Dichtungselement für eine Strömungsmaschine

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement zur Anordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, wobei das Dichtungselement eine Berührungsfläche aufweist, die zum An ^¬ legen an dem zweiten Bauteil ausgelegt ist.

Im Strömungsmaschinenbau und ähnlichen technischen Gebieten wie beispielsweise in Regelventilen von Dampfturbinen, müssen Räume unterschiedlichen Drucks gegeneinander abgedichtet werden. Ziel ist es dabei, die Leckmenge, die zwischen diesen Räumen auftritt, möglichst stark zu reduzieren.

Häufig werden hierfür Kolbenringe als statische Dichtungen eingesetzt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass keine

Relativbewegung zwischen den Begrenzungen der Räume auftritt. Auch als dynamische Dichtung werden Kolbenringe verwendet, wobei hier eine Relativbewegung zwischen der Dichtung und einem anliegendem Bauteil auftritt. Bei einem Einsatz von Kolbenringen in Turbineneinlassventilen von Dampfturbinen ist dies zum Beispiel bei Kolbenringen zwischen einem bewegbaren Stellventilkegel und einer Führungsbuchse der Fall. Bei dynamischen Dichtungen kann neben der Dichtheit allerdings zusätzlich die Anforderung bestehen, auch die Reibkraft zwischen der Dichtung und dem daran angrenzenden Bauteil gering zu halten. Bei dem genannten Beispiel von Kolbenringen als Dichtung zwischen dem Stellventilkegel eines

Turbineneinlassventils und einer Führungsbuchse soll der Bereich zwischen Kolbenring und Buchse derart ausgebildet sein, dass die Kolbenringreibung möglichst gering ist, da der Antrieb des Stellventilkegels die auftretende Reibkraft am Kolbenring überwinden muss. Bei hoher Reibkraft muss der Antrieb deshalb entsprechend stärker dimensioniert werden. Vorteilhaft ist es deshalb in diesem und in vergleichbaren Fällen, über eine Dichtungstechnologie zu verfügen, bei der die Reibkräfte, z. B. in der Kolbenringführung, stark herabsetzt sind, wobei die Dichtwirkung noch hinreichend sichergestellt ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Dichtungselement an ^¬ zugeben, dass an einem Dichtungspartner entlang führt und eine geringere Reibung aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Dichtungselement zur Anord ^¬ nung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, wobei das Dichtungselement eine Berührungsfläche aufweist, die zum Anlegen an dem zweiten Bauteil ausgebildet ist, wobei eine Nut die Berührungsfläche teilt. Das Dichtungselement ist zum Abdichten eines ersten Raumes mit dem Druck pi und eines Raumes mit Druck p ₂ ausgebildet, wobei pi > P ₂ ist und das Dichtungselement eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten Raum und der Nut aufweist. Durch die Verbindung des ersten Raumes, der mit dem Druck pi beaufschlagt ist, mit der Nut, wird die Kontaktkraft zwischen dem Dichtungselement und dem zweiten Bauteil reduziert, wodurch die Reibkraft zwischen dem Dichtungselement und dem Bauteil 2 bei

Relativbewegung zwischen beiden verringert wird. Der Antrieb für solch eine Dichtungsanordnung kann daher geringer dimensioniert werden. Die Nut ist durch geeignete konstruktive Maßnahmen mit einem raumhohen Druck verbunden.

Das Dichtungselement ist demnach zur Anordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil ausgebildet. Darüber hinaus ist das Dichtungselement zum Anlegen an dem zweiten Bauteil ausgebildet, wobei eine Berührungsfläche beim Dichtungsele ^¬ ment entsteht, das mit dem zweiten Bauteil in Berührung steht. An dieser Berührungsfläche entstehen Reibkräfte, die erfindungsgemäß dadurch vermindert werden sollen, dass die Berührungsfläche eine Nut aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese die Berührungsfläche teilt. Die Nut ist mit einem Raum hohen Drucks verbunden. Hierdurch wird die

Kontaktkraft vom Dichtungselement auf das zweite Bauteil, die auf der Berührungsfläche wirkt, derart geändert, dass bei Relativbewegung zwischen dem Bauteil 1 und Bauteil 2 eine geringere Reibung entsteht. Vorteilhafte Weiterbindungen sind in den Unteransprüchen angegeben .

Die strömungstechnische Verbindung verläuft im Wesentlichen parallel zur Berührungsfläche. Da die strömungstechnische Verbindung den ersten Raum mit dem Druck pi und der Nut verbindet, führt dies zu einer möglichen Strömung von dem ersten Raum mit dem Druck pi zur Nut, falls in der Nut ein niedrigerer Druck als pi herrscht. In einer alternativen Aus führungs form verläuft die strömungstechnische Verbindung im Wesentlichen orthogonal zur Berührungsfläche.

In einer wesentlichen vorteilhaften Weiterbildung ist das Dichtungselement als Kolbenring ausgebildet. Des Weiteren ist ebenfalls vorteilhaft die Berührungsfläche rotationssymmet- risch ausgebildet. Solche Dichtungselemente werden beispiels ^¬ weise in Turbineneinlassventilen verwendet, die im Dampfturbinenbau Anwendung finden. Der Kolbenring ist dabei an dem ersten Bauteil angeordnet, wobei dieses erste Bauteil einen Ventilkegel darstellen kann. Das zweite Bauteil ist demgegen- über als Buchse ausgebildet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Nut entlang einer Umfangsrichtung ausgebildet. Die Nut ist im Wesentli ^¬ chen in der Mitte des Kolbenringes ausgebildet, wobei links und rechts der Nut jeweils Material stehen bleibt. Dadurch werden die übertragenen Kräfte im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben.

Es zeigen: FIG 1 Querschnittsansicht durch einen Ausschnitt

Ventils ,

FIG 2 eine Querschnittsansicht eines Dichtungselementes gemäß dem Stand der Technik,

FIG 3 eine Querschnittansicht eines Dichtungselementes gemäß einer ersten Ausführungsform,

FIG 4 eine Querschnittansicht eines Dichtungselementes gemäß einer zweiten Ausführungsform,

FIG 5 eine Ansicht der Aus führungs form gemäß FIG 4.

Die FIG 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ventils 1. Dieses Ven ^¬ til 1 wird beispielsweise im Strömungsmaschinenbau, z.B. in Dampfturbinen eingesetzt. Das Ventil 1 umfasst ein erstes Bauteil 2, das als Ventilspindel ausgebildet ist. Dieses erste Bauteil 2 ist um eine Rotationsachse 3 rotationssymmet ^¬ risch ausgebildet. Das erste Bauteil 2 ist innerhalb eines zweiten Bauteils 4, das als Buchse ausgebildet ist und als Führung für das erste Bauteil 2 dient, bewegbar angeordnet. Die Bewegung des ersten Bauteils 2 erfolgt hierbei im

Wesentlichen entlang der Rotationsachse 3. Das erste Bauteil 2 umfasst ein als Kolbenring ausgebildetes Dichtungselement 5. Das Dichtungselement 5 trennt einen ersten Raum 6 von einem zweiten Raum 7. Im ersten Raum 6 herrscht ein erster Druck pi und im zweiten Raum 7 eine zweiter Druck p2. Das Dichtungselement 5 ist zur Anordnung zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 4 ausgebildet. Um eine gute Dichtheit zu gewährleisten, weist das Dichtungselement 5 eine Berührungsfläche 8 auf, welche zum Anlegen an dem zweiten Bauteil 4 ausgebildet ist. Das Dichtungselement 5 ist aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff, insbesondere Stellite ausgebildet. Die FIG 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein Dichtungs ^¬ element 5 gemäß dem Stand der Technik. Das Dichtungselement 5 ist hierbei in einer Kolbenringnut 9 angeordnet. Der Druck pi im ersten Raum 6 ist größer als der Druck p2 im zweiten Raum 7. Daher liegt das Dichtungselement 5 an der rechten Trag ^¬ schulter 10 der Kolbenringnut 9 an. Dadurch bildet sich ein Raum zwischen der linken Tragschulter 11 und einer linken Kolbenringseitenfläche 12. Der im ersten Raum 6 ausgebildete Druck kann sich daher auch in einem Bodenraum 13 ausbilden, der zwischen einer unteren Bodenfläche 14 des Dichtungsele ^¬ ments 5 und einer Kolbenringnutoberfläche 15 angeordnet ist. Der in diesem Bodenraum 13 herrschende Druck, der im Wesentlichen identisch ist mit dem Druck pi im ersten Raum 6, führt zu einer Kraftübertragung des Dichtungselements 5 über die Berührungsfläche 8 auf das zweite Bauteil 4. Eine Dichtheit zwischen dem ersten Raum 6 und dem zweiten Raum 7 ist dadurch gewährleistet .

Die mit dem Druck pi im Bodenraum 13 ausgeübte Kraft führt somit zu einer radial nach außen gerichteten Kraft auf das Dichtungselement 5. Der auf das Dichtungselement 5 im

Bodenraum 13 wirkenden Kraft muss eine gleich große entgegengesetzt gerichtete Kraft entgegenwirken. Diese wirkt auf die Berührungsfläche 8 des Dichtungselementes 5 als äußere Kraft und setzt sich im Wesentlichen aus zwei Anteilen zusammen. Der eine Anteil entsteht durch den Fluiddruck pl, der in der Berührungsfläche von seinem Anfangswert pl

ausgehend, auf niedrigere Werte abgebaut wird. Das Diagramm 16 gibt den Gedanken wieder, dass dieser Fluiddruck 17 in erster Näherung linear von dem ersten Raum 6 zum zweiten Raum 7 abfällt. Zum Ausgleich der im Bodenraum 13 auf das

Dichtungselement 5 ausgeübten Kraft wirkt zusätzlich eine Kontaktpressung zwischen dem Dichtelement und dem zweiten Bauteil 4 als zweiter Anteil. Die Resultierende Kraft auf das Dichtungselement 5 aus dieser Kontaktpressung entspricht bei dem angenommenen linearen Druckverlauf 17 der Dreiecksfläche über dem Druckverlauf 17 im Diagramm 16. Die FIG 3 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß aus ^¬ gebildetes Dichtungselement 5. Der Unterschied zu der Ausfüh ^¬ rungsform gemäß FIG 2 besteht darin, dass eine strömungstechnische Verbindung 19 in dem Dichtungselement 5 angeordnet ist und den ersten Raum 6 mit der Nut 21 strömungstechnisch verbindet. Ein im ersten Raum 6 herrschender Druck setzt sich somit über den Bodenraum 13 und der strömungstechnischen Verbindung 19 in einen Nutraum 20 fort. Der Nutraum 20 wird gebildet durch eine Nut 21 in dem Dichtungselement 5, der die Berührungsfläche 8 teilt. Die Teilung der Berührungsfläche 8 ist symmetrisch, das bedeutet, dass eine linke Teilberüh ^¬ rungsfläche 8a im Wesentlichen gleich groß ist wie eine rechte Teilberührungsfläche 8b. Die Nut 21 ist hierbei im Wesentlichen rotationssymmetrisch in Umfangsrichtung zur Rotationsachse 3 ausgebildet. In der in FIG 3 gezeigten Aus ^¬ führungsform ist die strömungstechnische Verbindung 19 im Wesentlichen orthogonal zur Berührungsfläche 8 ausgebildet. Das bedeutet, dass die strömungstechnische Verbindung 19 im Wesentlichen radial nach außen gerichtet ist. Dies könnte beispielsweise durch radial orientierte Bohrungen erfolgen.

Die Nut 21 und die strömungstechnische Verbindung 19 führen dazu, dass die Kontaktkraft zwischen dem Dichtungselement 5 und dem zweiten Bauteil 4, die sich nun alleine auf den Teil 8b der Berührfläche beschränkt, geringer ausfällt als im

Vergleich zu der Aus führungs form gemäß FIG 2. Dadurch wird auch die Reibkraft bei Relativbewegung zwischen dem

Dichtungselement 5 zusammen mit dem ersten Bauteil 2

gegenüber dem zweiten Bauteil 4 entsprechend niedriger aus- fallen als im Vergleich zu der Aus führungs form gemäß Fig. 2.

Das Diagramm 18 soll den geänderten Fluiddruck 22 entlang der Rotationsachse 3 darstellen. Es ist zu sehen, dass die

Kontaktpressung lediglich an der rechten Teilberührungsfläche 8b einen hohen Wert aufweist und dadurch eine Reibung

lediglich in diesem Bereich ins Gewicht fällt. Die FIG 4 zeigt eine alternative Aus führungs form des Dich ^¬ tungselements 5. Der Unterschied zur Aus führungs form gemäß FIG 3 besteht darin, dass die strömungstechnische Verbindung 19, die den ersten Raum 6 mit dem Nutraum 20 verbindet, im Wesentlichen parallel zur Berührungsfläche 8 verläuft. Die strömungstechnische Verbindung 19 ist daher nicht, wie in FIG 3 gezeigt, in radialer Richtung als radiale Bohrung ausgebil ^¬ det, sondern als parallel ausgeführte Strömungsnut 23 ausge ^¬ bildet. Diese Strömungsnut 23 kann durch Fräsen eingearbeitet werden und führt zu einer rechteckig oder trapezförmigen Form in der Querschnittsansicht, wie das in der FIG 5 deutlich zu sehen ist. Es können mehrere in Umfangsrichtung verteilte Strömungsnuten 23 im Dichtungselement 5 angeordnet sein. Die FIG 5 zeigt eine Ansicht des Dichtungselementes 5. Die gestrichelte Linie 24 stellt den Nutraum 20 dar, der in

Umfangsrichtung rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die FIG 5 zeigt einen Blick auf die linke Kolbenringseitenfläche 12. Durch die geänderte Aus führungs form des Dichtungselementes 5 mit einem Nutraum 20 wird die Reibung zwischen dem

Dichtungselement 5 über die Berührungsfläche 8 mit dem zweiten Bauteil 4 deutlich verringert.