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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Dichtungsanordnung
und speziell auf Verbesserungen von Lamellendichtungen.
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Es
ist häufig
notwendig, eine Dichtung in einem Abstandsspalt zwischen zwei Bauteilen
vorzusehen, die in der Lage sind, sich relativ zueinander zu bewegen.
Insbesondere sind Dichtungen oft erforderlich, um eine Abdichtung
zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse herzustellen, das die Welle
umschließt,
wobei das Gehäuse
eine Bohrung besitzt, durch die die Welle hindurchsteht.
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Bei
einem Gasturbinentriebwerk, bei dem sich die Wellen mit einer relativ
hohen Drehzahl drehen und heißen,
unter Druck stehenden Gasen ausgesetzt sind, müssen Dichtungen für diese
Wellen vorgesehen werden, und das Dichtungsverhalten kann einen
wichtigen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks
ausüben.
Es gibt eine Anzahl von Dichtungskonstruktionen, die für solche
Zwecke vorgeschlagen wurden und die so ausgebildet sind, dass sie
innerhalb der rauen Umgebung arbeiten können, die in einem Gasturbinentriebwerk
anzutreffen ist.
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Eine
Art von Dichtungen, die für
Wellen entwickelt wurden, welche sich mit relativ hohen Drehzahlen
drehen, wie dies in einem Gasturbinentriebwerk der Fall ist, sind
Bürstendichtungen.
Bei einer derartigen Bürstendichtung
wird eine Vielzahl feiner Borsten (beispielsweise aus Bronze oder
rostfreiem Stahl) in einem Träger
festgelegt, der in einem Gehäuse
montiert ist. Die Spitzen der Borsten schleifen an der Welle, so
dass eine Dichtung dazwischen zustandekommt.
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Ein
Problem, das bei derartigen Bürstendichtungen
auftritt, besteht darin, dass im Betrieb die Borsten sich in Axialrichtung,
d.h. in Abdichtungsrichtung weg von der Hochdruckseite der Dichtung
nach der Niederdruckseite auszubiegen suchen. Das Ausbiegen der
Borsten in dieser Weise vermindert die wirksame radiale Länge der
Borsten und vermindert auf diese Weise die Berührung zwischen den Borstenspitzen
und der Welle. Hierdurch wird wiederum die Dichtungswirksamkeit
vermindert. Außerdem kann
eine Ausbiegung der Borsten eine Verklemmung der Borsten miteinander
zur Folge haben und eine Verklemmung gegen einen Trägerteil
der Dichtung. Die Reibung zwischen den Borsten und dem Rückhalteteil
versteift die Borsten und verhindert eine freie Bewegung der Borsten,
so dass sie nicht mehr der Welle folgen. Auswanderungen der drehenden
Wellen werden daher nicht durch die Borsten angepasst. Dies führt zu Abstandsspalten,
die sich zwischen den Borstenspitzen und der Welle ergeben und andererseits
zu einer extrem vergrößerten Abnutzung
der Borsten, und beides führt
zu einer Verschlechterung der Abdichtung.
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Eine
andere Art von Dichtungen, die für
Gasturbinentriebwerke und andere Anwendungen vorgeschlagen wurden,
ist eine Lamellendichtung. Lamellendichtungen, die gelegentlich
auch als Foliendichtungen bezeichnet werden, bestehen aus einer
Anzahl dünner,
elastischer, noch flexibler Streifen, die dicht zusammengepackt
sind, wobei die Streifen im Wesentlichen in Dichtungsrichtung ausgerichtet
sind. Ein Ende der Streifen wird in einem Gehäuse gehaltert, während das
andere Ende des Streifens sich über
den Dichtungsspalt erstreckt und auf der Welle aufsitzt. Eine derartige
Dichtungsausbildung ist in der europäischen Patentanmeldung
EP 0,391,676 beschrieben.
Wie hierin beschrieben, sind die Dichtungselemente, die aus elastischen
Streifen bei dieser Dichtungsart bestehen, axial steif, und sie
suchen sich nicht in der axialen Dichtungsrichtung auszubiegen.
Diese Art von Dichtungen vermeidet daher einige der oben beschriebenen
Probleme, die den Bürstendichtungen
eigen sind.
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In
der
EP 0,391,676 wird
beschrieben, dass die elastischen Streifen im Wesentlichen massiv
gepackt sind. Hierdurch wird eine radiale Bewegung der Streifen
verhindert oder begrenzt. Infolgedessen ist die beschriebene Dichtung
auch in Radialrichtung steif. Probleme können hierbei während einer
radialen Auswanderung der Wellen in die Streifen auftreten. Die
radiale Steifheit der Dichtung wirkt gegen die Radialbewegung der
Welle und bewirkt hohe Spitzenbelastungen und eine erhöhte Abnutzung
der Streifen.
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Die
US-PS 5031922 beschreibt eine Variante einer Bürstendichtung, die als Fingerdichtung
bezeichnet wird. Anstelle der Borsten bestehen die Dichtungskörper aus
wenigstens zwei Paaren von ringförmigen
Membrankörpern,
die jeweils durch schmale, im Winkel angestellte Schlitze in eine
Vielzahl radial verlaufender Finger unterteilt sind. Weil die Finger
jedoch eine relativ geringe Steifheit in Dichtungsrichtung besitzen,
biegen sich die Finger im Betrieb in genau der gleichen Weise aus,
wie die Borsten einer Bürstendichtung
sich ausbiegen (wie das im fünften
Absatz weiter oben erläutert
wurde). Um dieses Ausbiegen zu begrenzen, sind die Membranteile
dicht aneinander montiert und mit einem Rückhaltering versehen. Trotzdem
tendieren die Finger immer noch dazu, sich gegen den Rückhaltering festzuklemmen,
was die gleichen nachteiligen Effekte wie bei Bürstendichtungen hat.
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Das
Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, besteht darin, eine
Dichtungsanordnung zu schaffen, die die Flexibilität einer
Bürstendichtung
im Hinblick auf eine Anpassung an eine Radialbewegung hat, ohne
die Nachteile der derartiger Bürstendichtungen
aufzuweisen, die einerseits darin bestehen, dass die Dichtungselemente
in Axialrichtung ausgelenkt werden und die andererseits darin bestehen,
dass die Dichtungselemente gegen ein Rückhalteglied verklemmt werden
(was die Flexibilität
beeinträchtigt).
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft diese eine Dichtungsanordnung zur Bewirkung einer Abdichtung
zwischen zwei Bauteilen zum Sperren einer Fluidströmung zwischen
den beiden Bauteilen in einer Dichtungsrichtung von einer stromaufwärtigen Seite
der Dichtung nach einer stromabwärtigen
Seite der Dichtung, wobei die stromabwärtige Seite der Dichtung im
Betrieb auf einem niedrigeren Druck steht als die stromaufwärtige Seite
der Dichtung und die Dichtung einen Träger aufweist, der von einem der
Bauteile gelagert wird und eine Vielzahl von dicht gepackten elastischen
Streifen im Träger
derart festgelegt ist, dass die Streifen aus dem Träger vorstehen
und jeder Streifen eine Spitze besitzt, die auf dem anderen Bauteil
schleift, um gegenüber
diesem Bauteil eine Abdichtung in Dichtungsrichtung zu bewirken,
wobei die Dichtungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass die
Hauptoberflächen
der Streifen im Wesentlichen parallel zur Dichtungsrichtung verlaufen
und ein Spalt zwischen den Hauptoberflächen benachbarter Streifen
wenigstens im Bereich der Spitzen der Streifen vorgesehen ist, damit die
Spitzenabschnitte der Streifen relativ zueinander beweglich sind
und so im Betrieb eine flexible Abdichtung aufrecht erhalten.
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Dadurch,
dass ein kleiner diskreter Spalt zwischen den einzelnen Streifen
der Dichtung an der Stelle vorgesehen wird, wo die Streifen die
Welle berühren,
können
sich die Streifen relativ zueinander bewegen. Ein bestimtes Ausmaß der Radialbewegung
der Welle in die Dichtung kann durch die Bewegung der Streifen aufgenommen
werden, ohne dass die Dichtung in ihrer Wirkung massiv ist.
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Die
Dichtung ist außerdem
einfach herzustellen und kann kostengünstig erzeugt werden.
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Vorzugsweise
ist der eine Bauteil eine rotierende Welle, und der andere Bauteil
ist ein stationäres
Gehäuse.
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Vorzugsweise
sind die Streifen derart verjüngt
ausgebildet, dass die Dicke an der Spitze eines jeden Streifens,
die an dem anderen Bauteil entlanggleitet, geringer ist als die
Dicke des Endabschnitts der Streifen, der am Träger montiert ist.
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Weiter
kann entlang einem jeden Streifen nach dessen Spitze hin eine stufenweise
Verminderung der Dicke des Streifens vorgesehen werden. Die Dicke
eines jeden Streifens kann vorzugsweise in einer Reihe von Stufen
erfolgen, die über
die Länge des
Streifens nach der Spitze hin verteilt sind.
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Zwischen
benachbarte Streifen kann ein Abstandsstreifen gefügt werden,
der sich vom Träger aus
erstreckt und eine kürzere
Abmessung hat als die Streifen, wodurch ein Spalt zwischen den Spitzen der
Streifen gebildet wird.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Streifen in Dichtungsrichtung betrachtet von
dem Träger
unter einem Winkel nach einer Richtung senkrecht zum Träger.
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Der
Streifen kann über
einen Teil seiner Länge
derart abgebogen sein, dass er in zwei Abschnitte unterteilt wird,
nämlich
einen ersten Abschnitt, der am Träger montiert ist und sich von
diesem aus erstreckt, und einem zweiten Abschnitt, der sich von dem
ersten Abschnitt aus erstreckt und an dem anderen Bauteil schleift.
Dabei erstreckt sich der zweite Abschnitt unter einem Winkel gegenüber dem
ersten Abschnitt. Außerdem
können
die Streifen an mehreren Stellen ihrer Länge derart abgebogen sein,
dass die Streifen in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden,
wobei jeder Abschnitt sich unter einem anderen Winkel gegenüber dem
anderen Abschnitt des Streifens erstreckt. Die Streifen können auch
in Richtung ihrer Längserstreckung
gekrümmt
sein und sich vom Träger
nach den Spitzen der Streifen so erstrecken, dass sie an dem anderen
Bauteil schleifen.
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Die
Biegung oder Krümmung
der einzelnen Streifen der Dichtung ergeben ein verbessertes Verfahren,
welches gewährleistet,
dass ein Spalt zwischen den einzelnen Streifen vorhanden ist, wobei gleichzeitig
gewährleistet
ist, dass die Streifen am anderen Ende aneinanderstoßen. Dadurch,
dass die Dichtungsstreifen an einem Ende aneinanderstoßen, wo
ein Spalt zwischen den Streifen nicht erforderlich ist, wird der
Gesamtleckstrom durch die Dichtung vermindert. Die Biegung der Streifen
zur Steuerung des Spaltes zwischen den Streifen ist auch einfacher herzustellen
als eine radiale Verjüngung
der Dicke der Streifen. Die einzelnen Streifen können, da sie an einem Ende
aneinanderstoßen,
einfach und schnell zusammengebaut und in ihrer Lage, beispielsweise durch
Verschweißung
oder andere Mittel, fixiert werden.
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Vorzugsweise
sind die Streifen derart montiert, dass die Breite der Streifen
unter einem Winkel gegenüber
der Dichtungsrichtung der Dichtung steht.
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Die
Dichtung kann mit einem Dämpfungsglied
versehen werden, das auf die Streifen einwirkt, um eine Relativbewegung
der Spitzen der Streifen zu dämpfen,
die so angeordnet sind, dass sie an dem anderen Bauteil schleifen.
Vorzugsweise weist das Dämpfungsglied
eine vordere Einfassung und eine hintere Einfassung auf, die sich
vom Träger
auf entgegengesetzten Seiten der Streifen erstrecken, wobei vordere
und hintere Einfassung von den Rändern der
Streifen durch einen Spalt getrennt sind und einen wesentlichen
Teil der Streifen dazwischen derart einschließen, dass im Betrieb eine viskose
Dämpfung
der Streifen erzeugt wird. Das Dämpfungsglied kann
wenigstens ein Fingerglied umfassen, das vom Träger vorsteht, wobei die Spitze
des Fingergliedes einen der Ränder
der Vielzahl von Streifen auf einem Teil ihrer Länge berührt und dagegen gedrückt wird. Das
Dämpfungsglied
kann einen Dämpfungskörper aufweisen,
der vom Träger über eine
Vielzahl von Drähten
aufgehängt
ist und gegen einen Rand einer Vielzahl der Streifen über einen
Teil der Länge
der Streifen anliegt, wobei der Dämpfungskörper im Betrieb gegen den Rand
der Streifen durch einen Leckstrom durch die Dichtung gedrückt wird.
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Weiter
kann die Dichtung eine zweite Vielzahl von dicht gepackten elastischen
Streifen aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Dichtungsrichtung
verlaufen und am Träger
montiert sind und sich von diesem erstrecken, wobei die Spitzen
eines jeden Streifens auf dem anderen Bauteil schleifen, um eine
weitere Dichtung hiergegen zu erzielen, wobei die zweite Vielzahl
von Streifen in einer Dichtungsrichtung strömungsmäßig in Reihe mit der ersten Vielzahl
von Streifen montiert ist.
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Die
zweite Vielzahl von Streifen kann derart angeordnet werden, dass
die Spalte zwischen benachbarten Streifen in Dichtungsrichtung betrachtet im
Wesentlichen durch die Streifen der zweiten Vielzahl von Streifen
abgedeckt werden.
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Vorzugsweise
ist der Spalt zwischen benachbarten Streifen kleiner als 20% der
Dicke der einzelnen Streifen.
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Vorzugsweise
ist die Dichtung für
ein Gasturbinentriebwerk bestimmt.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
ein Vertikalschnitt durch einen Dichtungsaufbau, der eine Dichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt;
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2 ist
eine axiale Teilstirnansicht der Streifen der Dichtung gemäß 1;
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3 ist
eine der 2 entsprechende Ansicht einer
abgewandelten Ausführungsform
der Dichtung;
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4 ist
eine weitere der 2 entsprechende Ansicht eines
weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung;
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5a, 5b und 5c sind
der 2 entsprechende Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele
der Dichtung;
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6a und 6b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
betrachtet in Richtung des Pfeiles A gemäß 1;
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7a, 7b und 7c zeigen
weitere Schnittansichten durch weitere Ausführungsbeispiele der Dichtungen
gemäß der Erfindung;
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8 ist
ein Schnitt durch einen Verbunddichtungsaufbau mit Dichtungselementen
gemäß der Erfindung;
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8a ist
eine Einzelansicht von Teilen des Dichtungsaufbaus gemäß 9,
wobei die Anordnung der Streifen ersichtlich ist;
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9 ist
eine den 5a, 5b, 5c entsprechende
Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei
dem die Dichtung nach außen
abdichtet.
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1 zeigt
einen Dichtungsaufbau zur Abdichtung eines Abstandsspaltes C zwischen
einer Welle 2, die um eine Achse 3 umläuft und
einem stationären
Gehäuse 4,
wie dies beispielsweise bei einem Gasturbinentriebwerk der Fall
ist. Der Dichtungsaufbau verhindert oder beschränkt eine Fluidströmung, beispielsweise
Hochdruckluft in Dichtungsrichtung (durch den Pfeil 22 angegeben)
aus einem Bereich 24 relativ hohen Druckes nach einem Bereich 26,
der unter einem niedrigeren Druck steht. Die Welle 2 dreht
sich innerhalb einer Innenbohrung des Gehäuses 4, durch das
die Welle 2 hindurchsteht. Der Dichtungsaufbau umfasst
eine Vielzahl von relativ dünnen
elastischen Dichtungsstreifen 6, die schichtmäßig zwischen
einem Träger 13,
der eine ringförmige
Frontplatte 8 und eine ringförmige Rückplatte 10 aufweist,
angeordnet sind. Die Streifen 6, die Frontplatte 8 und
die Rückplatte 10 können sämtlich über einen äußeren Umfang
miteinander verschweißt
sein, um eine Dichtungseinheit 12 zu erzeugen. Stattdessen
können
sie durch andere Mittel zusammengehalten werden. Die Dichtungseinheit 12 ist
in einer Senkbohrung 14 im Gehäuse 4 über einen Sprengring 16 fixiert,
der in eine Nut 18 im Gehäuse 4 eingreift. Es
ist klar, dass die Dichtungseinheit auch durch andere Mittel gehalten
werden könnte,
die auch durch die Mittel erfasst werden sollen, welche die Frontplatte 8,
die Rückplatte 10 und
die Streifen 6 als Dichtungseinheit 12 zusammenhalten.
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Die
Dichtungsstreifen 6 können
dicht über den
Umfang der Welle 2 verteilt angeordnet sein, und sie erstrecken
sich allgemein in Radialrichtung derart, dass ihre freien distalen
Enden 20 an dem äußeren Umfang
der Welle 2 schleifen, wie dies aus 2 ersichtlich
ist. Wie aus 2 ersichtlich, erstrecken sich
die Streifen 6 unter einem Winkel θ gegenüber der wirklichen Radialrichtung 28 der
Dichtung derart, dass sie in Richtung der Drehung (durch den Pfeil
X angegeben) der Welle 2 nachlaufen. Im typischen Fall
wird ein Winkel θ zwischen
20° und
70° benutzt. Die
Streifen können
sich jedoch auch radial erstrecken (d.h. mit einem Winkel von 0°) oder unter
irgendeinem anderen Winkel. Die Dichtungsstreifen 6 sind
mit ihrem Rand innerhalb des Dichtungsaufbaus derart angeordnet,
dass die Breite W der Streifen 6 allgemein in Dichtungsrichtung 22 liegt.
Wie in 1 dargestellt, verläuft die Dichtungsrichtung 22 in
diesem Ausführungsbeispiel
allgemein parallel zur Achse 3 der Welle 2 und
der Dichtung. Die Breite W der Streifen 6 ist größer als
die Dicke t der Streifen 6, damit eine ausreichende Steifheit
in Dichtungsrichtung 22 (Axialrichtung) erhalten wird.
Infolgedessen haben die Streifen 6 einen hohen Biegewiderstand
in Dichtungsrichtung 22, wobei einige der Probleme gelindert
werden, die sich bei Bürstendichtungen
finden, verursacht durch Biegung der Borsten gegen die Rückteile.
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Die
Dicke t der Streifen 6 ist ähnlich dem Durchmesser der
Borsten in einer Bürstendichtung. Im
typischen Fall beträgt
die Dicke etwa 0,5 mm. Die Streifen 6 bestehen aus einem ähnlichen
Material wie das, das zur Herstellung der Borsten in Bürstendichtungen
benutzt wird. Im typischen Fall bestehen die Streifen 6 aus
rostfreiem Stahl oder einem anderen hochtemperaturfesten Material,
beispielsweise Haynes 25, INCO 718 oder Nimonic.
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Wie
aus 6a ersichtlich, ist jeder Streifen 6 im
Wesentlichen glatt und eben und liegt mit seiner Ebene parallel
zur Dichtungsrichtung 22. Jedoch könnte jeder Streifen 6 mit
seiner Ebene unter einem Winkel β gegenüber der
Dichtungsrichtung 22 liegen, wie dies in 6b angedeutet
ist. Eine noch andere Möglichkeit
besteht darin, dass jeder Streifen 6 über seine Breite W gekrümmt ist,
jedoch ist dies nicht dargestellt.
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Wie
oben beschrieben, ist die Dichtung allgemein in ähnlicher Weise aufgebaut wie
die Dichtung, die in der
EP 0,391,676 beschrieben
ist. Wie in
2 dargestellt, sind jedoch an
der Stelle, wo die Streifen
6 an der Welle
2 schleifen,
diese Streifen
6 voneinander durch einen diskreten Spalt
30 getrennt.
Dieser Spalt ermöglicht
eine gewisse Bewegung in Umfangsrichtung und eine Durchbiegung der
Streifen
6, bevor sie aneinanderstoßen, und so wird eine wirksame,
massive Dichtung erzeugt. Die Dichtung ist demgemäß in Radialrichtung
nachgiebig und elastisch, während
sie in Dichtungsrichtung (Axialrichtung)
22 relativ steif
ist. Die Umfangsbewegung der Streifen
6 vermindert die
wirksame radiale Länge
der Streifen und bewegt die Spitze
20 der Streifen
6 radial
nach außen.
Infolgedessen kann durch Biegung der Streifen
6 in Umfangsrichtung
die Dichtung sich in einem bestimmten Maß relativ radial zur Welle
2 bewegen, ohne
dass eine wirksame, massive Ausbildung vorhanden ist. Dies steht
im Gegensatz zu der Dichtung, wie sie in der
EP 0,391,676 beschrieben ist, wo die Streifen
im Wesentlichen fest und massiv gepackt sind und kein Zwischenraum
zwischen benachbarten Streifen besteht, was zu einer relativ steifen
Dichtung führt,
die keine Anpassung an eine relative Radialbewegung der Welle ermöglicht,
ohne dass die Spitzen einer erheblichen Belastung ausgesetzt und
dadurch die Spitzen der Streifen abgenutzt werden.
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Die
Radialbewegung der Welle 2 relativ zum Gehäuse 4 und
der Abdichtung kann besonders dann auftreten, wenn derartige Dichtungen
in einem Gasturbinentriebwerk benutzt werden. Die Relativbewegung
der Welle 2 kann durch verschiedene Faktoren verursacht
werden, einschließlich
einem thermischen Wachstum der Welle 2, einer leichten
exzentrischen Lagerung und Ausrichtung der Welle 2 relativ
zum Gehäuse 4,
was bewirkt, dass sich die Welle 2 auf einer Umlaufbahn
bewegt, und außerdem
kann eine ungleichmäßige Übergangsbelastung
der Welle 2 eine Ursache sein.
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Der
Spalt 30 zwischen benachbarten Streifen 6 wird
so bemessen, dass eine Anpassung an die relative axiale Bewegung
der Welle 2 zustandekommt, derart, dass die Streifen 6 sich
frei in Umfangsrichtung gemäß der erwarteten
Radialbewegung der Welle 2 bewegen können, ohne dass die Spitzen 20 der
Streifen 6, die an der Welle 2 ablaufen, aneinander
anstoßen.
Um jedoch den Leckstrom durch diese Spalte 30 zwischen
den Streifen zu vermindern, ist es wichtig, dass die Streifenspalte
nicht übermäßig groß sind oder
größer als
das erforderliche Minimum. Im typischen Fall bei der Benutzung in einem
Gasturbinentriebwerk ist die Größe des Spaltes 30 etwas
kleiner als 20% der Dicke t der Streifen 6.
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Der
erforderliche Spalt 30 zwischen benachbarten Streifen 6 kann
durch verschiedene alternative Anordnungen erreicht werden. Wie
in 2 dargestellt, kann der Spalt 30 zwischen
den Spitzen 20 benachbarter Streifen 6 dadurch
erreicht werden, dass die Dicke t am radial inneren Ende 32 der
Streifen 6 vermindert wird. Die Dicke t der Streifen 6 kann beispielsweise
durch Ätzen
der freien Endabschnitte 12 der Streifen 6 mit
einem geeigneten Ätzmittel
erzeugt werden, wodurch ein Teil des Materials vom Endabschnitt 32 der
Streifen 6 entfernt wird. Die Dicke t der Streifen 6 könnte jedoch
auch graduell in Stufen vermindert werden, wie dies in 3 dargestellt
ist. Eine weitere Möglichkeit
(nicht dargestellt) besteht darin, den Streifen 6 in Radialrichtung
graduell zu verjüngen.
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Eine
weitere Anordnung zur Bildung eines Spaltes 30 zwischen
benachbarten Streifen 6 ist in 4 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind
die einzelnen Streifen 6d im Wesentlichen gleich dick und
voneinander durch Abstandshalterstreifen 7 getrennt. Die
Abstandshalterstreifen 7 haben eine geringere kürzere Radiallänge und
erstrecken sich vom Gehäuse 4 aus.
Die freien Enden der Abstandshalterstreifen sind radial um ein Stück der Länge der Streifen 6d zurückgesetzt.
Aufeinanderfolgende Streifen 6d sind daher voneinander
durch die Dicke t1 der Abstandshalterstreifen 7 getrennt,
wodurch ein Spalt 30 zwischen den Spitzen 20 der
Streifen 6d zustandekommt. Obgleich nur ein Abstandshalterstreifen 7 in 4 dargestellt
ist, so können
jedoch auch jeweils mehrere Abstandshalterstreifen 7 mit
unterschiedlicher radialer Länge
zwischen benachbarten Dichtungsstreifen 6d benutzt werden.
Der wirksame Spalt 30 zwischen den Streifen 6d ist
gleich jenem, wie er in 3 dargestellt ist.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
stoßen
die radial äußeren Abschnitte 36 der
Streifen 6, die am Gehäuse über die
Frontplatte 8 und die Rückplatte 10 befestigt
sind, in Umfangsrichtung aneinander. Die äußeren Abschnitte 36 der Streifen 6 sind
daher dicht gepackt und bilden in diesem radial äußeren Abschnitt eine massive
Einheit. Dies gewährleistet,
dass die Streifen 6 aufeinander ausgerichtet innerhalb
der Dichtung angeordnet sind. Es wird auch die Herstellung der Dichtung
vereinfacht, weil die Streifen 6 einfach miteinander verschweißt werden
können.
Da außerdem
kein Spalt zwischen den äußeren Abschnitten 36 der
Streifen 6 in diesem Bereich vorhanden ist, so wird der
Leckstrom durch die Dichtung zwischen den Streifen 6 vermindert.
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Es
ist ersichtlich, dass der Umfang am äußeren Radius der Dichtung größer ist
als der Umfang der Welle 2. Da sich die Streifen 6 radial
erstrecken und eine Verjüngung
der Streifen 6 erforderlich ist, um einen Spalt 30 an
den Spitzen 20 der Streifen 6 zu erzeugen, sollte
das Ausmaß der
Verminderung in dem Umfangsraum berücksichtigt werden, der zwischen
dem äußeren und
inneren Radius verfügbar ist.
Wenn die Verjüngung
nicht ausreicht, dann würde jeder
Spalt 30 zwischen den Streifen 6 dazu tendieren,
sich zu schließen
und sich nach dem radial inneren Ende zu vermindern. Gemäß der Erfindung
ist es wichtig, dass ein genügender
Spalt 30 an der Spitze 20 der Streifen 6 vorgesehen
ist. Vorzugsweise sollte die Verjüngung so sein, dass sich der
Spalt 30 nach der Spitze 20 der Streifen 6,
wie in 3 dargestellt, vergrößert. Der größte Raum
wird an den Spitzen 20 der Streifen 6 erforderlich,
um eine bestimmte Umfangsbewegung der Streifen 6 zuzulassen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 5a dargestellt. Die Dichtung
ist im Wesentlichen gleich den oben beschriebenen Dichtungen mit
der Ausnahme, dass die Vielzahl der radial verlaufenden Streifen 6b,
die die Dichtung bilden, an einer Stelle über ihrer radialen Länge abgebogen
ist. Die allgemeine Anordnung dieser Dichtung wird daher nicht im
Einzelnen nochmals beschrieben. Die abgebogenen Streifen 6b erstrecken
sich vom Träger 13 und dem
Gehäuse 4 derart,
dass ein erster Abschnitt 38 der Streifen unter einem Winkel α gegenüber dem wirklichen
Radius 28 der Dichtung verläuft, während ein zweiter Abschnitt 40 der
Streifen 6b unter einem zweiten Winkel γ gegenüber dem wirklichen Radius 28 der
Dichtung angestellt ist. Die ersten Abschnitte 38 der Streifen 6b stoßen aneinander
und gewährleisten,
dass die Streifen 6b richtig ausgerichtet sind und ein
einfacher Aufbau der Dichtung gewährleistet ist. Dies ist ähnlich der
Anordnung, mit der die radial äußeren Abschnitte 36 der
verjüngten
Streifen 6 angeordnet sind. Die Streifen 6b sind
innerhalb der Dichtung derart angeordnet, dass der Knickpunkt 42 jedes
Streifens 6b auf einem Kreis 44 liegt, der konzentrisch
zur Dichtung verläuft.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass der Knickpunkt 42 eines
jeden Streifens 6b durch den ersten Abschnitt 38 eines benachbarten
Streifens 6b überlappt
wird, so dass ein kleiner diskreter Spalt 30 zwischen aufeinanderfolgenden
Streifen 6b gebildet wird.
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Eine
Abwandlung der Anordnung gemäß 5a ist
in 5b dargestellt. Bei dieser Anordnung ist jeder
der einzelnen Streifen 6c, die die Dichtung bilden, an
mehreren Knickpunkten 44a, 44b, 44c über die
Länge abgeknickt,
und es wird ein mehrfach abgebogener Streifen 6c gebildet.
Diese mehrfach abgebogenen Streifen 6c sind in gleicher
Weise zusammengebaut wie die einfach abgebogenen Streifen 6b bei
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel,
so dass die Knickpunkte 44a, 44b, 44c der
Streifen 6c auf einer Reihe von Kreisen 46a, 46b, 46c,
die konzentrisch zueinander und zur Dichtung verlaufen, liegen,
wobei jeder benachbarte Streifen 6c jeden Knickpunkt 44a, 44b, 44c des
vorherigen Streifens 6c etwas überlappt. Unterschiedliche
Abschnitte 48, 50, 52, 54 der
Streifen 6c erstrecken sich vom Gehäuse unter unterschiedlichen
Winkeln δ, λ, ϕ, υ gegenüber dem
wirklichen Radius 28 der Dichtung. Ein kleiner diskreter
Spalt 30 zwischen benachbarten Streifen 6c wird
dadurch gebildet, dass sich die Spitzen 20 der Streifen 6c in
Umfangsrichtung bewegen können,
um eine Anpassung an irgendeine Radialbewegung der Welle 2 innerhalb
der Dichtung zu ermöglichen.
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Ein
Vorteil dieser Anordnung mit Mehrfachknickung besteht darin, dass
der Spalt 30 zwischen den Streifen 6c genauer
eingestellt und über
die Länge
des Streifens 6c eingestellt werden kann. Die Größe des Spaltes 30 und
seine Veränderung über die Länge der
Streifen 6c wird durch die Anzahl der Biegungen bzw. Knickungen 44a, 44b, 44c in
den Streifen 6c und den Knickwinkeln δ, λ, ϕ, υ bestimmt.
Der Spalt 30 kann daher über die Länge der Streifen 6c vermindert
werden, wodurch der Leckstrom über
die Dichtung verringert wird und trotzdem ein genügender Raum,
insbesondere an der Spitze 20, verbleibt, damit sich die
Streifen 6c bewegen können.
Es ist klar, dass die Größe des Spaltes 30,
die erforderlich ist, damit sich die Streifen 6c in dem
erforderlichen Ausmaß bewegen
können, über die
Länge der
Streifen 6c unterschiedlich ist. Zwischen den radial inneren
Enden der Streifen 6c ist ein größerer Spalt 30 erforderlich
als an den radial äußeren Enden,
um das gleiche Ausmaß der
Bewegung der Streifen 6c zu ermöglichen.
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Es
ist klar, dass die Mehrfachknickanordnung weiterentwickelt und verbessert
werden kann, indem radial gekrümmte
Streifen verwendet werden, die beispielsweise kreisförmig, elliptisch
oder parabolförmig
gekrümmt
sind, wie dies in 5c dargestellt ist. Die genaue
Form der Streifen wird durch Gestalt und Größe des Spaltes bestimmt, der
erforderlich ist, um die gewünschte
Bewegung der Streifen zu ermöglichen.
Die Benutzung derart gekrümmter
Streifen ermöglicht
eine noch bessere Einstellung der Größe des Spaltes zwischen den
Streifen über die
Länge der
Streifen. Ein Leckstrom durch die Dichtung kann daher weiter vermindert
werden.
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Die
oben beschriebenen Dichtungen haben eine Leckstromrate, die durch
den inneren Streifenspalt 30 bestimmt ist. Um diese Leckstromrate
zu vermindern, ohne den Zwischenstreifenspalt 30 zu verändern, können zwei
Dichtungselemente 56, 58 benutzt werden, die in
Tandem, einer hinter dem anderen, in Dichtungsrichtung 22 angeordnet
sind, wie dies in 8 dargestellt ist. Jedes der
beiden Dichtungselemente 56, 58 besteht aus einer
gleichen Anordnung radial verlaufender Streifen 6, die
die Welle 2 umschließen.
Das stromabwärtige
Dichtungselement 58 ist von dem stromaufwärtigen Dichtungselement 56 über einen
kleinen Zwischenraum 60 getrennt. Die Streifen 6 in
jedem der Elemente 56, 58 können sich daher unabhängig voneinander
frei bewegen. Das stromabwärtige
Element 58 ist außerdem
um ein geringes Ausmaß derart
verdreht, dass die Dichtungsstreifen 6 des stromabwärtigen Dichtungselementes 58 den
Spalt 30 zwischen benachbarten Streifen 6 des
stromaufwärtigen
Dichtungselementes 56 in Dichtungsrichtung 22 (bei
diesem Ausführungsbeispiel
Axialrichtung) betrachtet überlappen.
Dies ist in 8a dargestellt, wo die strichlierten
Linien die Position der Streifen 6 des stromabwärtigen Dichtungselementes 58 anzeigen.
Durch diese Anordnung wird der Leckstromfluss in Dichtungsrichtung 22 durch
die Zwischenstreifenspalte 30 des stromaufwärtigen Dichtungselementes 56 durch
die Streifen 6 des stromabwärtigen Dichtungselementes 58 blockiert
oder zumindest verringert. Dies führt zu einem verminderten Leckstromfluss durch
die Verbunddichtung und demgemäß zu einem verbesserten
Dichtungsverhalten.
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Da
gemäß der Erfindung
die Streifen 6, 6c, 6b, 6c, 6d voneinander
durch diskrete Spalte 30 getrennt sind, können sie
sich frei bewegen. Dies kann Anlass sein für eine Vibration oder ein Flattern
der Streifen 6, 6a, 6b, 6c, 6d,
oder es kann diese Vibration oder dieses Flattern verschlimmert
werden. Eine derartige Vibration oder ein solches Flattern ist unerwünscht, weil
hierdurch mit der Zeit eine Beschädigung der Streifen 6, 6a, 6b, 6c, 6d auftreten
kann. Demzufolge kann es notwendig sein, eine Dichtung mit Mitteln
zu versehen, die die Vibration oder das Flattern der Streifen 6, 6a, 6b, 6c, 6d vermindern.
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Gemäß 7a besteht
eine Möglichkeit
darin, die Frontplatte 8' und
die Rückplatte 10' der Dichtung
derart auszubilden, dass sie sich über den Hauptteil der radialen
Länge der
Streifen 6 erstrecken. Die Frontplatte 8' und die Rückplatte 10' sind von den
Streifen 6 durch einen nur kleinen Spalt 62 getrennt.
Die Frontplatte 8' und
die Rückplatte 10' bilden daher
Einfassungen, die einen beträchtlichen Teil
der Streifen 6 umschließen und die Möglichkeit schaffen,
dass Viskositätswirkungen
der schmalen inneren Streifenspalte 30 eine Vibration oder
ein Flattern dämpfen.
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Verlängerte Frontplatten 8' und Rückplatten 10', die sich in
die Nähe
des anderen Bauteils 2 erstrecken, verbessern weiter das
Dichtungsverhalten, da die Platten 8' und 10' eine physikalische Barriere gegenüber dem
Leckstromfluss bilden, wodurch der Leckstrom durch die Dichtung
weiter verringert wird. Außerdem
tragen die Platten 8', 10' dazu bei, zu
verhindern, dass Schmutz und anderes Material in die Dichtung eingesaugt
wird und möglicherweise
die Zwischenstreifenspalte 30 zusetzt. Aus diesen Gründen können demgemäß verlängerte Front-
und Rückplatten 8', 10' auch bei anderen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung benutzt werden.
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Wenn
eine weitere Dämpfung
erforderlich ist, dann kann eine aufgespaltene Einfassungsdämpferanordnung
(7b) oder eine Ringdämpferanordnung (7c)
benutzt werden. Eine aufgespaltene Einfassungsdämpferanordnung, wie sie in 7b dargestellt
ist, besteht aus einer Anzahl radial verlaufender Finger 64,
die derart vorgespannt sind, dass das distale Ende 66 eines
jeden Fingers 64 an dem stromaufwärtigen Frontrand 68 einer
Anzahl von Dichtungsstreifen 6 der Dichtung anliegt und
gegen diese gedrückt
wird. Die Reibung zwischen dem Ende der Finger 66 und den
Rändern
der Streifen 68 bewirkt eine Dämpfung der Vibration und des
Flatterns der Streifen 6. Die Finger 64 tragen
außerdem dazu
bei, die Streifen 6 teilweise miteinander zu verbinden,
da die Finger 64 mehrere benachbarte Streifen 6 berühren.
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In 7c ist
ein Ringdämpfer
dargestellt, der aus einem Ring 70 besteht, welcher lose
konzentrisch zur Welle 2 über mehrere Drähte 72 derart
aufgehängt
ist, dass er gegen den stromaufwärtigen Rand 68 der
Streifen 6 anliegt. Der Ring 70 wird gegen die
Ränder 68 der
Streifen 6 durch den Leckstromfluss des Fluids in Dichtungsrichtung 22 und den
Druckunterschied zwischen dem stromaufwärtigen Druck 24 und
dem stromabwärtigen
Druck 26 über
der Dichtung gedrückt.
Hierdurch wird jede Vibration in ähnlicher Weise wie bei dem
aufgespaltenen Einfassungsdämpfer
gedämpft.
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Die
Dichtungsanordnung wurde in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen
beschrieben, bei denen ein Zwischenraum C zwischen einer rotierenden
Welle 2 und einem Gehäuse 4 vorhanden war.
Es ist jedoch klar, dass dieses Konzept auch allgemeiner anwendbar
ist. Tatsächlich
kann die Erfindung auch auf lineare Dichtungen angewandt werden.
Die Streifen 6f können
auch an dem rotierenden Bauteil 2 statt an dem stationären Bauteil 4 festgelegt sein,
so dass sich die Streifen 6f drehen. Die Streifen 6f können, wie
in 9 dargestellt, derart nach außen weisen, dass sie an ihren
radial inneren Enden 72 festgelegt sind, während die
radial äußeren Enden 74 der
Streifen 6f an dem anderen Bauteil 4 schleifen.
Wie bei der radial nach innen gerichteten Anordnung erzeugen die
gekrümmten
Streifen 6f einen Zwischenstreifenspalt 30 an
ihren freien distalen Enden 74. Es ist außerdem klar,
dass andere Anordnungen, beispielsweise gebogene und verjüngte Streifen 6,
wie oben in den anderen Figuren beschrieben, benutzt werden könnten, um
den Zwischenstreifenspalt 30 zwischen den freien Enden 74 der
Streifen bei der nach außen
gerichteten Konfiguration zu erzeugen. Bei diesen Ausführungsbeispielen
befinden sich die freien Enden 74 der Streifen 6f und
die Zwischenstreifenspalte 30 an den radial äußeren Enden 74 der Streifen 6f.