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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen und insbesondere
auf Dichtungen, die zwischen einem ruhenden Teil und einem rotierenden
Teil angeordnet werden, beispielsweise zur Abdichtung einer Welle
in einem Triebwerk.
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Bei
Gasturbinentriebwerken werden Dichtungen und insbesondere Luftdichtungen
zwischen den ruhenden und den rotierenden Bauteilen benötigt. Im
typischen Fall verhindern die Dichtungen das Fließen eines
Kühlluftleckstroms
aus Bereichen hohen Druckes nach Bereichen von niedrigem Druck. Natürlich müssen diese
Dichtungen in der Lage sein, den Differenzdrücken über der Dichtung zwischen dem
Bereich hohen Druckes auf der einen Seite und dem Bereich niedrigen
Druckes auf der anderen Seite standzuhalten. Außerdem kann es beträchtliche Anpassungs-
und Packungsprobleme innerhalb eines Triebwerks in Bezug auf den
verfügbaren
Raum geben, um die Dichtung einbauen zu können, aber nichtsdestoweniger
wird eine gute Abdichtung gefordert, während rotierende Bauteile auswandern
und während
des Betriebes einer Fehlausrichtung unterworfen sind.
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Früher wurden
Labyrinthdichtungen und Bürstendichtungen
benutzt. Ein Ausführungsbeispiel einer
Labyrinthdichtung zeigt die britische Patentschrift 803452. Die
in der
GB 803452 beschriebene Labyrinthdichtung
ist schraubenförmig
mit Faltungen derart ausgebildet, dass die Dichtung in ein Gehäuse eingeschraubt
werden kann und eine rotierende Welle im Windungskern der Schraube
gehalten wird. Die Knicklinien der Faltungen bewirken eine gewisse Verstärkung, aber
nichtsdestoweniger kann die Welle bei Auswandungen und Fehlausrichtungen
angreifen, und hierdurch wird die Nutzung der so angeordneten Dichtung
vermindert. Eine Bürstendichtung umfasst
im Wesentlichen Borsten, die sich nach dem relativ dazu rotierenden
Bauteil erstrecken und die gewünschte
Dichtung bewirken, aber sie sind einer Abnutzung unterworfen und
sie bewirken keine ideale Dichtung/Abstützung für das rotierende Bauteil im Betrieb.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Dichtung vorgesehen, die einen Rand aufweist, der im Betrieb dicht
benachbart zu einer relativ hierzu rotierenden Oberfläche gehalten
wird, wobei der Rand durch Knicklinien verstärkt wird, die sich von dem
Rand her erstrecken, wobei die Dichtung dadurch gekennzeichnet ist,
dass eine gewünschte
Verteilung von Perforationen über
dem Rand vorgesehen ist, um eine Differenzluftdruck-Einstellung über dem
Rand zu ermöglichen,
wenn die rotierende Oberfläche
relativ zum Rand rotiert und die rotierende Oberfläche auf
einem erhöhten
Rückdruck
reitet, der durch einen Luftleckstrom durch die Perforationen erzeugt
wird.
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Alternativ
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Dichtung vorgesehen, die einen Rand aufweist, der
im Betrieb dicht benachbart zu einer rotierenden Oberfläche gehalten
wird, wobei der Rand durch Knicklinien verstärkt ist, die sich vom Rand
her erstrecken, und hierbei ist die Dichtung dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den Knicklinien der Rand Schlitze aufweist, um dem
Rand eine Flexibilität
zu verleihen, wenn dieser dicht benachbart zur rotierenden Oberfläche gehalten
wird.
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Vorzugsweise
weist die Dichtung sowohl Perforationen als auch Schlitze auf.
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Normalerweise
sind mehrere Ränder
in einem Dichtungsaufbau angeordnet, und diese Ränder werden von im Abstand
zueinander liegenden Dichtungselementen oder Dichtungsoberflächen des Dichtungsaufbaus
gebildet.
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Vorzugsweise
sind die Perforationen nach außen
vom Rand her abgestuft. Vorzugsweise sind die Perforationen, die
dem Rand näher
gelegen sind, relativ klein, verglichen mit den Perforationen, die weiter
vom Rand entfernt liegen. Im Allgemeinen werden die Perforationen
von der einen Seite nach der anderen derart konfiguriert, dass eine
Luftströmung
die erforderliche Luftdruckdifferenz über dem Rand bildet.
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Vorzugsweise
sind die Knicklinien im Winkel angestellt, um einen Ring mit dazwischen
liegenden Faltflügeln
zu bilden. Wenn die Dichtung mehr als einen Rand aufweist, dann
sind die Knicklinien in benachbart zueinander liegenden Dichtungselementen oder
-oberflächen,
die die jeweiligen Ränder
aufweisen, im Gegensinn winkelmäßig angestellt.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Schlitze im Wesentlichen senkrecht zur Hauptachse
des Randes. Im typischen Fall enden die Schlitze in einem Schlüsselloch
oder einem kreisförmigen
Ende, um die Ausbreitung von Rissen zu verhindern, die durch die
Auslenkung erzeugt werden könnten.
Vorteilhafterweise sind die Schlitze, die sich vom Rand erstrecken,
unterschiedlich lang. Normalerweise haben die Schlitze eine Länge, die
wenigstens gleich ist der Abnutzungstiefe bei Benutzung einer Dichtung.
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Im
typischen Fall verläuft
der Rand zwischen entsprechenden Knicklinien im Wesentlichen gerade. Stattdessen
kann der Rand zwischen den jeweiligen Knicklinien auch gekrümmt verlaufen.
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Es
ist möglich,
ein Versteifungselement an der Dichtung festzulegen, um jeden Rand
weiter zu verstärken.
Es ist möglich,
eine Luftablenkvorrichtung dem Rand zuzuordnen, um die Luftdruckdifferenz über dem
Rand zu verbessern. Vorzugsweise ist der Rand schraubenförmig ausgebildet
und er erstreckt sich über
mehrere Windungen, um die Dichtung zu bilden.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines
Dichtungselementes mit den folgenden Schritten: es wird ein Materialstreifen
hergenommen und in diesem werden mehrere Knicklinien angeordnet,
um einen Dichtungsrand zu bilden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist,
dass der Materialstreifen derart perforiert wird, dass sich darinnen
eine spezielle Verteilung, der Perforationen über dem Dichtungsrand für den Luftleckstrom
im Gebrauch ergibt.
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Stattdessen
kann gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren zur Erzeugung eines Dichtungselementes durchgeführt werden,
das die folgenden Schritte aufweist: es wird ein Materialstreifen hergenommen
und es werden mehrere Knicklinien in diesem angeordnet, um einen
Dichtungsrand zu erzeugen, und das Verfahren ist derart gekennzeichnet,
dass Schlitze in dem Materialstreifen ausgebildet werden, die sich
bei der erzeugten Dichtung vom Dichtungsrand erstrecken, um jenen
Dichtungsrand flexibler zu gestalten.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren sowohl die Herstellung von Perforationen als
auch die Herstellung von Schlitzen in dem Materialstreifen, um die Dichtung
zu definieren.
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Vorzugsweise
sind die Enden des Materialstreifens miteinander verschweißt oder
auf andere Weise verbunden, um einen Ring herzustellen.
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Normalerweise
werden die Perforationen derart angeordnet, dass eine größenmäßige Abstufung
vom Dichtungsrand weg erfolgt. Im typischen Fall sind die Perforationen,
die dem Rand näher
liegen, kleiner als jene an entfernt hiervon liegenden Stellen.
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Es
ist möglich,
die Perforationen mit einer unterschiedlichen numerischen Dichte
anzuordnen und ihre Größenabmessungen
an Stellen relativ zum Rand verschieden zu gestalten.
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Im
typischen Fall sind mehrere Dichtungselemente in Ausrichtung zueinander
angeordnet, um einen Dichtungsaufbau zu erzeugen. Es ist möglich, Abstandselemente
zwischen benachbarte Dichtungselemente einzufügen.
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Normalerweise
wird jedes Dichtungselement in einer Ausnehmung oder Öffnung festgelegt,
um den Dichtungsaufbau zu erzeugen.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt
einen Materialstreifen, auf dem die Knicklinien der Falten gemäß der Erfindung
eingezeichnet sind;
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Teil der Dichtung, die als Ring ausgebildet
ist;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht von mehreren im Abstand zueinander
angeordneten Dichtungselement-Oberflächen, die einen Dichtungsaufbau
bilden;
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Dichtungselementes,
wobei vergrößert ein
Randabschnitt der Dichtung dargestellt ist und wobei die Position
erster Perforationen und die Position zweiter Perforationen relativ
zu jenem Dichtungsrand dargestellt sind;
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5 ist
eine teilschematische Darstellung einer abgewandelten Dichtungsanordnung
gemäß der Erfindung;
und
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6 ist
eine schematische Schnittansicht eines Dichtungsaufbaus.
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1 veranschaulicht
einen Materialstreifen 1 aus Stahl oder aus einer Nickellegierung,
aus dem eine erfindungsgemäße Dichtung
geformt wird. Der Materialstreifen 1 wird gefaltet, indem
eine Gruppe von Vorwärtsknicklinien 2 und
eine Gruppe von Rückwärtsknicklinien 3 erzeugt
wird, derart, dass die um diese Knicklinien 2, 3 gebildeten
Faltungen einen Ring oder eine Scheibe bilden, die im Betrieb um
eine rotierende Welle oder auf dieser angeordnet werden. Es ist
klar, dass die Wahl der Winkel θ1 und θ2 für
die Knicklinien 2, 3 und daher die Falten im Materialstreifen 1 im
Wesentlichen die Krümmung
des erzeugten Ringes bestimmen. Außerdem wird durch Vergrößerung der
Zahl der Falten, die durch die Knicklinien 2, 3 erzeugt
werden, eine bessere iterative Krümmung des Materialstreifens 1 bewirkt,
und daher nähert
sich der innere Dichtungsrand 4 der gewünschten Krümmung zur Übereinstimmung mit der Krümmung des rotierenden
Bauteils. Kurz gesagt, erscheint in Seitenansicht des Materialstreifens 1 die
erfindungsgemäße Dichtung,
die durch Knickung um die Knicklinien 2, 3 hergestellt
wurde. Wie in der Zeichnung dargestellt, befindet sich der Dichtungsrand 4 am
inneren Umfang. Es ist jedoch klar, dass dann, wenn die Dichtung
auf dem rotierenden Bauteil montiert wird, der Außenrand
den Dichtungsrand bilden würde.
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Der
Innenrand 4 bildet, wie oben beschrieben, einen Dichtungsrand
im Betrieb, während
der äußere Rand 5 betriebsmäßig in einem
Gehäuse festgelegt
ist, um die Dichtung zu positionieren. Diese Positionierung hat
im Allgemeinen die Form einer Ausnehmung oder einer Nut im Gehäuse, aus
der der Materialstreifen 1 und demgemäß die Dichtung nach innen vorsteht,
um den Rand 4, wie erforderlich, als Dichtungsrand zu präsentieren.
Der Bereich zwischen den Knicklinien 2, 3 und
demgemäß die Falten im
Materialstreifen 1 können
als Flügel
definiert werden, die durch die Knicklinien 2, 3 verstärkt werden, um
die Dichtung im Betrieb genügend
nachgiebig zu gestalten. Eine geeignete Verstärkung ist notwendig, da die
Dichtungselemente aus Abschnitten oder Streifen aus Folienmaterial 1 hergestellt
werden. Eine derartige Folie ist dünn, damit sie nachgiebig, wie
für eine
Dichtung gefordert, wird, aber sie würde allein nicht den Luftdruckdifferenzen
widerstehen können,
die darüber
liegen, und sie würde
verzerrt.
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Die
vorliegende Erfindung schafft im Wesentlichen eine Luftdichtung
zwischen den ruhenden und rotierenden Teilen. Es ist klar, dass
in gewissen Bereichen eines Triebwerks die Schwierigkeit besteht,
den Spalt zwischen den ruhenden und rotierenden Teilen einzustellen,
aber nichtsdestoweniger ist dabei ein relativ hoher Dichtungsgrad
erforderlich. Ein Beispiel einer solchen Dichtungsanordnung besteht für die hochkomprimierte
Luft der letzten Kompressorstufe nach der ersten Stufe einer Turbine,
um eine Kühlung
der Laufschaufeln bei einem Strahltriebwerk zu bewirken. Im Idealfall
sollten die Dichtungen relativ steif sein, um der Luftdruckdifferenz über der
Dichtung widerstehen zu können,
wobei der Dichtungsrand auch noch einer Fehlausrichtung des Rotors
entsprechen soll. Es ist klar, dass die Bauteile, und insbesondere
die rotierenden Bauteile, durch thermische Gradienten, durch Abnutzung,
durch Fehlen einer Ausgleichssymmetrie oder durch Auswandern versetzt
werden können.
Eine gute Dichtung sollte in der Lage sein, sich einer solchen Fehlausrichtung
anpassen zu können.
Bei der vorliegenden Erfindung wird Luft benutzt, um eine Hubkraft zu
erzeugen, die danach trachtet, die Dichtung von dem rotierenden
Teil abzuheben, während
die Knicklinien 2, 3 Falten in der Dichtung bilden,
die eine Verstärkung
und Versteifung jener Dichtung bilden, um den Luftdruckdifferenzen
widerstehen zu können,
die auf die Dichtungen im Betrieb einwirken. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Leckluftstrom benutzt, um eine Hubkraft zu erzeugen, die
den Dichtungsrand 4 von der Rotorwelle abhebt, während die Steifheit
der Dichtung im Gegensinne wirkt. Unter derartigen Umständen wird
ein voraussagbarer und gut eingestellbarer Spalt zwischen dem rotierenden Teil
und dem Dichtungsrand 4 geschaffen, der für normale
Betriebsbedingungen minimiert werden kann, der jedoch auf einen
annehmbaren Wert unter extremen Verhältnissen eingestellt werden
kann, um einen Ausfall unter anderen Umständen zu verhindern. Die tatsächliche
Verteilung der Knicklinien 2, 3 zur Herstellung
der Verstärkungsfalten
wird gemäß der gewünschten
Nachgiebigkeit und Steifheit relativ zur Durchführung gewählt.
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2 veranschaulicht
einen Abschnitt der Dichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Knicklinien 22, 23 sind vorgesehen, um der
Dichtung 20 Verstärkungsfalten
derart zu verleihen, dass ein Dichtungsrand 24 im Betrieb entsprechend
nachgiebig auf einen rotierenden Teil einwirkt. Ein Außenrand 25 wird,
wie oben beschrieben, in geeigneter Weise festgelegt, um die Dichtung 20 für den Betrieb
vorzubereiten. Diese Anordnung kann senkrecht oder unter einem Winkel
zu dem rotierenden Bauteil in einer konischen Konfiguration erfolgen.
Wie oben beschrieben, erscheint die Dichtung 20 in Seitenansicht oder
in Grundrissansicht, gestaffelt mit Flügeln 26 zwischen den
Knicklinien 22, 23, die im Winkel gegenüber dem
Rand 24 derart verlaufen, dass der Harmonika-Effekt bewirkt,
dass sich der Rand 24 seinem rotierenden Bauteil im Betrieb
annähert
und daher einen kleineren Durchmesser hat als der Außenrand 25,
der in geeigneter Weise festgelegt wird. Nichtsdestoweniger ist
es klar, dass die Ränder 24, 25 nicht
im Wesentlichen flach sind, sondern sägezahnartig ausgebildet sind
oder eine geknickte, ebene Konfiguration aufweisen. Je größer die
Zahl der Flügel 26,
desto besser ist die Krümmung
der Dichtung 20 und desto besser ist die Annäherung des Randes 24, 25 an
ein flaches, ebenes Bauteil.
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Die
Knicklinien 22, 23 bilden Falten innerhalb der
Dichtung 20, die eine Verstärkung bewirken. Es ist klar,
dass, wie durch die strichlierten Linien 27 dargestellt,
eine partielle oder keilförmige
Faltung in der Dichtung 20 vorgesehen werden kann, die
sich nicht von einem Rand 25 nach dem anderen Rand 24 oder umgekehrt
erstreckt, um eine weitere Verstärkung
zu bewirken, wenn dies erforderlich ist. Außerdem können, wo dies möglich ist,
in Umfangsrichtung verlaufende Verstärkungsrippen oder Faltungen
vorgesehen werden, die als strichlierte Linien 28 dargestellt sind
und eine Verstärkung
bewirken. Diese in Umfangsrichtung verstärkenden Rippen oder Faltungen 28 können sich
in einzelnen Flügeln 26 oder über den vollständigen Umfang
der Dichtung 20 erstrecken. Alternativ zu den Keilen 27 oder
Rippen 28 könnten Faltungen
in der Dichtung 20 die Form getrennter Verstärkungskeile
oder Rippenkomponenten haben, die in geeigneter Weise an der Dichtung 20 festgelegt sind.
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Eine
gemäß der Erfindung
ausgebildete praktische Dichtung umfasst allgemein eine Anzahl von
im Abstand zueinander angeordneten Dichtungsoberflächen oder
-elementen in einem Dichtungsaufbau. Demgemäß zeigt 3 eine schematische
perspektivische Ansicht mit im Abstand zueinander angeordneten Dichtungsoberflächen 31, 32, 33, 34,
die im Wesentlichen derart aufeinander ausgerichtet sind, dass sich
ein Kern 35 durch die Dichtungsoberflächen 31, 32, 33 erstreckt,
in dem ein rotierendes Bauteil im Betrieb angeordnet werden kann.
Die im Abstand zueinander angeordneten Dichtungsoberflächen 31, 32, 33 umfassen
jeweils Knicklinien 36, 37, wie oben erwähnt, um
eine Ringdichtungsoberfläche 31, 32, 33, 34 aus
einem geeigneten Materialstreifen zu schaffen, der Falten besitzt, um
Knicklinien in den Oberflächen 31, 32, 33, 34 zu bilden.
Diese Knicklinien 36, 37 erzeugen, wie vorstehend
erwähnt,
Falten in den Oberflächen 31, 32, 33, 34,
um eine Verstärkung
zu bewirken. Wie aus 3 ersichtlich, sind die Knicklinien 36, 37 in
benachbarten Oberflächen 31, 22, 33, 34 im
Winkel gegeneinander angestellt, d.h. die Knicklinien 36, 37 in
einer Oberfläche 31 haben
eine im Wesentlichen im Gegenuhrzeigersinn verlaufende Winkelstrahlenanordnung
vom Dichtungsrand 38 im Vergleich mit der benachbarten
Dichtungsoberfläche 32,
die im Uhrzeigersinn gerichtete radial verlaufende Winkelknicklinien 36, 37 aufweist.
Es ist klar, dass die radiale Winkelstellung der Knicklinien die
Erzeugung von Ringdichtungsoberflächen 31, 32, 33, 34 bewirkt.
Diese entgegengesetzt zueinander verlaufenden Verstärkungsfalten 36, 37 in
benachbarten Dichtungsoberflächen
erzeugen im Betrieb einen robusteren Dichtungsaufbau. Es ist klar,
dass die radialen Winkel für die
Knicklinien 36, 37 in den entsprechenden benachbarten
Dichtungsoberflächen 31, 32, 33, 34 auch
unterschiedlich sein können,
um unterschiedliche Verstärkungen
zu bewirken und um demgemäß an verschiedenen
Stellen des Dichtungsaufbaus erforderlichenfalls nachgiebige Stellen
zu bilden, die von den Oberflächen 31, 32, 33, 34 gebildet
werden. Benachbarte Oberflächen 31, 32, 33, 34 definieren effektiv
einen Raum, in dem sich ein Luftleckstrom ansammelt, um einen Rückdruck
zu bewirken, auf dem der rotierende Teil oder die Dichtung über den erforderlichen
Spalt dazwischen reitet.
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Wie
oben erwähnt,
hat im typischen Fall jede Dichtung 20 oder jede Dichtungsoberfläche 31, 32, 33, 34 die
Form eines Ringes, der aus einem Materialstreifen gefertigt wurde.
Nach der Verformung zu einem Ring werden die jeweiligen Enden dieses
Materialstreifens 1 durch Verschweißen oder andere geeignete Mittel
verbunden. Stattdessen kann eine Dichtung aus einer größeren Materiallänge derart hergestellt
werden, dass eine Schraubenlinie mit Abständen zwischen jeweiligen Windungen
jener Schraube erzeugt wird, so dass ein Luftdruckraum zwischen
den entsprechenden Dichtungsoberflächen der Windungen erzeugt
wird. Es ist außerdem
klar, dass bei einer schraubenlinienförmigen Konstruktion die Enden
der Schraube an einem Teil dieser Schraube angeschweißt werden
können,
um erforderlichenfalls ein im Wesentlichen flaches Ende zu schaffen.
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Wie
oben erwähnt,
wird gemäß der Erfindung
ein Luftleckstrom durch die Dichtung oder die Dichtungsoberflächen erzeugt,
um eine geeignete Dichtung im Betrieb zu erzeugen. Die Materiallänge wird
gefaltet oder plissiert, um einen Ring zu erzeugen. Die Wahl und
Anordnung des Winkels der Faltlinien bestimmt die Richtungssteifheit
der Dichtung, und so wiederum wird der ausgebildete Luftdruckabfall über der
Dichtung bestimmt und ebenso das Luftreitverhalten, das durch die
Luft erzeugt wird, die durch den Raum zwischen dem unteren Dichtungsrand
und dem rotierenden Bauteil erzeugt wird. Wenn der Luftdruck benutzt
werden soll, muss ein Luftleckstrom natürlich über die Dichtung erfolgen,
um einen Rückdruck
zu erzeugen. Wenn die Dichtung ein massives Bauteil wäre, dann
würde der
Hochdruck einfach innen durch den Spalt fließen, bis nach einer Kaskadeanordnung
von Spalten in einem Labyrintheffekt ein Rückdruck erzeugt würde, um
eine Dichtung herzustellen.
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4 veranschaulicht
schematisch die Wirkung der Dichtung 40 mit einem Dichtungsrand 44, der
sich zwischen den nicht dargestellten Faltungen erstreckt. Ein Abschnitt
des Dichtungsrandes 44 ist der Übersichtlichkeit wegen vergrößert herausgezeichnet.
In gleicher Weise sind die Abschnitte 46, 47 des
Abschnitts der Dichtung 40 in vergrößertem Maßstab herausgezeichnet, um
die Anordnung zu verdeutlichen.
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Die
Abschnitte 46 bzw. 47 zeigen, dass die Dichtung 40 eine
große
Zahl von Perforationen aufweist. Diese Perforationen machen die
Dichtung 40 für
eine Luftströmung
durchlässig
und initiieren einen Luftreiteffekt derart, dass der Rand 44 über ein
rotierendes Bauteil im Betrieb mit einem gewünschten Spalt dazwischen angehoben
wird, wobei der jeweilige Druck auf beiden Seiten der Dichtung 40 ein
Auffangen und demgemäß eine Abdichtung
von Kühlluft auf
beiden Seiten der Dichtung 40 gewährleistet, wie dies erforderlich
ist. Obgleich es eine große
Zahl von Perforationen in der Dichtung 40 gibt, verstärken die Faltungen
(nicht dargestellt) die Dichtung 40, um einen robusten
Aufbau zu gewährleisten.
Allgemein ist es erwünscht,
dass der Rand 44 relativ nachgiebig und flexibel ist, um
das Verhalten einer Bürstendichtung
nachzuahmen, wo die Borsten der Bürstendichtung wirksam einen
Vorhang schaffen, um die Hochdruckseite von der Niederdruckseite
der Dichtung abzutrennen.
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Allgemein
sind die Perforationen in der Zone 46, die dem Rand 44 näher liegen,
dichter benachbart, aber sie haben einen gleichen Durchmesser im Vergleich
mit den Perforationen in der Zone 47 an einer etwas versetzten
Stelle relativ zum Rand 44, wo die Perforationen einen
weiteren Abstand zueinander aufweisen, aber einen größeren Durchmesser
haben. Eine derartige Anordnung gewährleistet, dass der Luftleckstrom
am besten in der Nähe
des Randes 44 benutzt wird, um eine entsprechende Abdichtung zu
bewirken. Die Form der Perforationen kann rund, wie dargestellt,
oder oval, kreuzförmig
oder dreieckförmig
sein, wenn dies zweckmäßig ist.
Weiter können
Strahleinschnürungen
von einer Seite der Perforation nach der anderen Seite verlaufen,
wenn dies erforderlich ist.
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Der
Rand 44 weist vorzugsweise Schlitze 41 auf, die
sich im typischen Fall senkrecht zum Rand 44 erstrecken.
Die Schlitze 41 bewirken ein gewisses Ausmaß an Randflexibilität an der
Dichtung, um eine bessere Präsentation
in der Nähe
des relativ rotierenden Bauteils zu bewirken. Die Schlitze 41 enden
allgemein in Anschlaglöchern 42,
die eine Rissausbreitung verhindern, wenn sich die Segmente zwischen den
Schlitzen 41 im Betrieb durchbiegen. Es ist klar, dass
die Schlitze 41 und die Löcher 42 selbst einen Luftleckstrom
von einer Seite der Dichtung 40 nach der anderen Seite
durchlassen.
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Im
Idealfall weist die Dichtung 40 Perforationen und Schlitze
auf, wobei die Luftleckströme
eine Abdichtung bewirken, während
die Schlitze eine Flexibilität
am Rand gewährleisten,
um in der Nähe
des rotierenden Bauteils die Dichtung nachgiebig zu gestalten und
ein Reibungszusammenwirken mit dem rotierenden Bauteil bewirken.
Die Perforationen lassen eine Luftströmung durch die jeweiligen Dichtungsoberflächen hindurch,
um einen Raum zwischen benachbarten Oberflächen unter Druck zu setzen.
Diese Druckerzeugung bewirkt einen Luftreiteffekt auf ein rotierendes
Bauteil relativ zum Rand in ähnlicher
Weise, wie dies bei einer Bürstendichtung der
Fall ist. Die vorliegende Erfindung hat jedoch im Vergleich mit
einer Bürstendichtung
den Vorteil, dass durch geeignete Anordnung von speziellen Perforationen
die Möglichkeit
besteht, die Dichtungsoberfläche
in bestimmter Weise einzustellen, und dadurch kann der Zwischenflächenluftdruck
zwischen benachbarten Oberflächen
derart eingestellt werden, wie dies für die jeweiligen Umstände erforderlich
ist. Die Größe der Perforationen
und/oder der Schlitze ist von der jeweiligen Installation abhängig, aber
sie beträgt
im Allgemeinen 1 oder 2 Millimeter für die Perforationen und mehrere
Millimeter für
die Schlitze. Weiter wird die minimale Schlitztiefe allgemein wenigstens
so groß sein
wie die erwartete Abnutzung der Dichtung im Betrieb.
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Normalerweise
wird der Dichtungsrand flach sein, wie oben beschrieben, aber durch
eine geeignete Bearbeitung oder Abnutzung im Betrieb kann dieser
etwas gekrümmt
werden, um ihn dem rotierenden Bauteil anzupassen. Außerdem kann
der Dichtungsrand mit einem geeigneten Dichtungsmittel oder Schmiermittel überzogen
werden.
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Wie
oben erwähnt,
ist es die Erzeugung des Zwischendichtungselement-Druckes, was den
erforderlichen Luftreiteffekt gemäß der vorliegenden Erfindung
bewirkt. Demgemäß werden
wenigstens zwei Dichtungsoberflächen
gemäß der Erfindung
mit Dichtungsrändern
benutzt, aber nichtsdestoweniger kann eine einzige Dichtungsoberfläche mit
Perforationen und/oder Randschlitzen gemäß der Erfindung in Verbindung
mit einer einfachen Foliendichtung oder Bürstendichtung benutzt werden,
um die gewünschte Zwischenraumdruckerzeugung
zum Luftreiten gemäß der bevorzugten
Arbeitsweise des rotierenden Bauteils zu erzielen. Der erfindungsgemäße Dichtungsaufbau
umfasst eine Folge von axial angeordneten Dichtungsoberflächen, die
normal um das rotierende Bauteil ausgerichtet sind. Die Dichtungsoberflächen sind
in einem feststehenden Gehäuse festgelegt.
Jede Oberfläche
umfasst, wie oben beschrieben, einen gefalteten Folienstreifen mit
Knicklinien, die zur Versteifung der Folie dienen, um eine robuste
physikalische Barriere zwischen dem rotierenden Bauteil und dem
feststehenden Gehäuse
zu schaffen. Bei der Herstellung wird die gewünschte Krümmung für die Dichtung bestimmt, und
es wird ein Materialstreifen aus einer geeigneten Folie gefaltet, um
jedes einzelne Dichtungsoberflächenelement
als Ring zu erzeugen, der sich über
das rotierende Bauteil erstreckt. Allgemein werden diese Faltungen durch
ein Presswerkzeug hergestellt, das, wie erforderlich, in bestimmten
Winkelstellungen gegenüber dem
Materialstreifen wirksam wird, um Knicklinien zu erzeugen und so
eine Krümmung
auf das gewünschte
Ringformat zu erzeugen. Die Enden des Ringes werden dann in geeigneter
Weise miteinander verbunden. Es ist klar, dass die tatsächlichen
Knick- oder Faltungswinkel θ1, θ2 durch die erforderliche Krümmung bestimmt
werden, die notwendig ist, um eine Erstreckung um das rotierende
Bauteil mit der gewünschten
dichten Annäherung
und demgemäß mit einem
Spalt zwischen dem Dichtungsrand und der Oberfläche jenes rotierenden Bauteils
zu erzeugen. Da die Knicklinien außer der Erzeugung der erwünschten
Krümmung
auch eine axiale Verstärkung bewirken,
um die Dichtung zu versteifen, sollte Sorgfalt auf die benutzten
Knickwinkel θ1, θ2 gelegt werden. Normalerweise verlaufen
die Knicklinien, wie in der Zeichnung angegeben, geradlinig, jedoch
ist es auch möglich,
die Knicklinien bogenförmig
oder in Form von Pfeilköpfen über den
Materialstreifen anzubringen, wenn dies erforderlich ist, um die
gewünschte
Krümmung
und Verstärkung
herbeizuführen.
Es ist klar, dass die Knicklinien, die eine axiale Verstärkung bewirken,
der Dichtung eine gewisse radiale Nachgiebigkeit verleihen, um eine
Anpassung an Auswanderungen und Fehlausrichtungen des rotierenden Bauteils
zu ermöglichen.
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Im
typischen Fall ist der Materialstreifen ein Folienstreifen mit einer
Anzahl von Perforationen und/oder Schlitzen, und dieser kann aus
einem Folienstreifen gepresst oder geschnitten sein. Ein Rand des
Materialstreifens wird als Dichtungsrand definiert, und die Schlitze
werden in jenem Rand eingeschnitten. Außerdem sind die Perforationen
derart bemessen, dass sie eine größere Konzentration von Perforationen
in der Nähe
des Dichtungsrandes bilden. Demgemäß bewirkt im Betrieb die Luft,
die durch die Perforationen im Leckstrom fließt, die Erzeugung eines Druckes,
der bewirkt, dass die Dichtungskomponente radial von dem rotierenden
Bauteil mit einem einstellbaren minimierten Zwischenraum zwischen
dem Dichtungsrand, zwischen den Faltungen und dem rotierenden Bauteil
angehoben werden kann. Da jedes Dichtungsrandsegment zwischen den Knicklinien
im Wesentlichen gerade verläuft,
wird der Spalt direkt unter den Faltungen größer als an den dazwischen liegenden
Randpositionen.
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Es
ist eine Zahl von Techniken bekannt, um eine große Zahl kleiner Perforationen
in einer Folie zu verteilen. Diese Techniken umfassen eine Erosion,
eine Lochung und andere Verfahren. Es ist wesentlich, dass die kleinen
Perforationen die Luft durch die Dichtung hindurchtreten lassen,
um den Raum zwischen einem Dichtungselement und seinem benachbarten
Dichtungselement unter Druck zu setzen und einen Luftreiteffekt
zu erzielen, durch den das rotierende Bauteil relativ zu dem Dichtungsrand
der Dichtung positioniert wird. Die Anzahl und Verteilung der Perforationen
hängt von
den Betriebserfordernissen ab. Die Benutzung von Lasern zur Erzeugung der
Perforationen 46, 47 und der Schlitze 41 und
der Anschlaglöcher 42 erscheint
zweckmäßig. Die
Laserbiegetechnik könnte
benutzt werden, um die Faltungen 22 und 23 zu
erzeugen, und ein Laserschnitt kann benutzt werden, um eine präzise Dichtungsrandgeometrie 24, 25 zu
erzeugen.
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Die
Installation einer praktischen Dichtung erfordert die Erzeugung
einer Anzahl von Dichtungselementen, wie oben beschrieben. Diese
Elemente werden in einem Gehäuse
eines rotierenden Bauteils angeordnet. So können die einzelnen Dichtungselemente
an im Abstand zueinander liegenden Stellen in Ausnehmungen im Gehäuse angeordnet
werden. Diese Dichtungselemente können in ähnlicher Weise wie ein Sicherungsring
derart installiert werden, dass das Element mit einem geeigneten
Werkzeug auf eine schmalere Dimension zusammengedrückt und dann über der
Ausnehmung oder Nut angeordnet und in die Nut ausgeweitet wird.
Stattdessen, und normalerweise zu bevorzugen, werden Dichtungselemente
oder -oberflächen
in ein Gehäuse
eingefügt, das
einen Kernhohlraum von im Wesentlichen dem gleichen Durchmesser
wie der Außenrand
eines jeden Dichtungselementes hat, und es werden Abstandshalter
zwischen den jeweiligen benachbarten Dichtungselementen eingefügt, um einen
Dichtungsaufbau gemäß der Erfindung
zu schaffen. Es ist klar, dass im typischen Fall der Abstand zwischen
einzelnen Dichtungselementen oder -oberflächen im Wesentlichen der gleiche
axiale Abstand über
dem Dichtungsaufbau ist. Wenn jedoch unterschiedliche Abstände erforderlich
sind, können
diese vorgesehen werden, um den erforderlichen Leckluftdruck für den Luftreiteffekt
zwischen dem rotierenden Bauteil und dem Dichtungsrand zu erzeugen.
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Die
obige Beschreibung bezieht sich auf ein im Wesentlichen zylindrisches
rotierendes Bauteil in Form einer Welle, die in einem im Wesentlichen
konzentrischen Hohlraum in einem Gehäuse geführt ist. Es ist jedoch auch
möglich,
eine Dichtung gemäß der Erfindung
in Form einer Stirndichtung oder einer Konuswinkeldichtung auszubilden. 5 veranschaulicht
schematisch eine Dichtungskombination gemäß der Erfindung, die als Stirndichtung
benutzbar ist. Demgemäß sind die
jeweiligen Dichtungselemente 51, 52, 53 konzentrisch über einer
rotierenden Platte oder einem Konus 54 angeordnet. Die
Zahl der Dichtungen 51, 52, 53 wird durch
den notwendigen Dichtungseffekt bestimmt, der durch die Druckdifferenz
im Raum zwischen den Dichtungselementen 51, 52, 53 erzeugt
wird. Die Arbeitsweise eines jeden Dichtungselementes 51, 52, 53 erfolgt
wie oben beschrieben in Verbindung mit Perforationen, um einen Luftleckstrom
in dem Raum zwischen diesen Elementen 51, 52, 53 vorzusehen,
und es sind Schlitze vorgesehen, um die Oberfläche nachgiebig zu machen. Es könnte sich
ein Konus von der Ebene der Seite nach oben erstrecken, wobei die
jeweiligen Dichtungskomponenten 51, 52, 53 auf
die Oberflächenabschnitte von
jenem Konus einwirken.
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6 veranschaulicht
im Schnitt einen Dichtungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die jeweiligen Dichtungselemente oder -oberflächen 61, 62, 63, 64, 65 sind
in Kaskade derart angeordnet, dass der Raum zwischen diesen Dichtungsoberflächen 61, 62, 63, 64, 65 durch
den Luftleckstrom durch die Elemente 61, 62, 63, 64 unter
Druck gesetzt wird. Die Dichtungselemente oder -oberflächen 61, 62, 63, 64 sind
derart angeordnet, dass Abstandselemente 66 eine geeignete
Positionierung der Dichtungselemente gewährleisten, wie dies erforderlich
ist. Die Elemente 61, 62, 63, 64, 65 sind
an einem Gehäuse 67 festgelegt,
während
der Dichtungsrand einer jeden Oberfläche oder eines jeden Elementes 61, 62, 63, 64, 65 in
unmittelbarer Nachbarschaft mit einem Spalt relativ zu einem rotierenden
Bauteil 68 gehalten wird.
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Ein
Luftleckstrom tritt in den Raum zwischen den Elementen 61, 62, 63, 64 derart
ein, dass eine Dichtung durch die Druckbeaufschlagung um den Spalt
zwischen den Randdichtungen der Dichtungselemente und des rotierenden
Bauteils 68 erzeugt wird.
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Weiter
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Strömungsablenkvorrichtung 69 vorgesehen
werden, um einen Luftleckstrom durch die Dichtungsoberfläche oder
die Elemente 61 stromab in Richtung des Pfeilkopfes zu
richten. Eine derartige Luftströmungsrichtung
kann eine weitere verbesserte Dichtung und Luftreitcharakteristik
zwischen dem rotierenden Bauteil 68 und den Dichtungselementen oder
-oberflächen
bewirken.
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Obgleich
bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
Dichtungsaufbau und Dichtungselemente oder Dichtungsoberflächen am
Statorgehäuse festgelegt
sind, so ist es doch für
den Fachmann auf diesem Gebiete klar, dass die Dichtungselemente bzw.
Dichtungsoberflächen
des Dichtungsaufbaus auch an dem rotierenden Bauteil festgelegt
werden können
und demgemäß eine Bewegung
relativ zu dem Statorgehäuse
erfolgt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Luft beschrieben,
jedoch können
auch geeignete andere Fluide benutzt werden, beispielsweise flüssige Kühlmittel
könnten
in Verbindung mit der vorliegenden Dichtung Anwendung finden.
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Wie
oben beschrieben, können
die Dichtungsränder
zur Verbesserung ihrer Wirkung überzogen
oder auf andere Weise behandelt werden. So kann der Dichtungsrand
mit PTFE (Polytetyafluorethylen) oder einem Nitrid überzogen
oder behandelt werden, um die Härte
zu erhöhen,
falls dies erforderlich ist.
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Während die
vorstehende Beschreibung bestrebt ist, die Aufmerksamkeit auf jene
Merkmale der Erfindung zu richten, die von einer besonderen Wichtigkeit
sind, so ist es dennoch klar, dass die Anmelderin Schutz beansprucht
für alle
Merkmale oder Kombination von Merkmalen, wie sie in den Ansprüchen definiert
sind.