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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dichtungen und insbesondere
eine Bürstendichtung und
eine Maschine mit einer Bürstendichtung.
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Maschinen
umfassen Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Turbinen für Dampfturbinen
und Verdichter sowie Turbinen für
Gasturbinen. Eine Dampfturbine weist einen Dampfpfad auf, der gewöhnlich,
in serieller Strömungsbeziehung
zueinander, einen Dampfeinlass, eine Turbine und einen Dampfauslass
enthält.
Eine Gasturbine weist einen Gaspfad auf, der gewöhnlich, in serieller Strömungsverbindung
zueinander, einen Lufteintritt (oder -einlass), einen Verdichter,
eine Brennkammer, eine Turbine und einen Gasauslass (oder eine Auslassdüse) enthält. Gas- oder Dampfleckströme, entweder
aus dem Gas- oder Dampfpfad heraus oder in den Gas- oder Dampfpfad
hinein, aus einem Bereich mit höherem
Druck zu einem Bereich mit niedrigerem Druck sind im Allgemeinen
unerwünscht.
Beispielsweise verringert eine Gaspfadleckage in der Turbine oder dem
Verdichterbereich einer Gasturbine zwischen dem Rotor der Turbine
oder dem Verdichter und dem diese bzw. diesen in Umfangsrichtung
umgebenen Turbinen- oder Verdichtergehäuse den Wirkungsgrad der Gasturbine,
was zu erhöhten
Brennstoffkosten führt.
Ferner verringert eine Dampfpfadleckage in dem Turbinenbereich einer
Dampfturbine zwischen dem Rotor der Turbine und dem diese in Umfangsrichtung
umgebenden Gehäuse
die Effizienz der Dampfturbine, was zu erhöhten Brennstoffkosten führt.
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Es
sind ringförmige
Bürstendichtungen
zur Verwendung zwischen einem Rotor und einem Umgebungsgehäuse in Gas-
und Dampfturbinen vorgeschlagen worden, vgl.
US-A-4 600 202 . Die ringförmige Bürstendichtung
ist aus längs
des Umfangs aneinander gereihten Bürstendichtungssegmenten aufgebaut.
Jedes Bürs tendichtungssegment
ist an dem Gehäuse
angebracht und enthält
eine Rückplatte
(d. h. stromabwärtige
Platte), eine Frontplatte (d. h. eine stromaufwärtige Platte) sowie Borsten,
die zwischen der Rückplatte
und der Frontplatte positioniert sind, wobei sich das freie Ende
im Wesentlichen jeder Borste über
die Ränder
der Rückplatte
und der Frontplatte hinaus erstreckt. Die Borsten sind gewöhnlich unter
einem Winkel von im Allgemeinen 45° in der Drehrichtung des Rotors
geneigt, und die freien Enden der Borsten befinden sich in der Nähe des Rotors (und
können
diesen sogar berühren).
Gewöhnlich
ist die Frontplatte (und sind in einigen Konstruktionen auch Teile
der Rückplatte)
in der Nähe
der freien Enden der Borsten von den Borsten beabstandet angeordnet,
um einen Freiraum für
die Borsten zu schaffen, damit sich diese während flüchtiger Zusammenstöße der freien
Enden der Borsten mit dem Rotor verbiegen und ihre Ausgangslage
wieder erlangen können.
Es sind metallene Drahtborsten vorgeschlagen worden, wobei ein Ende
jeder Borste zwischen der Frontplatte und der Rückplatte angeordnet und an
diese angeschweißt
wird. Gewöhnlich
weist jede Borste einen Durchmesser zwischen 0,002 Zoll und 0,008
Zoll auf. Gewöhnlich
sind mehr als 50 Reihen von Borsten zwischen der Frontplatte und
der Rückplatte
vorgesehen, weil weitere Reihen die Bürstendichtung zu steif für eine ordnungsgemäße Funktion und
in den gewünschten
Maßtoleranzen
sehr schwierig herzustellen machen würden. Was gebraucht wird, ist
eine verbesserte Bürstendichtung
für eine
Maschine.
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Gemäß einem
ersten Aspekt einer Ausführungsform
der Erfindung dient eine Bürstendichtung der
Reduktion der Leckage eines Fluids an einer Druckdifferenz in einer
Maschine. Die Bürstendichtung
enthält
einen Borstenhalter, der an der Maschine befestigt werden kann.
Die Bürstendichtung
enthält
ferner Filamentfadenborsten, die an dem Borstenhalter gesichert
sind. Der Filamentfaden ist ein Aramidfaserfaden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt einer Ausführungsform
der Erfindung dient eine Bürstendichtung der
Reduktion einer Leckage eines Fluids an einer Druckdifferenz in
einer Maschine. Die Bürstendichtung
enthält
einen Borstenhalter, der an der Maschine befestigt werden kann.
Die Bürstendichtung
enthält
ferner Fäden,
wobei jeder der Fäden
Filamente enthält,
wobei jeder der Filamente Borsten bildet und wobei jede der Borsten
an dem Borstenhalter gesichert ist. Die Filamente sind Aramidfasern.
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Gemäß einem
dritten Aspekt einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Maschine eine erste und eine zweite Komponente, ein Fluid und eine
Bürstendichtung.
Die zweite Komponente ist im Abstand zu der ersten Komponente angeordnet,
um dazwischen einen Spalt zu bilden. Das Fluid weist während des
Maschinenbetriebs einen Druckabfall im Wesentlichen quer zu dem
Spalt auf. Die Bürstendichtung
enthält
einen Borstenhalter, der an der Maschine angebracht werden kann,
und enthält
ferner Filamentfadenborsten, die an dem Borstenhalter gesichert
sind. Der Filamentfaden ist ein Aramidfaserfaden.
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Gemäß einem
vierten Aspekt einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Rotationsmaschine einen Stator, einen Rotor, ein Fluid und
eine Bürstendichtung.
Der Rotor ist radial von dem Stator beabstandet, um dazwischen einen
Spalt zu bilden. Das Fluid weist während eines Maschinenbetriebs eine
Druckdifferenz auf, die im Wesentlichen quer zu dem Spalt verläuft. Die
Bürstendichtung
enthält
einen Bürstenhalter,
der an dem Stator befestigt werden kann. Die Bürstendichtung enthält ferner
Fäden,
wobei jeder der Fäden
Filamente enthält,
wobei jedes der Filamente eine Borste bildet und wobei jede der Borsten
an dem Borstenhalter gesichert ist. Die Filamente sind Aramidfasern.
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Einige
Nutzen und verschiedene Vorteile werden aus der Erfindung abgeleitet.
Die Verwendung von Aramidfasern für die Borsten einer Bürstendichtung
für eine
Maschine ergibt Borsten mit kleinerem Durchmesser, was deutlich
höhere
Borstenpackungsdichten zur Folge hat, die eine Leckage wesentlich
reduzieren sollten. Eine Verwendung eines Fadens aus Aramidfasern
ermöglicht
es, eine Bürstendichtung
aus Borsten mit kleinem Durchmesser aufzubauen, weil es praktisch
unmöglich
ist, einzelne Aramidfasern kleinen Durchmessers zu handhaben und
an einem Borstenhalter zu sichern. Ein Beispiel für einen
Aramidfaserfaden bildet ein Aramidfaserfaden aus KEVLAR® (Handelsmarke
von DuPont). Es ist zu beachten, dass eine Herstellung bekannter
Metalldraht- oder Keramikdrahtborsten mit kleinerem Durchmesser
dazu führen
würde,
dass die Borsten im Gebrauch leicht brechen würden.
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Die
Erfindung ist nachstehend in größeren Einzelheiten
zu Beispielszwecken unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Seitenansicht eines Teils eines mit Wasserstoff gekühlten elektrischen
Generators, der zwei Borstendichtungen enthält, im Querschnitt;
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2 eine
schematisierte Draufsicht von vorne auf ein -Bürstendichtungssegment einer
der Bürstendichtungen
nach 1 und
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3 eine
Ansicht des Bürstendichtungssegmentes
nach 2, geschnitten entlang der Linien 3-3 in 2.
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Indem
nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, zeigt 1 in
schematisierter Weise eine Ausführungsform
der vor liegenden Erfindung in Form eines Teils einer Maschine 10 (die
eine Rotationsmaschine 12 ist) mit zwei Bürstendichtungen 14 und 16,
wobei eine der Bürstendichtungen 14 in
größeren Einzelheiten
in den 2 und 3 veranschaulicht ist. Es ist
verständlich,
dass die Bürstendichtung 16 der
Bürstendichtung 14 ähnlich oder
mit dieser im Wesentlichen identisch ausgebildet ist und dass die
Beschreibung der Bürstendichtung 14,
wie sie nachstehend angegeben ist, auch als eine Beschreibung der
Bürstendichtung 16 dient.
In einem Beispiel, wie es in 1 veranschaulicht
ist, stellt die Rotationsmaschine 12 einen elektrischen
Generator und insbesondere einen Wasserstoff gekühlten elektrischen Generator
dar. In anderen Beispielen ist die Rotationsmaschine 12,
ohne Beschränkung,
ein Kreiselverdichter, eine Dampfturbine (einschl. eines Turbinenabschnitts
von dieser), wie sie durch ein Energieversorgungsunternehmen verwendet
wird, oder eine Gasturbine (einschl. eines Verdichterabschnitts oder
eines Turbinenabschnitts von dieser), wie sie als ein Flugzeugtriebwerk
verwendet oder durch ein Energieversorgungsunternehmen genutzt wird.
Derartige weitere Beispiele sind in den Zeichnungen weggelassen.
Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist,
mit einer Rotationsmaschine in Verbindung gebracht zu werden, und
dass sie mit einer beliebigen Maschine in Verbindung gebracht werden
kann, die während
eines Maschinenbetriebs einen Fluiddruckabfall erfährt. Ein
Beispiel für
eine nicht drehende Maschine stellt, ohne Beschränkung, eine Maschine mit linearer
Hin- und Herbewegung dar. Es ist ferner zu beachten, dass die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist, als eine Maschine zum Ausdruck gebracht zu werden, so dass
sie auch in Form einer Bürstendichtung
für eine
Maschine zum Ausdruck gebracht werden kann. Die Bürstendichtung
ist nicht auf einen sich bewegenden oder umlaufenden Teil der Maschine
beschränkt
und kann zwischen zwei Komponenten, die keine relative Bewegung
oder relative Drehung aufweisen, eingesetzt werden.
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Eine
erste Ausdrucksform der Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in den 1–3 veranschaulicht
ist, ist eine Bürstendichtung 14 zur
Reduktion einer Leckage eines Fluids an einem Druckabfall bzw. einer
Druckdifferenz in einer Maschine 10. Für die Zwecke der Beschreibung
der Erfindung ist zu verstehen, dass die Terminologie „Bürstendichtung" ohne Beschränkung ein
Segment einer Bürstendichtung
umfasst, wenn eine derartige Bürstendichtung
in Form von Segmenten hergestellt ist, die aneinander gereiht werden,
um die vollständige Bürstendichtung
zu bilden. Die Bürstendichtung 14 enthält einen
Borstenhalter 18, der an der Maschine 10 befestigt
werden kann, und Filamentfadenborsten 20, die an dem Borstenhalter 18 gesichert
sind. Eine Filamentfadenborste 20 ist als eine Borste definiert, die
aus einem Filament 22 besteht oder im Wesentlichen besteht,
das an einen Bürstendichtungshersteller
gemeinsam mit anderen Filamenten 22 in Form eines Fadens 24, 26, 28 und 30 geliefert
wird. Gewöhnlich
weist jede der Borsten 20 einen Durchmesser auf, der kleiner
ist als 0,00254 cm (0,001 Zoll und in einem Beispiel einen Durchmesser
von im Wesentlichen 0,00056 Zoll aufweist), wobei ein Faden 24–30 zwischen
1000 und 2000 Borsten 20 enthält und eine Bürstendichtung 14 zwischen
einem Faden und hunderten von Fäden 24–30 enthält. In einer
Ausgestaltung sind die Borsten 20 nicht metallische Borsten und
sind durch Filamente 22 aus einem Aramidfaserfaden gebildet.
Ein beispielhafter Aramidfaserfaden ist ein Aramidfaserfaden aus
KEVLAR® (Handelsmarke
von DuPont). Weitere Beispiele für
Filamentfäden
umfassen, ohne Beschränkung
darauf, Nylon-, Polyester- und Fluorkohlenwasserstoff-Filamentfäden. In
einer Ausgestaltung weist jede der Borsten 20 ein erstes
Ende 32 und ein zweites Ende 34 auf, wobei jede
der Borsten 20 in der Nähe
des ersten Endes 32 an dem Borstenhalter 18 gesichert
ist und wobei das zweite Ende 34 ein freies Ende ist. Gewöhnlich weisen
die Borsten 20 eine Packungsdichte auf, die größer ist
als 100.000 Fasern pro Zoll (und sie weisen in einem Beispiel eine
Packungsdichte von im Wesentlichen 272.000 Fasern pro Zoll auf).
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Eine
zweite Ausdrucksform der Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in den 1–3 veranschaulicht
ist, ist eine Bürstendichtung 14 zur Reduktion
einer Leckage eines Fluids an einer Druckdifferenz in einer Maschine 10.
Die Bürstendichtung 14 enthält einen
Borstenhalter 18, der an der Maschine 10 befestigt
werden kann. Die Bürstendichtung 14 enthält ferner
mehrere Fäden 24–30,
wobei jeder der Fäden 24–30 im
Wesentlichen mehrere Filamente 22 aufweist (oder aus diesen
besteht), wobei jedes der Filamente 22 eine Borste 20 bildet
und wobei jede der Borsten 20 an dem Borstenhalter 18 gesichert
ist. Für
die Zwecke der Beschreibung der Erfindung ist zu verstehen, dass
die Terminologie „mehrere
Fäden" bzw. „eine Vielzahl
von Fäden" ohne Beschränkung mehrere
kürzere
Fadenabschnitte bzw. -segmente enthält, die aus einem oder mehreren
längeren
Fäden ausgeschnitten
werden. In einer Anwendung enthält
die Bürstendichtung 14 wenigstens
50 Fäden
(wobei der Übersichtlichkeit
wegen lediglich vier Fäden 24–30 in 2 veranschaulicht
sind). In einer beispielhaften Ausgestaltung weist jedes der Filamente 22 im
Wesentlichen eine Aramidfaser, wie beispielsweise eine Aramidfaser aus
KEVLAR® (Handelsmarke
von DuPont), auf oder besteht daraus, und jeder der Fäden 24–30 besteht aus
1000 bis 2000 Filamenten 22. In dieser Ausgestaltung weist
jedes der Filamente 22 einen Durchmesser von weniger als
0,001 Zoll auf, und die Filamente 22 weisen eine Packungsdichte
von mehr als 100.000 Filamenten pro Zoll auf. Bei dieser Ausgestaltung
weist jede der Borsten 20 ein erstes Ende 32 und
ein zweites Ende 34 auf, wobei jede der Borsten 20 in
der Nähe
des ersten Endes 32 an dem Borstenhalter 18 gesichert
ist und wobei das zweite Ende 34 ein freies Ende bildet.
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In
einer dritten Ausdrucksform der Erfindung, wie sie in den 1–3 veranschaulicht
ist, enthält
eine Maschine 10 eine erste Komponente 36, eine
zweite Komponente 38, ein Fluid 40 und eine Bürstendichtung 14.
Die zweite Komponente 38 ist im Abstand zu der ersten Komponente 36 angeordnet, um
einen Spalt 42 zwischen der ersten und der zweiten Komponente 36 und 38 zu
bilden. Das Fluid 40 steht in Strömungsverbindung mit dem Spalt 42,
wobei das Fluid 40 eine Druckdifferenz im Wesentlichen quer
zu dem Spalt 42 aufweist und wobei die Druckdifferenz während eines
Betriebs der Maschine 10 erzeugt wird. Es ist zu beachten,
dass die Druckdifferenz durch die Maschine selbst erzeugt werden
kann oder unabhängig
von der Maschine herbeigeführt werden
kann.
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Die
Bürstendichtung 14 enthält einen
Borstenhalter 18, der an der Maschine 10 befestigt
werden kann, und Filamentfadenborsten 20, die an dem Borstenhalter 18 gesichert
sind. Eine Filamentfadenborste 20 ist als eine Borste definiert,
die aus einem Filament 22 besteht oder im Wesentlichen
besteht, der zu einem Bürstendichtungshersteller
gemeinsam mit weiteren Filamenten 22 in der Form eines
Fadens 24, 26, 28 und 30 geliefert
wird. Gewöhnlich
weist jede der Borsten 20 einen Durchmesser von weniger als
0,00254 cm (0,001 Zoll) auf, wobei ein Faden 24–30 zwischen
1000 und 2000 Borsten 20 enthält und eine Bürstendichtung 14 zwischen
einem und hunderten von Fäden 24–30 enthält. In einer
Ausgestaltung sind die Borsten 20 Filamente 22 aus
einem Aramidfaserfaden. Ein beispielhafter Aramidfaserfaden ist
ein Aramidfaserfaden aus KEVLAR® (Handelsmarke
von DuPont). Zu weiteren Beispielen von Filamentfäden gehören ohne
Beschränkung
Nylon- Polyester- und Fluorkohlenwasserstoff-Filamentfäden. In
einer Ausgestaltung weist jede der Borsten 20 ein erstes
Ende 32 und ein zweites Ende 34 auf, wobei jede
der Borsten 20 in der Nähe
des ersten Endes 32 an dem Borstenhalter 18 gesichert
ist und wobei das zweite Ende 34 ein freies Ende ist. Gewöhnlich weisen
die Borsten 20 eine Packungsdichte von mehr als 100.000
Filamenten pro Zoll auf.
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In
einer vierten Ausdrucksform der Erfindung, wie sie in den 1–3 veranschaulicht
ist, enthält
eine Rotationsmaschine 12 einen Stator 44, einen
Rotor 46, ein Fluid 40 und eine Bürstendichtung 14.
Der Rotor 46 ist im Wesentlichen koaxial zu dem Stator 44 angeordnet
und radial von dem Stator 44 beabstandet, um einen Spalt 42 zwischen
dem Stator 44 und dem Rotor 46 zu bilden. Gewöhnlich umgibt
der Stator 44 den Rotor 46 längs des Umfangs, wie aus 1 ersichtlich,
wobei bestimmte Anwendungen es erfordern, dass der Rotor den Stator
in Umfangsrichtung umgibt, wie dies für einen Fachmann allgemein
bekannt ist. Das Fluid 40 ist in dem Spalt 42 angeordnet,
wobei das Fluid 40 einen Druckabfall bzw. eine Druckdifferenz
im Wesentlichen quer zu dem Spalt 42 aufweist und wobei
die Druckdifferenz während
eines Betriebs der Maschine 10 erzeugt wird.
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Die
Bürstendichtung 14 enthält einen
Borstenhalter 18, der an dem Stator 44 der Rotationsmaschine 12 befestigt
werden kann. Die Bürstendichtung 14 enthält ferner
mehrere Fäden 24–30,
wobei jeder der Fäden 24–30 im
Wesentlichen mehrere Filamente 22 aufweist (oder aus diesen
besteht), wobei jedes der Filamente 22 eine Borste 20 bildet
und wobei jede der Borsten 20 an dem Borstenhalter 18 gesichert
ist. In einer Anwendung enthält
die Bürstendichtung 14 wenigstens 50 Fäden (wobei
der Übersichtlichkeit
wegen lediglich vier Fäden 24–30 in 2 veranschaulicht
sind). In einer beispielhaften Ausgestaltung weist jedes der Filamente 22 im
Wesentlichen eine Aramidfaser, beispielsweise eine Aramidfaser aus
KEVLAR® (Handelsmarke
von DuPont) auf oder besteht aus dieser, und jeder der Fäden 24–30 besteht
aus zwischen 1000 und 2000 Filamenten 22. In dieser Ausgestaltung
weist jedes der Filamente 22 einen Durchmesser von weniger
als 0,00254 cm (0,001 Zoll) auf, und die Filamente 22 weisen
eine Packungsdichte auf, die größer ist
als 100.000 Filamente pro Zoll. Bei dieser Ausgestaltung weist jede
der Borsten 20 ein erstes Ende 32 und ein zweites
Ende 34 auf, wobei jede der Borsten 20 an dem
Borstenhalter 18 in der Nähe des ersten Endes 32 gesichert
ist und wobei das zweite Ende 34 ein freies Ende bildet,
das sich im Wesentlichen in Richtung des Rotors 46 erstreckt.
Das zweite Ende 34 ist in der Nähe des Rotors 46 angeordnet,
wobei es in einigen Anwendungen derart angeordnet ist, dass es den
Rotor 46 gerade noch berührt. Gewöhnlich sind die Borsten 20 unter
einem Winkel, beispielsweise im Allgemeinen unter einem Winkel von
45°, wie
in 2 veranschaulicht, geneigt, wobei eine derartige Neigung
für einen
Fachmann bekannt ist, um eine Störbeeinflussung
mit dem Rotor 46 zu minimieren, wenn der Rotor 46 in
der in 2 vorliegenden Art vorzustellen ist und in 2 im
Gegenuhrzeigersinn rotiert.
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In
einer Ausgestaltung ist der Stator 44 ein Stator eines
elektrischen Generators, und der Rotor 46 bildet einen
Rotor des elektrischen Generators. Hier dient die Bürstendichtung 14 dazu,
den Leckstrom eines Fluids 40, das ein flüssiges Öl 48 ist,
zu reduzieren. In einer speziellen Verbesserung dieser Ausgestaltung
ist der Stator 44 ein Stator eines Wasserstoff gekühlten elektrischen
Generators, und der Rotor 46 ist ein Rotor eines Wasserstoff
gekühlten elektrischen
Generators. Hier dient die Bürstendichtung 16 (die
andere in 1 veranschaulichte Bürstendichtung)
dazu, die Leckage eines Fluids 40, das durch Wasserstoff 50 im
gasförmigen
Zustand gebildet ist, zu reduzieren. Eine Rotationsmaschine 12, die
ein Wasserstoff gekühlter
elektrischer Generator ist, weist unter Druck stehenden gasförmigen Wasserstoff 50 auf,
der für
Kühlzwecke
in demjenigen Teil des Spalts 42 vorhanden ist, der sich
links von der Bürstendichtung 16,
wie in 1 zu sehen, befindet.
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Der
Druckabfall des gasförmigen
Wasserstoffs 50 verläuft,
betrachtet in 1, von links nach rechts über der
Bürstendichtung 16.
Um einen gasförmigen
Wasserstoff 50, der an der Bürstendichtung 16 vorbeiströmt, daran
zu hindern, aus der Rotationsmaschine 12 zu entweichen,
wird (an einem in 1 nicht sichtbaren Eintrittspunkt)
ein unter hohen Druck gesetztes Flüssigöl 48 in denjenigen
Abschnitt des Spalts 42 eingebracht, der sich zwischen
der Bürstendichtung 14 und
einem Lager 52 befindet. Der Druckabfall des Flüssigöls 48 verläuft von
rechts nach links über
die Bürstendichtung 14,
betrachtet in 1. Ein ausgetretener gasförmiger Wasserstoff und
ausgetretenes flüssiges Öl wird aus
der Rotationsmaschine 12 durch eine Leitung 54 abgeführt, getrennt
(nicht veranschaulicht) und in die Rotationsmaschine 12 wieder
zurückgeführt. Die
Bürstendichtungen 14 und/oder 16 können in
anderen Anwendungen, wie beispielsweise, jedoch nicht einschränkend, in
einem Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor (einschl. einer
Spitze einer Rotorlaufschaufel) eines beliebigen Verdichter- und/oder
Turbinenabschnitts eines Flugzeuggasturbinentriebwerks oder eines
beliebigen Turbinenabschnitts einer Dampfturbine oder eines Verdichter-
und/oder Turbinenabschnitts einer Gasturbine eines Energieversorgungsunternehmens
verwendet werden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung der Bürstendichtung 10 der
Anmelderin mit ihren Filamentfadenborsten 20 umfasst ein
Aufschneiden eines langen Fadens in kürzere Fäden gleicher Größe (die
auch als Fadenabschnitte oder -segmente bezeichnet werden können), ein
Wickeln der Fäden
rings um einen Kerndraht und ein Festklemmen der gewickelten Fäden. Ein
weiteres Verfahren umfasst ein Festklemmen der Fäden zwischen einer Frontplatte
und einer Rückplatte
eines Borstenhalters und eine anschließende Verwendung eines Epoxidharzes
hoher Temperatur oder eines sonstigen Klebstoffes, um die Fäden und
die Frontplatte sowie die Rückplatte
miteinander zu verbinden. Ein beispielhaftes Verfahren, dessen Ergebnisse
in den 2–3 veranschaulicht
sind, umfasst die Beschaffung einer schweißbaren Frontplatte 56 eines
Borstenhalters 18 mit einer Stufe 58, die Beschaffung
einer schweißbaren
Rückplatte 60 eines
Borstenhalters 18 mit einer Stufe 62, die zu der
Stufe 58 der Frontplatte 56 passt, ein Einklemmen
der Fäden 24–30 zwischen
den zusammenpassenden Stufen 62 und 58 und ein
Verschweißen
der Frontplatte 56 mit der Rückplatte 60, wobei die
Schweißverbindungsstelle 64 von
dem ersten Ende 62 der Borsten 20 beabstandet
ist.
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Aus
der Erfindung lassen sich einige Nutzen und Vorteile ableiten. Die
Verwendung von Aramidfasern für
die Borsten 20 einer Bürstendichtung 14 für eine Maschine 10 ergibt
Borsten 20 mit kleinerem Durchmesser, was deutlich erhöhte Borstenpackungsdichten
zur Folge hat, die eine Leckage deutlich reduzieren sollten. Eine
Verwendung eines Fadens 24–30 aus Filamenten 22 (beispielsweise
Aramidfasern) ermöglicht
es, eine Bürstendichtung 14 aus
Borsten 20 mit kleinem Durchmesser einzurichten, weil es
praktisch unmöglich
ist, einzelne Aramidfasern kleinen Durchmessers zu handhaben und
an einem Borstenhalter 18 zu sichern. Ein Beispiel für einen
Aramidfaserfaden ist ein Aramidfaserfaden aus KEVLAR® (Handelmarke
von DuPont). Es ist zu beachten, dass eine Herstellung bekannter
Metalldraht- oder Keramikdrahtborsten mit kleinerem Durchmesser
dazu führen
würde,
dass die Borsten im Einsatz leicht brechen würden. Wenn die Maschine 10 eine Rotationsmaschine 12 ist
und die Rotationsmaschine 12 ein Wasserstoff gekühlter elektrischer
Generator ist, ergeben die Borsten kleineren Durchmessers höhere Borstenpackungsdichten,
die den Kapillareffekt von Borsten mit großem Durchmesser, das flüssige Öl quer durch
die Bürstendichtung 16 zu
transportieren, anstelle diese Bürstendichtung
eine Fluidleckage reduzieren zu lassen, reduzieren sollten. Es ist
zu beachten, dass bei einem gasförmigen
Fluid aufgrund der Gasturbulenzwirkung, die die Fluidleckage verhindert,
kein Kapilareffekt auftritt, wie dies für einen Fachmann ohne weiteres
verständlich
ist. Zu weiteren Vorteilen gehört,
dass die Borsten der Anmelderin keine elektrischen Leiter sind,
so dass die Bürstendichtung
der Anmelderin nicht die elektrische Isolation erfordert, die von
herkömmlichen
Metalldraht-Bürstendichtungen
benötigt
wird, um sie gegenüber
dem Stator zu isolieren, um eine unerwünschte Funkenentladung zwischen
dem Rotor und dem Stator eines elektrischen Generators zu verhindern.
Die Bürstendichtung
der Anmelderin sollte im Wesentlichen ein Drittel der Kosten einer
herkömmlichen
Metalldraht-Bürstendichtung
einsparen.
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Die
Anmelderin hat in einem Prüfstand
Untersuchungen durchgeführt,
um Bedingungen in einem elektrischen Generator zu simulieren, wobei
das Fluid nur Öl
war. Der Abstand zwischen der Vorderplatte und den freien Enden
der Borsten betrug im Wesentlichen 0,762 cm (0,300 Zoll), der Abstand
zwischen der Rückplatte
und den freien Enden der Borsten betrug 0,0762 cm (0,030 Zoll),
und der Abstand zwischen der Vorderplatte und der Rückplatte
betrug 0,2794 cm (0,110 Zoll). Ergebnisse von statischen Tests zeigten,
dass die Bürstendichtung
der Anmelderin mit Aramidfadenborsten aus KEVLAR® (Handelsmarke
von Du-Pont) die
Leckage um mehr als 50% im Vergleich zu einer herkömmlichen
dicht gepackten Metallborsten-Bürstendichtung
reduzierte. Ergebnisse von vorläufigen
dynamischen Tests (Umlaufsversuchen) zeigten, dass die Bürstendichtung der
Anmelderin doppelt so große
Leckage der herkömmlichen
Bürstendichtung
aufwies, weil die Bürstendichtung
der Anmelderin ohne ausreichende Borstensteifheit hergestellt worden
ist, wobei derartige Borsten ein hydrodynamisches Abheben erleiden. Eine
technische Analyse zeigt an, dass ein hydrodynamisches Abheben ein
Problem in einer Flüssigkeit (beispielsweise Öl) darstellt, jedoch
kein Problem in einem Gas (beispielsweise Luft) darstellt, und ohne ein
hydrodynamisch bedingtes Abheben sollte das dynamische Verhalten
der Dichtung ungefähr
dem statischen Verhalten der Dichtung entsprechen. Folglich wird
erwartet, dass eine Leckage einer steiferen Bürstendichtung der Anmelderin
in Öl lediglich
die Hälfte
der Leckage der herkömmlichen
Bürstendichtung
betragen sollte. Die Anmelderin plant, ihre Bürstendichtung in Öl erneut
dynamisch zu testen, nachdem die Borstensteifigkeit durch Reduktion
des Abstands zwischen der Vorderplatte und den freien Enden der
Borsten und/oder durch Erhöhung
der Dicke der Bürstendichtung
durch Hinzufügung
mehrerer Borsten bei Vergrößerung des
Abstands zwischen der Vorderplatte und der Rückplatte vergrößert worden
ist. Die Anmelderin plant ferner statische und dynamische Tests
ihrer Bürstendichtung
in Luft, wobei eine technische Analyse eine gegenüber herkömmlichen
Bürstendichtungen
reduzierte statische und dynamische Leckage prognostiziert.