DE10351583A1 - Dichtungsanordnung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines axialen Spalts zwischen vorzugsweise zwei demselben statischen System oder demselben dynamischen System zugehörigen Strukturen vorzugsweise einer Turbomaschine. Zwischen den vorzugsweise beiden Strukturen ist zur Abdichtung des axialen Spalts eine als Bürstendichtung ausgebildete Dichtungseinrichtung angeordnet (Fig. 1).
Description
- Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Die hier vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abdichtung zwischen zwei Strukturen, die entweder demselben statischen oder demselben dynamischen System zugeordnet sind und absolut oder relativ zueinander stillstehen. Das Stillstehen der beiden Strukturen wird in einem statischen System dadurch erzielt, dass beide Strukturen feststehend ausgebildet sind. In einem dynamischen System werden beide Strukturen vorzugsweise mit gleicher Richtung sowie gleicher Geschwindigkeit relativ zueinander angetrieben, so dass der Spalt zwischen beiden Strukturen relativ stillsteht. Eine Abdichtung zwischen zwei Strukturen, die absolut oder relativ zueinander stillstehen, wird auch als statische oder quasistatische Dichtung bezeichnet.
- Turbomaschinen wie Gasturbinen, die zum Beispiel in Flugzeugen als Triebwerke verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere in axialer Richtung der Turbomaschine hintereinander angeordnete, feststehende Leitschaufelkränze. Jeder der feststehenden Leitschaufelkränze ist aus mehreren Schaufelsegmenten gebildet, wobei jedes Schaufelsegment zumindest eine Leitschaufel umfasst. Die Schaufelsegmente sind einerseits mit radialem Spiel und andererseits mit axialem Spiel relativ zu einem feststehenden Gehäuse oder einem freistehenden Träger der Turbomaschine angeordnet. Bei dem Gehäuse bzw. dem Träger und den Leitschaufelkränzen handelt es sich um feststehende, rotationssymmetrische Bauteile der Turbomaschine, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des axialen Spiels zwischen den feststehenden Leitschaufelsegmenten eines Leitschaufelkranzes und dem feststehenden Gehäuse einer Turbomaschine.
- Um bei einer Gasturbine eine Strömung zwischen einem feststehenden Leitschaufelkranz und dem feststehenden Gehäuse zu unterbinden, ist nach dem Stand der Technik zwischen dem Leitschaufelkranz und dem Gehäuse eine Blechdichtung angeordnet. Die Blechdichtung dichtet einen durch das axiale Spiel zwischen den Schaufelsegmenten und dem Gehäuse ausgebildeten axialen Spalt ab. Da sich bei Bildung eines Leitschaufelkranzes aus mehreren Schaufelsegmenten ein axialer Versatz zwischen den Schaufelsegmenten ausbilden kann, können sich Unregelmäßigkeiten im axialen Spiel und damit im axialen Spalt zwischen den Schaufelsegmenten und dem Gehäuse ausbilden. Ein derartiger axialer Versatz kann durch Fertigungstoleranzen der gegeneinander abzudichtenden Bauteile hervorgerufen werden. Weiterhin können im Betrieb einer Gasturbine sich die einzelnen Schaufelsegmente in Folge von Erwärmungen unterschiedlich stark ausdehnen. Des weiteren können die Schaufelsegmente während des Betriebs der Gasturbine verschoben werden. All diese Faktoren können auch in Kombination miteinander auftreten und für Abweichungen des abzudichten, axialen Spalts in einer Größenordung von einigen Millimetern sorgen. Eine Blechdichtung gewährleistet zwar bereits ein hohes Maß an Dichtigkeit, sie vermag jedoch derartige Unregelmäßigkeiten zwischen den gegeneinander abzudichtenden Bauteilen nicht auszugleichen und lässt dann unerwünschte Leckagen zu. Blechdichtung verfügen demnach über den Nachteil, dass dieselben Unregelmäßigkeiten des axialen Spalts nur schlecht ausgleichen können.
- Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine verbesserte Dichtungsanordnung zu schaffen.
- Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die Eingangs genannte Dichtungsanordnung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist zwischen den vorzugsweise beiden Strukturen zur Abdichtung des axialen Spalts eine als Bürstendichtung ausgebildete Dichtungseinrichtung angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine effektive Abdichtung des axialen Spalts. Leckagen werden auf ein absolutes Minimum reduziert.
- Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Bürstendichtung mehrere in axialer Richtung verlaufende Borsten, wobei die Orientierung der Borsten eine Komponente in axialer Richtung und eine Komponente in Umfangsrichtung aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass die beiden Strukturen sich geringfügig relativ zueinander bewegen können, was zum Beispiel bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung der beiden Strukturen von Bedeutung ist.
- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
-
1 : eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung in stark schematisierter Seitenansichtansicht. -
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbine10 in stark schematisierter Seitenansicht. So zeigt1 einen Abschnitt eines feststehenden Gehäuses11 der Gasturbine10 sowie einen Abschnitt eines ebenfalls feststehend ausgebildeten Leitschaufelkranzes12 derselben. Der Leitschaufelkranz12 umfasst mehrere Leitschaufeln, wobei ein derartiger Leitschaufelkranz12 typischerweise aus mehreren Schaufelsegmenten gebildet wird. Jedes Schaufelsegment umfasst mindestens eine Leitschaufel. Obwohl in1 nicht dargestellt, sind bei einer Gasturbine neben dem gezeigten Gehäuse11 sowie dem gezeigten Leitschaufelkranz12 in axialer Richtung, die in1 durch die Linie13 dargestellt ist, mehrere feststehende Leitschaufelkränze12 hintereinander positioniert, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten, feststehenden Leitschaufelkränzen12 jeweils ein Laufschaufelkranz angeordnet ist, wobei Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes zusammen mit einem Rotor gegenüber dem feststehenden Gehäuse11 sowie den feststehenden Leitschaufeln12 rotieren. Die Drehachse des Rotors fällt dabei üblicherweise mit der axialen Richtung gemäß Linie13 zusammen bzw. verläuft parallel zu derselben. - Aus betriebstechnischen Gründen ist bei einer Gasturbine
10 zwischen dem Gehäuse11 und dem Leitschaufelkranz12 ein sich in axialer Richtung erstreckender Spalt14 ausgebildet. Zur Optimierung des Wirkungsgrades der Gasturbine muss eine Durchströmung des Spalts14 unterbunden werden. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des axialen Spalts14 zwischen dem Gehäuse11 und einem Leitschaufelkranz12 , wobei sowohl das Gehäuse11 als auch der Leitschaufelkranz12 feststehend ausgebildet sind und demnach die Dichtungsanordnung14 als statische bzw. quasistatische Dichtung ausgeführt ist. - Wie bereits erwähnt, wird ein Leitschaufelkranz
12 in der Regel aus mehreren Schaufelsegmenten zusammengesetzt, wobei jedes Schaufelsegment mindestens eine Leitschaufel umfasst. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann es zu einem axialen Versatz zwischen den einzelnen Schaufelsegmenten eines Leitschaufelkranzes12 kommen, wodurch sich Unregelmäßigkeiten im axialen Spalt14 ergeben. Erfindungsgemäß wird zur Abdichtung des axialen Spalts14 eine als Bürstendichtung15 ausgebildete Dichtungseinrichtung verwendet. Die Bürstendichtung15 umfasst mehrere Borsten16 , wobei die Borsten16 um ein Führungselement17 gewickelt sind und über ein Klemmelement18 an dem Führungselement17 fixiert sind. Das Führungselement17 ist als Seelendraht ausgebildet und das Klemmelement18 verfügt gemäß1 über ein im Querschnitt C-förmiges Profil. Die Fixierung der Borsten16 am Führungselement17 über das Klemmelement18 bildet eine Einspannstelle19 . - Die Bürstendichtung
15 ist mit der Einspannstelle19 in eine entsprechende Nut20 des Gehäuses11 eingebaut. Innerhalb dieser Nut20 erstrecken sich die Borsten16 der Bürstendichtung15 hauptsächlich in axialer Richtung. - Gemäß
1 sind die Borsten16 der Bürstendichtung15 in axialer Richtung angestellt, d.h. die Borsten16 verfügen in axialer Richtung über einen gekrümmten bzw. schräggestellten Verlauf. So liegen die Borsten16 an einer radial außenliegenden Wand21 der Nut20 an. Mit freien Enden22 stehen die Borsten16 der Borstendichtung15 auf den Schaufelsegmenten des Leitschaufelkranzes12 auf. Die radial außenliegende Wand21 bildet eine sogenannte Stützplatte für die Bürstendichtung15 . Neben dieser Komponente in axialer Richtung verfügt die Orientierung der Borsten16 auch eine Komponente in Umfangsrichtung, die1 aus Darstellungsgründen nicht entnommen werden kann. Auch in Umfangsrichtung sind die Borsten schräggestellt. Die Schrägstellung in Axialrichtung beträgt ca. 8° bis 10°, die Schrägstellung in Umfangsrichtung beträgt ca. 40° bis 50°, insbesondere 45°. - Im Ausführungsbeispiel der
1 ist die Bürstendichtung15 in die Nut20 des Gehäuses11 integriert, wobei die radial außenliegende Wand21 der Nut20 die Stützplatte für die Borsten16 der Bürstendichtung15 bildet. Im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, die Bürstendichtung in geschlossener Bauform auszuführen, wobei bei einer solchen geschlossenen Bauform die Bürstendichtung nicht in eine Nut des Gehäuses11 integriert wird, sondern vielmehr ein komplettes Bürstendichtungselement bereitgestellt wird, bei welchem das Kernelement aus Borsten16 , Führungselement17 und Klemmelement18 in einem separaten Bürstendichtungsgehäuse angeordnet ist. - Mit der hier vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Abdichtung des axialen Spalts zwischen einem feststehenden Gehäuse
11 der Gasturbine10 und einem feststehenden Leitschaufelkranz12 der Gasturbine10 geschaffen, wobei mithilfe der Bürstendichtung15 Ungeregelmäßigkeiten im axialen Spalt ausgeglichen werden können. Weiterhin vermag die Bürstendichtung15 Bewegungen zwischen dem Leitschaufelkranz12 und dem Gehäuse11 , die sich während des Betriebs der Gasturbine10 ergeben können, optimal auszugleichen. Zusätzlich bewirkt die Bürstendichtung15 eine Dämpfung der gesamten Anordnung. - Obwohl die Erfindung am Beispiel eines Leitschaufelkranzes und eines Gehäuse bzw. eines Trägers einer Gasturbine beschrieben wurde, soll die Erfindung auf diesen konkreten Anwendungsfall nicht beschränkt sein. Die Erfindung ist vielmehr überall dort einsetzbar, wo demselben statischen oder dynamischen System zugehörende Bauteile unter Verwendung einer statischen bzw. quasistatischen Dichtungsanordnung gegeneinander abzudichten sind. Der Anwendungsbereich der Erfindung ist also nicht auf Gasturbinen oder Flugtriebwerke beschränkt.
-
- 10
- Gasturbine
- 11
- Gehäuse
- 12
- Leitschaufelkranz
- 13
- Linie
- 14
- Spalt
- 15
- Bürstendichtung
- 16
- Borste
- 17
- Führungselement
- 18
- Klemmelement
- 19
- Einspannstelle
- 20
- Nut
- 21
- Wand
- 22
- Ende
Claims (8)
- Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines axialen Spalts zwischen vorzugsweise zwei demselben statischen System oder demselben dynamischen System zugehörigen Strukturen vorzugsweise einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den vorzugsweise beiden Strukturen (
11 ,12 ) zur Abdichtung des axialen Spalts (14 ) eine als Bürstendichtung (15 ) ausgebildete Dichtungseinrichtung angeordnet ist. - Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beiden Strukturen als feststehendes Gehäuse (
11 ) und als feststehender Leitschaufelkranz (12 ) einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine (10 ), ausgebildet sind. - Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
11 ), der Leitschaufelkranz (12 ) und die als Bürstendichtung (15 ) ausgebildete Dichtungseinrichtung rotationssymmetrisch ausgebildet sind. - Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung (
15 ) mehrere Borsten (16 ) aufweist, wobei die Orientierung der Borsten (16 ) eine Komponente in Axialrichtung und eine Komponente in Umfangsrichtung aufweist. - Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (
16 ) unter Bildung einer Einspannstelle (19 ) um ein Führungselement (17 ) gewickelt und mit einem Klemmelement (18 ) an dem Führungselement (17 ) fixiert sind. - Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung (
15 ) mit einem Ende in einer Ausnehmung (20 ) des Gehäuses (11 ) angeordnet ist. - Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung (
15 ) derart in der Ausnehmung (20 ) angeordnet ist, dass die Einspannstelle (19 ) in der Ausnehmung (20 ) des Gehäuses (11 ) positioniert ist und freie Enden (22 ) der Borsten (16 ) sich in Richtung auf den Leitschaufelkranz (12 ) erstrecken. - Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden (
22 ) der Borsten (16 ) an dem Leitschaufelkranz (12 ) anliegen.
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