DE602005000026T2

DE602005000026T2 - Dichtungsanordnung für die Hochdruckturbine einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE602005000026T2
Application number: DE602005000026T
Authority: DE
Inventors: Daniel Georges Plona; Guy Franck Paul Dussere-Telmon
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2004-01-12
Filing date: 2005-01-04
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-01-05
Also published as: JP4444842B2; CA2493065C; RU2005100808A; FR2865012A1; EP1564455A1; UA85539C2; RU2296866C2; FR2865012B1; US20050151324A1; CA2493065A1; US7290769B2; EP1564455B1; DE602005000026D1; JP2005201445A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Dichtungsvorrichtungen, die dazu bestimmt sind, die Durchlaßquerschnitte zwischen unterschiedlichen Hohlräumen einer Turbomaschine, beispielsweise im Bereich ihrer Hochdruckturbine zu verringern.
In den heißen Teilen einer Turbomaschine sind die Dichtungsvorrichtungen hohen Spielschwankungen ausgesetzt, die aus allgemeinen Relativbewegungen im Bereich der Gehäuse sowie aus thermischen Verzerrungen resultieren. Insbesondere dann, wenn eines der zu dichtenden Teile der Turbomaschine sektorisiert ist, wie dies vor allem bei den Leitschaufelstufen der Hochdruckturbine der Fall ist, ist der Wirkungsbereich der Dichtungsvorrichtung unterbrochen, und die nicht sektorisierten Dichtungen werden unwirksam.
Es gibt unterschiedliche Typen von Dichtungen, welche die Dichtigkeit im Bereich der heißen Teile einer Turbomaschine gewährleisten. Beispielsweise sind aus den Patenten US 4,781,388 , US 5,480,162 und US 6,170,831 sogenannte Bürstendichtungen bekannt, die aus einer Vielzahl von Borsten oder Drähten, zum Beispiel aus Metall, bestehen, die an einem ihrer Enden umgelegt oder verschweißt und in einer Aufnahme gehalten sind und die an ihren freien Enden mit der Fläche des zu dichtenden Teils der Turbomaschine in Kontakt sind. Derartige Bürstendichtungen ermöglichen auf diese Weise eine Anpassung an die Spielschwankungen, denen die Dichtungsvorrichtungen ausgesetzt sind. Denn die Borsten einer Bürstendichtung passen sich bauartbedingt an die verformten oder unterbrochenen Flächen des zu dichtenden Teils an.
Bei statischen Anwendungen, deren Relativbewegungen des zu dichtenden Bereichs gering sind, ist bekannt, Bürstendichtungen auszubilden, deren Borsten eine radiale oder axiale Anordnung aufweisen. Ein Beispiel für eine statische Anwendung ist in dem Dokument US-A-5265412 gezeigt. Wenn die Relativbewegungen erheblich sind, ist es hingegen vorteilhaft, eine Zwischenanordnung zu verwenden, bei der die Borsten der Bürstendichtung gebogen sind, wie in dem Patent US 6,059,526 ; dies ermöglicht, die Borsten über eine große Länge auf Biegung zu beanspruchen.
Bei statischen Anwendungen weist die Bürstendichtung jedoch einige Nachteile auf. Die Gesamtdurchlässigkeit der sie bildenden Borsten ist nämlich zu hoch, um eine wirklich effiziente Abdichtung zu realisieren. Diese Feststellung bestätigt sich besonders bei Metallborsten, deren Durchmesser über 75 Mikrometer bleiben muß, um akzeptable mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Drücken, denen sie ausgesetzt sind, zu bewahren.
Ebenso sind gebogene Bürstendichtungen nicht vollkommen zufriedenstellend. Ihre Gesamtdurchlässigkeit ist insbesondere immer noch zu hoch, um eine perfekte Dichtigkeit des zu dichtenden Bereichs zu gewährleisten. Des weiteren bieten gebogene Bürstendichtungen, wenn die zu dichtende Fläche Unterbrechungen und/oder Verformungen aufweist, die vor allem auf radiale und/oder axiale Relativbewegungen zwischen den Teilen des zu dichtenden Bereichs der Turbomaschine bedingt sind, nicht die Möglichkeit, diesen unterschiedlichen geometrischen Unregelmäßigkeiten zu folgen, wodurch unter den Bürsten erhebliche Leckagequerschnitte erzeugt werden.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, derartige Nachteile durch Vorschlagen einer Dichtungsvorrichtung zu beheben, die eine relativ geringe Gesamtdurchlässigkeit aufweist und die in der Lage ist, sich den Unterbrechungen und/oder den Verformungen der zu dichtenden Fläche anzupassen.
Zu diesem Zweck ist eine Dichtungsvorrichtung zwischen zwei statischen Teilen einer Turbomaschine vorgesehen, um zwei Räume mit unterschiedlichen Drücken zu trennen, umfassend eine Bürstendichtung, die von einer Vielzahl elastischer Dichtungsborsten gebildet ist, die wenigstens teilweise in einer Aufnahme von einem der statischen Teile gehalten sind, wobei jede Borste einen Hauptteil und einen Nebenteil hat, die durch einen gebogenen Teil verbunden sind, wobei der Hauptteil der Borsten wenigstens teilweise in der Aufnahme gehalten ist, wobei der Nebenteil der Borsten ein freies Ende hat, das zur Außenseite der Aufnahme vorsteht, so daß ein dichter Kontakt mit einer zu dichtenden Fläche des anderen statischen Teils sichergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine flexible Schale mit gebogenem Querschnitt aufweist, die den Hauptteil der Borsten der Bürstendichtung wenigstens teilweise umschließt und die ein freies Ende aufweist, das sowohl an dem freien Ende des Nebenteils der Borsten der Bürstendichtung als auch an der zu dichtenden Fläche in Anlage ist, so daß das freie Ende des Nebenteils der Borsten der Bürstendichtung permanent in Kontakt mit der zu dichtenden Fläche ist.
Der Teil der flexiblen Schale, der an dem freien Ende der Bürstendichtung in Anlage ist, ermöglicht, dieses freie Ende der Borsten permanent in Kontakt mit der zu dichtenden Fläche zu halten. Darüber hinaus erhöht der Teil der Schale, der an der zu dichtenden Fläche in Anlage ist, die Gesamtdichtigkeit der Dichtungsvorrichtung. Da diese Schale flexibel ist, ermöglicht sie außerdem, die radialen und/oder axialen Relativbewegungen zwischen den statischen Teilen zu kompensieren, so daß die Dichtungsvorrichtung den verschiedenen geometrischen Unregelmäßigkeiten der zu dichtenden Fläche folgt.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung weist die flexible Schale der Dichtungsvorrichtung einen gebogenen Querschnitt auf, der im wesentlichen die Form eines Omega (ϖ) hat.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist das freie Ende der flexiblen Schale, das an dem freien Ende des Nebenteils der Borsten der Bürstendichtung und an der zu dichtenden Fläche in Anlage ist, auf der Seite des Raumes mit dem geringsten Druck angeordnet.
Nach einem noch weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung umfaßt die Dichtungsvorrichtung ferner einen Ring zum Halten des Hauptteils der Borsten der Bürstendichtung in der Aufnahme des statischen Teils.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, die ein Ausführungsbeispiel hiervon ohne jeden einschränkenden Charakter darstellen. In den Figuren zeigen:
1 eine Axialschnittansicht einer erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung, die in einer Aufnahme eines statischen Turbomaschinenteils gehalten ist;
2, im Axialschnitt, einen Turbomaschinenbereich, der mit der Dichtungsvorrichtung der 1 ausgestattet ist; und
3 die Verformung der Dichtungsvorrichtung der 1, wenn die zu dichtende Fläche eine Unterbrechung aufweist.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform
Die 1 bis 3 veranschaulichen im Axialschnitt eine Dichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung. In diesen Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 2 und 4 einen ersten bzw. einen zweiten statischen Teil einer Turbomaschine mit der Längsachse X-X. Diese beiden statischen Teile 2, 4 können beispielsweise Elemente einer Hochdruckturbine der Turbomaschine sein. Unter statisch versteht man, daß diese zwei Teile als feststehend betrachtet werden, daß sie aber trotzdem radiale und/oder axiale Relativbewegungen erfahren können.
Die Dichtungsvorrichtung 6 ist in einer Aufnahme 8 des ersten statischen Teils 2 der Turbomaschine angeordnet. Alternativ hierzu könnte die Dichtungsvorrichtung in einer Aufnahme des zweiten statischen Teils 4 positioniert sein. Diese Vorrichtung 6 ermöglicht, eine Abdichtung zwischen zwei Räumen P1 und P2 der Turbomaschine herzustellen, wobei der Druck des Raumes P2 beispielsweise geringer als der Druck des Raumes P1 ist.
Die Dichtungsvorrichtung 6 besteht vor allem aus einer Bürstendichtung 10, die von einer Vielzahl von Borsten oder Drähten gebildet ist. Die Borsten können aus einer Wicklung von Metallfasern oder Fasern aus Verbundwerkstoff gefertigt sein. An einem ihrer Enden 12 sind diese Borsten herkömmlicherweise, beispielsweise durch Schweißen, um eine Achse Y herum gelegt. An ihrem gegenüberliegen Ende 14 sind die Borsten frei und befinden sich in dichtem Kontakt mit einer zu dichtenden Fläche 16 des zweiten statischen Teils 4 der Turbomaschine.
Genauer gesagt weist jede Borste der auf diese Weise gebildeten Bürstendichtung 10 einen Hauptteil 10a und einen Nebenteil 10b auf, die durch einen gebogenen Teil 10c miteinander verbunden sind. Die Borsten des Hauptteils 10a sind wenigstens teilweise in der Aufnahme 8 des ersten statischen Teils 2 der Turbomaschine gehalten, und die Borsten des Nebenteils 10b stehen zur Außenseite dieser Aufnahme vor, so daß sie im Bereich ihres freien Endes 14 einen dichten Kontakt mit der zu dichtenden Fläche 16 gewährleisten.
Gemäß der Erfindung umfaßt die Dichtungsvorrichtung 6 ferner eine flexible, beispielsweise metallische Schale 18 mit gebogenem Querschnitt, die den Hauptteil 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 wenigstens teilweise umschließt und die ein freies Ende 20 aufweist, das sowohl an dem freien Ende 14 des Nebenteils 10b der Borsten der Bürstendichtung 10 als auch an der zu dichtenden Fläche 16 in Anlage ist.
Das freie Ende 20 der Schale 18 ermöglicht auf diese Weise, das freie Ende 14 des Nebenteils 10b der Borsten permanent in Kontakt mit der zu dichtenden Fläche 16 zu halten. Des weiteren erhöht das freie Ende 20 der Schale 18, da dieses an der zu dichtenden Fläche 16 in Anlage ist, die Gesamtdichtigkeit der Dichtungsvorrichtung 6.
Vorzugsweise ist ein Haltering 22 vorgesehen, um den Hauptteil 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 in der Aufnahme 8 des ersten statischen Teils 2 zu halten. Dieser Haltering 22 ist in einer der Wände der Aufnahme 8 des ersten statischen Teils 2 befestigt. Es kann auch ein C-förmiger Ring 24 vorgesehen sein, der das umgelegte Ende 12 der Borsten der Bürstendichtung 10 wenigstens teilweise umgibt und der mittels des Halterings 22 in der Aufnahme 8 gehalten ist.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung weist die flexible Schale 18 einen Querschnitt auf, der im wesentlichen die Form eines Omega (ϖ) aufweist. Ein erster Zipfel dieses Omega umgibt wenigstens teilweise das umgelegte Ende 12 der Borsten der Bürstendichtung 10.
Zur Innenseite der Aufnahme 8 hin setzt sich der erste Zipfel 26 durch einen ersten Schenkel 28 fort, von dem ein Abschnitt 28a den Außenkonturen des Hauptteils 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 folgt. Um eine gewisse axiale Biegung der Borsten der Bürstendichtung 10 zuzulassen, wenn die Dichtungsvorrichtung 6 auf eine axiale Unterbrechung im Bereich der zu dichtenden Fläche 16 trifft, ist ein weiterer Abschnitt 28b des ersten Schenkels 28 nicht mit dem Hauptteil 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 in Kontakt und bildet so mit diesem Teil der Borsten ein hinteres Spiel J1 aus.
Zur Außenseite der Aufnahme 8 hin setzt sich der erste Zipfel 26 durch einen zweiten Schenkel 30 fort, von dem ein Abschnitt 30a ebenfalls den Außenkonturen des Hauptteils 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 folgt. Ebenso ist auch hier, um eine gewisse axiale Biegung der Borsten zuzulassen, ein weiterer Abschnitt 30b des zweiten Schenkels 30 nicht mit dem Hauptteil 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 in Kontakt.
Die flexible Schale 18 in Omega-Form weist einen zweiten Zipfel 32 auf. Dieser zweite Zipfel 32 ist in radialer Anlage an dem Haltering 22, der an der Aufnahme 8 des ersten statischen Teils 2 befestigt ist. Zur Innenseite der Aufnahme 8 hin setzt sich der zweite Zipfel 32 durch einen dritten Schenkel 34 fort, der mit dem zweiten Schenkel 30 verbunden ist. Zur Außenseite der Aufnahme 8 hin setzt sich der zweite Zipfel 32 durch einen vierten Schenkel 36 fort, dessen freies Ende 20 sowohl an dem freien Ende 14 des Nebenteils 10b der Borsten der Bürstendichtung 10 als auch an der zu dichtenden Fläche 16 in Anlage ist. Ein vorderes Spiel J2 wird darüber hinaus zwischen diesem freien Ende 20 und dem dritten Schenkel 34 ausgebildet.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist dieses freie Ende 20 der flexiblen Schale 18 (das auch das freie Ende des vierten Schenkels 36 ist) auf der Seite des Raumes P2 mit dem geringsten Druck angeordnet.
Auf diese Weise ermöglicht die flexible Schale 18 und insbesondere deren freies Ende 20, zu verhindern, daß sich das freie Ende 14 des Nebenteils 10b der Borsten der Bürstendichtung 10 unter der Wirkung des Druckunterschiedes zwischen den Räumen P1 und P2 radial in Richtung des Raumes P2 biegt. Denn eine solche radiale Biegung des freien Endes der Borsten der Bürstendichtung würde zu einem „Abheben" der Borsten der Bürstendichtung führen, die dann nicht mehr mit der zu dichtenden Fläche in Kontakt wären, wodurch die Gesamtdurchlässigkeit der Dichtungsvorrichtung erhöht würde.
Nach einem noch weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung weist der gebogene Teil 10c der Borsten der Bürstendichtung 10 einen rechten Winkel auf, so daß sich der Nebenteil 10b der Borsten der Bürstendichtung im wesentlichen senkrecht zu ihrem Hauptteil 10a erstreckt.
Weiterhin vorzugsweise ist die Bürstendichtung 10 derart angeordnet, daß sich der Hauptteil 10a ihrer Borsten im wesentlichen senkrecht zur Längsachse X-X der Turbomaschine erstreckt und daß sich der Nebenteil 10b ihrer Borsten im wesentlichen parallel zu dieser gleichen Längsachse X-X erstreckt.
Es wird kurz die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung beschrieben, die klar aus dem vorhergehenden hervorgeht.
1 zeigt die Dichtungsvorrichtung 6 wenn diese sich im freien Zustand befindet, d.h. wenn der zweite statische Teil der Turbomaschine nicht angebracht ist. In dieser Ausführung liegt das freie Ende 20 der flexiblen Schale 18 gut an dem freien Ende 14 des Nebenteils 10b der Borsten der Bürstendichtung 10 an. Das freie Ende 20 der Schale 18 ragt zudem gegenüber dem freien Ende 14 des Nebenteils 10b der Borsten leicht axial vor.
Wenn der zweite statische Teil 4 der Turbomaschine axial gegen den ersten statischen Teil 2 gedrückt wird (normale Einsatzausführung – 2), wird die flexible Schale 18 und insbesondere der vierte Schenkel 36 axial verformt, so daß sich das vordere Spiel J2' im Vergleich zu der Ausgestaltung der Dichtungsvorrichtung im freien Zustand verringert (J2' < J2).
Ebenso verformt sich der Hauptteil 10a der Borsten der Bürstendichtung 10 axial zur Innenseite der Aufnahme 8, wodurch es zu einer Verringerung des hinteren Spiels J1' kommt (J1' < J1). Man wird feststellen, daß somit die flexible Schale 18 im Bereich ihres freien Endes 20 gut an der zu dichtenden Fläche 16 anliegt, was zur Erhöhung der Gesamtdichtigkeit der Vorrichtung 6 beiträgt.
Da die Schale 18 darüber hinaus in Anlage an der zu dichtenden Fläche 16 ist, ist es somit möglich, die Dichtungsvorrichtung 6 in Kontakt mit der zu dichtenden Fläche 16 zu halten, vor allem dann, wenn diese Unterbrechungen und/oder Verformungen aufweist. Diese Ausbildung ist anhand von 3 veranschaulicht.
In dieser Figur trifft die Dichtungsvorrichtung 6 auf eine axiale Unterbrechung im Bereich der zu dichtenden Fläche 16, welche durch das Spiel J3 dargestellt ist. Eine solche Unterbrechung J3 kann aus einer axialen Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten statischen Teil 2, 4 der Turbomaschine resultieren. Sie kann auch durch erhebliche Wärmeverformungen im Bereich eines dieser statischen Teile 2, 4 erzeugt werden.
In dieser Situation bleibt das freie Ende 12 der Borsten der Bürstendichtung 10 gut in dichtem Kontakt mit der zu dichtenden Fläche 16. Ermöglicht wird dies dank der Flexibilität der Borsten der Bürstendichtung, die sich – im Vergleich zur ihrer normalen Einsatzausführung (2) – im Bereich ihres Hauptteils 10a leicht zur Außenseite der Aufnahme 8 verformen. Auf diese Weise wird das hintere Spiel J1'' im Vergleich zu der normalen Einsatzausführung erneut vergrößert (J1'' > J1').
Die Flexibilität der Schale 18 ermöglicht der Dichtungsvorrichtung 6, ihre normale Einsatzposition (2) wieder einzunehmen, wenn die axiale Unterbrechung der zu dichtenden Fläche 16 nicht mehr vorliegt. Denn sobald die axiale Unterbrechung verschwunden ist, nehmen die Borsten des Hauptteils 10a der Bürstendichtung 10 durch elastische Wirkung wieder ihre Ausgangsform (2) an.
Auf diese Weise folgt die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung 6 perfekt den unterschiedlichen Verformungen und/oder Unterbrechungen, auf die sie im Bereich der zu dichtenden Fläche 16 treffen kann. Das freie Ende 14 der Borsten der Bürstendichtung 10 ist ständig mit der zu dichtenden Fläche in Kontakt, um eine perfekte Abdichtung zwischen den zwei statischen Teilen der Turbomaschine zu gewährleisten.

Claims

Dichtungsvorrichtung zwischen zwei statischen Teilen (2, 4) einer Turbomaschine, um zwei Räume (P1, P2) mit unterschiedlichen Drücken zu trennen, umfassend eine Bürstendichtung (10), die von einer Vielzahl elastischer Dichtungsborsten gebildet ist, die wenigstens teilweise in einer Aufnahme (8) von einem der statischen Teile (2) gehalten sind, wobei jede Borste einen Hauptteil (10a) und einen Nebenteil (10b) hat, die durch einen gebogenen Teil (10c) verbunden sind, wobei der Hauptteil (10a) der Borsten wenigstens teilweise in der Aufnahme (8) gehalten ist, wobei der Nebenteil (10b) der Borsten ein freies Ende (14) hat, das zur Außenseite der Aufnahme (8) vorsteht, so daß ein dichter Kontakt mit einer zu dichtenden Fläche (16) des anderen statischen Teils (4) sichergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine flexible Schale (18) mit gebogenem Querschnitt aufweist, die den Hauptteil (10a) der Borsten der Bürstendichtung (10) wenigstens teilweise umschließt und die ein freies Ende (20) aufweist, das sowohl an dem freien Ende des Nebenteils (10b) der Borsten der Bürstendichtung (10) als auch an der zu dichtenden Fläche (16) in Anlage ist, so daß das freie Ende (14) des Nebenteils (10b) der Borsten der Bürstendichtung (10) permanent in Kontakt mit der zu dichtenden Fläche (16) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Schale (18) einen gebogenen Querschnitt aufweist, der im wesentlichen die Form eines Omega hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (20) der flexiblen Schale (18), das an dem freien Ende (14) des Nebenteils (10b) der Borsten der Bürstendichtung (10) und an der zu dichtenden Fläche (16) in Anlage ist, auf der Seite des Raumes (P2) mit dem geringsten Druck angeordnet ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Ring (22) zum Halten des Hauptteils (10a) der Borsten der Bürstendichtung (10) in der Aufnahme (8) des statischen Teils (2) umfaßt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gebogene Teil (10c) der Borsten der Bürstendichtung (10) einen rechten Winkel aufweist, so daß sich der Nebenteil (10b) der Borsten der Bürstendichtung im wesentlichen senkrecht zum Hauptteil (10a) der Borsten der Bürstendichtung erstreckt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstendichtung (10) derart angeordnet ist, daß sich der Hauptteil (10a) der Borsten im wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse (X-X) der Turbomaschine erstreckt und daß sich der Nebenteil (10b) der Borsten im wesentlichen parallel zur Längsachse (X-X) der Turbomaschine erstreckt.