DE69300935T2

DE69300935T2 - Ringförmige Bürstendichtung.

Info

Publication number: DE69300935T2
Application number: DE69300935T
Authority: DE
Inventors: Albert Leon Pierre Veau
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1993-04-21
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: US5316318A; EP0567392A1; FR2690493A1; FR2690493B1; EP0567392B1; DE69300935D1

Description

Ringförmige Bürstendichtung

Die Erfindung betrifft die Abdichtung zwischen zwei Gasvolumen, in denen unterschiedliche Drücke herrschen und die um ein drehbares Element angeordnet sind. Dichtungsaufgaben dieser Art treten bei der Konstruktion von Turboluftstrahltriebwerken für die Luftfahrt auf.
Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Bei bestimmten Strahltriebwerkstypen muß Abdichtung zwischen zwei ringförmigen Kammern 1, 2 gewährleistet sein, die beispielsweise von einer festen Trennwand 3 des Turbinenleitapparats 4 und einer Trennwand 5 des Turbinenrotors 6 begrenzt werden, der um die Hauptachse des Turboluftstrahltriebwerks rotiert. Natürlich dreht sich die Trennwand 5 des Rotors 6 relativ zu der Trennwand 3 des Turbinenleitapparats 4.
Es ist bekannt, eine Labyrinthdichtung zu benutzen, um die Abdichtung zwischen diesen beiden Kammern 1 und 2 zu gewährleisten. Dieser Dichtungstyp ist jedoch sperrig, und die starke differentielle Wärmedehnung zwischen dem beweglichen Teil (Rotor) und dem festen Teil (Stator) verursachen bei diesem Dichtungstyp bei bestimmten Drehzahlen große Leckverluste und haben im Lauf der Zeit einen erheblichen Verschleiß zur Folge, woraus sich ein Leistungsverlust aufgrund von Dichtungsmängeln zwischen den beiden Kammern 1 und 2 ergibt.
Andererseits ist durch das Patent GB-1 598 926 (ROLLS-ROYCE) eine Dichtung vom "Bürstentyp" bekannt, die hauptsächlich aus einem Faser- oder Drahtbüschel besteht, das senkrecht zu einer Welle und in einem minimalen Abstand von dieser angeordnet ist, so daß die Enden der Fasern oder Drähte gerade mit der Welle fluchten, um die die Dichtung montiert werden soll, so daß Dichtigkeit auf beiden Seiten der Dichtung gewährleistet ist. Das Drahtbüschel wird von zwei Flanschen gehalten, die mit einem feststehenden Träger fest verbunden sind.
Bei diesem Dichtungstyp läßt sich zwar eine ausgezeichnete Abdichtung erreichen, Voraussetzung ist allerdings, daß die Welle perfekt rund läuft, d.h. daß bei der Rotation der Welle keinerlei Exzentrizität auftritt. Falls die Welle jedoch eine Unwucht besitzt oder mit einer deutlichen Exzentrizität rotiert, bewirkt der quasipermanente Kontakt zwischen der Welle und den Faserenden der Bürstendichtung, daß die Faser auf Knicken beansprucht werden, was dazu führt, daß
- das weiche Ende der einzelnen Fasern der Bürstendichtung durch Stauchen vorzeitig abgenutzt wird und
- die Kontaktzone zwischen der Dichtung und der Welle sehr rasch erwärm wird (diese Erwärmung, die etwa auf die Breite der Dichtung begrenzt ist, ist um so größer, je höher die Rotationsgeschwindigkeit der Welle ist).
Das Ziel der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen bzw. die Abnutzung der Fasern der Bürstendichtung und die durch den Kontakt erzeugte Erwärmung soweit wie möglich zu verzögern.
Zu diesem Zweck besteht der Hauptgegenstand der Erfindung aus einer ringförmigen Bürstendichtung zur Abdichtung zwischen zwei ringförmigen Volumen, die von einer Welle mit bestimmter Achse begrenzt sind, um die ein Stator montiert ist, wobei die Rotationsbewegung um die genannte Achse zwischen der Welle und dem Stator stattfindet. Die Dichtung umfaßt hauptsächlich:
- einen ringförmigen Bürstenkörper, der aus zwei Flanschen besteht und in dem Stator montiert ist, und
- Fasern, die mit einem ersten Ende in dem Bürstenkörper, relativ zu der Achse der Welle geneigt, montiert und in Richtung auf die Welle orientiert sind, so daß ihr zweites Ende an der Welle anliegt und zwischen den beiden ringförmigen Volumen ein dichter Vorhang gebildet wird.
Der Bürstenkörper besteht erfindungsgemäß aus mehreren Ringsektoren, die in dem Stator so montiert sind, daß die Fasern sich von der Welle leicht entfernen können, indem sie sich relativ zur Achse der Welle neigen, so daß sie eine Exzentrizität der Welle relativ zu dem Stator zulassen, während sie die Abdichtung zwischen den beiden ringförmigen Volumen gewährleisten.
Der Bürstenkörper ist vorzugsweise so konzipiert, das jeder Ringsektor an einem ersten Ende einen Kopf aufweist und die einzelnen Köpfe in einer zylindrischen Kehle des Stators montiert ist, so daß eine Schwenkbewegung des Bürstenkörpers relativ zu der Welle möglich ist, wobei die Fasern sich von der Welle entfernen können.
Die Sektoren des Bürstenkörpers bestehen vorzugsweise aus zwei gegeneinander gepreßten Flanschen.
Dieser grundsätzliche Aufbau wird vorteilhafterweise durch Abdeckungen auf einem der beiden Flansche vervollständigt, die auf diese Weise zwei benachbarte Sektoren übergreifen, um die Kontinuität der Abdichtung sicherzustellen.
Die Sektoren werden vorteilhafterweise von einem Federring an ihrer Stelle gehalten, der gegen ein dem Kopf entgegengesetztes zweites Ende des Bürstenkörpers gespannt ist, um die Sektoren des Bürstenkörpers in einer Ruheposition gegeneinander gepreßt zu halten, in der die Fasern die kleinstmögliche Neigung gegenüber einer Radialebene der Wellenachse haben.
Andererseits ist durch das europäische Patentdokument EP-A-0 293 140 eine Bürstendichtung bekannt, deren Fasern oder Borsten radial geneigt, also nicht senkrecht zu der Oberfläche der Welle ausgerichtet sind, auf der sie reiben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Fasern in Drehrichtung der Welle geneigt.
Die Bürstendichtung gemäß der Erfindung ist besonders wirksam, wenn man an dem Stator zwei Drehanschläge zur Begrenzung der Schwenkbewegung der Sektoren des Bürstenkörpers vorsieht.
Die folgende Beschreibung, die auf die anliegenden Figuren Bezug nimmt, ermöglicht ein besseres Verständnis der Erfindung und ihrer verschiedenen technischen Merkmale.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der Bürstendichtung gemäß der Erfindung bei einem Turboluftstrahltriebwerk,
Fig. 2A und 2B zeigen Schnittansichten der Bürstendichtung gemäß der Erfindung in zwei Positionen,
Fig. 3 zeigt eine Frontalansicht der Bürstendichtung gemäß der Erfindung, die um eine Welle angeordnet ist,
Fig. 4 zeigt einen Transversalschnitt durch einen Sektor der Bürstendichtung gemäß der Erfindung.
Wie aus Fig. 2A und 2B erkennbar ist, besteht die ringförmige Bürstendichtung gemäß der Erfindung im wesentlichen aus einem Bürstenkörper 9, an dem ein Faserbüschel 10 (Drähte, Borsten oder andere fadenförmige Elemente) befestigt ist. Die Dichtung ist auf der Seite einer drehbaren Welle 11 dargestellt, die um ihre longitudinale Drehachse 15 rotieren kann. Auf der anderen Seite ist die Dichtung an einem Stator montiert. Letzterer besteht in der dargestellten Ausführungsform aus zwei festen Flanschen 16 und 17. Das erste Ende 21 der Fasern 10 ist in dem Bürstenkörper 9 angeordnet. Das zweite Ende 22 der Fasern 10 liegt an der Außenfläche der Welle 11 an, so daß sie mit dieser fluchtet.
Die Bürstendichtung kann so eine dichte Trennwand zwischen einer ersten ringförmigen Zone und einer zweiten ringförmigen Zone 2 bilden. Diese Zonen werden von der drehbaren Welle 11 und dem von den beiden festen Flanschen 16 und 17 dargestellten Träger begrenzt.
Die Bürstendichtung ist erfindungsgemäß gegenüber den radialen oder zur Längsachse 15 der Welle 11 senkrechten Ebenen geneigt. Mit anderen Worten, in den beiden Figuren 2A und 2B ist die Bürstendichtung nicht senkrecht angeordnet.
Der Körper 9 der Bürstendichtung ist erfindungsgemäß so montiert, daß er relativ zu dem Stator leicht verschwenkt werden kann. Durch diese Verschwenkbarkeit ist es möglich, daß die Fasern 10, die das Büschel der Bürste bilden, sich von der Außenfläche der drehbaren Welle 11 mehr oder weniger entfernen oder an diese annähern können. Mit anderen Worten, die Bürstendichtungen können sich in jedem Augenblick an gegebenenfalls unterschiedliche Momentanradien der drehbaren Welle 11 relativ zu dem Faserbüschel 10 anpassen. Falls bei der Rotation der Welle 11 eine Unwucht oder eine Exzentrizität auftritt, kann die Bürstendichtung sich so durch eine leichte Schwenkung an diese kleine Radiusänderung anpassen.
Fig. 2A und 2B zeigen die beiden Extremstellungen der Bürstendichtung. In der Darstellung von Fig. 2A ist der Körper 9 gegenüber der vertikalen Achse der Zeichnungsfigur um einen Winkel A geneigt. Die zweiten Enden 22 der Fasern 10 berühren dann kaum die Außenfläche der Welle 11.
In Fig. 2B bildet der Bürstenkörpers 9 mit der gleichen vertikalen Achse einen Neigungswinkel A + ΔA. Der schwenkbare Bürstenkörper 9 und die zweiten Enden 22 der Fasern 10 sind noch in Kontakt mit der Außenfläche der Welle 11, da diese Außenfläche ihre Position in Folge einer Exzentrizität der Welle 11 in Richtung der Dichtung verändert hat. Mit anderen Worten, die Welle hat die Fasern 10 der Bürstendichtung zurückgedrängt. Zwischen der Bürstendichtung und der Welle 11 findet Berührung statt. Dadurch wird die Abdichtung zwischen den beiden Volumen 1 und 2 aufrechterhalten, auch wenn zwischen diesen eine Druckdifferenz herrscht.
Fig. 2A und 2B zeigen eine mögliche Ausführungsform des Bürstenkörpers 9, Man erkennt, daß letzterer aus zwei Flanschen 12 und 13 besteht, die beispielsweise mit Hilfe von Spannschrauben 23 gegeneinander gepreßt sind. Das erste Ende 21 der Fasern 10 des Büschels wird von dem zweiten Ende 24 der beiden Flansche 12 und 13 festgehalten.
Mit seinem ersten Ende 25 ist der Bürstenkörper 9 mit Hilfe eines Kopfes 14 in dem Stator schwenkbar montiert. Dieser Kopf 14 bildet eine Art Gelenk und kann aus zwei halbkugelförmigen Teilen bestehen, die Bestandteile der beiden Flansche 12 bzw. 13 sind. Als Gegenstück ist in dem Stator eine Kehle 20 vorgesehen. Der Stator kann aus zwei Befestigungsflanschen 16 und 17 bestehen, die mit Hilfe von durch eine Spannachse 26 symbolisierten Schraubenbolzen miteinander verbunden sind.
Da die Bürstendichtung ringförmig ist, d.h. die Welle 11 vollständig umschließt ist leicht erkennbar, daß sie nicht verschwenkbar ist, wenn sie aus einem einzigen starren Teil besteht. Die in den beiden Fig. 2A und 2B symbolisch dargestellte Verschwenkung bedingt nämlich eine spürbare Veränderung des Durchmessers des zweiten Endes 24 des Bürstenkörpers 9, die nur dann möglich ist, wenn der Bürstenkörper 9 aus einem stark verformbaren Material besteht. Infolgedessen besteht der Bürstenkörper 9 erfindungsgemäß aus mehreren Bürstenkörpersektoren.
Wie Fig. 3 zeigt, sind die Sektoren 27 des Bürstenkörpers ähnlich wie die Blütenblätter einer Blume um die Welle 11 verteilt. Die Schwenkbewegung der einzelnen Sektoren 27 wird dadurch ermöglicht, daß die in den vorhergehenden Figuren mit 20 bezeichnete Kehle, in Wirklichkeit aus mehreren hohlzylindrischen Sektoren besteht, die jeweils einem Sektor 27 des Bürstenkörpers, genauer einem Sektor des Kopfes 14, entsprechen. Auf diese Weise kann jeder Sektor 27 des Bürstenkörpers relativ zu dem Stator verschwenkt werden.
Um die Auslenkung bei der Schwenkbewegung der Sektoren 27 des Bürstenkörpers 9 gegenüber dem Stator zu begrenzen, besitzt jede der beiden Flansche 16 und 17 des Stators an der Basis der Kehle 20 eine geneigte Fläche 28 bzw. 29.
Die Bürstendichtung gemäß der Erfindung ist für den Einsatz zwischen zwei Volumen 1 und 2 vorgesehen, wobei der in dem Volumen 2 herrschende Druck größer ist als der in dem Volumen 1 herrschende Druck. Infolgedessen wird die Dichtung im normalen Betrieb gegen den Anschlag 28 des Spannflansches 26 in die in Fig. 2A dargestellte Position gedrückt. Dabei kann in dieser Position zwischen dem Ende der Fasern 10 und der Außenfläche der Welle 11 ein kalkuliertes Spiel vorgesehen sein.
Um die entsprechende Position der Fasern 10 relativ zu der Außenfläche der Welle 11 zu gewährleisten, müssen die verschiedenen Sektoren 27 in der in Fig. 2A dargestellten Position mit der geringsten Neigung des Bürstenkörpers 9 gehalten werden. Diese Halterung kann durch die Verwendung eines Federrings 19 erreicht werden, der gegen das zweite Ende 24 der Sektoren 27 des Bürstenkörpers 9 drückt. Wie Fig. 3 und 2A zeigen, kann man zu diesem Zweck offene und leicht elastische Ösen 18 verwenden, um das Einführen des Federrings 19 ins Innere zu ermöglichen. Man kann so an jedem der beiden Flansche 13 jedes Sektors 27 des Bürstenkörpers 9 eine Öse 18 vorsehen.
Fig. 3 läßt erkennen, daß die Fasern 10 in Drehrichtung der Welle 11 geneigt sind, d.h. nicht senkrecht zur Außenfläche der letzteren orientiert sind. Dies begünstigt den Kontakt der Enden der Fasern 10 mit dieser Fläche und begrenzt die Abnutzung der Dichtung.
Wenn, wie in Fig. 2B angedeutet, eine Exzentrizität der Welle 11 auftritt, neigt diese dazu, die Fasern 10 zurückzustoßen. Die verschiedenen Sektoren 27 der Dichtung spreizen sich dann in Abhängigkeit von dem Durchlauf der Exzentrizität. Die Elastizität des Federrings 19 und seine relative Beweglichkeit in den Befestigungsösen 18 ermöglichen einerseits das Spreizen der einzelnen Sektoren 27 in dem Scheitelpunkt der Exzentrizität und andererseits ihre Rückführung in Richtung auf die Welle 11 im tiefsten Punkt dieser Exzentrizität. Der Anschlag 28 ermöglicht dann die Berücksichtigung des minimalen Spiels, das eventuell zwischen dem Ende der Fasern 10 und der Welle 11 vorgesehen ist.
Wie Fig. 4 zeigt kann einer der beiden Flansche 13 des Bürstenkörpers 9 eine Abdeckung 30 aufweisen, die über den anderen Flansch 12 hinausreicht und in eine entsprechende Ausnehmung 31 des Flansches 13 des benachbarten Sektors eingreift. Man kann so die vollständige Dichtigkeit der Dichtung bei den verschiedenen Bewegungen der Sektoren 27 gegeneinander sicherstellen. Man ordnet diese Abdeckungen 30 vorzugsweise auf der Seite an, auf welcher der auf die Dichtung ausgeübte Druck am stärksten ist. Durch die Neigung der Fasern 10 der Dichtung in Drehrichtung der Welle 11 wird die Kontinuität der Abdichtung gesichert. Wenn sich die Segmente 17 öffnen, bleiben die Fasern 10 tatsächlich in Kontakt miteinander.
Die ringförmige Bürstendichtung hat verschiedene Vorteile:
- Zwischen der Dichtung selbst und der Welle 11 wird eine bessere Kontaktflexibilität und damit eine bessere Wärmeabführung an der Welle erreicht,
- man vermeidet das Knicken, das mit einer Ausrichtung der Fasern 10 der Dichtung senkrecht zur Außenfläche der drehbaren Welle 11 verbunden ist und verlängert dadurch die Lebensdauer der Dichtung,
- bei einem zufälligen Verschleiß eines der Sektoren 27 der Dichtung kann dieser ersetzt werden, wobei die anderen Sektoren belassen werden,
- die Abdichtung zwischen den beiden voneinander zu trennenden Zonen wird auch bei einer Exzentrizität der Welle aufrechterhalten.

Claims

1. Ringförmige Bürstendichtung zur Abdichtung zwischen zwei ringförmigen Volumen (1, 2), die von einer drehenden Welle (5, 11) mit bestimmter Achse (15) und einem Stator (3,16, 17) begrenzt werden, wobei zwischen der Welle (11) und dem Stator (3,16, 17) eine Drehbewegung um die Achse (15) stattfindet,

mit einem Bürstenkörper (9), der aus mehreren in dem Stator (3, 16, 17) montierten Ringsektoren (27) besteht,

und mit Fasern (10), die relativ zu der Achse (15) der Welle (11) geneigt in dem Bürstenkörper (9) montiert und mit ihren ernten Enden (21) in dem Bürstenkörper (9) fixiert sind und die in Richtung auf die Welle (11) orientiert sind, so daß ihr zweites Ende (22) an der Welle (11) anliegt und zwischen den beiden ringförmigen Volumen (1, 2) ein Dichtungsgürtel gebildet wird,

dadurch kennzeichnet,

daß die Ringsektoren (27) schwenkbar montiert sind, so daß die Fasern (10) sich von der Welle (11) leicht entfernen können indem sie sich relativ zur Drehachse (15) der Welle (11) neigen, so daß sie eine Exzentrizität der Welle (5, 11) relativ zu dem Stator (3, 16, 17) zulassen, während sie die Abdichtung zwischen den beiden ringförmigen Volumen (1, 2) gewährleisten.

2. Ringförmige Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch kennzeichnet, daß der Bürstenkörper (9) und jeder Ringsektor (27) an einem ersten Ende (25) einen Kopf (14) haben und daß jeder dieser Köpfe (14) in einer zylindrischen Kehle (20) des Stators (3, 16, 17) so montiert ist, daß er die Neigungsbewegung der einzelnen Ringsektoren (27) des Bürstenkörpers (9) relativ zu der Welle (11) ermöglicht, so daß die Fasern (10) sich von der Welle (11) entfernen können.

3. Ringförmige Bürstendichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennzeichnet, daß der Bürstenkörper (9) aus zwei gegeneinander gepreßten Flanschen (12, 13) besteht.

4. Ringförmige Bürstendichtung nach Anspruch 3, dadurch kennzeichnet, daß einer (13) der beiden Flansche jedes Sektors (27) eine Abdeckung (30) besitzt und so den Flansch (13) des benachbarten Sektors (27) überlappt, um die Kontinuität der Abdichtung sicherzustellen.

5. Ringförmige Bürstendichtung nach Anspruch 4, kennzeichnet durch einen Federring (19), der gegen ein dem Kopf (14) des Bürstenkörpers (9) entgegengesetztes zweites Ende (24) des Bürstenkörpers (9) gespannt ist, um die Sektoren (27) des Bürstenkörpers (9) in einer Ruheposition gegeneinander gepreßt zu halten, in der die Fasern (10) die kleinstmögliche Neigung gegenüber einer zur Drehachse (15) der Welle (11) radialen Ebene haben.

6. Ringförmige Bürstendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch kennzeichnet, daß die Fasern (10) in Drehrichtung der Welle (11) geneigt sind.

7. Ringförmige Bürstendichtung nach Anspruch 2, dadurch kennzeichnet, daß das Gehäuse (3, 16, 17) zwei Drehanschläge (28, 29) zur Begrenzung der Schwenkbewegung der Sektoren (27) besitzt.