DE4403605C2 - Spaltdichtung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spaltdichtung zwischen zwei gegen­ einander beweglichen Bauteilen zur Abdichtung zweier Räume unterschiedlichen Druckes mit Spaltdichtungselementen, die an dem ersten der zwei Bauteile befestigt sind und unter Vorspannung im Ruhezustand am zweiten Bauteil anliegen.

Als gattungsgemäße Spaltdichtungen sind Bürstendichtungen be­ kannt, deren Spaltdichtungselemente aus Borsten in Form von Metalldrähten oder Fasern, beispielsweise aus Kohlenstoff oder Glas, bestehen. Dabei schleifen die Drähte oder Fasern, die an einem der beweglichen Bauteile befestigt sind, mit ihren Spit­ zen am anderen Bauteil. Die Dichtwirkung zwischen zwei Räumen hängt von einem verbleibenden Restspalt, der sich aus den Zwi­ schenräumen zwischen den Borsten untereinander und dem Zwi­ schenraum zwischen Borstenspitzen und dem zweitem Bauteil zusam­ mensetzt, ab. Aus den Patentschriften US-PS 22 33579, US-PS 46 00202 und US-PS 46 78 113 ist bekannt, die Borstenspitzen unter elasti­ scher Biegung der Borsten auf das zweite Bauteil federnd zu pressen.

Damit ist der Abrieb der Borstenspitzen von entscheidender Bedeutung für die Dichtwirkung und für die Lebensdauer der Spaltdichtung. Sobald die elastische Nachstellung der Dich­ tungsspitzen aufgrund der elastischen Biegung der Borsten durch Abrieb am zweiten Bauteil aufgebraucht ist, verliert die Bürstendichtung zunehmend an Dichtwirkung und der betriebliche Einsatz geht zu Ende.

Aus den Patentschriften US-PS 50 42 823, US-PS 50 71 138 und US-PS 51 08 116 sind verbesserte Bürstendichtungen bekannt, bei denen die Einzelborsten einer Bürstendichtung durch aneinander­ gepreßte membranartige Scheiben zum Zweck der Kostenminimierung ersetzt werden. Um dennoch ein Gleiten von Einzelborsten zu er­ zielen, werden die Scheibenmembranen im Bereich ihres Innenradius geschlitzt, so daß Einzelfinger, deren Länge in Bewegungsrichtung größer als quer zur Bewegungsrichtung sind, auf der Welle gleiten können. Dabei wird nachteilig ein sanfter Gleitkontakt aufrecht­ erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Spaltdichtung anzugeben und die Lebensdauer dieser Spaltdichtung zu erhöhen und die Dichtwirkung in gleichbleibend hoher Qualität während der Lebensdauer zu sichern.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Spalt­ dichtungselemente biegeelastische Lamellen sind, von denen jeweils ein Ende am ersten Bauteil befestigt ist und deren Spitzen fluiddynamische Anstreifflächen aufweisen, wobei die Länge einer Lamelle quer zur Bewegungsrichtung ein Vielfaches der Länge in Bewegungsrichtung ist und die Biegefestigkeit einer Lamelle und die Größe ihrer Anstreiffläche so auf die physikalischen Eigen­ schaften des Spaltfluids abgestimmt sind, daß ein Aufgleiten der Anstreiffläche im Betrieb erfolgt.

Ein Vorteil dieser Spaltdichtung ist, daß nur im Ruhezustand die Spaltdichtungselemente auf der Oberfläche des zweiten Bau­ teils aufliegen und mit Erreichen der betriebsbedingten Rela­ tivgeschwindigkeit zwischen den beiden beweglichen Bauteilen die Spitzen der Spaltdichtungselemente auf dem Film aus Spalt­ fluid aufgleiten und das zweite Bauteil nicht berühren. Im Betriebszustand bildet die erfindungsgemäße Spaltdichtung vor­ teilhaft eine berührungsfreie Dichtung, die gleichzeitig in der Lage ist, Änderungen in der Spaltbreite durch thermisch unterschiedliche Ausdehnung zwischen den zwei Bauteilen oder sonstige Einflüsse wie unterschiedlichen Schwebeabstand zwi­ schen einem tragenden und dem fahrenden Bauteil bei Schwebe­ schnellbahnen oder Unwuchten von rotierenden Bauteilen bei Maschinen insbesondere schnelläufigen Antrieben, auszuglei­ chen.

Weil die Ausdehnung eines Spaltdichtungselements quer zur Be­ wegungsrichtung ein Vielfaches der Ausdehnung in Bewegungsrichtung ist, wird vorteilhaft eine große fluiddynamisch wirkende Anstreif­ fläche an den Spitzen bei gleichzeitig geringer Biegefestigkeit des Spaltdichtungselements erreicht, womit ein frühzeitiges Auf­ gleiten der Anstreifflächen verbunden ist.

Da die Spaltdichtungselemente Lamellen sind, von denen jeweils ein Ende am ersten Bauteil befestigt ist und deren Breitseiten quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet sind, füllen die Lamellen in ihrer Länge und Dicke den Spaltquerschnitt aus und können vorteilhaft relativ dicht gepackt werden.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung erfolgt die Be­ festigung der Spaltdichtungselemente am ersten Bauteil, wobei die Spaltdichtungselemente quer zur Bewegungsrichtung im Bereich ihres anderen Endes zu einem nachlaufenden Winkel in Bezug auf die Be­ wegungsrichtung gebogen, geknickt oder abgewinkelt sind. Das hat den Vorteil, daß bei relativ einfacher Befestigungsmöglichkeit der Spaltdichtungselemente, nämlich quer zum Spalt, eine vergrößerte Auftriebsfläche durch den nachlaufenden Winkel an der Spitze der Spaltdichtungselemente entsteht, wodurch die Spaltdich­ tungselemente bereits bei niedriger Relativgeschwindigkeit zwischen den beweglichen Bauteilen auf den Film aus Spaltfluid aufgleiten können.

In einer anderen bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die Spaltdichtungselemente in einem nachlaufenden Winkel zur Bewe­ gungsrichtung an dem ersten Bauteil befestigt. Damit kön­ nen die Spaltdichtungselemente dichter gepackt werden, so daß der Zwischenraum zwischen ihnen in Bewegungsrichtung minimiert und damit Leckströme, die durch diese Zwischenräume hindurch vom Raum niedrigen Druckes in den Raum höheren Druckes strömen vermindert werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind mehrere Spaltdichtungselemente quer zur Bewegungsrichtung hin­ tereinander angeordnet. Dadurch wird vorteilhaft die Dichtwir­ kung erhöht. Zusätzlich können die hintereinander angeordneten Spaltdichtungselemente in Bewegungsrichtung versetzt angeord­ net werden, so daß den Zwischenraum zwischen zwei Spaltdich­ tungselementen in einer ersten Reihe ein Spaltdichtungselement der nächsten Reihe abdeckt und so weiter. Dadurch wird vorteilhaft der Leckstrom durch die Zwischenräume hindurch vermindert.

Ein zusätzlicher Strömungswiderstand für den Leckstrom kann vorteilhaft erreicht werden, wenn die Spaltdichtungselemente quer zur Bewegungsrichtung über die Länge ihrer Erstreckung quer zum Spalt profiliert sind. Diese Profilierung kann vor­ zugsweise Ausbuchtungen oder Zähne aufweisen. Eine weitere Verbesserung bringt diese Maßnahme, wenn vorzugsweise mehrere Spaltdichtungselemente quer zur Bewegungsrichtung hinterein­ ander und zueinander verzahnt angeordnet sind. Die ineinan­ dergreifenden Zähne oder Ausbuchtungen der quer zur Bewegungs­ richtung hintereinander angeordneten profilierten Spaltdich­ tungselemente erhöhen vorteilhaft den Strömungswiderstand für den Leckstrom und erhöhen die Dichtwirkung der Spaltdichtung.

Vorzugsweise sind die Spaltdichtungselemente aus Blechen oder Folien hergestellt. Das hat den Vorteil, daß lamellenförmige Spaltdichtungselemente und Profilierungen der Ränder der Spaltdichtungselemente in einer Massenfertigung kostengünstig herstellbar werden. Vorwiegend sind diese Bleche und Folien aus Metall, wenn hohe Betriebstemperaturen zu erwarten sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind Spaltdichtungselemente aus Kunststoff, wobei vorzugsweise Nylon oder Teflon eingesetzt werden. Nylon wird aufgrund sei­ ner Zähigkeit und eines günstigen Kostenaufwands verwendet und Teflon aufgrund der hohen Temperaturfestigkeit. Außerdem kön­ nen diese Kunststoffe die sonst bei Bürstendichtungen üblichen Metallborsten ersetzen, weil aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung im Betrieb dieser Spaltdichtung die Reibungswärme we­ sentlich geringer ist als bei herkömmlichen Bürstendichtungen.

Bestehen die Spaltdichtungselemente aus verstärkten Kunststof­ fen, vorzugsweise aus der Gruppe Polyester-, Epoxid-, PEEK-, Polyimid-, Bismalimid- oder Phenolharzen, die vorzugsweise mit Kohlenstoff-, Glas-oder Aramidfasern verstärkt sind, so läßt sich vorteilhaft die Biegefestigkeit der Spaltdich­ tungselemente bei gleichbleibender Größe der fluiddynamischen Anstreiffläche aus einer breiten Palette auf die Eigenschaften des Films aus Spaltfluid anpassen.

Ein derartig dicht gepacktes Bündel aus biegeelastischen Spaltdichtungselementen in Lamellenform aus Folien oder Blechen dieser Spaltdichtung weist eine innere Reibung, die an Berührungsflächen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spaltele­ menten auftreten können, auf. Wenn die Spaltdichtungselemente vorzugsweise aus beschichteten Blechen oder Folien bestehen, kann diese Reibung vermindert und eine Reibkorrosion behindert werden. Dazu werden die Spaltdichtungselemente vorzugsweise mit einem Film aus SiC, TiN, Teflon oder Trockenschmiermittel beschichtet oder aus entsprechend beschichteten Folien oder Blechen hergestellt.

Für großtechnische Anwendungen werden zunächst keine einzelnen Spaltdichtungselemente hergestellt, die dann an dem ersten Bauteil vorzugsweise unter einem Winkel befestigt werden, son­ dern es wird eine Folie aus einem Endlosband faltenbalgartig zusammengedrückt und am ersten Bauteil befestigt. Die Befesti­ gung kann durch Anlöten, Anschweißen oder Einpressen in eine vorbereitete Nut im ersten Bauteil erfolgen. Danach wird das faltenbalgartige Band auf der dem zweiten Bauteil zugewandten Seite abgeschliffen, so daß das gefaltete Band einseitig in einzelne biegesame Lamellen aufgeschnitten wird. Danach kann sich ein Press- und Formschritt anschließen, bei dem das Lamellenpaket in einen nachlaufenden Winkel gebogen wird und als letzter Schritt wird dann die fluiddynamische Anstreiffläche für alle Spaltdich­ tungselemente gleichzeitig auf Endmaß eingeschliffen.

Wird das Endlosband vor dem faltenbalgartigen Zusammendrücken beschichtet, so entsteht bei dem obigen Ablauf der Herstellung ein Lamellenpaket als Spaltdichtung, das Lamellen aufweist, die auf ihren Zwischenflächen beschichtet sind. Durch Profi­ lierung der Kanten des Endlosbandes können Spaltdichtungen mit an den Rändern profilierten Lamellen als Spaltdichtungselemen­ te hergestellt werden.

Werden mehrere faltenbalgartig zusammendrückte Endlosbänder quer zur Bewegungsrichtung hintereinander an dem ersten Bau­ teil befestigt, so entsteht eine Spaltdichtung mit mehreren hintereinander angeordneten Lamellen, die zusätzlich gegenein­ ander versetzt und/oder untereinander verzahnt angeordnet wer­ den können.

Mit den folgenden Figuren, die beispielhaft Ausführungsformen der Spaltdichtung zeigen, wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Spaltdichtungsquerschnitt zwischen zwei Bauteilen.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt E des Spaltdichtungsquer­ schnitts von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Spaltdichtung.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mehrerer Spaltdichtungselemente hintereinander quer zur Bewegungsrichtung.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Anordnung nach Fig. 4 entlang der Schnittlinie CC.

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt B der Fig. 4.

Fig. 7 bis 9 zeigen unterschiedliche Befestigungsanordnungen und nachlaufende Winkel sowie Abbiegungen von Spaltdichtungselementen.

Fig. 10 bis 13 zeigen unterschiedliche Profilierungen und Anordnungen der Ränder der Spaltdichtungselemente.

Fig. 1 zeigt einen Spaltdichtungsquerschnitt zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen 1, 2 zur Abdichtung zwischen zwei nicht gezeigten Räumen unterschiedlichen Druckes. Die Spaltdichtung weist Spaltdichtungselemente 3 auf, die an dem ersten 1 der zwei Bauteile 1, 2 befestigt sind und auf dem zweiten Bauteil 2 im Ruhezustand schleifen. Damit wird die Querschnittsfläche des Spalts 4 auf die Zwischenräume zwischen den Spaltdichtungselementen 3 selbst und zwischen den Spitzen der Spaltdichtungselemente 3 und dem zweiten Bauteil 2 verkleinert. Die Spaltdichtungselemente 3 sind Lamellen, die sich im Ruhezustand biegeelastisch auf dem zweiten Bauteil 2 abstützen und bei hoher Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 mit ihren Spitzen auf ein Polster aus Spaltfluid aufgleiten.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt E des Spaltdichtungsquer­ schnitts von Fig. 1, bei dem das sich bildende Aufgleitpolster aus Spaltfluid der Dicke S zu sehen ist. Um ein sicheres Aufgleiten der Spitzen 5 der Spaltdichtungselemente 3 beim Erreichen der betriebsbedingten Relativgeschwindigkeiten zwischen den Bauteilen 1 und 2 zu erreichen, weisen die Spitzen 5 fluiddynamische Anstreifflächen 6 auf, wobei die Größe der Anstreiffläche 6 und die Biegefestigkeit eines Spaltdichtungselements 3 auf die physikalischen Eigenschaften des Spaltfluids, wie Zähigkeit und Dichte abgestimmt sind. Die Richtung der Bewegung zwischen den beiden Bauteilen wird in diesem Beispiel mit dem Pfeil F angegeben, wobei in diesem Beispiel das zweite Bauteil 2 rotiert und das Bauteil 1 unbewegt ist. Derartige Spaltdichtungen werden vorzugsweise in Turbinentriebwerken verwendet, wobei das rotierende Bauteil 2 eine der Triebwerkswellen darstellt oder mit einer der Wellen verbunden ist und das Bauteil 1 mit dem Gehäuse verbunden ist. Das Bauteil 2 kann aber auch eine Schiene sein und das Bauteil 1 zu einer linear bewegten Schwebebahn gehören.

Fig. 2 verdeutlicht somit, daß die Erfindung auch auf linearbewegte Bauteile anwendbar ist, beispielsweise zur Abdichtung des Schwebespalts zwischen Tragstruktur und Schwebefahrzeug bei hohen Geschwindigkeiten der Schwebebahn.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Spaltdichtung. Das Spaltdichtungselement 3 ist in einer Nut 7 des Bauteils 1 eingelötet, eingeschweißt, eingeklebt oder eingepreßt worden und gleitet mit seiner Spitze 5 auf dem Spaltfluid auf, so daß sich ein minimaler Abstand zwischen den Spitzen 5 und dem Bauteil 2 ausbildet und damit der Abrieb des Spaltdichtungselements 3 vermindert wird und die Lebensdauer steigt.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mehrerer Spaltdichtungselemente 3 hintereinander quer zur Bewegungsrichtung in Pfeilrichtung F des Bauteils 2. Mit dieser Anordnung wird der Leckstrom zwischen den beiden abzudichtenden Räumen vermindert, besonders wenn, wie in einem vergrößernden Ausschnitt B der Fig. 4 unter Fig. 6 gezeigt, die Spaltdichtungselemente 3 zueinander versetzt angeordnet sind. Der Leckstrom, der in Pfeilrichtung D die Spaltdichtung durchquert muß einen erheblich vergrößerten Strömungswiderstand überwinden.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Anordnung nach Fig. 4 entlang der Schnittlinie CC. Im Bauteil 1 sind die Spaltdichtungselemente 3 in drei Nuten 7 befestigt und bilden im Betrieb mit dem Bauteil 2, das sich in diesem Fall mit hoher Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Bauteil 1 bewegt, einen Film oder ein Polster aus Spaltfluid der Dicke S aus, so daß eine berührungsfreie Dichtung entsteht.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen unterschiedliche Befestigungsanordnungen und nachlaufende Winkel β sowie Abbiegungen von Spaltdichtungselementen 3. Der Befestigungswinkel α, der die Abweichung der Einspannung der Spaltdichtungselemente 3 im Bauteil 1 von einer Einspannung quer zum Spalt 4 angibt, nimmt von Fig. 7, bei der die Abweichung am größten ist, bis zur Fig. 9, bei der die Abweichung praktisch Null wird, ab. Der nachlaufende Winkel β hängt einerseits von dem Befestigungswinkel α und von einer vorgegebenen Abbiegung 8 ab, die wie die Fig. 7 bis 9 zeigen, unterschiedlich ausgebildet sein kann. So ist in Fig. 7 das Spaltdichtungselement 3 im wesentlichen gerade und zur Spitze hin abgebogen oder abgeknickt. In Fig. 8 ist das Spaltdichtungselement 3 im wesentlichen über seiner gesamten Länge gleichmäßig durchgebogen, und in Fig. 9 weist es zwei Abbiegestellen 9 und 10 auf.

Fig. 10 bis 13 zeigen unterschiedliche Profilierungen 11, 12 und Anordnungen der Ränder 13,14 der Spaltdichtungselemente 3. Die Profilierung kann einseitig wie in den Fig. 10 bis 12 oder beidseitig wie in Fig. 13 angebracht sein. Beispielsweise besteht die Profilierung aus Zähnen 11 oder Ausbuchtungen 12.

In Fig. 10 und 11 weisen die Spaltdichtungselemente 3 jeweils einen glatten 15 und einen mit Sägezähnen 11 profilierten Rand 16 auf. Bei einer Anordnung der Spaltdichtungselemente 3 hintereinander, können die Ränder 13 und 14 in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sein, wie es Fig. 10 zeigt, oder sie können untereinander verzahnt angeordnet werden, wie dies Fig. 11 zeigt. Analoge Anordnungen können auch mit Ausbuchtungen 12 erfolgen, wie es die Fig. 12 und 13 zeigen. Mit Hilfe der Profilierung und der unterschiedlichen Anordnungen kann der Strömungswiderstand für den Leckstrom zwischen den beiden Räumen unterschiedlichen Druckes für die unterschiedlichsten Anwendungen optimiert werden.

Claims (11)

1. Spaltdichtung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen zur Abdichtung zweier Räume unterschiedlichen Druckes mit Spalt­ dichtungselementen, die an dem ersten der zwei Bauteile befestigt sind und unter Verspannung im Ruhezustand am zweiten Bauteil an­ liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) biegeelastische Lamellen sind, von denen jeweils ein Ende am ersten Bauteil (1) befestigt ist und deren Spitzen fluiddynamische Anstreifflächen (6) aufweisen, wobei die Länge einer Lamelle quer zur Bewegungsrichtung ein Vielfaches der Länge in Bewegungsrich­ tung ist und die Biegefestigkeit einer Lamelle und die Größe ihrer Anstreiffläche (6) so auf die physikalischen Eigenschaften des Spaltfluids abgestimmt sind, daß ein Aufgleiten der Anstreiffläche (6) im Betrieb erfolgt.

2. Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Spaltdichtungselemente (3) am ersten Bauteil (1) quer zur Bewegungsrichtung erfolgt, wobei die Spaltdichtungsele­ mente im Bereich ihres anderen Endes zu einem nachlaufenden Winkel in Bezug auf die Bewegungsrichtung gebogen, geknickt oder abgewinkelt sind.

3. Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) in einem nachlaufenden Winkel zur Bewegungsrichtung an dem ersten Bauteil (1) befestigt sind.

4. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Spaltdichtungselemente (3) quer zur Be­ wegungsrichtung hintereinander angeordnet sind.

5. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spaltdichtungselemente (3) quer zur Bewegungs­ richtung hintereinander und in Bewegungsrichtung versetzt ange­ ordnet sind.

6. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) quer zur Bewegungsrichtung über die Länge ihrer Erstreckung quer zum Spalt profiliert sind, vorzugsweise mit Ausbuchtungen (12) oder Zähnen (11).

7. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spaltdichtungselemente (3) quer zur Bewegungs­ richtung hintereinander und zueinander verzahnt angeordnet sind.

8. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) aus Blechen oder Folien hergestellt sind.

9. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) aus Kunststoffen, vorzugs­ weise aus Polyamid oder PTFE sind.

10. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) aus verstärkten Kunststoffen, vorzugsweise aus der Gruppe Polyester-, Epoxid-, PEEK-, Polyimid-, Bismalimid- oder Phenolharzen, die vorzugsweise mit Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern verstärkt sind, bestehen.

11. Spaltdichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungselemente (3) aus beschichteten Blechen oder Folien, vorzugsweise mit einem Film aus SiC, TiN, Teflon oder Trockenschmiermittel beschichtet, bestehen.