DE69627674T2

DE69627674T2 - Bürstendichtung mit einer biegsamen frontscheibe

Info

Publication number: DE69627674T2
Application number: DE69627674T
Authority: DE
Inventors: Prithwish Basu; F. Short
Original assignee: EG&G Sealol Inc
Current assignee: EG&G Sealol Inc
Priority date: 1995-10-05
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2016-10-05
Also published as: JP4052670B2; EP0850373A1; WO1997014897A2; EP0850373B1; DE69627674D1; ATE238509T1; WO1997014897A3; JPH11513781A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Bürstendichtungen zum Abdichten eines Hochdruckbereichs gegenüber einem Niederdruckbereich, wobei das abzudichtende Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit ist.

Stand der Technik

Im Verlauf des vergangenen Jahrzehnts haben sich Bürstendichtungen als eine sehr vielversprechende Technologie für das Abdichten von Hochdruckbereichen gegenüber Niederdruckbereichen herausgestellt, wie zum Beispiel in Gasturbinentriebwerken.
Normalerweise hemmen Bürstendichtungen das Strömen von Gasen (bzw. von Flüssigkeiten) in einer Strömung entlang einer Welle. Das Gas (bzw. die Flüssigkeit) wird zum Beispiel in einem unter einem Systemdruck stehenden Maschinengehäuse abgedichtet. Die Außenfläche des Maschinengehäuses, in dessen Richtung das Gas (bzw. die Flüssigkeit) auszuströmen neigt, steht unter einem Austrittsdruck. Der Systemdruck ist größer als der Austrittsdruck, wodurch ein seitliches Druckgefälle entsteht. Die Systemdruckseite der Bürstendichtung wird auch als die Hochdruckseite bezeichnet, und die Austrittsdruckseite der Bürstendichtung wird auch als die Niederdruckseite bezeichnet.
Herkömmliche Bürstendichtungen weisen normalerweise eine ringförmige Halteplatte auf sowie eine Vielzahl flexibler Borsten, die zwischen der ringförmigen Halteplatte und der ringförmigen Hinterplatte festgehalten werden. Die Vielzahl flexibler Borsten, die auch als Borstenbündel bezeichnet werden, erstrecken sich radial von den Borstenwurzeln an einem äußeren Umfangsrand nach innen zu freien Enden oder Spitzen hin. Die Spitzen der Vielzahl der flexiblen Borsten verlaufen in der Nähe der Welle oder berühren die Welle und dichten auf diese Weise den Systemdruck gegen den Austrittsdruck ab.
Eine bekannte Ausführung gemäß EP-A-0617216 (und US-A-5401216) betrifft eine Bürstendichtung gemäß der Vorbemerkung des Anspruchs 1 und enthält eine vertiefte Hinterplatte nach Abb. 2 der Anmeldung.
Eine bekannte Ausführung gemäß US-A-5335920 betrifft eine sogenannte herkömmliche Bürstendichtung bestehend aus einer nicht vertieften Hinterplatte nach Abb. 1 der Anmeldung. Bei dieser Dichtung sind die ersten davor angeordneten Borstenreihen aus dickeren Borsten als die übrigen gefertigt, um so das durch Schwingungen verursachte Kantenbrechen am Borstenbündel zu reduzieren.
Eine bekannte Ausführung gemäß WO-A-92/14951 besteht aus zwei Reihen von Borsten, wobei die Borsten einer Reihe kürzer und steifer sind als die anderen.
Gemäß Beschreibung in dem US-Patent 5,401,036 (dass Patent '036) weisen herkömmliche Bürstendichtungen "Hystereseeffekte" und "Druckversteifungseffekte" auf, die dazu neigen, die Abdichtungsleistung und die Lebensdauer der Dichtung negativ zu beeinflussen. Diese Effekte werden beachtlich reduziert, falls nicht sogar gänzlich vermieden, indem eine im Patent '036 beschriebene "vertiefte Hinterplatte" eingearbeitet wird.
Eine Schwierigkeit bei der Bürstendichtung mit der "vertieften Hinterplatte" besteht jedoch darin, dass sie zu ungleichmäßigem Verschleiß tendiert. Die flexiblen Borsten auf der Systemdruckseite neigen aus den weiter oben beschriebenen Gründen dazu, stärker zu verschleißen als die Borsten auf der Austrittsdruckseite. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeit des Standes der Technik im Wesentlichen.

Offenlegung der Erfindung

Um die bei Bürstendichtungen mit vertiefter Hinterplatte vorliegenden Schwierigkeiten zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung eine Bürstendichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
Es wird darauf verwiesen, dass sich die vorliegende Erfindung auf Bürstendichtungen mit vertiefter Hinterplatte bezieht, nicht jedoch auf herkömmliche Bürstendichtungen. Das Hinzufügen einer flexiblen Vorderplatte zu einer herkömmlichen Dichtung würde in der Tat die Wirksamkeit dieser Dichtung reduzieren, indem die Hysterese- und Druckversteifungseffekte wesentlich verstärkt würden, insbesondere bei höheren Drücken. Ohne eine vertiefte Hinterplatte würde das Bürstenbündel notwendigerweise unter Druck zwischen der flexiblen Vorderplatte und der Hinterplatte angeordnet werden und dadurch würde die radiale Flexibilität des Borstenbündels deutlich reduziert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung eingearbeitet werden und Bestandteil dieser Beschreibung sind, zeigen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der obenstehenden allgemeinen Beschreibung und der untenstehenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Darlegung der grundlegenden Wirkungsweise der Erfindung.
Abb. 1 zeigt den Querschnitt einer herkömmlichen Bürstendichtung.
Abb. 2 zeigt den Querschnitt einer Bürstendichtung mit vertiefter Hinterplatte.
Abb. 3 veranschaulicht das Druckprofil in seitlicher Richtung (entlang der Welle) durch den Spitzenbereich der Bürstendichtung hindurch.
Abb. 4 zeigt ein repräsentatives Radialströmungsbild um einen Querschnitt einer Einzelborste in einer Bürstendichtung herum.
Abb. 5 ist eine Vorderansicht eines Teils des Borstenbündels einer Bürstendichtungsvorrichtung.
Abb. 6 ist ein radialer Querschnitt einer gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellten Bürstendichtungsvorrichtung.
Abb. 7 ist eine Teilschnittvorderansicht der radial geschlitzten flexiblen Vorderplatte mit Fingern.
Abb. 8 ist eine Teilschnittvorderansicht mit abgewinkelten Fingern in der flexiblen Vorderplatte.
Abb. 9 ist ein Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Abb. 10 (A)-(F) zeigen mehrere repräsentative Konstruktionen der konturierten vertieften Fläche der Hinterplatte.
Abb. 11 ist eine Querschnittsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Bürstendichtung und zeigt die Einarbeitung einer Schutzvorderplatte.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele

Bevor die Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist zunächst ein Verständnis der wirkenden Kräfte erforderlich, die zu einem ungleichmäßigen Verschleiß der Bürstendichtung führen. Die mit der vorliegenden Erfindung vorgestellte Lösung kann danach besser bewertet werden.
Bei der typischen Bürstendichtung wirken zwei Kräfte auf die Vielzahl flexibler Borsten. Eine erste Kraft drückt die Vielzahl flexibler Borsten (in axialer Richtung) zu der ringförmigen Hinterplatte hin. Eine zweite Kraft drückt die Vielzahl flexibler Borsten in radialer Richtung zur Welle hin. Die erste Kraft und die zweite Kraft wirken orthogonal zueinander.
Im Beharrungszustand liegt normalerweise ein ringförmiger Spalt (0,0508-0,127 mm (0,002-0,005 Zoll)) zwischen den Borstenspitzen und der Wellenoberfläche vor. Dieser Spalt wird auch als der "Spitzenbereich" bezeichnet.
Die Gasströmung (bzw. Flüssigkeitsströmung) vom Systemdruck zum Austrittsdruck durch den Spitzenbereich hindurch wird als seitliche (oder axiale) Strömung bezeichnet und tritt als Folge des seitlichen Druckgefälles durch die Bürstendichtung auf. Die radiale Strömung des Gases (bzw. der Flussigkeit) über die Vielzahl von Borsten von dem äußeren Umfangsrand der Vielzahl der flexiblen Borsten zu den freien Enden hin tritt als Folge eines radialen Druckgefälles auf. Dieses radiale Druckgefälle steht senkrecht zu dem seitlichen Druckgefälle und bewirkt eine radiale Fluidströmung.
Das radiale Druckgefälle ist über die ersten vorderen Borstenreihen stärker ausgeprägt als das über die weiter hinten angeordneten Reihen. Dies ist auf einen Verlust an Fluiddruck am Eintritt des Borstenspitzenbereichs zurückzuführen, wie in Abb. 3 gezeigt. Der Verlust an Fluiddruck am Eintritt des Borstenspitzenbereichs wird auch als "Eintrittsverlust" bezeichnet. Da der Druck an dem Umfangsrand wegen des Eintrittsverlusts größer ist als der Druck an den freien Enden der Vielzahl flexibler Borsten, strömt das Fluid in radialer Richtung von dem Umfangsrand des Borstenbündels zur Welle hin. Abb. 4 zeigt eine solche radiale Strömung um eine Borste herum. Der in der Abb. 4 gezeigte Querschnitt ist elliptisch, da dieser in der radialen Richtung dargestellt wird.
Die radiale Fluidströmung übt eine radiale Kraft auf die Vielzahl flexibler Borsten aus, die die Borsten zur Welle hin drückt. Die Borsten auf der Hochdruckseite sind einer stärkeren abwärts gerichteten Kraft ausgesetzt als die Borsten auf der Niederdruckseite, da das radiale Druckgefälle auf der Hochdruckseite des Borstenbündels größer ist als auf der Niederdruckseite. Infolge dessen neigen die Borsten auf der Hochdruckseiter dazu, sich stärker zur Welle hin durchzubiegen als die Bürsten auf der Niederdruckseite. Diese Erscheinung ist in zahlreichen Bürstendichtungen im Labor mit Hilfe eines "Borescope" genannten optischen Gerätes beobachtet worden.
Die Wirkung dieser zweiten Kraft auf die Borsten wird auch als "Druckverschlusseffekt" bezeichnet. Der Druckverschlusseffekt ist zumindest teilweise für den beschleunigten und ungleichmäßigen Verschleiß von Bürstendichtungen verantwortlich. Wegen dieses Effekts geraten die Borstenspitzen von allein in die laufende Welle, was zu einem beschleunigten Verschleiß führt. Darüber hinaus ist, wie bereits erwähnt, der Druckverschlusseffekt auf der Hochdruckseite der Bürstendichtung größer als auf der Niederdruckseite, und zwar wegen der größeren radialen Kraft auf die Borsten auf der Hochdruckseite des Borstenbündels als auf der Niederdruckseite. Diese Disparität im Druckverschlusseffekt über das Borstenbündel verursacht einen ungleichmäßigen Verschleiß der Borsten. Ungleichmäßiger Verschleiß führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Bürstendichtung.
Der Druckverschlusseffekt ist jedoch nicht die einzige Ursache für den ungleichmäßigen Verschleiß, der zu einer Verkürzung der Lebensdauer beiträgt. Die radiale Strömung drückt die Borsten nicht nur zur Welle hin, sondern versetzt die Borsten auch in Schwingung. Schwingende Borsten fallen eher aus oder brechen eher ab, und zwar aufgrund von Materialermüdung und zyklischer Beanspruchung. Die Borsten auf der Hochdruckseite der Dichtung versagen oder brechen eher, weil sie einer größeren radialen nach unten gerichteten Kraft ausgesetzt sind und weil sie stärker schwingen. Wenn die Borsten auf der Hochdruckseite öfter abbrechen als die Borsten auf der Niederdruckseite der Dichtung, wird die Dichtung einen ungleichmäßigen Verschleiß aufweisen. Wie bereits erwähnt, führt ungleichmäßiger Verschleiß zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Dichtung.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung eine flexible Vorderplatte mit einer Vielzahl von Fingern vor, wobei die Borsten zwischen dieser Platte und einer starren Hinterplatte angeordnet werden. Die flexible Vorderplatte reduziert die radiale Strömung, indem sie die Exposition der Borsten gegenüber dem Gas (bzw. der Flüssigkeit) bei dem Systemdruck verringert. Indem die radiale Strömung verringert wird, ergibt sich eine wesentliche Verringerung: (1) des Druckverschlusseffekts und (2) der Borstenschwingung. Dies wurde im Labor experimentell überprüft.
Es wird nun ausführlich auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gemäß der Veranschaulichung in den beiliegenden Zeichnungen eingegangen, wobei gleiche Verweisziffern in allen Abbildungen der Zeichnungen gleiche bzw. entsprechende Teile bezeichnen.
Eine Bürstendichtung mit einer vertieften Hinterplatte 10 gemäß der Offenlegung im US- Patent Nr. 5,401,036, dessen Offenlegung per Verweis in diese Patentschrift eingearbeitet wird, wird in der Abb. 2 der Zeichnungen dargestellt. Die Bürstendichtung 10 hat eine erste dem Systemdruck PSYSTEM zugewandte Seite und eine zweite dem Austrittsdruck PDISCHARGE zugewandte Seite. Da der Systemdruck PSYSTEM größer ist als der Austrittsdruck PDISCHARGE, wird die erste Seite der Bürstendichtung 10 auch als die Hochdruckseite bezeichnet, während die zweite Seite als die Niederdruckseite bezeichnet wird.
Die Bürstendichtung 10 beinhaltet weiterhin eine ringförmige Halteplatte 12 mit einer ersten dem Systemdruck PSYSTEM zugewandten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber liegt.
Die Bürstendichtung 10 beinhaltet weiterhin eine ringförmige Hinterplatte 14 mit einer ersten dem Austrittsdruck PDISCHARGE zugewandten Seite und einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber liegt. Die zweite Seite der Hinterplatte 14 hat einen äußeren Umfangsteil 16 und einen radialen inneren Umfangsteil 18. Der innere Umfangsteil 18 hat eine darin ausgebildete vertiefte Fläche 20, die wie im Patent '036 beschrieben die Hysterese reduziert. Die vertiefte Fläche 20 ist im Wesentlichen plan wie in Abb. 2 gezeigt oder konturiert, wie in Verbindung mit den Abb. 10(A) bis 10(F) noch besprochen werden wird.
Zusätzlich hat die Bürstendichtung 10 ein Borstenbündel 22, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelborsten 24, die zwischen der zweiten Seite der Halteplatte 12 und der zweiten Seite der Hinterplatte 14 angeordnet sind. Die Borsten 24 im Borstenbündel 22 können mit einer Schweißnaht (nicht dargestellt) oder mit anderen dem Durchschnittsfachmann bekannten Mechanismen zwischen der Halteplatte 12 und der ringförmigen Hinterplatte 14 gesichert werden, je nachdem, welches Material oder welche Materialien für die Halteplatte 12, die Borsten 14 und die Hinterplatte 14 verwendet wird bzw. werden. Da der innere Umfangsteil 18 der Hinterplatte 14 dünner ist als der äußere Umfangsteil 16, entsteht ein sich axial erstreckender Spalt 26 zwischen dem Borstenbündel 22 und dem inneren Umfangsteil 18 mit der vertieften Fläche 20.
Wie bereits erwähnt, liegt beim Betrieb einer beliebigen Bürstendichtung ein seitliches und ein radiales Druckgefälle über das Borstenbündel 22 vor. Der seitliche Druckabfall bewirkt eine seitlich wirkende Kraft auf die Borsten 24, so dass die Borsten 24 über den Spalt 26 und zur vertieften Fläche 20 der Hinterplatte 14 hin gedrückt werden.
Wie ebenfalls bereits erwähnt, ist bei einer Bürstendichtung 10 der Druck des Fluids an den freien Enden der Borsten 24 des Borstenbündels 22 geringer als der Druck des Fluids im Umfangsbereich. Der niedrigere Druck an den freien Enden der Borsten 24 ist teilweise auf die Fluidströmung entlang der Welle 28 an den Borsten 24 vorbei und auf den daraus resultierenden Eintrittsverlust zurückzuführen. Wie in den Abb. 4 und 5 gezeigt, ist das daraus resultierende radiale Druckgefälle verantwortlich für eine zweite Fluidströmung, eine radiale Fluidströmung 40 in radialer Richtung vom Umfangsteil hin zum inneren Teil des Bürstenbündels 22 durch das Borstenbündel 22 hindurch.
Die radiale Fluidströmung 40 führt zu einem Druckwiderstand 42 auf die Bürsten 24, der die freien Enden 44 der Borsten 24 zur Welle 28 hin drückt. Diese Erscheinung wird als der "Druckverschlusseffekt" bezeichnet. Die Borsten 24 auf der Hochdruckseite des Borstenbündels 22 sind der stärksten Radialströmung 40 ausgesetzt und werden daher mit der größten Wahrscheinlichkeit von dieser Strömung beeinträchtigt. Im Ergebnis dessen unterliegt nicht nur das gesamte Borstenbündel 22 einem beschleunigten Verschleiß, sondern die Borsten 24 auf der Hochdruckseite des Borstenbündels 22 verschleißen auch stärker als die Borsten 24 auf der Niederdruckseite. Der stärkere Verschleiß der Borsten 24 auf der Hochdruckseite des Borstenbündels 22 verursacht einen ungleichmäßigen Verschleiß des Borstenbündels 22.
Des Weiteren ist die durch den Eintrittsverlust verursachte Radialströmung groß genug, um die Borsten 24 in Schwingung zu versetzen. Dieser Effekt ist auf der Hochdruckseite des Borstenbündels 22 so stark, dass die Borsten 24 dazu neigen, stark zu schwingen. Ein übermäßiges Schwingen der Borsten 24 verstärkt die Möglichkeit, dass die Borsten 24 wegen Materialermüdung und zyklischer Beanspruchung brechen können. Damit wird das Problem des ungleichmäßigen Verschleißes des Borstenbündels 22 weiter verstärkt.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem des Druckverschlusseffekts und der Borstenschwingung teilweise, indem sie eine flexible Vorderplatte auf der Hochdruckseite des Borstenbündels wie in der Abb. 6 anhand der flexiblen Vorderplatte 60 gezeigt bereit stellt.
Im ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Bürstendichtung 62 mit Borsten 64, die ein Borstenbündel 66 bilden, zur Abdichtung des Systemdrucks PSystem gegenüber dem Austrittsdruck Pdischarge bereitgestellt. Die Borsten 64 erstrecken sich vom Umfangsteil, wo die Enden befestigt sind, zu einem inneren Teil hin, wo die Enden frei oder unbefestigt sind. Die Borsten 64 sind in einem Winkel in Bezug auf die radiale Richtung angeordnet, so dass die freien Enden 68 der Borsten 64 in die Drehrichtung 70 der Welle 28 zeigen, wie in Abb. 5 gezeigt.
Damit sie ihre Form behalten, insbesondere bei höheren Temperaturen, bestehen die Borsten 64 vorzugsweise aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung auf Nickelbasis, wie zum Beispiel aus Haynes 25® oder Haynes 26®, hergestellt von der Haynes International, oder aus keramischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Siliziumcarbid. Natürlich können die Borsten 64 für einen konkreten Anwendungsfall aus einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff beschaffen sein.
Die Bürstendichtung 62 beinhaltet ebenso eine ringförmige Halteplatte 72 und eine Hinterplatte 74, wie bereits in Bezug auf die Halteplatte 12 und die Hinterplatte 14 beschrieben. Das Borstenbündel 66 und die flexible Vorderplatte 60 sind zwischen der Halteplatte 72 und der Hinterplatte 74 angeordnet. Die zweite Seite der Hinterplatte 74 hat einen äußeren Umfangsteil 76 und einen inneren Umfangsteil 78. Der innere Umfangsteil 78 hat eine vertiefte Oberfläche 80.
Die Halteplatte 72 und die Hinterplatte 74 können aus einer Legierung auf Nickelbasis bestehen, wie zum Beispiel aus Inconel® 625 oder 718 von Inco Alloys International, oder aus Haynes 188, hergestellt von Haynes International. Die Zusammensetzung der Halteplatte 72 und der Hinterplatte 74 kann jedoch in Abhängigkeit von der konkreten Umgebung, in der die Bürstendichtung 62 installiert ist, unterschiedlich sein.
Vorzugsweise sind die Halteplatte 72 und die Hinterplatte 74 so gestaltet, dass der Abstand zwischen dem äußeren und dem inneren Umfangsteil der Halteplatte 72 im Wesentlichen gleich der Länge des äußeren Umfangsteils 76 ist. Weiterhin dürfen sich die Halteplatte 72 und der äußere Umfangsteil 76 der Hinterplatte 74 nur über einen kleinen Teil der Borsten 64 an ihrem äußeren Umfangsrand erstrecken.
Die Bürstendichtung 62 ist gekennzeichnet durch den Einschluss der flexiblen Vorderplatte 60 mit einer Vielzahl von Fingern zwischen der zweiten Seite der ringförmigen Halteplatte 72 und der Hochdruckseite des Borstenbündels 66. Die flexible Vorderplatte 60 grenzt an die Hochdruckseite bzw. befindet sich im Wesentlichen nahe der Hochdruckseite des Borstenbündels 66.
Insbesondere kann die flexible Vorderplatte 60 aus Inconel 718® von Inco Alloys International bestehen. Natürlich kann in Abhängigkeit von dem konkreten Anwendungsfall ein beliebiger geeigneter Werkstoff verwendet werden, solange die flexible Vorderplatte 60 stabil genug ist, dem Druck und der dynamischen Beanspruchung standzuhalten.
Die flexible Vorderplatte 60 erstreckt sich vorzugsweise vom äußeren Teil der Bürstendichtung 62 fast bis zum Innendurchmesser der Hinterplatte 74. Die flexible Vorderplatte 60 kann jedoch so beschaffen sein, dass sie sich über einen solchen Abstand in Richtung auf die freien Enden 68 der Borsten 64 erstreckt, wie dies notwendig ist, um den Druckverschlusseffekt zu reduzieren und die Schwingung der Borsten 64 aufgrund der radialen Strömung 40 abzuschwächen. Die Länge, über die sich die flexible Vorderplatte 60 in Richtung auf die freien Enden 68 der Borsten 64 erstreckt, ist vom jeweiligen konkreten Anwendungsfall abhängig.
Die flexible Vorderplatte 60 reduziert das Ausmaß der Wirkungen der radialen Strömung 40, indem sie eine Sperre zwischen dem Fluid bei Systemdruck Psystem und dem Borstenbündel 66 bildet. Die flexible Vorderplatte 60 tut dies jedoch, ohne die Funktion der Borsten 64 im Borstenbündel 66 zu stören. Wenn die flexible Vorderplatte 60 dennoch eine Störung verursacht, so ist diese nur minimal.
Durch das Hinzufügen der flexiblen Vorderplatte 60 wird die radiale Strömung 40, und damit der radiale Druckwiderstand 42, beachtlich reduziert, wodurch sich eine wesentliche Reduzierung des Druckverschlusseffekts ergibt. Darüber hinaus führen eine reduzierte radiale Strömung 40 und ein reduzierter radialer Druckwiederstand 42 zu einer proportional verringerten Neigung der Borsten 64 zum Schwingen. Eine Reduzierung des Druckverschlusseffekts und der Schwingung der Borsten 64 verringert den ungleichmäßigen Verschleiß des Borstenbündels 66. Insgesamt verbessert die flexible Vorderplatte 60 die Funktionsweise der Bürstendichtung 62 und erhöht deren Lebensdauer.
Details der flexiblen Vorderplatte werden in den Abb. 7 und 8 veranschaulicht. Die Bürstendichtung 90 ist in Abb. 7 dargestellt, wobei eine flexible Vorderplatte 92 eine Vielzahl von Fingern 94 definiert. Die Finger 94 werden durch Schlitze 96 gebildet, Details der flexiblen Vorderplatte werden in den Abb. 7 und 8 veranschaulicht. Die Bürstendichtung 90 ist in Abb. 7 dargestellt, wobei eine flexible Vorderplatte 92 eine Vielzahl von Fingern 94 definiert. Die Finger 94 werden durch Schlitze 96 gebildet, die sich über eine vorbestimmte Entfernung vom inneren Umfangsrand der flexiblen Vorderplatte 92 zum inneren Umfangsrand der Halteplatte 72 hin erstrecken.
Vorzugsweise erstrecken sich die Schlitze 96 radial vom inneren Umfangsrand der flexiblen Vorderplatte 92 zum inneren Umfangsrand der Halteplatte 72 hin, um Finger 94 mit einer größtmöglichen Flexibilität zu bilden. Es ist jedoch möglich, dass sich die Schlitze 96 nicht über die volle Entfernung 98 vom inneren Umfangsrand der flexiblen Vorderplatte 92 bis zum inneren Umfangsrand der Halteplatte 72 bzw. über diese Entfernung 98 hinaus erstrecken müssen, damit die flexible Vorderplatte 92 hinreichend gut funktioniert, um die radiale Strömung wesentlich zu reduzieren.
Wenngleich die bevorzugte Ausrichtung der Schlitze 96 gleich 0º zu radialer Richtung ist, können die Schlitze alternativ dazu in einem Winkel zu radialer Richtung angeordnet sein. Wie in Abb. 8 dargestellt, kann die flexible Vorderplatte 100 angewinkelte Schlitze 102 haben, die angewinkelte Finger 104 bilden. Die angewinkelten Finger 104 können vorzugsweise in einem Winkel von ± 75º zur radialen Richtung angeordnet sein. Die angewinkelten Schlitze 102 können den Vorzug gegenüber radial angeordneten Schlitzen erhalten, wenn die radiale Hülle eng ist, d. h. wenn der radiale Abstand zwischen der Welle 28 und dem inneren Umfangsrand der Halteplatte 72 gering ist. In einem solchen Fall bilden die angewinkelten Schlitze 102 angewinkelte Finger 104 mit größerer Flexibilität als die Finger, die durch die radialen Schlitze 96 gebildet würden.
Sowohl bei radialen Schlitzen als auch bei angewinkelten Schlitzen müssen die Finger 94 und 104 eine seitliche Flexibilität aufweisen, die größer ist als die seitliche Flexibilität der Borsten 64 neben den entsprechenden Fingern, so dass die Finger dem Borstenbündel 66 ohne Trennung folgen, wenn eine Beaufschlagung mit Druck erfolgt. Damit wird die Blockierung der radialen Strömung gewährleistet.
Die Schlitze 96 bzw. 102 sollen im Bereich von 101,6 um (4 Milliinch) bis 304,8 um (12 Milliinch) breit sein. Ebenso sind die Finger 94 bzw. 104 vorzugsweise im Bereich von 76,2 um (3 Milliinch) bis 508 um (20 Milliinch) dick. Vorzugsweise sind die Finger 94 bzw. 104 im Bereich von 101,6 um (4 Milliinch) bis 177,8 um (7 Milliinch) dick.
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in der Abb. 9 beschrieben. Ein Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Einbeziehung einer konturierten vertieften Fläche 110 für die Hinterplatte 112. Die Abb. 10(A) bis (F) zeigen mehrere mögliche Ausgestaltungen dieser Fläche. In Abhängigkeit von der Form der vertieften Fläche 110 kann der Spalt zwischen dem Borstenbündel 64 und der vertieften Fläche 110 somit einheitlich oder aber in radialer Richtung veränderlich sein.
Die Abb. 10(A), 10(B) und 10(C) veranschaulichen mehrere mögliche Ausgestaltungen für die vertiefte Fläche 110. Wie dargestellt, können sowohl der Krümmungshalbmesser r der Kontur an den Borstenwurzeln als auch die Tiefe h der vertieften Fläche 110 am inneren Umfangsrand der Hinterplatte 112 veränderlich sein. Beispielsweise kann der Krümmungshalbmesser r der Kontur an den Borstenwurzeln zwischen 0 und 50,8 mm (0 und 2 Zoll) und die Tiefe h der vertieften Fläche 110 am inneren Umfangsrand der Hinterplatte 112 zwischen 0,127 mm und 3,048 mm (0,005 und 0,120 Zoll) schwanken. Es sei darauf verwiesen, dass die Tiefe h vorzugsweise so gewählt wird, dass die Borsten 114 bei Betriebsdruck gerade bis an die vertiefte Fläche 110 heran reichen.
Indem die vertiefte Fläche 110 wie beschrieben konturiert wird, konzentrieren sich die Reaktionskräfte nicht an einem Punkt, sondern sie verteilen sich über einen finiten Bereich der Borsten, wobei die größtmögliche Beanspruchung reduziert wird. Somit kann die Bürstendichtungsvorrichtung 116 größeren Druckgefällen standhalten.
Einige andere mögliche Ausgestaltungen der vertieften Fläche 110 werden in den Abb. 19(D), 10(E) und 10(F) gezeigt.
Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf die Abb. 11 beschrieben. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel beinhaltet die Bürstendichtung 120 eine starre Vorderplatte 122. Die starre Vorderplatte 122 ist in einem Abstand von der flexiblen Vorderplatte 124 angeordnet, wodurch ein Spalt 126 zwischen der starren Vorderplatte 122 und der flexiblen Vorderplatte 124 entsteht.
Die starre Vorderplatte 122 ist vor der flexiblen Vorderplatte 124 angeordnet, so dass die flexible Vorderplatte 124 und das Borstenbündel 128 geschützt werden, insbesondere während des Transports und des Einbaus der Bürstendichtung 120 in einem konkreten Anwendungsfall. Die starre Vorderplatte 122 erstreckt sich vorzugsweise von dem inneren Umfangsrand der Halteplatte 130 und ist koextensiv mit dem inneren Umfangsteil 132 der Hinterplatte 134. Offensichtlich ist dies jedoch für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll die starre Vorderplatte 122 wie in Abb. 11 gezeigt Teil der Halteplatte 130 sein. Die starre Vorderplatte 122 kann jedoch als Platte getrennt von der Halteplatte 130 hinzugefügt werden. Dementsprechend wird die starre Vorderplatte 122 bevorzugterweise aus dem gleichen Werkstoff gefertigt wie die Halteplatte 130. Dementsprechend wird die starre Vorderplatte 122 bevorzugterweise aus dem gleichen Werkstoff gefertigt wie die Halteplatte 130 oder die Hinterplatte 134. Wie bereits ausgeführt, kann es sich hierbei um eine Legierung auf Nickelbasis, wie zum Beispiel Inconel® 625 oder 718 aus der Produktion von Inco Alloys International oder um Haynes 188 aus der Produktion von Haynes International, handeln, jedoch ist dies zur Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig.
Schließlich kann die Bürstendichtung 120 alternativ eine konturierte, vertiefte Hinterplatte 110 wie in den Abb. 9 und 10 gezeigt enthalten.
Aus der vorstehenden Diskussion geht hervor, dass die vorliegende Erfindung eine Bürstendichtungsvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Ausführungen oder gegenüber Ausführungen mit einer einfachen vertieften Hinterplatte bereitstellt. Insbesondere reduziert die erfindungsgemäße Bürstendichtungsvorrichtung den bei Dichtungen mit einer einfachen vertieften Hinterplatte auftretenden "Druckverschlusseffekt", wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert und ihre Druckabdichtungsleistung verbessert werden.

Claims

1. Bürstendichtungsvorrichtung (62) zum Abdichten eines Hochdruckbereiches (PSYSTEM) gegenüber einem Niederdruckbereich (PDISCHARGE), wobei die Bürstendichtungsvorrichtung (62) eine Vielzahl von Borsten (64) enthält, die ringförmig angeordnet sind und eine ringförmige Hinterplatte (74), die konzentrisch zu den Borsten (64) und an ihrer Niederdruckseite (PDISCHARGE) positioniert ist, wobei die Hinterplatte (74) eine vertiefte Fläche (80) aufweist, die Kontakt der Borsten (64) mit der Hinterplatte (74) beim Wirken von Druck über die Dichtungsvorrichtung (62) verzögert, gekennzeichnet durch:

eine flexible ringförmige Vorderplatte (60), die konzentrisch zu den Borsten (64) und nahe genug an den Borsten (64) auf der Hochdruckseite (PSYSTEM) positioniert ist, um Fluidstrom durch die Borsten (64) zu verringern.

2. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 1, wobei die flexible Vorderplatte (92, 100) eine Vielzahl von Fingern (94, 104) aufweist.

3. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 2, wobei die seitliche Flexibilität jedes der Finger (94, 104) größer ist als die seitliche Flexibilität eines Abschnitts der Borsten (64), der an die Finger (94, 104) angrenzt.

4. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 2, wobei die Finger (94, 104) durch Schlitze (96, 102) gebildet werden, die sich vom Innenumfangsrand der flexiblen Vorderplatte (92, 100) aus erstrecken.

5. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 2, wobei sich die Borsten (64) in einem Winkel zu einer radialen Richtung erstrecken.

6. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 2, wobei sich die Finger (94, 104) radial einwärts der flexiblen ringförmigen Vorderplatte (92, 104) erstrecken.

7. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 2, wobei sich die Finger (104) einwärts der ringförmigen Vorderplatte (100) in einem Winkel zu radialer Richtung erstrecken.

8. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 7, wobei der Winkel zwischen +/- 75 Grad liegt und ein positiver Winkel die gleiche Richtung wie die der Borsten (64) anzeigt und ein negativer Winkel die zu den Borsten (64) entgegengesetzte Richtung anzeigt.

9. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 8, wobei der Winkel ungefähr 0º beträgt.

10. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 4, wobei die Schlitze (96, 102) im Bereich von 4 bis 12 Milliinch (0,1016 bis 0,3048 mm) breit sind.

11. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 4, wobei die Finger (94, 104) im Bereich vom 3 bis 20 Milliinch (0,0762 bis 0,508 mm) dick sind.

12. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 11, wobei die Finger (94, 104) im Bereich von 4 bis 7 Milliinch (0,1016 bis 0,1778 mm) dick sind.

13. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsvorrichtung (62) eine starre ringförmige Vorderplatte (122) enthält, die konzentrisch zu der flexiblen ringförmigen Vorderplatte (124) und an ihrer Hochdruckseite (PSYSTEM) positioniert ist, wobei die starre Vorderplatte (122) im wesentlichen den gleichen Innendurchmesser hat wie die flexible ringförmige Vorderplatte (124) und nahe genug an der flexiblen ringförmigen Vorderplatte (124) positioniert ist, um dieser Schutz zu bieten.

14. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 1, wobei die vertiefte Fläche (80, 110) dazu dient einen Hystereseeffekt auf die Hinterplatte (74, 112) zu verringern, und die flexible ringförmige Vorderplatte (60) dazu dient, Druckverschluss der Borsten (64) zu verringern.

15. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 1, wobei die vertiefte Fläche (80) im wesentlichen plan ist.

16. Bürstendichtungsvorrichtung (62) nach Anspruch 1, wobei die vertiefte Fläche (110) so konturiert ist, dass die Tiefe (h) in Richtung eines Innenumfangsrandes der Rückplatte (112) zunimmt.