DE69414920T2

DE69414920T2 - Bürstendichtung mit schwimmenden Stützplatten und Vorrichtung mit einer derartigen Dichtung

Info

Publication number: DE69414920T2
Application number: DE69414920T
Authority: DE
Inventors: John F. Scituate Ri 02857 Short
Original assignee: EG&G Sealol Inc
Current assignee: EG&G Sealol Inc
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2014-05-21
Also published as: DE69414920D1; JPH07151235A; EP0632218B1; JP3445354B2; US5351971A; EP0632218A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bürstendichtung zum Abdichten von Hochdruckbereichen von Niederdruckbereichen und eine Vorrichtung mit Hochdruck- und Niederdruckbereichen, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13.
Eine solche Bürstendichtung ist bereits aus der Druckschrift WO 92/05378 bekannt, welche eine Dichtvorrichtung zeigt, die ein Bürstenteil umfaßt, das eine Vielzahl von Borsten einschließt, die zwischen einem Paar Halteplatten angeordnet sind. Eine Halteplatte weist zur Hochdruckseite der Dichtung, wobei die andere Halteplatte zur Niederdruckseite weist. Die freien Enden der Borsten lagern auf der Komponente, die abgedichtet werden soll. In gleicher Weise schließt die Halteplatte eine Reibungsfläche ein, die sich zu der Fläche hin erstreckt und diese Fläche kontaktiert, die abgedichtet werden soll. Die Halteplatte ist fest angeordnet und relativ zur Halteplatte unbeweglich.
In den letzten Jahren haben sich Bürstendichtungen zu einer vielversprechenden Technologie entwickelt, um Hochdruckbereiche von Niederdruckbereichen abzudichten, wie etwa bei Gasturbinen. In der Tat gibt es eine wesentliche Reduktion, in Höhe einer Größenordnung, der Bürstendichtleckage im Vergleich zur heutigen Technologie von Spaltdichtungen, wobei der Hauptnachteil der Spaltdichtungen darin liegt, daß der Zwischenraum der Dichtung um die Welle sich über die Zeit erhöht, und zwar infolge von Wellenwanderung und thermischem Wachstum. Die resultierende Zunahme von parasitärer Leckage kann bis zu 17 Prozent Leistungsverlust führen und zu 7,5% Anstieg im spezifischen Treibstoffverbrauch im Fall von Maschinen.
Ein Nachteil von derzeitigen Bürstendichtungsdesigns ist, daß der minimale Abstand zwischen der Rückplatte und der Welle mindestens so groß sein muß, um verschiedene Übergänge aufzunehmen, die die Dichtung erwartungsgemäß erfahren wird. Solche Übergänge schließen z. B. thermisches Wachstum der Welle ein, zentrifugales Wachstum der Welle, Abweichungen der Welle, thermisches Biegen der Welle nach Aufheizen, Wellenbewegungen infolge von Beschleunigung (Antriebsbeschleunigung), Wel lenvibrationen, und Exzentrizität des Dichtungsgehäuses in bezug auf die Wellenmittellinie.
Die Dichtleckage nimmt zu und die maximale Druckabdichtung der Dichtung nimmt ab, wenn der Spalt zwischen der Welle und der Rückplatte zunimmt. Aus diesem Grund wird die Dichteigenschaft verbessert, wenn die Dichtung mit einem geringeren Rückplattenabstand gefertigt werden kann.
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung gezeigt und werden zum Teil aus der Beschreibung hervorgehen oder durch Praktizieren der Erfindung verstanden werden. Die Aufgaben und weitere Vorteile der Erfindung werden durch die Vorrichtung realisiert und erhalten, die insbesondere in dem Beschreibungstext, den Ansprüchen und den Zeichnungen gezeigt ist.
Um diese und weitere Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung, wie hier breit ausgeführt und beschrieben wird, zu erhalten, wird eine Bürstendichtung zum Abdichten eines Hochdruckbereichs von einem Niederdruckbereichs bereitgestellt, sowie eine Vorrichtung mit einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich gemäß dem kennzeichnenden Merkmal der Ansprüche 1 und 13. Die Bürstendichtung umfaßt eine ringförmige Seitenplatte mit einer ersten Seite, die dem Hochdruckbereich zugewandt ist und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, eine ringförmige Rückplatte mit einer ersten Seite, die dem Niederdruckbereich zugewandt ist, und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, und einer Vielzahl von Borsten zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte und der zweiten Seite der Rückplatte. Die Rückplatte ist in Radialrichtung relativ zur ringförmigen Seitenplatte beweglich und die Vielzahl von Borsten erstrecken sich nach innen von einer Umfangskante der Seitenplatte aus.
Die Bürstendichtung kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Sicherungsscheibe zwischen der ersten Seite der Rückplatte und dem Niederdruckbereich umfassen. Die Sicherungsscheibe definiert einen Raum in der Nähe der ersten Seite der Rückplatte, wobei der Raum unter Druck steht.
Es sollte klar sein, daß sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende, detaillierte Beschreibung rein exemplarisch und explanatorisch ist und dazu dienen weitere Erklärungen der beanspruchten Erfindung bereitzustellen.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt. Die begleitenden Zeichnungen dienen für ein besseres Verständnis der Erfindung und sind Teil der Beschreibungen und zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
Fig. 1 ist eine Teilseitenansicht einer Seite einer Welle und ein radialer Querschnitt einer Bürstendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Frontansicht der Rückplatte der in Fig. 1 gezeigten Bürstendichtung;
Fig. 3 ist eine Frontansicht der Sicherungsscheibe der Bürstendichtung nach Fig. 1; und
Fig. 4 ist eine Endansicht der Bürstendichtung von der Austrittsdruckseite.
Es wird nun im Detail Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung genommen.
Wie gezeigt, ist eine Bürstendichtung 10 vorgesehen, um den Gasfluß (oder Flüssigkeitsfluß) eines Stroms entlang einer Welle 20 zu verhindern. Das Gas (oder die Flüssigkeit) wird abgedichtet, z. B. in einem Maschinengehäuse (nicht gezeigt), und hat einen Systemdruck PSystem. Der Bereich außerhalb des abgedichteten Maschinengehäuses wohin das eingeschlossene Gas entweichen will, hat einen Austrittsdruck PAustritt, wobei der Systemdruck PSystem größer als der Austrittsdruck PAustritt ist.
Die Bürstendichtung 10 umfaßt eine ringförmige Seitenplatte 30 mit einer ersten Seite, die dem Systemdruck PSystem zugewandt ist und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt und eine ringförmige Rückenplatte 40 mit einer ersten Seite, die dem Austrittsdruck PAustritt zugewandt ist und eine zweite Seite gegenüberliegend der ersten Seite. Während die Seitenplatte 30 vorzugsweise in dem Maschinengehäuse (nicht gezeigt) fixiert ist, wie nachfolgend erklärt wird, ist die Rückplatte 40 in Radialrichtung relativ zur Seitenplatte 30 beweglich.
Vorzugsweise umfassen sowohl die Seitenplatte 30 als auch die Rückplatte 40 Materialien, die eine hohe Formänderungsfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen. So können die Seitenplatte 30 und die Rückplatte 40 z. B. eine auf Nickel basierende Legierung wie Inconel®, hergestellt durch Inco Alloys International, umfassen. Die Zusammensetzung der Seitenplatte 30 und der Rückplatte 40 kann in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung der Bürstendichtung 10 variiert werden.
Die Bürstendichtung 10 umfaßt weiter eine Vielzahl von Borsten 50 zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte 30 und der zweiten Seite der Rückplatte 40. Insbesondere sind die Borsten 50 zwischen einer Quetschplatte 90 angeordnet, wobei die Quetschplatte 90 zwischen der zweiten Seite der Rückplatte 40 und der Vielzahl von Borsten 50 angeordnet ist und vorzugsweise am Maschinengehäuse (nicht gezeigt) und der Seitenplatte 30 befestigt ist. Die Quetschplatte 90 kann das gleiche Material wie die Seitenplatte 30 und die Rückplatte 40 umfassen. Die Borsten 50 können zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte 30 und der Quetschplatte 90 z. B. durch eine Verschweißung 60 oder ähnlichem in Abhängigkeit von dem für die Seitenplatt 30, Quetschplatte 90, Borsten 50 und dem Gehäuse verwendeten Materialien befestigt werden.
Die Borsten 50 erstrecken sich von einer äußeren Umfangskante der Seitenplatte 30 nach innen, so daß ihre freien Enden gegen die Welle 20 laufen, um so den Systemdruck PSystem von dem Austrittsdruck PAustritt entlang der Welle abzudichten. Weiter sind die Borsten 50 vorzugsweise unter einem Winkel in bezug auf die jeweiligen Radien der Seitenplatte 30 und der Quetschplatte 90 angestellt, so daß sie eine Umfangsrichtungskomponente relativ zur Richtung der Rotation der Welle 20 aufweisen.
Um ihre Form zu wahren, insbesondere bei höheren Temperaturen, umfassen die Borsten vorzugsweise eine auf Nickel basierende Legierung, wie z. B. Haynes 25®, herge stellt durch Haynes International. Die Borsten können jedoch auch andere Materialien entsprechend einer besonderen Anwendung umfassen.
Typische Abmessungen der Borsten 50 schließen Borstendurchmesser von etwa 7,1 · 10&supmin;&sup5; bis 2 · 10&supmin;&sup5; m (0,0028 bis 0,0008 Inch) ein und eine freie Borstenlänge von ungefähr 5,1 · 10&supmin;³ bis 0,02 m (0,200 bis 0,700 Inch). Weiter können die Vielzahl von Borsten 50 in etwa 10 bis 26 Reihen zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte 30 und der zweiten Seite der Rückplatte 40 mit einer Packbreite von etwa 5,1 · 10&supmin;&sup4; bis 1 · 10&supmin;³ m (0,020 bis 0,040 Inch) angeordnet werden. Die Abmessungen und die Konfiguration der Borsten 50 kann entsprechend einer bestimmten Anwendung variiert werden.
In Fig. 1 ist ein Spalt c zwischen der inneren Umfangskante der Rückplatte 40 und der Welle 20 vorgesehen, um das zentrifugale Wachstum und thermische Wachstum der Welle aufzunehmen. Um die Reibung zwischen der Rückplatte 40 und der Welle 20 zu reduzieren, im Falle, daß sie miteinander in Kontakt kommen, ist eine nichtabrasive Beschichtung 120 mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, wie etwa TFE, Graphit, Kohlenstoff oder Chromcarbidbeschichtung, auf der inneren Umfangskante der Rückplatte 40 abgeschieden. Alternativ dazu kann die Rückplatte 40 und/oder die Welle 20 aus einem nichtabrasiven Material mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten gebildet werden.
Um auf radiale Übergänge der Welle 20 zu antworten, ist die Rückplatte 40 in Radialrichtung relativ zur Seitenplatte 30 beweglich. Um eine solche radiale Bewegung zu vereinfachen, ist die Rückplatte 40 vorzugsweise mit einer Aussparung 42, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, versehen, wobei die Quetschplatte 90 in gleitendem Eingriff mit der Aussparung 42 ist. Die Abmessungen der Aussparung 42 sind vorzugsweise so, daß die Rückplatte 40 auf radiale Übergänge der Welle 20 antworten kann, die durch Faktoren, wie Abweichungen und thermisches Biegen der Welle 20, Bewegung der Welle 20 in folge von Antriebsbeschleunigung, Wellenvibration, Exzentrizität des Dichtungsgehäuses in bezug auf die Mittellinie der Welle 20 hervorgerufen werden können. Es können radiale Übergänge von mindestens 7,6 · 10&supmin;&sup4; m (0,03 Inch) gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden.
Um eine Rotationsbewegung der Rückplatte 40 zu verhindern, ist die Bürstendichtung 10 mit einem Antirotierteil versehen. Wie das Beispiel in Fig. 1 und 2 zeigt, ist dieses Antirotationsteil durch einen Antirotationsstift 100 gebildet. Eine Aussparung 110 ist in der zweiten Seite der Rückplatte 40 gebildet und der Antirotationsstift 100 ist in gleitendem Eingriff mit der Aussparung 110.
Vorzugsweise umfaßt der Antirotationsstift 100 das gleiche Material wie die Quetschplatte 90 und ist an der Quetschplatte 90 in herkömmlicher Art und Weise befestigt. Alternativ dazu können der Antirotationsstift 100 und die Quetschplatte 90 aus einem einzigen Materialstück gefertigt sein. Die Form und Konfiguration des Antirotationsstifts 100 und der Aussparung 110 können variieren, solange sie die Rotation verhindern und eine radiale Bewegung der Rückplatte 40 erlauben.
Wie in Fig. 1 und 3 gezeigt ist, umfaßt die Bürstendichtung 10 weiter eine Sicherungsscheibe 70 zwischen der ersten Seite der Rückplatte 40 und dem Austrittsdruck PAustritt. Die Sicherungsscheibe 70 ist auch vorzugweise an dem Maschinengehäuse (nicht gezeigt) befestigt. Um Reibung zwischen der Rückplatte 40 und der Sicherungsscheibe 70 zu reduzieren, ist die Sicherungsscheibe 70 mit einer Aussparung 80, die darin ausgebildet ist, versehen, um einen Hohlraum in der Nähe der ersten Seite der Rückplatte 40 zu definieren.
Vorzugsweise ist der Hohlraumdruck PHohlraum gleich oder ungefähr gleich dem Systemdruck PSystem, so daß nur eine kleine resultierende Kraft in Richtung der Sicherungsscheibe 70 wirkt. Der Hohlraumdruck PHohlraum kann fein eingestellt werden, d. h. entweder angehoben oder abgesenkt werden, wie durch die Verwendung von einem oder mehreren Durchgängen erfordert wird. Wie z. B. in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Dichtung 10 mit einer Vielzahl von Durchgängen 130 versehen, die in Verbindung mit dem Hohlraum 80 und dem Systemdruck PSystem stehen.
In Fig. 1 ist die Bürstendichtung 10 vorzugsweise durch Quetschen der Borsten 50 zwischen der Seitenplatte 30 und der Quetschplatte 90 zusammengefügt. Die Borsten 50, die Seitenplatte 30 und die Quetschplatte 90 werden dann an der Schweißstelle 60 zusammengeschweißt und der Außendurchmesser der Einheit wird auf einen gewünschten Durchmesser gebracht. Das Zusammenfügen der vollständigen Bürstendichtung 10 kann dadurch erreicht werden, daß die Rückplatte 40 auf dem Antirotationsstift 100 plaziert wird und die Untereinheit in dem inneren Durchmesser der Sicherungsscheibe 70 gedrückt wird. Die Sicherungsscheibe 70 kann durch Preßpassung befestigt sein oder durch eine Schweißung an der Naht zwischen der Sicherungsscheibe 70 und der Rückplatte 40 zwischen den Durchgängen 130. Fig. 4 zeigt diese Grenze. Der vorhergehende Prozeß zum Zusammenfügen der Bürstendichtung 10 soll nicht darauf beschränkend sein und ist nur als Beispiel gedacht.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, werden zusätzliche Vorteile und Modifikationen der vorliegenden Erfindung dem Fachmann klar sein. Aus diesem Grund ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Details, die Vorrichtungen und illustrativen Beispiele, die gezeigt und beschrieben wurden, beschränkt. So können Abweichungen von solchen Details gemacht werden, sofern man nicht von dem Schutzumfang der anhängigen Ansprüche abweicht.

Claims

1. Eine Bürstendichtung (10) zum Abdichten eines Hochdruckbereiches (PSystem) von einem Niederdruck (PAustritt), wobei die Bürstendichtung (10) umfaßt:

eine ringförmige Seitenplatte (30) mit einer ersten Seite, die dem Hochdruckbereich (PSystem) zugewandt ist, und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt;

eine ringförmige Rückplatte (40) mit einer ersten Seite, die dem Niederdruckbereich (PAustritt) zugewandt ist, und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt; und eine Vielzahl der Borsten (50), zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte (30) und der zweiten Seite der Rückplatte (40), wobei die Vielzahl von Borsten (50) sich von einer äußeren Umfangskante der Seitenplatte (30) nach innen erstrecken,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Rückplatte in Radialrichtung relativ zur ringförmigen Seitenplatte (30) beweglich ist.

2. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, die weiter eine Sicherungsscheibe (70) zwischen der ersten Seite der Rückplatte (40) und dem Niederdruckbereich (PAustritt) aufweist.

3. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Sicherungsscheibe (70) ein Hohlraum (80) in der Nähe der ersten Seite der Rückplatte (40) definiert, wobei im Hohlraum (80) ein Druck herrscht.

4. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der Druck in dem Hohlraum (80) etwa dem Druck der Hochdruckseite (PSystem) entspricht.

5. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 3, die weiter einen oder mehrere Durchgänge (130), die in Verbindung mit dem Hohlraum (80) und dem Hochdruckbereich (PSystem) stehen, umfaßt, um den Druck in dem Hohlraum (80) einzustellen.

6. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, die weiter ein Antirotationsteil (100) umfaßt, um eine Rotationsbewegung der Rückplatte (40) zu verhindern.

7. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die zweite Seite der Rückplatte (40) eine Aussparung (110) einschließt, und wobei das Antirotationsteil (100) einen Antirotationsstift einschließt, der in gleitendem Eingriff mit der Aussparung (110) steht.

8. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, die weiter eine nichtabrassive Beschichtung (110), die auf der inneren Umfangskante der Rückplatte (40) abgeschieden ist, umfaßt.

9. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Rückplatte 40 aus nichtabrassivem Material gefertigt ist.

10. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl von Borsten (50) einen Durchmesser von ungefähr 7, 1 · 10&supmin;&sup5; m bis 2 · 10&supmin;&sup5; m (0,0028 bis 0,0008 Inch) aufweist, die Vielzahl von Borsten (50) in etwa 10 bis 26 Reihen zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte (30) und der zweiten Seite der Rückplatte (40) angeordnet sind, wobei die Packungsbreite der Vielzahl von Borsten (50) etwa 5,1 · 10&supmin;&sup4; bis 1 · 10&supmin;³ m (0,020 bis 0,040 Inch) beträgt.

11. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl von Borsten (50) eine freie Länge von etwa 5, 1 · 10&supmin;³ bis 0,02 m (0,200 bis 0,700 Inch) aufweist.

12. Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, die weiter eine Quetschplatte (90) zwischen der zweiten Seite der Rückplatte (40) und der Vielzahl von Borsten (50) aufweist.

13. Vorrichtung mit einem Hochdruckbereich (PSystem) und einem Niederdruckbereich (PAustritt), wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine rotierbare Welle (20); und

eine Bürstendichtung (10) zum Abdichten des Hochdruckbereiches (PSystem) von dem Niederdruckbereich (PAustritt) entlang der drehbaren Welle (20), wobei die Bürstendichtung (10) einschließt:

eine ringförmige Seitenplatte (30) mit einer ersten Seite, die dem Hochdruckbereich (PSystem) zugewandt ist und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt;

eine ringförmige Rückplatte (40) mit einer ersten Seite, die dem Niederdruckbereich (PAustritt) zugewandt ist und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt; und

eine Vielzahl von Borsten (50) zwischen der zweiten Seite der Seitenplatte (30) und der zweiten Seite der Rückplatte (40), wobei die Vielzahl von Borsten sich von einer äußeren Umfangskante der Seitenplatte (30) nach innen erstrecken,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Rückplatte (40) in Radialrichtung relativ zu der ringförmigen Seitenplatte (30) beweglich ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Bürstendichtung (13) weiter eine Sicherungsscheibe (70) zwischen der ersten Seite der Rückplatte (40) und dem Niederdruckbereich (PAustritt) aufweist, wobei die Sicherungsscheibe (70) einen Hohlraum (80) definiert, der in der Nähe der ersten Seite der Rückplatte (40) liegt, wobei ein Druck in dem Hohlraum (80) herrscht.