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.
Sealing device, in particular for a shaft of an aircraft engine The invention relates to a Dichtungsein direction for a rotatable part, in particular a shaft of an aircraft engine with sealing surfaces, a pressure chamber which is connected to a pressure medium source, for pressurizing the sealing elements between rotatable and 'stationary part while maintaining a higher pressure on the pressure chamber side of the sealing members.
In jet engines of aircraft, the seal between the drive shaft and the stationary parts is difficult because the sealing members are exposed to extreme heat. In addition, there are high speeds and vibrations, and in many cases a considerable relative displacement of the parts as a result of the thermal rotations between the parts to be sealed must also be taken into account. At the same time very high demands are made on the effectiveness and reliability of such seals, since the failure of such a seal can cause serious dangers for the aircraft.
Such a seal is usually present between the sump of the main bearing, it being necessary to seal the shaft against leakage oil from the sump. The known seals act ent neither on the jacket or on the end face of the shaft and generally contain a carbon ring which is supported by the stationary part and has radial or axial rubber parts which ent neither with the shaft itself or with a seal Collar on the same cooperate to seal against oil leakage from the sump.
A pressure chamber outside the lubricant seal is easily seen, which is pressurized; in that a compressor supplies air, which serves both to cool the seal and to generate pressure, but air can pass through the seal into the sump and displaces the lubricant. However, this air, which penetrates through the seal, causes the sump to be pressurized, thereby preventing the lubricant from being conveyed back to the lubricant tank.
The invention is characterized in that there is a sealing collar with a sealing surface which is rotatable together with the rotatable part, that a movable sealing element is supported by a stationary part, and springs are provided which press the sealing element against the sealing collar, with the sealing element is provided with at least one sealing ring, which together with the sealing collar form a first seal, and a pair of spaced apart,
Second seals are present between the sealing element and the stationary part to form the pressure chamber between the think pair of seals, and furthermore the pressure in the pressure chamber can be transmitted to the sealing surfaces through a passage in the sealing ring.
This makes it possible to create a seal which allows relative displacements, has an increased service life, provides a reliable guarantee for lubrication and is able to withstand extremely high temperatures. This is particularly important for jet engines with a high Mach number, since the operating temperature on such flights can become so high that the lubricant that escapes into the air as a result of the leakage flow can ignite or coke and form a hard layer that hinders the seals or attack.
The invention succeeds in creating a seal in which the sealing pressure is comparatively small and the wear and tear is low.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 is a partial section through a jet engine. FIG. 2 is a section through the sealing part of the jet engine according to FIG. 1.
Fig. 3 is a section along the line 3-3 in Fig. 2. Fig. 4 is an enlarged detail from Fig. 2. Fig. 5 is a section through an embodiment variant.
In Fig. 1, an embodiment of the invention is provided together with a jet engine for aircraft is. This jet engine is provided with an outer casing 11 and an inner lining 12, which form a boundary wall for the gas flow channel 13 of a primary gas flow of the engine. A two-stage turbine rotor 14 is connected to a disk 15, which runs coaxially to the gas flow channel 13. The disk 15 carries the turbine blades 16, which protrude radially and protrude into the gas flow channel.
A rotatably mounted shaft 17 is supported by a bearing part 19 via roller bearings 18.
2-4 show an enlarged view of the sealing device in connection with the bearing part 19, an adjacent wall 22 and a sealing device 31, which together form a sump 23 for a lubricant for the ball bearing 18. An annular part 25 is attached to the axial part piece 17a of the shaft 17 and carries a log processing collar 30, which is connected to the annular part 25 of the shaft 17 with a slotted ring 27 and thereby a drive connection between tween the annular part 25 and the Sealing collar 30 causes. The collar 30 includes an end surface 30a (Fig. 4) as the first sealing surface.
The rotatable collar 30 can move in the axial direction relative to the annular part 25, but is relative to the bearing part 19 .in the axial direction, due to a connection via the roller bearing 32. This roller bearing 32 can perform a limited radial movement by creating a radial gap between the ball bearing outer ring 32a and the support part 33 is provided.
The bearing 32 is held in the support part 33 with the aid of a snap ring 34, and the support part 33 is in turn secured to the wall 22 in the same way. In this way, the sealing collar 30 is fixed in the axial direction relative to the stationary bearing part, and at the same time it can be set in rotary motion via the ring 27, together with the shaft 17. A sliding sealing ring 26 is provided for sealing from the sump 23 emerging Lubricant, which is prevented from getting between the turbine shaft and the sealing collar.
The stationary part of the sealing device 31 is supported by a main support 40 which is designed as an extension of the wall 22 of the sump. A flow opening 41 for a pressure medium is located inside the main support 40 and is connected at one end to a line 42 which extends outward and penetrates the wall 22 of the sump and is connected to a pressure source (not shown).
The other end of the flow opening 41 opens into the interior of a chamber 44 to supply pressure fluid for operating the sealing device and to pressurize the sump, as will be described below.
A heat shield 43 serves to shield the radiant heat from the adjacent parts of the jet engine.
Floating sealing elements 45 with the surfaces 40a and 40b are supported by the main support 40 with a sealing member in the form of a ring 45a, which in turn carries an opening for receiving a sealing ring 46. As can be seen from Fig. 4 Lich, the sealing ring 46 is provided on the one end side with two radially spaced apart sealing surfaces 46b and 46c, which are radially spaced and form a plurality of segment-like circumferential grooves 54.
The surfaces 46a-46c together with the rotatable surface of the sealing collar 30a form a first seal.
The sealing ring 45a is also provided with a recess for receiving the ring 45b, against which a plurality of compression springs 48 arranged on the circumference rests, of which only one is shown in FIG. The springs 48 are each compressed between the ring 45b and the main support 40 and press the sealing element against the sealing collar 30. Between adjacent surfaces of the sealing element 45 and the main support 40 there is a pair of second contact seals 50, 51, which seal the closed cause annular chamber 44.
These second seals each have a snap ring, grooves being present in the main surface 40 and opening towards the outside, and these snap rings coming to rest against the surfaces 40a and 40b on the sealing parts 45b and 46. The parts 45b and 46 are preferably made of carbon or another non-metallic material for better sealing against the sealing rings 50 and 51. For this reason, these parts are not made of a single piece with the sealing ring 45a, which is preferably made of metal .
The sealing ring 46 has a plurality of circumferentially spaced apart axial passages 53, each of which opens into the interior of the chamber 44. At its other end, these passages 53 are connected to one of the widening in the circumferential direction of the groove-like recess 54, which is thus limited by the ring 46 and the sealing surface 30a. In the liquid channel 53 is a throttle opening 55 which is used to control the flow through this opening. The pressure drop of the pressure medium in the channel 53 can be influenced by this throttle opening 55 and thereby controls the pressure in the depressions 54.
This device could also be replaced by other pressure regulating devices in order to control the pressure in the depressions 54, if necessary by using different openings arranged in series, the same pressure drop being achieved by using a larger opening that is less prone to clogging.
A shield 56 prevents lubricant from being sprayed directly from the sump onto the sealing device, thereby increasing the effectiveness of the sealing device.
When this device is in operation, the lubricant is passed through lines (not shown) to the ball bearing 18 and then collects in the sump 23. The turbine shaft 17 rotates and thereby drives the sealing collar 30 via the ring 27. The bearing 32 sets the collar 30 in the axial direction in order to limit the movement of the collar relative to the main seal support 40, which occurs as a result of the thermal expansion of the turbine shaft or for other reasons. The sealing element 45 and the nose 46 connected to it are pressed against the collar by the springs 48, so that the surfaces 30a and 46a form a first seal.
A second seal 50, 51 is made between the sealing element 45 and the main support 40.
In conventional sealing devices, there is rubber contact between the sealing surfaces, for example between surfaces 30a and 46a, which results in wear. In order to avoid this or to keep the contact as low as possible and also to prevent lubricants from leaking outwards from the sump 23 via the second seals 50 and 51, a medium under pressure is passed through the line 42 and the flow opening 41 guided into chamber 44. From this chamber 44, a small part of this pressure medium passes through the two sealing rings 50 and 51, and this pressure medium counteracts a leakage flow of lubricant.
The flow through the throttle openings 55 into the cavities 54 causes a high pressure in each of these cavities 54 in such a way that the air cushions exert a first force on the sealing ring 46 in order to push it away from the collar 30 while overcoming the contact pressure of the spring 48 the medium can flow off. This flow is indicated by arrows 60, the majority of this flow flowing downwards in the direction towards the sump 23 or radially outwards, since the surface 46c of the sealing nose is smaller than the surface 46b lying in the radial direction, which causes there there is less resistance to the flow outflow.
This flow counteracts a leakage flow of lubricants which flows from the sump 23 via the first sealing device, limits such a flow and also serves to pressurize the sump 23 and to cool the seal and the parts interacting with the sump.
By creating such a pressure zone in the cavities 54 and pushing the sealing ring 46 away from the collar 30, a constant flow of the high pressure medium arises and causes the two sealing elements to be pressed apart during operation, so that only a slight contact arises between these relatively movable parts, which reduces wear. At least three cavities 54 are arranged around the sealing point in order to ensure an even distance and to cause the sealing device to self-center.
A second force which acts on the sealing ring 46 is created by the pressurized medium in the chamber 44, which acts on the end face 47 of the nose and partially counteracts the lifting force. This force is generated by arranging a second contact seal 50, 51 on different union radii, the end faces 47 being exposed to the pressure of the medium in the chamber 44. In this way, a self-regulating seal is created in such a way that when the first sealing device has a lift-off which is larger than normally seen before, the medium in the cavities 54 causes
that its pressure drops as a result of the increased medium flow from the chamber between the sealing surface 30a and 46a. The lifting force on the annular surface 46a decreases, as a result of which the medium exerts a force on the end face 47 and causes the separating gap to close, in that the ring 46 is pressed more strongly against the collar 30.
Similarly, if the lifting of the first sealing device is less than normal, the pressure in the cavity 54 increases as a result of the lower drainage relative to the chamber 44, whereby the ring 46 causes a slight opening of the first sealing device. The flow rate of the medium from the chamber 44 into the cavity 54 and thus the flow rate to compensate for high pressure differences in the gap of the first sealing device is controlled by the size of the throttle opening 55.
The sufficient medium force on the floating sealing element 45 is relatively little influenced by pressure changes in the gas that is supplied to the chamber 44, since this gas pressurizes both the chambers 44 and the cavities 54.
A further advantageous effect arises from the fact that the second ring 51 with the sealing surfaces 40b are arranged on the same radius which corresponds to the pressure center which acts on the larger diameter 46b. In this way, the positioning of the floating sealing device is made largely insensitive to changes in the medium pressure. which originates from the medium and surrounds the sump wall 22 and the shield 43. These pressures balance each other out during operation.
It can be seen from this that the described sealing device is self-centering as a result of the lifting between the sealing nose 46 and the collar 30 and the leakage oil, which could either pass through the first or second seal, is largely canceled out by a counterflow of pressure medium.
This sealing arrangement also allows axial movements between the rotating parts, for example thermal expansions of the parts which are provided to compensate between the collar 30 and the shaft 17 and which have all the necessary freedom of axial movement with respect to the seal in that they are floating on the sealing element 45.
Since the spring and the medium pressure, which act on the sealing element 45, are balanced, the space between the first sealing surface is controlled so that only a narrowly limited contact and leakage flow occurs, so that the flow of pressure medium to a necessary Minimum is limited in order to reduce the passage of the lubricant to the necessary minimum.
This sealing device also offers advantages during assembly. Through the open end of the main support 40, the sealing element 45 can easily be inserted in the axial direction and brought into the correct position with respect to the second sealing elements. Here on the collar 30 is attached and brought into sealing connection with the snap ring 27, secured with the support part in its position and held by a snap ring 33a. The seal can thus be easily installed and removed.
In Fig. 5, a further embodiment is shown. A stationary turbine frame 58 and a sump wall 59 are fastened to one another and enclose a turbine shaft 60 and a sump 61 for the lubricant of the bearing. 62. This bearing 62 serves to support the rotating parts on the stationary part of the device according to FIG. 1.
In contrast to the first embodiment, a sealing collar 64 is formed as part of the shaft 60 in FIG. 5 or attached to it without an axial movement being provided. This simplification is possible when the relative axial movement between the turbine shaft and the frame is so small that the freedom of axial movement allows a floating sealing element to be used according to the following description.
A first seal carrier 70 is attached to the sump wall 59 and supports a floating sealing element 71 on which a sealing ring 72 is attached, for example made of coal. As a result, a first sealing device with a sealing surface 64a is formed on the sealing collar 64. A plurality of springs 75 spaced apart from one another in the circumferential direction are clamped between the seal carrier 70 and the sealing element 71 and press the sealing ring 72 against the sealing collar 64.
In this embodiment, there are also two second contact seals 77 and 78, which are carried by the seal housings 79 and 80. These allow different axial movement between the sealing element 71 and the device carrier 70, while the leakage flow between these parts is limited.
The Dichtungsein directions also contain segment rings 81, 82, wel che the seal housings 79 and 80 hold together with the help of rings 79a and 80a, with the help of spring washers 83 and 84, which press the seals against the sealing surface 71a and 71b. Furthermore, springs 86, 87 are present between the sealing elements and the ring parts 79a and 80a, which press the sealing segments against the Dichtsträ ger in a sealing arrangement. A feed line 90 for a pressure medium opens into the chamber 91, which is formed between the sealing element 71 and the seal carrier 70.
This supply line 90 is connected to a pressure source (not shown), for example compressed air or compressed gas, the latter preferably being inert. The leakage gas flows from the chamber 91 to a small extent through the contact seals 77 and 78 and - as described in the first embodiment - prevents leakage of oil from the sump 61 in the opposite direction. The pressure medium can flow through a plurality of passages 93 which are provided in the sealing element 71, as well as through passages 94 in the sealing ring 72 into one of a plurality of circumferential openings 95.
These peripheral openings 95 are on the opposite side of the sealing surface 74a. The function is the same as in the first described embodiment and both prevent a flow of lubricant from the sump 61 and cause the maintenance of the first sealing area in a distant arrangement in order to keep contact and thus wear within narrow limits. The axial arrangement of the sealing element 71 has a determining effect on the balancing of the spring and the medium pressure, originating from the force which acts on the sealing element in the same way as shown in FIG.
A screen 98 is mounted in the chamber 9'1 and prevents foreign bodies from penetrating into the chamber 91 and thus damaging the first and second sealing devices. A heat shield 99 is provided to shield the seals from radiant heat emanating from adjacent parts of the engine. This embodiment works on the same principle as the first embodiment, but allows the use of externally attached second contact seals, the use of which is desirable in certain cases.