Einfluss der Variation geometrischer Größen auf das Anstreif- und Leckageverhalten von Bürstendichtungen

Aufgrund der überlegenen Dichtwirkung gegenüber Labyrinthdichtungen finden Bürstendich-
tungen in den letzten Jahren eine verstärkte Verbreitung in Turbomaschinen. Ihre herausra-
gende Dichtwirkung resultiert aus ihrer Flexibilität. So kann ein sehr schmaler Spalt zwischen
Rotor und Borstenpaket eingestellt werden ohne die Gefahr eines schweren, schädlichen Ver-
schleißes im Falle des Anstreifens der Dichtung. Das Anstreifen zwischen Rotor und Dichtung
im Betrieb kann z.B. aufgrund einer ungleichmäßigen thermischen Expansion von Rotor und
Stator oder einer starken Rotorausdehnung infolge von Fliehkräften oder Manöverlasten auf-
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treten. Die Bürstendichtung ist zwar, aufgrund ihrer flexiblen Struktur, in der Lage die Kontakt-
kräfte während des Anstreifens deutlich zu reduzieren; der reibungsbedingte Wärmeeintrag
kann dennoch beträchtliche Werte annehmen. Insbesondere in Luftfahrantrieben mit ihren
dünnen und leichten Rotorstrukturen können die zulässigen Materialwerte überschritten wer-
den und so die Unversehrtheit der Maschine gefährden. Die Geometrie der Dichtung hat dabei
einen entscheidenden Einfluss auf die entstehenden Kontaktkräfte und somit den Wärmeein-
trag. Die komplexen Zusammenhänge zwischen den geometrischen Parametern der Dichtung
und dem Wärmeeintrag und den Leckageeigenschaften sind noch nicht vollständig verstan-
den.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der geometrischen Parameter einer Bürstendichtung auf den
Wärmeeintrag in den Rotor und das Leckageverhalten untersucht. Um den Einfluss der geo-
metrischen Parameter der Dichtung zu untersuchen, wurde eine Auswahl an Dichtungen unter
maschinenrelevanten Bedingungen getestet. Es wurden der Borstendurchmesser, die Pa-
ckungsdichte und der axiale Abstand des Borstenpakets zum Stützring variiert. Die Tests wur-
den mit Differenzdrücken von 1 bis 7bar, Umfangsgeschwindigkeiten von 30 bis 180m/s und
radialen Überdeckungen von 0,1 bis 0,4mm durchgeführt. Die transienten Temperaturanstiege
während des Anstreifens wurden mit 24 in die Rotorstruktur eingelassenen Thermoelementen
erfasst. Die Temperaturverläufe werden mit den Ergebnissen einer thermalen finite Elemente
Analyse des Rotors verglichen um so auf den Wärmeeintrag in den Rotor zu schließen.

Because of the superior sealing characteristics compared to labyrinth seals, brush seals found
an increased spread in turbomachinery in recent years. Their outstanding sealing performance
results mainly from their flexibility. Thus, a very small gap between the rotor and bristle pack-
age can be obtained without running the risk of severe detrimental deterioration in case of
rubbing. Rubbing between rotor and seal during operation might occur as a result of e.g. an
unequal thermal expansion of the rotor and stator or a rotor elongation due to centrifugal forces
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or manoeuvre forces. Thanks to the flexible structure of the brush seal the contact forces during
a rubbing event are reduced, however the frictional heat input can still be considerable. Par-
ticularly in aircraft engines with their thin and lightweight rotor structures the permissible ma-
terial stresses can easily be exceeded by an increased heat input and thus harm the engine’s
integrity. The geometry of the seal has a decisive influence on the resulting contact forces and
consequently the heat input. The complex interactions between the geometric parameters of
the seal and the heat input and leakage characteristics are not yet fully understood.
This paper presents the investigation of the influence of the geometric parameters of a brush
seal on the heat input into the rotor and the leakage behaviour. In order to investigate the
influence of the geometric parameters of the seal, a selection of seals was tested under rele-
vant engine conditions. The bristle diameter, the package density and the axial distance of the
bristle package to the back plate were varied. The tests were performed with differential pres-
sures ranging from 1 to 7 bar, circumferential velocities ranging from 30 to 180 m/s and radial
overlaps ranging from 0.1 to 0.4 mm. The transient temperature rise during the rub event was
recorded with 24 thermocouples in close proximity to the rub contact embedded in the rotor
structure. By comparing the temperature curves with the results of a thermal finite element
analysis of the rotor the heat input into the rotor was calculated iteratively.