DE19527781C1 - Bürstendichtung für Turbomaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bürstendichtung für Turbomaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bürstendichtungen der genannten bekannten Art (DE 39 07 614 A1 und US 51 06 104) kommen bei Turbo­ maschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, zum Einsatz, um fluidisch unter­ schiedlich druckbeaufschlagte Räume an Umfangsspalten, z. B. zwischen einem Ma­ schinengehäuse und dem Rotor oder einer Maschinenwelle, mit möglichst geringem Leckfluß gegeneinander abzudichten. Dabei sollen z. B. aus Rotorunwuchten resultie­ rende exzentrische Rotor- oder Wellenpositionen relativ zum Gehäuse durch eine ela­ stische und bewegliche Borstennachführung ausgeglichen werden können.

Wesentlicher Mangel zur genannten wie auch zu anderweitig bekannten Bürstendich­ tungen ist es, daß als Folge der Wellenrotation die Borsten der Bürstendichtung einer rotierenden Wirbelströmung ausgesetzt sind, die sich auf die Form und die gewollte geometrische Anordnung der Bürste, und somit auf die Dichtwirkung negativ auswirkt. Besonders negativ wirkt sich die Wirbelströmung auf die örtliche Position der freien einen Enden der Borsten aus, die gegenüber den Enden von Führungsstegen in Rich­ tung auf die Rotor- oder Wellenoberfläche vorstehen. Eine zuverlässige, leckagearme Primärdichtung ist somit nicht gewährleistet. Die genannte Wirbelströmung und deren nachteilhafte Folgen sind auch an der Niederdruckseite der Dichtung nicht auszu­ schließen. Außerdem kann die Entstehung individueller und besonders ausgeprägter Wirbelarten und -Geometrien durch spezielle wellenseitige Oberflächengeometrien und -anbauten (Schrauben, Sicken, Abstufungen) zusätzlich begünstigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bürstendichtung nach der eingangs genannten Gattung anzugeben, die im Hinblick auf eine von der Welle hervorgerufene rotierende Wirbelströmung bzw. Wirbelausbildung die Aufrechterhaltung von Form und Geometrie der Borsten zwecks optimaler Abdichtung gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentan­ spruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Durch die Erfindung kann eine im Raum höheren Druckes, vor der Einrichtung der Dichtung, vom rotierenden Rotor erzeugte rotierende Wirbelströmung weitestgehend aufgelöst und im wesentlichen bezüglich ihres ursprünglichen Energieinhaltes aufge­ zehrt werden. Aus der Wirbelströmung fließt somit ein wesentlicher Teil nunmehr schon relativ beruhigten Fluids in den axialen Ringkanal vor der Dichtung (Borstenbün­ del) ab, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, z. B. Luft, erhöht wird, bei zugleich damit einhergehender Druckabsenkung im axialen Ringkanal, relativ zum höheren Druckniveau, das im Raum bzw. Ringraum vor der Einrichtung herrscht. Der axiale Ringkanal stellt eine zusätzliche "Beruhigungsstrecke" für das aus dem Raum höheren Druckes gegen das Borstenbündel abfließende Fluid dar. Ein übriger Anteil aus der rotierenden Wirbelströmung fließt zwecks der genannten Wirbelberuhigung bzw. -auflösung seitlich in die Einrichtung ab und strömt im wesentlichen in radialer Richtung längs der radial inneren Umfangsfläche der Einrichtung in den axialen Ring­ spalt ab.

Gemäß Anspruch 2 kann es sich bei der Einrichtung vorteilhafterweise um einen porös kanalisierten Ringkörper handeln.

Bei der Erfindung sind die Borsten eines Borstenbündels über den jeweils größeren Teil ihrer Längenerstreckung hinweg zwischen axial beabstandeten Stegen geführt und gegenüber den Druckräumen abgeschirmt. Der in Anspruch 1 erwähnte Axial­ spalt S, kann von kleinerer Spaltweite - als später durch die Figuren verdeutlicht - aus­ geführt werden und im wesentlichen mit ca. einem Zehntel der maximalen Breite des Borstenbündels bemessen werden. Dieser Axialspalt S verhindert eine örtliche Ein­ zwängung der Borsten zwischen den beiden Stegen und gewährleistet ein benötigtes Mindestspiel der Borsten in Umfangs- und axialer Richtung. Außerdem kann über diesen Axialspalt eine umfänglich gleichförmige Fluiddruckverteilung an der stromauf liegenden Umfangsseite des Borstenbündels erzielt werden.

Eine vorteilhafte Einrichtung, die sich mit Anspruch 2 aus Anspruch 3 ergibt, besteht aus einem metallischen Schwamm, dessen poröse Struktur der Wirbelaufzehrung wie aber auch der Führung des Fluids durch den Ringkörper hindurch in Richtung auf den axialen Ringkanal angepaßtwerden kann. Der Schwamm kann aus einem metalli­ schen Leichtbaumaterial, z. B. einem Titan-Aluminid mit globularer Zellstruktur, gefer­ tigt sein. Er kann auch hohlkugelartig in mehreren Sinterschritten aus einer intermetal­ lischen Verbindung oder deren Legierungen gefertigt werden. Durch die Hohlkugel­ struktur kann die Porosität bzw. eine entsprechende Kanalisierung bei der Fertigung berücksichtigt werden.

Gemäß Anspruch 4 kann eine weitere vorteilhafte Einrichtung von einem honigwaben­ artig aufgebauten Ringkörper dargestellt werden, wobei radiale (Anspruch 5) oder axiale (Anspruch 6) oder kombinierte axiale, radiale und örtlich miteinander fluidisch verbundene Kanäle über die Wabenstruktur ausgebildet bzw. in diese integriert sein können (Anspruch 8). Gemäß Anspruch 7 können die axialen Kanäle an den von der Hochdruckseite abgewandten Enden in einen Umfangsspalt münden, der mit dem axialen Ringkanal in Verbindung steht.

Insbesondere unter Anwendung eines weiteren Metallschwamms für die Einrichtung kann eine erhöhte Dichtwirkung im Rahmen einer Mehrstufen-Druck-Dichtung nach Anspruch 12 erzielt werden. Etwa noch vorhandene Restwirbel in der Strömung stro­ mab der ersten Dichtung können so vor der zweiten Dichtung auf jeden Fall komplett beseitigt werden.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung im Rahmen bereits dargelegter und übriger weiterer Ausgestaltungen in Beispielen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt der Bürstendichtung in Zuordnung zum jeweils abge­ brochen dargestellten Maschinenstator und -rotor und mit der stromauf der Bür­ stendichtung befindlichen Einrichtung, hier als Metallschwamm zur Auflösung der Wirbelströmung in erster Ausführungsform,

Fig. 2 einen Axialschnitt der Bürstendichtung mit entsprechender Zuordnung von Maschinenstator und -rotor grundsätzlich im Sinne der Fig. 1 ausgebildet, hier mit einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung stromauf der Dichtung, ebenfalls als Metallschwamm mit relativ geringer Porosität ausgebildet und mit axialen Bohrungen im rechten Mantelteil,

Fig. 3 im Axialschnitt und unter Fortlassung des Maschinenstators dargestellt, eine dritte Variante der Einrichtung stromauf der Bürstendichtung als waben­ artig strukturierten Ringkörper ausgebildet und mit radialen und axialen Kanälen versehen,

Fig. 4 unter Fortlassung des Rotors eine Ansicht gemäß Blickrichtung A der Fig. 3,

Fig. 5 als Axialschnitt unter Fortlassung des Maschinenstators dargestellt, eine vierte Variante der Einrichtung, stromauf der Bürstendichtung als waben­ artig strukturierter Ringkörper, hier jedoch mit axialen Durchströmkanälen ver­ deutlicht,

Fig. 6 eine Ansicht gemäß Blickrichtung B der Fig. 5, worin der über dem Um­ fang gleichförmige, im Drehsinne D des Maschinenrotors schräge Anstellwinkel der Borsten verdeutlicht ist,

Fig. 7 unter Fortlassung des Maschinenstators einen Axialschnitt der Bürsten­ dichtung mit einer stromauf der Dichtung fünften Einrichtung als axialer Ring­ flansch, an einem Steg und mit radialen Bohrungen im Ringflansch, die den Raum R1 höheren Druckes mit dem axialen Ringkanal 15′ verbinden und

Fig. 8 unter Fortlassung des Maschinengehäuses eine im Axialschnitt darge­ stellte mehrstufige Druckdichtung als Bürstendichtung mit zusätzlichem Metall­ schwamm zwischen zwei axial mit Abstand angeordneten Einzelbürstendich­ tungen.

Fig. 1 zeigt eine Bürstendichtung für eine Turbomaschine, insbesondere für ein Gas­ turbinentriebwerk. Die Bürstendichtung soll zwischen einem Maschinengehäuse 1 und der Oberfläche eines koaxial im Gehäuse drehbar gelagerten Maschinenrotors 2 einen Umfangsspalt an fluidisch unterschiedlich druckbeaufschlagten Räumen R1, R2 ab­ dichten. Es ist dabei der Fluiddruck P1 im Raum R1 höher als der Fluiddruck P2 im Raum R2. Der primäre Leckfluß in der Dichtung ist durch den Pfeil F charakterisiert. Am Maschinenstator 1 ist für ein Borstenbündel B eine Halterung 3 vorgesehen. Von der Halterung 3 aus ist das Borstenbündel B zwischen im wesentlichen parallelen und relativ zur Rotoroberfläche senkrecht stehenden Stegen 4, 5 abdichtend gegen die Rotoroberfläche geführt. Auf der dem Raum R2 niedrigeren Druckes P2 zugekehrten Seite tangiert des Borstenbündel B die betreffende eine Innenfläche des Steges 4; auf der anderen, dem Raum R1 höheren Druckes P1 zugekehrten Seite bildet das Bor­ stenbündel B gegenüber der Innenfläche des Steges 5 einen Axialspalt S in Umfangs­ richtung aus.

Das Borstenbündel B ist über eine Halterung 3 am Maschinengehäuse 1 angeordnet. Das Borstenbündel B ist dabei mit einem im wesentlichen u-förmig um einen Kern­ ring 7′ umgebogenen Abschnitt von einem Klemmrohr 8′ gefaßt. Letzteres weist einen Umfangsschlitz für das Borstenbündel B auf. Radial innen sitzt das Klemmrohr 8′ fest in einem einseitig offenen Ringraum 9′, der von zwei die Umfangsstege 4, 5 enthalte­ nen Gehäuseteilen ausgebildet ist. Beide Gehäuseteile mit den Stegen 4, 5 sind in einer Umfangsnut verklemmt und gehalten. Die Umfangsnut wird ausgebildet von einer abgestuften Aufweitung 10′ des Maschinengehäuses 1 auf einen größeren In­ nendurchmesser sowie von der axialen Endfläche eines Ringbauteils 11′; letzteres ist längs der Linien L, L′ mit dem Maschinengehäuse 1 verschraubt. Diese angegebene Befestigungsart der Bürstendichtung am Gehäuse kann sinngemäß bei allen übrigen nachstehend behandelten Ausführungsbeispielen angewendet werden.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht nun darin, daß stromauf der Bürstendich­ tung hier die Einrichtung 7 zwecks Auflösung einer vom Maschinenrotor 2 verursach­ ten Wirbelströmung W angeordnet ist.

Grundsätzlich besteht die Einrichtung 7 gemäß Fig. 1 aus einem strömungsdurch­ lässig strukturierten Ringkörper 11, der zusammen mit dem Ende des einen Steges 5 gegenüber der Rotoroberfläche einen axialen Ringkanal 15′ einschließt, der vor den Borsten mit dem Axialspalt S in Verbindung steht. Grundsätzlich ist ferner der in Fig. 1 dargestellte Ringkörper 11 als Metallschwamm ausgebildet, der eine verhältnismä­ ßig geringe Porosität aufweist. Grundsätzlich stellt sich ferner die Funktion der Erfin­ dung wie folgt dar.

Dem Ringraum R1 vor der Einrichtung wird Luft unter Druck gemäß Pfeilrichtung P in der angegebenen Schräglage zugeführt. Insbesondere als Folge einer aus umfäng­ lichen Schraubenköpfen K resultierenden Ausbildung eines Rotationswirbels würde normalerweise die Spaltströmung gemäß Pfeil N derartig stark verwirbelt, daß keine ordnungsgemäße Lage der Borsten des Borstenbündels B mehr möglich wäre. Aus dem Gebiet des Rotationswirbels W fließen nun gemäß der Erfindung Anteile gemäß Pfeil H seitlich vorn in den Ringkörper 11 ab und strömen dann gemäß Pfeilrichtung an der inneren Umfangsfläche des Ringkörpers 11 in den axialen Ringkanal 15′ ab. Ge­ mäß Pfeil M strömt der wesentliche Fluidanteil aus dem prinzipiell schon beruhigten Wirbelstromgebiet W vorne axial in den axialen Ringkanal 15′ ab. Innerhalb des axia­ len Ringkanals 15′ erfolgt eine weitere Beruhigung der Dichtfluidströmung, so daß die Strömung gemäß Pfeil N stromauf der Borsten der Bürstendichtung beruhigt ist; die zuvor genannten Schraubenköpfe K sind drehfest mit dem Maschinenrotor 2 verbun­ den.

Wie Fig. 1 zeigt auch Fig. 2, daß der als Metallschwamm ausgebildete Ringkörper 12 von zwei Teilen 21, 22 einer Ummantelung zumindest teilweise umgeben ist. Es weist gemäß Fig. 2 der eine Teil 22 der Ummantelung längs der hochdruckseitigen Endfläche dieses Ringkörpers 12 axiale Durchgangsöffnungen 23 auf. Diese axialen Durchgangsöffnungen 23 sind örtlich an die strömungsdurchlässige Innenstruktur des porösen Ringkörpers 12 angeschlossen. Im übrigen zeichnet sich der in Fig. 2 darge­ stellte Ringkörper 12 gegenüber demjenigen (11) nach Fig. 1 durch eine vergleichs­ weise geringere Porosität aus. Im übrigen ist die zuvor zu Fig. 1 beschriebene grund­ legende Funktion hinsichtlich der Entstehung des Rotationswirbel W und dessen Ab­ baus sinngemäß auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 praktikabel.

Gemäß Fig. 3 und 4 besteht der Ringkörper 13 der Einrichtung aus einer honigwa­ benartig aufgebauten Kanalstruktur, wobei radiale Kanäle mit 15 und hilfsweise mög­ lich vorgesehene axiale Kanäle mit 18 bezeichnet sind. Im Beispiel der Fig. 3 und 4 weist also der Ringkörper axiale und radiale Kanäle 18, 15 auf, die in relativ zueinander abgewinkelter Lage fluidisch untereinander verbunden sind. Die radialen Kanäle 15 münden auf der einen Seite in den axialen Ringkanal 15′ und die axialen Kanäle 18 stehen auf der einen Seite mit dem Raum R1 höheren Fluiddruckes P1 in Verbindung. Zwecks Eliminierung des schädlichen Rotationswirbels W ist insoweit die Einrichtung mit dem Ringkörper 13 nach Fig. 3 und 4 mit der Einrichtung nach den Fig. 1 und 2 praktisch identisch.

Bei der Einrichtung 9 nach Fig. 5 und 6 ist ebenfalls ein ringförmiger, wabenartig strukturierter Körper 14 vorgesehen, der hier jedoch ausschließlich von rechts nach links von axialen Kanälen 16 durchsetzt ist. Anteile des Rotationswirbels fließen somit in Fig. 5 in axialer Richtung gemäß Pfeilen R durch die axialen Kanäle 16 hin­ durch, und zwar enden die axialen Kanäle 16 auf der Niederdruckseite des Ringkör­ pers 14 in einem Umfangsspalt 17. Dieser Umfangsspalt 17 ist zwischen der betreffen­ den einen niederdruckseitigen Fläche des Ringkörper 14 und dem stromauf des Bor­ stenbündel B angeordneten einen Steg 5 ausgebildet. Auf der dem Rotor 2 zugekehr­ ten Seite steht der Umfangsspalt 17 mit dem gegenüber der Rotoroberfläche sich erstreckenden axialen Ringkanal 15′ in Verbindung.

Die wabenartige strukturierte Kanalführung nach Fig. 3-6 hat ferner den Vorteil, daß über die mehreckigen Kanalstrukturen eine gezielte Kantenbrechung der von den betreffenden Einrichtungen aufgenommenen Wirbel-Luftströmung W erzielt wird.

Fig. 7 veranschaulicht eine Einrichtung 10, die zumindest zusammen mit dem einen Steg 5 einstückig gefertigt ist. Gemäß Fig. 7 ist also der eine Steg 5 der Bürstendich­ tung stromauf in der Art eines Ringflansches 19 axial verlängert. Der Ringflansch 19 befindet sich in radialem Abstand zur Rotoroberfläche und bildet dabei gegenüber der betreffenden Rotoroberfläche ebenfalls einen radialen Ringkanal 15′ aus. Dabei steht der axiale Ringkanal 15′ stromauf der Borsten des Borstenbündels B mit dem Axial­ spalt S in Verbindung. Ferner weist der Ringflansch über dem Umfang verteilte radiale Durchgangsbohrungen 20 auf. Der vorm als schon erwähnte Rotationswirbel W wird also auch bei diesem Ausführungsbeispiel weitestgehend eliminiert bzw. zerstört, in­ dem Anteile aus dem rotierenden Wirbelstrom gemäß Pfeilrichtung H über die radialen Bohrungen 20 in den axialen Ringspalt 15′ abfließen.

Fig. 8 verkörpert eine Mehrstufen-Druckdichtung mit zwei axial mit Abstand am Ma­ schinenstator 1 gehaltenen Borstenbündeln B, B′. Zwischen zwei axial mit Abstand einander zugekehrten Gehäuseteilen mit den Stegen 4, 5′ der ersten und zweiten Dich­ tung ist dabei ein weiterer Ringkörper 25 angeordnet, der hier beispielsweise als Me­ tallschwamm ausgebildet ist. Zwischen den beiden axialen Stirnflächen des weiteren Metallschamms 25 und den Stegen 4, 5′ für die Borsten der ersten und zweiten Dich­ tung sind Umfangsspalte 26, 27 belassen, die in einen weiteren axialen Ringkanal 28 münden. Der weitere axiale Ringkanal 28 bildet axial zwischen den betreffenden einen Enden beider Bürstenbündel B, B′ einen weiteren Druckraum aus. Ferner sind gemäß Fig. 8 die radialen Spaltweiten der axialen Kanäle 15′ und 28 identisch.

Claims (13)

1. Bürstendichtung für Turbomaschinen zur Abdichtung von unterschied­ lich druckbeaufschlagten Räumen (R1, R2) an einem Umfangsspalt, insbesondere zwischen einem Maschinenstator (1) und einem Maschi­ nenrotor (2), worin am Maschinenstator (1) für ein Borstenbündel (B) der Bürstendichtung eine Halterung (3) vorgesehen ist, von der aus das Borstenbündel (B) zwischen Umfangsstegen (4, 5) abdichtend gegen den Maschinenrotor (2) geführt ist und gegenüber dem einen, der Hochdruckseite zugekehr­ ten Steg (5) einen Axialspalt (S) in Umfangsrichtung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Bürstendichtung eine Einrichtung (6; 7; 8; 9; 10) zur Auflösung einer vom Maschinenrotor (2) verursachten Wirbelströmung angeordnet ist.

2. Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung von einem im wesentlichen einseitig gegenüber dem Fluid im Raum (R1) höheren Druckes (P1) offenem und zumindest partiell strömungsdurchlässig strukturierten Ringkörper (11, 12, 13, 14) ausge­ bildet ist, der zusammen mit dem Ende des einen Steges (5) gegenüber der Rotoroberfläche einen axialen Ringkanal (15′) einschließt, der vor den Borsten mit dem Axialspalt (S) in Verbindung steht.

3. Bürstendichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (11, 12) als Metallschwamm ausgebildet ist.

4. Bürstendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (13, 14) honigwabenartig ausgebildet ist.

5. Bürstendichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (13) von der Wabenstruktur ausgebildete, radiale Kanäle (15) aufweist.

6. Bürstendichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper (14) von in der Wabenstruktur enthaltenen axialen Kanälen (16) durchsetzt ist.

7. Bürstendichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (16) auf der einen Seite des Ringkörpers (14) in einen Umfangsspalt (17) münden, der zwischen der betreffenden einen Ring­ körperseite und dem stromauf des Borstenbündels (B) angeordnetem einen Steg (5) ausgebildet ist und der mit dem gegenüber der Rotor­ oberfläche sich erstreckenden axialen Ringkanal (15′) in Verbindung steht.

8. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (13) axiale und radiale Kanäle (18; 15) aufweist, die in relativ zueinander abgewinkelter Lage fluidisch untereinander verbunden sind, wobei die radialen Kanäle (15) auf der einen Seite in den axialen Ringkanal (15′) münden und die axia­ len Kanäle (18) auf der einen Seite mit dem Raum (R1) höheren Fluid­ druckes (P1) in Verbindung stehen.

9. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10) zumindest zusam­ men mit dem einen stromauf des Borstenbündels (B) angeordneten Steg (5) einstückig gefertigt ist.

10. Bürstendichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Steg (5) der Bürstendichtung stromauf in der Art eines Ringflan­ sches (19) axial verlängert ist, der in radialem Abstand zur Rotorober­ fläche einen axialen Ringkanal (15′) ausbildet, der stromauf der Borsten mit dem Axialspalt (S) in Verbindung steht und über dem Umfang ver­ teilte radiale Durchgangsbohrungen (20) aufweist.

11. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 so­ wie 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (12; 13) au­ ßen und längs beider axialer Stirnflächen zumindest teilweise von einer zweiteiligen Ummantelung (21, 22) umgeben und an dieser gehalten ist, wobei der eine Teil (22) der Ummantelung längs der hochdruckseitigen Endfläche des Ringkörpers (12; 13) axiale Durchgangsöffnungen (23; 24) aufweist, die örtlich an die strömungsdurchlässige Innenstruktur oder unmittelbar an die einseitigen Enden der axialen Kanäle (18) ange­ schlossen sind.

12. Bürstendichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrstufendruckdichtung mit zwei axial mit Abstand am Maschinenstator (1) gehaltenen Borstenbündeln (B, B′) vorgesehen ist, worin zwischen zwei axial mit Abstand einander zugekehrten Gehäuseteilen mit den Stegen (4, 5′) der ersten und zwei­ ten Dichtung ein weiterer Ringkörper (25), insbesondere als Metall­ schwamm, angeordnet ist.

13. Bürstendichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen beiden axialen Stirnflächen des weiteren Metallschwamms (25) und Stegen (4, 5′) für die Borsten der ersten und zweiten Dichtung Um­ fangsspalte (26, 27) belassen sind, die in einen weiteren axialen Ring­ kanal (28) münden, der axial zwischen den betreffenden einen Enden beider Borstenbündel (B, B′) einen weiteren Druckraum ausbildet.