DE3005005A1

DE3005005A1 - Stationaere dichtung

Info

Publication number: DE3005005A1
Application number: DE19803005005
Authority: DE
Inventors: Kenneth J Nisper
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1979-02-23
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1980-08-28
Also published as: CA1130336A; US4268046A; DE3005005C2

Description

Stationäre Dichtung.

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° - 900^eC ), 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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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. 25

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

1^V5 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.
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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

Spreizfeder negativ beeinflußt.

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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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

Vorzüge der erfindungsgemäßen Dichtung gegenüber dem

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 40_s41 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 führen_s 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.

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Claims

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 bei

Wärmeeinwirkung 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.

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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.

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