Wellenansatzes 8 gedrängt. Wenn, wie dies bei einem Gasturbinentriebwerk der Fall ist, dieses Strömungsmittel aus dem Triebwerksverdichter abgezweigte Hochdruckluft ist, hängt deren Druck von der jeweiligen Triebwerksdrenzahl ab. Wenn das Triebwerk mit niedriger Drehzahl läuft und der erzeugte Luftfilmdruck unter den Dichtungsringsegmenten niedrig ist, ist also auch der radial außen auf die Segmente wirkende Luftdruck niedrig, so daß die Dichtung insofern selbstausgleichend ist. Dies ist insbesondere beim Triebwerksanlauf vorteilhaft, wenn die Segmente zunächst noch am Wellenansatz anliegen, da dann praktisch noch kein Luftdruck radial außen auf die Segmente wirkt.

Da der radial außen auf die Segmente wirkende Druck der Auftriebskraft auf die Segmente entgegenwirkt, ist es notwendig, daß die im Betrieb erzeugte Auftriebskraft den die Segmente radial einwärts drängenden Gasdruck stets geringfügig übersteigt. Zu diosem Zweck ist die Dichtfläche 15 jedes Segments durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 25 in einen Dichtbereich

und einen Auftriebsbereich 26 unterteilt. Eine Quernut 28 läßt das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel von der liochdruckseite der Dichtung her in die Umfangsnut 25 gelangen, um den Druck auf beiden Seiten des Auftriebsbereiches 26 auszugleichen und dadurch die auf die Dichtungsringsegmente wirkende Auftriebskraft zu steigern. Die Auftriebskraft wird durch das im Spalt befindliche, während der Drehung der Dichtfläche 10 in den sich verengenden Endbereich des Spalts zwischen jedem Dichtungsringsegment und der Dichtfläche 10 gezogene Strömungsmittel erzeugt. Zweckmäßigkeitshalber sind der Dichtbereich und der Auftriebsbereich der Dichtfläche der Segmente gleichzeitig miteinander hergestellt, so daß beide die gleiche Krümmung haben und gleiche, sich verjüngende Spaltbereiche mit der Dichtfläche 10 des Wellenansatzes bilden. Es kann jedoch auch wünschenswert sein, den Dichtbereich anders als den Auftriebsbereich zu gestalten, und zwar derart, daß der Dichtbereich gegenüber dem Auftriebsbereich etwas vorspringt, um die Leckströmung durch den Dicht spalt weiter zu verringern.

In eine in die Dichtungsringsegmente 16 eingeschnittene Aussparung 32 sind Federringe 30 eingesetzt.

Diese können so ausgebildet sein, daß sie eine radial einwärts oder radial auswärts gerichtete oder auch keine Federkraft auf die Segmente ausüben, je nach dem Gleichgewicht oder Ungleichgewicht zwischen der radial einwärts gerichteten Kraft des Hochdruckgases auf die Segmente und der radial auswärts gerichteten Auftriebskraft auf die Segmente in dem sich verjüngenden Spalt. Außerdem dienen diese Ringe 30 zur radialen Halterung der Segmente i6, wenn die Dichtung vom Wellenansatz 8 abgenommen wird. Ein Federring 33 dient zur axialen Lagesicherung des Dichtungsringes.

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-Vi-

Zur Optimierung der Gestaltung der Dichtungsringsegmente im Hinblick auf einen maximalen Auftrieb sollte das Verhältnis von Länge zu Breite der Segmente zwischen etwa 3 : 1 und 2 : 1 liegen.

Um zu vermeiden, daß die Segmente sich in zu starkem Maße frei in Umfangsrichtung bewegen können, ist ein mit Nasen versehener Ring 34 vorgesehen, der mit je Segment einer Nase 36 versehen ist, die in einen entsprechenden Ausschnitt 37 des betreffenden Segments eingreift. Im Falle irgendwelcher Vibrationen der Rotorscheibe 2 oder anderer Umstände, die eine exzentrische Bewegung des Wellenansatzes 8 relativ zum Dichtungsgehäuse 14 hervorrufen, hat eine dadurch verursachte, radial auswärts gerichtete Bewegung irgendeines der Dichtungsringsegmente aufgrund des Anstiegs des Strömungsmitteldruckes in dem darunterliegenden Strömungsmittelfilm eine entsprechende Aufwärtsbewegung des Ringes 34 zur Folge. Dadurch werden sämtliche Segmente des Dichtungsringes in der gleichen Richtung mitbewegt und folgen daher der Bewegung des Wellenansatzes 8, so daß das Spaltprofil zwischen jedem Segment und dem Wellenansatz aufrechterhalten bleibt. Der Ring 34 ist mittels einer Sperrnase 38 bezüglich des Dichtungsgehäuses drehfest arretiert, was wiederum eine Relativdrehung zwischen dem Dichtungsring und dem Dichtungsgehäuse verhindert. Die Sperrnase 38 ist in dem mit einer strichpunktierten Linie umschriebenen Bereicn in Fig. im Querschnitt sichtbar.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Radialdichtung zur Abdichtung eines Radialspalts zwischen Zylinderflächen. Jedoch läßt sich die erfindungsgemäße Dichtungskonstruktion leicht derart abwandeln, daß sie als Axialdichtung einsetzbar ist. Ein derart abgewandeltes Ausführungsbeispiel ist in Fig.

-angezeigt, in welcher entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern wie im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel bezeichnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Segmente 16 des Dichtungsrings 12 beispielsweise in eirifem^ ringförmigen Gehäuse an einer angrenzenden feststehenden Konstruktion 9 untergebracht, wobei das Gehäuse eine stirnseitige öffnung aufweist, um axiale Bewegungen des Dichtungsringes zuzulassen, die durch relative Axialbewegungen zwischen der Turbinenlaufradscheibe 12 und der angrenzenden feststehenden Konstruktion entstehen.

Die Gestaltung der Dichtungsringsegmente ist bei diesem Ausführungsbeispiel nahezu die gleiche wie bei dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß der die Sekundärdichtung bildende Steg der Segmente nunmehr an deren Umfangsfläche angeordnet ist.

Zur Lagesicherung dient ein Federring 44 mit aus diesem ausgestanzten schwachen Federelementen 42, welche die Segmente 16 leicht gegen die Rotorscheibe 2 drängen und Nasen 46 aufweisen, die der umfangsmäßigen Lagesicherung der Dichtungsringsegmente dienen.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen einer Dichtung zwiscaen feststehenden und umlaufenden Maschinenteilen erläutert worden ist, kann selbstverständlich eine derartige Dichtung auch zwischen Maschinenteilen Anwendung finden, die beide umlaufen, sofern eine Relativdrehung zwischen diesen beiden Maschinenteilen stattfindet. Eine Dichtung nach der Erfindung kann demgemäß auch als Dichtung zwischen gegen-

läufigen oder mit unterschiedlichen Drehzahlen gleichsinnig umlaufenden Wellen Anwendung finden. In diesem Fall muß aber auch die au? die Dichtungsringsegmente einwirkende Fliehkraft Berücksichtigung finden.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

. fly Berührungsfreie Dichtung zwischen relativ zueinander umlaufenden Maschinenteilen, mit einem segmentierten Dichtungsring, de.r in einem am einen Maschinenteil angeordneten Dientungsgehäuse untergebracht ist und eine Dichtfläche aufv;eist, die mit einer am anderen Maschinenteil gebildeten Dichtfläche zusammenwirkt, wobei die Dichtungsringsegmente jeweils in zu ihrer Dichtfläche senkrechter Richtung beweglich im Dichtungsgehäuse angeordnet sind und wobei eine Sekundärdichtung zwischen dem Dichtungsring und dem Dichtungsgehäuse gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärdichtung einen auf der niederdruckseitigen, einer Gegenfläche (22) des Dichtungsgehäuses (14) zugewandten Seitenfläche (21) jedes Dichtungsringsegments (16) gebildeten schmalen Steg (23) aufweist, der an der Gegenfläche (22) des Dichtungsgehäuses (14) anliegt und mit dieser zusammen ein Gelenk bildet, das eine gewisse relative Kippbewegung jedes Dichtungsringsegments (16) mit Bezug auf die Gegenfläche des Dichtungsgehäuses zuläßt, und daß die sich in Umfangsrichtung gegenseitig überlappenden Dichtungsringsegmente jeweils an mindestens einer der überlappungsflächen (13) derart konturiert sind, daß zwischen den jeweils miteinander zusammenwirkenden Überlappungsflächen (13) der benachbarten Dichtungsringsegmente ein weiteres Gelenk gebildet ist, das die genannte Kippbewegung aufeinanderfolgender Segmente relativ zueinander gestattet.
2. Berührungsfreie Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe als Radialdichtung ausgebildet ist und der schmale Steg (2 3) sehnenartig entlang jedes Dichtungsringsegments (16) verläuft.
3. Berührungsfreie Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Axialdichtung ausgebildet ist und der schmale Steg (40) in umfangsrichtung entlang der betreffenden ümfangsfläche jedes Segments verläuft.