DE3005005A1 - Stationaere dichtung - Google Patents
Stationaere dichtungInfo
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- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description
Die Erfindung betrifft eine stationäre Dichtung gemäß dem gattungsbildenden Teil des Hauptpatentanspruches.
Für den Einsatz in nicht relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen sind bisher eine Vielzahl unterschiedlicher
Dichtungsanordnungen verwendet worden. Eine Form dieser Dichtungsanordnung ist der sogenannte Mehrfachdichtungsring,
der unter dem Warenzeichen " MuI ti seal " verkauft wird. Dieser Ring wurde für im wesentlichen
to relativ niedrige Temperaturbereiche ( <<
125°C ) entwickelt. Die angesprochene Dichtung besteht aus einer Vielzahl axial aufeinandergestapelter, aufgeschnittener
Ringe mit einander überlappenden Enden und einer Spreizfeder, die radial gegen die Ringe drückt. Die Ringe wer-
t5 den aus einem Stahl mit relativ hohem Kohlenstoffanteil
hergestellt, der für den angesprochenen Temperaturbereich ( «<. 125°C ) ausreichend ist.
Im vorliegenden Fall bewirkt diese Dichtungsanordnung eine statische Abdichtung zwischen einem Trägerkörper,
der mit einer umlaufenden Nut zur Aufnahme der Dichtung versehen ist und einem diesen Trägerkörper überlappenden
Gehäuse. Die Nut weist gewöhnlich eine obere und eine untere Stirnfläche und einen zylindrischen Boden auf.
Die Ringe sind innerhalb dieser Nut angeordnet und werden von der sich am Boden der Nut abstützenden Feder
radial gegen die innere Umfangsflache des Gehäuses gedrückt.
Insbesondere bei Turbinengehäusen, Abgasrohren oder dergleichen liegen relativ hohe Betriebstemperaturen vor
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(ca. 150° - 900eC ), die Probleme bei der statischen Abdichtung
( Werkstoffauswahl ) aufzeigen. Bisher verwendete Stähle mit einem relativ hohen Kohlenstoffanteil weisen
den Nachteil auf, daß sie im Laufe der Zeit bei höheren Temperaturen anfangen zu oxidieren. Aufeinandergestapelte
Ringe backen zusammen und kleben eventuell sogar an den Stirnflächen der Nut im Trägerkörper fest. Dies führt zu
einem drastischen Nachlassen des Dichteffektes, da insbesondere nach Erreichen der Betriebstemperatur 2-3 bar'
in den abzudichtenden Systemen auftreten. Da die Ausdehnungsraten des die Dichtung aufnehmenden Trägerkörpers und
des diesen umgebenden Gehäuses bei Betriebstemperatur unterschiedlich sind, ergeben sich naturgemäß auch für
die Dichtung Ausdehnungen, die sich nicht immer vorteil-
t5 haft auf das Dichtverhalten auswirken.
Wie schon angesprochen stützt sich die Spreizfeder bei den bekannten Dichtungsanordnungen am Boden der Nut im
Trägerkörper ab. Nachteilig ist bei den unterschiedlichen Ausdehnungsraten des Trägerkörpers und des Gehäuses, daß
die Spreizfeder bei Ausdehnung des Trägerkörpers einer beträchtlichen Verformung ( Verringerung der radialen
Höhe ) unterliegt. Somit ist es ihr nicht mehr möglich, ihrer Aufgabe nach Erreichen der Betriebstemperatur gerecht
zu werden, da durch die Verformung die radiale Federkraft, die auf die einzelnen Ringe der Dichtung
gleichmäßig ausgeübt werden soll, verringert wird und einer wirkungsvollen statischen Abdichtung entgegenwirkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine stationäre
Dichtung gemäß dem gattungsbildenden Teil des Hauptpatentanspruches derart weiterzubilden, daß sie
.als statische Abdichtung, insbesondere in Turbinenge-
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gehäusen und Abgasrohren unter relativ hohen Betriebstemperaturen ( ca. T50° - 900° ) unter Vermeidung der vorab
beschriebenen Nachteile in der Lage ist, sich den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsraten des Trägerkörpers
und des Gehäuses anzupassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spreizfeder den Boden der Nut bei Normaltemperaturen,
also nicht im Betriebszustand des abzudichtenden Systems,
tO nicht berührt, d.h. mit definiertem Abstand zum Boden
sich in Umfangsrichtung erstreckt. Die Spreizfeder ist
so ausgelegt, daß sie erst bei Erreichen der Betriebstemperatur vom Boden der Nut aus in radialer Richtung gespreizt
wird. Somit wird einer Verformung der Feder und
1;5 einer daraus resultierenden Verringerung der radialen
Spannkraft entgegenwirkt. Durch den definierten radialen Abstand der Feder zum Nutboden, der den jeweiligen auftretenden
Maximaltemperaturen anzupassen ist, ist gewährleistet,
daß die Feder nur im Betriebszustand der abzurichtenden Systeme mit dem Nutboden in Berührung kommt
und somit der negative Einfluß der unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten des Trägerkörpers und des Gehäuses auf die Wirkungsweise der Feder unterbunden wird.
Um der Anforderung von der Werkstoffsei te her bei den angesprochenen
Temperaturen ebenfalls gerecht zu werden, können sowohl die Ringe als auch die Spreizfeder aus
einer hochtemperaturbeständigen Legierung hergestellt sein, die eine sehr gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
aufweist. Bevorzugt wird hier eine Nickellegierung, die in der Lage ist, ihre mechanischen Eigenschaften
bei den angesprochenen Temperaturen zu erhalten.
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fa
Eine dieser bevorzugten Nickellegierungen wird unter dem
Warenzeichen " Rene 4t " am Markt angeboten. Andere Werkstoffe, die gleiche oder ähnliche Eigenschaften aufweisen,
können selbstverständlich ebenfalls verwendet werden.
5
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß besteht die
Spreizfeder aus einem ausgestanzten Metallstreifen mit axial gerichteten wellenförmigen Erhöhungen, wobei die
Feder in radialer Richtung gesehen so dimensioniert ist, daß sie einen einheitlichen radialen Druck auf die Ringe
ausübt. Die Erhöhungen sind in Umfangsrichtung gesehen alternierend und erstrecken sich axial oberhalb und unterhalb
einer gedachten umlaufenden Mittellinie der Spreizfeder in gleichmäßigem Abstand. Die axiale Gesamthöhe der
1;5 Spreizfeder ist kleiner als der axiale Abstand zwischen den beiden Stirnflächen der im Trägerkörper eingebrachten
Nut.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Spreizfeder aus einem geschlitzten Ringkörper herzustellen, dessen Umfangsflache
eine Gruppe von abgespreizten Stützflächen aufweist, die paarweise nebeneinanderliegen, durch Verbindungsstücke
miteinander verbunden sind und wenigstens teilweise radial mit den Ringen in Verbindung stehen.
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Die Spreizfeder ist vorzugsweise so dimensioniert, daß ■
sie bei. Erreichen der Betriebstemperatur einen maximalen einheitlichen radialen Druck auf die Ringe ausübt, der
größer ist, als bei Normal temperatur ( beim Anlaufen des 'Systems ). Der Umfang der Feder vergrößert sich mit der
Erhöhung der Temperatur im System.
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Die unterschiedlichen Ausdehnungen der Spreizfeder in Abhängigkeit
von der Temperatur werden nun näher erläutert:
Da die Spreizfeder gewöhnlich in einer Nut im Trägerkörper eingebracht ist, der unmittelbar mit der hohen Gastemperatur
zusammenwirkt, arbeitet die Spreizfeder in einem Temperaturbereich, der höher ist als der des Gehäuses
und dehnt sich demzufolge auch mehr aus als das Gehäuse, derart, daß sich die Ausdehnung oder die ausgeübte
radiale Kraft während des Temperaturanstieges im System erhöht. Die Spreizfeder ist so ausgelegt, daß
sie einen vorgegebenen einheitlichen Druck bei Betriebstemperatur und -druck und einen einheitlichen Druck unter
Normal bedingungen ( Umgebungstemperatur ) auf die Ringe
1V5 ausübt. Die Spreizfeder dehnt sich während des Temperaturanstieges
im System so aus, bis sie den angestrebten einheitlichen Druck auf jeden Ring ausüben kann.
Die H.Qchtemperaturdichtung gemäß den Merkmalen der Erfindung
ist kompakt in ihren Abmessungen und mit herkömmlichen Werkstoffen auf einfache Weise herzustellen. Weiterhin
ist sie einfach einzubauen und gegenüber herkömmlichen Dichtungen in der Lage, die unterschiedlichen Ausdehnungen
bei der Temperaturerhöhung in den angesprochenen Systemen auszugleichen.
Die angesprochene Dichtung kann folgendermaßen zusammengebaut
und in die umlaufende Nut im Trägerkörper eingesetzt
werden:
Einbringen der Spreizfeder in die Nut, Aufeinanderstapeln
einer Vielzahl ( vorzugsweise 4 ) von Ringen und Einbringen der gestapelten Ringe in die Nut, und zwar derart,
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daß die Ringe an der äußeren Umfangsflache der Spreizfeder
anliegen und durch diese an die innere Umfangsfläche des Gehäuses gedruckt werden. Nach dem Einbringen
der Spreizfeder werden deren Stoßenden verstiftet. 5
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Figuren 1 und 2 Ansichten eines bekannten tO Dichtringes im Schnitt (Stand der Technik)
Figur 3 Aufnahmeteile für die erfindungsgemäße Dichtung
Figuren 4 bis 6 unterschiedliche Ansichten der erfindungsgemäßen Dichtung
Figur 7 Seitenansicht eines Spreizfeder-Stoßbereiches
Figur 8 perspektivische Ansicht einer alternativen Spreizfeder gemäß den Merkmalen der
Erfindung.
20
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Die Figuren 1 und 2 stellen eine bisher verwendete Dichtung 1 dar. Diese besteht aus einer Vielzahl axial aufeinandergestapelter
und an einer Stelle ihres Umfanges aufgeschnittener Ringe 2 und einer Spreizfeder 3, die
am Umfang verteilt eine Vielzahl in gleichem Abstand
zueinander verlaufende radiale wellenförmige Erhöhungen aufweist. Sowohl die Spreizfeder 3 als auch die Ringe 2
sind aus einem Stahl mit relativ hohem Kohlenstoffanteil
hergestellt. In Figur 2 ist dargestellt, daß die Spreizfeder 3 mit ihrer inneren Umfangsflache 5 am Boden 6 der
im Trägerkörper 7 eingebrachten Nut 8 anliegt und eine radiale Kraft auf die einzelnen Ringe 2 ausübt. In höheren Temperaturbereichen ( ca. 71O0C ), wie sie etwa in
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Turbinengehäusen oder Abgasrohren auftreten, sind die Unterschiede der thermischen Ausdehnungsraten des Trägerkörpers
7, des Gehäuses 9 und der bekannten Spreizfeder 3 so gravierend, daß eine permanente Verformung
der Spreizfeder 3 vom Boden 6 der Nut 8 ausgehend, stattfindet.
Wie schon angesprochen, wurden die Ringe 2 in diesem Temperaturbereich zusammenbacken und die verformte
Feder könnte ihrer Aufgabe nicht mehr gerecht werden. Sogar mit einer verbesserten Werkstoffauswahl wurden die
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Teile bei
Temperaturanstieg bewirken, daß die radiale Höhe der Spreizfeder 3 verringert wird. Diese Verringerung erhöht
die' Belastung der Spreizfeder 3 soweit, daß eine übermäßige Verformung eintritt, die die Wirksamkeit der
Die bevorzugte Ausbildung einer statischen Abdichtung , gemäß den Merkmalen der Erfindung, ist in Figur 3 dargestellt
und mit der Ziffer 10 bezeichnet. Sie besteht aus einem Trägerkörper 7, einem Gehäuse 9 und einer hochtemperaturbeständigen Dichtung 11. Das Gehäuse 9 überlappt
den Trägerkörper 7 teleskoartig. Die Teile 7 und stehen zueinander in einem stationären Verhältnis. Die
Dichtung 11, die in Figur 3 dargestellt ist, ist angeordnet zwischen einer Dieselmotor-Abgassammelleitung und
einem Turboladergehäuse oder Einlaßstutzen. Der Trägerkörper T weist ein sich radial vergrößerndes Endstück
auf und ist mit einer radialen umlaufenden Nut 13 versehen* Die öffnung der Nut 13 ist gegen die innere Umfangsflache
t4 des Gehäuses 19 gerichtet. Beide, Trägerkörper 7 und Gehäuse 9, sind im wesentlichen zylindrisch
gestaltet.. Die Dichtung. 11 bewirkt eine Abdichtung des Spaltes 1'5 zwischen Trägerkörper 7 und Gehäuse 9. Während
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/ο-
des Betriebszustandes treten in diesem System Temperaturen von nahezu 710*C auf. Die Dichtung 11 ist in der
Lage, die auftretenden unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Trägerkörpers 7 und des Gehäuses 9 und
die damit verbundene Relativbewegung zwischen beiden
Teilen auszugleichen.
Wie am besten aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich, weist
die Nut 13 eine obere Stirnfläche 16, eine untere Stirnfläche 17 und einen zylindrisch verlaufenden Boden 18
auf. Die äußere Umfangsflache des Endstückes 12 ist nur
geringfügig von der inneren Umfangsflache 14 des Gehäuseteiles
19 entfernt. Die hochtemperaturbeständige Dichtung 11 ist in der Nut 13 angeordnet und erstreckt
sich mit axialem Spiel zwischen den gegenüberliegenden
Stirnflächen 16 und 17. Gemäß den Merkmalen der Erfindung besteht die Dichtung 11 aus einer Vielzahl ( in
diesem Fall 4 ) aufeinandergestapelter flacher, an einer
Stelle ihres Umfanges aufgeschnittener Ringe 20. Jeder der Ringe 20 ist so angeordnet, daß eine untere Seite
auf einer oberen Seite 22 eines benachbarten Ringes 20 liegt. Die Ringe 20 sind axial aufeinandergestapelt und'
weisen entgegengesetzte Stoßenden 23,24 auf, die, wie in Figur 6 dargestellt, Ringspalte 25,26 bilden. Vorzugsweise
weist das Stoßende 23 einen Ansatz 27 auf. Das Stoßende 24 weist ebenfalls einen Ansatz 28 auf, der in entgegengesetzter
Richtung zum Ansatz 27 verläuft. Der Ansatz 28 am. Stoßende 24 ist geringfügig abgeschrägt 29
entlang seiner äußeren radialen Umfangskante 30. Der Ansatz 27 weist ebenfalls einen abgeschrägten Teil 47 entlang
seiner äußeren radialen Umfangskante 48 auf. Die Ansätze 27,28 sind paarweise so gestaltet, daß ein Ober-.
lappen der Stoßenden 23,24 ermöglicht wird. Die so ge-
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bildeten Spalte 25,26 sind notwendig, um die thermische Ausdehnung der Ringe auszugleichen.
Wie am besten in den Figuren 4,5 und 6 dargestellt, weist die Spreizfeder 3t eine Vielzahl von sich axial erstreckenden
gleich dimensionierten, symmetrischen Erhebungen 32 auf, die sich axial oberhalb und unterhalb einer gedachten
umlaufenden Mittellinie der Spreizfeder 31 mit gleichem Abstand zueinander erstrecken. Die axiale Gesamthöhe der
tO Spreizfeder 31 ist um ein definiertes Maß kleiner als der axiale Abstand zwischen den beiden Stirnflächen 16 und
der Nut 13. Die Spreizfeder 31 übt eine definierte radiale Kraft, auf jeden der aufgeschnittenen Ringe 20 aus.
1;5 Figur 5 zeigt, daß die radialen Wandstärken der Ringe 20 und der Spreizfeder 3t so gewählt sind, daß die innere
Umfangsflache 33 der Spreizfeder 31 den Boden 18 der Nut
t3 im Trägerkörper 7 nicht berührt. Diese wesentlichen Eigenschaften ermöglichen der Dichtung 11 den Einsatz
unter Hochtemperaturbedingungen.
Figur 7 zeigt, daß die gegenüberliegenden Enden 34,35 der
■ Spreizfeder 3t verstiftet sind. Die Enden sind gelocht
Die so entstandenen Öffnungen nehmen einen Stift 35 auf.
Dieser wird nach erfolgtem Einbau an seinen beiden Enden leicht radial abgebogen 42,43, um bei Umfangsvergrößerung
der Spreizfeder durch Temperatureinwirkung nicht herauszufallen,
Die dargestellte Dichtung ist in der Lage, den geforderten
Ansprüchen ( Temperaturen bis 900X ) in jeder Weise gerecht zu werden« Wie schon angesprochen, ist dieser
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Temperaturbereich für Kohlenstoffstähle zu hoch, so daß
die Ringe und / oder die Spreizfeder, um nicht aneinanderzubacken,
aus einem hitzebeständigen Werkstoff, wie z.B. einer Nickellegierung, hergestellt sein sollten.
5
Die Vorzüge der Erfindung liegen im Vergleich zum Stand der Technik ( vgl. Figuren 1 und 2 ) klar auf der Hand.
Durch die Merkmale der Erfindung, insbesondere dadurch, daß die Spreizfeder 31 nicht am Boden 18 der Nut 13 anliegt,
treten keine Verformungen der Spreizfeder 31 in radialer Richtung im Betriebszustand auf. Obwohl die angesprochene
Dichtung für Hochtemperaturbedingungen ausgelegt ist, kann sie ebenfalls für den Einsatz in geringeren
Temperaturbereichen verwendet werden. Weitere
Stand der Technik beziehen sich auf Kompaktheit und verringerte Herstellungskosten.
Die in den Figuren 4, 5 und 7 dargestellte Spreizfeder
weist in axialer Richtung verlaufende wellenförmige Erhebungen auf; andere umlaufende Spreizfedern sind aber
ebenfalls denkbar. Die wichtigsten Anforderungen an die Spreizfeder bestehen in einer gleichmäßigen Kraft, die
auf jeden Ring ausgeübt wird und daß die Spreizfeder den Boden der Nut nicht berührt.
Eine umlaufende Spreizfeder, wie sie z.B. in der US - PS 4 099 730 dargestellt und beschrieben ist, kann ebenfalls
in Verbindung mit der Dichtung und den Merkmalen der Erfindung verwendet werden. Diese Spreizfeder ist in
Figur 8 dargestellt und mit der Zahl 37 versehen. Sie ist hergestellt aus einem Stanzteil, das in kreisrunde Formen
gebogen wird. In Umfangsrichtung gesehen weist sie
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Streben. 38 auf, die in gleichem Abstand zueinander stehen.
Zwei Reihen 40s41 von Verbindungsstücken 39,39' verbinden
jeweils benachbart liegende Streben 38, Die Verbindungsstücke
39,39' sind an ihren axialen Enden nach ihnen abgebogen
44,45, derart, daS die Verbindungsstücke 39' der
einen Reihe 40 alternierend versetzt zu den Verbindungsstücken 39 der zweiten Reihe 41 angeordnet sind.
Xm Hinblick auf die vorangegangene Beschreibung dor betO
Yorzugten Ausführungen der Erfindung ist n· nmehr ersiehtlidbr,
daß die unterschiedlichen Teile dera t zusammenwirken«,
daß sie zu den angeführten Vorteilen führens die bis
jetzt durch bekannte Dichtungen nicht erreicht worden sind« Die Dichtung arbeitet wirksam und nutzbringend im
Hochteiperaturbereich und ist leicht herstellbar unter
Nutzung herkömmlicher Technologien und vorhandener Werkstoffe»
Die Ringe und die daraus resultierende Dichtung sind leicht zusammenretzbar und erfordern nur einen sehr
geringen Bayraum im Gegensatz zu bisher verwendeten Hoch-"20
. temperaturabdichtungen.
Die Erfindung ist naturgemäß nicht nur auf die in den Ansprüchen
angeführten Merkmalen anwendbar, ebenso können unterschiedliche Ausbildungen dieses Types mit gleichem
Erfolg zur Anwendung gebracht werden.
Μ003«/β703 bad original
Leerseite
Claims (9)
- Patentansprüche:t'.j Stationär wirkende Hochtemperaturdichtung, insbesondere für Turbinengehäuse, Abgasrohre oder dergleichen, zur statischen Abdichtung zwischen einem eine umlaufende Nut aufweisenden Trägerkörper und einem diesen umgebenden Gehäuse, bestehend aus einer Vielzahl axial übereinander angeordneter, an einer Stelle ihres Umfanges aufgeschnittener Ringe, die mit axialem Spiel in der Nut liegen und einer umfangsseitig angeordneten, eine radiale Spannkraft auf jeden Ringe ausübende Spreizfeder, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizfeder ( 31 ) nach erfolgtem Einbau einem im wesentlichen von der Ausdehnung des Trägerkörpers ( 7 ) abhängigen, definiert schma-t5 Ten radialen Abstand zum Nutboden ( 18 ) aufweist.
- 2. Hochtemperaturdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper ( 7 ) und das Gehäuse (.9- ) unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten beiWärmeeinwirkung aufweisen.
- 3. Hochtemperaturchtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Trägerkörper ( 7 ) stärker ausdehnt als das Gehäuse ( 9 ).
- 4. Hochtemperaturdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe ( 20 ) und / oder die Spreizfeder ( 31 ) aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung hergestellt sind.
- 5. Hochtemperaturdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe ( 20 ) und / oder die Spreizfeder ( 31 ) aus einer Nickellegierung hergestellt sind.030055/0703
- 6. Hochtemperaturdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizfeder ( 31 ) aus einem ausgestanzten Metallstreifen mit axial gerichteten wellenförmigen Erhöhungen ( 32 ) besteht und so dimensioniert ist, daß sie einen einheitlichen radialen Druck auf jeden Ring ( 20 ) im Betriebszustand der Dichtung ( 11 ) ausübt.
- 7. Hochtemperaturdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, to dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stoßenden ( 34,35 ) der Spreizfeder ( 31 ) durch einen Stift ( 36 ) miteinander verbunden sind.
- 8. Hochtemperaturdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, t5 dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizfeder ( 37 ) aus einem geteilten Ringkörper besteht, der in Umfangsrichtung gesehen eine Vielzahl axial verlaufender Streben ( 38 ) aufweist, wobei die jeweils benachbarten Streben alternierend an ihren jeweiligen axialen Enden durch Verbindungsstücke ( 39,39' ) miteinander verbunden sind.
- 9. Hochtemperaturdichtung nach Anspruch 8, dadurch' gekennzeichnet, daß die Verbindungsstücke ( 39,39' ) nach innen umgebogen sind.tO. Hochtemperaturdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenden ( 23,24 ) der Ringe ( 20 ) derart geformt sind, daß sie unter Bildung von Spalten ( 25,26 ) einander in Umfangsrichtung radial überlappen.030035/0703
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