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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungseinrichtung.
Speziell, aber nicht ausschließlich,
bezieht sich die Erfindung auf eine Dichtungseinrichtung zur Abdichtung
zwischen einem rotierenden Bauteil und einem feststehenden Bauteil.
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Es
ist häufig
notwendig, den Zwischenspalt zwischen zwei Bauteilen abzudichten,
die sich relativ zueinander bewegen können. Insbesondere ist oft eine
Dichtung oder es sind mehrere Dichtungen erforderlich, um eine Dichtung
zwischen einer rotierenden Welle und einem axial benachbarten stehenden Bauteil
herzustellen. Beispielsweise umfasst ein Gasturbinentriebwerk Wellen,
die mit relativ hohen Drehzahlen umlaufen und die dem Druck heißer Gase
ausgesetzt sind. Es sind Dichtungen zwischen den rotierenden Rotorschaufeln
und dem diese umschließenden
Gehäuseaufbau
erforderlich.
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Dichtungen
sind auch erforderlich zwischen einem derartige Rotorschaufeln tragenden
Rotor und einem benachbarten feststehenden Aufbau, der Statorschaufeln
oder Düsenleitschaufeln
trägt.
Bei einem Gasturbinentriebwerk sind die Düsenleitschaufeln oder die Statorschaufeln
drehfest angeordnet, und sie sind als solche an einem feststehenden
Aufbau montiert.
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Es
ist außerdem
wichtig, derartige Dichtungen vorzusehen, um zu verhindern, dass
unter Druck stehendes heißes
Gas in einer Druckzone frei in eine benachbarte Zone mit niedrigerem
Druck abfließt.
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Es
ist allgemein bekannt, Labyrinthdichtungen vorzusehen, um eine Dichtung
zwischen rotierenden und nicht rotierenden Bauteilen zu bewirken. Jedoch
sind bei einigen Triebwerksarbeitsbedingungen große Zwischenräume erforderlich,
um eine Anpassung an Relativbewegungen zu bewirken. Es ist erwünscht, diese Zwischenräume bei
gewissen Betriebsbedingungen zu verringern oder zu ändern, um einen
möglichst
hohen Leistungsausgang des Triebwerks zu erzielen.
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Es
besteht bei derartigen Dichtungen außerdem eine Forderung, dass
ein annehmbarer Zwischenraum bei all den unterschiedlichen Betriebsbedingungen
erhalten bleibt. Derartige Dichtungen zwischen rotierenden und nicht
rotierenden Bauteilen sind nicht erforderlich, um eine vollständig geschlossene
Dichtung zu erzeugen, sondern sie sind erforderlich, um eine Dichtung
mit einem vorbestimmten Zwischenraum zu schaffen.
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Eine
thermische Expansion und Änderungen in
den Druckbedingungen können
außerdem
unausgeglichene Kräfte
auf die Dichtung erzeugen und die Wirksamkeit der Dichtung beeinträchtigen.
Es ist daher wichtig, dass der Zwischenraum zwischen dem nicht rotierenden
Teil der Dichtung und seinem feststehenden Teil innerhalb eines
vorbestimmten Bereichs gehalten wird.
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Die
GB996546 beschreibt eine
Dichtung, die eine Abdichtung zwischen einer Hochdruckzone und einer
Niederdruckzone und zwischen einem rotierenden Bauteil und einem
stationären
Aufbau bewirkt. Die Dichtungseinrichtung besteht aus einer ersten Dichtung
und einer zweiten Dichtung. Die erste Dichtung besteht aus ersten
und zweiten Dichtungsstegen, die auf gegenüberliegenden Seiten eines rotierenden
Dichtungskörpers
angeordnet sind. Die Dichtungsstege sind miteinander durch ein Verbindungsglied
verbunden, und das Verbindungsglied ist axial beweglich auf dem
stationären
Aufbau derart gelagert, dass eine Anpassung an eine Relativbewegung des
rotierenden Bauteils gegenüber
dem stationären Aufbau
bewirkt wird. Die zweite Dichtung ist so angeordnet und positioniert,
dass eine Dichtung zwischen dem stationären Aufbau und dem ersten Dichtungssteg
bewirkt wird, der in einer Zone niedrigeren Drucks liegt, derart,
dass der Druck um den Dichtungssteg herum eingestellt wird.
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Die
EP0660014A beschreibt
eine Dichtung, die eine Abdichtung zwischen einer Hochdruckzone und
einer Niederdruckzone und zwischen einem rotierenden Bauteil und
einem stationären
Aufbau bewirkt. Die Dichtung weist erste und zweite Dichtungsstege
auf, die auf gegenüberliegenden
Seiten des rotierenden Dichtungskörpers angeordnet sind. Die Dichtungsstege
sind gegen den rotierenden Dichtungskörper vorgespannt, und die Dichtungsstege sind
in einem Verbindungsglied montiert, und das Verbindungsglied ist
fest am stationären
Aufbau montiert und kann die Relativbewegung des rotierenden Bauteils
und des stationären
Aufbaus nicht aufnehmen.
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Demgemäß liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Dichtungsanordnung
zu schaffen, die die vorerwähnten
Probleme vermeidet.
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Gemäß der Erfindung
betrifft diese eine Dichtungseinrichtung zur Abdichtung zwischen
wenigstens zwei getrennten und unterschiedlichen Druckzonen und
zwischen einem rotierenden Aufbau und einem nicht rotierenden Aufbau,
wobei die Dichtungseinrichtung erste und zweite Dichtungsmittel aufweist
und die ersten Dichtungsmittel erste und zweite Dichtungsstege aufweisen,
die auf beiden Seiten eines rotierenden Dichtungsgliedes angeordnet
sind, wobei die Dichtungsstege miteinander über Verbindungsmittel verbunden
sind und die Verbindungsmittel beweglich auf dem nicht rotierenden
Aufbau derart montiert und so angeordnet sind, dass sie eine Relativbewegung
von rotierenden und nicht rotierenden Aufbauten ermöglichen
und wobei die zweiten Dichtungsmittel derart angeordnet und positioniert
sind, dass eine Dichtung zwischen dem nicht rotierenden Aufbau und
dem ersten Dichtungssteg bewirkt wird, der in einer Zone niedrigeren
Druckes angeordnet ist, derart, dass der Druck um diesen Dichtungssteg
herum eingestellt werden kann und die ersten Dichtungsmittel eine
Magnetdichtung, eine Bürstendichtung
oder eine Labyrinthdichtung aufweisen und die Magnetdichtung zwei
gegenüberliegende
Magnete aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten
des rotierenden Dichtungsgliedes angeordnet sind und einander abstoßen, und
die Bürstendichtung
zwei Bürstendichtungen
aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten
des rotierenden Dichtungsgliedes angeordnet sind und die Labyrinthdichtung zwei
Labyrinthdichtungen aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des rotierenden
Dichtungsgliedes angeordnet sind.
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Vorzugsweise
bestehen die Dichtungsstege aus Ringen.
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Außerdem ist
es zweckmäßig, dass
der Dichtungskörper
eine rotierende Dichtungsrippe aufweist, die am Rotor eines Gasturbinentriebwerks
angeordnet ist.
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Die
Verbindungsmittel können
aus einem Joch bestehen.
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Das
Joch kann mit dem nicht rotierenden Bauteil über einen ersten Schwenkpunkt
verbunden sein, der eine Drehbewegung des Jochs zulässt. Die gegenüberliegenden
Flächen
der Dichtungsstege können
einen Abschnitt mit vermindertem Bereich aufweisen, die gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine teilweise aufgeschnittene schematische Ansicht eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks
mit einer oder mehreren erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungen;
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2 ist
eine Darstellung des allgemeinen Konzeptes vorliegender Erfindung;
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3 ist
eine weitere Veranschaulichung eines allgemeinen Konzeptes vorliegender
Erfindung;
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4 ist
eine weitere Veranschaulichung des allgemeinen Konzeptes vorliegender
Erfindung;
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5 ist
ein Schnitt durch einen Kompressorrotor und einen benachbarten Stator
mit einer gemäß vorliegender
Erfindung ausgebildeten Dichtung;
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6 ist
eine Ansicht der 5, die den Dichtungsabschnitt
eines Gasturbinentriebwerks veranschaulicht; und
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7 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, das nicht
gemäß vorliegender
Erfindung ausgebildet ist;
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8 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Dichtung, die nicht gemäß vorliegender
Erfindung ausgebildet ist;
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9 ist
eine schematische Ansicht einer abgewandelten Dichtung gemäß vorliegender
Erfindung;
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10 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Dichtung gemäß vorliegender
Erfindung;
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11 ist
eine schematische Ansicht einer zusätzlichen Dichtung gemäß vorliegender
Erfindung;
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12 ist
eine schematische Ansicht einer Enddichtung gemäß vorliegender Erfindung.
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In 1 ist
ein Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt, das in axialer
Strömungsrichtung
hintereinander einen Einlass 12, einen Fanabschnitt 14,
einen Zwischendruckkompressor-Abschnitt 16, einen Hochdruckkompressor-Abschnitt 18,
einen Verbrennungsabschnitt 20, einen Hochdruckturbinen-Abschnitt 22,
einen Zwischendruckturbinen-Abschnitt 24, einen Niederdruckturbinen-Abschnitt 26 und
einen Auslass 28 aufweist. Der Fanabschnitt 14 besitzt einen
Fanauslass 30, um eine Bypassströmung zu liefern. Der Niederdruckturbinen-Abschnitt 26 treibt den Fanabschnitt 14 über eine
erste Welle 32 an und der Zwischendruckturbinen-Abschnitt 24 treibt
den Zwischendruckkompressor-Abschnitt 16 über eine Welle 34 und
der Hochdruckturbinen-Abschnitt 26 treibt den Hochdruckkompressor-Abschnitt 18 über eine
Welle 36 an.
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Das
Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in herkömmlicher
Weise, und es wird die durch den Fanabschnitt 14, den Zwischendruckkompressor-Abschnitt 16 und
den Hochdruckkompressor-Abschnitt 18 strömende Luft
komprimiert. Dann wird die Luft in den Verbrennungsabschnitt 20 abgegeben,
und es wird Brennstoff in den Verbrennungsabschnitt 20 eingespritzt
und in der Luft verbrannt, um heiße Gase zu erzeugen. Diese
heißen
Gase strömen
durch den Hochdruckturbinen-Abschnitt 22, den Zwischendruckturbinen-Abschnitt 24 und
den Niederdruckturbinen-Abschnitt 26 und treiben diese
an. Dann strömen
die heißen
Gase durch den Auslass 28 und liefern einen gewissen Schub.
Der Hauptschub wird jedoch durch die Luft erzeugt, die vom Fanabschnitt 14 komprimiert
und über
den Fanauslass 30 ausgestoßen wird.
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Im
Folgenden wird eine Dichtungsanordnung 40 unter Bezugnahme
auf ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, obgleich die Dichtung
auch für
irgendeine andere Anwendung zwischen relativ beweglichen Bauteilen
dort anwendbar ist, wo eine Dichtung erforderlich ist.
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Die 2, 3 und 4 erläutern das
allgemeine Konzept der vorliegenden Erfindung. Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung in Bezug auf praktische Anwendungen sind
in den 5, 6 und 7 dargestellt.
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Gemäß 2 umfasst
die Dichtungsanordnung 40 ein rotierendes Glied 42,
das an einem Träger 44 angebracht
ist, der eine Dichtungsrippe 46 aufweist. Die Dichtungsrippe 46 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
zwischen zwei magnetischen Ringen 48 und 50 angeordnet,
und die magnetischen Ringe 48 und 50 sind derart
ausgebildet, dass sie einander abstoßen. Diese Magnetscheiben können segmentartig
ausgebildet sein, um die notwendige magnetische Abstoßung und/oder
mechanische Flexibilität
zu erzeugen. Die Dichtungsrippe 46 besteht aus einem leitfähigen Material
und liegt in der Mitte zwischen den beiden magnetischen Ringen 48 und 50.
Da die Dichtungsrippe 46 dünn ausgebildet ist, wird kein
Fluss zwischen den Magneten 48 und 50 abgeschnitten,
und daher wird an dieser Mittelstellung kein Widerstand erzeugt.
Wenn die Dichtungsrippe 46 aus ihrer Mittelstellung versetzt
wird, dann wird der Fluss abgeschnitten und es wird eine Rückstellkraft
in die Ausgangsstellung erzeugt. Diese Kraft zentralisiert die Dichtungsrippe 46 zwischen den
magnetischen Ringen 48 und 50. Die Dichtungseinrichtung 40 ist
in 2 und 3 dargestellt und bildet dort
eine Dichtung zwischen einem feststehenden Aufbau 52, der
als Gehäuse
einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks angesehen werden kann,
und dem rotierenden Aufbau 42. Die magnetischen Ringe 48 und 50 sind
starr über
ein Joch 54 miteinander verbunden, das flexibel am Gehäuse über eine
oder mehrere Blattfedern 56 aufgehängt ist, die eine axiale Bewegung
der magnetischen Ringe 48, 50 über ihr Joch 54 gegenüber der
rotierenden Rippe 46 ermöglichen.
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Um
die Dichtungseinrichtung 40 herum ist eine Anzahl von Druckzonen
angeordnet, die als Hochdruckzone und Niederdruckzone betrachtet werden
können
und innerhalb des Kompressors oder der Turbine des Gasturbinentriebwerks
angeordnet sind. Eine Seite der rotierenden Rippe 46 und
des Befestigungsaufbaus liegt benachbart zu einer Hochdruckzone 60.
Die andere Seite des rotierenden Gliedes 42 und die daran
festgelegte Dichtungsrippe 46 liegen benachbart zu einer
Niederdruckzone 62.
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Die
Relativstellung zwischen der Dichtungsrippe 46 und dem
feststehenden Aufbau 52 wird im Normalbetrieb infolge von
bestimmten Faktoren geändert,
beispielsweise als Folge einer unterschiedlichen thermischen Expansion,
durch ein zentrifugales Wachstum und durch Druckänderungen. Der Zweck der Dichtung
besteht darin zu verhindern, dass ein Fluid aus der Hochdruckzone 60 nach
der Niederdruckzone 62 gelangt. Es werden in dem beweglichen
Segment Kräfte
durch Drücke über den Elementen
erzeugt und irgendeine Vorspannung, die durch die Blattfedern 56 aufgebracht
werden kann.
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Wenn
die durch Druckänderungen
erzeugten Kräfte
ansteigen, dann müssen
die magnetischen Rückstellkräfte ansteigen,
um eine Anpassung an derartige Änderungen
zu erzielen. Wenn derartige Kräfte,
die durch Druckdifferenzen an der Dichtung 40 erzeugt werden,
abnehmen, dann kann die Dichtung 40 besser ansprechen und
weniger kostspielig ausgebildet sein.
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Eine
zweite Dichtung 64 ist deshalb derart angeordnet, dass
eine Dichtung zwischen der Hochdruckzone 60 und der Niederdruckzone 62 nicht
nur durch die Dichtungsrippe 46, sondern auch durch die Sekundärdichtung 64 zustandekommt.
Bei diesem erfindungsgemäßen Beispiel
umfasst eine Sekundärdichtung 64 eine
zweite Dichtungsrippe 66, die von dem magnetischen Ring 50 nach
außen
absteht, und diese Rippe 66 wäre auch als Scheibe ausgebildet. Die
Rippe 46 steht in Dichtungsberührung mit der Sekundärdichtung 68,
die am Gehäuse 52 festgelegt
ist.
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Die
Hauptfunktion der ersten Dichtungsrippe 46 besteht darin,
einen geeigneten Abstandsspalt aufrecht zu erhalten, um eine Anpassung
an die Versetzung des feststehenden Bauteils 52 oder des
rotierenden Bauteils 42 gemäß Druckänderungen und allgemein bezüglich irgendwelcher
Bewegungen zwischen dem feststehenden Bauteil 52 und dem
rotierenden Bauteil 42 aufzunehmen.
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Die
Druckverteilung um die Dichtung herum kann durch wirksame Positionierung
der Sekundärdichtung 64 eingestellt
werden. Ohne eine derartige Sekundärdichtung 64 müsste die
Hauptdichtung 40 Magnetkräfte liefern, die den großen Kräften entgegenwirken,
die durch die Druckdifferenzen zustandekommen. Die Positionierung
der Sekundärdichtung 64 ergibt,
wie aus den 2 und 3 ersichtlich, eine
Hochdruckzone um den Hauptteil der Dichtung, wie dies dargestellt
ist. Der Druck kann benutzt werden, um die erzeugten Kräfte auszugleichen
oder zu verringern. Eine Ausgleichskraft kann auch durch Positionierung
der Sekundärdichtung 64 erzeugt
werden. Dies hat einen wichtigen Effekt auf die erforderliche Größe, das
Gewicht, die Stabilität
und die Kosten der magnetischen Dichtungsstege 48 und 50 und anderer
Elemente des Dichtungssystems.
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Ein
voller Druckausgleich kann dadurch erreicht werden, dass die Sekundärdichtung
derart angeordnet oder positioniert wird, dass ein Bereich gleich
der Hälfte
des Hauptdichtungsstegbereiches dem Hochdruck unterworfen wird.
Der Hauptdichtungsstegbereich wird durch einen Kleinbuchstaben "a" angedeutet und der Sekundärdichtungsstegbereich
wird durch den Kleinbuchstaben "f" angedeutet.
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Dieses
Konzept ist leichter verständlich
unter Bezugnahme auf 4 und unter Betrachtung der folgenden
Gleichungen.
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Die
Kraft "F" auf den Magnet 48 wird
wie folgt abgeleitet: -
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Die
Kraft auf einer Seite a, Fa ist definiert durch: Fa
= HPa
- HP
- ist der Hochdruck
und
- a
- ist der Bereich der
Seite a
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Die
Kraft auf der Seite b, Fb wird definiert durch Fb = HPb, wobei b
der Bereich auf der Seite b ist.
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Die
Kraft auf der Seite c, Fc wird definiert durch Fc = ½(HP +
IP)c, wobei c der Bereich der Seite c ist und IP ein Druck zwischen
dem Hochdruck und dem Niederdruck, und dies ist eine vereinfachte Annahme,
wonach der Druck IP in der Mitte zwischen dem Druck HP und dem Druck
IP liegt. Entgegenwirkende Kraft = HPb + ½(HP +
IP)c
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Die
Kraft auf der Seite b wird durch die Kraft auf einem äquivalenten
Teil von a ausgeglichen, und deshalb kann sie bei dieser Berechnung
vernachlässigt
werden.
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Der
Ausdruck ½(HP
+ IP) wird benutzt, um den Durchschnittsdruck über dem Bereich c anzugeben.
Dies ist nur eine Annäherung,
aber sie liefert eine vernünftig
gute Annäherung
erster Ordnung. Die Kraft nach rechts auf den Magneten 48 ist
deshalb: F1 = HPc – ½(HP +
IP)c
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Die
Kraft F2 auf den Magneten 50 ist
gleich.
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Die
Kraft auf diese Seite e wird durch die Kraft auf die Seite g ausgeglichen
und kann vernachlässigt
werden. F2 = ½(IP +
LP)d – fHP – (d – f)LP(unter
der Annahme f < d),
c = d
wenn der Wert von f = d/2 benutzt wird, dann ist F1 + F2 = 0
d.h.
die Kräfte
F1 und F2 sind vollständig ausgeglichen.
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Es
werden gewisse Kräfte
durch Strömungseffekte
(Bernoulli usw.) und durch Unzulänglichkeiten im
Ausgleich erzeugt. Kräfte
werden auch benötigt, um
die Bewegung der Magnete und des zugeordneten Mechanismus bei schnellen Übergängen zu
beschleunigen.
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Der
Bereich der Druckstege der Magnete 48 und 50 wird,
wie bei c und d angegeben, vermindert und kann benutzt werden, um
die Wirkung von Unzulänglichkeiten
zu reduzieren, indem die Kräfte
nur noch auf kleinere Bereiche wirken können. Die Dichtung arbeitet
immer noch ohne den verminderten Steg, d.h. c = a, b = o, aber es
kann eine höhere
Kraft erzeugt werden, die dazu führt,
dass höhere
Magnetkräfte,
größere Abmessungen
und höhere
Gewichte usw. benötigt
werden. Das gleiche Prinzip kann mit anderen Krafterzeugungsmechanismen
benutzt werden.
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So
kann angenommen werden, dass Änderungen
in den Drücken
bei axialer Bewegung des Jochs 54 Kräfte erzeugen, die eine Position
wiederherstellen, wo gleiche Spalte auf beiden Seiten der Dichtungsrippe 46 erzeugt
werden, wodurch eine bezüglich
des Druckes voll ausgeglichene Dichtung erzeugt wird.
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Eine
praktische Anwendung des Konzeptes, das in den 2, 3 und 4 angedeutet
ist, zeigen die 5 und 6. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine Dichtung 70, die dem Konzept nach 2, 3 und 4 entspricht,
so angeordnet, dass eine Dichtung zwischen dem Fanrotor 71 und
einem benachbarten Statoraufbau 73 eines Gasturbinentriebwerks
zustandekommt. Das stromabwärtige
Ende des Fanrotors ist mit einer Dichtungsrippe 74 versehen,
die durch einen Bolzen 76 festgelegt ist. Diese Dichtungsrippe 74 weist
eine Ringstruktur auf und ist radial zwischen zwei Ringmagneten 77, 79 angeordnet.
Die Dichtungsrippe 74 ist so dünn, dass eine magnetische Flusszone
von Null um den Mittelbereich zwischen den Ringmagneten 77 und 79 herum
bewirkt wird. Die Ringmagnete 77, 79 sind starr
auf einem Joch 78 montiert. Das Joch 78 weist
einen U-förmig
gestalteten Ausschnitt 81 auf, in den die Dichtungsrippenscheibe 74 einsteht.
Das Joch 78 ist schwenkbar am Stator über einen Schwenkpunkt 80 gelagert.
Dieser Schwenkpunkt 80 erlaubt eine Drehbewegung des Jochs,
und demgemäß kann der
Dichtungszwischenraum 82 zwischen den Ringmagneten 77, 79 und
der Dichtungsrippe 74 eingestellt werden.
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Eine
Sekundärdichtung 84 weist
einen hakenartigen Vorsprung 86 auf dem Statoraufbau 73 und
einen hiermit zusammenwirkenden Dichtungssteg 88 auf, der
auf dem Joch 78 montiert ist.
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Die
Positionierung dieser Sekundärdichtung 84 verhindert,
dass Niederdruckluft, die in den 5, 6 und 7 mit
LP bezeichnet ist, frei um die Rückseite 90 der
Dichtung 70 fließt,
so dass die Rückseite
der Dichtung innerhalb der Hochdruckzone HP vorgesehen werden kann.
Eine Zwischendruckzone IP ist um das stromabwärtige Ende 92 der Dichtungsrippe 74 herum
angeordnet.
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Die
Sekundärdichtung 84 ist
so angeordnet, dass sie einem Bogen um den Schwenkpunkt 80 herum
folgt. Diese Position der Sekundärdichtung 84 wird
gewählt,
um die Rotationskräfte
auszugleichen, die durch die Drücke
um den Schwenkpunkt 80 herum erzeugt werden. Unter Benutzung
der oben in dieser Beschreibung angegebenen Druckausgleichsgleichung
wird es klar, dass ein Druckausgleich erreicht werden kann, indem
die Sekundärdichtung 84 mit
einem Dichtungsstegbereich versehen wird, der im Hinblick auf einen
Druckausgleich berechnet ist.
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6 ist
eine Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Dichtung, die innerhalb eines Gasturbinentriebwerks angeordnet ist.
Eine Fanschaufel 95 ist auf einer Fanscheibe 97 montiert
und die Dichtungseinrichtung 70 dichtet zwischen der Hochdruckzone
und der Niederdruckzone ab.
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Wie
in magnetischen Schwebedichtungen oder Luftabdichtungen usw. üblich, wird
eine Spaltschließkraft
vorgesehen, die dem Schweben entgegengesetzt ist. Dies erfordert
die Erzeugung oder Aufrechterhaltung großer Kräfte, um diese Schließkraft zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung vermindert diese Schließkraft,
wodurch die Dichtung kleiner, leichter und mit einem kostengünstigeren Aufbau
hergestellt werden kann. Eine solche Dichtungseinrichtung schafft
auch die Möglichkeit
für ein schnelleres
Ansprechen auf Bewegungen der Dichtungsaufbauten. Die vorliegende
Erfindung sieht zwei Dichtungen vor, die gegeneinander mit Druckkräften arbeiten,
die vollständig
oder teilweise ausgeglichen sind.
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7 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
welches nicht gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist, wobei die Magnete durch ein Luftdichtungssystem 94 ersetzt
sind. Wiederum ist dieses Luftdichtungssystem 94 vorgesehen,
um eine Abdichtung zwischen einem sich drehenden Rotor 96,
der eine von dort vorstehende Rippe und zwei Hälften 100 und 102 der
Luftdichtungen 94 aufweist, und einem feststehenden Gehäuse 104 vorzusehen. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die beiden Hälften 100 und 102 der
Dichtung 94 getrennt, wenn das Triebwerk anhält, wodurch
eine Berührung
verhindert wird, wenn die Zentrierkraft wegfällt. Die beiden Hälften 100 und 102 sind
Ringe. Die Sekundärdichtung 106 bewirkt
den Druckausgleich, wie vorstehend erwähnt. Die beiden Hälften 100, 102 des
Dichtungssystems 94 werden durch eine oder mehrere Federn 112 auseinandergedrückt und
sind auf Lokalisierungszapfen 108 aufgezogen und durch zwei
Gruppen schwächerer
Federn 110 zentriert. Wenn im Betrieb der Druck ansteigt
und das Triebwerk anläuft,
dann werden die beiden Hälften 100 und 102 zusammengedrückt, bis
sie ihren normalen Betriebsspalt erreichen. Zu diesem Zeitpunkt
bewegen sie sich als eine Druckausgleichsdichtung zusammen, wobei
zusätzliche
Zentrierkräfte
durch den Luftdichtungsmechanismus zustandekommen. Es ist klar,
dass andere Mechanismen, beispielsweise durch Temperatur aktivierte
Mechanismen oder Bimetallstrukturen, vorgesehen werden könnten, um eine
Zurückziehung
der Dichtungen zu bewirken, wenn diese nicht erforderlich sind.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel,
das nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist, zeigt 8, und hierbei
ist ein Luftdichtungssystem 94B gezeigt, das jenem in 7 gleicht.
Die Luftdichtung 94 ist vorgesehen, um eine Abdichtung
zwischen einem Rotor 96, der eine vorstehende Dichtungsrippe 98 aufweist
und zwei miteinander verbundene Hälften 100 und 102 der
Luftdichtung 94 besitzt und einem Statoraufbau 104 vorzunehmen.
Die Luftdichtung 94 ist auf dem feststehenden Aufbau 104 durch
Blattfedern 103 montiert. Die beiden Hälften 100 und 102 sind
Ringe. Die Sekundärdichtung 106B bewirkt
den Druckausgleich, wie oben erläutert.
Die Sekundärdichtung 106 ist
ebenfalls eine Luftdichtung. Ein Kanal 105, der durch den
feststehenden Aufbau 104 geführt ist, liefert im Betrieb
Hochdruckluft nach der Sekundärdichtung 106B,
um eine Luftträger/Luftdichtung
zu erzeugen. Die Kräfte
sind im Wesentlichen ausgeglichen, und demgemäß kann die Luftträgerdichtung 94 mit
einem relativ großen Spiel
betrieben werden, um eine Änderung
durch Fremdkörper
zu minimieren.
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Ein
abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 9 gezeigt,
wobei die Magnete durch ein Bürstendichtungssystem 120 ersetzt
sind, und dieses System gleicht dem System nach 5.
Die Bürstendichtung 120 soll
eine Abdichtung zwischen einem Rotor 71 und einem feststehenden
Aufbau 73 bewirken. Eine Dichtungsrippe 74 ist
am Rotor 71 festgelegt. Die Dichtungsrippe 74 ist
zwischen zwei Bürstendichtungen 122 und 124 montiert.
Die Bürstendichtungen 122 und 124 sind starr
auf einem Joch 78 gelagert. Das Joch 78 weist einen
U-förmigen Ausschnitt 81 auf,
in den die Dichtungsrippe 74 einsteht. Das Joch 78 ist
schwenkbar auf dem Statoraufbau 73 über einen Schwenkpunkt 80 gelagert.
Der Schwenkpunkt 80 ermöglicht
eine Drehbewegung des Jochs 78, und demgemäß kann der
Dichtungsspalt 82 zwischen den Bürstendichtungen 122 und 124 und
der Dichtungsrippe 74 eingestellt werden. Eine Sekundärdichtung 84 weist
einen Vorsprung 86 am feststehenden Aufbau 73 und
einen hiermit zusammenwirkenden Dichtungssteg 88 am Joch 78 auf.
Die Bürstendichtungen 122 und 124 sind ringförmig ausgebildet.
Die Dichtungsrippe 74 kann sich radial erstrecken und die
Bürstendichtungen 122 und 124 verlaufen
axial oder die Dichtungsrippe 74 verläuft axial und die Bürstendichtungen 122 und 124 erstrecken
sich in Radialrichtung.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 10 dargestellt,
und hier ist ein Labyrinthabdichtungssystem 130 vorgesehen. Die
Labyrinthdichtung 130 dichtet zwischen einem Turbinenrotor 71,
der eine axial verlaufende Ringrippe 74 besitzt und einem
Statoraufbau 73 ab. Ein Joch 78 ist auf dem feststehenden
Aufbau 73 durch Blattfedern 75 montiert, und das
Joch 78 weist einen U-förmig
gestalteten Ausschnitt auf, in den sich die Dichtungsrippe 74 hinein
erstreckt. Die Blattfedern 75 ermöglichen eine Radialbewegung
des Jochs 78 und steuern demgemäß die Dichtungsrippe 74 und das
Joch 78. Die Dichtungsrippe 74 weist radial nach außen verlaufende
Vorsprünge 134 und
radial nach innen verlaufende Vorsprünge 132 auf, die mit
Abriebüberzügen 138 bzw. 136 auf
der Oberfläche
des Jochs 78 zusammenwirken.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 11 dargestellt.
Hier ist ein magnetisches Dichtungssystem 140 veranschaulicht.
Das magnetische Dichtungssystem 140 ist dem in den 2, 3 und 4 dargestellten
System ähnlich.
Das magnetische Dichtungssystem 140 ist dadurch unterschieden,
dass die Ringseitenwand 55 des Jochs 54, die der
am Gehäuse 52 festgelegten Sekundärdichtung 68 am
nächsten
liegt, perforiert ist, während
die Ringseitenwand 53 des Jochs 54, die der am
Gehäuse 52 festgelegten
Sekundärdichtung 68 am
weitesten ab liegt, nicht perforiert ist. Die perforierte Ringseitenwand 55 des
Jochs 54 besitzt einen kleineren Oberflächenbereich als die unperforierte
Ringseitenwand 53 des Jochs 54. Es ist eine dritte
Dichtung 65 derart vorgesehen, dass die Zwischendruckzone
IP durch das Joch 54, die zweite Dichtung 64 und
die dritte Dichtung 65 definiert wird. Die dritte Dichtung 65 weist
eine dritte Dichtungsringrippe 67 auf, die sich vom Joch 54 von
einer Stelle zwischen den Seitenwänden 53 und 55 des
Jochs 54 nach der zweiten Dichtung im Abstand und nach einem
ringförmig
gestalteten Hakenvorsprung 69 erstreckt, der von dem zweiten
Dichtungskörper 68 nach
der dritten Dichtungsringrippe 67 im Abstand vorsteht,
um die dritte Dichtung 65 zu bilden. Die Differenz im Oberflächenbereich
zwischen den Seitenwänden 53 und 55 des
Jochs 54 führt
dazu, dass sich die Magnete 48 und 50 und das
Joch 54 anfänglich nach
links bewegen, bis der Anstieg im Zwischendruck die Magnete 48 und 50 und
das Joch 54 nach rechts und zurück in die Ausgangsstellung
bewegt. Die zweite Dichtung 64 ist radial angeordnet, um
die Belastungen auf die Dichtung 140 an der zentralen Stelle
auszugleichen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 12 dargestellt,
und dieses Ausführungsbeispiel
veranschaulicht ein magnetisches Dichtungssystem 150. Das
magnetische Dichtungssystem 150 ist im Wesentlichen das
gleiche wie jenes gemäß 2, 3 und 4.
Das magnetische Dichtungssystem 150 ist dadurch unterschieden,
dass die Spitze 47 der Dichtungsrippe 46 so gestaltet
ist, dass der aerodynamische Auftrieb zwischen der Dichtungsrippe 46 und
den Dichtungsstegen 48 und 50 erhöht wird.
Die Spitze 47 der Dichtungsrippe 46 liegt im Wesentlichen
zwischen den Magneten 48 und 50. Die Dichtungsrippe 46 weist eine
erste Oberfläche 46A auf,
die der Hochdruckzone 60 zugewandt ist, und eine zweite
Oberfläche 46B ist
auf die Niederdruckzone 62 hin gerichtet. Die Spitze 47 der
Dichtungsrippe 46 ist gestuft derart ausgebildet, dass
ein gekrümmter
Oberflächenabschnitt 47A die
Oberfläche 46A mit
einer ebenen Oberfläche 47B verbindet,
die parallel zu der Oberfläche 46A verläuft, und
ein gekrümmter
Oberflächenabschnitt 47C verbindet
den Oberflächenabschnitt 47B mit
einem ebenen Oberflächenabschnitt 47D,
der parallel zur Oberfläche 46A und
dem Oberflächenabschnitt 47B verläuft. Der
Oberflächenabschnitt 47B liegt dem
Magneten 48 näher
als die Oberfläche 46A,
und der Oberflächenabschnitt 47D liegt
dem Magneten 48 näher
als die Oberflächenabschnitte 47B.
In gleicher Weise ist ein gekrümmter
Oberflächenabschnitt 47E vorgesehen,
der die Oberfläche 46B mit
einem ebenen Oberflächenabschnitt 47F verbindet,
der parallel zur Oberfläche 46B verläuft und
ein gekrümmter
Oberflächenabschnitt 47G verbindet
den Oberflächenabschnitt 47F mit
einem ebenen Oberflächenabschnitt 47H,
der parallel zur Oberfläche 46B und
zum Oberflächenabschnitt 47F verläuft. Der
Oberflächenabschnitt 47F liegt
weiter vom Magneten 50 ab als die Oberfläche 46B und
der Oberflächenabschnitt 47H liegt
weiter vom Magneten 50 ab als der Oberflächenabschnitt 47F.
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Im
Betrieb strömt
das Fluid von der Hochdruckzone 60 nach der Niederdruckzone 62 über die Dichtung 150.
Das Fluid strömt
anfänglich
in Richtung des Pfeiles A längs
der Oberfläche 46A der Dichtungsrippe 46 nach
der Spitze 47 der Dichtungsrippe 46. Das Fluid
wird durch den gekrümmten Oberflächenabschnitt 47A der
Spitze 47 gerichtet, um von der Oberfläche 46A nach dem Magneten 48 zu
strömen.
Außerdem
richtet der gekrümmte
Oberflächenabschnitt 47C der
Spitze 47 das Fluid von dem Oberflächenabschnitt 47B weg
nach dem Jochabschnitt 54A.
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Diese
Ablenkung der Fluidströmung
nach dem Magneten 48 erhöht den Hub zwischen der Dichtungsrippe 46 und
dem Magneten 48 und dem Joch 54. In gleicher Weise
strömt
das Fluid in Richtung der Pfeile B längs der Oberfläche 47H der
Spitze 47 der Dichtungsrippe 46 nach der Oberfläche 46B der
Dichtungsrippe 46. Das Fluid wird so gerichtet, dass es
von der Oberfläche 47H durch
den gekrümmten
Oberflächenabschnitt 47G der
Spitze 47 weg nach dem Magneten 50 geleitet wird.
Zusätzlich richtet
der gekrümmte
Oberflächenabschnitt 47E der Spitze 47 das
Fluid von dem Oberflächenabschnitt 47F weg
nach dem Jochabschnitt 54B. Diese Ausrichtung des Fluid
nach dem Magneten 50 erhöht den Auftrieb zwischen der
Dichtungsrippe 46 und dem Magneten 50 und dem
Joch 54. Der Grund dafür
besteht darin, dass die Fluidgeschwindigkeit in einem kleinen Zwischenspalt
größer ist
als die Fluidgeschwindigkeit in einem großen Zwischenspalt bei der gleichen
Massenströmung,
und daher ist die Kraft bei einem kleinen Zwischenspalt größer. Der
Zwischenspalt liegt in der Größenordnung
von 80 μm
in der Breite und er ist 10 mm lang.
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Bei
der vorstehenden Beschreibung wurde eine gestufte Dichtungsrippe
für die
Magnetdichtung beschrieben. Es ist jedoch in gleicher Weise möglich, das
Prinzip auf eine Luftdichtung (nicht gemäß der Erfindung), auf eine
Bürstendichtung
und eine Labyrinthdichtung auszudehnen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Bezug mit der Benutzung einer federnden
oder schwenkbaren Lagerung der Verbindung zwischen den Dichtungsstegen
mit dem feststehenden Aufbau beschrieben, jedoch können auch
andere geeignete Verfahren benutzt werden.