DE19608083A1 - Beweglich geführter Dichtkörper mit Druckflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen zwei zueinander beweglichen Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Dichtung ist in der DE-OS 34 21 783 offenbart.

Bei zueinander beweglichen oder schwenkbar miteinander verbundenen Maschinenbauteilen, die zwei unterschiedlich druckbeaufschlagte Räume voneinander trennen, müssen die im Spalt zwischen den beiden Bau­ teilen angeordneten Dichtungen auch bei Relativbewegung der Bauteile zueinander ihre Aufgabe zuverlässig erfüllen. Insbesondere gilt dies, wenn sich die Einbauverhältnisse und die Spaltweite aufgrund von Wärmedehnung während des Betriebes ändern können.

Derartige Bedingungen treten beispielsweise bei Bauteilen von luft­ atmenden Flugantrieben auf. Strahltriebwerke von transsonischen Flug­ zeugen sind zur Anpassung an die unterschiedlichsten Flugzustände sowohl im Triebwerkseinlauf als auch in der Schubdüse mit beweglichen Klappen versehen, um die für den Betriebspunkt erforderlichen Ström­ ungsquerschnitte einstellen zu können. Besonders zur Leistungsrege­ lung und zur Anpassung an unterschiedliche Luftdurchsätze und Expan­ sionsverhältnisse wird die Düsenengfläche in ihrer Größe variiert. Bei Schubdüsen mit Rechteckquerschnitt erfordert dies mindestens eine bewegliche Wandung, die gegen die anderen Wände gegen Druckverlust abgedichtet werden muß. Auf der einen Seite führt dieses Bauteil die unter hoher Temperatur stehende Düsenströmung, während auf der an­ deren Seite der Raum unter den Bauteilen aus Gründen der Explosions­ sicherheit mit einem Sperrgas druckbeaufschlagt sein kann, wobei der Sperrgasdruck höher ist, als der Totaldruck des Arbeitsgases bei Eintritt in die Düse. In jedem Fall herrscht also eine Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der heißgasführenden Bauteile die zu einem Leckagestrom in Richtung des geringeren Druckes führen kann. Zur Abdichtung dieses Spaltes ist es aus der DE-OS 34 21 783 bekannt, zwischen einer Seitenwand und einer in der Ebene der Seitenwand be­ weglich geführten Düsenklappe eine Dichtungsplatte anzuordnen, die längs der Düsenklappe beweglich geführt ist und durch die Gas­ drucklast gegen die Seitenwand gedrückt wird. Hierzu ist die Dich­ tungsplatte mit einem Schwenkarm mittels eines Schwenkgelenks ver­ bunden, wobei der Schwenkarm wiederum über ein zweites Schwenkgelenk an der Düsenklappe schwenkbar angebracht ist. Bildet jedoch die die Gasdrucklast aufnehmende Druckfläche der Dichtungsplatte und der Schwenkarm einen rechten Winkel, dann fehlt eine Kraftresultierende, die die Dichtplatte gegen die Seitenwand dichtend andrücken könnte.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Dichtung anzugeben, deren Dichtkraft bei jeder Betriebsstellung der Dichtung im wesentlichen durch den anliegenden Differenzdruck erzeugt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß durch die ortsfe­ ste Anordnung der Druckflächen auf dem Dichtkörper auch die Richtung der Druckkraftresultierenden bezüglich des Dichtkörpers in einer definierten ortsfesten Orientierung gehalten werden kann. Um die erforderliche Dichtkraft unabhängig von der Position des Dichtkörpers aufbringen zu können, werden die Dichtflächen derart am Dichtkörper angeordnet sein, daß die Druckkraftresultierende ein Moment M um die Schwenkachse A in Richtung der Dichtfläche bewirkt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in der einfachen Gestaltung der Dichtung zu sehen, so daß sich aufgrund der ortsfesten Ausbildung der Druckflä­ chen auf dem Dichtkörper weitere bewegliche Elemente zwischen Dicht­ körper und dem die Dichtung aufnehmenden ersten Bauteil erübrigen. Durch die Betätigung des Dichtkröpers per Differenzdruck kann auf eine Federbetätigung verzichtet werden oder für Anfahrvorgänge eine klein dimensionierte Feder verwendet werden, wodurch die Dichtung sehr kompakt ausgeführt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 17 hervor.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Dichtungsanordnung mit zwei schwenkbar zueinander angeordneten Bauteilen einer Schubdüse und

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung im Bereich der Dichtung.

Die in Fig. 1 gezeigten Bauteile 1a und 1b stellen zwei über ein Schwenkgelenk 2 miteinander verbundene Düsenklappen eines nicht wei­ ter dargestellten Turbostrahltriebwerkes dar. Die eine Seite der beiden Bauteile 1a, b sind über eine Heißgasströmung mit einem Druck p₁ beaufschlagt, während die gegenüberliegende weite von einem hö­ heren Sperrgasdruck p₂ beaufschlagt ist, welcher gegenüber dem heiß­ gasseitigen Druck p₁ höher ist um einen Eintritt der heißen Gase in den Klappenraum zu vermeiden. Die Endkante 3 des ersten Bauteils 1a ist konzentrisch zum Schwenkgelenk 2 konkav ausgebildet und bildet mit dem entsprechend des ersten Bauteils 1a konvex ausgebildeten Abschluß des zweiten Bauteils Ib den abzudichtenden kreis­ bogenförmigen Spalt S aus. Hierzu ist die erfindungsgemäße Dichtung 4 innerhalb der Endkante 3 des ersten Bauteils 1a vorgesehen, um ein Entweichen des Sperrgases durch den Spalt S zu verhindern.

Hierzu weist die Dichtung 4 einen beweglich innerhalb einer Ausneh­ mung 5 des ersten Bauteils 1a angeordneten Dichtkörper 6 auf, der sich mit seiner Dichtlippe 7 längs des Spalts S (senkrecht zur Zeichenebene) erstreckt und auf der konvex gekrümmten Dichtfläche 8 des zweiten Bauteils 1b dichtend anliegt. Wird nun das erste Bauteil 1a gegenüber dem zweiten Bauteil 1b geschwenkt, so gleitet die Dicht­ lippe 7 auf der Dichtfläche 8 in Umfangsrichtung des Spaltes S.

Um thermisch bedingte Änderungen der Spaltweite ausgleichen zu kön­ nen, ist der Dichtkörper 6 beweglich in der Ausnehmung 5 geführt, so daß er mit seiner Dichtlippe 7 je nach Spaltweite mehr oder weniger weit aus dem Längsschlitz 9 herausragt, der die Ausnehmung 5 zur Dichtfläche 8 hin öffnet. Die Anpaßbewegung der Dichtlippe 7 ge­ stattet eine schwenkbewegliche Führung des Dichtkörpers 6 innerhalb der Ausnehmung 5. Die Betätigung des Dichtkörpers 6 für die Aus­ gleichsbewegung erfolgt zwangsweise durch Druckbeaufschlagung von am Dichtkörper 6 ausgebildeten Druckflächen 10a, b. Die hieraus re­ sultierende Druckkraft F bewirkt ein Drehmoment M um die dicht­ körperseitige Schwenkachse A, so daß die Dichtlippe 7 bei anliegendem Sperrgasdruck p₂ stets gegen die Dichtfläche 8 angedrückt wird. Um insbesondere auch bei Anfahrvorgängen ein Anliegen der Dichtlippe 7 zu gewährleisten, wird der Dichtkörper 6 über ein Übertragungsglied 11 von einer Druckfeder 12 betätigt.

Wie in der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 deutlich erkennbar, weist der Dichtkörper 6 einen kreissektorförmigen Querschnitt mit einer in Umfangsrichtung vorstehenden Nase auf, die die Dichtlippe 7 ausbildet. Ein V-förmig zulaufendes Ende, Steg 13 genannt, des Dichtkörpers 6 steht in einem ebenfalls V-förmig gestalteten Aus­ schnitt 14 des ersten Bauteils 1a, welcher Bestandteil der Aus­ nehmung 5 ist. Der so mit dem Steg 13 am Grund des V-förmigen Ausschnittes 14 sitzende Dichtkörper 6 ist gegen Verschiebung ge­ sichert; gleichwohl ist die Schwenkbewegung des Dichtkörpers 6 um die imaginäre Schwenkachse A auf den Grund des V-förmigen Aus­ schnittes 14 durch eine entsprechend große Spreizung des Aus­ schnittes 14 möglich. Je nach Neigung und Spreizung des Ausschnittes 14 kann der Schwenkbereich des Dichtkörpers 6 an die zu erwartende Variation der Spaltweite angepaßt werden. Der Ausschnitt 14 liegt sehr nahe an der Endkante 3 des ersten Bauteils 1a, so daß die Schwenkachse A einen nur geringen Abstand zu einer Tangente t an die Kontaktstelle zwischen Dichtfläche 8 und Dichtlippe 7 einnimmt. Hierdurch wird gewährleistet, daß die Druckkraft F möglichst lotrecht die Dichtlippe 7 auf die Dichtfläche 8 andrückt, wodurch eine opti­ male Abdichtung ermöglicht wird. Vorliegend wird dies durch einen kleinen Winkel α von etwa 10° zwischen der Tangente t und einer Geraden g, die die Schwenkachse A und die Dichtlippe 7 verbindet, gewährleistet.

Durch die kreissektorförmige Gestaltung des Dichtkörpers 6 weist dieser an seiner dem Steg 13 gegenüberliegenden Seite eine konvex gewölbte Oberfläche 15 auf. Diese liegt wiederum einer entsprechend konkav gewölbten Partie der Ausnehmung 5 gegenüber, gegen die der Dichtkörper 6 aufgrund der resultierenden Druckkraft F angedrückt wird und bei der Schwenkbewegung in Umfangsrichtung geführt wird. Somit wird der Dichtkörper 6 zwischen dem V-förmigen Ausschnitt 14 einerseits und der gewölbten Partie der Ausnehmung 5 andererseits radial gehalten, wobei ein radiales Spiel für eine klemmfreie Schwenkbewegung des Dichtkörpers 6 unter allen Betriebsbedingungen sorgt. Um ein Entweichen von Sperrgas aus dem Druck beaufschlagten Raum der Ausnehmung 5 zwischen der Oberfläche 15 und der gewölbten Partie der Ausnehmung 5 zu vermeiden, ist zwischen dem Dichtkörper 6 und der Ausnehmung 5 ein längs des Dichtkörpers 6 sich erstreckendes Dichtelement 16 vorgesehen, welches in einer bauteilseitigen Nut 17 gehalten ist.

Die für die Andruckkraft des Dichtkörpers 6 gegen das zweite Bauteil 1b erforderliche resultierende Druckkraft F ergibt sich aus den Druckkraftkomponenten der als Druckfläche 10a, b dienenden druckbeauf­ schlagten Seitenflächen des Dichtkörpers 6. Maßgeblich für die Druck­ kraft F ist dabei die jenseits der Dichtlippe 7, an der Rückseite des Druckkörpers 6 gelegenen Hauptdruckfläche 10a, die sich im wesentli­ chen über den gesamten Radius des Druckkörpers 6 erstreckt. Dieser wird vom vollen Sperrgasdruck p₁ beaufschlagt, welcher in der Ausneh­ mung 5 aufgrund einer Verbindungsleitung 18 herrscht. Eine weitere Druckfläche 10b wirkt im Anschluß an die Dichtlippe 7 auf der der Hauptdruckfläche 10a gegenüberliegenden Seite des Dichtkörpers 6, deren eine Kraftkomponente den Dichtkörper 6 gegen die gewölbte Par­ tie der Ausnehmung 5 drückt. Da die dichtlippenseitige Druckfläche 10b im Vergleich zur Hauptdruckfläche 10a um die Breite b der Dicht­ lippe 7 kleiner ist, als die Hauptdruckfläche 10a und auch der Sperr­ gasdruck längs des Spaltes S zur Dichtlippe 7 hin abnimmt, verbleibt eine resultierende Druckkraft F, die den Dichtkörper 6 gegen die Dichtfläche 8 drückt. Wesentlich ist jedoch, daß durch die Anordnung der Druckflächen 10a, b am Dichtkörper 6 sich die Druckkraft F in einer Richtung ergibt, die von der Schwenkachse A beabstandet ist, so daß sich das benötigte Drehmoment um die Schwenkachse A ergibt wel­ ches den Dichtkörper 6 gegen die Dichtfläche 8 drückt. Da die Druck­ flächen 10a, b ortsfest am Dichtkörper 6a ausgebildet sind, erfahren diese mit dem Dichtkörper 6 lediglich eine Schwenkbewegung und keine translatorische Bewegung gegenüber der Schwenkachse A ausführen. Die Druckkraft F übt somit unabhängig von der Lage des Dichtkörpers 6 stets ein Moment aus, um ein dichtes Anliegen der Dichtlippe 7 zu gewährleisten.

Aufgrund der im Anschluß an die Dichtlippe 7 kreisbogenförmigen, konzentrischen Gestaltung der Oberfläche 15 übt der geringere Druck p₁ im Spalt S kein Moment um die Schwenkachse A aus, so daß unabhän­ gig vom Druck p₁ auf der Strömungsseite eine Andruckkraft f aufgrund des höheren Druckes p₁ auf die Dichtfläche 8 eingestellt werden kann.

Claims (17)

1. Dichtung zur Abdichtung eines Spaltes (S) zwischen zwei zuein­ ander beweglichen Bauteilen (1a, b), die zwei unterschiedlich druckbeaufschlagte Räume voneinander trennen, wobei die Dichtung (4) einen am ersten Bauteil (1a) beweglich geführten Dichtkörper (6) mit einer in Spaltlängsrichtung sich erstreckenden Dichtlippe (7) und eine oder mehrere Druckflächen (10a, b) aufweist, die durch Druckbeaufschlagung die Dichtlippe (7) gegen eine Dichtfläche (8) des zweiten Bauteils (1b) dichtend andrücken, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) mit den Druckflächen (10a, b) um eine gemeinsame, gegenüber dem ersten Bauteil (1a) ortsfeste Schwenkachse (A) gegen die Dichtfläche (8) schwenkbar ist und die Druckflächen (10a, b) derart ortsfest am Dichtkörper (6) ausge­ bildet sind, daß die resultierende Druckkraft (F) ein Drehmoment (M) um die Schwenkachse (A) bewirkt um die Dichtlippe (7) gegen die Dichtfläche (8) anzudrücken.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) in einer konkaven, zur Schwenkachse (A) konzen­ trisch ausgebildeten Ausnehmung (5) des ersten Bauteils (1a) ge­ führt ist und eine entsprechend konvex gewölbte Oberfläche (15) aufweist.

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Bauteil (1a) und der gewölbten Oberfläche (15) ein zweiter Spalt vorgesehen ist, der durch ein längs des Dichtkörpers (6) sich erstreckendes Dichtelement (16) gegenüber dem an­ grenzenden Raum abgedichtet ist.

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dicht­ element (16) in einer bauteilseitigen Nut (17) gehalten ist.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtlippe (7) am Umfangsende der gewölbten Oberfläche (15) anschließt.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckflächen (10a, b) derart am Dichtkörper (6) ausgebildet sind, daß die resultierende Druckkraft (f) den Dichtkörper (6) mit der gewölbten Oberfläche (15) gegen das erste Bauteil (1a) drückt.

7. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Winkel α zwischen einer Tangente (t) an die Kontaktstelle der Dichtlippe (7) mit dem zweiten Bauteil (1b) und einer Verbindungsgeraden (g) zwischen Schwenkachse (A) und der Dichtlippe (7) kleiner oder gleich 30° ist.

8. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) einen kreissektorförmigen Querschnitt mit einer in Umfangsrichtung vorstehenden Nase auf­ weist, die die Dichtlippe (7) ausbildet.

9. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) eine jenseits der Dichtlippe (7) gelegene Hauptdruckfläche (10a) aufweist, die vom höheren der beiden Drücke p₁ und p₂ beaufschlagt wird.

10. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwenkachse eine Gerade (t) schneidet, die an der Kontaktstelle der Dichtlippe (7) mit der Dichtfläche (8) diese tangiert.

11. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtkörper (6) mit radialem Spiel am ersten Bauteil (1a) geführt ist.

12. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) einen radial ausgerich­ teten Steg (13) aufweist, der mit seinem jenseits der Dichtlippe (7) gelegenen Ende in einem V-förmigen Ausschnitt (14) des ersten Bauteils (1a) liegt, wobei der Ausschnitt (14) zumindest eine dem Schwenkbereich des Dichtkörpers (6) entsprechend große Spreizung aufweist.

13. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Dichtkörper (6) aufnehmende Ausneh­ mung (5) einen Druckraum aufweist, welcher den Dichtkörper (6) rückseitig druckbeaufschlagt, und der Druckraum eine Verbindungs­ leitung (18) zum Raum mit dem höheren Druck (p₂) aufweist.

14. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) in einer im Querschnitt kreissektorförmigen Ausnehmung (5) des ersten Bauteils (1a) ge­ führt ist, wobei die Ausnehmung (5) zur Kontaktierung der Dicht­ lippe (7) mit der Dichtfläche (8) des zweiten Bauteils (1b) eine umfangsseitige Öffnung (9) aufweist und die Schwenkachse (A) im Kreiszentrum der Ausnehmung (5) liegt.

15. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (6) zusätzlich zur Beaufschla­ gung mit Fluiddruck von einer Federkraft beaufschlagt ist.

16. Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Druckfeder (12) betätigtes Übertragungsglied (11) zur Ausübung eines Drehmoments (M) um die Schwenkachse (A) mit ra­ dialem Abstand von der Schwenkachse (A) am Dichtkörper (6) ange­ bracht ist.

17. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (1a, b) zueinander verschwenkbar sind, wobei die Schwenkachse der Bauteile (1a, b) parallel zur Dichtleiste (7) verläuft.