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Die
Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine nicht-hermetische Dichtung
zwischen einem Stator und einem Rotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
12.
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Bei
Strömungsmaschinen,
insbesondere bei Gasturbinen wie Flugzeugtriebwerken, gibt es eine Reihe
von Anwendungsfällen,
in welchen zwei gegeneinander rotierende Teile, nämlich ein
Stator und ein Rotor der Strömungsmaschine,
gegen einen die Strömungsmaschine
durchlaufenden Gasstrom abzudichten sind. Ein derartiger Anwendungsfall
ist zum Beispiel die Abdichtung eines Spalts, der zwischen statorzugehörigen, feststehenden
Leitschaufeln und einem Rotor eines Flugzeugtriebwerks ausgebildet
ist.
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Zur
Abdichtung ringförmiger
Zwischenräume zwischen
relativ zueinander rotierenden Baugruppen sind aus dem Stand der
Technik Bürstendichtungen bekannt.
Als Stand der Technik, der Bürstendichtungen
zeigt, soll hier auf die WO 98/53230 und die
DE 100 18 273 A1 verwiesen
werden.
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Bei
den obigen aus dem Stand der Technik bekannten Bürstendichtungen wird die Bürstendichtung
von mehreren drahtartigen Borsten gebildet, die um einen Kern gewickelt
sind und am Kern über
einen Klemmring fixiert sind. Die Einheit aus Klemmring, Kern und
Borsten, welche die eigentliche Bürstendichtung bildet, ist nach
dem Stand der Technik in einem Aufnahmeraum angeordnet, welcher
von einem Stützring
und einem Deckring begrenzt ist.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
eine neuartige Dichtungsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Dichtungsanordnung zu schaffen.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass die eingangs genannte Dichtungsanordnung durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
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Erfindungsgemäß sind das
Stützelement und
das Deckelement zusammen mit der zwischen dem Stützelement und dem Deckelement
positionierten Bürstendichtung über mindestens
ein Passelement in mindestens einer Ausnehmung, vorzugsweise in
einer axial verlaufenden Nut oder Bohrung, des Stators gehalten.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt zusätzlich zur
Führung
von Stützelement,
Deckelement und Bürstendichtung über das Passelement
eine Fixierung dieser Baugruppen am Stator über ein Befestigungselement.
Das Befestigungselement ist in einer im wesentlichn in Umfangsrichtung
verlaufenden Ausnehmung- in einer Nut oder Bohrung-vorzugsweise
des Stators angeordnet, wobei diese Ausnehmung benachbart zum Deckelement
verläuft,
und wobei das Befestigungselement vorzugsweise unmittelbar am Stator
und unmittelbar am Deckelement anliegt bzw. mit denselben in Kontakt
steht. Ist zwischen dem Stator und dem Deckelement ein Distanzelement
angeordnet, steht das Befestigungselement entweder unmittelbar mit
dem Stator und unter Zwischenschaltung des Distanzelements mit dem
Deckelement oder unmittelbar mit dem Deckelement und unter Zwischenschaltung
des Distanzelements mit dem Stator in Kontakt.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem Stützelement
und dem Deckelement mindestens ein Abstandselement angeordnet ist,
wobei die Bürstendichtung
benachbart zu dem Abstandselement ebenfalls zwischen dem Stützelement
und dem Deckelement angeordnet ist. Die oder jede axial verlaufende Ausnehmung
des Stators ist benachbart zum Stützelement angeordnet, wobei
sich das oder jedes Passelement durch das Stützelement, das Deckelement und
das oder jedes Abstandselement erstreckt, und wobei das oder jedes
Passelement mit einem Ende in die jeweilige axial verlaufende Ausnehmung
hineinragt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 12 gekennzeichnet.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt;
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2: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt;
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3: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung
nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt;
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4: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung
nach einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt; und
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5: eine erfindungsgemäße Bürstendichtung
nach einem fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem schematisierten Querschnitt.
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 5 in größerem Detail erläutert.
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1 zeigt eine Dichtungsanordnung 10 nach
einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die Dichtungsanordnung 10 gemäß 1 dient der Bereitstellung
einer nicht-hermetischen Dichtung zwischen einem Stator 11 und
einem Rotor 12. Bei dem Stator 11 handelt es sich
im gezeigten Ausführungsbeispiel
um ein feststehendes Gehäuse einer
Gasturbine. Durch eine Bohrung 13 im Stator 11 erstreckt
sich der Rotor 12. Eine Oberfläche des Rotors 12 ist
mit der Bezugsziffer 14 und eine Längsachse des Rotors 12 mit
der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet.
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Die
Dichtungsfunktion der in 1 gezeigten
Dichtungsanordnung 10 wird von einer Bürstendichtung 16 bereitgestellt.
Die Bürstendichtung 16 umfasst
mehrere Borsten 17, die um ein Kernelement 18 gewickelt
sind. Das Kernelement 18 ist vorzugsweise als Seelendraht
ausgebildet. Mittels eines Klemmelements 19 sind die um
das Kernelement 18 gewickelten Borsten 17 am Kernelement 18 fixiert. Das
Klemmelement 19 verfügt
gemäß 1 im Querschnitt über die
Form eines offenen Rings bzw. eines sogenannten C-Rohrs. Mit ihren
freien Enden liegen die Borsten 17 der Bürstendichtung 16 auf
der Oberfläche 14 des
Rotors 12 auf.
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Neben
der Bürstendichtung 16 gehört zur Dichtungsanordnung 10 ein
Stützelement 20 und
ein Deckelement 21. Das Stützelement 20 sowie
das Deckelement 21 sind plattenförmig ausgebildet. Bei einem
an der Bürstendichtung 16 bzw.
der Dichtungsanordnung 10 anliegenden Differenzdruck ist das
Deckelement 21 bzw. die Deckplatte auf der Hochdruckseite
und das Stützelement 20 bzw.
die Stützplatte
auf der Niederdruckseite angeordnet. Wie 1 entnommen werde kann, liegen die Borsten 17 der
Bürstendichtung 16 zumindest
abschnittsweise am Stützelement 20 an.
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Das
Stützelement 20 sowie
das Deckelement 21 begrenzen einen Aufnahmeraum 22.
Innerhalb des Aufnahmeraums 22 ist die Bürstendichtung 16 angeordnet.
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Gemäß 1 sind zwischen dem Stützelement 20 sowie
dem Deckelement 21 zur Bildung des Aufnahmeraums 22 zwei
Abstandelemente 23 und 24 angeordnet. Die Abstandelemente 23 und 24 erstrecken
sich am radial äußeren Ende
und damit an dem vom Rotor 12 abgewandten Ende von Stützelement 20 und
Deckelement 21 zwischen denselben und lassen am radial
innenliegenden Ende bzw. am dem Rotor 12 zugewandten Ende
zwischen Stützelement 20 und
Deckelement 21 den Aufnahmeraum 22 frei. In diesem
Aufnahmeraum 22 ist die Bürstendichtung 16 angeordnet,
wobei die freien Enden 17 der Bürstendichtung aus dem Aufnahmeraum 22 herausragen
und, wie bereits erwähnt,
die Oberfläche 14 des
Rotors 12 berühren.
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Es
liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Einheit
aus Stützelement 20,
Deckelement 21, Bürstendichtung 16 und
Abstandelementen 23 und 24 mithilfe mindestens
eines Passelements 25 im Stator 11 zu positionieren.
Gemäß 1 durchdringt das dargestellte
Passelement 25 das Stützelement 20,
das Deckelement 21 sowie die beiden Abdeckelemente 23 und 24.
Hierzu sind in das Stützelement 20,
das Deckelement 21 sowie die Abstandelemente 23 und 24 entsprechende
Bohrungen eingebracht. Mit einem freien Ende ragt das dargestellte
Passelement 25 in eine axial verlaufende, im gezeigten
Ausführungsbeispiel
als Nut ausgebildete Ausnehmung 26 des Stators 11 hinein.
Die axial verlaufende Ausnehmung 26 des Stators 11 ist
benachbart zum Stützelement 20 angeordnet.
Die Bürstendichtung 16 ist
demnach mithilfe des oder jeden Passelements 25 in einer
entsprechenden axialen Ausnehmung 26 geführt. Durch
eine genaue Positionierung der Passelemente 25 bzw. der
Ausnehmungen 26 relativ zur Oberfläche 14 des Rotors 11 und
damit relativ zur Lauffläche
der Borsten 17 der Bürstendichtung 16 wird
eine Gleichförmigkeit
des Laufspalts der Dichtungsanordnung 10 gewährleistet.
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An
dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass das Stützelement 20,
das Deckelement 21, die Abstandelemente 23 und 24 sowie
die Bürstendichtung 16 ringförmig ausgebildet
sind. Über
den Umfang der Dichtungsanordnung 10 können demnach mehrere Passelemente 25 vorgesehen
sein, die in entsprechende, axial verlaufende Ausnehmungen 26 eingreifen.
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Zur
radialen Fixierung der Bürstendichtung 16 zwischen
dem Stützelement 20 und
dem Deckelement 21 greift das Klemmelement 19 der
Bürstendichtung 16 in
Ausnehmungen ein, die auf einer Innenseite des Stützelements 20 sowie
des Deckelements 21 angeordnet sind. Dies ist in der Darstellung gemäß 1 dadurch verdeutlicht,
dass das Klemmelement 19 in den Bereich von Stützelement 20 sowie
Deckelement 21 hineinragt. Diese Fixierung kann auch über Madenschrauben,
durch Schweißen,
Löten oder
Kleben erfolgen.
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Es
liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass zusätzlich zur
Führung
von Stützelement 20,
Deckelement 21, Bürstendichtung 16 sowie
Abstandselementen 23 und 24 über Passelemente 25 eine
Fixierung dieser Baugruppen im Stator 11 über ein
Befestigungselement 27 erfolgt. Wie 1 entnommen werden kann, ist die Einheit
aus Stützelement 20,
Deckelement 21, Abstandelementen 23 und 24 sowie
Bürstendichtung 16 in
einer radialen Ausnehmung 28 des Stators 11 angeordnet. Die
Positionierung dieser Baugruppen relativ zum Rotor 12 erfolgt,
wie bereits oben erwähnt, über das oder
jedes Passelement 25, welches in axial verlaufenden Ausnehmungen 26 des
Stators 11 eingreift. Der Fixierung dieser Baugruppen in
dieser Position dient jedoch das zusätzliche Befestigungselement 27.
Im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 liegt das Befestigungselement 27 einerseits
unmittelbar am Stator 11 und andererseits unmittelbar am
Deckelement 21 an. Hierzu ist die Ausnehmung 28 des
Stators 11 in einem dem Rotor 12 gegenüberliegenden Abschnitt
um eine Nut 29, die ebenso wie die Ausnehmung 28 radial
bzw. in Umfangsrichtung verläuft, verbreitert.
In diese Nut 29 greift das Befestigungselement 27 ein
und liegt einerseits unmittelbar am Stator 11 und andererseits
unmittelbar am Deckelement 21 an. Das Befestigungselement 27 wird
demnach auf diese Art und Weise in die Nut 29 eingeklemmt und
fixiert die Bürstendichtung 16 in
ihrer Relativposition zum Rotor 12.
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Wie
bereits oben erwähnt,
sind das Stützelement 20,
das Deckelement 21, die Abstandselemente 23 und 24 sowie
die Bürstendichtung 16 ringförmig ausgebildet.
Diese Baugruppen können
entweder als ein umlaufend geschlossener Ring ausgebildet sein oder
segmentweise aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt werden. Über den
Umfang der Dichtungsanordnung 10 sind vorzugsweise mehrere Passelemente 25 angeordnet.
Das Befestigungselement 27 erstreckt sich ebenfalls über den
gesamten Umfang der Dichtungsanordnung 10. Das oder jedes Passelement 25 ist
vorzugsweise als Passstift oder Passschraube ausgebildet. Das Befestigungselement 27 ist
vorzugsweise als Stemmdraht oder Spannpratzen ausgeführt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 30.
Bei der Darstellung der Dichtungsanordnung 30 gemäß 2 wurde auf die Darstellung
des Rotors verzichtet. Dies gilt übrigens auch für die Dichtungsanordnungen
gemäß 3 bis 5. Die Dichtungsanordnung 30 des
Ausführungsbeispiels
gemäß 2 entspricht im Wesentlichen
der Dichtungsanordnung 10 des Ausführungsbeispiels gemäß 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen
werden für
gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Das Ausführungsbeispiel
gemäß 2 unterscheidet sich vom
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 lediglich dadurch, dass
zwischen Stützelement 20 und
Deckelement 21 lediglich ein Abstandselement 31 angeordnet
ist, und nicht wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 1, zwei Abstandselemente 23 und 24.
Hinsichtlich des übrigen
Aufbaus und der Funktionsweise der Dichtungsanordnung 30 ergeben
sich jedoch keine Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1. Daher kann auf die obigen
Ausführungen verwiesen
werden.
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3, 4 und 5 zeigen
weitere Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Dichtungsanordnungen 32, 33 und 34.
Auch bei diesen Ausführungsbeispielen
werden zur Vermeidung von Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche
Bezugsziffern verwendet. Die Ausführungsbeispiele gemäß 3 bis 5 unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 und 2 dadurch, dass eine weitere Baugruppe
in die Ausnehmung 28 des Stators 11 eingebracht
ist. Bei dieser Baugruppe handelt es sich um ein Distanzelement.
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So
ist beim Ausführungsbeispiel
gemäß 3 die Ausnehmung 28 im
Stator 11 derart verbreitert, dass neben dem Stützelement 20,
dem Deckelement 21 sowie dem Abstandselement 31 auch
ein Distanzelement 35 in der Ausnehmung 28 positioniert
werden kann. Das Distanzelement 35 verfügt in einem dem Rotor 12 zugewandten
unteren Abschnitt über
eine Einkerbung bzw. eine Nut 36. In diese Nut 36 ist
das Befestigungselement 27 eingebracht. Im Ausführungsbeispiel
der 3 liegt demnach
das Befestigungselement 27 einerseits unmittelbar am Stator 11 an,
jedoch nicht, wie im Ausführungsbeispiel
der 1 und 2, am Deckelement 21. Vielmehr
liegt das Befestigungselement 27 beim Ausführungsbeispiel
der 3 am Distanzelement 35 an
und steht demnach unter Zwischenschaltung des Distanzelements 35 mit
dem Deckelement 21 in Kontakt. Auch auf diese Art und Weise
kann eine sichere Fixierung der Bürstendichtung 16 relativ
zum Rotor erfolgen. Die Verbreiterung der Ausnehmung 28 dient
einer einfacheren Montage bzw. Positionierung der Einheit aus Stützelement 20,
Deckelement 21, Bürstendichtung 16 und
Abstandselement 31 im Stator 11.
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Die
Dichtungsanordnung 33 des Ausführungsbeispiels gemäß 4 entspricht im Wesentlichen
der Dichtungsanordnung 32 des Ausführungsbeispiels gemäß 3. Auch bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ist die Ausnehmung 28 des Stators verbreitert
und ein Distanzelement 37 vorgesehen. Im Unterschied zum
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist eine radiale Nut 38 zur
Aufnahme des Befestigungselements 27 jedoch nicht in das
Distanzelement 37 eingebracht, sondern in den Stator 11. Sonst
bestehen jedoch hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise der Dichtungsanordnung 33 keinerlei Unterschiede
zur Dichtungsanordnung 32 der 3. Demnach liegt auch beim Ausführungsbeispiel
der 4 das Befestigungselement 27 unmittelbar
am Stator 11 an und steht unter Zwischenschaltung des Distanzelements 37 mit
dem Deckelement 21 in Kontakt.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 34.
So ist auch bei der Dichtungsanordnung 34 gemäß 5 ein Distanzelement 39 vorgesehen,
welches in eine verbreiterte Ausnehmung 28 des Stators 11 eingebracht
ist. Die Ausführungsform
gemäß 5 entspricht im Wesentlichen
der Ausführungsform
gemäß 3. Ein erster Unterschied
ist darin zu sehen, dass eine Nut 40 zur Aufnahme des Befestigungselements 27 in
das Distanzelement 39 an der dem Deckelement 21 zugewandten
Seite in das Deckelement 39 eingebracht ist und nicht,
wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 3, an der dem Deckelement 21 abgewandte
Seite. Demnach liegt im Ausführungsbeispiel
gemäß 5 das Befestigungselement 27 unmittelbar
am Deckelement 21 an und steht unter Zwischenschaltung
des Distanzelements 39 mit dem Stator 11 in Kontakt.
Für das
Prinzip und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung macht
dies jedoch keinerlei Unterschied. Ein zweiter Unterschied zwischen
der Dichtungsanordnung 34 gemäß 5 und der Dichtungsanordnung 32 gemäß 3 ist darin zu sehen, dass
das Distanzelement 39 am radial außenliegenden Ende über einen
Vorsprung 41 verfügt.
Der Vorsprung 41 greift in eine weitere Ausnehmung innerhalb
des Stators 11 ein. Hierdurch kann die Position des Distanzelements 39 im
Stator 11 zusätzlich
gesichert werden.
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Alle
in 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele der hier vorliegenden
Erfindung beruhen auf dem selben Prinzip. So erfolgt bei allen Ausführungsbeispielen
die Positionierung der Einheit aus Stützelement 20, Deckelement 21,
Abstandselementen und Bürstendichtung 16 im
Stator 11 über
Passelemente 25. Die Passelemente 25 sind vorzugsweise als
Passstifte oder Passschrauben ausgebildet, die in entspre chende
axial verlaufende Ausnehmungen 26 im Stator 11 eingreifen.
Weiterhin ist allen Ausführungsbeispielen
gemeinsam, dass die Fixierung im Stator 11 über ein
Befestigungselement 27 erfolgt, welches vorzugsweise als
Stemmdraht ausgebildet ist.
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Das
oben beschriebene Konstruktionsprinzip der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung
zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und damit eine einfache
Konstruktion aus. Laufspalte der Dichtungsanordnungen können mit
geringen Toleranzen eingehalten werden. Eine Fixierung der Bürstendichtung 16 innerhalb
des Stators 11 ist mit einfachen Mitteln möglich.
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Obwohl
das oben beschriebenen Prinzip der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung bei
allen Bürstendichtungen
verwendet werden kann, ist die Erfindung besonders vorteilhaft dann
einsetzbar, wenn Bürstendichtungen
mit großen
Durchmessern realisiert werden sollen. So werden nämlich nach dem
Stand der Technik das Deckelement 21 bzw. ein entsprechender
Deckring sowie das Stützelement 20 bzw.
ein entsprechender Stützring
durch Drehen oder Tiefziehen hergestellt. Bei großen Durchmessern
ist eine Drehbearbeitung von Deckring und Stützring mit den erforderlichen
Toleranzen jedoch nur sehr schwierig möglich. Das Tiefziehen ist aufgrund
der bei großen
Durchmessern erforderlichen großen
Werkzeuge nicht mehr wirtschaftlich möglich. Daher werden erfindungsgemäß zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Bürstendichtungen
das Stützelement 20,
das Deckelement 21, das oder jedes Abstandselement sowie
die Bürstendichtungen
aus geraden Profilen gefertigt, die auf den gewünschten Radius gerundet werden.
Bei derartigen Profilen kann es sich zum Beispiel um Blechstreifen
oder um aus einer Blechplatte geschnittene Ringe handeln. Die auf
den gewünschten
Radius gerundeten Profile werden dann zur Herstellung der oben im
Detail beschriebenen, erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung verwendet.
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Dies
hat den Vorteil, dass keinerlei Begrenzungen hinsichtlich der Größe des Durchmessers
der Dichtungsanordnungen bestehen. Weiterhin sind die Dichtungsanordnungen
kostengünstig
herstellbar. Im Vergleich zu gedrehten Bauteilen ergibt sich des
weiteren eine Gewichtsreduzierung für die Dichtungsanordnung.
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Es
sei noch darauf hingewiesen, dass bei den erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen
als Bürstendichtung 16 auch
eine sogenannte Hakenbürstendichtungen
verwendet werden können.
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- 10
- Dichtungsanordnung
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 13
- Bohrung
- 14
- Oberfläche
- 15
- Längsachse
- 16
- Bürstendichtung
- 17
- Borste
- 18
- Kernelement
- 19
- Klemmelement
- 20
- Stützelement
- 21
- Deckelement
- 22
- Aufnahmeraum
- 23
- Abstandselement
- 24
- Abstandselement
- 25
- Passelement
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Befestigungselement
- 28
- Ausnehmung
- 29
- Nut
- 30
- Dichtungsanordnung
- 31
- Abstandselement
- 32
- Dichtungsanordnung
- 33
- Dichtungsanordnung
- 34
- Dichtungsanordnung
- 35
- Distanzelement
- 36
- Nut
- 37
- Distanzelement
- 38
- Nut
- 39
- Distanzelement
- 40
- Nut
- 41
- Vorsprung