DE69907859T2

DE69907859T2 - Abdichtung

Info

Publication number: DE69907859T2
Application number: DE69907859T
Authority: DE
Inventors: Steven Vincent Allen; Jonathan James Morgan; Guy Saysell; Christopher Wright
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: EP1018613B1; EP1018613A2; DE69907859D1; EP1018613A3; GB9900102D0; US6254344B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Dichtungsanordnung und insbesondere auf Verbesserungen von Bürstendichtungen.
Es ist oft erforderlich, eine strömungsmitteldichte Abdichtung zwischen zwei Bauteilen zu bewirken, und insbesondere zwischen einer rotierenden Welle und einem stationären Gehäuse. Eine Type von Dichtungen, die hierfür benutzt wird, insbesondere auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke, ist eine Bürstendichtung. Derartige Dichtungen werden innerhalb von Gasturbinentriebwerken benutzt, um einen Spalt zwischen einer rotierenden Welle, die im typischen Fall mit hoher Drehzahl umläuft und einem stationären Gehäuse abzudichten, wo Bereiche mit höherem Luftdruck bzw. niedrigerem Luftdruck auf beiden Seiten der Dichtung vorhanden sind und außerdem erhöhte Temperaturen herrschen.
Bürstendichtungen bestehen aus einer Vielzahl von dicht gepackten Borsten, die zwischen einer Vorderplatte und einer Druckplatte eingeschlossen sind. Die Borsten und die vordere bzw. die Druckplatte sind sämtlich entweder am stationären Gehäuse oder an der rotierenden Welle angeordnet, wobei sich die Borsten über den Spalt zwischen Welle und Gehäuse nach einer Dichtungsoberfläche an dem anderen Teil, d. h. der Welle oder dem Gehäuse, erstrecken. Die Borsten erstrecken sich weiter über die Druckplatte hinaus, wobei die freien Enden der Borsten im Allgemeinen die Dichtungsoberfläche gerade berühren oder in unmittelbarer Nähe hierzu enden. Die Borsten schaffen dadurch eine physikalische Barriere gegenüber dem Strömungsmittel und dichten so den Spalt zwischen Gehäuse und Welle ab.
Die Druckplatte bewirkt eine axiale Abstützung der Borsten und versperrt darüber hinaus teilweise den Spalt zwischen dem Gehäuse und der Welle, da die Druckplatte ein massiver Bauteil ist. Infolgedessen erstreckt sich die Druckplatte im Allgemeinen über den Hauptteil des Spaltes zwischen Gehäuse und Welle, wobei ein Zwischenraum zwischen dem freien Ende der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche besteht, um einen störenden Eingriff zwischen der Druckplatte und der Welle oder dem Gehäuse zu vermeiden. Dieser Zwischenraum wird durch die Borsten abgedichtet, die sich über das Ende der Druckplatte hinaus erstrecken und derart nachgiebig sind, dass sie sich gemäß der Wellenbewegung ausbiegen.
Infolge des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungswachstums, infolge des zentrifugalen Wachstums der Welle, infolge von Manövern des Triebwerks und infolge von Herstellungstoleranzen kann der Zwischenraum zwischen der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche vermindert werden. Im schlimmsten Fall, in dem der Zwischenraum auf Null vermindert wird, berührt die Druckplatte die Dichtungsoberfläche und bewirkt eine unzulässige irreversible Beschädigung der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche. Infolgedessen wird ein genügend großer Zwischenraum zwischen der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche vorgesehen, um die Verminderung des Zwischenraumes während des Betriebs zu berücksichtigen. Leider vermindert die Anordnung eines derart großen Zwischenraums das Dichtungsverhalten. Außerdem können sich infolge des großen erforderlichen Zwischenraums die Borsten unter der Druckplatte durchbiegen, wodurch das Dichtungsverhalten weiter verschlechtert und eine Beschädigung der Borsten verursacht werden kann.
Die US-A-5 474 305 beschreibt eine Anordnung, bei der die Borsten und die Vorderplatte und die Druckplatte gleitbar derart montiert sind, dass sie sich gemäß der Relativbewegung zwischen Welle und Gehäuse bewegen können. Durch Federn sind die Borsten sowie die Vorderplatte und die Druckplatte gegen die Dichtungsoberfläche vorgespannt. Diese Anordnung ist zweckmäßig, wenn die Kontur der Bauteile ungleichförmig ist oder wenn die Größe des Spaltes sich um einen relativ großen Wert ändert, aber wegen der großen bewegten Masse und dem daraus resultierenden langsamen Ansprechen ist die Anordnung nur dann geeignet, wenn die Bewegung zwischen Welle und Gehäuse relativ klein ist.
Es ist daher erwünscht, eine Dichtungsanordnung zu schaffen, die die oben erwähnten Probleme berücksichtigt und bei der der Zwischenraum zwischen dem Druckring und der Dichtungsoberfläche vermindert ist, wobei gewährleistet wird, dass keine Störung zwischen der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche auftritt. Es besteht außerdem ein Bedarf nach einer allgemeinen Verbesserung derartiger Dichtungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Ringdichtung mit einer Masse von Borsten, die zusammen in einer Lage axial benachbart zu einer ringförmigen Druckplatte angeordnet sind, wobei die Borsten und die Druckplatte im Betrieb so angeordnet sind, dass sie an einem radial äußeren Teil angeordnet sind und sich von diesem nach einem zylindrischen inneren Teil und um diesen herum erstrecken und die Borsten freie Enden besitzen, die sich radial weiter als die Druckplatte erstrecken und die so angeordnet sind, dass sie betriebsmäßig mit dem inneren zylindrischen Teil zusammenwirken und gegenüber diesem Teil eine Abdichtung bewirken, wobei der äußere Teil und der innere zylindrische Teil im Betrieb relativ zueinander um die Achse des zylindrischen inneren Teils beweglich sind und die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dichtung weiter einen Expansionsring aufweist, der radial innerhalb der Druckplatte angeordnet und von der Druckplatte im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Druckplatte über eine geeignete Lageranordnung gehaltert ist, die so angeordnet ist, dass eine radiale Bewegung des Expansionsringes relativ zur Druckplatte und der Betriebsstellung des inneren zylindrischen Teils möglich ist.
Der Expansionsring, der vom unteren Teil der Druckplatte gelagert wird, kann sich radial bewegen. Infolgedessen kann sich der Expansionsring radial von dem inneren zylindrischen Teil weg bewegen, wenn oder falls der Expansionsring den inneren zylindrischen Bauteil berührt. Hierdurch wird die Gefahr einer Beschädigung des inneren zylindrischen Bauteils und der Druckplatte durch eine solche Berührung ausgeschaltet, die durch die relative Bewegung zwischen Druckplatte und innerem zylindrischen Bauteil bestehen könnte. Hierdurch wird wiederum die Möglichkeit geschaffen, den Zwischenraum zwischen der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche unter allen Betriebsbedingungen äußerst klein zu halten, wodurch das Dichtungsverhalten verbessert wird.
Vorzugsweise ist der Expansionsring derart ausgebildet, dass im Betrieb eine Erhitzung des Expansionsringes bei Berührung mit dem inneren zylindrischen Bauteil eine radiale Expansion weg von dem inneren zylindrischen Bauteil verursacht.
Außerdem kann der Expansionsring eine geringe thermische Masse im Vergleich zu jener der Druckplatte und dem inneren zylindrischen Bauteil haben. Vorzugsweise besteht der Expansionsring aus einem hoch expansiven Material.
Da der Expansionsring eine geringe thermische Masse besitzt, verursacht die schnelle Reibungserhitzung, die bei Berührung des Expansionsringes mit dem inneren zylindrischen Bauteil (Welle) erfolgt, eine schnelle Ausdehnung des Expansionsringes und eine Vergrößerung seines Durchmessers. Dadurch hebt der Expansionsring schnell von dem inneren zylindrischen Bauteil ab.
Der Expansionsring kann betriebsmäßig so angeordnet werden, dass er ursprünglich den inneren zylindrischen Bauteil berührt, wenn keine relative Drehbewegung stattfindet.
Vorzugsweise besteht die Lageranordnung aus einer elastischen Lageranordnung. Die elastische Lageranordnung kann in Richtung radial nach innen eine Vorspannung bewirken. Vorzugsweise besteht die Lageranordnung aus einer Ringfeder mit im Wesentlichen U-förmigem Umfangsquerschnitt. Die Ringfeder kann geschlitzt sein. Es kann auch ein ringförmiger Abschirmkörper vorgesehen werden, um eine Strömung in das offene Ende der Ringfeder hinein zu verhindern.
Die Dichtung kann benutzt werden, wenn sich der innere zylindrische Bauteil innerhalb des stationären äußeren Teils dreht. Stattdessen kann die Dichtung auch benutzt werden, wenn sich der äußere Teil um einen stationären inneren zylindrischen Bauteil dreht.
Vorzugsweise besteht der Expansionsring aus wenigstens zwei konzentrischen benachbart zueinander angeordneten Ringabschnitten. Der Expansionsring kann im Umfangsrichtung in Segmente unterteilt sein.
Eine Dichtungsoberfläche auf dem inneren zylindrischen Bauteil kann so ausgebildet sein, dass sie im Betrieb eine Berührung zwischen dem Expansionsring und dem inneren zylindrischen Bauteil aushält.
Vorzugsweise ist die Dichtung ein Bestandteil eines Gasturbinentriebwerks.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Dichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer Dichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2a ist eine axiale Teilansicht der Dichtung nach Fig. 2, in Richtung des Pfeiles A betrachtet;
Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Dichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Dichtung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einer Welle 2 und einem Gehäuse 4. Die Welle 2 dreht sich in Richtung des Pfeiles 3 um eine Achse 1 innerhalb einer Bohrung 5 im Gehäuse 4. Die Dichtung trennt einen Bereich mit höherem Strömungsmitteldruck 6 von einem Bereich niedrigeren Strömungsmitteldrucks 8 und verhindert eine Leckströmung in Dichtungsrichtung 20 von dem Bereich 6 höheren Drucks nach dem Bereich 8 niedrigeren Drucks.
Die Dichtung besteht aus einer Vielzahl von dicht gepackten metallischen Borsten 10, die zwischen einer ringförmigen Vorderplatte 12 und einer ringförmigen hinteren Druckplatte 14 angeordnet sind. Die radial äußeren Enden der Borsten 10, die Vorderplatte 12 und die Druckplatte 14 sind derart miteinander verschweißt, dass sie eine einzige Dichtungseinheit bilden. Die Borsten 10, die Druckplatte 14 und die Vorderplatte 12 sind außerdem an ihren radial äußeren Enden mit dem Gehäuse 4 derart verbunden, dass sie radial vom Gehäuse 4 nach der Welle 2 über den Spalt D zwischen der Welle 2 und der Gehäusebohrung 5 vorstehen. Wie bekannt, können die Borsten 10 in Umfangsrichtung, und zwar in Richtung der Drehung 3 der Welle 2, angestellt sein, wie dies in Fig. 2a in Bezug auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung angedeutet ist. Im typischen Fall stehen die Borsten unter einem Winkel von 45º gegenüber der Radialrichtung. Die Spitzen 22 der Borsten 10 sind so angeordnet, dass sie gerade an der Dichtungsoberfläche 30 der Welle 2 schleifen. Stattdessen können die Spitzen 22 auch sehr dicht benachbart zur Dichtungsoberfläche 30 liegen.
Ein ringförmiger Expansionsring 18, der sich rings um die Welle 2 erstreckt und im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Druckplatte 14 liegt, wird vom radial inneren Rand der Druckplatte 14 aus über ein elastisches Glied 16 gehaltert. Der Expansionsring 18 ist konzentrisch zu der Arbeitslage der Welle 2 und radial außerhalb hiervon und radial innerhalb der Druckplatte 14 angeordnet. Der Expansionsring 18 bildet einen radialen Fortsatz der Druckplatte 14, wobei die Druckplatte 14 die Borsten 10 über den Hauptteil ihrer radialen Länge trägt. Das elastische Glied 16 besteht aus einer dünnen im Umfangsquerschnitt U-förmigen Feder (die gewöhnlich als ringförmige Haarfeder bezeichnet wird). Die beiden Seiten der U-förmig gestalteten Feder sind mit dem Innenrand der Druckplatte 14 bzw. dem Expansionsring 18 verbunden. Das elastische Glied 16 bildet eine flexible Lagerung des Expansionsringes 18 und trägt diesen von der Druckplatte und ermöglicht eine radiale Bewegung des Expansionsringes 18. Das elastische Glied spannt den Expansionsring radial nach innen nach der Dichtungsoberfläche 30 und der Welle 2 vor.
Die Borsten 10, die Vorderplatte 12 und die Druckplatte bestehen alle aus dem gleichen Material, welches auch bei herkömmlichen Bürstendichtungen Anwendung findet. Beispielsweise bestehen die Borsten 10 aus einem Draht aus Haynes 25, einem rostfreien Stahl, wobei jede Borste einen Durchmesser zwischen 0,070 und 0,21 mm hat. Der Expansionsring 18 besteht aus einer gering thermischen Masse, aus einem Material hoher Expansion, beispielsweise aus A286 Corrosion Resistant. Ein geeignetes Federmaterial wird für die U-förmig gestaltete Feder 16 vorgesehen, beispielsweise Nimonic-90-Blech einer Stärke von 0,25 mm.
Der Zwischenraum C zwischen dem Expansionsring 18 und der Dichtungsoberfläche 30 ist sehr klein und beträchtlich kleiner als der typische Zwischenraum zwischen der Druckplatte und der Dichtungsoberfläche einer herkömmlichen Bürstendichtung. Ein typischer Zwischenraum C beträgt zwischen 0,05 und 1,0 mm. Dieser verminderte Zwischenraum C verbessert das Dichtungsverhalten. Außerdem wird durch Verminderung des Zwischenraums C die Länge verringert, über die die Borsten 10 von einem Druckglied (entweder der Druckplatte 14 oder dem Expansionsring 18) abgestützt sind. Der Expansionsring 18 wirkt als Fortsatz der Druckplatte 14. Dadurch wird auch die Durchbiegung der Borsten 10 vermindert, was wiederum zu einer Verbesserung des Dichtungsverhaltens führt. Es ist klar, dass die Figuren nicht maßstäblich sind und nur schematisch die Dichtungen mit den verschiedenen Merkmalen klarstellen sollen. Insbesondere ist der Zwischenraum C aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert dargestellt.
Im Betrieb wird die Dichtung hohen Temperaturen ausgesetzt und die Welle 2 dreht sich mit einer beträchtlichen Drehzahl. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn solche Dichtungen in einem Gasturbinentriebwerk benutzt werden. Außerdem sind bei Benutzung in einem Gasturbinentriebwerk eines Flugzeugs die Betriebsbedingungen über gewisse Perioden nicht konstant. Diese Faktoren können sämtlich unterschiedliche thermische Expansionen der Welle 2, der Dichtung und des Gehäuses bewirken, und zwar insbesondere während der Übergangsperioden. Es kann auch ein zentrifugales Wachstum der Welle 2 erfolgen. Ein Manöver des Flugzeugs und eine Mißausrichtung der Welle innerhalb der Gehäusebohrung 5 kann auch zu einer Bewegung der Welle 2 relativ zu dem Gehäuse 4 führen.
Eine Bewegung der Welle 2 relativ zur Dichtung verursacht eine Verminderung des Zwischenraums C. Da dieser Zwischenraum sehr klein ist und im Unterschied zu anderen bekannten Dichtungsanordnungen nicht so dimensioniert ist, dass eine Anpassung an eine derartige Bewegung der Welle 2 erfolgt, berührt der Expansionsring 18 die Dichtungsoberfläche 30 der Welle 2. Die durch die Berührung erzeugte Reibung hat eine schnelle Erhitzung des Expansionsringes 18 zur Folge. Da der Expansionsring 18 ringförmig ausgebildet ist, vergrößert der Ring 18 zunehmend seinen inneren Durchmesser. Infolge der geringen thermischen Masse des relativ kleinen Expansionsringes 18 und der Materialeigenschaften (thermische Leitfähigkeit und Expansionskoeffizient) des Expansionsringes 18 bewirkt die schnelle Erhitzung des Expansionsringes 18 eine schnelle Ausdehnung. Die Abmessungen und das Material des Expansionsringes sind so gewählt, dass er sich infolge der thermischen Erhitzung schneller ausdehnt als das relative Wachstum der Welle. Der Expansionsring 18 hat nur einen Bruchteil der thermischen Masse der Druckplatte 14. Der Expansionsring 18 bewegt sich daher von der Dichtungsoberfläche 30 der Welle 2 weg und hebt von dieser ab. Das elastische Glied 16 lässt eine Radialbewegung des Ringes 18 zu, wobei dieser koaxial auf die Welle 2 ausgerichtet bleibt.
Da sich der Expansionsring 18 schneller ausdehnt als die Relativbewegung der Welle 2, wird die Welle 2, der Expansionsring 18 und die Dichtung nicht oder nur geringfügig beschädigt. Die Dichtungsoberfläche 30 kann in geeigneter Weise behandelt werden, um kurzen Perioden zu widerstehen, wenn der Expansionsring 18 die Welle berührt, bevor er sich von dieser weg bewegt. Eine solche Behandlung kann die Friktionserhitzung des Expansionsringes 18 verbessern.
Nachdem der Expansionsring 18 einmal außer Berührung mit der Dichtungsoberfläche 30 steht, erfolgt keine Reibungserhitzung des Expansionsringes 18 mehr, und dieser kühlt sich ab und zieht sich zusammen, bis der Expansionsring wiederum die Dichtungsoberfläche 30 berührt und sich so wieder aufheizt. Der Expansionsring 18 wird daher in unmittelbarer Nähe der Dichtungsoberfläche 30 unter Belassung eines minimalen Zwischenraumes C gehalten.
Es ist klar, dass bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel die Dichtung so angeordnet werden kann, dass der Expansionsring 18 bei Nichtbetrieb oder im kalten Zustand in Berührung mit der Dichtungsoberfläche 30 der Welle 2 steht. Der Zwischenraum C wird nur durch die thermische Expansion des Expansionsringes 18 infolge der Reibungserhitzung im Betrieb bei Drehung der Welle 2 hergestellt. In Verbindung mit einer solchen Anordnung kann der Zwischenraum C auf einer minimalen Größe gehalten werden.
Die Abmessungen der elastischen Lagerung 16 bestimmen das Ausmaß der Radialbewegung, die der Expansionsring 18 durchführen kann. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestimmt die radiale Tiefe 32 den maximalen Betrag der Bewegung des Expansionsringes 18. Diese radiale Tiefe ist so bemessen, dass die maximale voraussichtlich erforderliche Bewegung des Expansionsringes 18 möglich wird. Die elastische Lagerung des Expansionsringes 18 ermöglicht auch eine gewisse axiale Mißausrichtung der Welle gegenüber der Gehäusebohrung 5. Die elastische Lagerung zentriert den Expansionsring 18 um die Welle 2 im Betrieb. Das Ausmaß der zulässigen Mißausrichtung wird auch durch die radiale Tiefe 32 bestimmt.
Das elastische Glied 16 ist so gestaltet, dass die Beanspruchungen darin vermindert werden. Die Seiten des U-förmig gestalteten Federelementes können bei anderen Ausführungsbeispielen auch geschlitzt sein, um die Steifheit der Feder 16 zu vermindern und/oder zu verändern. Änderungen in der Steifheit des elastischen Federgliedes 16 beeinflussen die Ansprechrate des Expansionsringes 18 im Betrieb.
Im Betrieb kann die Strömung in das offene Ende 33 der elastischen Feder 16 eindringen. Dieses Eindringen der Strömung kann eine unerwünschte Wirkung auf das Federglied 16 hauen und seine Arbeitsweise beeinträchtigen. Wenn das Federglied 16 geschlitzt ist, kann eine Leckströmung durch ein derartiges Federglied 16 hindurchfließen. Außerdem sind die Borsten 10 im Bereich des offenen Endes 33 des elastischen Federgliedes 16 in Axialrichtung nicht abgestützt. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass sich die Borsten 10 in das offene Ende 33 des elastischen Federgliedes 16 hinein ausbiegen. Dies kann in unerwünschter Weise die Bewegung des elastischen Federgliedes 16 und des Expansionsringes 18 beeinträchtigen und eine Abnutzung der Borsten 10 bewirken.
Um diese Fehlermöglichkeiten auszuschalten, insbesondere wenn eine geschlitzte Feder 16 benutzt wird, kann eine Abschirmung 24 vorgesehen werden, um das offene Ende 33 des elastischen Federgliedes 16 abzusperren, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Abschirmung 24 besteht aus einer Ringplatte, die sich in Radialrichtung von einer der Seiten, und zwar in diesem Falle von der radial inneren Ringseite des U-förmig gestalteten ringförmigen Federgliedes 16, erstreckt. Eine hiermit zusammenwirkende Ringnut 26 ist im radial inneren Abschnitt der Vorderseite der Druckplatte 14' vorgesehen, um den Abschirmring 24 aufzunehmen, damit dieser über der Druckplatte 14' und in diese hinein gleiten kann, wenn sich das elastische Federglied 16 und der Expansionsring 18 radial bewegen. Es ist klar, dass sich die Abschirmung 24 in der entgegengesetzten Richtung von der radial äußeren Seite des elastischen Gliedes 16 erstrecken könnte, wobei der Expansionsring 18 in entsprechender Weise zu dimensionieren wäre, um die Abschirmung 24 aufzunehmen.
Ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Dichtung ist allgemein die gleiche wie bei den anderen Ausführungsbeispielen und sie wirkt in gleicher Weise. Wie bei den anderen Figuren wurden daher die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Teile benutzt. Wie in Fig. 2 ersichtlich, besteht jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel der Expansionsring 18' aus einem äußeren Abschnitt 19 und einem inneren Abschnitt 17. Der äußere Abschnitt 19, der mit dem elastischen Federglied 16 verbunden ist, besteht aus einem massiven ringförmigen Reifen. Der innere Abschnitt 17, der mit der Dichtungsoberfläche 30 der Welle 2 in Berührung gelangt, besteht aus mehreren kreisbogenförmigen Segmenten 17a, die an dem äußeren Abschnitt 18 festgelegt sind und in Umfangsrichtung in Form eines Kreisringes liegen. Dies ist deutlicher aus Fig. 2a erkennbar.
Der äußere Abschnitt und der innere Abschnitt des Expansionsringes 18' bestehen sämtlich aus einem thermisch hohen Expansionsmaterial wie bei den anderen Ausführungsbeispielen, und wiederum besitzt der Expansionsring 18' eine geringe thermische Masse. Außerdem kann der innere Abschnitt 17 aus einem abriebbaren Material infolge der Tatsache hergestellt werden, dass er im Betrieb mit der Dichtungsoberfläche 30 in Berührung kommt.
Die Segmente 17a stoßen umfangsmäßig aufeinander, und im Betrieb dehnt sich der Expansionsring 18' aus und bewegt sich radial von der Welle 2 in gleicher Weise weg wie der Expansionsring 18 gemäß Fig. 1. Die Segmentierung des Rings hat jedoch den Vorteil, dass Spannungen innerhalb des Expansionsringes 18' wegfallen, und zwar insbesondere im Bereich des Expansionsringes 18', der die Dichtungsoberfläche 30 der Welle 2 berührt, und dieser Teil ist hohen Beanspruchungen infolge der Berührung und der hieraus resultierenden Reibungserhitzung ausgesetzt. Die Segmentierung des inneren Abschnitts des Expansionsringes 18' ermöglicht auch eine schnellere Ausdehnung des äußeren Abschnitts 19 und daher des Expansionsringes 18' als Ganzes.
Eine Analyse und Überprüfung einer Dichtung gemäß Fig. 2 hat ein verbessertes Dichtungsverhalten gegenüber einer herkömmlichen Dichtung erwiesen. Die Dichtung ergibt eine Selbstnachstellung des Zwischenraumes C zwischen dem Expansionsring 18 und der Welle 2 mit minimaler Berührung und Berührungsbelastungen zwischen Expansionsring 18 und Welle 2.
Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die U-förmig gestaltete Feder 16 durch irgendeine andere geeignete Lageranordnung ersetzt werden, die eine radiale Bewegung des Expansionsringes ermöglicht. Eine solche Lageranordnung ist vorzugsweise elastisch und durchgehend, so dass ein Leckstrom zwischen dem radial inneren Rand der Druckplatte 14 und dem Expansionsring 18 verhindert ist.
Die Dichtung kann auch so ausgebildet werden, dass die radial innere Welle 2 stationär im äußeren Gehäuse 4 ist, von der die Borsten 10 und die Druckplatte 14 vorstehen, wobei das Gehäuse um die Achse 1 der stationären inneren Welle 2 umläuft.
Obgleich die Dichtungsanordnung am Besten geeignet ist zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Bauteilen, beispielsweise einer Welle 2 und einem Gehäuse 4, so kann diese Dichtungsanordnung auch benutzt werden als Dichtung zwischen zwei Bauteilen, die nur eine begrenzte relative Drehbewegung zueinander ausführen.

Claims

1. Ringdichtung, bestehend aus einer Vielzahl von Borsten (10), die in einer Schicht axial benachbart zu einer ringförmigen Druckplatte (14) gepackt sind, wobei die Borsten (10) und die Druckplatte (14) im Betrieb an einem äußeren Teil (4) montiert sind und nach einem zylindrischen inneren Teil (2) und um diesen herum vorstehen, wobei die Borsten (10) freie Enden besitzen, die radial weiter vorstehen als die Druckplatte (14) und die im Betrieb mit dem inneren zylindrischen Teil (2) zusammenwirken, um demgegenüber eine Abdichtung zu bewirken und wobei der äußere Teil (4) und der innere zylindrische Teil (2) im Betrieb relativ zueinander um eine Achse (1) des zylindrischen inneren Teils (2) drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung außerdem einen Expansionsring (18) aufweist, der radial innerhalb der Druckplatte (14) angeordnet und von der Druckplatte (14) im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Druckplatte (14) über geeignete Halterungen (16) gelagert ist, die so angeordnet sind, dass eine radiale Bewegung des Expansionsringes (18) relativ zur Druckplatte (14) und zur betriebsmäßigen Lage des inneren zylindrischen Teils (2) möglich wird.

2. Ringdichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Expansionsring (18) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb eine Friktionserhitzung des Expansionsringes (18) bei dessen Berührung mit dem inneren zylindrischen Teil (2) eine Expansion des Expansionsringes (18) radial von dem inneren zylindrischen Teil (2) weg bewirkt.

3. Ringdichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher der Expansionsring (18) eine niedrige thermische Masse im Vergleich mit der thermischen Masse der Druckplatte (14) und des inneren zylindrischen Teils (2) besitzt.

4. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Expansionsring (18) aus einem Material mit hoher Expansion besteht.

5. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Expansionsring (18) betriebsmäßig so angeordnet ist, dass er anfänglich mit dem inneren zylindrischen Teil (2) in Berührung steht, wenn keine relative Drehbewegung stattfindet.

6. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halterung (16) aus elastischen Haltemitteln besteht.

7. Ringdichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Halterung (16) in Radialrichtung nach innen vorgespannt ist.

8. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Halterung (16) aus einer Ringfeder besteht, die in Umfangsrichtung einen im Wesentlichen U-förmig gestalteten Querschnitt besitzt.

9. Ringdichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Ringfeder (16) geschlitzt ausgebildet ist.

10. Ringdichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei welcher ein ringförmiges Abschirmglied (24) vorgesehen ist, um eine Strömung in das offene Ende der Ringfeder (16') zu verhindern.

11. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der innere zylindrische Teil (2) innerhalb des stationären äußeren Teils (4) drehbar ist.

12. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der äußere Teil (4) sich um den stationären inneren zylindrischen Teil (2) dreht.

13. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Expansionsring (18') aus wenigstens zwei konzentrischen benachbart zueinander liegenden Ringabschnitten (19, 17) besteht.

14. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Expansionsring (18) in Umfangsrichtung segmentiert ist.

15. Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Dichtungsoberfläche (30) auf dem inneren zylindrischen Teil (2) im Betrieb einer Berührung zwischen dem Expansionsring (18) und dem inneren zylindrischen Teil (2) widerstehen kann.

16. Gasturbinentriebwerk mit einer Ringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.