DE69111128T2 - Bürstendichtungen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Bürstendichtung, die geeignet ist, eine Dichtung zwischen einer drehbaren Welle und einem mit einer Bohrung versehenen Gehäuse zu bewirken, durch die sich die Welle erstreckt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Bürstendichtung, die einen Basisabschnitt zur Anbringung an der Welle oder am Gehäuse, eine Anzahl von Borsten, die vom Basisabschnitt vorstehen, um entsprechend an einer Oberfläche des Gehäuses oder der Welle anzuliegen, und eine Verstärkungsplatte aufweist, die vom Basisabschnitt bis nahe an die Endbereiche der Borsten vorsteht und dazu ausgestaltet ist, die Borsten gegen ein Durchbiegen in einer im allgemeinen parallel zur Wellenachse auf die Verstärkungsplatte zulaufenden Richtung abzustützen. Eine Bürstendichtung und eine Bürstendichtungs-Anordnung gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 9 ist beispielsweise aus der US-A-4 202 554 bekannt.
• Es ist häufig erforderlich, eine gegen Fluide abdichtende Dichtung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse zu bewirken, das eine Bohrung hat, durch die sich die Welle erstreckt. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen solcher Dichtungen, und ein Maschinenkonstrukteur hat hinsichtlich der Betriebsbedingungen den am besten geeigneten Dichtungstyp auszuwählen.
• Bei einer Welle, die sich mit einer relativ hohen Drehzahl dreht, und beim Vorhandensein von unter Druck stehenden, heißen Gasen, wie dies beispielsweise bei einer Gasturbine oder einem Strahltriebwerk der Fall ist, wurden hinsichtlich der nicht zufriedenstellenden Eigenschaften einfacher Dichtungen mit z.B. einem ringförmigen synthetischen Elastomerdichtungsbauteil, das am Gehäuse angebracht und auf der Welle gelagert ist, zahlreiche Ausführungsformen von Bürstendichtungen entwickelt. Wie zum Beispiel in der US-A-4 202 554 beschrieben, weist eine Bürstendichtung eine Anzahl von feinen Borsten auf, die in einer am Gehäuse angebrachten Halterung befestigt sind, so daß die Endbereiche der Borsten an der Welle anliegen, um so mit dieser eine Dichtung auszubilden. Die Borsten können beispielsweise aus Bronze, einer Chromnickel-Legierung oder aus einem anderen Legierungsdraht bestehen.
• Bei einer Bürstendichtung, wie sie vorstehend beschrieben wird, die erforderlich ist, um einer beträchtlichen Druckdifferenz zu widerstehen, neigen die Borsten dazu, sich auf die Seite der Dichtung mit dem geringeren Druck zu verbiegen. Jede Verbiegung der Borsten in axialer Richtung vermindert die wirksame radiale hänge der Borsten, und somit können sich die Borstenspitzen von der Welle abheben, wodurch sich die Dichtungseigenschaften verschlechtern.
• Bei einem Versuch, die obengenannte Schwierigkeit zu minimieren, die stattfindet, wenn quer zur Dichtung eine bedeutende Druckdifferenz vorhanden ist, ist es bekannt, eine Bürstendichtung mit einer Verstärkungsplatte zu konstruieren, die so angeordnet ist, daß sie auf der Niederdruckseite der Dichtung in einer radial verlaufenden Ebene liegt und sich vom Basisabschnitt bis nahe an die Endbereiche der Borsten erstreckt. Die Verstärkungsplatte kann dann die Borsten abstützen, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, daß diese in axialer Richtung verbogen werden. Es ist jedoch nicht möglich, den Zwischenraum zwischen dem inneren Durchmesser der Verstärkungsplatte für die Borsten und der Welle auf einen sehr kleinen Wert zu reduzieren, da die Dichtung dann nicht in der Lage wäre, Änderungen der Abmessungen der Dichtung, der Welle und des Gehäuses aufzunehmen, die durch thermische und dynamische Spannungen verursacht werden. Da ein Kontakt zwischen der Verstärkungsplatte und der Welle einen schnellen und vollständigen Ausfall zumindest der Dichtungsanordnung verursachen würde, muß der Zwischenraum somit relativ groß sein, um sicherzustellen, daß die Möglichkeit eines solchen Kontaktes nicht besteht.
• Es ist eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bürstendichtung zu schaffen, die geeignet ist, um zwischen einem Gehäuse und einer Welle verwendet werden zu können, um zwischen diesen eine Dichtung zu bewirken, auch wenn die Dichtung einer relativ großen Druckdifferenz und möglicherweise auch hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
• Mit Blick auf das Obengenannte schafft diese Erfindung eine Bürstendichtung der beschriebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß an der Verstärkungsplatte abtragbares Material vorgesehen ist, das von der den Endbereichen der Borsten benachbarten Kante der Verstärkungsplatte in Richtung auf diese Endbereiche vorsteht, wobei das abtragbare Material angeordnet ist, um die Endbereiche der Borsten abzustützen und dazu dient, den Zwischenraum zwischen der Verstärkungsplatte und der Oberfläche bei einem Minimum zu halten.
• In der nachfolgenden Beschreibung dieser Erfindung wird lediglich auf eine Art von Bürstendichtung Bezug genommen, die zur Anbringung in einer Bohrung eines Gehäuses vorgesehen ist, wobei die Endbereiche der Borsten an einer Welle anliegen. Die Erfindung ist jedoch ebenso für eine Dichtung verwendbar, die zur Anbringung auf einer Welle vorgesehen ist, wobei die Ensbereiche der Borsten an einer geeigneten Fläche des Gehäuses anliegen, und in der folgenden Beschreibung sollen die Bezugnahmen auf "Welle" und "Gehäuse" so verstanden werden, daß sie sich auf jede Art von Dichtung beziehen, wobei diese Begriffe gegebenenfalls vertauscht werden können,
• Es ist offensichtlich, daß durch das Vorsehen von abtragbarem Material an der Verstärkungsplatte einer erfindungsgemäßen Dichtung zur Abstützung der Endbereiche der Borsten ein verbesserter Dichtungseffekt erreicht werden kann, da der Zwischenraum zwischen dem abtragbaren Material und der Welle bedeutend kleiner sein kann als der minimale Zwischenraum, der sicherheitshalber zwischen der Verstärkungsplatte und der Welle vorhanden sein muß, um so den abzudichtenden Spalt zu verkleinern. Es wird ebenfalls eine verbesserte Abstützung der Endbereiche der Borsten erreicht, wodurch deren Verbiegung vermindert und der Dichtungseffekt verbessert wird. Wenn durch die Spannungen während des Betriebes der Dichtung bewirkt wird, daß das abtragbare Material und die Welle miteinander in Kontakt kommen, wird das ausgewählte abtragbare Material sehr schnell abgetragen, ohne daß die Anordnung beschädigt wird, bis zwischen der Welle und dem Material im wesentlichen kein Zwischenraum mehr vorhanden ist; wobei bei nachfolgendem Wegfall der Spannung zwischen dem abtragbaren Material und der Welle für den sicheren Betrieb der minimal mögliche Zwischenraum vorhanden ist. Ein solcher Abrieb des abtragbaren Materials bei Kontakt mit der Welle verhindert den vollständigen Ausfall der Dichtung, so daß ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden kann.
• Das abtragbare Material ist vorzugsweise ein Material mit geringer Reibfestigkeit, wie beispielsweise 85% Nickel, 15% Graphit. Dieses kann zu einem Ring mit geeigneten Abmessungen ausgebildet und dann mit der Verstärkungsplatte verbunden werden. Alternativ kann das abtragbare Material in Form einer Beschichtung aufgebracht werden, die dann auf die erforderlichen Abmessungen endbearbeitet wird.
• Um die Kontaktfläche mit der Welle für den Fall zu minimieren, daß das abtragbare Material und die Welle miteinander in Kontakt kommen, hat die sich am nächsten an den Endbereichen der Borsten befindliche Fläche des abtragbaren Materials in axialer Richtung einen im Vergleich zum Querschnitt der Verstärkungsplatte vorzugsweise verminderten Querschnitt. Das kann erreicht werden, indem das abtragbare Material mit einem sich verjüngenden Profil versehen ist, wobei der näher an den Endbereichen der Borsten liegende Endabschnitt der Verstärkungsplatte ebenfalls ein sich entsprechend verjüngendes Profil haben muß, um mit dem Profil des abtragbaren Materials zusammenzupassen. Alternativ kann der näher an den Endbereichen der Borsten liegende Endabschnitt der Verstärkungsplatte ein Profil mit verringertem Querschnitt aufweisen, wobei das abtragbare Material einen konstanten Querschnitt hat, der dem Querschnitt entspricht, mit dem er am Ende der Verstärkungsplatte verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Verstärkungsplatte mehrere Vorsprünge hat, beispielsweise an ihrem näher an den Endbereichen der Borsten liegenden Endabschnitt, um so zwei Arme zu bilden, die sich im wesentlichen radial erstrecken, wobei die Enden jedes dieser beiden Arme mit abtragbarem Material versehen ist - in diesem Fall ist das abtragbare Material von den Endbereichen der Borsten beabstandet und dient nicht zur Abstützung der Endbereiche der Borsten.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bürstendichtung befinden sich die Borsten zwischen einer ringförmigen Basisplatte und der Verstärkungsplatte, wobei die Anordnung der Basisplatte, der Borsten und der Verstärkungsplatte auf geeignete Art und Weise miteinander verbunden ist, zum Beispiel durch Schweißen, Hartlöten oder mittels eines Klebers, wenn die Dichtung zur Verwendung für eine Anwendung bei geringer Temperatur vorgesehen ist. Um den Dichtungseffekt zu verbessern, können zwei oder mehrere solcher Dichtungen koaxial nebeneinander angeordnet werden, beispielsweise indem die Verstärkungsplatte einer Dichtung mit der Basisplatte der nachfolgenden benachbarten Dichtung verschweißt ist. Alternativ können die Dichtungen in einem Metallgehäuse mit einem geeigneten Profil zusammengeklemmt werden.
• Wenn eine Bürstendichtung verwendet wird, ist auf der Fläche der Welle, auf der die Endbereiche der Borsten aufliegen, normalerweise eine Reibfläche vorgesehen, die an das Material der Borsten der Bürstendichtung angepaßt ist. Beispielsweise kann eine solche Reibfläche eine Beschichtung aus Aluminiumoxid oder aus Chromkarbid umfassen. Eine solche Reibfläche kann dazu dienen, den Abrieb auf der Welle zu minimieren, wenn die Welle mit dem abtragbaren Material in Kontakt kommt.
• Anhand von Beispielen werden nun einige spezielle Ausführungsbeispiele der Bürstendichtung dieser Erfindung genau beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
• Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Bürstendichtung gemäß dieser Erfindung, die mit einer Welle in Beziehung steht, gegen welche die Dichtung wirkt;
• Figur 2 ist eine Querschnittsansicht eines zweites Ausführungsbeispiels einer Bürstendichtung gemäß dieser Erfindung;
• Figuren 3 und 4 sind ähnliche Ansichten wie in Figur 2, die aber das dritte bzw. das vierte Ausführungsbeispiel der Bürstendichtung darstellen; und
• Figuren 5 und 6 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele einer Mehrfach-Bürstendichtung dieser Erfindung.
• Zunächst auf Figur 1 bezogen, ist eine Bürstendichtung 10 dieser Erfindung gezeigt, die in einer in einem Gehäuse 12 vorgesehenen Bohrung 11 angebracht ist, wobei sich durch die Bohrung eine Welle 13 erstreckt, gegen welche eine Dichtung wirken soll. Die Bürstendichtung 10 enthält eine Vielzahi von Borsten 14, die sich normalerweise von einer Seitenfläche einer ringförmigen Basisplatte 15 radial nach innen erstrecken, wobei eine ringförmige Verstärkungsplatte 16 in paralleler Anordnung koaxial zur Basisplatte 15 vorgesehen ist und wobei sich die Borsten 14 zwischen den Platten 15 und 16 befinden. Die Anordnung der Borsten 14 und der Platten 15 und 16 wird durch eine ringförmige Schweißnaht 17 zusammengehalten, die sich um die Dichtung herum erstreckt.
• Die radial verlaufende innere Fläche 18 der Verstärkungsplatte 16 weist einen Ring 19 aus einem abtragbaren Material auf, der so befestigt ist, daß der Ring 19 normalerweise unmittelbar an die Verstärkungsplatte 16 angrenzt und radial nach innen in Richtung auf die Welle 13 vorsteht. Der Ring 19 aus abtragbarem Material hat eine Zusammensetzung aus normalerweise 85% Nickel und 15% Graphit und wird beispielsweise durch einen Klebstoff mit der Verstärkungsplatte 16 verbunden.
• Die Bürstendichtung 10 ist in einer in Bohrung 11 vorgesehenen Gegenbohrung 20 angeordnet und wird von einem Sicherungsring 22 gegen eine Schulter 21 in der Bohrung 11 gedrückt, so daß sie koaxial zur Welle 13 verläuft.
• Die Bürstendichtung 10 wird mit sehr engen Toleranzen gefertigt, so daß die Endbereiche 23 der Borsten 14 gerade auf der zylinderförmigen Oberfläche der Welle 13 aufliegen, wenn die Dichtung im Gehäuse 12 angebracht ist. Um die Reibung zwischen den Endbereichen der Borsten und der Welle zu minimieren, ist auf der Welle eine Reibfläche 24 vorgesehen, wobei die Fläche 24 zum Beispiel eine Beschichtung aus Aiuminiumoxid oder Chromkarbid enthalten kann.
• Das abtragbare Material 19 ist außerdem endbearbeitet, um einen Innendurchmesser zu bilden, der nur unwesentlich größer ist als der Durchmesser der Welle 13, so daß nur ein minimaler Zwischenraum zwischen dem abtragbaren Material und der Welle vorhanden ist, wenn die Dichtung in das Gehäuse eingesetzt wird. Wenn beim Betrieb der Dichtung durch thermische und dynamische Spannungen verursacht wird, daß das abtragbare Material 19 mit der Welle 13 in Kontakt kommt, wird das abtragbare Material bis zu einem Ausmaß abgerieben, welches ausreicht, daß sich die Welle weiter dreht, ohne daß, mit Ausnahme des abtragbaren Materials, eine Beschädigung der Welle oder der Dichtung selbst auftritt. Auf diese Weise kann der Zwischenraum zwischen dem abtragbaren Material und der Welle bei einem absoluten Minimum gehalten werden, und somit ist der durch die Borsten abzudichtende Spalt nur sehr klein.
• Wenn die Dichtung bei einer relativ großen quer zu den Borsten wirkenden Druckdifferenz verwendet wird, neigen die Borsten dazu, sich in einer im allgemeinen parallel zur Wellenachse verlaufende Richtung zur Niederdruckseite der Dichtung hin zu verbiegen. Dadurch, daß sich die Verstärkungsplatte in Richtung auf die Welle und sich das abtragbare Material weiter bis fast auf die zylinderförmige Oberfläche erstreckt, ist die Möglichkeit, daß sich die Borsten auf diese Art und Weise verbiegen, auf ein absolutes Minimum reduziert, so daß eine gute Dichtungswirkung erzielt werden kann.
• Figur 2 zeigt eine weitere Anordnung einer Dichtung gemäß dieser Erfindung, wobei das abtragbare Material 19 eine verminderte axiale Dicke hat. Die axiale Dicke der Verstärkungsplatte 16 ist in der Nähe des abtragbaren Materials ebenfalls vermindert, so daß ein gleitender Übergang zwischen der Verstärkungsplatte 16 und dem abtragbaren Material 19 vorhanden ist. Alle anderen Merkmale der in Figur 2 gezeigten Anordnung sind die gleichen wie in Figur 2, und die gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen: diese Teile werden hier nicht noch einmal beschrieben.
• Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bürstendichtung gemäß dieser Erfindung, die es zum Ziel hat, den gleichen Effekt zu erzielen wie die in Figur 2 gezeigte Anordnung, indem sie jedoch am radialen inneren Ende der Verstärkungsplatte 16 einen sich konisch verjüngenden Bereich aufweist, der direkt in ein sich konisch verjüngendes abtragbares Material 19 übergeht.
• Figur 4 zeigt eine weitere Bürstendichtung, wobei deren Verstärkungsplatte 25 jetzt bei 26 vorsteht, um weitere Dichtungsvorsprünge 27 zu bilden, die sich radial in Richtung auf die Welle erstrecken. Die Verstärkungsplatte kann mit jede geeigneten Anzahl solcher Vorsprünge 24 ausgebildet sein. Die radialen inneren Flächen dieser Vorsprünge 27 sollten mit einem geeigneten abtragbaren Material 28, 29 und 30 beschichtet sein, so daß die radialen inneren Flächen eng benachbart zur zylinderförmigen Fläche der Welle liegen. Das abtragbare Material 28 an dem den Borsten 14 nächstgelegenen Vorsprung kann dazu dienen, die Borsten abzustützen, wohingegen das abtragbare Material 29 und 30 an den anderen Vorsprüngen lediglich dazu dient, die Dichtungswirkung gegen die Welle zu unterstützen.
• Figuren 5 und 6 zeigen zwei alternative Ausführungsformen von Mehrfachdichtungen, wobei im wesentlichen ähnliche erfindungsgemäße Bürstendichtungen koaxial miteinander verbunden sind, um in einer normalerweise parallelen Beziehung nebeneinander zu liegen, um einen besseren Dichtungseffekt zu bewirken. In Figur 5 sind die beiden Dichtungen 31 und 32 miteinander verschweißt, wobei die Verstärkungsplatte 33 der einen Dichtung 31 in Kontakt mit der Basisplatte 34 der zweiten Dichtung 32 steht, wohingegen in der in Figur 6 gezeigten Anordnung ein ringförmiger Metallclip 35 verwendet wird&sub1; um die beiden Dichtungen zusammenzuhalten.
• Bei allen obengenannten Ausführungsbeispielen von Dichtungen gemäß dieser Erfindung können verbesserte Dichtungswirkungen erreicht werden, indem der Zwischenraum zwischen der Verstärkungsplatte und der Welle durch Vorsehen des abtragbaren Materials 19 auf ein Minimum vermindert wird. Dies dient dazu, die Endbereiche der Borsten abzustützen und den Spalt zwischen der Verstärkungsplatte und der Welle zu minimieren, was für die Dichtung erforderlich ist.

Claims (10)

1. Bürstendichtung zum Bewirken einer Dichtung zwischen einer Welle (13) und einem Gehäuse (12) mit einer Bohrung (11), durch welche sich die Welle erstreckt, wobei die Dichtung einen Basisabschnitt (15) zur Anbringung an der Welle oder am Gehäuse, eine Anzahl von Borsten (14), die vom Basisabschnitt vorstehen und Endbereiche (23) haben, die entsprechend an einer Oberfläche (24) des Gehäuses oder der Welle anliegen, und eine Verstärkungsplatte (16) aufweist, die vom Basisabschnitt bis nahe an die Endbereiche der Borsten vorsteht, wobei die Verstärkungsplatte dazu ausgestaltet ist, die Borsten gegen ein Durchbiegen auf die Verstärkungsplatte in eine im allgemeinen parallel zur Wellenachse verlaufende Richtung abzustützen, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verstärkungsplatte (16) ein abtragbares Material (19) vorgesehen ist, wobei das abtragbare Material von der den Endbereichen (23) der Borsten (14) benachbarten Kante der Verstärkungsplatte in Richtung auf die Endbereiche vorsteht, wobei das abtragbare Material (19) vorgesehen ist, um die Endbereiche (23) der Borsten abzustützen, und dazu dient, den Abstand zwischen der Verstärkungsplatte (16) und der Oberfläche (24) bei einem Minimum zu halten.

2. Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abtragbare Material (19) eine Nickel-Graphit-Legierung mit geringer Reibfestigkeit aufweist.

3. Bürstendichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das am nächsten zu den Endbereichen der Borsten gelegene abtragbare Material (19) eine zylinderförmige Oberfläche aufweist, wobei die Breite dieser Oberfläche in axialer Richtung eine geringere Abmessung hat als die Querschnittsbreite der Verstärkungsplatte (Figur 2 oder 3).

4. Bürstendichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das abtragbare Material (19) ein sich in radialer Richtung verjüngendes Profil hat.

5. Bürstendichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsbreite der Verstärkungsplatte (16) entsprechend der Verjüngung des abtragbaren Materials (19) verjüngt.

6. Bürstendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsplatte (16) zumindest zwei axial beabstandet angeordnete Arme (27) aufweist, die sich im allgemeinen radial erstrecken, wobei einer der Arme dazu ausgelegt ist, die Endbereiche der Borsten (14) abzustützen, und wobei die Enden jedes Armes mit dem abtragbaren Material (28, 29, 30) versehen sind.

7. Bürstendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basisabschnitt (15) die Form einer ringförmigen Platte aufweist, wobei die Verstärkungsplatte (16) ebenfalls ringförmig ist und eine größere radiale Ausdehnung als die Basisplatte hat, und wobei die Anzahl von Borsten (14) zwischen der Basisplatte (15) und der Verstärkungsplatte (16) angeordnet ist, wobei die Endbereiche der Borsten bis unter die Verstärkungsplatte vorstehen.

8. Bürstendichtungsanordnung mit zumindest zwei Bürstendichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die koaxial nebeneinander angeordnet sind.

9. Bürstendichtungsanordnung, mit einem Gehäuse (12), welches eine Bohrung (11) enthält, einer Welle (13), die drehbar im Gehäuse (12) gehalten ist und sich durch die Bohrung erstreckt, und einem Bürstendichtungselement (10), das am Gehäuse angebracht ist, um die Welle zu umgeben und um eine Dichtung zwischen der Welle und dem Gehäuse zu bewirken, wobei das Bürstendichtungselement aufweist:

- einen ringförmigen Basisabschnitt (15);

- eine Anzahl von Borsten (14), die vom Basisabschnitt vorstehen und Endbereiche (23) haben, die vom Basisabschnitt beabstandet sind, wobei die Endbereiche an einer Umfangsfläche der Welle anliegen;

- eine ringförmige Verstärkungsplatte (16), die vom Basisabschnitt in Richtung auf die Endbereiche (23) der Bürsten vorsteht und dazu ausgebildet ist, die Borsten gegen ein Durchbiegen in axialer Richtung auf die Platte abzustützen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsplatte (16) mit einem abtragbaren Material versehen ist, das an deren am nächsten zur Welle (13) gelegenen Fläche angebracht und dazu ausgelegt ist, die Endbereiche der Borsten abzustützen, wobei das abtragbare Material dazu dient, den Abstand zwischen der Verstärkungsplatte (16) und der Welle (13) bei einem Minimum zu halten, und daß die Umfangsfläche der Welle mit einer Reibfläche (24) für die Endbereiche der Borsten versehen ist.

10. Bürstendichtungsanordnung nach Anspruch 9, wobei die Reibfläche (24) der Welle eine Schicht aus Aluminiumoxid oder Chromkarbid enthält.