DE60213542T2 - Bürstendichtungselement - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Bürstendichtungselement.
• In vielen Fällen, in denen man eine Dichtung zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich in einem Fluidteil ausbilden möchte, der sich zwischen zwei insgesamt koaxialen Elementen erstreckt, von denen sich eines, gewöhnlich drehend, bezüglich des anderen bewegt, ist es bekannt, eine Dichtung dadurch auszubilden, dass eine Packung von Bürsten verwendet wird, die mit einer Trägerplatte verbunden sind, die sich im Wesentlichen über den Spalt zwischen den Elementen erstreckt, um die druckinduzierte Reflexion der Borsten zu begrenzen. Häufig reicht die Trägerplatte als solche nicht aus, um die Probleme zu überwinden, die sich aus der Bürstenbiegung ergeben. In der Mitte der 1990iger Jahre wurden Vorschläge entwickelt, einen lokalen Bereich mit höherem Druck zwischen den Borsten und der Trägerplatte entstehen zu lassen, um so den Druckabfall über dem Borstenpaket und somit die Neigung der Borsten zum Biegen zu verringern. Solche Vorschläge sind in der US-B1-6173962 deutlich beschrieben. Man sieht, dass die Borsten in einem merklichen Abstand von der Trägerplatte angeordnet sind, die an einem bestimmten Teil gekröpft oder auf andere Weise so ausgebildet ist, dass sie an dem unteren Rand der Borsten angreifen kann.
• Obwohl diese Ausführungen technisch ganz gut funktionieren, können sie in der Herstellung aufgrund der speziellen Maschinenanlage teuer sein, die erforderlich ist, um die Formträgerplatten zu bilden, weil ein Bereich von Formträgerplatten für in der Größe unterschiedlich bemessenen Dichtungen und unterschiedliche Druckumgebungen hergestellt werden und dem Hohlraum zugeführtes Fluid durch die Borsten hindurchgeführt werden muss. Die Ausbildung einer geeigneten Borstenanordnung, die eine gute Dichtung an den Enden der Borsten liefert, jedoch ein Einströmen in den Hohlraum ermöglicht, kann teuer und kompliziert sein.
• Nach einem Aspekt besteht die Erfindung aus einem Bürstendichtungselement zum Abdichten eines Bereichs mit hohem Druck gegenüber einem Bereich mit niedrigem Druck, wobei das Element eine Anordnung von Borsten und ein Abstützelement auf der geplanten Niederdruckseite der Dichtung aufweist, sich die Anordnung quer über eine Fläche des Abstütz elements erstreckt und sich das Bürstendichtungselement dadurch auszeichnet, dass die Fläche eben ist, dass die Anordnung nicht linear ist, wenn kein Druck anliegt, wodurch wenigstens ein Teil der Anordnung zu der Fläche einen Abstand hat und einen Hohlraum dazwischen erzeugt, und dass ein Fluidweg zum Zuführen von Druckfluid zu dem Hohlraum vorhanden ist, um im Einsatz eine Reduzierung des Druckabfalls über der Anordnung zu ermöglichen.
• Von dieser Anordnung können verschiedene Ausführungen erreicht werden. Beispielsweise kann sich die Nichtlinearität im Wesentlichen über der Länge der Anordnung erstrecken, so dass beispielsweise die Lager im Wesentlichen gekrümmt sein und zusätzlich oder alternativ die Anordnung so gehalten werden kann, dass sie von der Fläche aus divergiert, wenn kein Druck anliegt.
• Bei anderen Ausführungsformen kann die Nichtlinearität auf der Länge der Anordnung lokalisiert werden und die Nichtlinearität kann im Wesentlichen im Querschnitt dreieckig, quadratisch, rechteckig oder halbkreisförmig sein. Zweckmäßigerweise kann eine Vielzahl solcher Nichtlinearitäten auf der Länge der Anordnung vorhanden sein, die eine Vielfalt von Querschnitten haben können.
• Die Erzeugung von Hohlräumen durch Bilden verschiedener Nichtlinearitäten in der Borstenanordnung ist wesentlich billiger als Bereiche an den Abstützplatten ausbilden zu müssen, wobei diese Methode eine wesentliche Auslegungsfreiheit ergibt, so dass insbesondere dann, wenn die Bürstenelemente nebeneinander zur Bildung einer Dichtung angeordnet werden, die Leistung der Dichtung auf der Länge der Abdichtung dadurch eingestellt werden kann, dass verschiedene Nichtlinearitäten in entsprechenden Dichtungselementen ausgebildet werden. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Ausbildung von Nichtlinearitäten die örtliche Porosität der Bürstenanordnung so erhöht, dass im Einsatz Hochdruckfluid leicht in den Hohlraum eintreten kann, der zwischen den Borsten und der Platte gebildet wird, wobei dies ohne irgendeinen Verlust an Borstendichte an dem Dichtungsrand des Elements erreicht wird.
• Bei einigen Ausgestaltungen braucht der Hohlraum nicht geschlossen zu sein, wenn kein Druck angelegt ist, da der Druckabfall dazu verwendet werden kann, die Borstenanordnung in Eingriff mit der Abstützplatte zu bringen, um eine Hohlraumbegrenzung zu bilden.
• Wie vorstehend erwähnt, kann der Fluidweg wenigstens teilweise durch die Borstenanordnung gehen und befindet sich besonders bevorzugt an der Nichtlinearität oder angrenzend daran. Zusätzlich oder alternativ kann der Weg für das Druckfluid wenigstens teilweise von einer Umgehung gebildet werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung aus einem Bürstendichtungselement mit Borsten, die nichtlinear sind, wenn die Dichtung nicht druckbeaufschlagt ist.
• Die Erfindung kann auch eine Dichtungsanordnung mit einer Vielzahl der oben definierten Seite an Seite angeordneten Elemente aufweisen.
• Eine solche Anordnung kann Dichtungselemente aufweisen, die lineare Borsten haben, um Enddichtungen für eine Reihe von nichtlinearen Borstendichtungen zu bilden.
• Obwohl die Erfindung vorstehend definiert worden ist, umfasst sie natürlich jede erfindungsgemäße Kombination der Merkmale, wie sie vorstehend oder in der nachstehenden Beschreibung aufgeführt sind.
• Die Erfindung kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden und es werden nun spezielle Ausgestaltungen anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in denen
• 1 bis 8 Teilquerschnittsansichten durch entsprechende Ausgestaltungen von Bürstendichtungen der Erfindungen sind,
• 9 und 10 entsprechende Ansichten mit Druckumgehungsanordnungen sind,
• 11 eine schematische Ansicht einer Dichtungsanordnung ist, und
• 12 eine schematische Darstellung einer Einlageversion der Dichtung ist.
• Wie in 1 zu sehen ist, hat das Bürstendichtungselement, das insgesamt mit 10 bezeichnet ist, eine Abstützplatte 11, die so ausgelegt ist, dass sie in einen Spalt 12 zwischen einer feststehenden Hülse 13 und einer Welle 14 eingreift, sowie eine Borstenanordnung 15, die eine Packung aus Borstenlagen hat, die in der Hülse 13 durch einen Halter 16 gehalten sind.
• Zu erwähnen ist, dass die Borsten 15 nichtlineare Teile 17, 18 haben, die Hohlräume 19 und 20 zwischen der Anordnung 15 und der Platte 10 bilden. Wenn auf der linken Seite der Anordnung 15 ein hoher Druck auftritt, können sie gegen die Platte 20 gebogen werden, wobei jedoch die Nichtlinearitäten 17 und 18 die Hohlräume beibehalten. Tatsächlich wird der Druckabfall über der Anordnung verringert, da die Anordnung 15 durch Bildung der Vertiefungen 17 und 18 porös gemacht wird, so dass Hochdruckfluid in die Hohlräume 19 und 20 strömt. Vorzugsweise haben die Hohlräume eine geeignete Form und eine ausreichende Bemessung, um einen wesentlichen Druckausgleich oder einen Druckabfall von "Null" über der Anordnung 15 zu erreichen.
• 2 und 3 zeigen verschiedene Formen einer Nichtlinearität, die zur Bildung von unterschiedlichen Hohlraumformen verwendet werden kann.
• In 5 und 6 ist die Borstenanordnung 15 auf wenigstens einem wesentlichen Teil ihrer Länge nichtlinear und die Abstützplatte 11 ist bei 21 so abgeschrägt, dass die Krümmung dazu neigt, die Lage anfänglich von der Fläche 22 der Platte 11 wegzuführen. In 5 besteht ein Linieneingriff zwischen der Fläche 22 und der Anordnung 15, während in 6 sich die Anordnung auf einen im Wesentlichen linearen Teil 23 zurückkrümmt.
• In 7 hat die Nichtlinearität der Form einer Kröpfung und im drucklosen Fall stehen die Borsten im Wesentlichen weg von der Fläche 22. Wenn jedoch ein Druckabfall über der Abdichtung vorliegt, biegt sich der freie Endteil der Anordnung 15 zurück gegen die Fläche 22 und bildet eine Begrenzung des Hohlraums.
• 8 zeigt die Verwendung einer Trennplatte 24 auf der Hochdruckseite der Anordnung 15. Sie ist so ausgelegt, dass sie die Anordnung 15 von einer Turbulenz in dem Hochdruckfluid abschirmt. Natürlich kann eine solche Platte in Kombination mit jeder der vorgeschlagenen Ausgestaltungen verwendet werden.
• 9 und 10 zeigen, wie ein Hohlraum durch eine Umgehung 25 beschickt werden kann, die die Hochdruckseite oder eine andere Hochdruckquelle mit dem Hohlraum verbindet. In 9 geht die Umgehung durch die Abstützplatte 11 hindurch, während sie in 10 hinter der Platte verläuft und dann durch eine Öffnung in ihr hindurchgeht. Die zweite Anordnung ist vom Gesichtspunkt der maschinellen Herstellung einfacher.
• 11 zeigt, wie ein Längenstück der Dichtung 26 aus einer Anzahl der Elemente 10 hergestellt werden kann. In diesem Fall können die Endelemente 27, 28 gerade Borsten haben, so dass sie für die Dichtungsanordnung 26 effektive Endabdichtungen bilden.
• 12 zeigt, wie das Konzept an eine Einlagendichtung angepasst werden kann, wie sie beispielsweise in einen größeren Teil einer Gas- oder Dampfturbine eingepasst werden kann.
• Natürlich kann der Hohlraumquerschnitt entsprechend den Auslegungsausgestaltungen variiert werden und die Rückseite der Abstützplatte kann irgendeine geeignete Form haben.

Claims (16)

1. Bürstendichtungselement (10) zum Abdichten eines Bereichs mit hohem Druck gegenüber einem Bereich mit niedrigem Druck, wobei das Element (10) eine Anordnung (15) von Borsten und ein Abstützelement (11) auf der geplanten Niederdruckseite der Dichtung aufweist und sich die Anordnung (10) quer über eine Fläche des Abstützelements (11) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, – dass die Fläche (22) eben ist, – dass die Anordnung (15) nicht linear ist, wenn kein Druck anliegt, so dass wenigstens ein Teil der Anordnung (15) zu der Fläche (22) einen Abstand hat und einen Hohlraum (19) dazwischen erzeugt, und – dass ein Fluidweg zum Zuführen von Druckfluid zu dem Hohlraum (19) vorhanden ist, um im Einsatz eine Reduzierung des Druckabfalls über der Anordnung zu ermöglichen.
2. Element nach Anspruch 1, bei welchem sich die Nichtlinearität im Wesentlichen über die Länge der Anordnung (15) erstreckt.
3. Element nach Anspruch 2, bei welchem die Anordnung (15) gekrümmt ist.
4. Element nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die Anordnung (15) bezüglich des Abstützelements (11) so gehalten ist, dass sie von der Fläche (22) aus divergiert, wenn kein Druck anliegt.
5. Element nach Anspruch 1, bei welchem die Nichtlinearität auf der Länge der Anordnung lokalisiert ist.
6. Element nach Anspruch 5, bei welchem die Nichtlinearität im Schnitt im Wesentlichen dreieckig ist.
7. Element nach Anspruch 5, bei welchem die Nichtlinearität im Schnitt im Wesentlichen quadratisch oder rechteckig ist.
8. Element nach Anspruch 5, bei welchem die Nichtlinearität im Schnitt im Wesentlichen halbkreisförmig ist.
9. Element nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welchem eine Vielzahl von Nichtlinearitäten vorhanden ist.
10. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Hohlraum (19) nicht geschlossen ist, wenn kein Druck anliegt.
11. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Weg für das Fluid durch die Anordnung (15) in der Nichtlinearität vorhanden ist.
12. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Weg für das Druckfluid wenigstens teilweise von einer Umgehung gebildet wird.
13. Dichtungsanordnung mit einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Elementen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Anordnung nach Anspruch 13, welche weiterhin Dichtungselemente mit einer linearen Borstenanordnung aufweist, um Enddichtungen für eine Reihe von nichtlinearen Borstenlagendichtungen zu bilden.
15. Strömungsmaschine mit einer drehenden Welle und einem Bürstendichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Strömungsmaschine nach Anspruch 15 bestehend aus einer Gasturbine, einer Dampfturbine, einem Rotationskompressor oder einer Rotationspumpe.