DE69300621T2 - Dichtungseinrichtung zwischen Statorschaufelnstufen und einer Drehtrommel. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewährleistung der Dichtung zwischen Schaufelstufen und einer sich bezüglich diesen drehenden Trommel. Eine solche Vorrichtung ist in der FR-A-379 209 beschrieben. Sie kann insbesondere in Kompressoren von Flugzeugmotoren Verwendung finden.
• Solche Maschinen weisen einen Rotor in Form einer Trommel auf, den ein Stator umgibt, um mit diesen einen ringförmigen Gasflußstrom zu begrenzen. Dieser Strom wird durch bewegliche Schaufelstufen angetrieben, die sich mit dem Rotor drehen und mit festen Schaufelstufen abwechseln, die mit dem Stator verbunden sind und zur Verengung des Gasstroms nach dem Durchgang durch diesen quer durch die beweglichen Schaufeistufen, die zur Seite geneigt sind, dienen.
• Es ist festzuhalten, daß sich die festen Schaufeln nahezu über die gesamte Breite des Ringstroms erstrecken, um zu vermeiden, daß die Gase zwischen der Kante des Schaufelrands und dem Rotor entweichen, aber die Betriebsbedingungen des Motors und insbesondere die Temperaturen sind in verschiedenen Betriebsbereichen stark unterschiedlich und thermische unterschiedliche Ausdehnungen könnten ein Aufeinanderreiben des Rotors auf den Kanten der festen Schaufeln mit katastrophalen Folgen hervorrufen. Es muß daher ein Mindestspiel an dieser Stelle akzeptiert werden, was verhältnismäßig bedeutende Leistungsverluste zur Folge hat.
• Eine geeignete Konstruktion in einem effizient konstruierten Motor sollte bessere Ergebnisse dadurch erreichen, daß sie nahezu vollständig das Entweichen verhindert. Sie ist in Fig. 1 dargestellt. Die Kanten des Rands 2 der festen Schaufeln 1 jeder Stufe sind durch einen Ring 3 verbunden. Der um die Achse X drehende Rotor 4 ist somit aus einem Kranz 5 zusammengesetzt, dessen Erzeugende nahezu geradlinig ist, um eine Änhäufung an Vorbedingungen zu vermeiden, und auf dem kreisförmige Verdickungen 6 vorgesehen sind, die Ausnehmungen 7 aufweisen, die zur Aufnahme von Füßen 8 von beweglichen Schaufeln 9 geeignet sind. Ausnehmungen 10 erstrecken sich zwischen den aufeinanderfolgenden Verdickungen 6, und die Ringe 3 sind an ihrer Mündung bündig, um mit den Außenflächen 11 der Verdickungen 6 eine im wesentlichen ebene und durchgehende Fläche zu bilden, die ein gleichmäßiges Strömen in dem Strom gestattet. Der Boden jeder Ausnehmung 10 trägt Scheibchen 12, d. h. ringförmig in Richtung der Ringe 3 gerichtete Kanten, wobei letztere mit einem sich leicht abnutzenden Material 13 bedeckt sind, das eine Bienenwabenstruktur aufweisen kann. Die Höhe der Scheibchen 12 und die Dicke des Abnutzmaterials 13 sind so gewählt, daß die Scheibchen 12 auf dem Abnutzmaterial 13 schleifen und sich abschleifen, wenn der Motor sich dreht, so daß eine Labyrinthdichtung gebildet wird, bei der das Spiel sehr klein ist. Man sollte somit praktisch das gesamte Strömen von Gas durch die Ausnehmungen 10 verhindern können. In der Realität ist es dagegen anders, da aufeinanderfolgende Benutzungen der Maschine in immer etwas unterschiedlichen Bedingungen ausgeführt werden, insbesondere was die Position des Rotors bezüglich der festen Schaufeln 1 betrifft, und das Abreiben des Abnutzmaterials 13, schreitet fort, so daß das Spiel, das in der Labyrinthdichtung gebildet ist, vergrößert wird und somit Undichtigkeiten auftreten. Weiterhin rufen die durch die Ringe 3, die Verdickungen 6 und das Abnutzmaterial 13 in den Ausnehmungen 10 gebildete Hohlräume selbst ohne Undichtheiten Strömungsturbulenzen hervor. Diese Vorrichtung weist somit auch Nachteile auf.
• Die Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß die durch die Ringe getragenen Dichtungen sich bis zu den Querseiten der Ausnehmungen erstrecken. Genauer gesagt wird sie durch Schaufelstufen in einem ringförmigen Gasausflußstrom und einer Trommel gebildet, die teilweise den Strom begrenzt und sich bezüglich der Schaufeln um eine Achse dreht, die mit einer Längsrichtung des Stroms zusammenfällt, wobei die Schaufelstufen in Ringen enden, die in den ringförmigen Ausnehmungen der Trommel anliegen, die durch zwei Querseiten begrenzt sind, und die Ringe zwei ringförmige Nuten aufweisen, die jeweils eine Dichtung aufhehmen, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten in Richtung einer jeweiligen Querseite offen sind und mit Mitteln zum Drücken der Dichtungen aus den Nuten heraus und zum Andrücken an die Querseiten versehen sind.
• Diese Anordnung gestattet eine vollständige Dichtheit zwischen dem Ringstrom und den Ausnehmungen, die keine Ursache für Undichtheiten mehr darstellen können. Die Dichtungen liegen vorzugsweise so nahe wie möglich an den den Ringstrom begrenzenden Wänden, um dort nicht zu starke Variationen von Turbulenzerzeugungsabschnitten zu erzeugen. Sie sind durch Mittel wie beispielsweise Federn (insbesondere einer kreisförmigen Blattfeder) in Richtung der Querseiten mit einer ausreichend schwachen Kraft gedrückt, um ein übermäßiges Schleifen und entsprechende Abnutzung zu vermeiden, und eine ausreichende Nachgiebigkeit, so daß sich die Auswirkung von Längspositionsabweichungen zwischen den festen und den beweglichen Teilen nicht auswirken Was die radialen Abweichungen betrifft, so sind diese ohne jegliche Auswirkungen, da die Dichtung ganz einfach auf den Querseiten gleitet.
• Eine vorteilhafte Ausführungsart wird erhalten, wenn die Mittel zum Drücken der Dichtungen elastische Haarelemente sind, die zwischen den Dichtungsrädem eingeklemmt sind, die in den Nuten gleiten, und an denen die Dichtungen und der Boden der Nuten befestigt sind. Die weichen und elastischen Haarelemente können somit in einfacher Weise die Dichtungen bilden und sich bis zu den Querseiten erstrecken.
• Es sind bereits ringförmige und einer Längskraft unterworfene Dichtverbindungen in diesem technischen Bereich bekannt, aber es handelt sich um steife Dichtungen mit zwei konzentrischen Lippen, die eine Kammer festlegen, die mit einem Gas unter Druck versorgt werden muß, damit die Lippen nicht auf der Querfläche schleifen, vor der sie sich erstrecken. Somit sind bedeutendere Undichtheiten als bei der Erfindung unvermeidbar, und die Zuführung von Gas unter Druck für diese Dichtungen stellt eine teure Vorrichtung dar.
• Die Erfindung kann durch lösbare Anschläge ergänzt werden, die durch die Ringe getragen werden, um die Dichtungen in den Nuten in gewissen Betriebszuständen, insbesondere während der Testversuche des Motors, zu halten.
• Man kann weiterhin wahlweise zur besseren Einstellung der Position der Dichtungen und eine gleichmäßigere Belastung auf ihnen festlegen, daß die Ringe aus zwei gegeneinander in der Längsrichtung des Stroms beweglichen Teilen zusammengesetzt sind, wobei der eine an den Schaufeln befestigt ist und der andere die Nuten und die Dichtungen trägt.
• Nun wird die Erfindung genauer unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren beispielsweise beschrieben. Es zeigen.
• - Fig. 1 eine Dichtvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
• - Fig. 2 eine Detailansicht der Erfindung,
• - Fig. 3 und 4 zwei besondere Ausführungsarten der Erfindung, und
• - Fig. 5 eine andere bei der Erfindung verwendbare Dichtungsart.
• Die Ausnehmungen 10 der Fig. 2 weisen einen glatten und ebenen Boden ohne Scheibchen auf und sind durch zwei ebene und kreisförmige Querseiten 14 von Verdickungen 6 begrenzt. Man sieht den geraden (zylindrisch oder konischen) Kranz 5, der eine gute Ausgeglichenheit der Belastungen gewährleistet. Die Ringe 3 sind im wesentlichen durch Platten 16 gebildet, die sich vor den Ausnehmungen 10 und nahezu bis zu den Querseiten 14 erstrecken. Die festen Schaufeln 1 sind an ihren Außenseiten verbunden, und ihre Innenseiten tragen umgebogene Borde 15, die einen Teil der Ausnehmungen 10 bedecken und einstückig mit den Platten 16 oder mit diesen verschweißt sind. Die ursprüngliche Form der Borde 15 ist geradlinig und schräg, um sich ziemlich weit von den Platten 16 zu entfernen, wie es die Punktierungen zeigen; sie werden danach während dem Zusammenbau der Maschine verformt, um sich den Platten 16 zu nähern und mit diesen ringförmige Nuten 17 zu bilden, die sich in Richtung der Querseiten 14 öffnet. Die Nuten 17 nehmen jeweils einen Dichtungsträger 18 mit U-förmigem Querschnitt auf, der eine Ringdichtung 19 enthält, deren freies Ende über den Dichtungsträger 18 bzw. die Nut 17 hinausgeht, um gegen eine der Querseiten 14 zu schleifen. Dies wird durch Blattfedern 20 erhalten, die in die Nuten 17 zwischen ihrem Grund 22 und dem Boden 21 des Ringträgers 18 eingesetzt sind. Die von den Dichtungen 19 auf die Querseiten 14 ausgeübte Belastung wird durch die Abmessungen der Teile und die Steifheit der Federn 20 festgelegt. In der dargestellten Ausführungsart weisen die Platten 16 einen Längsrand 23 auf, der über den Längsrand 24 der Borde 15 hinausgeht. Wenn der Druck in dem Ringstrom stark ist, ist es ratsam, diese Beziehung umzukehren, damit die Borde 15 gut die Dichtungsträger 18 stützen.
• Bekannte Mittel wie ein lösbarer und in Bohrungen der Platten 16 eingesetzter Gewindestift, dessen Ende in eine Längsnut 28 eines Dichtungsträgers 18 eindringt, verhindert ein Drehen von diesen in den Nuten 17. Die Nuten 28 können ebenso als Längsanschlagsmittel dienen, um ein zu weites Herausgehen der Dichtungen 19 aus den Dichtungen 17 zu verhindern. Es genügt somit, ihre Länge zu begrenzen, damit der Gewindestift 27 gegen ihr Ende anschlägt.
• In der Praxis sind die Dichtungsträger 18, die Dichtungen 19 und die Blattfedern 20 in Sektoren aufgeteilt, um den Zusammenbau der Maschine zu gestatten. Die Abschnitte 25 zwischen Dichtungsträgem und Dichtungen sind daher bezüglich zu denjenigen 26 versetzt, die die Platten 16 trennen, um an diesen Stellen die Verbindungen zwischen dem Ringstrom und den Ausnehmungen 10 zu vermeiden. Andere Mittel und insbesondere andere Dichtungen sind zum Abdichten der Intervallabschnitte 26 zwischen den Sektoren von Ringen 3 möglich, die zwischen den Nutenpaaren 17 liegen. Die Dichtungen 19 können beispielsweise aus Kohlefaser, aus einem Verbundmaterial, aus Metallstreifen, mit Lamellen oder Bürsten sein. Andere bekannte Materialien sind möglich. Die Auswahl ist groß, da sie elastisch und mit begrenzten Bewegungsmöglichkeiten angebracht sind und daher nicht gegen die Querseiten 14 mit einer Kraft angedrückt sind, die sie vorzeitig abnutzen würde.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei weitere Ausführungsarten der Erfindung, bei denen die Ringe die Bezugszeichen 103 und 203 tragen. Sie bestehen aus zwei Abschnitten: ein Abschnitt 30, der mit festen Schaufeln 1 verbunden ist und ein Abschnitt 31, der die Borde 15 und die Dichtungen 19 trägt. Diese beiden Abschnitte 30 und 31 sind gegeneinander in Längsrichtung des Ringstroms beweglich. Dazu ist der zweite Abschnitt 31 mit Winkeln 32 versehen, die zwischen sich Gleitstangen 33 des ersten Abschnitts 30 halten, wobei sie den Gleitstangen 33 ein teilweises Eindringen und Herausgehen aus ihren Spalten gestatten. Zwischen den beiden Abschnitten 30 und 31 sind Füllungen 34 vorgesehen, um ein Drehen gegeneinander von diesen zu verhindern.
• Die Aufhahmen 110 sind hier tiefer und die Ringe 103 und genauer gesagt ihr erster Abschnitt 30 weisen eine größere Radialausdehnung auf, da die festen Schaufeln 1 schwenkbar angebracht sind, so daß ihre Neigung je nach Drehzahlbereich der Maschine verändert werden kann. Der Steuermechanismus der Neigung ist um die festen Schaufelstufen 1 herum angebracht und ist daher nicht in den Figuren gezeigt. Die Ringe 103 weisen samtlich Mittel auf, die ein Schwenken der festen Schaufeln gestatten. Die ersten Abschnitte 30 sind daher dementsprechend konstruiert und weisen eine Gleitbuchse 35 auf, die die Schwenkachse 36 der festen Schaufeln 1 umgibt. Unter diesen Bedingungen sind die Querseiten 114 des Rotors 104, auf denen die Dichtungen 19 schleifen, nicht in der unmittelbaren Nähe des Ringstroms vorgesehen, sondern in einer gewissen radialen Distanz zu diesen auf ringförmigen Vorsprüngen 37 und 38 mit einer radialen Ausrichtung, die je nach dem nach innen oder nach außen gerichtet werden können. Somit bestehen zwischen dem Ringstrom und den Dichtungen 19 sehr viel größere Volumina, aber die unerwünschten Ausströme und die Turbulenzen sind dort weitestgehend dank der dichten Abschlüsse vermieden, die dank der Dichtungen 19 erhalten sind.
• Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 ist etwas anders. Die Dichtungen 19 sind in der Nähe des Ringstroms vorgesehen, so daß der bewegliche Teil, der die Ringe 203 trägt, aus einer Innenplatte 40 und zwei Dichtungstragkränzen 41 zusammensetzt, die sich in der Höhe der Schwenkachse 36 erstrecken. Ein System zur Verschiebbarkeit des beweglichen Teils 39 bezüglich des festen Teils 42 der Ringe 203, nahezu genauso konstruiert wie der Abschnitt 30, gestattet es wiederum, Verformungen in der Maschine zur Schaffung einer gleichen Belastung an den beiden Dichtungen 19 zu kompensieren.
• In Fig. 5 sind Dichtungen einer anderen Bauart als die von Fig. 2 dargestellt, die diese ersetzen können. Die Federn 20 sind weggelassen und die Dichtungen 119 sind hier aus weichen Haarelementen zusammengesetzt, die an den Dichtungsträgem 118 befestigt sind, dessen einer Rand 121 auf den Querseiten 14 schleift und dessen anderer Rand 122 den Boden der Nuten 17 berührt (die Dichtung 19 des Beispiels von Fig. 2 könnte aus anderen Elementen und insbesondere aus durchgehenden Lippen aus einem flexiblen elastischen Material bestehen). Die Dichtungsträger 118 sind hier wiederum frei in den Nuten 17 verschiebbar. Die Vorteile dieser Anordnung sind eine noch bessere Dichtheit, eine leichtere Wahl der Andruckkraft der Dichtungen und eine größere Toleranz hinsichtlich axialen Verschiebungen zwischen dem Rotor und dem Stator der Maschine.
• Die Gasauströmungen durch das Innere der Nuten sind durch den Rand 122 eingeschnürt, der die Rolle der statischen Dichtung hat, womit es möglich ist, die Kompression der Haarelemente zu verringern, dadurch daß die gewünschte Länge ihrer Enden vor dem Anbringen in den Nuten 17 abgeschnitten wird, und die axialen Verschiebungen des Rotors in dem Stator sich auf den Dichtungen durch ein Verbiegen der Haarelemente auswirken, was je nach Bedeutung der Verbiegung eine die wenig verändernde elastische Belastung darstellt, im Gegensatz zu dem, was bei zahlreichen gewöhnlichen Federn abläuft. Die Bedeutung dieser Kraft hängt insbesondere von der freien Länge der Haarelemente an der Seite des Rands 122 ab.
• Ein Folge von letzterer Wirkung ist, daß der Kontaktdruck der Dichtungen 119 auf den Querseiten 14 gegenüber axialen Verschiebungen des Rotors in dem Stator wenig empfindlich ist, und das Risiko des Abbremsens des Motors durch die Dichtungen beträchtlich verringert ist, selbst wenn die Dichtungen 119 stark komprimiert sind.
• Diese verschiedenen Ausführungsformen können selbstverständlich Seite an Seite an verschiedenen Stufen des gleichen Geräts verwendet werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung bestehend aus Schaufelstufen (1) in einem ringförmigen Gasausflußstrom und einer Trommel (4,104), die teilweise den Strom begrenzt und sich bezüglich der Schaufeln (1) um eine Achse (X) dreht, die mit einer Längsrichtung des Stroms zusammenfällt, wobei die Schaufelstufen in Ringen (3,103,203) enden, die in den ringförmigen Verstärkungen der Trommel anliegen, die durch zwei Querseiten (14,114) begrenzt sind, und die Ringe zwei ringförmige Nuten (17) aufweisen, die jeweils eine Dichtung (19) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten in Richtung einer jeweiligen der Querseiten offen sind und mit Mitteln (20,122) zum Drücken der Dichtungen aus den Nuten heraus und zum Andrücken an die Querseiten versehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Herausdrücken der Dichtungen Blattfedern (20) sind, die sich am Grund (22) der Nuten (17) befinden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe lösbare Anschläge (27,28) zum Zurückhalten der Dichtungen (19) in den Nuten (17) tragen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten durch zwei Ränder (23,24) mit unterschiedlicher Höhe begrenzt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe umgebogene Borte (15) aufweisen, die sich in den Verstärkungen zur Bildung der Ränder der Nuten befinden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe aus zwei Abschnitten (30,31,39,42) gebildet sind, die gegeneinander in der Längsrichtung des Stroms beweglich sind, wobei der eine an den Schaufeln befestigt ist und der andere Nuten trägt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln drehbar auf den Ringen angebracht sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Drücken der Ringe weiche und elastische Haar-Elemente sind, die zwischen Dichtungsträgem (118), die in den Nuten (17) verschiebbar sind und an denen die Dichtungen (119) befestigt sind. und in den Gründen der Nuten (17) eingequetscht sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weichen und elastischen Haar-Elemente die Dichtungen (119) bilden und sich bis zu den Querseiten (14) erstrecken.