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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft Bürstendichtungen
für rotierende
Maschinen, beispielsweise Dampf- und Gasturbinen, und betrifft insbesondere
selbstzentrierende Bürstendichtungen,
die zum Abdichten zwischen drehenden und feststehenden Komponenten dienen.
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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Rotierende
Maschinen, z.B. Dampf- und Gasturbinen, die für Anwendungen der Stromerzeugung
und des mechanischen Antriebs verwendet werden, sind im Allgemeinen
große
Maschinen, die aus mehreren Turbinenstufen aufgebaut sind. In den Turbinen
muss ein durch die Turbinenstufen strömendes heißes Hochdruckfluid eine Reihe
feststehender und rotierender Komponenten passieren, und zwischen
den feststehenden und rotierenden Komponenten werden Dichtungen
verwendet, um eine Leckage zu minimieren. Dichtungen werden auch
in anderen Bereichen der Turbine als in den Heißgaspfaden verwendet; z.B.
in Enddichtungen zwischen der rotierenden Welle und den feststehenden
Komponenten. Der Wirkungsgrad einer Turbine hängt unmittelbar von der Fähigkeit
der Dichtungen ab, Leckage zu verhindern.
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Es
werden zwischen drehenden und feststehenden Komponenten in Turbomaschinen
sowie in anderen Maschinen vielfältige Arten
von Dichtungen verwendet. Zu derartige Dichtungen zählen Dichtungen
der Labyrinthbauart, Bürstendichtungen,
Labyrinth/Bürstendichtung-Kombinationen
und dergleichen. Bürstendichtungen
weisen im Vergleich zu anderen Arten von Dichtungen viele Vorteile
und Fähigkeiten
auf. Gewöhnlich
sind Bürstendichtungen
in der feststehenden Komponente, beispielsweise in einer um die
rotierende Komponente feststehenden radialen Position befestigt.
Derartige feststehende Bürstendichtungen
liefern zwar sehr befriedigende Dichtungsergebnisse im Falle von
Systemen, die sich dauerhaft konzentrisch verhalten, sie sind allerdings nicht
in der Lage, sich an eine bezüglich
der Achse abweichende erhebliche Bewegung zwischen den drehenden
und feststehenden Komponenten beispielsweise während Wärmeübergängen und Dauerbetriebsbedingungen
der Turbine anzupassen. D. h. Bürstendichtungen
passen sich in Bezug auf ein um die Welle angeordnetes Gehäuse lediglich
sehr geringen radialen Ausschlägen
einer Welle an. Eine genaue Vorhersage von Wärmeübergangsbewegungen mittels
einer Analyse ist eine sehr schwierige Aufgabe.
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Ein
Messen einer Relativbewegung zwischen feststehenden und befestigten
Komponenten kann kostspielig und zeitraubend sein. Falls die Mittelachsen
drehender und feststehender Komponenten während des Zusammenbaus oder
Betriebs nicht konzentrisch sind, ist die Dichtung nicht in der
Lage, von sich aus die Konzentrizität um die drehende Komponente
aufrecht zu erhalten. Die Folgen einer fehlerhaft angeordneten feststehenden
Bürstendichtung
können
schwerwiegend sein. Beispielsweise ist es möglich, dass die welle und die
Bürstendichtungsgrundplatte
aneinander reiben, und es kann aufgrund von während des Reibens erzeugter
Wärme zu
Rotorschwingungen kommen. Im Allgemein verschlechtert sich die Leistung
der Bürstendichtung.
Zwar kann die Bürstendichtungszaunhöhe, d. h.
die radiale Distanz zwischen der Drehwelle und der Kante der Grundplatte,
erhöht
werden, um die Wahrscheinlichkeit eines Reibens zu reduzieren, dies
vermindert jedoch die Fähigkeit
der Dichtung Druck aufzunehmen.
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In
der US-A-5 474 305 ist eine selbstzentrierende Bürstendichtungsanordnung beschrieben,
die der Bürstendichtung
ermöglicht,
bei radialen Bewegungen der drehenden Komponente die Konzentrizität zu der
Achse der drehenden Komponente aufrecht zu erhalten. Die zugehörige Bürstendichtung weist
eine ringförmige
Grundplatte mit Bürstendichtungsborsten
auf, die sich radial aus der Grundplatte erstrecken oder in der
Drehrichtung in Schräglage angeordnet
sind, um mit der drehenden Komponente in Dichtungseingriff zu kommen.
Die Bürstendichtung ist
in einer in der feststehenden Komponente ausgebildeten Nut angeordnet,
die einen radialen Spielraum zwischen der Basis der Nut und den
radial am weitesten außen
angeordneten Abschnitten der Bürstendichtung
zulässt.
Durch Beseitigen der auf die Bürstendichtung
ausgeübten
radialen Einschränkungen,
ist es der Dichtung möglich
in radialer Richtung zu "schwimmen" und den radialen
Ausschlägen der
rotierenden Welle ohne wesentliche asymmetrische Verformungen der
Borsten zu folgen. Auf diese Weise ist die Dichtung in der Lage
mit der Drehachse der drehenden Komponente konzentrisch zu bleiben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die selbstzentrierende Bürstendichtung der Erfindung
in einer segmentierten Konfiguration geschaffen. D. h. es sind eine
Anzahl bogenförmiger
Segmente, die möglicherweise
die Grundplatte enthalten, oder stromaufwärtige und stromabwärtige Grundplatten für die Borsten
der Bürstendichtung
in Form von kurzen Segmenten vorgesehen, beispielsweise Segmente
mit einem Winkel von 60° oder
90°, die
zusammen, einen im Wesentlichen geschlossen Kreisring um die drehende
Komponente bilden. Die Segmente und der durch diese gebildete Kreisring
sind mit dem erforderlichen radialen Spielraum in einer Nut in der feststehenden
Komponente zusammen mit einer Feder angeordnet, die die Segmente
radial nach innen vorspannt, um den Eingriff der Bürstendichtungsborsten
mit der drehenden Komponente aufrecht zu erhalten. In einer bevorzugten
Form kann die Feder ein Schraubenfederring sein, der sich über den
vollen 360°-Winkel
um den Umfang der Segmente erstreckt. Alternativ kann die radiale
nach innen gerichtete Vorspannung durch eine Anzahl Blattfedern
bereitgestellt werden, wobei jedem Segment jeweils eine Blattfeder
zur Verfügung
steht, die zwischen der Basis der radialen Nut und einer Außenfläche des Segments
trägt.
In noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann eine kombinierte Schraubenfederring/O-Ring-Dichtung vorgesehen
sein, um in einer innerhalb der Nut der feststehenden Komponente
ausgebildeten sekundären
Nut positioniert zu werden.
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Durch
ein Kombinieren des Schraubenfederrings mit der O-Ringdichtung, lässt sich
eine mittels Druck ausgeglichene segmentierte Bürstendichtung verwirklichen.
Dieses Ausführungsbeispiel
hält den Druck
auf dem innenseitigen und außenseitigen Durchmesser
der Bürstendichtung
im Gleichgewicht, indem Niederdruckfluid stromabwärts der
O-Ringdichtung in die Nut Zutritt gewährt wird. Es ist einsichtig,
dass die durch die Federn in sämtlichen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung erbrachte Vorspannung so zu bemessen ist, dass die
Steifigkeit der Federn im Vergleich zu der Steifigkeit des Borstenstapels
verhältnismäßig gering
ist. Die Federn halten nicht nur die Dichtungssegmente in Kontakt
mit der Welle, sondern ermöglichen
auch, dass die Dichtung die konstruktive Zaunhöhe während einer bezüglich der
Achse abweichenden Bewegung zwischen den drehenden und feststehenden
Komponenten beibehält.
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Dementsprechend
ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und
verbesserte selbstzentrierende Bürstendichtungsanordnung
zum Abdichten zwischen drehenden und feststehenden Komponenten in
Turbomaschinenvorrichtungen zu schaffen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
in einer fragmentarischen Schnittansicht eine zwischen drehenden
und feststehenden Komponenten angeordnete selbstzentrierende Bürstendichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht wie 1 noch ein Ausführungsbeispiel
davon;
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3 zeigt
eine fragmentarische Schnittansicht davon, im Wesentlichen etwa
entlang der Schnittlinie 3-3 in 2;
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4 zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht wie 1 Bürstendichtungssegmente in einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 veranschaulicht
in einer fragmentarischen Schnittansicht der drehenden und feststehenden
Komponenten die Bürstendichtungssegmente und
Blattfedern, die zum Vorspannen der Segmente des Ausführungsbeispiels
nach 4 dienen;
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6 zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht wie 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht wie 1 einen axialen Stift, der mit
einer Grundplatte der Bürstendichtung
in Berührung
steht; und
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8 zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht wie 4 einen radialen Stift in dem
Flansch einer Grundplatte.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Indem
nun in den Zeichnungen insbesondere auf 1 eingegangen
wird, wird eine selbstzentrierende Bürstendichtung zwischen drehenden
und feststehenden Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht. Insbesondere ist die allgemein mit 10 bezeichnete
Bürstendichtung
zwischen einer drehenden Komponente, beispielsweise zwischen einer
welle 12, und einer die Welle 12 umgebenden feststehenden
Komponente, beispielsweise einem Gehäuse 14, angeordnet,
wobei die Drehachse der Welle 12 mit A bezeichnet ist.
Es ist einsichtig, dass die durch das Gehäuse 14 ausgebildete Öffnung kreisförmig ist
und auf einer mit Achse A gemeinsamen Achse liegt.
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Die
Bürstendichtung 10 enthält eine
Anzahl Borsten 16, die möglicherweise in eine im Wesentlichen
radiale Richtung ragen, jedoch vorzugsweise gegenüber dem
Radius in einem Winkel in Drehrichtung der Welle 12 versetzt
verlaufen, wie es beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel nach 3 und 5 veranschaulicht
ist. Die Borsten sind zwischen einem Paar Platten 18 bzw. 20 eingebettet oder
angeordnet. Die Borsten 16 sowie die Platten 18 und 20 bilden
einen vollständigen
360°-Ringspalt
um die Drehwelle 12. Die Borsten 16 sind im Allgemeinen
aus einem Metalllegierungsdraht gefertigt, der zu einem Durchmesser
von 0,002–0,006
Zoll gezogen ist, wobei in Umgebungen hohen Drucks auch Drähte mit
größeren Durchmessern
verwendet werden können.
Es ist jedoch klar, dass die Borsten ebenso aus Polymer oder Keramikmaterialien
gefertigt sein können,
obwohl Metallborsten, die beispielsweise aus Inconel X750 oder Haynes-25
erzeugt sind, bevorzugt sind. Eine näheren Betrachtung von 1 zeigt, dass
die Grundplatte 20 ein aufgrund der Belastung von der Hochdruckseite
her mögliches
Durchbiegen der Borsten 16 verhindert, wobei die Richtung
einer Leckage der Dichtung, sofern überhaupt vorhanden, durch den
Pfeil B angezeigt ist und in der Figur von links nach rechts verläuft. Auf
diese Weise ragen die distalen Enden der Borsten 16 über die
Innendurchmesserkante der stromabwärtigen ringförmigen Grundplatte 20 hinaus,
um an der Oberfläche
der drehenden Komponente 12, z.B. der rotierenden Welle,
anzuliegen und mit der Oberfläche
abzudichten. Die Borsten 16 sind vorzugsweise zwischen
die Platten 18 und 20 eingeschweißt, beispielsweise
indem entlang des radialen äußersten
Durchmessers der Bürstendichtung
eine Schweißraupe 22 angelegt wird.
Die Borsten ragen aus dem radialen inneren Ende der Grundplatte 20 um
eine radiale Distanz h hervor, die der maximalen Durchbiegung der
drehenden Komponente in einer radialen Richtung entspricht. Folglich
muss die Distanz h einen Minimalwert aufweisen, der der maximalen
Durchbiegung entspricht und von der erwarteten relativen radialen Durchbiegung
oder Abweichung der drehenden Komponente bezüglich ihrer Achse A für die spezielle Maschine
und den speziellen Ort der Dichtung abhängt. Die Distanz h ist daher
die minimale Zaunhöhe für die Grundplatte 20,
und deren Innendurchmesserkante sollte die Distanz h zu der Welle überschreiten.
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Wie
in 1 zu sehen, ist die Bürstendichtung 10 in
einer Nut 24 angeordnet, die in der Innenfläche der
feststehenden Komponente 14 ausgebildet ist. Die Basis 26 der
Nut 24 weist einen Durchmesser auf, der größer ist
als der Außendurchmesser der
Bürstendichtung,
wodurch zwischen der Bürstendichtung
und der Basis der Nut einen radialer Spielraum entsteht. Als eine
Folge dieser Konfiguration wird es als Vorteil angesehen, dass sämtliche
Beschränkungen
einer radialen Bewegung der Bürstendichtung
beseitigt sind und dass die Bürstendichtung 10 innerhalb
der Nut 24 "schwimmt". Folglich wird die Bürstendichtung 10,
ungeachtet radialer Ausschläge der
Achse A während
Wärmeübergängen und
Dauerbetriebsbedin gungen, konzentrisch mit der Drehachse A der drehenden
Komponente 12 gehalten. D. h. die tatsächliche Rotation der Welle 12 darf
in radialer Richtung von deren konstruierter Drehachse abweichen,
wobei in diesem Fall die Bürstendichtung 10 durch
eine radiale Bewegung innerhalb der Nut 24 mit der Achse
A der Welle 12 sich selbst ausrichtet oder zentriert.
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Folglich
weisen die Bürstendichtung
und die Welle, ungeachtet radialer Ausschläge der Achse der Welle 12 während des
Zusammenbaus oder Betriebs, gemeinsame Achsen auf.
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Mit
Bezugnahme auf 2-3, in denen übereinstimmende
Teile mit übereinstimmenden
Bezugszeichen gefolgt von dem Suffix "a" versehen sind,
ist die Bürstendichtung 10a in
Form einer Anzahl bogenförmiger
Segmente, beispielsweise als die Segmente 30, ausgebildet.
Die Segmente 30 können aus
einer beliebigen Anzahl von Segmenten, beispielsweise aus 4 bis
8 oder 10 Segmenten gefertigt sein, die hinsichtlich deren Bogenlänge vorzugsweise
untereinander identisch sind. Die Segmente 30 können ferner
sich radial erstreckende Stirnflächen aufweisen,
oder, wie veranschaulicht, mit Stirnflächen ausgebildet sein, die
gegenüber
den Radien der Achse A in derselben Richtung wie die abgewinkelten Borsten
abgewinkelt sind. Mit einer geeigneten Beabstandung zwischen den
Stirnflächen
wird es als Vorteil angesehen werden, dass die Segmente 30 in der
Lage sind, sich voneinander unabhängig radial nach innen und
nach außen
zu bewegen.
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Um
die distalen Enden der Borsten der Segmente in konstantem abdichtenden
Kontakt mit der Oberfläche
der Drehwelle 12a zu halten, sind die Segmente in einer
radial nach innen verlaufenden Richtung vorgespannt. Um die radiale
nach innen gerichtete Vorspannung bereitzustellen, ist um den Außendurchmesser
der Bürstendichtung 10a ein
in Umfangsrichtung verlaufender Schraubenfederring 32 vorgesehen.
Der Schraubenfederring 32 spannt die Segmente radial nach
innen vor und weist eine im Verhältnis
zu der Borstenstapeldicke geringe Vorspannkraft auf, um den Bürstendichtungssegmenten im
Falle von radialen Ausschlägen
des Rotors 12a eine radiale Verschiebung nach außen zu erlauben. Die
segmentierte Bürstendichtung 10a schwimmt
ansonsten frei innerhalb der Nut 24a der feststehenden Komponente 14a.
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Mit
Bezugnahme auf 4 und 5, in denen übereinstimmende
Teile, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, mit übereinstimmenden
Bezugszeichen gefolgt von dem Suffix "b" versehen
sind, sind Bürstendichtungssegmente 30b ähnlich jenen
des vorhergehenden Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
Allerdings wird in dieser Ausführungsform
die radiale nach innen gerichtete Vorspannung jedes Segments durch
eine Blattfeder 32' bereitgestellt.
Die Blattfeder wirkt zwischen der Basis 26b der Nut 24b,
wobei für
jedes Segment 30b eine einzige Blattfeder 32' bevorzugt ist,
obwohl zusätzliche
Blattfedern vorgesehen sein könnten.
Vorzugsweise ist das eine Ende der Blattfeder 32' in einen Spalt
in dem Außendurchmesser
der Bürstendichtung
nach innen gerichtet, um die Feder zur Vereinfachung des Zusammenbaus
an den Segmenten zu sichern, während
das entgegengesetzte Ende lose bleiben kann. Damit wird jedes Segment 30b unabhängig von
der nach innen gerichteten Vorspannung anderer Segmente radial nach
innen vorgespannt. Auf diese Weise behalten die distalen Enden der Borsten 16b den
abdichtenden Kontakt mit der Außenfläche der
Welle 12b bei, ungeachtet radialer Ausschläge der Welle
weg von deren konstruierter Achse A.
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Mit
Bezugnahme auf 6, ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
den Einsatz in Hochdruckanwendungen veranschaulicht. Ein Schraubenfederring
ist mit einer O-Ringdichtung kombiniert
und dichtet innerhalb der Nut ab, um auf entgegengesetzten Seiten
der Bürstendichtung
Bereiche hohen und niedrigen Drucks zu schaffen, die dazu dienen,
den auf den innenseitigen und außenseitigen Durchmessern der
Bürstendichtung
ausgeübten
Druck auszugleichen. Die Nut 24c weist auf der Seite hohen
Drucks oder stromaufwärtigen
Seite der Dichtung einen Schwalbenschwanz 40 sowie eine
zusätzliche
Nut 42 auf, die radial nach außen ausgebildet ist, um die
kombinierte Schraubenfederring/O-Ringdichtung entgegen zu nehmen.
Die Nut 42 und die Bürstendichtungssegmente,
und insbesondere die Borsten befinden sich in einer gemeinsamen
diametralen Ebene. Die Schraubenfederring- und O-Ring-Kombination 44 dichtet
in der Nut 42 ab und dichtet zwischen entgegengesetzten
Seiten der Nut 42 ab, wobei ein Paar Kammern 46 und 48 definiert
werden. Ein zwischen der Platte 18c und dem feststehenden
Haken 50 vorhandener Raum erlaubt, dass Hochdruckfluid
in die Kammer 46 eintritt, wodurch der Druck zwischen dem
I.D. und O.D. (inneren und äußeren Durchmesser)
auf der stromaufwärtigen Seite
der Bürstendichtung
ausgeglichen wird. Ein Durchlasskanal 45 verbindet den
Niederdruckbereich auf der stromabwärts angeordneten Seite der
Bürstendichtung
mit der Kammer 48 der Nut 24c auf der stromabwärts angeordneten
Seite der Dichtung strömungsmäßig.
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Ein
Ergebnis dieser Konstruktion ist, dass der auf den Durchmesser der
stromaufwärtigen
Platte 18c ausgeübte
hohe Druck durch den hohen Druck in der Nut 42, d. h. in
der Kammer 46 auf dem Außenumfang der Grundplatte 18c ausgeglichen
wird. Die auf den inneren und äußeren Durchmesser
der stromabwärtigen
Platte 20c ausgeübten
niedrigen Drücke
gleichen sich ebenfalls gegenseitig aus. Somit wird eine radiale
nach innen gerichtete Nettovorspannung auf die Segmente ähnlich wie
in dem Ausführungsbeispiel
nach 2 lediglich durch den Schraubenfederring ausgeübt.
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In
sämtlichen
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, einschließlich der in 1 veranschaulichten
vollen 360°-Winkel-Bürstendichtung oder
der in den 2–6 veranschaulichten
segmentierten Bürstendichtung,
ist die Bürstendichtung mit
einem Anti-Rotations-Merkmal ausgestattet. Beispielsweise ist, wie
in 1 veranschaulicht, für die Bürstendichtung ein radial verlaufender
Spalt 70 entlang einer axialen Stirnseite einer der Grundplatten ausgebildet.
Ein axial sich erstreckender Zapfen 72 ragt aus der feststehenden
Komponente in den radialen Spalt 70 vor, und verhindert
eine Bewegung der Bürstendichtung
in Umfangsrichtung, ermöglicht
jedoch eine radiale Bewegung, so dass die Dichtung in der Lage ist,
den Ausschlägen
der rotierenden Komponente zu folgen. Im Falle der 360°-Dichtung
ist lediglich ein einziger Stift erforderlich, während für die segmentierte Dichtung
pro Segment jeweils ein Stift benötigt wird.
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8 veranschaulicht
ein weiteres Anti-Rotations-Merkmal.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein sich in radialer Richtung öffnender Spalt 74 in dem
Flansch 76 einer der Grundplatten der Bürstendichtung ausgebildet.
Ein an der feststehenden Komponente befestigter sich radial erstreckender
Stift 78 ragt in den Spalt 74, wodurch eine Bewegung
der Bürstendichtung
bezüglich
der feststehenden Komponente in Umfangsrichtung verhindert wird,
während
eine radiale Bewegung des Bürstendichtungssegments
ermöglicht
ist. Somit bildet in beiden Ausführungsformen
des Anti-Rotations-Merkmals der Stift einen Anschlag, der eine Umfangsbewegung
der Bürstendichtung
bezüglich
der feststehenden Komponente im Wesentlichen verhindert.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, es
ist allerdings selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein
soll, sondern vielmehr vielfältige
Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.