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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Bürstendichtungen
zur Verwendung in Turbomaschinen, wie beispielsweise Gas- und Dampfturbinen,
um Leckströmungen
zu minimieren, und insbesondere auf eine flexible, wärmebeständige, magnetische
Silikongummi-Büstendichtung,
die über
einem breiten Bereich von Dichtabmessungen verwendbar ist. Die Erfindung
bezieht sich ferner auf eine flexible Bürstendichtung, die aus einem
magnetischen Material gebildet ist, um wenigstens temporär die Bürstendichtung an
einer der Dichtkomponenten anzuhaften, um den Einbau zu erleichtern,
entweder als originales Gerät oder
als eine Nachrüstung.
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In
Turbinenmaschinen, wie beispielsweise Gas- und Dampfturbinen, Verdichtern
und Turbopumpen, wird eine Anzahl von Dichtungen an verschiedenen
Stellen verwendet, um Leckageströmungen
zu minimieren. Beispielsweise können
Dichtungen zwischen Dichtflächen
vorgesehen sein, die beide relativ zueinander bewegbar sind, oder
zwischen Komponenten, in denen sich die eine Komponente relativ
zur anderen Komponente bewegt, z. B. bei einem stationären Gehäuse und
einer umlaufenden Welle.
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Bürstendichtungen,
insbesondere in Turbinenmaschinen, weisen üblicherweise mehrere langgestreckte
Drahtborsten in Kontakt mit einer bewegbaren, z. B. rotierenden,
Oberfläche
auf. Die Borsten bilden eine dichte, reibtolerante Dichtung, die
nur eine leichte Verschlechterung über der Zeit erfährt. Die
Borsten der Dichtung sind bei Benutzung nachgiebig, und dies minimiert
eine Beschädigung
aufgrund von einem transienten Stoß zwischen den dichtenden Komponenten.
Eine typische Bürstendichtung
wird dadurch gebildet, daß Borsten über einen
Stab gefaltet werden, wobei eine äußere Klemme die gefalteten
Borsten festhält,
die Borsten zwischen einer gefalteten Metallplatte gequetscht werden,
die eine Klemme bildet, oder die Borsten sandwichartig zwischen
zwei stützenden
Metallplatten angeordnet und die Platten und Borsten an ihren nahe gelegenen
Enden aneinander angeschweißt
werden. Die entfernten Enden der Borsten stehen üblicherweise eine gewisse Strecke
von den Rändern
der Stützplatten
oder -klemmen vor, um an der gegenüber liegenden Dichtkomponente
anzugreifen. Gemeinsam ist diesen Typen von Bürstendichtungen, daß der Bürstenhalter
oder -träger
aus Metall geformt ist, das gewöhn lich
mit einer engen Toleranz gearbeitet ist, und somit ist die Bürstendichtung
nur auf eine spezielle Dichtungsabmessung anwendbar. Für andere
Dichtabmessungen, z. B. Durchmesser, muß eine getrennt gefertigte
und bestimmte Bürstendichtung
verwendet werden, um die Dichtung mit ihrem Träger abmessungsmäßig zusammenzupassen.
Infolgedessen sind die Bürstendichtungen
teuer in Bezug auf Werkzeuggestaltung, Fertigung und Installation,
und es sind lange Zykluszeiten in der Bürstendichtungsfertigung und
-Nachrüstung
erforderlich. Dementsprechend besteht ein Bedürfnis für eine verbesserte Bürstendichtung,
wo eine Größe zu vielen unterschiedlichen
Größen der
Bürstendichtungen paßt (siehe
z. B. EP-A-0911554). Zusätzlich
besteht ein Bedürfnis,
um den Einbau einer Bürstendichtung ohne
Verwendung zusätzlicher
Spannvorrichtungen oder Halterungen zu erleichtern, die üblicherweise notwendig
sind, um die Bürstendichtung
auf ihrem Träger
zu halten oder zeitweilig zu befestigen. Dieses Bedürfnis wird
durch die Bürstendichtung
gemäß den Ansprüchen 1,4
und dem Verfahren gemäß Anspruch
7 erfüllt.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine Bürstendichtung
mit einem Dichtungskörper
bereitgestellt, der aus einem flexiblen magnetischen Material gebildet
ist, wie beispielsweise einem wärmebeständigen,
magnetischen Silikongummi-Material. Vorzugsweise sind die Borsten
eingebettet, geklebt oder auf andere Weise an dem Bürstendichtungskörper befestigt,
so daß die Bürsten von
dem Körper
vorstehen und in Spitzen für einen
Dichtungseingriff mit der gegenüber
liegenden Dichtkomponente enden. Es wird deutlich, daß durch Biegen
des magnetischen Silikongummis des Bürstendichtungskörpers die
Bürstendichtung
mit einem breiten Bereich von Dichtungsabmessungen und komplexer
Dichtungsgeometrie zusammenpassen kann. Wo beispielsweise die Bürstendichtung
zwischen einem festen Ringraum und einer in dem Ringraum umlaufenden
Welle anzubringen ist, kann der Bürstendichtungskörper gebogen
werden, um mit den Abmessungen der zwei Komponenten übereinzustimmen.
Zusätzlich
kann durch Ändern
des Bürstenbiegemusters
der Bürstenkörper für eine äußere Dichtung,
wo die Borsten radial nach außen
gerichtet sind, eine innere Dichtung, wo die Borsten radial nach
innen gerichtet sind, oder eine axiale Dichtung verwendet werden,
wo die Borsten parallel zur Rotorachse gerichtet sind. Dieser Typ
von Bürstendichtung
ist besonders geeig net für
große
Dichtungsabmessungen, beispielsweise vierzig Zoll oder mehr. Es
wird auch deutlich, daß der
Bürstendichtungskörper in
praktisch jede unregelmäßige Form
gebogen werden kann, beispielsweise eine nicht-lineare Form anders
als kreisförmig,
und somit zum Dichten zwischen unregelmäßig geformten Komponenten verwendet
werden kann. Ein Beispiel für
den letzt genannten Fall ist eine Bürstendichtung, die zwischen einem Übergangsstück und einer
Düse der
ersten Stufe in einer Gasturbine angeordnet ist.
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Zusätzlich kann
dadurch, daß der
Bürstendichtungskörper aus
einem magnetischen Silikongummi geformt ist, die Dichtung auf einfache
Weise an einer der Dichtkomponenten angehaftet werden. Vorzugsweise
ist die Anhaftung temporär,
bis der Dichtungskörper
endgültig
eingestellt und in seiner gewünschten
Position befestigt werden kann. Zusätzliche Spannvorrichtungen
oder -halterungen, die nützlich
sind, um den Bürstendichtungskörper in
seiner Position zu halten, während
Einstellungen vor der endgültigen
Befestigung gemacht werden, sind vollständig überflüssig. Ein magnetisches Silikongummi ist
bevorzugt und weist ein Verbundmaterial aus magnetischem Ferritpulver
und einem Silikonpolymer auf. Mit diesen Charakteristiken kann ein
Bürstendichtungskörper gebogen,
verdreht oder spulenförmig
gewickelt werden und ist somit auf einfache Weise für einen
Einbau geformt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird eine Bürstendichtung
bereitgestellt zum Dichten zwischen ersten und zweiten Komponenten,
die relativ zueinander bewegbar sind und nicht-lineare gegenüber liegende
Dichtflächen
aufweisen, enthaltend einen Bürstendichtungskörper, der
von der ersten Komponente getragen ist und mehrere Borsten aufweist,
die an dem Körper
befestigt sind und von diesem vorstehen, um in Borstenspitzen zu
enden für
einen Eingriff mit der zweiten Komponente, wobei der Bürstendichtungskörper aus einem
flexiblen Material geformt ist, um mit den nicht-linearen, gegenüber liegenden
Dichtflächen übereinzustimmen.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
wird eine Bürstendichtung
bereitgestellt zum Dichten zwischen ersten und zweiten Komponenten,
die relativ zueinander bewegbar sind und nicht-lineare gegenüber liegende
Dichtflächen
aufweisen, enthaltend einen Bürstendichtungskörper, der
von der ersten Komponente getragen ist und mehrere Borsten aufweist,
die an dem Körper
befestigt sind und von diesem vorstehen, um in Borstenspitzen zu
enden für
einen Eingriff mit der zweiten Komponente, wobei der Bürstendichtungskörper aus
einem magnetischen Material geformt ist für ein magnetisches Anhaften
an der nichtlinearen gegenüber
liegenden Dichtfläche
von der einen Komponente.
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In
einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren bereitgestellt zum Formen einer Bürstendichtung zwischen
ersten und zweiten Komponenten, die relativ zueinander bewegbar
sind, wobei die Schritte vorgesehen sind, daß ein Bürstendichtungskörper bereitgestellt
wird, der aus magnetischem Material geformt ist und mehrere Borsten
aufweist, die von diesem vorstehen und in Spitzen enden für einen
Eingriff mit der zweiten Komponente und ein magnetisches Anhaften
des Bürstendichtungskörpers an
der ersten Komponente.
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In
einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird ein Verfahren zum Formen einer Bürstendichtung zwischen ersten
und zweiten Komponenten bereitgestellt, die relativ zueinander bewegbar
sind, enthaltend die Schritte, daß ein Bürstendichtungskörper bereitgestellt
wird, der aus einem flexiblen Material geformt ist und mehrere Borsten
aufweist, die von diesem vorstehen und in Spitzen enden für einen
Eingriff mit der zweiten Komponente und ein Biegen des Bürstendichtungskörpers für eine Übereinstimmung
mit der ersten Komponente.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Teilquerschnittsansicht und stellt eine Bürstendichtung dar, die gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufgebaut und in eine Hochdruckpackung eingebaut ist;
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2 ist
eine ähnliche
Ansicht wie 1 und stellt die Bürstendichtung ähnlich der
in 1 gezeigten in einem Lager dar; und
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3 ist
eine perspektivische Ansicht von der Bürstendichtung in linearer Form
vor dem Biegen für
eine Verwendung in einer Dichtung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In
den Zeichnungen ist eine Bürstendichtung dargestellt,
die allgemein mit 10 bezeichnet ist und gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufgebaut ist. Die Bürstendichtung 10 enthält einen
Bürstendichtungskörper 12 und
mehrere Borsten 14, die ein Bürstenpaket 16 bilden,
das von dem Bürstendichtungskörper 12 getragen
ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Bürstendichtungskörper 12 aus
einem wärmebeständigen,
magnetischen, flexiblen Silikongummi-Material in der allgemeinen
Form von einem langgestreckten Kanalstück mit einer Basis 18 und
gegenüber
liegenden Seiten 20 und 22 gebildet. Das Borstenpaket 16 weist
mehrere Borsten 14 auf, die in der Vertiefung oder dem
Kanal 24 des Körpers 12 angeordnet
sind und in Borstenspitzen 17 enden. Üblicherweise sind die Borsten
langgestrecktes, geformtes Metall und haben Durchmesser in dem Bereich
0,002 bis 0,01 Zoll, was von der Temperatur, dem Druck und dem Dichtungsmuster
abhängt,
in dem die Borsten verwendet werden sollen. Es wird deutlich, daß nichtmetallische
Materialien verwendet werden können,
wie beispielsweise Aramidfasern, z. B. KEVLAR®, insbesondere
in Anbetracht ihrer Fähigkeit,
bei hohen Temperaturbedingungen, beispielsweise bis zu 425°C, zu arbeiten.
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Da
Turbomaschinen üblicherweise
bei hoher Temperatur arbeiten, hat das Gummimaterial, das für den Bürstendichtungskörper 12 gewählt ist,
eine wesentliche Beständigkeit
gegenüber
hohen Temperaturen. Silikongummis beispielsweise haben hohe Temperaturbeständigkeit,
bis zu 325°C,
und bleiben auch bei sehr hohen Temperaturen flexibel. Vorzugsweise
wird ein magnetisches Silikongummi, das aus einem magnetischen Ferritpulver
und Silikongummi gebildet ist, verwendet. Mit diesen Charakteristiken können der
Bürstendichtungskörper 12 und
die Borsten 14 gebogen, verdreht, spulenförmig aufgewickelt und
auf einfache Weise gefertigt werden.
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Es
wird auch deutlich, daß der
Körper 12 nicht
aus einem Stück
geformt sein muß.
Beispielsweise kann das flexible Material zwei Stützteile
aufweisen, die an der Basis 18 miteinander und mit den Borsten
verbunden sind. Alternativ können
die nahe gelegenen Enden der Borsten in oder an einem Basisstück befestigt
sein, das seinerseits an zwei Seitenstücken befestigt ist.
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Die
Dichtung 10 kann viele Anwendungen haben. Beispielsweise
wird in 1 die Dichtung 10 in
einer Hochdruckpackung in einer Turbine benutzt. Eine innere Trommel 30,
die eine erste stationäre Komponente
bildet, ist im allgemeinen konzentrisch um eine hintere Zapfenwelle 32 herum
angeordnet, die eine zweite umlaufende Komponente bildet. Eine Bürstendichtung 10 ist
neben dem Ende von der Trommel in einer ringförmigen Dichtungsrelation um die
Zapfenwelle 32 herum angebracht, wobei die Borstenspitzen 17 mit
der Oberfläche
der Welle 32 in Eingriff liegen. Es sei auf die Dichtungen 34 des
Labyrinthtyps hingewiesen, die ringförmig um die Vertiefungen 35 der
Zapfenwelle 32 herum angeordnet sind, um in Kombination
mit der Bürstendichtung 10 eine
Labyrinth-Dichtung zu bilden. Vorzugsweise ist die Bürstendichtung 10 in
einer Vertiefung 36 angebracht, die auf dem Ende der Trommel
gebildet ist. Die Bürstendichtung 10 ist
an der Trommel 30 in der Vertiefung 36 durch eine
darüber
liegende ringförmige
oder bogenförmig
segmentierte Endplatte 38 befestigt, die an der Trommel 30 beispielsweise
durch Bolzen 40 befestigt ist. Die Endplatte 38 hat
einen unteren abgeschrägten
Ringrand 42, um die Bürstendichtung 10 in
der Vertiefung 36 zu halten.
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Es
wird deutlich, daß die
Bürstendichtung 10 in
einem linear verlaufenden Band gebildet ist. Beispielsweise kann
das Silikongummi-Material in der Form von einem Kanalstück extrudiert
sein, wobei die Borsten in die Basis von dem kanalförmigen Strangpressprofil
eingepflanzt sind und wobei die Borsten unter einem Neigungswinkel
relativ zur longitudinalen Abmessung des linearen Bürstendichtungsbandes
verlaufen. Wo zwei bestimmte Seiten aneinander befestigt sind, um
das Bürstendichtungsband
zu bilden, können
die Borsten zwischen den zwei Seiten und an der Basis des Bandes
verklebt sein. Die Borsten sind üblicherweise
geneigt relativ zur longitudinalen Länge des Bandes unter einem
Schrägwinkel
von etwa 40 bis 50° relativ
zu einer Ebene, die senkrecht durch das Band hindurch führt. Weiterhin
kann das Band in diskreten Bogensegmenten oder als ein einheitliches
Band eingebaut sein, das sich vollständig zwischen den zwei Komponenten
erstreckt, die abgedichtet werden sollen.
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Um
das Band auf der inneren Trommel 30 gemäß 1 zu installieren,
kann die Bürstendichtung 10 zu
einer Ringform oder zu bogenförmigen Segmenten
gebogen werden, um mit den bogenförmigen Abmessungen der Vertiefung 36 über einzustimmen.
Wenn die Längenabmessung
von dem Bürstendichtungsband
ermittelt ist, kann das Band auf die entsprechende Länge geschnitten
und für eine
Aufnahme in der Vertiefung 36 gebogen werden. Das magnetische
Material der Bürstendichtung 10 sorgt
für eine
magnetische Anziehung mit dem Metall der Trommel 30. Infolgedessen
kann die Bürstendichtung
in der Vertiefung 36 angeordnet und durch magnetische Anziehung
zeitweilig in der Vertiefung gehalten werden, während die Endplatte 38 aufgebracht
wird, um die Bürstendichtung
endgültig
in der Vertiefung zu befestigen. Es wird deutlich, daß die Bürstendichtung
in einen breiten Bereich von unterschiedlichen Durchmessern oder
Radien gebogen werden kann, wo bogenförmige Segmente verwendet werden
und auch in unregelmäßige Formen
für andere
Dichtungsanwendungen.
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Eine
andere Anwendung der Bürstendichtung 10 ist
in 2 dargestellt. In 2 ist ein
Dichtungsträger 50,
der einen Teil von einem Lager bildet, mit der Bürstendichtung 10 dargestellt,
die in einer Vertiefung 52 von dem Träger 50 eingebaut ist.
Wie in dem früheren
Ausführungsbeispiel
ist die Bürstendichtung 10 auf
Länge geschnitten
für eine Übereinstimmung
mit den bogenförmigen
Abmessungen der Vertiefung 52. Die Bürstendichtung kann dann gebogen
werden für
eine Anordnung in der Vertiefung 52, wobei das magnetische
Material zeitweilig die Bürstendichtung
in der Vertiefung hält.
Die ringförmige oder
segmentierte Endplatte 54 wird dann an dem Dichtungsträger 54 befestigt,
um die Bürstendichtung endgültig in
der Vertiefung zu befestigen. Die Bürstendichtung, wie sie dargestellt
ist, wird in Verbindung mit Labyrinthzähnen 55 verwendet,
die auf dem Dichtungsträger 50 ausgebildet
sind.
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Wie
zuvor ausgeführt
wurde, kann durch Ändern
des Bürstenbiegemusters
eine Gummibürstendichtung
zum äußeren Dichten,
wo die Borsten radial nach außen
gerichtet sind, zum inneren Dichten, wo die Borsten radial nach
innen gerichtet sind, wie bei den Dichtungen, die in den 1 und 2 dargestellt
sind, oder für
axiale Dichtungen verwendet werden, wo die Borsten parallel zur
Rotorachse gerichtet sind. Somit wird deutlich, daß das Dichtungsband
sowohl in der Ebene der Borsten, um eine ringförmige Dichtung zu bilden, wie
sie in den 1 und 2 dargestellt
ist, als auch um eine Achse senkrecht dazu gebogen werden kann,
um eine axial vorstehende Bürstendichtung
zu bilden. In jedem der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiele wird
für eine
Leckagesteuerung durch sowohl die Bürstendichtung als auch die
Labyrinth-Dichtungszähne
gesorgt.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung der Bürstendichtung wird deutlich,
daß die
flexible Natur der Bürstendichtung
ermöglicht,
daß die
Bürstendichtung
in den meisten Dichtungsanwendungen in Turbomaschinen und insbesondere
ohne Berücksichtigung
der Abmessungen der Dichtflächen
verwendet werden kann. Das heißt,
die Bürstendichtung kann
gebogen werden, um verschiedene bogenförmige oder unregelmäßige Abmessungen
anzunehmen, und auf Länge
geschnitten werden, wodurch eine Dichtung bereit gestellt wird,
wo eine Größe, beispielsweise
die in 3 dargestellte, zu einer wesentlichen Anzahl unterschiedlicher
Dichtungsanwendungen und -abmessungen in der Turbomaschine paßt.