DE19850504A1 - Bürstendichtung für Hochdruck-Rotoranwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Bürstendich­ tungen und insbesondere auf eine Bürstendichtung für Drehma­ schinen umfassende Hochdruckanwendungen.

Bürstendichtungen werden verwendet, um eine Leckage durch einen Spalt zwischen zwei Komponenten möglichst klein zu machen, wobei diese Leckage von einem auf einem höheren Druck befindlichen Bereich zu einem auf einem niedrigeren Druck be­ findlichen Bereich erfolgt. Bürstendichtungen werden in Drehma­ schinen verwendet oder ihre Verwendung ist vorgeschlagen wor­ den. Eine derartige Verwendung umfaßt, ohne darauf beschränkt zu sein, Turbomaschinen, die Dampfturbinen und Gasturbinen, die zur Leistungserzeugung verwendet werden, und Gasturbinen, die zum Flugzeug- und Schiffsantrieb verwendet werden, einschließen. Es sei bemerkt, daß Bürstendichtungen die Leckage von Dampf in Dampfturbinen minimieren und die Leckage von verdich­ teter Luft oder Verbrennungsgasen in Gasturbinen möglichst ge­ ring machen.

Eine Dampfturbine hat eine Dampfströmungsbahn, die üb­ licherweise in einer Reihenströmungsanordnung einen Dampfein­ laß, eine Turbine und einen Dampfauslaß aufweist. Eine Gastur­ bine hat eine Gasströmungsbahn, die üblicherweise in einer Rei­ henströmungsanordnung eine Lufteinströmung (oder -einlaß), einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Turbine und einen Gas­ auslaß (oder Abgasdüse) enthält. Eine Gas- oder Dampfleckage, entweder aus der Gas- oder Dampfströmungsbahn oder in die Gas- oder Dampfströmungsbahn, von einem Bereich höheren Druckes in einen Bereich niedrigeren Druckes ist im allgemeinen uner­ wünscht. Beispielsweise senkt eine Gasströmungsleckage in dem Turbinen- oder Verdichterbereich von einer Gasturbine zwischen der umlaufenden Rotorwelle der Turbine oder dem Verdichter und dem diesen in Umfangsrichtung umgebenden Turbinen- oder Ver­ dichtergehäuse die Effizienz der Gasturbine, was zu erhöhten Brennstoffkosten führt. Auch eine Dampfströmungsleckage in dem Turbinenbereich von einer Dampfturbine zwischen der umlaufenden Welle der Turbine und dem diese in Umfangsrichtung umgebenden Gehäuse wird die Effizienz der Dampfturbine verkleinern, was zu erhöhten Brennstoffkosten führt.

Es sind übliche Bürstendichtungsdesigns zur Verwendung bei derartigen Anwendungsmöglichkeiten vorgeschlagen worden. Die Bürstendichtungen weisen Draht- oder Keramikborsten auf, die üblicherweise an einer Stützplatte angeschweißt oder auf andere Weise daran befestigt sind. Um die Leistungsfähigkeit (Performance) zu verbessern, richten derartige Bürstendichtun­ gen üblicherweise ihre Drahtborsten aus, um die umlaufende Ro­ torwelle in einem Winkel zwischen im allgemeinen 45 und 60° in bezug auf eine Radiuslinie von der Mitte des Rotors zu einem Punkt des Borstenkontakts zu kontaktieren. Für Hochdruckanwen­ dungen ist eine Dichtungsplatte gegen die Dichtungsborsten auf der stromabwärtigen Seite (d. h. Seite mit niedrigerem Druck) der Bürstendichtung angeordnet. Bei einer bekannten Anwendung läßt eine Luftdruckkammer die Dichtungsplatte schwimmen bzw. schweben, um eine Beschädigung der Dichtungsplatte zu verhin­ dern, die durch einen Kontakt mit dem Rotor während transienter bzw. flüchtiger radialer Ausschläge des Rotors herbeigeführt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bürstendichtung zu schaffen, die auf transiente radiale Ausschläge von einem Rotor anspricht, während eine Abdichtung bei Hochdruck-Rotoranwendun­ gen aufrechterhalten bleibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bürsten­ dichtung gelöst, die ein Dichtungsgehäuse, mehrere Borsten, die ein Borstenpaket bilden, ein Dichtungsteil und eine mechanische Feder aufweist. Das Dichtungsgehäuse hat eine erste Fläche, die im allgemeinen eben ist. Das Borstenpaket hat ein fixiertes Ende, das an dem Dichtungsgehäuse befestigt ist, ein freies Ende, das sich über das Dichtungsgehäuse hinaus erstreckt, und eine erste Seite, die im allgemeinen eben bzw. planar ist und die im allgemeinen parallel zu und senkrecht versetzt von der ersten Fläche des Dichtungsgehäuses ist. Das Dichtungsteil ist an dem Dichtungsgehäuse verschiebbar angebracht und hat einen ersten Oberflächenabschnitt, der im allgemeinen eben bzw. pla­ nar ist und der im allgemeinen parallel zu und in einem ver­ schiebbaren Kontakt mit der ersten Oberfläche von dem Dich­ tungsgehäuse ist. Das Dichtungsteil hat weiterhin einen zweiten Oberflächenabschnitt, der im allgemeinen eben bzw. planar ist und der im allgemeinen parallel zu und in einem verschiebbaren Kontakt mit der ersten Seite von dem Borstenpaket ist. Die me­ chanische Feder ist unter Druck zwischen dem Dichtungsgehäuse und dem Dichtungsteil angeordnet.

Vorzugsweise hat die Bürstendichtung die Funktion, einen Leckagespalt im wesentlichen abzudichten, der sich radial zwischen einem Rotor und einem diesen in Umfangsrichtung umge­ benden Stator erstreckt und der longitudinal zwischen einem Be­ reich höheren Druckes und einem Bereich niedrigeren Druckes verläuft. In dieser Anwendung ist das Dichtungsgehäuse an dem Stator befestigt. Weiterhin ist die erste Seite von dem Bor­ stenpaket auf den Bereich niedrigeren Druckes und von dem Be­ reich höheren Druckes weg gerichtet, und das freie Ende von dem Borstenpaket erstreckt sich in Richtung auf den Rotor und macht Kontakt mit diesem.

Mit der Erfindung sind mehrere Vorteile erzielbar. Das Dichtungsteil sorgt für eine stützende Halterung der Borsten bei Hochdruck-Dichtungsanwendungen. Das Dichtungsteil ist auch verschiebbar an dem Dichtungsgehäuse angebracht, so daß das Dichtungsteil von einem Rotor, der einen radialen Ausschlag durchläuft, aus dem schadensträchtigen Weg geschoben wird, an­ statt beschädigt zu werden. In Turbinenanwendungen treten flüchtige bzw. transiente radiale Ausschläge des Rotors während Änderungen in der Rotordrehzahl, Temperatur, Betriebsdruck usw. und insbesondere in Militär-Flugzeugtriebwerken während abrup­ ter Änderungen in der Flugbahn auf. Die mechanische Feder bringt das Dichtungsteil schnell in seine optimale Lage zurück, wenn der transiente Vorgang vorüber ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vor­ teilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht von einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Bürstendich­ tung gemäß der Erfindung, die als Beispiel in eine Turbinensta­ tor- und Rotoranwendung eingebaut ist, wobei die Schnittebene die Längsachse des Rotors enthält; und

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht von der instal­ lierten Bürstendichtung gemäß Fig. 1 nach einem Schnitt ent­ lang den Pfeilen 2-2 in Fig. 1.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch ein erstes be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel der Bürstendichtung 10 gemäß der Erfindung. Die Bürstendichtung 10 enthält ein Dichtungsgehäuse 12, mehrere Borsten 14, die ein Borstenpaket 16 bilden, ein Dichtungsteil 18 und eine mechanische Feder 20. Das Dichtungs­ gehäuse 12 weist eine erste Fläche 22 auf, die im wesentlichen eben bzw. planar ist. Die erste Fläche 22 kann ansonsten jede Form haben, wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, ein Rechteck, ein vollständiger Kreisring oder, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ein Segment 24 von einem Kreisring. Die Bürsten­ dichtung 10 enthält weiterhin im wesentlichen gleiche und in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete zusätzliche Dichtungsge­ häuse mit zusätzlichen ersten Flächen, die die Form von zusätz­ lichen Segmenten von dem gleichen Kreisring haben, wobei das Ringsegment 24 und die zusätzlichen Ringsegmente in einer kreisförmigen Anordnung angeordnet sind; diese zusätzlichen ringförmigen Segmente sind der Klarheit halber aus den Figuren weggelassen. Vorzugsweise ist das Dichtungsgehäuse 12 (entweder direkt oder indirekt oder monolithisch) an einem Stator 26 (von dem nur ein Abschnitt in den Figuren gezeigt ist) befestigt. In einem Ausführungsbeispiel ist der Stator 26 ein Turbinengehäuse (und vorzugsweise ein Dampfturbinengehäuse).

Bevorzugte Materialien für die Borsten 14 umfassen, ohne daß dadurch eine Einschränkung ausgesprochen sein soll, überzogene oder nicht-überzogene Metall- (einschließlich Legie­ rungs-)Drahtborsten und keramische Drahtborsten. Das Borsten­ paket 16 hat ein fixiertes Ende 28, das an dem Dichtungsgehäuse 12 befestigt ist, indem es beispielsweise zwischen vorderen und hinteren Dichtungsplattenabschnitten 30 und 32 von dem Dich­ tungsgehäuse 12 angeschweißt ist (im Falle von Drahtborsten 14), wobei diese Plattenabschnitt 30 und 32 (entweder direkt oder indirekt oder monolithisch) an dem Dichtungsgehäuse 12 be­ festigt sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Borsten 14 im wesentlichen gleich. Das Borstenpaket 16 hat auch ein freies Ende 34, das sich über das Dichtungsgehäuse 12 hin­ aus erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich das freie Ende 34 von dem Borstenpaket 16 in Richtung auf einen Rotor 36 und macht Kontakt mit dem Rotor 36, der in einer ersten Drehrich­ tung 37 umläuft und in Umfangsrichtung von dem Stator 26 umge­ ben ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 36 ein Turbinenrotor (und vorzugsweise ein Dampfturbinenrotor). Der Stator 26, der Rotor 36 und die erste Fläche 22 von dem Dichtungsgehäuse 12 sind im allgemeinen koaxial ausgerichtet um eine gemeinsame Längsachse 38 herum. Es sei darauf hingewiesen, daß sich das freie Ende 34 des Borstenpakets 16 von dem Dich­ tungsgehäuse 12 radial nach innen erstreckt. Das Borstenpaket 16 hat zusätzlich eine erste Seite 40, die im wesentlichen eben bzw. planar ist und die im wesentlichen parallel zu und senk­ recht versetzt von der ersten Fläche 22 von dem Dichtungsge­ häuse 12 ist. Vorzugsweise ist die erste Seite 40 von dem Bor­ stenpaket 16 longitudinal in Richtung auf einen Bereich 42 niedrigeren Druckes und longitudinal weg von einem Bereich 44 höheren Druckes gerichtet. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Bürstendichtung 10 die Funktion hat, einen Leckagespalt 46 im wesentlichen abzudichten, der radial zwischen dem Rotor 36 und dem diesen in Umfangsrichtung umgebenden Stator 26 verläuft, der sich longitudinal zwischen einem Bereich 44 höheren Druckes und einem Bereich 42 niedrigeren Druckes erstreckt und der vor­ zugsweise ein Dampfleckagespalt ist.

Das Dichtungsteil 18 ist an dem Dichtungsgehäuse 12 verschiebbar angebracht. Das Dichtungsteil 18 hat einen ersten Oberflächenabschnitt 48, der im wesentlichen eben bzw. planar ist und der im wesentlichen parallel zu und in einem Gleitkon­ takt mit der ersten Fläche 22 von dem Dichtungsgehäuse 12 ist. Das Dichtungsteil 18 hat auch einen zweiten Oberflächenab­ schnitt 50, der im wesentlichen eben bzw. planar ist und der im wesentlichen parallel zu und in einem Gleitkontakt mit der er­ sten Seite 40 von dem Borstenpaket 16 ist. Es sei darauf hinge­ wiesen, daß der zweite Oberflächenabschnitt 50 von dem Dich­ tungsteil 18 sich von dem Dichtungsgehäuse 12 radial nach innen erstreckt. Das Dichtungsteil 18 wirkt wie ein Zaun bzw. eine Begrenzung oder eine Begrenzungsplatte, wie es für den Fachmann ohne weiteres deutlich wird. In einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel weist das Dichtungsteil 18 mehrere im Abstand angeord­ nete, im wesentlichen gerade und im wesentlichen gleiche Durch­ führungsschlitze 52 (von denen in Fig. 2 drei gezeigt sind) auf, die den ersten Oberflächenabschnitt 48 von dem Dichtungs­ teil 18 schneiden. Die Durchführungsschlitze 52 haben eine Längsachse 54, die im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Oberflächenabschnitt 48 von dem Dichtungsteil 18 ausgerichtet sind und einen im wesentlichen elliptisch geformten Querschnitt haben, der senkrecht zu der Längsachse 54 verläuft. Es sei dar­ auf hingewiesen, daß die Längsachse 54 von den Durchführungs­ schlitzen 52 auch parallel zu der gemeinsamen Längsachse 38 von dem Rotor 36, dem Stator 26 und der ersten Fläche 22 von dem Dichtungsgehäuse 12 ausgerichtet ist. Der Querschnitt hat, wie in Fig. 2 zu sehen ist, eine Hauptachse und eine Nebenachse, wobei die Hauptachse im wesentlichen parallel zu einer gleichen Referenzlinie 56 für jeden der Durchführungsschlitze 52 ausge­ richtet ist. Vorzugsweise verläuft die Referenzlinie 56 in ei­ ner festen und im allgemeinen radialen Richtung.

Die Bürstendichtung 10 weist auch eine gleiche Anzahl von Stiften 58 auf (von denen in Fig. 2 nur zwei gezeigt sind), die jeweils in einem der Durchführungsschlitze 52 ange­ ordnet sind. Die Stifte 58 sind im wesentlichen gerade und im wesentlichen parallel zu der Längsachse 54 ausgerichtet. Die Stifte 58 haben ein erstes Ende 60, das an dem Dichtungsgehäuse 12 befestigt ist, in dem es beispielsweise daran festgeschraubt ist. Die Stifte 58 haben auch ein zweites Ende, das einen im wesentlichen kreisförmigen Kopf 62 hat, wobei der Kopf 62 au­ ßerhalb eines entsprechenden Durchführungsschlitzes 52 angeord­ net ist und wobei der Kopf 62 einen Durchmesser hat, der größer ist als die Nebenachse von dem Querschnitt der Durchführungs­ schlitze 52.

Die mechanische Feder 20 ist unter Druck zwischen dem Dichtungsgehäuse 12 und dem Dichtungsteil 18 angeordnet. Vor­ zugsweise ist die mechanische Feder 20 eine Blattfeder. In ei­ nem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 zu sehen ist, hat die Blattfeder radial äußere Biegungen 64 und radial innere Biegun­ gen 66, wobei die radial äußeren Biegungen 64 mit dem Dich­ tungsgehäuse 12 in Kontakt sind und wobei die radial inneren Biegungen 66 mit dem Dichtungsteil 18 in Kontakt sind. Die me­ chanische Feder 20 kann, soweit erforderlich, durch irgendwel­ che geeignete Mittel in ihrer Lage gehalten sein (wie bei­ spielsweise durch eine Deckplatte, die an dem Dichtungsgehäuse befestigt ist), wie es für den Fachmann allgemein bekannt ist, so daß derartige Mittel der Klarheit halber aus den Figuren weggelassen sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung der Bürstendichtung 10 gemäß der Erfindung ist ersichtlich, daß das Dichtungsteil 18 für eine abstützende Halterung der Borsten 14 in Hochdruck- Dichtungsanwendungen sorgt. Es sei darauf hingewiesen, daß das Dichtungsteil 18 an dem Dichtungsgehäuse 12 verschiebbar ange­ bracht ist, so daß das Dichtungsteil 18 aus einem Schaden ver­ ursachenden Weg geschoben wird (anstatt beschädigt zu werden) durch einen Rotor 36, der einen radialen Ausschlag durchläuft. Bei Turbinenanwendungen treten transiente bzw. flüchtige ra­ diale Ausschläge des Rotors 36 während Änderungen in der Dreh­ zahl, Temperatur, Betriebsdruck usw. und insbesondere bei Militär-Flugzeugtriebwerken während abrupt er Änderungen in der Flugbahn auf. Die mechanische Feder 20 bringt das Dichtungsteil 18 schnell in seine optimale Lage zurück, wenn der transiente Vorgang vorüber ist. Somit gestattet die Bürstendichtung 10 ge­ mäß der Erfindung einen engeren Spielraum zwischen dem Dich­ tungsteil 18 und dem Rotor 36 als den erwarteten maximalen ra­ dialen Ausschlag des Rotors 36. Dies ermöglicht die Verwendung der Bürstendichtung 10 in Anwendungen mit höheren Drücken als es anderenfalls möglich wäre.

Claims (9)

1. Bürstendichtung enthaltend:

• a) ein Dichtungsgehäuse (12) mit einer ersten Fläche (22), die im wesentlichen eben bzw. planar ist,
• b) mehrere Borsten (14), die ein Borstenpaket (16) bilden, das ein fixiertes Ende (28), das an dem Dichtungs­ gehäuse (12) befestigt ist, ein freies Ende (34), das sich über das Dichtungsgehäuse hinaus erstreckt, und eine erste Seite (40) aufweist, die im wesentlichen eben bzw. planar ist und die im wesentlichen parallel zu und senkrecht versetzt von der ersten Fläche (22) von dem Dichtungsgehäuse (12) ist,
• c) ein Dichtungsteil (18), das an dem Dich­ tungsgehäuse (12) verschiebbar angebracht ist, wobei das Dich­ tungsteil (18) einen ersten Oberflächenabschnitt (48), der im wesentlichen eben bzw. planar ist und der im wesentlichen par­ allel zu und in Gleitkontakt mit der ersten Fläche (22) von dem Dichtungsgehäuse (12) ist, und einen zweiten Oberflächenab­ schnitt (50) aufweist, der im wesentlichen eben bzw. planar ist und der im wesentlichen parallel zu und in einem Gleitkontakt mit der ersten Seite (40) von dem Borstenpaket (16) ist, und
• d) eine mechanische Feder (20), die unter Druck zwischen dem Dichtungsgehäuse (12) und dem Dichtungsteil (18) angeordnet ist.

2. Bürstendichtung nach Anspruch 1, wobei das Dich­ tungsteil (18) eine Anzahl von im Abstand angeordneten im we­ sentlichen geraden und im wesentlichen gleichen Durchführungs­ schlitzen (52), die den ersten Oberflächenabschnitt (48) von dem Dichtungsteil (18) schneiden, die eine Längsachse (54) ha­ ben, die im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Oberflächenab­ schnitt (48) von dem Dichtungsteil (18) ausgerichtet ist, und die einen im wesentlichen elliptisch geformten Querschnitt ha­ ben, der senkrecht zu der Längsachse (54) verläuft, und das weiterhin eine gleiche Anzahl von Stiften (58) aufweist, die jeweils in einem der Durchführungsschlitze (52) angeordnet sind und die im wesentlichen gerade sind, im wesentlichen parallel zu der Längsachse (54) ausgerichtet sind und die ein erstes Ende (60) haben, das an dem Dichtungsgehäuse (12) befestigt ist.

3. Bürstendichtung nach Anspruch 2, wobei der Quer­ schnitt eine Hauptachse und eine Nebenachse hat, und wobei die Hauptachse im wesentlichen parallel zu der gleichen Referenzli­ nie (56) für jeden der Durchführungsschlitze (52) ausgerichtet ist.

4. Bürstendichtung nach Anspruch 3, wobei die Stifte (58) an ihrem zweiten Ende einen im wesentlichen kreis­ förmigen Kopf (62) haben, der außerhalb eines entsprechenden Durchführungsschlitzes (52) angeordnet und einen Durchmesser hat, der größer als die Nebenachse von dem Querschnitt ist.

5. Bürstendichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Fläche (22) von dem Dichtungsgehäuse (12) ein Segment (24) von einem Kreisring ist, die gleiche Referenzlinie (56) in einer festen und im wesentlichen radialen Richtung verläuft, und das freie Ende (34) von dem Borstenpaket (16) und der zweite Ober­ flächenabschnitt (50) von dem Dichtungsteil (18) sich von dem Dichtungsgehäuse (12) radial nach innen erstrecken.

6. Bürstendichtung nach Anspruch 5, wobei die me­ chanische Feder (20) eine Blattfeder mit radial äußeren Biegun­ gen (64) und radial inneren Biegungen (66) ist, wobei die ra­ dial äußeren Biegungen (64) mit dem Dichtungsgehäuse (12) in Kontakt sind und die radial inneren Biegungen (66) mit dem Dichtungsteil (18) in Kontakt sind.

7. Bürstendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die einen Leckagespalt (46) im wesentlichen abdichtet, der sich radial zwischen einem Rotor (36) und einem diesen in Um­ fangsrichtung umgebenden Stator (26) erstreckt und der longitu­ dinal zwischen einem Bereich (44) höheren Druckes und einem Be­ reich (42) niedrigeren Druckes verläuft, wobei das Dichtungsgehäuse (12) an dem Stator (26) befestigt ist und wo­ bei die erste Seite (40) von dem Borstenpaket (16) in Richtung auf den Bereich (42) niedrigeren Druckes und von dem Bereich (44) höheren Druckes weg gerichtet ist, und wobei das freie Ende (34) von dem Borstenpaket (16) sich in Richtung auf den Rotor (36) erstreckt und mit in Kontakt ist.

8. Bürstendichtung nach Anspruch 7, wobei der Sta­ tor ein Turbinengehäuse und der Rotor ein Turbinenrotor ist.

9. Bürstendichtung nach Anspruch 8, wobei der Leckagespalt (46) ein Dampfleckagespalt ist, das Turbinenge­ häuse ein Dampfturbinengehäuse ist und der Turbinenrotor ein Dampfturbinenrotor ist.