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Die
Erfindung betrifft eine siphonartige hydraulische Dichtung zwischen
zwei konzentrisch angeordneten, mit einer Geschwindigkeitsdifferenz
rotierenden Wellen, insbesondere der in entgegengesetztem Drehsinn
rotierenden Hoch- und Niederdruckwellen eines Gasturbinentriebwerks,
wobei an der äußeren Welle
ein sich radial nach innen erstreckender und offener Ringraum mit
einer in diesem durch Zentrifugalkräfte gehaltenen Hydraulikfluidsperre
ausgebildet ist, in die ein an der inneren Welle gehaltener ringförmiger Sperrsteg
ragt.
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Hydraulische
Dichtungen der eingangs erwähnten
Art sind beispielsweise aus der
US
6 568 688 , der
US 6
164 658 , der
US 6 860
463 oder der US 2003/0168815 bekannt. Sie dienen dazu,
konzentrisch angeordnete und mit unterschiedlicher Drehzahl rotierende
Wellen, beispielsweise die Hoch- und die Niederdruckwelle eines
Flugzeugtriebwerks und damit den Hoch- und den Niederdruckbereich,
gegeneinander abzudichten. Eine weitere wichtige Funktion des Hydraulikfluids
besteht in seiner Kühlwirkung
während
der Durchströmung
des siphonartigen Ringraums sowie in der anschließenden Nutzung
als Schmiermittel für
ein Wellenlager. Die bekannten hydraulischen Dichtungen sind jedoch
insofern nachteilig, als es aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit
des in dem Ringraum der Hochdruckwelle mit hoher Drehzahl rotierenden
Hydraulikfluids und des zwar gleichsinnig, aber mit deutlich geringerer
Drehzahl rotierenden, in das Hydraulikfluid ragenden Ringsteges
an der Niederdruckwelle – bedingt
durch die Reibung zwischen dem Ringsteg und dem Hydraulikfluid – zu einer
erheblichen Erwärmung
kommen kann und infolge dessen eine ausreichende Kühlung im
Bereich der Dichtungsanordnung nicht gewährleistet ist. Das Hydraulikfluid bzw.
das als Hydraulikfluid dienende Öl
kann soweit erhitzt werden, dass es zu einer Ölverkokung kommen kann.
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Weitaus
größere Probleme
ergeben sich, und zwar zusätzlich
zu der oben erwähnten
Erwärmung,
wenn die beiden konzentrisch angeordneten Wellen in entgegengesetzter
Richtung rotieren. Aufgrund des negativen Geschwindigkeitsunterschieds zwischen
dem mit dem Ringraum (an der Hochdruckwelle) rotierenden Hydraulikfluid
und dem in dieses eintauchenden, in entgegengesetztem Drehsinn rotierenden
Ringsteges wird die Fluidgeschwindigkeit durch Reibungsverluste
so stark verringert, dass die Fliehkräfte nicht mehr ausreichen,
das Hydraulikfluid in dem Ringraum zu halten, und die hydraulische Dichtung
zusammenbricht und somit die Abdichtung der Niederdruckseite gegenüber der
Hochdruckseite nicht gewährleistet
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Dichtung
für konzentrisch
angeordnete Wellen anzugeben, die auch bei gegensinnig rotierenden
Wellen eine sichere Abdichtung gewährleistet und sowohl bei gleichsinnig
als auch bei gegensinnig rotierenden Wellen eine übermäßige Erhitzung
und dementsprechende Reibungsverluste, eine verminderte Kühl- und
Schmierwirkung sowie erhöhten
Verschleiß verhindert.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 ausgebildeten hydraulischen Dichtung gelöst.
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Der
wesentliche Erfindungsgedanke besteht in der in Umfangsrichtung
der inneren Welle beweglichen Anordnung bzw. Ausbildung des in die
rotierende Hydraulikfluidsperre ragenden Sperrsteges, so dass dieser
der schnelleren Drehbewegung oder sogar der entgegengesetzten Drehbewegung
der mit der Hochdruckwelle rotierenden Hydraulikfluidsperre gewissermaßen folgen
kann, das heißt,
in eine der Rotation der Hydraulikfluidsperre entsprechende Drehbewegung
versetzt wird und dadurch der Geschwindigkeitsunterschied zwischen
dem Ringraum samt Hydraulikfluidsperre und dem Sperrsteg weniger
groß ist
und bei gegensinnig rotierenden Wellen in jedem Fall positiv bleibt.
Das heißt,
bei gegensinnig rotierenden Wellen dreht sich der Sperrsteg dennoch
in der Drehrichtung der Hydraulikfluidsperre. Die an der inneren
Welle drehbare, in der Hydraulikfluidsperre schwimmende Lagerung
des Sperrsteges sorgt bei gleich- und gegensinnig rotierenden Wellen für eine Verringerung
der Reibung, der Wärmeerzeugung,
der Reibungsverluste und des Verschleißes sowie für eine verbesserte Kühl- und
Schmierwirkung. Sie ermöglicht überhaupt
erst das Betreiben eines Triebwerks mit gegensinnig rotierenden
konzentrisch angeordneten Wellen, da eine im positiven Bereich liegende
Geschwindigkeitsdifferenz und somit die Ausbildung einer stabilen
Hydraulikfluidsperre gewährleistet
ist.
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In
zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung besteht der Sperrsteg gemäß einer ersten Ausführungsform
aus einem fest mit der inneren Welle und mit dieser rotierenden
ringförmigen
Teil und einer dieses im oberen Bereich unter Freilassung eines
allseitigen Luftspaltes umgebenden ringförmigen, am Innenumfang offenen
Hohlscheibe, die schwimmend und drehbeweglich in die Hydraulikfluidsperre
eintaucht.
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Gemäß einer
noch anderen Ausführungsvariante
umfasst der Sperrsteg einen unmittelbar am Umfang der inneren Welle
an einem abgewinkelten Luftspalt drehbeweglich angeordneten und
axial gehaltenen sowie in der Hydraulikfluidsperre schwimmend gelagerten
Ring, wobei der Luftspalt zwischen einer jeweils senkrechten Lagerfläche an der
Welle und an dem Ring sowie zwischen der Innenumfangsfläche und
der Außenumfangsfläche des
Ringes bzw. der Welle gebildet ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß einer dritten Ausführungsform
besteht der Sperrsteg der hydraulischen Dichtung aus einem unmittelbar
am Umfang der inneren Welle über
einen geraden Luftspalt drehbeweglich und schwimmend in der Hydraulikfluidsperre
gelagerten Ring, dessen oberer Rand an einem in der Hydraulikfluidsperre
angeordneten Gleitring gelagert ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Teilschnittansicht im Abdichtungsbereich zwischen der Niederdruckwelle
und der Hochdruckwelle eines Gasturbinen-Triebwerks in einer ersten
Ausführungsform
der hydraulischen Dichtung;
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2 den
Abdichtungsbereich nach 1, jedoch mit einer zweiten
Ausführungsform
der hydraulischen Dichtung; und
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3 den
Abdichtungsbereich nach 1, jedoch mit einer noch anderen – dritten – Ausführungsform
der hydraulischen Dichtung.
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In
der in den 1 bis 3 wiedergegebenen
Teilschnittansicht eines Zweiwellen-Gasturbinentriebwerks bezeichnet
das Bezugszeichen 1 eine erste innere Welle, hier die Niederdruckwelle,
und das Bezugszeichen 2 eine zweite äußere Welle, hier die mit größerer Drehzahl
und in entgegengesetzter Richtung rotierende Hochdruckwelle. Die
gemeinsame Rotationsachse der konzentrisch angeordneten Wellen 1 und 2 trägt das Bezugszeichen 3.
Unterhalb eines Lagers der zweiten Welle (Hochdruckwelle) befindet
sich ein Niedrigdruckbereich 5, der durch eine zwischen
den konzentrisch angeordneten Wellen 1 und 2 angeordnete
hydraulische Dichtung 6 von einem Hochdruckbereich 7 getrennt
ist. Ein Luftaustausch zwischen dem Niedrigdruckbereich 5 und dem
Hochdruckbereich 7 soll durch die hydraulische Dichtung 6 weitestgehend
verhindert werden. Schließlich
bezeichnet das Bezugszeichen 8 noch eine zwischen der ersten
Welle 1 und der zweiten Welle 2 angeordnete mechanische
Dichtung, die zur gegenseitigen Abdichtung im Stillstand der beiden Wellen 1, 2 dient.
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Die
hydraulische Dichtung 6 umfasst einen in Form eines U-Profils
an der Innenfläche
der zweiten Welle 2 umlaufenden, zur ersten Welle 1 hin
offenen Ringraum 9, der von einem ersten umlaufenden Schenkel 10a eines
Winkelprofils 10 und einem zweiten umlaufenden Schenkel 11 begrenzt
ist, die senkrecht von der Innenfläche der äußeren (zweiten) Welle 2 abstreben.
In den Ringraum 9 ragt ein senkrecht zur Außenfläche der
ersten Welle 1 angeordneter, im Abstand vom Boden des Ringraums 9 endender
ringförmiger
(umlaufender) Sperrsteg 12. Bestandteil der hydraulischen
Dichtung 6 sind weiterhin im Niedrigdruckbereich 5 angeordnete Ölzufuhrdüsen (nicht dargestellt), über die
dem Ringraum 9 ein Hydraulikfluid (Hydrauliköl, das gleichzeitig
als Schmiermittel für
das Lager 4 dienen kann) zugeführt wird. Unter der Wirkung
der im Betrieb des Triebwerks durch die rotierenden Wellen 1, 2 auf
das Hydraulikfluid ausgeübten
Zentrifugalkräfte
bildet sich in dem Ringraum 9 eine diesen im Wesentlichen
füllende
Hydraulikfluidsperre 14, in die der von der ersten Welle 1 ausgehende
Sperrsteg 12 hineinragt und so den Niedrigdruckbereich 5 vom
Hochdruckbereich 7 im Wesentlichen gasdicht trennt und
einen Luftaustausch verhindert.
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Bei
dem vorliegenden Gasturbinen-Triebwerk rotieren die Niederdruckwelle
(innere Welle 1) und die Hochdruckwelle (äußere Welle 2)
in zueinander entgegengesetztem Drehsinn, so dass – bei einem
nach dem Stand der Technik ausgebildetem Sperrsteg – die Geschwindigkeitsdifferenz
in der mit dem Ringraum 9 der zweiten Welle 2 (Hochdruckwelle)
rotierenden Hydraulikfluidsperre 14 zwischen dem jeweils
von den Schenkeln 10a und 11 begrenzten Randbereich
und dem gegenüberliegenden,
an den mit der ersten Welle 1 (Niederdruckwelle) rotierenden Sperrsteg 12 grenzenden
mittleren Bereich bei einer herkömmlich
ausgebildeten hydraulischen Dichtung einen negativen Wert aufweisen
würde.
Die dadurch bedingten Reibungskräfte
wären in
einem solchen Fall derart hoch, dass zum einen das Hydrauliköl übermäßig stark
erhitzt wird und somit ein erhöhter Verschleiß, Ölverkokung
und verminderte Kühlwirkung
auftritt. Eine Erhitzung des Hydrauliköls und damit verbundene hohe
Reibungskräfte,
die zu einer Erhöhung
des Verschleißes
führen,
sind bereits aufgrund des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen der
ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 im übrigen auch
bei der siphonartigen hydraulischen Abdichtung von zwei gleichsinnig
rotierenden konzentrisch angeordneten Wellen 1, 2 zu
verzeichnen. Aufgrund der negativen Geschwindigkeitsdifferenz bei gegensinnig
rotierenden Wellen und einer herkömmlich ausgebildeten hydraulischen
Dichtung wären
jedoch die in bzw. an der Hydraulikfluidsperre wirkenden Reibungskräfte derart
hoch, dass die Ausbildung einer stabilen Hydrau likfluidsperre in
dem Ringraum nicht gewährleistet
und somit die Dichtung nicht funktionsfähig wäre.
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Dieses
Problem wird, wie oben dargelegt, durch eine in Umfangsrichtung
der ersten Welle 1 bewegliche, schwimmende Ausbildung des
in die Hydraulikfluidsperre 14 ragenden Sperrsteges 12 gelöst, so dass
der Sperrsteg 12 trotz des bei Hoch- und Niederdruckwellen üblichen
Geschwindigkeitsunterschieds oder gar des entgegengesetzten Drehsinns der
ersten und zweiten Welle 1, 2 der Drehrichtung der
Hydraulikfluidsperre 14 folgen kann und die Geschwindigkeitsdifferenz
in der Hydraulikfluidsperre 14 zwischen den Innenflächen der
Schenkel 10a, 11 des Ringraums 9 und
den gegenüberliegenden
Flächen
des Sperrsteges 12 gering ist und selbst bei gegenläufig rotierenden
Wellen 1, 2 nicht negativ ist, so dass Erwärmung, Reibung,
Reibungsverluste und Verschleiß begrenzt
sind.
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Gemäß der in 1 dargestellten
Ausführungsform
einer hydraulischen Dichtung 6 mit beweglich und schwimmend
ausgebildetem, ringförmigem
Sperrsteg 12 umfasst der Sperrsteg 12 ein fest mit
der ersten Welle 1 (Niederdruckwelle) verbundenes und sich
mit dieser drehendes Teil 12a, das von einer ringförmigen,
am Innenumfang offenen Hohlscheibe 15 umgeben ist. Die
Hohlscheibe 15 ist in dem Sperrmedium schwimmend gelagert.
Zwischen dem ringförmigen
Sperrsteg 12 und der ringförmigen Hohlscheibe 15 verbleibt
ein allseitiger Luftspalt 23. Der Innendurchmesser und
die Innenweite der Hohlscheibe 15 sind größer als
der Durchmesser und die Breite des mit der inneren Welle 1 rotierenden
Teils 12a. Die Hohlscheibe 15 kann sich dadurch – unabhängig von
der langsameren oder gar gegenläufigen Drehbewegung
der ersten Welle 1 und damit des Sperrsteges 12 bewegen
und der Rotation der Hydraulikfluidsperre 14 folgen. Durch
die somit nur in sehr geringem Umfang auftretenden Reibungskräfte bleibt die
Hydraulikfluidsperre 14 und damit die Funktionsfähigkeit
der hydraulischen Dichtung 6 für konzentrisch angeordnete
Wellen auch bei entgegengesetztem Drehsinn erhalten und durch die
verminderten Reibungskräfte
wird – im übrigen auch
bei gleichsinnig rotierenden Wellen 1, 2 – die Erhitzung
der Hydraulikfluidsperre 14 und damit der Verschleiß minimiert.
Die ringförmige
Hohlscheibe 15 ist so dimensioniert, dass die freien Kanten
ihrer Seitenwände
in jedem Fall außerhalb
der Hydraulikfluidsperre 14 liegen und der für die schwimmende,
reibungsfreie Lagerung der Hohlscheibe 15 erforderliche
freie Luftzugang gewährleistet
ist. Die dadurch bedingte Luftleckage zwischen dem Hochdruckbereich 7 und
dem Niederdruckbereich 5 ist vernachlässigbar klein.
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2 zeigt
noch eine andere Ausführungsform
eines schwimmend gelagerten, einteiligen losen Sperrsteges 16,
der nicht mit der Welle 1 fest verbunden ist, sondern auf
einem Luftpolster in dem zwischen der Außenumfangsfläche der
ersten Welle 1 und der Innenumfangsfläche des ringförmigen,
losen Sperrsteges 16 freibleibenden Luftspalt 17 und
in der Hydraulikfluidsperre 14 schwimmend gelagert ist. Der
im Bereich des Innenumfangs stärker
dimensionierte lose Sperrsteg 16 weist zum Niedrigdruckbereich 5 hin
eine zusätzliche
seitliche Lagerfläche 18 auf,
die mit einer an der ersten Welle 1 ausgebildeten Lagerfläche 19 zur
Begrenzung der Axialbewegung des losen Sperrsteges 16 korrespondiert.
Der Luftspalt 17 ist somit winklig ausgebildet. Über den Luftspalt 17 tritt
auch bei dieser Ausführungsform
eines Sperrsteges 16 eine vernachlässigbar kleine, und gegenüber der
ersten Ausführungsvariante
verringerte Leckage bei verminderter Reibung auf.
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Eine
dritte Ausführungsvariante
der hydraulischen Dichtung mit einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel
nach 2 abgewandelten Ausbildung und Halterung eines
losen Sperrsteges 20 ist in 3 wiedergegeben.
In diesem Fall ist der Sperrsteg 20 über ein in einem geraden Luftspalt 21 gebildetes
Luftpolster in der Hydraulikfluidsperre 14 schwimmend gelagert
und auf der Niedrigdruckseite axial an einem im Ringraum 9 und
damit in der Hydraulikfluidsperre 14 angeordneten Gleitring 22 gehalten.
Die Reibfläche
zwischen dem Sperrsteg 20 und der Oberfläche der
ersten Welle 1 ist in diesem Fall gering. Zudem ist auch
die Reibung an dem in der Hydraulikfluidsperre 14 angeordneten
Gleitring 22 aufgrund der Schmierwirkung des Hydrauliköls gering.
Zur Begrenzung der axialen Bewegung des Sperrsteges 20 innerhalb
des Ringraumes 9 in Richtung des Hochdruckbereichs 7 ist
am Umfang der ersten Welle 1 ein Anschlagring 24 befestigt.
(Ein derartiger Anschlagring kann im übrigen auch bei der in 2 dargestellten
Ausführungsvariante
vorgesehen sein.) Die Reibung ist bei dieser auch konstruktiv einfachen
dritten Variante gering.
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Der
lose Sperrsteg 16 bzw. 20 besteht vorzugsweise
aus einem leichten Kohlenstoffmaterial. Die Wirkung des an der ersten
Welle 1 drehbeweglich und axial begrenzt beweglich gehaltenen
Sperrsteges 16 oder 20 entspricht der im ersten
Ausführungsbeispiel
beschriebenen Wirkung des unter Verwendung einer ringförmigen Hohlscheibe 15 lose ausgebildeten
zweiteiligen Sperrsteges 12, das heißt, aufgrund der losen, schwimmenden
Anordnung des Sperrsteges 16 bzw. 20 in der Hydraulikfluidsperre 14 kann
der Sperrsteg von der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Hydraulik-Sperrschicht mitgenommen
werden, so dass die Geschwindigkeitsdifferenz der Schenkel 10a, 11 des
Ringraums 9 gegenüber
dem Sperrsteg 16 bzw. 20 oder der Geschwindigkeitsunterschied
in dem Sperrmedium selbst gering ist und auch bei entgegengesetzt
rotierenden Wellen 1, 2 immer noch positiv ist.
Das heißt, die
Funktion der hydraulischen Dichtung ist auch bei gegensinnig rotieren den
Wellen gewährleistet,
und zwar bei geringer Reibung, geringer Erwärmung und geringem Verschleiß, wobei
die zuletzt genannten Vorteile selbstverständlich auch bei gleichsinnig
rotierenden Wellen zu verzeichnen sind.
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- 1
- innere
Welle (Niederdruckwelle)
- 2
- äußere Welle
(Hochdruckwelle)
- 3
- Rotationsachse
- 5
- Niedrigdruckbereich
- 6
- hydraulische
Dichtung
- 7
- Hochdruckbereich
- 8
- Mechanische
Dichtung
- 9
- Ringraum
- 10
- Winkelprofil
- 10a
- erster
umlaufender Schenkel
- 11
- zweiter
umlaufender Schenkel
- 12
- ringförmiger Sperrsteg
- 12a
- festes
Teil v. 12
- 14
- Hydraulikfluidsperre
- 15
- ringförmige Hohlscheibe
- 16
- ringförmiger Sperrsteg
- 17
- winkliger
Luftspalt
- 18
- seitliche
Lagerfläche
v. 16
- 19
- seitliche
Lagerfläche
v. 1
- 20
- ringförmiger Sperrsteg
- 21
- gerader
Luftspalt
- 22
- Anschlagring
- 23
- Luftspalt
zw. 12a u. 15
- 24
- Anschlagring