NO320169B1 - Borstetetning med skrastilte buster - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en børstetetning for å tette en omkretsspalt mellom to maskinbyggedeler som er dreiebevegelig i forhold til hverandre, med et stort antall børster som er anbrakt ringformet på en første byggedel, og bustendene er innrettet mot en tetningsflate på den andre byggedel, idet bustene i det minste avsnittsvis i deres ringplan er stilt på skrå etterløpende i omkretsretningen med vinkelen a.\. En slik børstetetning er vist i EP 0 214 192 Bl.

Også i US Patent 5 029 875 og 5 474 306 er det beskrevet børstetetninger av typen nevnt i det foregående. I de nevnte US patenter er det vist en skråstilling av bustene både i omkretsretningen og i forhold til et ringplan.

For å forbedre tetningsvirkningen er det i det sistnevnte US 5 474 306 beskrevet å føre bustene mellom to ring- eller skiveformede flanker som har avstand fra hverandre.

Børstetetninger av typen nevnt ovenfor blir ofte brukt ved strømningsmaskiner, særlig gassturbindriwerk for å tette med minst mulig lekkasje rom ved omkretsspalter som er forskjellig trykkpåvirket av fluid, f.eks. mellom et maskinhus og rotoren eller en maskinaksel. Dessuten skal eksentriske rotor- eller akselposisjoner i forhold til huset som resulterer av f.eks. rotorubalanse kunne utliknes ved hjelp av en elastisk og bevegelig etterføring av bustene. Her hever børstetetningene seg fordelaktig ut i forhold til det hittil anvendt stivt byggede labyrinttetningene, da disse bare i meget begrenset grad kan tilpasse seg akselbevegelse. Der må det nemlig tas hensyn til forutsebare eksentrisiteter ved tilsvarende forhold i spaltebredden. Videre skiller børstetetninger seg fra labyrinttetninger ved lavere fremstillingskostnader og lavere vekt.

Den typiske ettergivenhet for børstetetninger overfor eksentriske bevegelser av rotoren resulterer av skråstillingen av dens buster i forhold til rotorens tetningsflate henholdsvis rotorradien. Alt etter valgt bustlengde og skråstilling av bustene kan det gjøres innflytelse på den nødvendige ettergivenhet henholdsvis elastisitet i børstetetningen uavhengig av valget av materialet. Som det er kjent fra patentsøknad 196 41 375.3 ligger skråstillingens vinkel vanligvis mellom 30 og 60°, idet en vinkel a = 45° oppviser et optimum mellom elastisitet og tetthet.

En alternativ byggeform for en børstetetning er beskrevet i patentsøknad 196 18 475.4. Ved siden av en mest mulig liten radiell byggehøyde er målet der å oppnå en lav stivhet i børstene. Som løsning blir det der foreslått å innrette børstene parallelt med rotoraksen over en stor lengde, og bare avbøye bustendene i retning mot rotorens tetningsflate, slik at de rager frem ut av børstetetningens plan.

Særlig ved den førstnevnte byggeform med de skrått stilte buster fremkom en følsomhet når det gjaldt rotorens dreieretning, idet bustene som så ble stilt på skrå mot løperetningen ved bevegelse bakover ble tatt med og bøyd. Dette kan da føres så langt at bustene blir plastisk deformert og det dannes luke i børstetetningen. Dette fører da til slutt til en ettergivende tetthet.

UT fra dette er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en børstetetning av denne type som for det første har fordelen med ettergivende buster og for det andre bevarer funksjonsevnen uavhengig av rotorens dreieretning.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at bustendene er avbøyd fra de skråstilte bustavsnitt på en slik måte at bustendenes vinkel ofe er mindre enn vinkelen av ax.

Børstetetningen utformet ifølge oppfinnelsen har den fordel i stor grad å beholde en elastisk ettergivenhet når det gjelder radiell bevegelse av byggedelene uavhengig av dreieretningen av den bevegelige byggedel. Uavhengigheten når det gjelder dreieretningen beror på at skråstillingsvinkelen oc2 av bustendene i forhold til skråstillingsvinkelen at av bustene er redusert i et midtre avsnitt slik at bustendene er innrettet vinkelrett eller nesten vinkelrett i forhold til en tangent som ligger an mot tetningsflaten for den andre byggedel.

Børstetetningen ifølge oppfinnelsen er anvendbar både ved typiske rotor-statoranordninger og ved rotor-systemer hvor det er beregnet en tetning mellom to konsentriske rotorer. Alt etter om det er endesidige tetningsflater eller tetningsflater langs omkretsen som skal tettes, kan børstetetningens buster være innrettet i aksiell eller radiell retning.

Ved utsvinging av bustene i en aksiell retning og avhengig av et omtrent konisk forløp av tetningsflaten kan vinkelen eti velges slik at bustendene er innrettet vinkelrett eller nesten vinkelrett mot tetningsflaten for den andre byggedel. Dette har da den virkning at bustendene ved dreieretning mot skråstillingsvinkelen a.\, altså ved en fremløpende dreieretning ikke lenger blir tatt med av tetningsflaten på den andre byggedel og avbøyd eller plastisk deformert. Tvert imot er en slik elastisk utvikling av bustendene ved berøring med tetningsflaten for den andre byggedel mulig. Her må det tas hensyn til at tetningsflatene etter en viss driftstid blir ru ved kontakt med bustene, og på den måten bringes bustendene til utsvinging tendensielt lettere ved ujevnheter på tetningsflaten. Ved en fremløpende dreieretning vil da fordypninger som befinner seg på overflaten lettere kunne medbringe bustendene, slik at det vil kunne skje utriving av enkelte buster. Dette kan nå forhindres ved hjelp av utformingen av børstetetningen ifølge oppfinnelsen. Ved tilsvarende dimensjon-ering av bustlengdene og skråstillingsvinkelen OL\ blir også ettergivenheten som er typisk for børstetetningene bibeholdt i radiell retning. Et holdepunkt for et hensiktsmessig lengdeforhold mellom de skråstilte bustavsnitt og de avbøyde bustender er angitt i krav 6.

Ytterligere fordelaktige vinkelområder og lengder av de midlere bustavsnitt og bustender er angitt i kravene 2-7.

I en ytterligere utførelsesform ifølge trekkene i krav 7 er bustene ført mellom to i.d.R. ring- eller skiveformede flanker med avstand fra hverandre henholdsvis et tetningshus eller den tilstøtende byggedel. Høyden av flankene er her utført på en slik måte at bustene rager frem mellom de to flanker. Med sikt mot den andre byggedel danner de to flanker hver en andre omkretsspalt med den andre byggedel som under vanlige driftsbetingelser er større enn den første omkretsspalt som skal tettes av bustene. Under ekstreme driftsbetingelser kan det imidlertid skje en radiell utsvinging av den andre byggedel på en slik måte at børstetetningen for den andre omkretsspalt blir mindre lokalt på omkretsen. Videre kan bustene ved tilsvarende to flanker som er trukket ned til den andre byggedel, beskyttes mot virvling av det påtreffende trykkmedium. En ytterligere uønsket virkning blir unngått ved hjelp av flankene som når nesten frem til bustendene, hvoretter skrått stilte buster blir utsvingt i omkretsretningen når de på grunn av differansetrykket bøyes over flankens endekant.

Når det gjelder anvendelse av børstetetningene ifølge oppfinnelsen i en strømningsmaskin, så kommer tykkelsene av børstetetningen, nemlig tettheten og ettergivenheten overfor radielle rotorbevegelser best i virkning når børstetetningen er anordnet konsentrisk mellom en radialt ytterliggende stator og en radialt innerliggende rotor, henholdsvis en aksel. Ved en børstetetning dreiefast forbundet med statoren øker så pakningstettheten radial innover altså frem til rotorens tetningsflate, slik at tettheten i det kritiske området, nemlig i spalten er størst i forhold til tetningsflaten.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførel-seseksempel og under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et planriss av en børstetetning med radialt utrettede og i omkretsretningen av bøyde buster, fig. 2 er et ufullstendig snittriss av en rotor-stator-anordning med en børstetetning, fig. 3 er et ufullstendig snittriss av bare en bust av børstetetningen på fig. 2, fig. 4a er et ufullstendig snittriss i lengderetningen av rotor-stator-anordningen på fig. 2 i området ved børstetetningen, fig. 4b er et ufullstendig snittriss i lengderetningen av rotor-stator-anordningen på fig. 2 med skråstilte buster i aksiell retning.

Børstetetningen 1 vist på fig. 1 er beregnet for tetting av omkretsspalt E beregnet for tetting av en omkretsspalt S mellom to dreiebevegelige maskinbyggedeler 2, 3.1 de fleste anvendelsestilfeller dreier det seg ved den andre maskinbyggedel om en rotor som er dreiebevegelig lagret i den første maskinbyggdel, nemlig i en stator. Alt etter krav til tetthet og ettergivenhet i børstetetning 1 er det foregirt en viss pakningstetthet av børster 4 slik at børstetetningen 1 har et stort antall buster 4 som er fordelt mest mulig jevnt over børstetetningens ringomkrets. På deres statorsidige ende er bustene 4 fastsatt i en bustholder 5 som igjen er festet for dreiefast befestigelse til en på denne figur ikke vist stator. Bustene 4 rager ut av en radialt innoverformet omkretssliss 6 av bustholderen 5 i retning mot sentrum Z av børstetetnigen. Ved neglisjering av pakningstykkelsen ligger bustene 4 i børstetetningens 1 ringplan E; her liggende i tegneplanet.

For ikke å beskadige bustene 4 ved en radiell relativ bevegelse av rotoren i forhold til statoren, er bustene 4 utført bøyeelastisk. En radiell avbøyningsbevegelse av bustene 4 blir muliggjort når bustene 4 i et midtre avsnitt er stilt på skrå i omkretsretningen med vinkelen ai. På fig. 2 og 3 er formgivingen av bustene såvel som deres orientering i ringplanet E vist tydelig.

Til forskjell fra fig. 1 er det på fig. 2 vist et sektorutsnitt av børstetetningen 1 mellom en rotor 2 og en stator 3, idet bustene 4 på baksiden av børstetetningen 1 dekkes av en ringskiveformet flanke 8a frem til en andre omkretsspalt S2. Den andre omkretsspalt S2 er på fig. 2 vist mellom den radialt innerliggende endekant av flanken 8a og rotoren 2. For fremstilling av vinkelforholdende ved bustene 4 er det på fig. 3 som eksempel vist en enkel bust 4. Bustene 4 er fastsatt i et radialt ytre avsnitt radialt fluktende innrettet og der i bustholderen 5 vist oppskåret. Typen av fastsettelsen av bustene 4 skal beskrives i det følgende ved hjelp av fig. 4a og 4b. Lengden av det radialt ytre bustavsnitt er angitt med I3.1 tilslutning til dette er bustene i et midtre avsnitt av lengden 1] avbøyd med vinkelen med of] = 45° i forhold til en referanseradius Ri er trukket fra sentrum Z av børstetetningen frem til snittpunket av det radialt ytre liggende bustavsnitt med det skråstilte midtre bustavsnitt. Ved utførelser også med skråstilte radialt ytre bustavsnitt må referanseradiusen legges i den radialt ytre ende av busten 4.

Endelig er et radialt indre bustavsnitt på nytt avbøyd i forhold til det midtre bustforløp, slik at bustendene 7 er rettet mest mulig vinkelrett mot en tangent t som ligger an mot rotorens 2 tetningsflate 9. I samsvar med fremstillingen på fig. 3 er bustenden 7 med lengden 12 stilt på skrå i forhold til en referanseradius R2 med vinkelen a2 = 5°. Referanseradiusen R2 er i dette tilfellet lagt gjennom sentrum Z og gjennom bustenden 7.1 det ideelle tilfelle skal det gås ut fra at sentrum Z for børstetetningen 1 faller sammen med rotorsentrum. Avviker sentrene fra hverandre på grunn av drifts- og innbyggingsbetingelser, så blir den radielle forskyvning utlignet av den elastiske ettergivenhet i bustene 4.

Til lengdeforholdene skal det bemerkes at lengden li av det midtre bustavsnitt utgjør omtrent 65 % av den totale bustlengde 1G = h +12 +13. Skråstillingsvinkelen ai og 02 er med hensyn til rotorens 2 dreieretning D utført etterløpende i forhold til statoren 3, det vil si for denne anordning at bustavsnittene er avbøyd i dreieretningen D fra deres referanseradiuser Ri, R2. Ved maskinbyggedeler som begge er utført dreiebevegelig, måtte det som dreieretning D fastlegges en relativ komponent av de enkelte dreievektorer. Også her måtte da det midtre bustavsnitt være avbøyd etterløpende i forhold til en relativ vektor.

Fig. 3b viser en anvendelseseksempel hvor bustene 4 forløper på skrå frem til bustholderen 5 i en vinkel aj i forhold til en referanseradius Ri. En ytterligere forskjell er vist i bustenden 7 som er rettet vinkelrett mot tangenten t. Tilsvarende er vinkelen 04 = 0°.

På fig. 4a og 4b er innfestingen av bustene 4 i bustholderen 5 vist. Her er bustene 4 viklet U-formet i sløyfer om en konsentrisk kjernering 10. Bustholderen 5 med U-formet tverrsnitt har to flanker 8a, 8b med aksial avstand fra hverandre som har forskjellige radielle høyder hi, h2. I aksialspalten mellom de to flanker 8a, 8b strekker bustene 4 seg parallelt med ringplanet E som her er vist forløpende gjennom kjerneringen 10. Bustene 4 rager ut av omkretsslissen 6 mellom de to flanker 8a, 8b og tetter således omkretsspalten S2.

Som det er vist på fig. 3a og 4a rager bustendene 7 frem ut av omkretsslissen 6 og ligger således i et spalteområde Si som utformer den høyere flanke 8b med rotoren 2. Dette har som følge at det midtre avsnitt med de skråstilte buster blir høytrykksidig fullstendig dekket av flanken 8b, mens det på lavtrykksiden bare skjer delvis gjennom flanken 8a.

En ytterligere utførelsesform er vist på fig. 4b hvor bustene 4 i forhold til børstetetningens 1 ringplan E er utsvingt aksialt i spiss vinkel j8 = 15°. Børstetningen 1 har således et litt konisk form slik at bustene 4 ligger i en konisk flate. Denne innretting av bustene 4 mot høytrykksiden P! har som følge at bustendene 7 på grunn av trykkforskjellen blir lett trykket mot rotorens 2 tetningsflate 9, noe som reduserer lekkasjen.

Et ytterligere anvendelseseksempel er vist på fig. 5. Også her tetter børstetetningen 101 anbrakt i statoren 103 en spalt mellom statoren 103 og rotoren 102. Den likeledes ringformet utformede børstetetning 102 har et stort antall overveiende i aksiell retning rettede buster 104, idet her en tetningsflate 109 som befinner seg på en endeside av rotoren 102 står i virkning med bustene 104. Også her er bustendene 107 avbøyd fra det skråstilte bustavsnitt på en slik måte bustendene 107 er rettet i det vesentlige vinkelrett mot tetningsflaten 109. Ved hjelp av skråstillingen av det midtre bustavsnitt muliggjøres en utlikning av aksiell relativ bevegelse mellom rotorene 102 og 103.

Claims (12)

1. Børstetetning (1, 101) for å tette en omkretsspalt (Sl) mellom to maskinbyggedeler (2, 102; 3, 103) som er dreiebevegelige i forhold til hverandre, med et stort antall buster (4, 104) som er anbrakt ringformet på en første byggedel (3, 103), og bustendene (7, 107) er innrettet mot en tetningsflate (9,109) på den andre byggedel (2, 102) idet bustene (4,104) i det minste avsnittsvis i deres ringplan (E) er stilt på skrå etterløpende i omkretsretningen med en vinkel a\, karakterisert ved at bustendene (7, 107) er avbøyd fra de skråstilte bustavsnitt på en slik måte at bustendenes (7, 107) vinkel <% er mindre enn vinkelen Gf|.

2. Børstetetning (1, 101) ifølge krav 1, karakterisert ved at i bustendenes (7, 107) vinkel er mellom 0 og 15°.

3. Børstetetning (1, 101) ifølge krav 1, karakterisert ved at bustendenes (7, 107) vinkel er mellom 0 og 5°.

4. Børstetetning (1,101) ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at vinkelen atj av de skråstilte bustavsnitt er mellom 30 og 60°.

5. Børstetetning (1, 101) ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at bustene (4) i forhold til børstetetningens (1,101) ringplan (E) er aksialt utsvingt i en spiss vinkel /3.

6. Børstetetning (1, 101) ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at forholdet (1]/12) av lengden (li) av det skråstilte bustavsnitt i forhold til lengden (12) av bustendene (7, 107) ligger mellom omtrent 1 og 6.

7. Børstetetning (1, 101) ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at lengden (1) av det skråstilte bustavsnitt er minst 50 % av den totale bustlengde (1q).

8. Børstetetning (1,101) ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at bustene (4) er ført mellom to ring- eller skiveformede flanker (8a, 8b) med avstand fra hverandre, idet avsnittet av de skråstilte buster (4) ligger radialt innenfor spalten mellom de to flanker (8a, 8b), og bustendene (7) rager frem mellom flankene (8a, 8b).

9. Børstetetning (1, 101) ifølge krav 8, karakterisert ved at flankene (8a, 8b) har forskjellige radielle byggehøyder, og avsnittet av de skråstilte buster (4) ligger innenfor den høyere flanke.

10. Børstetetning (1, 101) ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at bustene (4) er fastsatt i en bustholder (5), idet bustene (4) forløper i avsnitt liggende innenfor bustholderen (5) i det vesentlige parallelt med radiene (RiR2).

11. Børstetetning (1, 101) ifølge ett av kravene 1-10, karakterisert ved at bustene (4, 104) er forsynt med et belegg for redusering av friksjonen på tetningsflate (9,109) av den andre byggedel (2, 102).

12. Anvendelse av en børstetetning (1,101) ifølge ett av kravene 1-11 for tetning av rotoren (2, 102) av en strømningsmaskin, karakterisert ved at bustendene (7, 107) er innrettet mot en tetningsflate (9,109) som omgir rotoren.