DE60309769T2

DE60309769T2 - Bürstendichtung

Info

Publication number: DE60309769T2
Application number: DE60309769T
Authority: DE
Inventors: Mark E. Kennebunk Addis
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: DE60309769D1; EP1353097A2; EP1353097A3; EP1353097B1; US20030193146A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bürstendichtungen. Im Spezielleren bezieht sich die Erfindung auf Bürstendichtungen, die verminderte Freiräume aufweisen.
Eine Bürstendichtung beinhaltet eine Seitenplatte, eine Rückenplatte sowie Borsten zwischen den Platten. Gasturbinenmaschinen verwenden üblicherweise Bürstendichtungen, um zu verhindern, dass eine Sekundärströmung durch einen Spalt zwischen einem stationären Teil (zum Beispiel einem Diffusorgehäuse) und einem rotierenden Teil (zum Beispiel einer Turbinenwelle) entweicht. Bei dieser Anordnung behindern die Borsten der Bürstendichtung die Fähigkeit der Sekundärströmung zur Passage zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil. Die Borsten behindern die Sekundärströmung dadurch, dass sie sich von dem stationären Teil weg in den Spalt hinein sowie in Berührung mit dem rotierenden Teil erstrecken.
Die Rückenplatte der Bürstendichtung bleibt in einem Abstand von dem rotierenden Teil entfernt. Die Größe des Freiraums zwischen der Rückenplatte und dem rotierenden Teil hat direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Bürstendichtung. Eine Bürstendichtung mit einem größeren Rückenplatten-Freiraum ermöglicht die Passage einer größeren Menge der Sekundärströmung durch die Borsten. Eine Bürstendichtung mit einem kleineren Rückenplatten-Freiraum ermöglicht die Passage einer geringeren Menge der Sekundärströmung durch die Borsten.
Herkömmliche Bürstendichtungen haben tendenziell größere Freiräume. Obwohl sie weniger effizient sind, tragen diese größeren Freiräume dazu bei, dass die Bürstendichtung den Kontakt zwischen der Rückenplatte und der rotierenden Komponente während des Betriebs der Maschine vermeidet. Durch den Kontakt zwischen der metallischen Rückenplatte einer herkömmlichen Bürstendichtung und der metallischen rotierenden Komponente kann es zu Schäden der Bürstendichtung kommen. Zum Beispiel kann ein solcher Kontakt zwischen der Bürsten dichtung und der rotierenden Komponente zu Verschleiß bei der Rückenplatte führen. Durch Verschleißabrieb der Rückenplatte vergrößert sich der Freiraum zwischen der Bürstendichtung und der rotierenden Komponente.
Ein solcher Kontakt zwischen der metallischen Rückenplatte und der rotierenden Komponente kann auch zur Bildung von Graten an der Rückenplatte führen. Jegliche Grate, die an der Rückenplatte vorhanden sind, könnten die in der Nähe befindlichen Borsten einkerben oder durchschneiden. Je nach der Stärke der Beschädigung an den Borsten kann es zum Ausfallen eines gesamten Borstenpakets kommen.
Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, dass man die Bürstendichtung zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Komponente schweben lässt. Die Verwendung einer schwebenden Bürstendichtung erhöht jedoch die Komplexität sowie die Anzahl der Teile der Bürstendichtunganordnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer neuartigen und verbesserten Bürstendichtung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer effizienteren Bürstendichtung.
Ein weiteres Ziel der Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer Bürstendichtung, die mit einem reduzierten Freiraum gegenüber der rotierenden Komponente angeordnet werden kann.
Noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer Bürstendichtung, die nach Kontakt mit der rotierenden Komponente weniger Verschleiß zeigt.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer Bürstendichtung, die nach Kontakt mit der rotierenden Komponente weniger Beschädigung zeigt.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer Bürstendichtung, die nicht komplex ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten Ausführungsformen von dieser besteht zumindest in der Schaffung einer Bürstendichtung, die keine große Anzahl von Teilen aufweist.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung eine Bürstendichtung gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren eines Freiraums zwischen einer Bürstendichtung und einer Komponente, wie dieses in Anspruch 7 beansprucht ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Nutzen und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann unter Bezugnahme auf die Beschreibung und die Zeichnungen; darin zeigen:
1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer herkömmlichen Bürstendichtung, die mit einem Rotor zusammenwirkt;
2 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Bürstendichtung;
3a eine Detailansicht eines Bereichs der Bürstendichtung der 2;
3b eine Detailansicht einer alternativen Anordnung des Bereichs der 3a;
4 eine perspektivische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Bürstendichtung;
5 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer Bürstendichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Vergleichsdarstellung, in der nebeneinander die herkömmliche Bürstendichtung der 1 und die Bürstendichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine herkömmliche Bürstendichtungsanordnung 100. Die Anordnung 100 beinhaltet eine Bürstendichtung 101, die an einer ersten Komponente 103 starr angebracht ist (wobei es sich typischerweise um eine stationäre Komponente der Maschine handelt). Die Bürstendichtung 101 erstreckt sich von der ersten Komponente 103 weg, um mit einer zweiten Komponente 105 zusammenzuwirken (wobei es sich typischerweise um eine rotierende Komponente der Maschine handelt).
Die Bürstendichtung 101 beinhaltet eine Seitenplatte 107, eine Rückenplatte 109 sowie ein Borstenpaket 111 zwischen den Platten 107, 109. Die Platten 107, 109 sind aus geeigneten Legierungen hergestellt, wie zum Beispiel aus Inconel^® oder aus rostfreiem Stahl der Serie 400. Die Seitenplatte 107 kann eine Luftreibungsabdeckung 113 aufweisen. Typischerweise sind die Platten 107, 109 und das Borstenpaket 111 miteinander verschweißt.
Wie in 6 gezeigt ist, bleibt die Rückenplatte 109 der Borstendichtung 101 in einer Distanz d₁ von der zweiten Komponente 105 beabstandet. Die Distanz d₁ ist ausreichend um sicherzustellen, dass die metallische Rückenplatte 109 den Kontakt mit der metallischen zweiten Komponente 105 tendenziell vermeidet. Wie vorstehend beschrieben worden ist, trägt das Vermeiden eines Kontakts zwischen der Rückenplatte 109 und der zweiten Komponente 105 dazu bei, eine Beschädigung der Bürstendichtung 101 zu verhindern.
2 zeigt eine Bürstendichtungsanordnung 200. Diese Anordnung beinhaltet wiederum eine Bürstendichtung 201, die an einer ersten Komponente 203 starr angebracht ist. Die Bürstendichtung 201 erstreckt sich von der ersten Komponente 203 weg, um mit einer zweiten Komponente 205 zusammenzuwirken.
Ähnlich der herkömmlichen Bürstendichtung 101 beinhaltet die Bürstendichtung 201 eine Seitenplatte 207, eine Rückenplatte 209 und ein Borstenpaket 211 zwischen den Platten 207, 209. Die Seitenplatte 207 kann eine Luftreibungsabdeckung 213 aufweisen. Die Platten 107, 109 und das Borstenpaket 111 können unter Verwendung geeigneter Techniken, wie zum Beispiel Schweißen, aneinander befestigt sein.
3a zeigt eine detaillierte Darstellung des distalen Endes der Bürstendichtung 201. Bei der in den Zeichnungen dargestellten Anordnung handelt es sich bei dem distalen Ende der Bürstendichtung 201 um den Innendurchmesser der ringförmigen Bürstendichtung 201. Auf der Innenfläche der Rückenplatte 209 ist eine Beschichtung 215 unter Verwendung bekannter Techniken angeordnet. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Beschichtung 215 auf der Rückenplatte vor der Montage der Bürstendichtung 201.
Bei der Beschichtung 215 sollte es sich um ein Material handeln, das nicht die Tendenz hat, während eines Kontakts mit der rotierenden Komponente Grate zu bilden. Ferner sollte die Beschichtung 215 in der Lage sein, den höheren Temperaturen standzuhalten, die in der Sekundärströmung der Maschine auftreten. Eine geeignete Beschichtung 215 könnte einen niedrigen Reibungskoeffizienten und/oder eine niedrige Verschleißrate aufweisen. Beispielsweise könnte es sich bei der Beschichtung 215 um ein Fluorpolymer, wie zum Beispiel PTFE, handeln. Alternativ hierzu könnte es sich bei der Beschichtung 215 um ein abreibbares Metall handeln (siehe z. B. EP-A-0453315).
3b zeigt eine detaillierte Darstellung einer anderen Konfiguration des distalen Endes der Bürstendichtung 201. Anstatt der Beschichtung 215 der 3a ist an der Rückenplatte 209 ein Einsatz 217 unter Verwendung bekannter Techniken befestigt. Je nach dem Einsatzmaterial können solche Techniken eine Epoxy- Verbindung oder ein Hartlöten beinhalten. Die Rückenplatte 209 könnte eine Schulter 219 aufweisen, um einen entsprechend geformten Fortsatz 221 von dem Einsatz 217 aufzunehmen. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung des Einsatzes 217 mit der Rückenplatte vor der Montage der Bürstendichtung 201.
Bei dem Einsatz 217 könnte es sich wiederum um ein Material handeln, das sich der Bildung von Graten bei einer Berührung zwischen der Rückenplatte 209 und der rotierenden Komponente widersetzt. Ferner sollte der Einsatz 217 in der Lage sein, den erhöhten Temperaturen standzuhalten, die in der Sekundärströmung der Maschine auftreten. Wie vorstehend erläutert wurde, könnte ein Fluorpolymer wie PTFE verwendet werden. Darüber hinaus könnte der Einsatz 217 auch aus Kohlenstoff, Graphit oder gesinterten, imprägnierten Metallmatrixmaterialien hergestellt sein.
Die vorstehend beschriebenen alternativen Anordnungen werden vorzugsweise bei Bürstendichtungen verwendet, die die typische Borstenanordnung gemäß 2a aufweisen. Die nachfolgend beschriebenen alternativen Ausführungsformen werden vorzugsweise bei Bürstendichtungen verwendet, die eine Borstenanordnung aufweisen, wie diese in der europäischen Patentanmeldung Nr. 03250864.0 (EP-A-1335157) beschrieben ist.
4 zeigt eine Bürstendichtung 301. Die Bürstendichtung 301 ist an einer ersten Komponente (nicht gezeigt) starr angebracht und wirkt mit einer zweiten Komponente (nicht gezeigt) zusammen.
Die Bürstendichtung 301 beinhaltet eine Seitenplatte 307, eine Rückenplatte 309 und ein Borstenpaket 311 zwischen den Platten 307, 309. Das ringförmige Borstenpaket 311 (das auch als Borstenring bezeichnet wird) beinhaltet eine Mehrzahl von Borsten 323, die durch eine Verbindung 325 aneinander befestigt sind. Die Verbindung 325 wird beim Verschweißen der Legierungs-Borsten 323 (beispielsweise Kobalt) miteinander während eines früheren Montagevorgangs gebildet.
Die Platten 307, 309 beinhalten jeweils eine Nut 327, 329 zum Aufnehmen der Verbindung. Die Nuten 327, 329 verhindern vorzugsweise eine radiale Bewegung des Borstenpakets 311 während des Betriebs der Maschine, ohne dass ein Fest sitz erzeugt wird. Im Unterschied zu früheren Anordnungen ist die Rückenplatte 309 vollständig aus den vorgenannten Materialien hergestellt. Beispielsweise könnte die Rückenplatte 309 vollständig aus einem geeigneten Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder niedriger Verschleißrate hergestellt werden. Die Rückenplatte 309 könnte aus diesen Materialien unter Verwendung bekannter Techniken, wie zum Beispiel Spritzgießen, spanende Bearbeitung oder Extrudieren hergestellt sein.
Die Platten 307, 309 sind unter Verwendung geeigneter Techniken, wie zum Beispiel durch Epoxy-Verbinden oder Hartlötverbindung oder unter Verwendung von Nieten (nicht gezeigt) oder von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen (nicht gezeigt) aneinander befestigt. Die metallische Seitenplatte 307 trägt dazu bei, der Bürstendichtung 301 Steifigkeit zu verleihen. Wenn Steifigkeit nicht von Bedeutung ist, könnte die Seitenplatte 307 ebenfalls aus den vorgenannten Materialien hergestellt sein. Beispielsweise könnte die Seitenplatte 307 ebenfalls aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder niedriger Verschleißrate hergestellt sein. Vorzugsweise ist die Seitenplatte 307 aus dem gleichen Material gebildet wie die Rückenplatte 309.
5 zeigt eine Ausführungsform einer Bürstendichtung 401 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bürstendichtung 401 hat anstelle der separaten Seitenplatten und Rückenplatten der bereits beschriebenen Anordnungen, die nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, einen einstückigen Körper 431. Die Bürstendichtung 401 beinhaltet ebenfalls ein ringförmiges Borstenpaket 411, wobei die Borsten 423 durch eine Verbindung 425 aneinander befestigt sind. Der Körper 431 hält die Verbindung 425 und einen Bereich der Borsten 423 fest.
Der Körper 431 ist aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder niedriger Verschleißrate hergestellt, vorzugsweise aus Kunststoffmaterial. Der Körper ist auf das Borstenpaket 411 unter Verwendung bekannter Techniken aufgeformt.
6 veranschaulicht die Vorteile der vorliegenden Erfindung. Unter Verwendung geeigneter Materialien kann die Bürstendichtung der vorliegenden Erfindung die Rückenplatte in einer Distanz d₂ von der zweiten Komponente 105 posi tionieren. Die Distanz d₂ der vorliegenden Erfindung ist kleiner als die Distanz d₁ der herkömmlichen Bürstendichtungen mit ganz aus Metall bestehenden Rückenplatten. Die Distanz d₂ könnte etwa 10 bis 25% weniger betragen als die Distanz d₁ von herkömmlichen Bürstendichtungen. 6 zeigt die Dichtung der 2 lediglich zum Zweck der Erläuterung, wobei es sich versteht, dass diese Dichtung nicht in den Umfang der Erfindung fällt.
Der reduzierte Freiraum, den die Bürstendichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, trägt zur Steigerung der Effizienz bei. Die Effizienz der Bürstendichtung wird mit kleiner werdendem Spalt zwischen der Bürstendichtung und der rotierenden Komponente höher. Ein kleinerer Spalt behindert die Sekundärströmung in ihrer Fähigkeit, zwischen dem stationären und dem rotierenden Teil hindurch zu treten.
Der reduzierte Freiraum gemäß der vorliegenden Erfindung trägt auch dazu bei, das Umblasen der Borsten zu verhindern. Ein solches Umblasen tritt auf, wenn die Sekundärströmung beginnt, die Borsten in die Strömungsrichtung zu drängen. Die Borsten neigen dazu, sich unter die Rückenplatte zu wickeln. Ein solches Biegen der Borsten verursacht Spannungen bei den Borsten.
Da die vorliegende Erfindung einen reduzierten Freiraum aufweist, erstrecken sich kürzere Längen der Borsten in freitragender Weise von der Rückenplatte weg. Mit anderen Worten stützt die Rückenplatte der vorliegenden Erfindung eine größere Länge der Borsten ab. Diese Abstützung trägt dazu bei, dass die Borsten dem Druck der Sekundärströmung standhalten können. Als Ergebnis hiervon zeigen die Borsten tendenziell weniger Spannung.
Auch bei diesem reduzierten Freiraum zeigt die vorliegende Erfindung nicht die Schäden, die bei herkömmlichen Bürstendichtungen während des Kontakts mit der rotierenden Komponente auftreten. Die vorstehend genannten Materialien, wie zum Beispiel Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder niedriger Verschleißrate, bildet während eines derartigen Kontakts keine Grate. Da keine Grate vorhanden sind, verursacht die Rückenplatte kein Einkerben oder Zerschneiden der Borsten. Mit intakten Borsten besteht keine Tendenz, dass die Ef fizienz der Bürstendichtung nach einem Kontakt zwischen der Rückenplatte und der rotierenden Komponente Schaden nimmt.
Die vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit den Ausführungsformen in den verschiedenen Figuren erläutert worden. Es versteht sich, dass auch andere ähnliche Ausführungsformen verwendet werden können oder an der beschriebenen Ausführungsform Modifikationen und Hinzufügungen zum Ausführen der gleichen Funktion der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass man vom Umfang der Erfindung abweicht. Die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf eine einzige Ausführungsform zu beschränken, sondern in ihrem Umfang gemäß den beigefügten Ansprüchen zu interpretieren.

Claims

Bürstendichtung (401), aufweisend: eine Seitenplatte (307); eine Rückenplatte (309); und ein ringförmiges Borstenpaket (411) zwischen der Seitenplatte und der Rückenplatte, wobei das ringförmige Borstenpaket (411) eine Mehrzahl von Borsten (423) aufweist, die durch eine Verbindung (425) aneinander befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenplatte (307) und die Rückenplatte (309) um das ringförmige Borstenpaket (411) herumgeformt sind und aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder einem Material mit niedriger Verschleißrate gebildet sind.
Bürstendichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindung (425) eine Schweißverbindung ist.
Bürstendichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das ringförmige Borstenpaket (411) einen Borstenring aufweist.
Bürstendichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder niedriger Verschleißrate um Kunststoffmaterial handelt.
Bürstendichtung nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Material um PTFE handelt.
Bürstendichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bürstendichtung an einer ersten Komponente starr befestigbar ist.
Verfahren zum Reduzieren eines Freiraums zwischen einer Bürstendichtung und einer Komponente, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden einer Bürstendichtung (401) durch Herumformen einer Seitenplatte (307) und einer Rückenplatte (309) um einem Borstenring (411); Anordnen der Rückenplatte (309) in einer reduzierten Distanz von der Komponente; wobei die Seitenplatte (307) und die Rückenplatte (309) aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten oder niedriger Verschleißrate gebildet werden, das sich einer Gratbildung widersetzt, und wobei die reduzierte Distanz geringer ist als eine Distanz, die vorhanden wäre, wenn der Bereich der Rückenplatte (309) nicht aus dem genannten Material hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die genannte reduzierte Distanz zumindest ca. 10% geringer ist als die genannte Distanz.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Verbindung (425) die Borsten (423) aneinander befestigt.