DE68906101T2

DE68906101T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von nachgiebigen buerstendichtungen.

Info

Publication number: DE68906101T2
Application number: DE8989630141T
Authority: DE
Inventors: John Greer
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: EP0357536A1; US4884850A; EP0357536B1; DE68906101D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die beim Zusammenbauen von nachgiebigen Bürstendichtungen brauchbar sind.

STAND DER TECHNIK

Nachgiebige Dichtungen zum Verhindern von Gasleckage zwischen einem stationären Gehäuse und einer umlaufenden Welle, die durch dasselbe hindurchgeführt ist, sind bekannt. Solche Dichtungen weisen eine Vielzahl von einzelnen Borsten auf, die aus metallischem Draht oder anderer Faser bestehen und sich von einem Tragteil aus in Kontakt mit der umlaufenden Welle erstrecken. Die Enden der Borsten bürsten leicht an der umlaufenden Welle, weshalb solche Dichtungen auch als "Bürstendichtungen" bezeichnet werden.
Die gepackten Borsten der Dichtung behindern eine Gasströmung zwischen dem stationären Gehäuse und der Welle, während der Kontakt der Borsten mit der Welle "null Spiel" zwischen der Dichtung und der Welle ergibt und die Dichtungswirksamkeit weiter verbessert.
Solche Dichtungen haben von Haus aus Vorteile hinsichtlich Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und der Fähigkeit, radialen Schlag der Welle zu kompensieren, sowie hinsichtlich reduzierter Bauteilkosten im Vergleich zu bekannten Labyrinth- oder Messerkantendichtungen, die in Gasturbinentriebwerken benutzt werden.
Von denen, die mit solchen Dichtelementen vertraut sind, ist seit langem erkannt worden, daß es notwendig ist, die einzelnen Borsten gleichmäßig um den Umfang einer ringförmigen Dichtung zu packen sowie jedes Borstenelement richtig auszurichten, damit die gewünschten Vorteile erzielt werden. Es ist leicht einzusehen, daß selbst ein geringfügiger Fehler in der Anordnung der Borsten um den Tragring einen Leckageweg ergeben kann, welcher die Bürstendichtungswirksamkeit beeinträchtigen könnte.
Bei den heutigen Verfahren zum Herstellen von Bürstendichtungen wird eine Menge von einzelnen Borsten zu einer Menge von kleinen Bündeln vormontiert, die in der gewünschten Ausrichtung angeordnet und vorübergehend befestigt werden. Das Tragteil wird aus zwei kreisringförmigen Ringen hergestellt, die auf entgegengesetzten Seiten der montierten Borstenbündel angeordnet werden, wobei die Borsten und die kreisringförmigen Tragringe dauerhaft befestigt werden, wodurch die fertige Dichtung hergestellt wird.
Ein solches Verfahren, das in der US-E-30 206 beschrieben ist, sieht einen kreisringförmigen Haltering vor, in welchem eine Vielzahl von radialen Löchern angeordnet ist. Bündel einzelner Borsten werden radial in die Löcher gezogen und durch eine Drahtschlinge befestigt, die manuell durch die äußere Peripherie des Halteringes hindurchgezogen wird. Nachdem alle einzelnen Borstenbündel in den Haltering gezogen worden sind, werden ein erster und ein zweiter kreisringförmiger Tragring mit den Borsten verschmolzen, und die Bürstendichtung wird von dem Haltering getrennt, indem das überschüssige Borstenmaterial abgeschnitten oder auf andere Weise spanabhebend entfernt wird. Der Rest der einzelnen Borstenbündel muß dann aus dem Haltering entfernt werden und der Prozeß für die nächste Dichtung wiederholt werden.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren, das in der US-A-4 274 575 beschrieben ist, werden einzelne Borstenbündel zu kurzen zylindrischen Rohren vormontiert, und eine Vielzahl solcher Rohre wird um ein kreisringförmiges Halteteil in der gewünschten Orientierung angeordnet. Die kleinen Rohre können durch Klebstoff oder auf andere zweckmäßige Weise befestigt werden. Die kreisringförmigen Tragringe werden wieder an den vorstehenden Borsten plaziert und verschmolzen oder anderweitig dauerhaft befestigt, um die Bürstendichtung zu bilden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer nachgiebigen Dichtung und eine Vorrichtung zum Montieren einer nachgiebigen Dichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1, 4 und 7 sind in der EP-A-0 192 476 beschrieben. Gemäß diesem bekannten Verfahren werden die Borstenelemente auf der oberen Oberfläche eines unteren Tragringes plaziert und durch Klemmfinger daran festgeklemmt. Nachdem alle Borstenelemente gelegt worden sind, werden sie durch eine Klemmplatte an dem unteren Tragring festgeklemmt, und die Klemmfinger werden entfernt. Anschließend wird ein oberer Tragring auf die Borstenelemente aufgebracht, und die so zusammengebaute Dichtung wird zwischen einem unteren und einem oberen Haltering eingespannt, um ein dauerhaftes Befestigen der Borstenelemente an den Tragringen zu gestatten.
Solche Vormontierverfahren erfordern zusätzliche Schritte, um die einzelnen Borstenbündel vor dem Positionieren und dauerhaften Befestigen der kreisringförmigen Tragringe vorübergehend zu befestigen. Darüber hinaus kann die Verwendung von diskreten Bündeln von Borsten zu einer Ungleichmäßigkeit der Borstendichte in der Umfangsrichtung führen. Weiter und insbesondere im Hinblick auf das Halteteil, in welchem eine Vielzahl von radialen Durchlässen angeordnet ist, führt wiederholter Gebrauch des Halteteils zum Verschleiß der Durchlässe und zu der Möglichkeit des Auftretens von Fehlausrichtung einzelner Borsten.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und effektives Verfahren und eine einfache und effektive Vorrichtung, die zum Gebrauch bei automatischen Maschinen besonders gut geeignet sind, zum Halten, Ausrichten und Positionieren einer Vielzahl von einzelnen Borstenelementen in Vorbereitung auf das Befestigen der Borstenelemente an einem Tragring, um dadurch eine vollständige Bürstendichtung herzustellen, zu schaffen.
Es wird, um das zu erreichen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geschaffen ein Verfahren zum Herstellen einer nachgiebigen Dichtung, die eine Vielzahl von Borstenelementen hat, welche an einem ersten und zweiten kreisringförmigen Tragring befestigt und dafür vorgesehen sind, sich radial in Kontakt mit einer Welle zu erstrecken, beinhaltend die Schritte: Einlegen eines Teils der Borstenelemente zwischen dem ersten und zweiten kreisringförmigen Tragring, lösbares Befestigen der Borstenelemente zwischen den kreisringförmigen Tragringen durch Einspannen der Ringe zwischen einem ersten und zweiten Halteteil, dauerhaftes Befestigen der Borstenelemente an den Tragringen, und Lösen der Tragringe und der Borstenelemente von dem ersten und zweiten Halteteil, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt des Einlegens die Borstenelemente in sich insgesamt radial erstreckenden Nuten plaziert werden, welche gleichmäßig über den Umfang einer kreisringförmigen ebenen Oberfläche eines kreisringförmigen Ausrichtteils verteilt sind, wobei die Borstenelemente in dem Ausrichtteil so plaziert werden, daß die Borstenelemente mit den Nuten ausgerichtet sind und sich ein Teil der Borstenelemente radial aus den Nuten erstreckt, und daß der Schritt des Einlegens beinhaltet, die Borstenelemente zwischen den Tragringen in dem Teil einzulegen, der sich von den Nuten aus erstreckt.
Um das zu erreichen, wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung geschaffen ein Verfahren zum Ausrichten und Festhalten einer Vielzahl von Borstenelementen in Vorbereitung auf das dauerhafte Befestigen der ausgerichteten Borstenelemente an einem separaten Tragteil, beinhaltend die Schritte: Einspannen der Borstenelemente und des Tragteils zwischen einem ersten Halteteil und einem zweiten Halteteil, und dauerhaftes Befestigen eines Teils jedes Borstenelements an dem Tragteil, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt des Einspannens die Borstenelemente in sich insgesamt radial erstreckenden Nuten plaziert werden, die in einer ebenen Oberfläche eines Ausrichtteils gebildet und koinzident mit einer gewünschten Ausrichtung der Borstenelemente orientiert sind, wobei die Borstenelemente auf dem Ausrichtteil so plaziert werden, daß die Borstenelemente mit den Nuten ausgerichtet sind und ein Teil der Borstenelemente aus einem Ende der Nuten vorsteht, und daß der Schritt des dauerhaften Befestigens beinhaltet, die Borstenelemente an dem Tragteil in dem Teil desselben zu befestigen, der sich von den Nuten aus erstreckt.
Weiter wird gemäß der Erfindung geschaffen eine Vorrichtung zum Montieren einer nachgiebigen Dichtung, die eine Vielzahl von Borstenelementen aufweist, mit: einem ersten, unteren Haltering, einem zweiten, oberen Haltering, einem ersten und zweiten Tragring zum Einlegen der Borstenelemente zwischen denselben und in konzentrischer Anordnung zu den Halteringen, wobei der erste und der zweite Haltering den ersten und zweiten Tragring zwischen sich aufnehmen, und einer Einrichtung zum lösbaren Zusammenspannen des ersten und zweiten Halterings, um dadurch die Borstenelemente zwischen dem ersten und zweiten Tragring lösbar einzuspannen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Haltering konzentrisch innerhalb eines Ausrichtteils angeordnet ist, das eine Vielzahl von Nuten hat, die in einer kreisringförmigen Oberfläche desselben angeordnet sind, wobei sich die Nuten in bezug auf das Ausrichtteil insgesamt radial erstrecken und jeweils vorgesehen sind, eine Menge an Borstenelementen in sich aufzunehmen.
Die Bürstendichtung wird fertiggestellt, indem jegliches überschüssige Borstenmaterial entfernt wird. Die Halteteile sind zur sofortigen Wiederverwendung beim Montieren von anschließenden Bürstendichtungen bereit.
Anders als bei den bekannten Dichtungsmontageverfahren und -vorrichtungen sind die Einrichtungen und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung besonders gut an die automatische Ausführung angepaßt. Durch Positionieren des genuteten Ausrichtteils in Verbindung mit einer Borstenspendevorrichtung, die in der Lage ist, voreingestellte Mengen von gleichmäßig zugeschnittenen Borsten zu liefern, kann das genutete Ausrichtteil durch Drehen weitergeschaltet werden, wenn jede Nut die richtige Größe und Anzahl von Borsten empfängt. Das Festklemmen der ausgerichteten Borsten zwischen den Halteteilen an dem (den) Tragteil(en), die entweder aus einem einzelnen kreisringförmigen Teil oder aus einem Paar kreisringförmiger Teile bestehen, zwischen denen die Borsten eingelegt werden, erlaubt, sie aus dem Ausrichtteil zu entnehmen und zu bearbeiten, zu verschweißen oder anderweitig zu bearbeiten, ohne die gewünschte Ausrichtung zu stören. Die Tragringe und Borsten werden durch irgendeines von vielen bekannten Verfahren wie Schweißen, Löten, Kleben usw. dauerhaft befestigt.
Sowohl diese als auch andere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung zur Dichtungsmontage nach der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann bei Betrachtung der folgenden Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche und Zeichnungsfiguren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Montagevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht des genuteten Ausrichtteils, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Einzelheit der genuteten Oberfläche des Ausrichtteils.
Fig. 4 zeigt eine fertiggestellte Bürstendichtung, die um eine umlaufende Welle angeordnet ist.
Fig. 5 zeigt die Montagevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die zur automatischen Fertigung angeordnet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren und insbesondere auf Fig. 1 derselben wird nun eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtungsanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 weist ein kreisringförmiges Ausrichtteil 12 auf, das eine kreisringförmige Oberfläche 14 hat, die vorgesehen ist, wie im folgenden erläutert, eine Vielzahl von separaten Borstenteilen 16 aufzunehmen und auszurichten.
Die Vorrichtung hat außerdem ein erstes entfernbares Halteteil 24, das in der bevorzugten Ausführungsform innerhalb des kreisringförmigen Ausrichtteils 12 angeordnet ist. Das Halteteil 24 trägt einen ersten Tragring 20 benachbart zu dem Teil der Borstenelemente 16 der sich über die Oberfläche 14 hinaus erstreckt. Ein zweiter Tragring 22 ist gegenüber dem ersten Tragring 20 angeordnet, so daß die Borstenelemente 16 zwischen ihnen angeordnet sind.
Ein zweites Halteteil 18 ist hinter dem zweiten Tragring 22 vorgesehen. Die Halteteile 18, 24 werden durch eine Klemmeinrichtung in Form eines Gewindebolzens 29 zusammengedrückt, welcher die Tragringe 20, 22 und die Borstenelemente 16 fest, aber lösbar zusammenspannt. Die Unterbaugruppe aus den Halteteilen 18, 24, den Borstenelementen 16 und den Tragringen 20, 22 wird aus dem Ausrichtteil 12 entnommen. Die Borstenelemente 16 bleiben in der gewünschten Ausrichtung, und das Ausrichtteil 12 ist zur Wiederverwendung bereit.
Die zusammengespannten Borsten 16 und Tragringe 20, 22 werden dann verschmolzen oder auf andere Weise dauerhaft aneinander befestigt, wodurch eine Bürstendichtung 30 gebildet wird, die schließlich zum Abdichten zwischen einem stationären Gehäuse (nicht gezeigt) und einer umlaufenden Welle 32 benutzt wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der Schritt des dauerhaften Befestigens der Borsten 16 an den Tragringen 20, 22 beinhaltet, z.B., Verschweißen oder Verschmelzen der Borsten und der Tragringe und anschließendes Beseitigen von überschüssigem Borstenmaterial radial außerhalb der Schmelzschweißung 34.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Ausrichtteil 12, die ein ausführlicheres Bild der Einspannoberfläche 14 liefert. Nuten 26 sind in der Oberfläche 14 angeordnet und unter einem Winkel 36 gegen den Radius der kreisringförmigen Oberfläche schräg angeordnet. Der Winkel 36 variiert gemäß dem Durchmesser, der Elastizität des Borstenmaterials, der Drehgeschwindigkeit der Welle, usw., beträgt aber in den meisten Fällen etwa 45º. Erhöhte Stegteile 28 trennen die Nuten 26 und unterstützen die Ausrichtung der einzelnen Borstenteile 16 in den gleichabständigen Nuten 26. Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Nuten 26 und der Stege 28, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind.
Fig. 5 zeigt ein Verfahren zum Automatisieren der Montageprozedur gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein Borstenelementspender 38 eine vorgewählte Anzahl von einzelnen Borsten 16 jeder Nut 26 in dem ersten Teil 12 zuführt. Das Teil 12 wird in bezug auf den Borstenspender 38 schrittweise weitergedreht, 46, bis jede Nut 26 mit einer vorgewählten Menge an Borstenelementen 16 gefüllt worden ist. Das zweite Klemmteil 18 (in Fig. 5 nicht gezeigt) sowie der zweite Tragring 22 werden dann in bezug auf die Vorrichtung 10 positioniert, und die Borsten 16 und die Tragteile 20, 22 werden zwischen den Halteteilen 24, 18 durch Anziehen des Bolzens 29 vorübergehend eingespannt.
Die zusammengespannte Unterbaugruppe 16, 20, 22, 18, 24, 29 wird dann entnommen, und die Ringe 20, 22 und die Borsten 16 werden dauerhaft aneinander befestigt. Die Halteteile 18, 24 werden gelöst und sofort wiederverwendet. Zusätzliche Sätze von Halteteilen 18, 24 können vorgesehen werden, um den gesamten Prozeß zu beschleunigen.
Dem einschlägigen Fachmann dürfte nun klar sein, daß das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mehrere vorteilhafte Merkmale haben, die bei den bekannten Verfahren zur Herstellung einer nachgiebigen Dichtung nicht bekannt oder erzielbar sind. Diese Vorteile beinhalten die Einfachheit der einzelnen Vorrichtungsteile, von denen das wiederverwendbare Ausrichtteil 12 das komplizierteste ist. Außerdem, durch festes Zusammenspannen der Tragteile 20, 22 und der Borstenelemente 16 zwischen den Halteteilen 18, 24 wird das Risiko einer Deformation oder Beschädigung der fertiggestellten Dichtung 30 während des anschließenden Handhabungs- und Trimmvorganges reduziert. Es ist weiter zu erkennen, daß die einzelnen Vorrichtungsteile nicht in Gleit- oder anderem Verschleiß hervorrufenden Kontakt mit den Borsten kommen, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer nachgiebigen Dichtung, die eine Vielzahl von Borstenelementen (16) hat, welche an einem ersten und zweiten kreisringförmigen Tragring (20, 22) befestigt und dafür vorgesehen sind, sich radial in Kontakt mit einer Welle (32) zu erstrecken, beinhaltend die Schritte:

Einlegen eines Teils der Borstenelemente (16) zwischen dem ersten und zweiten kreisringförmigen Tragring (20, 22), lösbares Befestigen der Borstenelemente (16) zwischen den kreisringförmigen Tragringen (20, 22) durch Einspannen der Ringe (20, 22) zwischen einem ersten und zweiten Halteteil (18, 24),

dauerhaftes Befestigen der Borstenelemente (16) an den Tragringen (20, 22), und

Lösen der Tragringe (20, 22) und der Borstenelemente (16) von dem ersten und zweiten Halteteil (18, 24),

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt des Einlegens die Borstenelemente (16) in sich insgesamt radial erstreckenden Nuten (26) plaziert werden, welche gleichmäßig über den Umfang einer kreisringförmigen ebenen Oberfläche (14) eines kreisringförmigen Ausrichtteils (12) verteilt sind, wobei die Borstenelemente (16) in dem Ausrichtteil (12) so plaziert werden, daß die Borstenelemente (16) mit den Nuten (26) ausgerichtet sind und sich ein Teil der Borstenelemente (16) radial aus den Nuten (26) erstreckt, und daß der Schritt des Einlegens beinhaltet, die Borstenelemente (16) zwischen den Tragringen (20, 22) in dem Teil einzulegen, der sich von den Nuten (26) aus erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt:

Abschneiden von überschüssiger Borstenlänge anschließend an den Schritt des dauerhaften Befestigens der Borstenelemente (16) an den Tragringen (20, 22).

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Drehen des Ausrichtteils (12) relativ zu einem Borstenspender (38),

Schalten der Drehung relativ zu der Anzahl der Nuten (26) in der Ausrichtteiloberfläche (14), und

Abgeben einer vorbestimmten Anzahl von Borstenelementen (16) in jede Nut (26) der Reihe nach.

4. Verfahren zum Ausrichten und Festhalten einer Vielzahl von Borstenelementen in Vorbereitung auf das dauerhafte Befestigen der ausgerichteten Borstenelemente an einem separaten Tragteil, beinhaltend die Schritte:

Einspannen der Borstenelemente und des Tragteils zwischen einem ersten Halteteil und einem zweiten Halteteil, und dauerhaftes Befestigen eines Teils jedes Borstenelements an dem Tragteil,

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt des Einspannens die Borstenelemente in sich insgesamt radial erstreckenden Nuten plaziert werden, die in einer ebenen Oberfläche eines Ausrichtteils gebildet und koinzident mit einer gewünschten Ausrichtung der Borstenelemente orientiert sind, wobei die Borstenelemente auf dem Ausrichtteil so plaziert werden, daß die Borstenelemente mit den Nuten ausgerichtet sind und ein Teil der Borstenelemente aus einem Ende der Nuten vorsteht, und daß der Schritt des dauerhaften Befestigens beinhaltet, die Borstenelemente an dem Tragteil in dem Teil desselben zu befestigen, der sich von den Nuten aus erstreckt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausrichtteil, die Halteteile und das Tragteil alle kreisringförmig sind, und weiter beinhaltend den Schritt:

Ausrichten der Nuten tangential zu einem konzentrischen Kreis, der radial einwärts des Halteteils angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Drehweiterschalten des Ausrichtteils relativ zu einem Borstenspender, und

Betreiben des Borstenspenders so, daß die vorgewählte Anzahl von Borstenelementen in jede Nut plaziert wird, wenn jede Nut einzeln in Position weitergeschaltet wird.

7. Vorrichtung zum Montieren einer nachgiebigen Dichtung (30), die eine Vielzahl von Borstenelementen (16) aufweist, mit:

einem ersten, unteren Haltering (24),

einem zweiten, oberen Haltering (18),

einem ersten und zweiten Tragring (20, 22) zum Einlegen der Borstenelemente (16) zwischen denselben und in konzentrischer Anordnung zu den Halteringen (18, 24),

wobei der erste und der zweite Haltering (18, 24) den ersten und zweiten Tragring (20, 22) zwischen sich aufnehmen,

und

einer Einrichtung (29) zum lösbaren Zusammenspannen des ersten und zweiten Halterings (18, 24), um dadurch die Borstenelemente (16) zwischen dem ersten und zweiten Tragring (20, 22) lösbar einzuspannen,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Haltering (24) konzentrisch innerhalb eines Ausrichtteils (12) angeordnet ist, das eine Vielzahl von Nuten (26) hat, die in einer kreisringförmigen Oberfläche (14) desselben angeordnet sind, wobei sich die Nuten (26) in bezug auf das Ausrichtteil (12) insgesamt radial erstrecken und jeweils vorgesehen sind, eine Menge an Borstenelementen (16) in sich aufzunehmen.