DE3201862C2

DE3201862C2 - Berührungsfreie Dichtung

Info

Publication number: DE3201862C2
Application number: DE3201862A
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: 1983-02-24
Also published as: FR2499198B1; DE3201862A1; GB2092242B; JPS57149670A; US4405134A; FR2499198A1; GB2092242A; JPS6261827B2

Description

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

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf beruhrungsfreic 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 zwi- μ sehen den beiden Maschinenteilen darstellt.

In der GB-PS 15 40 843 ist eine Gleitdichtung zur Abdichtung zwischen einem umlaufenden Bauteil und einem ein Strömungsmittel enthaltenden Gehäuse beschrieben. Diese Druckschrift bezieht sich jedoch auf Glcitdichtungen einer segmentierten Bauart, wobei die im Gehäuse angeordneten Dichtungsringsegmente mit ihren Dichtflächen einer Dichtfläche des umlaufenden Maschinenteils zugewandt sind und wobei die Dichtungsringsegmenie 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 geforderi 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 Strömungsmitteldruck in gegenseitge Anlage gedrängt werden, haben Fehler der exakten Rechtwinkligkeil zwischen den Seitenflächen und den Dichtflächen aufgrund von Bearbeitungstoleranzen oder anderer Einflüsse zwangsläufig einen Fehler der Parallelität der miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen und folglich ei.ic Beeinträchtigung der Auftriebserzeugung und der sicheren Berührungsfreiheit zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungsfreie Dichtung zu 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 Sekundärrichtung 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 auftriebser/eugenden Dichtflächen in Axial- und Umfangsrichtung verlaufen und die genannten Seitenflächen radial verlaufende Stirnflächen sind, verläuft der schmale Steg jeweils sehnenartig über die l-änge des betreffenden Dichtungsringsegments. Handelt es sich bei der Dichtung jedoch um eine Axialdichtung, bei welcher die miteinander zusammenwirkenden auftritbserzeugenden Flächen radial verlaufende Stirnflächen

sind, so verläuft der schmale Steg in Umfangsrichtung 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 Turbinenstufe eines Gasturbinentriebwerks mit einer berührungsfreien Dichtung nach der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt in der Ebene H-II in Fig. 1 (nicht maßstäblich),

Fig.3 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie III-IIIinFig.2,

Fig.4 einen vergrößerton Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 2,

F i g. 5 eine Draufsicht auf die Dichtungsfläche eines Dichtungsringsegments, und

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

F i g. 1 zeigt eine Turbinenstufe eines Gasturbinen-•PJgjj.^grUc mit einem Turbinenrotor. dessen Rotorscheibe 2 an ihrem Umfang einen Turbinens' haufelkranz 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 berührungsfreien Gasdichtung bildet, die zur Kleinhaltung des Ausleckens des unter hohem Druck stehenden Turbinenarbeitsmittels an der Statorkonstruktion 9 dient. Die radial äußere Mantelfläche 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 w^: "d auf die F i g. 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 Dichtungsringsegments überlappt sich mit dem hinteren Ende des jeweils vorhergehenden Seg-.r.ents und die rauale 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 de.· Dichtfläche 15 jedes Dichtungsringsegments und der Dichtfläche 10 des Wellenansatzes 8 gebildet ist. Die Dicke dieses sich verjüngenden Spalts nimmt in Drehrichtung der Rotorscheibe 2 ab.

Die eine Seitenfläche 21 jedes Dichtungsringsegments kann plan bearbeitet sein, so daß sie an einer entsprechenden Gegenfläche des Dichtungsgehäuses anliegt, um eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 14 und dem Dichtungsring 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 Bearbeitungsunge- b; nauigkeiten schwierig, genau rechte Winkel /wischen der Dichtfläche 15 ur,d der Seitenfläche 21 icdcs Dichtungssegments herzustellen und auch zwischen der Dichtfläche 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 gedruckt 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 F i g. 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 mm über die Seitenfläche übersteht. Dieser Steg 23 wirkt als Ge!?nk, 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 F i g. 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 Dichtfläcne 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 Triebwerksdrehzahl ab. Wenn das Triebwerk mit niedriger Drehzahl läuft und der erzeugte I .uftfilmrlruck 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 uer 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 diesem Zweck ist die Dichtfläche 15 jedes Segments durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 25 in einen Dichtbereieh 24 und einen Auftriebsbereich 26 unterteilt. Eine Quernut 28 läßt das unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel von der Hochdruckseitc der Dichtung her in die Umfangsnut 25 gelangen, um den Druck auf Heiden S"iten des AuftriebsbereichcE 2% auszugleichen und dadurch die auf die Dichtungsringsegmente wirkende Auftriebskraft zu steigern. Die Auftriebskraft wird durch das im Spalt 19 befindliche.

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wahrend der Drehung der Dichtfläche IO in den sich verengenden Feldbereich de- Spalts zwischen jedem Dichtungsringsegment und der Dichtfläche 10 gezogene Strömungsmittel erzeugt. Zweckmäßigkeilshalber sind der Dichtbereich und der Auftricbsbereich der Dichtfläche der Segmente gleichzeitig miteinander hergestellt, so daß beide die gleiche Krümmung haben und gleiche, sich vcrjürgeride Spaltbcreiche mit der [Dichtfläche 10 des Wcllcnansatz.es bilden. Fvs kann jedoch auch wünschenswert sein, den Dichtbereich anders als den Auftricbsbereich zu gestalten, und zwar derart, daß der Dichtbercich gegenüber dem Aufiriebsbcreich etwas vorspringt, um die l.eekstnmiung durch den Dichtspalt weiter zu verringern.

In eine in die Dichtungsringsegmente 16 eingeschnittene Aussparung 32 sind F'ederringc 30 eingesetzt. Diese können so ausgebildet sein, daß sie eine radial einwärts oder radial luswärts gerichtete oder auch keine Federkraft auf die Segmente ausüben, je nach dem Gleichgewicht oder Ungleichgewicht zwischen der r.idial einwärts gerichteten Kraft des llochdruckgases 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 16, wenn die Dichtung vom Welienansatz 8 abgenommen wird. Ein Federring i3 dient zur axialen Lagesicherung des Dichtungsringes.

Zur Optimierung der Gestaltung der Dichtungsring Segmente im Hinblick auf einen maximalen Auftrieb sollte das Verhältnis von Länge zu Breite der Segmente zwischen etwa 3 : 1 und 2 : I 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 Dichtungsgchäuse 14 hervorrufen, hat eine dadurch verursachte, radial auswärts gerichtete Bewegung irgendeines der Dichtungsringsegmente aufgrund des Anstiegs des Strömungsmitteldruckes in dem darunterliegenden Strömjngsmittclfilm eine entsprechende Aufwärtsbewe- ^J gung 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 18 bezüglich des Dichtlingsgehäuses drehfesi arretiert, «λ as wiederum eine Reiativdrchung zwischen dem Dich-. tungsring und dem Dichtungsgchäuse verhindert. Die Sperrnase 38 ist in dem nut einer strichpunktierten Linie umschriebenen Bereich in I" i g. 4 im Querschnitt sichtbar.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt ι es sich um eine Radialdichtung zur Abdichtung eines Radialspalts /wischen /.ylinderflachen. )edcch laßt sich die erfindungsgc äße Dichtungskonstruktion leicht derart abwandeln, daß sie als Axialdichtung ansetzbar ist. Ein derart abgewandeltes Ausfuhrungsbeispiel isi in ι Fig. 6 gezeigt, in welcher entsprechende Feile mit gleichen Bezugsziffern wie im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel bezeichnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Segmente 16 des Dichtungsrings 12 beispielsweise in einem 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 ι angrenzenden feststehenden Konstruktion entstehen.

Die Gestaltung der Diehtungsringsegmente ist bei diesem Ausführungsbeispiel nahe/u die gleiche wie bei dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß der die Sekundärdichtung bildende Steg 40 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 zwischen 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 gegenläufigen oder mit unterschiedlichen Drehzahlen gleichsinnig umlaufenden Wellen Anwendung finden. In diesem Fall muß aber auch die auf die Dichtungsringsegmente einwirkende Fliehkraft Berücksichtigung finden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Berührungsfreie Dichtung zwischen realtiv zueinander umlaufenden Maschinenteilen, mit einem segmentierten Dichtungsring, der in einem am einen Maschinenteil angeordneten Dichtungsgehäuse untergebracht ist und eine Dichtfläche aufweist, 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 (i4) 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 weitere; Gelenk gebildet ist, das die genannte Kippbewegung aufeinanderfolgender Segmente relativ zueinander gestaunt.

2. Berührungsfreie Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe als Radialdichtung ausgebildet ist und der schmale Steg (23) 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 Umfangsfläche jedes Segments verläuft.