DE2264144A1

DE2264144A1 - Gleitdichtung fuer relativ zueinander bewegte teile, die einer druckdifferenz ausgesetzt sind

Info

Publication number: DE2264144A1
Application number: DE19722264144
Authority: DE
Inventors: Robert Noel Penny
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-12-31
Filing date: 1972-12-29
Publication date: 1973-07-05
Also published as: FR2170612A5; JPS5134126B2; CA971993A; JPS4873837A; CH573094A5; NL7217734A; GB1404749A; SE395762B; BE793590A; IT976270B; AU5041972A; AU464414B2

Description

PATB HTAH WALT

mo. E. HOLZES «9 AUGSBUna

226AH4

W.6O4

Augsburg, den 27. Dezember 1972

Robert Noel Penny, 12 Alderbrook Road, Solihull,

Warwickshire, England

Gleitdichtung für relativ zueinander bewegte Teile, die einer

Druckdifferenz ausgesetzt sind

Die Erfindung betrifft eine Gleitdichtung für relativ zueinander bewegte Teile, die einer Druckdifferenz ausgesetzt sind, mit mindestens einem, eine Anlagefläche aufweisenden Dichtkörper, der durch eine Anpreßkraft an eine mit der Anlagefläche zusammenwirkende Gegenfläche eines anderen Teils

3 09827/0902

< 226AUA

angepreßt wird.

Derartige Gleitdichtungen finden in umlaufenden Regenerativ-Wärmeaustauschern zur Begrenzung der Strömungswege für die Wärmetauschmittel durch den Wärmespeicherkörper des Wärmeaustauschers Anwendung. Die Wärmetauschmittel können beispielsweise von einem Verdichter kommende verdichtete Luft und Turbinenabgase eines Gasturbinentriebwerks sein.

Ist der Wärmespeicherkörper eines umlaufenden Regenerativ-Wärmeaustauschers eine Scheibe, zwischen deren Stirnflächen die Wärmetauschkanäle verlaufen, so ist es wünschenswert, daß die Gleitdichtungen in den Ebenen der Anlageflächen so breit sind, daß die durch Federn oder einen Wärmetauschmitteldruck an die Speicherkörperstirnflächen angedrückten Anlageflächen der Gleitdichtungen so groß sind, daß die insgesamt auf die beiden Speicherkörperstirnflächen wirkenden Axialkräfte im wesentlichen miteinander im Gleichgewicht stehen. Je größer jedoch die Anlageflächen der Gleitdichtungen sind, desto schwieriger wird das Erzielen einer wirksamen Abdichtung wegen der erforderlichen Oberflächengüte und Ebenheit der Anlageflächen sowie wegen thermischer Verformung der Gleitdichtung oder des Speicherkörpers,

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Gleitdichtung der eingangs dargelegten Art mit einer

3 09827/0902

großen Anlagefläche, jedoch mit einer wesentlich kleineren wirksamen Dichtfläche auszubilden.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Gleitdichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dieser Dichtkörper eine in seine Anlagefläche ausmündende und die Anlagefläche in zwei Bereiche aufteilende Nut aufweist, zu welcher das die Druckdifferenz bewirkende Druckmittel höheren Druckes Zutritt hat, und daß der, der Niederdruckseite zugeordnete Teilbereich der Anlagefläche als Dichtfläche wirkt.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Gleitdichtung mindestens einen Stützkörper auf, der bzw. die den bzw. die Dichtkörper haltert bzw. haltern oder abstützt bzw. abstützen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Gleitdichtung mit mehreren Dichtkörpern liegen die Dichtkörper jeweils mit ihren Stirnseiten aneinander an und die Nuten der einander benachbarten Dichtkörper fluchten unter Bildung einer durchlaufenden Nut miteinander.

Nach einer abgewandelten Ausführungsform ist bzw. sind der oder die Dichtkörper längs der Nutmittellinie(n) geteilt, wobei die Nutflanken schräge Kanten der Dichtkörperteile bilden.

309827/0902

Vorzugsweise ist bzw. sind der oder die Dichtkörper aus einem anderen Werkstoff als der oder die Stützkörper hergestellt. Beispielsweise können die Dichtkörper ganz aus Sintermaterial hergestellt sein oder jeweils eine auf die Dichtkörper aufgebrachte Dichtfläche aus Sintermaterial aufweisen, oder die Dichtkörper können aus Kohle bestehen. Das Sintermaterial kann beispielsweise mittels einer Plammspritzkanone durch Metallspritzverfahren auf den oder die Dichtkörper aufgebracht werden. Auch der oder die Stützkörper kann bzw. können mit einer Metallschicht oder mit Kohle überzogen sein.

Vorzugsweise weist bzw. weisen der oder die Dichtkörper jeweils eine oder mehrere in die Anlagefläche ausmündende, quer zu der genannten Nut verlaufende und mit ihr verbundene, jeweils in dem der Hochdruckseite zugewandten Anlageflächen-Teilbereich verlaufende weitere Nuten auf.

In Weiterbildung der Erfindung weist der mit den Anlageflächen der Dichtkörper einer Gleitdichtung mit mehreren Dichtkörpern zusammenwirkende Teil zwei in voneinander abgewandte Richtungen weisende Gegenflächen auf.

Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist bzw. sind der oder die der Hochdruckseite zugeordnete(n) Teilbereich(e) der Anlagefläche(n) der oder des mit der einen Gegenfläche

-H-

309827/0902

des anderen Teils zusammenwirkende(η) Dichtkörper(s) außerhalb dieser Anlageflächen mit dem oder den, der Hochdurckseite zugeordneten Teilbereich(en) der Anlagefläche(n) des oder der mit der anderen Gegenfläche des anderen Teils zusammenwirkenden Dichtkörpers verbunden.

Die Lagen der Nuten der beiden Dichtkörper bzw. Dichtkörpergruppen sind jeweils mit Bezug auf die Breite der Anlageflächen der Dichtkörper vorzugsweise so gewählt, daß zwischen den auf die beiden Gegenflächen des anderen Teils wirkenden Axialkräften im wesentlichen Gleichgewicht herrscht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend am Beispiel einer mit den Stirnflächen eines scheibenförmigen Speicherkörpers eines umlaufenden Regenerativ-Wärmeaustauschers zusammenwirkenden Gleitdichtung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen

umlaufenden Regenerativ-Wärmeaustauscher eines Gasturbinentriebwerks mit einer Gleitdichtung nach der Erfindung,

309827/0902

Fig. 2 einen gemäß der in Fig. 1 einge

zeichneten Schnittlinie II-II verlaufenden Schnitt,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung

einer D-förmigen Gleitdichtung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wärmeaustauschers,

Fig, ¹J eine schematische Darstellung des

Speicherkörpers und der Gleitdichtungen des in Fig. 1 gezeichneten Wärmeaustauschers,

Fig, 5 eine perspektivische Ansicht einer

weiteren Gleitdichtung des in Fig. gezeichneten Wärmeaustauschers, und

Fig. 6 eine vergrößerte perspektivische

Darstellung eines Dichtkörpers der in den Fig. 3 und 5 gargestellten Gleitdichtungen,

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist der Wärmeaustauscher 2 zwei aneinander anliegende Gehäuseteile 1 und 2 auf, die zusammen

309827/0902

eine Kammer bilden, in welcher ein als scheibenförmiger Rotor ausgebildeter Speicherkörper 3 mit zwischen seinen beiden Stirnflächen axial verlaufenden Wärmetauschkanälen angeordnet ist. Der Speicherkörper ist auf einer um eine Achse 4 drehbaren Welle 5 montiert. Das Gehäuseteil 2 weist einen Gehäuseeinlaß 6 auf, der über einen Kanal 7 mit dem Auslaß eines nicht gezeichneten Verdichters eines Gasturbinentriebwerks verbunden ist. Die heißen Gase einer Brennkammer expandieren zuerst in einer Turbine des Triebwerks und werden dann durch einen Gehäuseeinlaß 9 im Gehäuseteil 1 in das Gehäuse zurückgeleitet. Diese heißen Gase verlassen das Gehäuse durch einen Gehäuseauslaß 10 im Gehäuseteil 2 und einen im Gehäuseteil 2 gebildeten Auspuffkanal 11. Die verdichtete Luft und die heißen Auspuffgase durchströmen die Wärmetauschkanäle des Speicherkörpers 3 im Gegenstrom. Infolgedessen ist die den Gehäuseöffnungen 6 und zugewandte Stirnfläche des Speicherkörpers 3 kälter als die den Gehäuseöffnungen 8 und. 9 zugewandte Stirnfläche,

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Gleitdichtung 12 dargestellt. Diese Gleitdichtung 12 weist einen halbkreisförmigen Stützkörper 14 und einen geraden, stabförmigen Stützkörper 15 auf. Im Betrieb herrscht innerhalb der D-förmigen Gleitdichtung 12 ein beträchtlich höherer Druck als außerhalb derselben. Wie aus den Pig. 1 und 2 deutlich zu ersehen ist, umschließt die Gleitdichtung 12 einen Teil der kälteren Stirnfläche des Speicherkörpers 3 und leitet einen Strom verdichteter

309827/0902

Luft vom Verdichter durch den Speicherkörper und durch eine weitere, an der wärmeren Stirnfläche des Speicherkörpers 3 angebrachte Gleitdichtung 13 in die Brennkammer des Triebwerks hinein.

Die Stützkörper 14 und 15 sind aus Flußstahl hergestellt und tragen jeweils an ihrer der Speicherkörperstirnfläche zugewandten Stirnseite eine Vielzahl von in entsprechenden Nuten der Stützkörper angeordneten Dichtkörpern 16, von denen einer in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Dichtkörper 16 können aus Sintermaterial wie beispielsweise Nickeloxyd oder aus beispielsweise mittels einer Flammspritzkanone mit Sintermaterial überzogenen Blöcken hergestellt sein. Die Stützkörper l4 und 15 können ebenfalls mit einer Schicht aus Sintermaterial überzogen sein.

Die Dichtkörper 16 weisen jeweils an ihrer Anlagefläche eine Längsnut 18 auf, die auf einer Seite mit einer Quernut in Verbindung steht„ Sind die Dichtkörper 16 jeweils mit ihren Stirnseiten aneinanderstoßend auf den Stützkörpern 14 und 15 angeordnet, so bilden die Längsnuten 18 eine ununterbrochene, durch die ganze D-förmige Gleitdichtung 12 durchlaufende Nut. Die Quernuten 19 der Dichtkörper 16 des Stützkörpers 14 stehen mit den Enden der Längsnuten 18 der Dichtkörper 16 des Stützkörpers 14 in Verbindung, so daß alle Nuten 18 und 19 sämtlicher Dichtkörper miteinander verbunden sind« Die Quernuten 19 ver-

309827/0902

laufen zur Hochdruckseite der Gleitdichtung 12 hin, so daß das. innerhalb des von der Gleitdichtung 12 umschlossenen Raumes befindliche Strömungsmittel bis zu den Längsnuten 18 durch die Gleitdichtung hindurchlecken kann. Deshalb wirkt nur jeweils der bezüglich der Nut 18 außenliegende Anlageflächenteilbereich der Dichtkörper 16 als Dichtfläche, Obwohl also die ganze Anlagefläche der Dichtkörper 16 trägt, bilden nur die bezüglich der Nut 18 außenliegenden Anlageflächenteilbereiche eine wirksame Dichtfläche, Da bei Verwendung nur eines Teilbereiches der gesamten Anlagefläche der Dichtkörper als wirksame Dichtfläche mit größerer Wahrscheinlichkeit eine vollkommene oder nahezu vollkommene Dichtung mit der entsprechenden Stirnfläche des Speicherkörpers 3 gebildet wird, verbessert sich dadurch die Wirksamkeit der Dichtung wesentlich. Weiterhin kann die Lage der Längsnuten 18 bezüglich der Breite der Dichtkörper 16 so gewählt werden, daß die wirksame Dichtfläche so groß ist_s daß sich die gesamten auf den Speicherkörper 3 wirkenden Axialkräfte im wesentlichen ausgleichen. Das wird im folgenden anhand der schematischen Darstellung des Speicherkörpers 3 und der Gleitdichtungen 12 und 13 in Pig. ^ erläutert. Nachstehend werden die in Fig, H verwendeten Symbole erklärtt:

pl = Luftdruck auf der kalten Speicherkörperstirnseite (Verdichterauslaßdruck)

p2 = Luftdruck auf der heißen Speicherkörperstirnseite (Brennkammereinlaßdruc k)

3 0 9 8 2'

40

2264H4

p3 = Abgasdruck auf der heißen Speicherkorperstirnseite (Turbinenauslaßdruc k)

P¹I = Abgasdruck auf der kalten Speicherkorperstirnseite (im wesentlichen Außenluftdruck)

Al = die dem Druck pl ausgesetzte Fläche der kalten Speicherkorperstirnseite

A2 = die dem Druck p2 ausgesetzte Fläche der heißen Speicherkorperstirnseite

A3 = die dem Druck p3 ausgesetzte Fläche der heißen SpeicherkörperStirnseite

A^ = die dem Druck p4 ausgesetzte Fläche der kalten Speicherkorperstirnseite

All = die dem Druck (pl - ph) ausgesetzte Dichtfläche

A12 = die dem Druck (p2 - ph) ausgesetzte Dichtfläche

A13 = die dem Druck (p2 - p3) ausgesetzte Dichtfläche

AIh - die dem Druck (p3 - P¹O ausgesetzte Dichtfläche

- 10 -

■'■■ 7 / 0 9

ff 22641U

Die auf die kalte Stirnfläche des Speicherkörpers wirkenden Strömungsmittelkräfte sind:

Al pl + All (pl - pil) + A4 p4 (I)

Die auf die heiße Stirnfläche des Speicherkörpers wirkenden Strömungsmittelkräfte sind:

A2p2 + A12 (p2 - p4) + A13 (p2 - p3) + A3p3 + A14 (p3 - p4) (II)

Als Bedingung für axiales Gleichgewicht der insgesamt auf den Speicherkörper wirkenden Strömungsmittelkräfte gilt:

I = - II also: I + II =0

Setzt man die Ausdrücke für I und II ein*, so ergibt sich:

Alpl + All (pl - p4) + A4p4 + A2p2 + A12 (p2 - p4) + A13 (p2 - p3) + A3p3 + A14 (p3 - p4) =

Führt man für die Druckdifferenzen folgende Schreibweise ein:

pl - p4 = pll

p2 - p3 = Pl3

p2 - p4 = pl2 p3 - p4 =

- 11 -

309827/0902

1Jt 22641U

so ergibt sich:
Α1ρ1+Α2ρ2+Α3ρ3+Α4ρ4+Α11ρ11+Α12ρ12+Α13ρ13+Αΐ4ρΐ4 = 0

Die Flächen Al bis Al4 hängen sämtlich von den Lagen der Längsnuten 18 bezüglich der Breite der Dichtkörper der Gleitdichtungen 12 und 13 ab. Es ist folglich leicht einzusehen,
daß die Lagen der Nuten 18 so wählbar sind, daß bei vorgegebenen Arbeitsdrücken des Wärmeaustauschers die auf den
Speicherkörper 3 wirkenden Axialkräfte ausgeglichen werden,

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Gleitdichtung 13, die an der heißeren Stirnfläche des Speicherkörpers 3 Anwendung
findet. Diese Gleitdichtung 13 weist einen Stützkörper 20 aus Flußstahl und genutete Dichtkörper 16 auf, die auf dem Stützkörper angeordnet sind und mit der entsprechenden Stirnfläche des Speicherkörpers 3 zusammenwirken. Die Gleitdichtung 13
steht fest und unter leichter Reibung mit dem Speicherkörper
in Berührung. Die Gleitdichtung 12 wird mittels Federn an den Speicherkörper angedrückt und wirkt ebenfalls unter Reibung
mit denselben zusammen. Die Gleitdichtung 13 ist gemäß Fig. 1 und 4 im wesentlichen axial fluchtend mit der Gleitdichtung angeordnet und begrenzt einen Strömungsweg 21 für verdichtete Luft, die vom Speicherkörper 3 in die Brennkammer strömt. Die

- 12 -

309827/0902

Gleitdichtung 13 bildet einen weiteren Strömungsweg 22 für expandierte Turbinenabgase des Gasturbinentriebwerks, die durch den Speicherkörper 3 in den Auspuffkanal 11 strömen. Der Stutzkörper 20 ist an den Stellen 24 und 25 aufgeschnitten, damit sich sowohl die gebogenen Teile als auch der querverlaufende Teil des Stützkörpers 20 ungehindert ausdehnen und zusammenziehen können und thermische Verformungen verhindert werden. In Abwandlung dazu können zwei getrennte D-förmige Gleitdichtungen, die beispielsweise wie die Gleitdichtung 12 ausgebildet sind, oder zwei halbkreisförmige Dichtungsteile und ein gesonderter querverlaufender stabförmiger Dichtungsteil an der heißeren Speicherkörperstirnfläche Anwendung finden.

Zur Vermeidung von Leckströmungen an den Enden des Stützkörpers 15 der Gleitdichtung 12 oder durch die Spalte und 25 der Gleitdichtung 13 hindurch können Dichtkissen oder Dichtstreifen vogesehen sein, welche die Stoßbereiche zwischen den Stützkörpern 14 und 15 oder die Spalte 24 und 25 überdecken.

- 13 309827/0902

Claims

22641U

Patentansprüche

Qleitdichtung für relativ zueinander bewegte Teile, die einer Druckdifferenz ausgesetzt sind, mit mindestens einem, eine Anlagefläche aufweisenden Dichtkörper, der durch eine Anpreßkraft an eine mit der Anlagefläche zusammenwirkende Gegenfläche<eines anderen Teils angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Dichtkörper (16) eine in seine Anlagefläche (17) ausmündende und die Anlagefläche in zwei Bereiche aufteilende Nut (18) aufweist, zu welcher das die Druckdifferenzen bewirkende Druckmittel höheren Druckes Zutritt hat, und daß der, der Niederdruckseite zugeordnete Teilbereich der Anlagefläche als Dichtfläche wirkt.

2. Gleitdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe (12 oder 13) mindestens einen Stützkörper (1^, 15 oder 20) aufweist, der ,bzw. die den bzw. die Dichtkörper (16) haltert(n) oder abstützt(en).

3. Gleitdichtung nach Anspruch 2 mit mehreren Dichtkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß diese Dichtkörper (16) mit ihren Stirnseiten aneinander anliegen und daß die Nuten (18) der einander benachbarten Dichtkörper unter Bildung einer

309827/0902

2264U4

durchlaufenden Nut miteinander fluchten.

k_m Gleitdichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dichtkörper (16) längs der Nutmittellinie(n) geteilt ist (sind), wobei die Nutflanken Schrägkanten der Dichtkörperteile bilden,

5. Gleitdichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dichtkörper (16) aus einem anderen Werkstoff als der oder die Stützkörper (14, oder 20) hergestellt ist bzw. sind.

6. Gleitdichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dichtkörper (16) jeweils in die Anlagefläche ausmündende, quer zu der genannten Nut (18) verlaufende und mit ihr verbundene, jeweils in dem der Hochdruckseite zugewandten Anlageflächen-Teilbereich verlaufende weitere Nuten (19) aufweist(en).

7. Gleitdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mehreren Dichtkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Anlageflächen dieser Dichtkörper (16) zusammenwirkende Teile (3, 2) in voneinander abgewandten Richtungen weisende Gegenflächen aufweist.

- 15 -

309827/0902

226A 1 Λ4

8. Qleitdichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der oder die der Hochdruckseite zugewandte(n) Teilbereich(e) der Anlagefläche(n) des oder der mit der einen Gegenfläche des anderen Teils (3) zusammenwirkende(n) Dichtkörper(s) ,(16) außerhalb dieser Anlageflächen mit dem oder den der Hochdruckseite zugewandten Teilbereich(en) der Anlagefläche(n) des oder der mit der anderen Gegenfläche des anderen Teils zusammenwirkenden Dichtkörper(s) verbunden ist.

9. Gleitdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der Nuten (8) der beiden Dichtkörper (16) bzw. Dichtkörpergruppen jeweils mit Bezug auf die Breite der Anlageflächen der Dichtkörper so gewählt sind, daß zwischen den auf die beiden Gegenflächen wirkenden Axialkräften im wesentlichen Gleichgewicht herrscht.

- 16 -

309827/0902