Dichtungseinrichtung, insbesondere für eine Welle eines Flugzeug-Triebwerkes Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsein richtung für einen drehbaren Teil, insbesondere eine Welle eines Flugzeug-Triebwerkes mit Dichtungsflä chen, einer Druckkammer, welche mit einer Druck mittelquelle verbunden ist, zur Unterdrucksetzung der Dichtungsorgane zwischen drehbarem und' stationärem Teil unter Aufrechterhaltung eines höheren Druckes auf der Druckkammerseite der Dichtungsorgane.
Bei Strahltriebwerken von Flugzeugen ist die Ab dichtung zwischen der Antriebswelle und den stationä ren Teilen schwierig, da die Dichtungsorgane extremen Wärmeeinwirkungen ausgesetzt sind. Dazukommen hohe Drehzahlen und Vibrationen, und in vielen Fällen ist ausserdem eine beachtliche Relativverschiebung der Teile als Folge der Wärmedrehungen zwischen den abzudichtenden Teilen in Berücksichtigung zu ziehen. Zugleich werden an die Wirksamkeit und Zuverlässig keit solcher Dichtungen sehr hohe Anforderungen gestellt, da der Ausfall einer solchen Dichtung ernst hafte Gefahren für das Flugzeug bewirken kann.
Eine solche Dichtung ist üblicherweise zwischen dem Sumpf des Hauptlagers vorhanden, wobei notwen dig ist, die Welle gegen Lecköl aus dem Sumpf abzu dichten. Die an sich bekannten Dichtungen wirken ent weder auf den Mantel oder auf die Stirnfläche der Welle ein und enthalten im allgemeinen einen Kohlen ring, welcher vom stationären Teil getragen wird und radiale oder axiale Gummiteile aufweist, welche ent weder mit der Welle selbst oder mit einem Dichtungs kragen auf derselben zusammenwirken, zur Abdichtung gegen Lecköl aus dem Sumpf.
Dabei ist eine Druck kammer ausserhalb der Schmiermittel-Dichtung vorge sehen, welche unter Druck gesetzt wird; indem ein Kompressor Luft zuführt, welche sowohl zur Kühlung der Dichtung als auch zur Druckerzeugung dient, wobei jedoch Luft durch die Dichtung hindurch in den Sumpf gelangen kann, und das Schmiermittel verdrängt. Diese Luft, welche durch die Dichtung hindurchdringt, bewirkt dabei aber eine Unterdrucksetzung des Sumpfes, wo- durch verhindert wird, dass das Schmiermittel zurück zum Schmiermitteltank befördert wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungskragen mit einer Dichtungsfläche vorhanden ist, welche mit dem drehbaren Teil zusammen drehbar ist, dass ein bewegliches Dichtungselement durch einen stationären Teil abgestützt ist, und Federn vorhanden sind, welche das Dichtungselement gegen den Dich tungskragen andrücken, wobei das Dichtungselement mit mindestens einem Dichtungsring versehen ist, wel che zusammen mit dem Dichtungskragen eine erste Dichtung bilden, und ein Paar voneinander distanzier ten,
zweiten Dichtungen vorhanden ist zwischen dem Dichtungselement und dem stationären Teil zur Bildung der Druckkammer zwischen denk Dichtungspaar, und ferner der Druck in der Druckkammer auf die Dich tungsflächen durch einen Durchgang im Dichtungsring übertragbar ist.
Dadurch gelingt es, eine Dichtung zu schaffen, welche Relativverschiebungen zulässt, eine erhöhte Betriebsdauer aufweist, eine sichere Gewähr für die Schmierung ergibt und extrem hohe Temperaturen aus zuhalten vermag. Dies ist namentlich für Strahltrieb werke mit hoher Machzahl wichtig, da bei solchen Flug zeugen die Betriebstemperatur so hoch werden kann, dass das Schmiermittel, welches infolge Leckflusses an die Luft gelangt, entflammen kann oder verkokt und eine harte Schicht bildet, welche die Dichtungen behin dern oder angreifen kann.
Durch die Erfindung gelingt die Schaffung .einer Dichtung, bei welcher der Dich tungsdruck vergleichsweise klein und die Abnützung gering ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 ist ein Teilschnitt durch ein Strahltriebwerk. Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Dichtungsteil des Strahltriebwerkes gemäss Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2. Fig. 4 ist ein vergrösserter Ausschnitt aus Fig. 2. Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsvari ante.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einem Strahltriebwerk für Flugzeuge dar gestellt. Dieses Strahltriebwerk ist mit einem Aussen mantel 11 sowie einer innern Verkleidung 12 versehen, welche eine Begrenzungswand für den Gasdurchfluss- kanal 13 eines primären Gasstromes des Triebwerkes bilden. Ein zweistufiger Turbinenrotor 14 ist mit einer Scheibe 15 verbunden, welche koaxial zum Gasdurch- flusskanal 13 verläuft. Die Scheibe 15 trägt die Turbi nenschaufeln 16, welche radial abstehen und in den Gasflusskanal hineinragen.
Eine drehbar gelagerte Welle 17 wird durch einen Lagerteil 19 über Wälzlager 18 abgestützt.
In den Fig. 2-4 ist eine vergrösserte Ansicht der Dichtungseinrichtung gezeigt in Verbindung mit dem Lagerteil 19, einer benachbarten Wandung 22 und einer Dichtungseinrichtung 31, welche zusammen einen Sumpf 23 für ein Schmiermittel für das Kugellager 18 bilden. Ein ringförmiger Teil 25 ist am axialen Teil stück 17a der Welle 17 befestigt und trägt einen Dich tungskragen 30, welcher über den ringförmigen Teil 25 der Welle 17 mit einem geschlitzten Ring 27 ver bunden ist und dadurch eine Antriebsverbindung zwi schen dem ringförmigen Teil 25 und dem Dichtungs kragen 30 bewirkt. Der Kragen 30 enthält eine Stirn fläche 30a (Fig. 4) als erste Dichtungsfläche.
Der dreh bare Kragen 30 kann sich in Axialrichtung relativ zum ringförmigen Teil 25 bewegen, ist jedoch bezogen auf den Lagerteil 19 .in Axialrichtung fest, infolge einer Verbindung über das Wälzlager 32. Dieses Wälzlager 32 kann eine begrenzte Radialbewegung ausführen, indem ein radialer Spalt zwischen dem Kugellager- Aussenring 32a und dem Abstützteil 33 vorgesehen ist.
Das Lager 32 wird im Abstützteil 33 mit Hilfe eines Sprengringes 34 festgehalten, und der Abstützteil 33 ist seinerseits in gleicher Weise an der Wandung 22 gesichert. Auf diese Weise wird der Dichtungskragen 30 in Axialrichtung fixiert relativ zum stationären Lagerteil, und gleichzeitig kann er über den Ring 27 in Drehbewegung versetzt werden, zusammen mit der Welle 17. Ein gleitender Dichtungsring 26 ist vorgese hen zur Abdichtung von aus dem Sumpf 23 heraus tretendem Schmiermittel, welches dadurch verhindert wird, zwischen die Turbinenwelle und den Dichtungs kragen zu gelangen.
Der stationäre Teil der Dichtungseinrichtung 31 wird durch eine Hauptstütze 40 getragen, welche als Verlängerung der Wandung 22 des Sumpfes ausgebildet ist. Eine Durchflussöffnung 41 für ein Druckmittel befindet sich im Innern der Hauptstütze 40 und ist mit einem Ende an eine Leitung 42 angeschlossen, welche sich nach aussen erstreckt und die Wandung 22 des Sumpfes durchdringt und an eine Druckquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
Das andere Ende der Durchflussöffnung 41 öffnet sich in das Innere einer Kammer 44, um Druckmittel zum Betrieb der Dich tungseinrichtung zu liefern und um den Sumpf unter Druck zu setzen, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird.
Ein Wärmeschild 43 dient zur Abschirmung der Strahlungswärme gegenüber den benachbarten Teilen des Strahltriebwerkes.
Von der Hauptstütze 40 werden schwimmende Dichtungselemente 45 mit den Flächen 40a und 40b mit einem Dichtungsglied in Form eines Ringes 45a gestützt, welcher wiederum eine Öffnung zur Aufnahme eines Dichtungsringes 46 trägt. Wie aus Fig. 4 ersicht lich ist, ist der Dichtungsring 46 auf der einen Stirn seite mit zwei radial voneinander distanzierten Dich tungsflächen 46b und 46c versehen, welche radial distanziert sind und eine Mehrzahl von segmentartigen Umfangsrillen 54 bilden.
Die Flächen 46a-46c bilden zusammen mit der drehbaren Fläche des Dichtungs kragens 30a eine erste Abdichtung.
Der Dichtungsring 45a ist ferner mit einer Aus- nehmung zur Aufnahme des Ringes 45b versehen, gegen welchen eine Mehrzahl von am Umfang ange ordneten Druckfedern 48 anliegt, von denen in Fig. 4 lediglich eine dargestellt ist. Die Federn 48 werden je zwischen dem Ring 45b und der Hauptstütze 40 zusammengepresst und drücken das Dichtungselement gegen den Dichtungskragen 30. Zwischen benachbarten Flächen des Dichtungselementes 45 und der Haupt stütze 40 ist ein Paar von zweiten Kontaktdichtungen 50, 51 vorhanden, welche eine Abdichtung der geschlossenen ringförmigen Kammer 44 bewirken.
Diese zweiten Dichtungen weisen je einen Sprengring auf, wobei Nuten in der Hauptfläche 40 vorhanden sind und sich gegen aussen öffnen und wobei diese Spreng- ringe zum Anliegen gegen die Flächen 40a und 40b auf den Dichtungsteilen 45b und 46 kommen. Die Teile 45b und 46 werden vorzugsweise aus Kohle oder einem andern nichtmetallischen Material hergestellt zur besse ren Abdichtung gegenüber den dichtenden Ringen 50 und 51. Aus diesem Grunde sind diese Teile nicht aus einem einzigen Stück mit dem Dichtungsring 45a her gestellt, welcher vorzugsweise aus Metall besteht.
Der Dichtungsring 46 weist eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander distanzierten axialen Durchgängen 53 auf, von denen sich jeder in das Innere der Kammer 44 öffnet. An ihrem andern Ende sind diese Durchgänge 53 mit einer der sich in Umfangs richtung erweiternden rillenartigen Vertiefung 54 ver bunden, welche somit vom Ring 46 und der Dichtungs fläche 30a begrenzt wird. Im Flüssigkeitskanal 53 liegt eine Drosselöffnung 55, die zur Steuerung des Durch flusses durch diese Öffnung dient. Durch diese Drossel öffnung 55 kann der Druckabfall des Druckmittels im Kanal 53 beeinflusst werden und bewirkt dadurch eine Steuerung des Druckes in den Vertiefungen 54.
Diese Einrichtung könnte auch durch andere Druckregulier- einrichtungen ersetzt werden, um eine Steuerung des Druckes in den Vertiefungen 54 zu bewirken, allenfalls durch Verwendung von verschiedenen serienmässig angeordneten Öffnungen, wobei der gleiche Druckabfall durch Verwendung einer grösseren Öffnung erfolgt, die weniger verstopfungsanfällig ist.
Ein Schild 56 verhindert, dass vom Sumpf direkt Schmiermittel auf die Dichtungseinrichtung gespritzt wird, wodurch die Wirksamkeit der Dichtungseinrich tung erhöht wird.
Beim Betrieb dieser Einrichtung wird das Schmier mittel durch Leitungen (nicht dargestellt) zum Kugel lager 18 geführt und sammelt sich hernach im Sumpf 23 an. Die Turbinenwelle 17 dreht sich und treibt dadurch den Dichtungskragen 30 an über den Ring 27. Das Lager 32 legt den Kragen 30 in Axialrichtung fest, um die Bewegung des Kragens relativ zur Dichtungs- hauptstütze 40 zu begrenzen, welche als Folge der thermischen Ausdehnung der Turbinenwelle oder aus andern Gründen entstehen. Das Dichtungselement 45 und die mit ihm verbundene Nase 46 werden durch die Federn 48 gegen den Kragen angedrückt, so dass die Flächen 30a und 46a eine erste Dichtung bilden.
Eine zweite Dichtung 50, 51 erfolgt zwischen dem Dichtungs element 45 und der Hauptstütze 40.
Bei konventionellen Dichtungseinrichtungen erfolgt ein Gummikontakt zwischen den Dichtungsflächen, bei spielsweise zwischen den Flächen 30a und 46a, wodurch sich eine Abnützung ergibt. Um dies zu vermeiden oder den Kontakt so gering als möglich zu halten und auch um ein Lecken von Schmiermitteln aus dem Sumpf 23 nach aussen über die zweiten Dichtungen 50, und 51 zu verhüten, wird ein unter Druck stehendes Medium durch die Leitung 42 und die Durchflussöffnung 41 in die Kammer 44 geführt. Von dieser Kammer 44 gelangt ein geringer Teil dieses Druckmediums durch die zwei ten dichtenden Ringe 50 und 51 hindurch, und dieses Druckmedium wirkt einem Leckfluss von Schmiermittel entgegen.
Der Durchfluss durch die Drosselöffnungen 55 in die Hohlräume 54 bewirkt einen hohen Druck in jeden dieser Hohlräume 54 in der Weise, dass die Luftkissen eine erste Kraft auf den Dichtungsring 46 ausüben, um diese vom Kragen 30 wegzuschieben unter überwindung der Anpresskraft der Feder 48, damit das Medium abfliessen kann. Dieser Fluss ist durch Pfeile 60 ange deutet, wobei sich der grösste Teil dieses Flusses in Richtung gegen den Sumpf 23 oder radial nach aus wärts abströmt, da die Fläche 46c der Dichtungsnase kleiner dimensioniert ist als die in Radialrichtung ein wärts liegende Fläche 46b, wodurch dort ein geringerer Widerstand für den Strömungsabfluss entsteht.
Dieser Fluss wirkt einem Leckfluss von Schmiermitteln ent gegen, welcher vom Sumpf 23 über die erste Dichtungs einrichtung fliesst, begrenzt einen solchen Fluss und dient ferner zur Unterdrucksetzung des Sumpfes 23 sowie zur Kühlung der Dichtung und der mit dem Sumpf zusammenwirkenden Teile.
Durch die Schaffung einer solchen Druckzone in den Hohlräumen 54 und das Wegdrücken des Dich tungsringes 46 vom Kragen 30 weg, entsteht ein kon stanter Fluss des Hochdruckmediums und bewirkt, dass die beiden Dichtungsorgane während des Betriebes aus einander gepresst werden, so dass lediglich ein geringer Kontakt zwischen diesen relativ zueinander beweglichen Teilen entsteht, wodurch sich die Abnützung verringert. Es sind mindestens drei Hohlräume 54 um die Dich tungsstelle herum angeordnet, um einen gleichmässigen Abstand zu sichern und eine Selbstzentrierung der Dich tungseinrichtung zu bewirken.
Eine zweite Kraft, welche auf den Dichtungsring 46 einwirkt, entsteht durch das unter Druck stehende Medium in der Kammer 44, welche auf die Stirnseite 47 der Nase wirkt und der Abhebekraft teilweise ent gegenwirkt. Diese Kraft wird erzeugt durch Anordnung einer zweiten Kontaktdichtung 50, 51 auf unterschied lichen Radien, wobei die Stirnflächen 47 dem Druck des Mediums in der Kammer 44 ausgesetzt äst. Auf diese Weise entsteht eine selbstregulierende Dichtung in der Weise, dass wenn die erste Dichtungseinrichtung eine Abhebung aufweist, die grösser als normalerweise vor gesehen ist, das Medium in den Hohlräumen 54 bewirkt,
dass dessen Druck infolge des erhöhten Mediumdurchflusses von der Kammer zwischen der Dichtungsfläche 30a und 46a abfällt. Die Abhebekraft auf die Ringfläche 46a sinkt ab, wodurch das Medium auf die Stirnfläche 47 eine Kraft ausübt und ein Schliessen des Trennspaltes bewirkt, indem der Ring 46 stärker gegen den Kragen 30 gedrückt wird.
Wenn in ähnlicher Weise die Abhebung der ersten Dichtungs einrichtung geringer als normal wird, steigt der Druck im Hohlraum 54 als Folge des geringeren Abflusses gegenüber der Kammer 44, wodurch der Ring 46 eine leichte Öffnung der ersten Dichtungseinrichtung bewirkt. Die Durchflussmenge des Mediums aus der Kammer 44 in den Hohlraum 54 und damit der Durchfluss zur Kompensation von hohen Druckunterschieden beim Spalt der ersten Dichtungseinrichtung wird durch die Grösse der Drosselöffnung 55 gesteuert.
Die ausrei chende Mediumkraft auf das schwimmende Dichtungs element- 45 wird relativ wenig beeinflusst durch Druck änderungen des Gases, welches der Kammer 44 zuge führt wird, da dieses Gas sowohl die Kammern 44 als auch die Hohlräume 54 unter Druck setzt.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt entsteht dadurch, dass der zweite Ring 51 mit den Dichtungsflächen 40b auf dem gleichen Radius angeordnet werden, welcher dem Druck-Zentrum entspricht, welches auf den grösse ren Durchmesser 46b einwirkt. Auf diese Weise wird die Positionierung der schwimmenden Dichtungsein richtung weitgehend unempfindlich gemacht durch Änderungen des Mediumdruckes;. welches vom Medium herrührt und die Sumpfwandung 22 sowie das Schild 43 umgibt. Diese Drücke gleichen sich während des Betrie bes aus.
Hieraus geht hervor, dass. die beschriebene Dich tungseinrichtung als Folge der Abhebung zwischen der Dichtungsnase 46 und dem Kragen 30 selbstzentrierend ist und das Lecköl, welches entweder durch die erste oder zweite Dichtung hindurchgelangen könnte, wird durch einen Gegenfluss von Druckmedium weitgehend aufgehoben.
Diese Dichtungsanordnung gestattet ferner Axialbewegungen zwischen den rotierenden Teilen, beispielsweise Wärmedehnungen der Teile, welche zur Kompensierung zwischen dem Kragen 30 und der Welle 17 vorgesehen sind und alle erforderlichen Freiheiten der Axialbewegung bezüglich der Dichtung aufweisen, indem diese schwimmend auf das Dichtungselement 45 sitzen.
Da die Feder und der Mediumsdruck, welche auf das Dichtungselement 45 einwirken, ausbalanciert sind, wird der Zwischenraum zwischen der ersten Dichtungs fläche so gesteuert, dass nur ein eng begrenzter Kon takt und Leckfluss entsteht, so dass auch der Durch fluss von Druckmedium auf ein notwendiges Minimum begrenzt wird, um das Durchtreten des Schmiermittels auf das notwendige Minimum herabzusetzen.
Diese Dichtungseinrichtung bietet ferner Vorteile bei der Montage. Durch das offene Ende der Haupt stütze 40 kann das Dichtungselement 45 leicht in Axial richtung eingesetzt und in die richtige Lage bezüglich der zweiten Dichtungselemente gebracht werden. Hier auf wird der Kragen 30 aufgesteckt und in Dichtungs verbindung mit dem Sprengring 27 gebracht, dabei mit dem Abstützteil in seiner Lage gesichert und durch einen Sprengring 33a gehalten. Somit lässt sich die Dichtung leicht ein- und ausbauen.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform dar gestellt. Ein stationärer Turbinenrahmen 58 sowie eine Sumpfwand 59 sind aneinander befestigt und umschlie ssen -eine Turbinenwelle 60 und einen Sumpf 61 für das Schmiermittel des Lagers. 62. Dieses Lager 62 dient zur Abstützung der rotierenden Teile auf den stationären Teil der Einrichtung gemäss Fig. 1.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist in Fig. 5 ein Dichtungs kragen 64 als Teil der Welle 60 ausgebildet oder mit dieser befestigt, ohne dass eine Axialbewegung vorge sehen ist. Diese Vereinfachung ist dann möglich, wenn die Relativ-Axialbewegung zwischen der Turbinenwelle und dem Rahmen so klein ist, dass die Freiheit der Axialbewegung es erlaubt, dass ein schwimmendes Dich tungselement gemäss nachfolgender Beschreibung an wendbar ist.
Ein erster Dichtungsträger 70 ist an der Sumpfwand 59 befestigt und stützt ein schwimmendes Dichtungs element 71 ab, auf welchem ein Dichtungsring 72 befestigt ist, beispielsweise aus Kohle. Dadurch wird eine erste Dichtungseinrichtung mit einer Dichtungs fläche 64a auf dem Dichtungskragen 64 gebildet. Eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander distan zierten Federn 75 ist zwischen dem Dichtungsträger 70 und dem Dichtungselement 71 geklemmt und pressen den Dichtungsring 72 gegen den Dichtungskragen 64.
Bei dieser Ausführungsform sind ausserdem zwei zweite Kontaktdichtungen 77 und 78 vorhanden, welche von den Dichtungsgehäusen 79 und 80 getragen werden. Diese gestatten eine unterschiedliche Axialbewegung zwischen dem Dichtungselement 71 und dem Dich tungsträger 70, während trotzdem der Leckfluss zwi schen diesen Teilen begrenzt wird.
Die Dichtungsein richtungen enthalten ferner Segmentringe 81, 82, wel che die Dichtungsgehäuse 79 und 80 mit Hilfe von Ringen 79a und 80a zusammenhalten, und zwar mit Hilfe von Federringen 83 und 84, welche die Dichtun gen gegen die Dichtungsfläche 71a und 71b anpressen. Ferner sind Federn 86, 87 vorhanden zwischen den Dichtungselementen und den Ringteilen 79a und 80a, welche die Dichtungssegmente gegen die Dichtungsträ ger in dichtender Anordnung anpressen. Eine Zuleitung 90 für ein Druckmedium mündet in die Kammer 91, welche zwischen dem Dichtungselement 71 und dem Dichtungsträger 70 gebildet wird.
Diese Zuleitung 90 ist an eine nicht dargestellte Druckquelle, angeschlossen, beispielsweise Druckluft oder Druckgas, wobei letzteres vorzugsweise inert ist. Das Leckgas fliesst von der Kam mer 91 in geringem Masse durch die Kontaktdichtungen 77 und 78 und - wie in der ersten Ausführungsform beschrieben - verhütet einen Lecköl-Durchtritt vom Sumpf 61 in der entgegengesetzten Richtung. Das Druckmedium kann durch eine Mehrzahl von Durch gängen 93 hindurchfliessen, welche im Dichtungsele ment 71 vorgesehen sind, sowie durch Durchgänge 94 im Dichtungsring 72 in eine von einer Mehrzahl von Umfangsöffnungen 95.
Diese Umfangsöffnungen 95 liegen auf der der Dichtungsfläche 74a gegenüberliegen den Seite. Die Funktion ist die gleiche wie bei der erst beschriebenen Ausführungsform und beide verhüten einen Durchfluss von Schmiermittel vom Sumpf 61 her und bewirken eine Aufrechterhaltung der ersten Dich tungsfläche in distanzierter Anordnung, um eine Berüh rung und damit eine Abnützung in engen Grenzen zu halten. Die Axialanordnung des Dichtungselementes 71 wirkt bestimmend für den Ausgleich der Feder und des Mediumdruckes, herrührend von der Kraft, welche auf das Dichtungselement in der gleichen Weise wirkt wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Ein Sieb 98 ist in der Kammer 9'1 montiert und verhindert ein Eindringen von Fremdkörpern in die Kammer 91 und damit eine Beschädigung der ersten und zweiten Dichtungseinrichtungen. Ein Hitzeschild 99 ist vorgesehen zur Abschirmung der Dichtungen vor der Strahlungswärme, die von den benachbarten Teilen des Triebwerkes herrührt. Diese Ausführungsform arbei tet nach dem gleichen Prinzip wie die erste Ausfüh rungsform, erlaubt jedoch die Verwendung von aussen angebrachten zweiten Kontaktdichtungen, deren An wendung in gewissen Fällen wünschbar ist.