DE3005005C2 - Stationäre Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stationär wirkende Hochtemperaturdichtung für Temperaturbereiche von 150° bis 900°C, insbesondere für Turbinengehäuse, Abgasrohre oder dergleichen, zur statischen Abdichtung zwischen einem eine umlaufende Nut aufweisenden Trägerkörper und einem diesen umgebenden Gehäuse, wobei Trägerkörper und Gehäuse bei Wärmeeinwirkung unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, 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 Ring ausübenden Spreizfeder.

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 »Multiseal« verkauft wird. Dieser Ring wurde für im wesentlichen relativ niedrige Temperaturbereiche (< 125°C) entwickelt. Die angesprochene Dichtung besteht aus einer Vielzahl axial aufeinander gestapelter, aufgeschnittener Ringe mit einander überlappenden Enden und einer Spreizfeder, die radial gegen die Ringe drückt. Die Ringe werden 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

ίο innere Umfangsfläche des Gehäuses gedrückt

Insbesondere bei Turbinengehäusen, Abgasrohren oder dergleichen liegen relativ hohe Betriebstemperaturen vor (ca. 150° bis 900°C), 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. Aufeinander gestapelte 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 vorteilhaft 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.

Durch die DE-PS 9 07 007 ist eine Kolben- oder Zylinderdichtung bekannt, bei der eine Vielzahl geschlitzter Dichtringe durch eine sich am Kolbennutboden abstützende Feder an die Zylinderwand gedrückt werden. Aus den vorab bereits ausführlich geschilderten Gründen kann eine derartige, dynamisch wirkende Dichtung unter den geforderten Bedingungen nicht eingesetzt werden. Ebenso ist der durch die DE-AS 12 22 749 bekannte ölabstreifring anzusehen, der im wesentlichen auch aus flachen Dichtungsringen besteht, die durch eine Feder radial nach außen gedrückt werden. Die Feder weist freie, radial nach innen gebogene Enden auf, die in einen der Öldurchlässe im Ringnutboden des Kolbens eingreifen.

Ferner ist durch die US-PS 40 99 730 ein ölabstreifring bekannt, dessen Feder radial relativ flach baut und die eine Vielzahl von Federse^menten aufweist, die, in Umfangsrichtung gesehen, alternieren und im axial oberen und unteren Bereich des ölabstreifringes anliegen.

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 Turbinengehäusen und Abgasrohren, unter relativ hohen

Betriebstemperaturen (ca. 150° bis 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 erfindungsgemlß dadurch gelöst, daß die Ringe und/oder die Spreizfeder aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung, vorzugsweise aus einer Nickellegierung, hergestellt sind und daß die Spreizfeder nach erfolgtem Einbau zur Überbrückung temperaturabhängiger Ausdehnungsraten zwischen Trägerkörper und Gehäuse einen definiert schmalen, radialen Abstand zum Nutboden aufweist

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 einer daraus resultierenden Verringerung der radialen Spannkraft entgegengewirkt. 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 abzudichtenden 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.

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 erhöhen. Die Spreizfeder ist so ausgelegt, daß sie einen vorgegebenen einheitlichen Druck bei Betriebstemperatur und -druck und einen einheitlichen Druck unter Normalbedingungen (Umgebungstemperatur) auf die Ringe ausübt. Die Spreizfeder dehnt sich während des Temperaturanstieges im System so aus, bis sie den angestrebten einheitlichen Druck auf jeden Ring ausüben kann.

Die Hochtemperaturdichtung 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.

Eine aus der US-PS 40 99 730 an sich bekannte bauliche Variante einer Spreizfeder ist als vorteilhafte Weiterbildung der beanspruchten Dichtung in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Ansichten eines bekannten Dichtringes im Schnitt (Stand der Technik);

F i g. 3 Aufnahmeteile für die erfindungsgemäße Dichtung;

Fig.4 bis 6 unterschiedliche Ansichten der erfindungsgemäßen Dichtung;

Fig. 7 Seitenansicht eines Spreizfeder-Stoßbereiches;

Fig.8 perspektivische Ansicht einer alternativen Spreizfeder gemäß den Merkmalen der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 stellen eine bisher verwendete Dichtung 1 dar. Diese besteht aus einer Vielzahl axial aufeinander gestapelter 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 Erhebungen 4 aufweist. Sowohl die Spreizfeder 3 als auch die Ringe 2 sind aus einem Stahl mit relativ hohem Kohlenstoffanteil hergestellt In Fig.2 ist dargestellt daß die Spreizfeder 3 mit ihrer inneren Umfangsfläche 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. 710° C), wie sie etwa in 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 würden die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Teile bei Temperaturanstieg bewirken, daß die radiale Höhe der Spreizfeder 3 verringert wird. Diese Verringerung erhöhte die Belastung der Spreizfeder 3 so weit, daß eine übermäßige Verformung eintritt, die die Wirksamkeit der Spreizfeder negativ beeinflußt.

Deshalb wird nunmehr eine statische Abdichtung vorgesehen, wie sie in F i g. 3 dargestellt und mit der Ziffer 10 bezeichnet ist. Sie be<teht aus einem Trägerkörper 7, einem Gehäuse 9 und einer hochtemperaturbeständigen Dichtung 11. Das Gehäuse 9 überlappt den Trägerkörper 7 teleskopartig. Die Teile 7 und S stehen zueinander in einem stationären Verhältnis. Die Dichtung 11, die in F i g. 3 dargestellt ist, ist angeordnet zwischen einer Dieselmotor-Abgassammelleitung und einem Turboladergehäuse oder Einlaßstutzen. Der Trägerkörper 7 weist ein sich radial vergrößerndes Endstück 12 auf und ist mit einer radialen umlaufenden Nut 13 versehen. Die Öffnung der Nut 13 ist gegen die innere Umfangsfläche 14 des Gehäuses 19 gerichtet. Beide, Tierkörper 7 und Gehäuse 9, sind im wesentlichen zylindrisch gestaltet. Die Dichtung 11 bewirkt eine Abdichtung des Spaltes 15 zwischen Trägerkörper 7 und Gehäuse ' 9. Während 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 F i g. 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 Umfangsfläche des Endstückes 12 ist nur geringfügig von der inneren Umfangsfläche 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. Die Dichtung 11 besteht aus einer Vielzahl (in diesem Fall 4) aufeinander gestapelter, flacher, an einer Stelle ihres Umfanges aufgeschnittener Ringe 20. Jeder der Ringe 20 ist so angeordnet, daß eine untere Seite 21 auf einer oberen Seite 22 eines benachbarten Ringes 20 liegt. Die Ringe 20 sind axial aufeinander gestapelt und weisen

entgegengesetzte Stoßenden 23, 24 auf, die, wie in F i g. 6 dargestellt, Ringspalte 25, 26 bilden. Beispielsweise 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 Überlappen der Stoßenden 23, 24 ermöglicht wird. Die so gebildeten Spalte 25, 26 sind notwendig, um die thermische Ausdehnung der Ringe auszugleichen.

Wie am besten in den F i g. 4.5 und 6 dargestellt, weist die Spreizfeder 31 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 Spreizfeder 31 ist um ein definiertes Maß kleiner als der axiale Abstand zwischen den beiden Stirnflächen 16 und 17 der Nut 13. Die Spreizfeder 31 übt eine definierte radiale Kraft auf jeden der aufgeschnittenen Ringe 20 aus.

F i g. 5 zeigt, daß die radialen Wandstärken der Ringe 20 und der Spreizfeder 31 so gewählt sind, daß die innere Umfangsfläche 33 der Spreizfeder 31 den Boden 18 der Nut 13 im Trägerkörper 7 nicht berührt. Diese wesentlichen Eigenschaften ermöglichen der Dichtung 11 den Einsatz unter Hochtemperaturbedingungen.

F i g. 7 zeigt, daß die gegenüberliegenden Enden 34, 35 der Spreizfeder 31 verstiftet sind. Die Enden sind gelocht 46. Die so entstandenen Öffnungen nehmen einen Stift 36 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 900°C) in jeder Weise gerecht zu werden. Wie schon angesprochen, ist dieser Temperaturbereich für Kohlenstoffstähle zu hoch, so daß die Ringe und/oder die Spreizfeder, um nicht aufeinanderzubacken, aus einem hitzebeständigen Werkstoff, wie z. B. einer Nickellegierung, hergestellt sein sollten.

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.

Die in den F i g. 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.

Die Spreizfeder aus einem ausgestanzten Metallstreifen mit axial gerichteten wellenförmigen Erhöhungen ist, in radialer Richtung gesehen, so dimensioniert, daß

ίο 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 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 Umfangsfläche eine Gruppe von abgespreizten Stützflächen aufweist, die paarweise nebeneinanderliegen, durch Verbindungsstücke miteinander verbunden sind und wenigstens teilweise radial mit den Ringen in Verbindung stehen.

Die Spreizfeder ist so dimensioniert, daß sie bei Erreichen der Betriebstemperatur einen maximalen einheitlichen radialen Druck auf die Ringe ausübt, der größer ist als bei Normaltemperatur (beim Anlaufen des Systemes). Der Umfang der Feder vergrößert sich mit der Erhöhung der Temperatur im System.

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, daß die Ringe an der äußeren Umfangsfläche der Spreizfeder anliegen und durch diese an die innere Umfangsfläche des Gehäuses gedrückt werden. Nach dem Einbringen der Spreizfeder werden deren Stoßenden verstiftet.

Eine umlaufende Spreizfeder kann ebenfalls in Verbindung mit der Dichtung verwendet werden. Diese Spreizfeder ist in F i g. 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 Streben 38 auf, die in gleichem Abstand zueinander stehen. Zwei Reihen 40, 41 von Verbindungsstücken 39, 39' verbinden jeweils benachbart liegende Streben 38. Die Verbindungsstücke 39,39' sind an ihren axialen Enden nach innen angebogen 44, 45, derart, daß die Verbindungsstücke 39' der einen Reihe 40 alternierend versetzt zu den Verbindungsstükken 39 der zweiten Reihe 41 angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Stationär wirkende Hochtemperaturdichtung für Temperaturbereiche von 150° bis 900° C, insbesondere für Turbinengehäuse, Abgasrohre oder dergleichen, zur statischen Abdichtung zwischen einem eine umlaufende Nut aufweisenden Trägerkörper und einem diesen umgebenden Gehäuse, wobei Trägerkörper und Gehäuse bei Wärmeeinwirkung unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, 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 Ring ausübenden Spreizfeder, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (20) und/oder die Spreizfeder (31, 37) aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung, vorzugsweise aus einer Nickellegierung, hergestellt sind und daß die Spreizfeder nach erfolgtem Einbau zur Überbrückung temperaturabhängiger Ausdehnungsraten zwischen Trägerkörper (7) und Gehäuse (9) einen definiert schmalen radialen Abstand zum Nutboden aufweist.

2. Hochtemperaturdichtung nach Anspruch 1, 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.

3. Hochtemperaturdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstücke (39,39') nach innen umgebogen sind.