DE102011122109A1

DE102011122109A1 - Dichtungsvorrichtung und Turbomaschine mit Dichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011122109A1
Application number: DE201110122109
Authority: DE
Inventors: Sebastian HELDNER
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Dichtungsanordnung einer Turbomaschine, insbesondere in einem Flugzeugtriebwerk, gekennzeichnet durch eine Hohlwelle (1, 2), die mit einer hydraulische Dichtung (8) gekoppelt ist, wobei die hydraulische Dichtung (8) eine Nut (9) mit einem radial nach Außen zeigenden Boden aufweist, wobei in der Nut (8) mindestens ein Fluidleitelement (10) angeordnet ist, das im Betrieb in ein sich durch die Fliehkraft bildendes Ölreservoir (20) an der radial äußeren Seite der Nut (9) eintaucht und die hydraulische Dichtung (8) einen getrennten Ölzufluss (21) und Ölabfluss (22) aufweist.

Description

Wellen in einer Turbomaschine, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, dienen der Leistungsübertragung, z. B. von der Turbine zum Kompressor. Bei modernen Flugzeugtriebwerken sind die Wellen häufig als mehrwellige Hohlwellen ausgebildet, z. B. mit zwei Wellen oder drei Wellen. Dabei kommt es gerade bei mehrwelligen Hohlwellen darauf an, dass die Abdichtung zwischen den Wellen effizient erfolgt.
Es besteht die Aufgabe, Dichtungsvorrichtungen zu schaffen, die eine effiziente Abdichtung der Lagervorrichtungen im Betrieb erlauben.
Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dies wird durch eine Hohlwelle einer Turbomaschine erreicht, die mit einer hydraulischen Kupplung gekoppelt ist, wobei die hydraulische Dichtung eine Nut mit einem radial nach Außen zeigenden Boden aufweist, wobei in der Nut mindestens ein Fluidleitelement angeordnet ist, das im Betrieb der Turbomaschine in ein sich durch die Fliehkraft bildendes Ölreservoir an der radial äußeren Seite der Nut Durch das Ölreservoir wird eine Abdichtung erreicht. Zur Verbesserung des Wärmetransportes weist die hydraulische Dichtung vorteilhafterweise jeweils einen getrennten Ölzufluss und Ölabfluss auf, so dass das Ölreservoir von Öl durchströmt werden kann.
Vorteilhafterweise befinden sich der Ölzufluss und der Ölabfluss im selben Druckbereich.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Nut der hydraulischen Dichtung einen polygonalen Querschnitt, insbesondere einen rechteckigen Querschnitt, einen dreieckigen Querschnitt oder einen trapezförmigen Querschnitt, oder einen runden Querschnitt aufweist. Der Boden der Nut kann eine komplexere Form haben, bei der das Volumen der mit Öl gefüllten Nut in einer komplexen Weise von der Tiefe der Nut abhängt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei Fluidleitelemente im Betrieb der Turbomaschine soweit in das Ölreservoir ragen, dass drei Oberflächenbereiche auf dem Ölreservoir entstehen, an denen unterschiedliche Drücke anliegen, wobei an mindestens zwei Oberflächenbereichen der Druck des Ölzulaufs und des Ölablaufs anliegt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen den zwei Fluidleitlelementen ein Oberflächenbereich des Ölreservoirs liegt, an dem ein Druck anliegt, der hoher ist als der Druck an dem Ölzulauf und dem Ölablauf.
Die Aufgabe wird auch durch eine Turbomaschine, insbesondere einer Wellenanordnung, mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Vorteilhaft ist dies besonders, wenn das Flugzeugtriebwerk einen Mehrwellenverdichter aufweist, wobei der innere und der äußere Teil der Dichtungsvorrichtung jeweils mit Wellen unterschiedlicher Drehzahl gekoppelt sind, zum Beispiel einer Hochdruckwelle und einer Niederdruckwelle.
Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Dichtungsvorrichtung vor einem Kompressor eines Flugzeugtriebwerks und/oder im Bereich einer Turbine eines Flugzeugtriebwerks angeordnet ist.
In Zusammenhang mit den Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Wellenanordnung mit einer hydraulischen Dichtung;
1A eine schematische Prinzipskizze einer Abwandlung der Ausführungsform nach 1;
1B eine schematische Prinzipskizze einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform nach 1
2 eine Detailzeichnung einer Ausführungsform einer hydraulischen Dichtung;
3 ein Flugzeugtriebwerk mit einer ersten Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung;
4 ein Flugzeugtriebwerk mit einer zweiten Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung.
In 1 ist in einer Prinzipskizze eine Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung in Zusammenhang mit einer Wellenanordnung dargestellt. Die Wellenanordnung weist zwei Teile 1, 2 auf, die jeweils als Hohlwelle ausgebildet sind. Die beiden Teile der Hohlwelle 1, 2 sind hier nur als ein Ausschnitt angeben; die Hohlwelle kann noch weitere Teile aufweisen.
Die erste Hohlwelle, in 1 rechts angeordnet, ist mit einer hydraulischen Dichtung 8 gekoppelt. Die die hydraulische Dichtung 8 ist unmittelbar an die Hohlwelle 1 angeformt, z. B. durch Ausdrehen.
Eine solche Wellenanordnung mit einer ersten Hohlwelle 1 und einer zweiten Hohlwelle 2 wird z. B. in Turbomaschinen, wie Flugzeugtriebwerken (siehe 3, 4) verwendet. Die Teile der Hohlwelle 1, 2 können dabei z. B. Wellen mit unterschiedlicher Drehzahl einer Mehrwellenturbine mit zwei oder drei Wellen sein.
An der zweiten Hohlwelle 2 ist ein eine hydraulische Dichtung 8 angeordnet, deren Außenteil in der darstellten Ausführungsform einstückig mit einem Teil der zweiten Hohlwelle 2 gebildet ist. In alternativen Ausführungsformen ist die hydraulische Dichtung 8 nicht einstückig mit der zweiten Hohlwelle 2 ausgebildet.
Die hydraulische Dichtung 8 weist eine rotationssymmetrische Nut 9 auf, in die zwei rotationssymmetrische Fluidleitelement 10, 23 eingreifen. Das erste Fluidleitelement 10 erstreckt sich im Wesentlichen radial umlaufend von der zweiten Hohlwelle 2 in die Nut 9. Das zweite Fluidleitelement 23 ist mit der ersten Hohlwelle 1 gekoppelt und ragt ebenfalls in radialer Richtung in das Ölreservoir 20 hinein. Beide Fluidleitelemente 10, 23 liegen somit im Wesentlichen parallel zueinander.
Der Boden der Nut 9 zeigt radial nach Außen. Die Querschnittsfläche der Nut 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel rechteckig ausgebildet.
In 1 ist ferner schematisch dargestellt, dass sich im Betrieb aufgrund der Fliehkraft ein Fluid, im vorliegenden Fall Öl, am radial äußeren Teil der Nut 9 ansammelt, d. h., es bildet sich in der Nut 9 ein ringförmiges Ölreservoir 20. Das scheibenförmige Fluidleitelement 10 taucht in dieses Ölreservoir 20 ein, so dass keine luftführende Verbindung zwischen dem Welleninnenraum und dem Wellenaußenraum besteht. Die hydraulische Dichtung 8 weist von einander getrennt einen Ölzulauf 21 und eine Ölablauf 22 auf, deren Funktion in Zusammenhang mit 2 näher erläutert wird.
Der Querschnitt der Nut 9 muss nicht zwingend rechteckig sein. Andere polygonale Formen, wie z. B. dreieckig (1A) oder trapezförmig (1B) sind möglich. Durch komplexe Ausbildungen der Nut kann der statische Druck im Ölreservoir 20 beeinflusst werden, der von der Tiefe des Ölreservoirs 20 und von der Fluid-Oberfläche, auf die der anliegende Druck wirkt, abhängt. Auch ist es möglich, dass die Nut 9 einen runden oder abgerundeten Querschnitt aufweist.
In 2 ist eine Ausführungsform einer hydraulischen Dichtung 8 im Detail dargestellt. Die Nut 9 ist hierbei mit einem Teil 1 einer äußeren Hohlwelle gekoppelt; im Bespiel einer Hochdruckwelle einer Flugzeugturbine. Das erste Fluidleitelement 10 ist mit einer innerhalb der äußeren Hohlwelle liegenden zweiten Hohlwelle 2 – hier einer Niederdruckwelle – gekoppelt. Sowohl die Hochdruckwelle 1, als auch die Niederdruckwelle 2 rotieren in die gleiche Richtung, was durch die Pfeile darstellt ist. Somit kann sich in der rotationssymmetrischen Nut 9 ein Ölreservoir 20 ausbilden.
Durch die schnell-laufenden Hohlwellen, insbesondere bei einer relativ hohen Relativdrehzahl, werden in der hydraulischen Dichtung 8 Scherkräfte im Dichtungsfluid, hier als Öl, erzeugt, was zur einer Erwärmung führt. Ab einer bestimmten Temperatur verändert sich das Öl chemisch, man spricht von oil coking oder Öl-Verkohlung.
Um das zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn das Öl durch die hydraulische Dichtung 8 hindurchfließen kann, so dass keine übermäßige Erhitzung im Öl erfolgen kann.
Die dargestellte Ausführungsform weist jeweils einen Ölzulauf 21 und einen Ölablauf 22 auf, die voneinander getrennt sind. Somit kann das Öl durch die hydraulische Dichtung 8 strömen, was zu einem verbesserten Wärmeabtransport führt. Der Ölablauf 22 und der Ölzulauf 21 liegen dabei im gleichen Druckbereich.
Dabei weist die hydraulische Dichtung 8 in der Ausführungsform gemäß 2 zwei rotationssymmetrische Leitelemente 10, 23 auf, die in das Ölreservoir 20 eintauchen, so dass im Wesentlichen drei Unterteilungen des Ölreservoirs 20 vorliegen, die sich durch die anliegenden Druckverhältnisse einstellen. Die Fluidleitelemente 10, 23 bilden liegen im Wesentlichen parallel zueinander.
Außerhalb der hydraulischen Dichtung liegt der Druck p₁ an. Im Zwischenraum zwischen ersten Hohlwelle 1 und der zweiten Hohlwelle 2 liegt der Druck p₂ an, der größer ist als p₁.
Die beiden Fluidleitelemente 10, 23 unterteilen die Oberfläche des Ölreservoirs 20 in drei Abschnitte, an die unterschiedliche Drücke p₁, p₂ anliegen.
Das erste Fluidleitelement 10 und das zweite Fluidleitelement 23 tauchen im Betrieb beide in das Ölreservoir 20 ein, wobei der Bereich zwischen den beiden Fluidleitelementen 10, 23 vom Druck p₂ beaufschlagt wird. Auf der Seite des Ölzuflusses 21 liegt der Druck p₁ direkt an. Auf der Seite des Ölabflusses 22 ist eine Bohrung in der Wandung der Nut 9 angeordnet, so dass auch auf hier der Druck p₁ anliegt. Der höhere Druck p₂ drückt daher das Ölreservoir 20 – verglichen mit den beiden benachbarten Ölständen – etwas radial nach außen. Im Ergebnis kann das Öl durch das Ölreservoir 20 hindurch fließen.
Aus Gründen der Einfachheit ist in 2 der Querschnitt der Nut 9 rechteckig ausgebildet. in anderen Ausführungsformen kann der Querschnitt auch andere Formen haben, wie dies z. B. in 1A oder 1B dargestellt ist.
In 3 ist in einer schematischen Schnittansicht ein Flugzeugtriebwerk 100 dargestellt, bei dem eine Ausführungsform der Wellenanordnung zwischen zwei Hohlwellen 1, 2 angeordnet ist. Dabei ist eine hydraulische Dichtung 8 im vorderen Teil des Flugzeugtriebwerks 100 vor dem Kompressor 5 angeordnet. Die innenliegende Niederdruckwelle 2 wird teilweise von der Hochdruckwelle 1 umgeben. An der Hochdruckwelle 1 ist die Nut 9, die hier nur schematisch dargestellt ist, angeordnet. Auf der Niederdruckwelle 2 ist ein Fluidleitelement 10 angeordnet, dass aus Gründen der Einfachheit ebenfalls nur schematisch dargestellt ist.
In 4 ist eine Abwandlung der Ausführungsform der 3 dargestellt. Zusätzlich zur hydraulischen Dichtung 8 im vorderen Teil des Flugzeugtriebwerkes ist auch noch ein hydraulische Dichtung 8A im hinteren Teil im Bereich der Turbine angeordnet. Die hydraulische Dichtung 8A im hinteren Teil des Flugzeugtriebwerks 100 ist besonders vorteilhaft, da auf Grund der höheren Temperaturen und des Öl-Durchflusses das Risiko einer Verkohlung des Öls größer ist.
Bezugszeichenliste

1: erste Hohlwelle, Hochdruckwelle
2: zweite Hohlwelle, Niederdruckwelle
8: hydraulische Dichtung
8A: hydraulische Dichtung
9: Nut
10: erstes Fluidleitelement
20: Ölreservoir in hydraulischer Dichtung
21: Ölzulauf
22: Ölablauf
23: zweites Fluidleitelement
100: Flugzeugtriebwerk

Claims

Dichtungsanordnung einer Turbomaschine, insbesondere in einem Flugzeugtriebwerk, gekennzeichnet durch eine Hohlwelle (1, 2), die mit einer hydraulische Dichtung (8) gekoppelt ist, wobei die hydraulische Dichtung (8) eine Nut (9) mit einem radial nach Außen zeigenden Boden aufweist, wobei in der Nut (8) mindestens ein Fluidleitelement (10) angeordnet ist, das im Betrieb in ein sich durch die Fliehkraft bildendes Ölreservoir (20) an der radial äußeren Seite der Nut (9) eintaucht und die hydraulische Dichtung (8) einen getrennten Ölzufluss (21) und Ölabfluss (22) aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölzufluss (21) und der Ölabfluss (22) im gleichen Druckbereich (p₁) liegen.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (9) der hydraulischen Dichtung (8) einen polygonalen Querschnitt, insbesondere einen rechteckigen Querschnitt, einen dreieckigen Querschnitt oder einen trapezförmigen Querschnitt, oder einen runden Querschnitt aufweist.
Dichtungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Fluidleitelemente (10, 23) im Betrieb soweit in das Ölreservoir (20) ragen, dass drei Oberflächenbereiche auf dem Ölreservoir (20) entstehen, an denen unterschiedliche Drücke (p₁, p₂) anliegen, wobei an mindestens zwei Oberflächenbereichen der Druck (p₁) dem Ölzulauf (21) und dem Ölablauf (22) anliegt.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Fluidleitlelementen (10, 23) ein Oberflächenbereich des Ölreservoirs (20) liegt, an dem ein Druck (p₂) anliegt, der höher ist als der Druck (p₁) an dem Ölzulauf (21) und dem Ölablauf (22).
Turbomaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit einer Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5.
Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Flugzeugtriebwerk (100) mit einem Mehrwellenverdichter ausgebildet ist, wobei eine Hohlwelle (1) Teil einer Hochdruckwelle, eine weitere Hohlwelle (2) Teil einer Niederdruckwelle ist.
Turbomaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dichtungsvorrichtung vor einem Kompressor eines Flugzeugtriebwerks (100) und/oder im Bereich einer Turbine eines Flugzeugtriebwerks (100) angeordnet ist.