DE1043733B - Labyrinthdichtung fuer gegeneinander bewegliche Maschinenteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Labyrinthdichtung, die eine Abdichtung zwischen relativ zueinander bewegten Maschinenteilen bewirken soll, derart, daß der Ströraungsmittelfluß zwischen diesen Teilen wirksam beschränkt wird. Die erfindungsgemäße Labyrinthdichtung dient dazu, bei Teilen, die im Betrieb gewisse Abstandsveränderungen erleiden können, die Gefahr einer Beschädigung der massiven Teile infolge einer unvorhergesehenen gleitenden Berührung zwischen diesen Teilen herabzusetzen.

Das Problem der Verhinderung von Beschädigungen infolge der Berührung zwischen relativ zueinander sich drehenden Teilen, die mit geringem Spiel arbeiten, wobei das kleine Spiel aus Dichtungsgründen erforderlich ist, besteht im Gebiet des Dampfturbinenbaues seit vielen Jahren. Die Entwicklung der Strahltriebwerke und der Gasturbinen hat diese Schwierigkeiten wegen der erheblich höheren Temperaturen und Umr drehungsgeschwindigkeiten noch vergrößert. Die geringe Unwucht, die selbst in den besten dieser Kraftmaschinen vorhanden ist, kann sich während des Betriebs in gefährlicher Weise auswirken, insbesondere wenn kritische Schwingungen im Betriebsdrehzahlbereich der Maschine auftreten, wodurch Berührungen zwischen den am Gehäuse befestigten Teilen der Labyrinthdichtungen und den Wellen auftreten können, wenn keine großen Dichtungsspalte verwendet werden.. Wegen der verhältnismäßig großen Masse sowohl der Wellen als auch der bekannten Dichtungen in derartigen Anordnungen kann sich hierbei eine sofortige und heftige örtliche Erhitzung mit entsprechender Wellenverwerfung ergeben, welche die Störung und die Verwerfung abermals steigert. Hieraus kann eine ernstliche Beschädigung oder ein völliger Ausfall der mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen entstehen.

Ein ähnliches Problem, das erst durch die vorliegende Erfindung gelöst werden konnte, tritt durch die mögliche Berührung zwischen den Enden der Laufschaufeln eines Kompressors oder einer Turbine und dem umgebenden Gehäuse auf. Eine Berührung zwischen den Enden, der Schaufeln und dem Maschinengehäuse ergibt sich häufig, wenn die Schaufeln während des Betriebes unter Einfluß der Temperatur und der Fliehkraft ihre Länge vergrößern oder wenn sich das Gehäuse aus irgendeinem Grunde, z. B. durch ungleichmäßige Erhitzung verzieht. Es ist auch häufig der Fall, daß durch den Betrieb bei hoher Geschwindigkeit eine oder mehrere Laufschaufeln in Schwingung geraten oder nicht mehr genau fluchten, wodurch sie dann mit den rotierenden Teilen in Berührung kommen können. Wegen der hohen Geschwindigkeit und Masse der umlaufenden Maschinenteile kann eine solche Berührung zu Zerstörung der Beschaufelung führen.

Labyrinthdichtung für gegeneinander
bewegliche Maschinenteile

Anmelder:

Solar Aircraft Company,
San Diego, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Januar 1955

John V. Long, San Diego, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Um die beim Anstreifen der Schaufeln am Maschinengehäuse eintretenden Schäden zu vermindern, haben bei manchen bekannten Anordnungen die Schaufelenden dünne Abschnitte, die geopfert werden können und dadurch den Hauptteil der Schaufel schützen. Jedoch können solche Abschnitte an Turbinenoder Kompressorschaufeln nicht ohne Herabsetzung des aerodynamischen Wirkungsgrades angebracht werden.

Gemäß einem anderen Vorschlag ist die den Spitzen der Labyrinthdichtung gegenüberliegende Fläche mit einer Bekleidung versehen, die aus einem gegen Anstreifen wenig widerstandsfähigem Material, wie z. B.

Farbe, Kohle od. dgl., bestehen. Beim Anstreifen graben sich die Dichtungsspitzen in die weiche Bekleidung ein und hinterlassen Rillen, die beim Wiedereintreten normaler Betriebsverhältnisse den Durchflußwiderstand herabsetzen. Dagegen ist die erfindungsgemäße Labyrinthdichtung in gewissem Grade elastisch, so daß nach leichtem Anstreifen die Dichtung wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt, während bei stärkerem Anstreifen eine dauernde Verformung der Dichtungsteile eintritt, ohne daß eine Beschädigung der umlaufenden Teile zu befürchten ist.

Die erfindungsgemäße Labyrinthdichtung dient zur Abdichtung gegenüberliegender Flächen von gegeneinander beweglichen Maschinenteilen, die im Betrieb gewisse Abstandsänderungen erleiden können, wobei

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eine Fläche glatt ausgeführt ist, während die andere Fläche Dichtungsstege trägt, die bis nahe an die glatte Fläche reichen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsstege als Wände wabenartig angeordneter Zellen ausgebildet und mit einem verhältnismäßig starren Träger verbunden sind, der an der einen Fläche befestigt ist.

Vorzugsweise bestehen die Wände der Zellen aus dünnem Blech, das bei Berührung mit der anderen Fläche leicht verformt werden kann. Hierdurch ist eine Beschädigung der umlaufenden Teile beim
streifen an den feststehenden Teilen infj
wucht, einer ungleichmäßigen Ausdel]
werfung dieser Teile ausgeschlossen)
übermäßiges Spiel zwischen den Teilen
werden muß. Der Träger für die wabenartig angeor neten Zellen kann seinerseits ebenfalls aus zwei Blechen bestehen, zwischen denen sich ein wabenartiger Kern befindet. Dies ergibt eine besonders leichte und doch starre Konstruktion, die größere Beschädigungen der massiven Teile verhindert.

Infolge der wabenartigen. Struktur der Zellen stützen sich die Zellwände 'gegenseitig, so daß trotz wesentlich geringerer Wandstärke von höchstens etwa 0,3 mm die Dichtungselemente ebenso steif sind wie die bekannten ringförmigen" Läbyrinthdichtungen für Wellen. Wegen der geringen Wandstärke geben die Zellwände leicht nach, so-daß Beschädigungen der Wellenoberfläche ausgeschlossen sind. Man kann das Spiel der Wellen unbedenklich verringern, so daß der Nachteil der nur «inseitigen---Anbringung der Dich- ':■ tungsspitzen ausgeglichen.wird»-..

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Hierin ist " Fig. 1 ein Schrägbild'einer "ersten Ausführungsförm der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung mit wabenförmig angeordneten Dichtungsstreifen - und einem Dichtungsträger,

Fig. 2 ein Schrägbild effier "abgeänderten Äusführungsform, -■ *

Fig. 3 ein Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform, ■'-"- ^;

Fig. 4 ein Längsschnitt· einer Anordnung nach Fig. 2, die eine umlaufend&'Welle umgibt, Fig. 5 ein Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 ein teilweiser Längsschnitt der Anordnung nach Fig. 1 in Verwendung; als Radialdichtung,

Fig. 7 ein teilweiser Längsschnitt einer Kompressorschaufel zusammen mit -einer Anordnung nach Fig. 2, Fig. 8 ein Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7.

Fig. 1 zeigt die Grundölrdnung 10 der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung. Sie besteht aus wabenartig angeordneten Zellen 12, die auf einem Träger 14 befestigt sind. ·-'-■ -

Vorzugsweise besteht did" wabenartige Anordnung 12 aus Metall, wobei je nach den Betriebsbedingungen verschiedene Metalle, z. B. Aluminium, rostfreier Stahl oder hochwarmfeste Legierungen, verwendet werden können. Die Stärke der Zsllwände kann je nach den Festigkeitserfordernissen in weiten Grenzen, verändert werden. Es sind Stärken-zwischen 0,025 und 0,3 mm verwendet worden. Die Zellen 16 sind als Sechsecke dargestellt. Es können jedoch auch andere die Fläche füllende Zellformen Verwendung finden. Alle Zeilformen werden in Zukunft als Waben bezeichnet.

Der Träger 14 besteht ebenfalls vorzugsweise aus Metall und kann aus demselben Material wie die Zellanordnung 12 hergestellt sein. Es sind Trägerstärken zwischen 3,2 und 9,5 mm verwendet worden. Der Träger kann auch wegfallen, wenn die Waben unmittelbar auf dem zugehörigen Maschinenteil angebracht werden.

Die Wabe 12 und der Träger 14 können durch Schweißen, Hartlöten oder Harzverklebung miteinander verbunden werden.

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 1, bei der die Achsen der Zellen in an ,siflj·*¹¹^ nnter Weise nicht senkrecht auf der rs stehen. Die Herstellung der schieeht in diesem Falle dadurch, daß die -eifen vor dem Zusammenbau mit en Winkel gewellt werden. Diese manchmal vorzuziehen, da sie die .Der die offenen Enden der einzelnen jenden Strömungsmittels erhöht und Abdichtung verbessert. In manchen Fällen ist dieser Anordnung auch der Vorzug zu geben, weil die schrägen Zellwände einer Verformung geringeren Widerstand entgegensetzen und infolgedessen die Möglichkeit einer Beschädigung der bewegten Teile noch weiter vermindert wird.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 sind die Wände der Zellen vom Träger aus nur bis zur Mitte der Zellenhöhe miteinander verbunden, so daß die obere Hälfte der Zellwände sich frei biegen und bei einem etwaigen Anstreifen der Gegenfläche leicht ausweichen kann. Ein derartiges Teil kann hergestellt werden, indem die durch Punktschweißung der Wände in der Mitte der Zellenhöhe zusammengehaltene Wabe an den Träger hart angelötet wird, während die obere Hälfte der Wände durch einen lotabstoßenden Stoff geschützt ist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine besonders vorteilhafte Wellendichtung. Die Welle 22, welche z. B. den Rotor des Turbokompressors eines Strahltriebwerkes trägt, ist durch einen Gehäuseteil 24 hindurchgeführt. Das Austreten eines Strömungsmittels durch den Spalt zwischen der Welle 22 und dem Gehäuseteil 24 wird stark vermindert durch eine Labyrinthdichtung mit schiefen Waben gemäß Fig. 2, deren Träger 14 z. B. durch Schweißen oder Nieten auf der inneren Fläche des Gehäuseteils 24 befestigt ist. Dabei wird durch die Neigung der Zellwände 16 gegen die Richtung des austretenden Strömungsmittels eine gute Verwirbelung der Strömung in jedem der Zellräume 26 bewirkt, so daß die Wabenanordnung dem Strömungsmittel einen großen Widerstand bietet und eine gute Abdichtung erzielt wird.

Die seitlichen und vertikalen Abmessungen der einzelnen Zellen der Wabe müssen so gewählt werden, daß eine möglichst starke Verwirbelung gewährleistet ist. Experimentell wurde gefunden, daß eine Wabe, deren Höhe etwa gleich der größten lichten Weite einer Zelle 16 ist, die besten Resultate ergibt.

In diesem Fall hat die erfindungsgemäße Labyrinthdichtung eine doppelte Aufgäbe. Sie dient nicht nur zur Abdichtung der Welle, sondern sie verhindert auch wirksam eine Beschädigung der Welle 22 und des Gehäuseteiles 24 im Falle einer Unwucht, einer ungleichmäßigen Ausdehnung oder Verwerfung dieser Teile. Wenn dieser Fall eintritt, berührt die Welle 22 nur die freien Kanten der Zellenanordnung. Wegen ihrer leichten Konstruktion geben die Zellwände rascher als die bekannten Labyrinthringe nach und weichen der Welle durch Biegen und/oder Abrieb aus. Infolge dieses raschen Ausweichens und weil die Masse der Labyrinthwände sehr gering ist, wird nicht genügend Wärme entwickelt, um die Welle zu verziehen, was weitere Beschädigungen hervorrufen würde. Auf Wunsch können an sich bekannte Überzüge zur

Scheuerverminderung an der Welle oder dem Kern oder beiden Teilen angebracht werden, um dieReibung zwischen diesen Teilen im Falle einer Berührung herabzusetzen.

Die Erfindung kann mit ebenso guten Ergebnissen angewandt werden, wenn die Wabenanordnung auf dem umlaufenden Glied angebracht wird. Ferner könnte die dargestellte Dichtungsanordnung auch gemeinsam mit bekannten Labyrinthringen Verwendung finden.

Eine andere Wellendichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei besitzt die Wabenanordnung die Gestalt eines Ringes, wobei sich der Träger 14 radial erstreckt und die Achsen der Zellen axial zur Welle 22 liegen. Die Wabenanordnung arbeitet mit einem ringförmigen Wellenbund 28 zusammen, wobei sich im wesentlichen dieselbe Wirkung wie bei der Anordnung nach Fig. 4 und 5 ergibt.

Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung. Hier bedeutet 30 eine Kompressor- oder Turbinenschaufel, die auf einer Rotornabe 32 befestigt ist. Die Schaufelenden sind von einem starren Gehäuse 34 umgeben. Um Berührungen ungefährlich zu machen, ist eine Dichtung gemäß Fig. 2 zwischen dem Gehäusering und den Schaufelenden angeordnet, wobei der Träger 14 an der Innenfläche des Gehäuses 34 befestigt ist und die freien Kanten der Wabenanordnung 12 sich radial nach innen erstrecken, derart, daß sie einen engen Abstand von den Schaufelenden einhalten. Eine zufällige Berührung zwischen den Schaufeln und den Zellenkanten wird schnell dadurch ungefährlich, daß die Zellwände des betreffenden Wabenabschnitts sich biegen oder sich abnutzen, so daß die Maschine ungestört weiterlaufen kann, wobei die Schaufeln wenig oder keinen Schaden erleiden. Auch können scheuervermindernde Überzüge auf den Schaufeln oder dem Wabenteil Verwendung finden, um dieReibung im Falle einer Berührung herabzusetzen.

In diesem Falle ist es erwünscht, daß der Strömungsmittelfluß zwischen den Schaufelenden und dem Gleitring im wesentlichen laminar und nicht turbulent ist, da eine Turbulenz im Schaufelbereich den Wirkungsgrad herabsetzt. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung kleiner Zellen in der Wabenanordnung, z. B. von Zellen mit einer lichten Weite von etwa 2,5 mm, die gewünschten Strömungsbedingungen erreicht werden, insbesondere wenn die Wabentiefe geringer als die lichte Weite der Zellen ist.

Die Einschaltung eines laminaren Strömungs-Verlaufes wird begünstigt, wenn gemäß Fig. 8 die Zellenachsen in der Umlaufrichtung der Schaufeln geneigt sind.

Bei allen geschilderten Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere wenn laminare Strömung gewünscht wird, kann es vorteilhaft sein, die Zellenanordnung teilweise mit einem an sich bekannten leicht abreibbaren, bröckligen, vorzugsweise porösen Material zu füllen. Als solches kann z. B. ein gegossenes feuerfestes Material, wie Magnesiumoxyd oder Gips dienen. Der Füllstoff an sich braucht nur geringe Festigkeit zu haben, da er durch die Skelettanordnung des Kerns unterstützt wird. Auch gewisse Schaummetalle können als Füllstoff verwendet werden.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Labyrinthdichtung für gegeneinander bewegliche Maschinenteile, bei der die eine Dichtungsfiäche glatt ausgeführt ist, während die Gegenfläche Dichtungsstege trägt, die bis nahe an die glatte Fläche reichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsstege als Wände wabenartig angeordneter Zellen ausgebildet und mit einem verhältnismäßig starren Träger verbunden sind, der an der einen Fläche befestigt ist.

2. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, insbesondere für eine umlaufende Welle und ein sie umgebendes Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Zellen aus dünnem Blech bestehen, das bei Berührung mit der anderen Fläche leicht verformt werden kann.

3. Labyrinthdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der wabenartig angeordneten Zellen größere Höhe haben, als etwa zu befürchtende Abstandsänderungen betragen.

4. Labyrinthdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Zellwände gleich dem Durchmesser einer Zelle ist.

5. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1 zur Abdichtung der Schaufelspitzen eines Schaufelrades gegenüber der Innenwand des zugehörigen Gehäuseringes, dadurch gekennzeichnet, daß die wabenartig angeordneten Zellen am Gehäusering befestigt sind und nur ein geringes Spiel zu den Schaufelspitzen frei lassen.

6. Labyrinthdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellwände senkrecht zur Trägerebene stehen und der Grundriß jeder Zelle die Form eines Vieleckes hat.

7. Labyrinthdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellwände in einer Richtung unter einem bestimmten Winkel gegen die Ebene des Trägers geneigt sind.

8. Labyrinthdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für die wabenartig angeordneten Zellen seinerseits in an sich bekannter Weise aus zwei Blechen besteht, zwischen denen sich ein Kern mit wabenartiger Struktur befindet.

9. Labyrinthdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wabenartig angeordneten Zellen teilweise mit einem an sich bekannten, leicht abreibbaren porösen Werkstoff ausgefüllt sind.

10. Labyrinthdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der wabenartigen Anordnung etwa bis zu ihrer halben Höhe miteinander verbunden sind, während ihre unverbundenen äußeren Enden leicht biegsam sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 433 899, 522 872, 980,804 394;

französische Patentschrift Nr. 763 708; britische Patentschrift Nr. 705 444.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© SOi 6W643 11. 5«