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Einrichtung zum Abdichten und Schmieren von hochbeanspruchten Welleniagem
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ab-
dichtung und Schmierung von
hochbeanspruchten Wellenlagem in Hochleistungsturbomaschinen, insbesondere in Flüssigkeitsraketentriebwerken
für Fluggeräte, mit einem Druckmedium als Sperr- und Schmiermittel, einer Druckquelle
und mindestens einem von einem Führungsdruck selbsttätig gesteuerten Drosselorgan
für dieses Druckmedium, dessen Druck an der Druckquelle stets etwas höher gehalten
ist als der Druck eines an einer Wellendichtung zu sperrenden aggressiven Mediums.
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Bekanntlich hängt die Lebensdauer eines Wellenlagers neben seiner
statischen und dynamischen Belastung sehr stark von dem Druck, der Temperatur und
der Art des das Lager umgebenden Mediums ab. Dies gilt in besonderem Maß für Wellenlager
der hier in Frage stehenden Art, die gegen das sie umgebende Medium abgedichtet
werden müssen. Eine derartige Dichtung wird jedoch nicht nur von dem das Lager umgebenden
Medium angegriffen, sondern sie muß auch dem Druck des demWellenlager zugeführten
Schmiermittels standhalten. Die Lebensdauer eines hier in Frage stehenden Lagers
ist also, seine richtige Dimensionierung vorausgesetzt, abhängig von der Standzeit
seiner Dichtung, die dem Differenzdruck zwischen dem inneren Lagerdruck und dem
Druck des das Lager umgebenden Mediums ausgesetzt ist.
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Bei modernen Triebwerken mit extrem niedrigen Leistungsgewichten und
kompakter Bauart nimmt dieser Differenzdruck an der turbinenseitigen Dichtung solch
hohe Werte an, daß herkömmliche Einrichtungen zum Abdichten der Wellenlager nicht
mehr ausreichend sind. Die Druckdifferenz kann zwar durch Hintereinanderschalten
einer Vielzahl herkömmlicher Dichtungen abgebaut werden. Dies würde aber eine große
Baulänge und eine Vergrößerung des Fluggewichtes bedeuten, wie sie bei Hochleistungstriebwerken
nicht tragbar sind.
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Es ist auch bereits bekannt, ein unter Druck stehendes Medium durch
ein anderes, als Sperrmittel wirkendes Medium am Durchtritt durch eine Dichtung,
Stopfbüchse od. ä. zu hindern. In der Zeichnung zu der deutschen Patentschrift
954 657 beispielsweise wird eine Einrichtung gezeigt, durch die die heißen
Turbinengase durch Kaltgase abgesperrt werden. Die Kaltgase ihrerseits werden durch
das Lagerschmiermittel vom Lager ferngehalten. Ein gewisser Durchsatz an Sperrgas
und Sperrflüssigkeit unter Druckverlust ist dabei unvermeidlich.
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Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, die Schmiermittelversorgung
der Wellenlager den jeweiligen Betriebsverhältnissen anzupassen, da wegen der hohen
und unterschiedlichen Drehzahlen die herkömmlichen Schmierverfahren nicht mehr ausreichen,
wenn nicht zusätzlich Kühlmaßnahmen getroffen werden, um die Lagerwärme abzuführen.
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Ferner müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, wenn ein solches
Arbeitsmedium gewählt oder eine solche, das Lager umgebende Atmosphäre vorhanden
ist, die beim Zusammentreffen mit dem Schmiermittel heftig reagiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Einrichtung
zum Abdichten und Schmieren von hochbeanspruchten Wellenlagern zu schaffen, die
die vorstehend genannten Schwierigkeiten überwindet und die hochbeanspruchten Wellenlager
gegen die Druckschwankungen des sie umgebenden Mediums abschirmt und sie gleichzeitig
über den gesamten Betriebsdrehzahl- und Belastungsbereich einschließlich des Anlaufvorganges
annähernd verlustlos mit Schmiermittel versorgt, ohne daß hierbei Arbeitsmedium
in das Lager eindringen kann.
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Diese Aufgabe ist daduqh gelöst, daß auf einer ein Gehäuseteil durchdringenden
Welle eine turbinenseitige Dichtung und benachbart hierzu eine Folge von aus Lagern
und Dichtungen bestehenden Drosselstellen angeordnet sind, die in ihrer Drosselwirkung
unter Berücksichtigung eines bestimmten, auf das Ende dieser Folge von Drosselstellen
wirkenden Gegendrucks bzw. Druckbereichs abgestimmt und für eine bevorzugte Durchflußrichtung
für das Druckmedium ausgelegt ist, und daß in dem Gehäuseteil zwischen der turbinenseitigen
Dichtung
und dem benachbart angeordneten Lager ein Zufluß für das
Druckmedium vorgesehen ist, daß ferner das Drosselorgan führungsseitig eine Verbindung
zu dem aggresiven Medium aufweist, dies alles in derartiger Anordnung, daß der jeweils
an der turbinenseitigen Dichtung wirksame Differenzdruck zwischen aggressivem Medium
und Druckmedium über alle Betriebsverhältnisse so klein gehalten ist, daß die Druckdifferenz
an einer vorbestimmten Stelle in dieser Dichtung gegen Null geht und somit an dieser
Dichtung kein Durchfluß erfolgt, während andererseits die Druckdifferenz zwischen
Zufluß und Ende der Drosselfolge auch bei kleinen Führungsdrücken ausreicht, um
den Durchfluß des Druckmediums zu sichern.
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Auf diese Weise wird eine turbinenseitig hohen unterschiedlichen Drücken
ausgesetzte Dichtung lagerseitig durch den stetig dem Spaltdruck der Turbine nachgeführten
Öegendruck des Druckmediums entlastet. Der für die Standzeit der Dichtung maßgebliche
Differenzdruck ist nunmehr so klein, daß auch bei den höchsten vorkommenden turbinenseitigen
Drücken herkömmliche Dichtungen verwendet werden können. Neben einem geringen Fluggewicht
ergibt sich durch die Erfindung gegenüber mehreren hintereinandergeschalteten Dichtungen
eine kurze Einbaulänge der Turbinenwelle und damit eine niedrige Wechselbiegebelastung.
Dies wirkt sich 'besonders günstig auf das Drehzahlverhalten der Welle aus.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, daß eine Pumpe
als Druckquelle für das Druckmedium, vorzugsweise auf der abzudichtenden Welle und
benachbart dem Ende der Folge von Drosselstellen angeordnet ist und hochdruckseitig
eine Verbindung mit dem Drosselorgan und parallel hierzu eine Verbindung zu einem
oder mehreren Hauptverbrauchern und niederdruckseitig eine Verbindung mit einem
unter einem gewissen Vordruck stehenden Vorratsbehälter für das Druckmedium aufweist,
derart, daß das hochdruckseitig dem Verbraucherstrom entnommene Druckmedium nach
Durchströmen des Drosselorgans und der Folge von Drosselstellen niederdruckseitig
in den Vorlauf der Pumpe mündet und einen geschlossenen Regelkreis bildet.
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Das Schmiermittel ist beim Durchströmen der Folge von Lagern und Dichtungen
einem bestimmten Druckabbau unterworfen. Hierzu sind die vorzugsweise auf einer
gemeinsamen Welle angeordneten Lager und Dichtungen entsprechend den auftretenden
Betriebsdrücken so auf die Regelstrecke oder einen Regelkreis abgestimmt, daß sie
in ihrer Folge als Drossel wirken.
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Entsprechend dem Drehzahlverhalten der Lager ändert sich die Drosselwirkung
dieser Folge. So wächst beispielsweise mit steigender Drehzahl der Turbine
- also mit steigender Belastung der Turbine und der Dichtung - die
Drosselwirkung im Sinne der Regeltendenz und verhindert ein vorzeitiges
Ab-
bauen des an der turbinenseitigen Dichtung erforderlichenGegendruckes.
Für denSchmiermittelkreislauf ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß die Schmierung
der Lager der Regelcharakteristik des Triebwerks in der Weise entspricht, daß entsprechend
dem in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Turbine geregelten Schmiermitteldruck
der Schmiermitteldurchsatz durch die Lager und damit gleichzeitig die Wärmeabfuhr
mit steigender Triebwerksbelastung anwachsen.
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Ferner ergibt der erfindungsgemäße Drucküberhang des Schmiermittels
gegenüber dem die Dichtung turbinenseitig beaufschlagenden Medium die nötige Sicherheit,
daß praktisch kein Arbeitsmedium durch die Dichtung in das Lager bzw. in den Schmiermittelkreislauf
eindringen kann. Da andererseits der an der Dichtung auftretende Differenzdruck
infolge der erfindungsgemäßen Regelung in vorbestimmten Grenzen gehalten ist, kann
eine bekannte, innerhalb eines vorbestimmten Differenzdruckbereiches durchflußfreie
Gleitringdichtung verwendet werden, wobei die Leckverluste an Schmiermittel durch
die Dichtung in den Arbeitsraum der Turbine unerheblich sind.
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Gemäß der Erfindung strömt ferner das Schmiermittel hochdruckseitig
von der Pumpe einem Anlaßhilfsregelventil zu, dem als Führungsdruck der Vordruck
des der Pumpe zulaufenden Schmiermittels dient, worauf es nach Durchströmen der
Folge von Lagern und Dichtungen in den Zulauf der Pumpe mündet und somit den Regelkreis
schließt.
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Die Erfindung benützt also, um allen Betriebszuständen gerecht zu
werden, im Betriebsdrehzahlbereich den Spaltdruck der Turbine und im An- bzw. Auslaufstadium
- wenn der Spaltdruck gegen Null tendiert - den Vordruck des Pumpenzulaufstromes
als Führungsgröße für den Regelkreis. Beide Regelventile sind in den Regelkreis
so geschaltet, daß sie gemeinsam oder einzeln vom Schmiermittel durchströmt werden,
und sind so aufeinander abgestimmt, daß innerhalb vorbestimmter Grenzdrücke die
beiden Führungsdrücke gemeinsam oder einzeln den Regelkreis steuern.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Drosselorgan
in bekannter Weise ausgebildet sein mit einer führungsdruckbeaufschlagten, einstellbaren
Membran und mit einem mit dieser starr verbundenen schubausgeglichenen Kolben, der
einen Ventilteller trägt, dessen Ventilsitz und Führung in einem Zentralkörper angeordnet
sind. Der Zentralkörper besitzt eine Ausgleichsöffnung von einer regelseitigen Meinbrankammer
zu einer ausgangsseitigen Kammer. Die Membran kann durch eine einstellbare Feder
vorgespannt werden. Außerdem sind überdrucksicherungen vorgesehen.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung können über Abzweigstellen in
der Hochdruckleitung des Druckmediums auch andere Verbraucher versorgt werden. Der
Rücklauf führt auch in diesen Fällen stets in den Vorlauf der Pumpe.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird für den Fall, daß
Medien mit nicht genügend genau reproduzierbaren Eigenschaften Verwendung finden,
als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ein Sperrinedium vorgesehen, das ein in Abhängigkeit
der Betriebsverhältnisse der Turbine von einem Führungsdruck gesteuertes Sperrmediumregelventil
durchläuft und in eine turbinenseitige Dichtung mittig eingeführt wird und gleichzeitig
als Führungsdruck für das Regelventil dient, derart, daß die je-
weils an
der Dichtung wirksamen Differenzdrücke lagerseitig zwischen Schmiermittel und Sperrmedium
und turbinenseitig zwischen Sperrmedium und Arbeitsmedium der Turbine über alle
Betriebsverhältnisse innerhalb, enger, vorbestimmter Grenzen gehalten werden.
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform werden das Sperrmediumregelventil und das Regelventil
hintereinandergeschaltet und so aufeinander abgestimmt, daß an der lagerseitigen
Dichtungshälfte ein Druckgleichgewicht zwischen Schmierrnittel und Sperrmedium und
an der turbinenseitigen Dichtungshälfte ein innerhalb enger Grenzen vorbestimmter
Drucküberhang des Sperrmediums gegenüber dem Arbeitsmedium der Turbine herrscht.
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Die turbinenseitige, mehrteilige Dichtung kann nun nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung aus zwei herkömmlichen Gleitringen und einem Verbindungsstück
zusammengesetzt sein.
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Nach der Erfindung ist ein Regelkreis vorgesehen, der mindestens ein
Regelventil, eine Pumpe, eine auf der Welle der Turbine angeordnete von einem Gehäuseteil
urnschlossene Folge von Dichtungen und Lagern und ferner eine den Spaltdruck der
Turbine zuführende Leitung aufweist, dies alles in derartiger Anordnung, daß der
von der Pumpe erzeugte Schmiermitteldruck an der turbinenseitigen Dichtung in Abhängigkeit
vom jeweiligen Spaltdruck der Turbine stets größer als der Druck des Arbeitsmediums
gehalten und die Drosselwirkung der Folge von Lagern und Dichtungen entsprechend
den auftretenden Betriebsdrücken auf das Regelventil und die turbinenseitige Dichtung
so abgestimmt ist, daß über alle Betriebsverhältnisse, auch im kleinsten auftretenden
Druckbereich, die Strömungsrichtung des Schmiermittels in Richtung Pumpe sichergestellt
ist.
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Die turbinenseitige Dichtung kann als Gleitringdichtung oder aber
auch als Labyrinthdichtung ausgebildet sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen das erfindungsgemäße Verfahren
zum Abdichten und Schmieren von Wellenlagern in zwei Ausführungsbeispielen sowie
deren Variationen dargestellt ist. Im einzelnen zeigt F i g. 1 ein erstes
als Blockschaltbild dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Regelkreises gemäß der
Erfindung, F i g. 2 ein zweites als Blockschaltbild dargestelltes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Regelkreises mit einem Sperrn edium, F i g. 3 ein
teilweise im Schnitt dargestelltes Regelventil des erfindungsgemäßen Regelkreises,
F i g. 4 einen teilweise im Schnitt dargestellten Triebwerksausschnitt mit
dem erfindungsgemäßen Regelkreis gemäß F i g. 1, der zusätzlich ein Anlaßhilfsregelventil
aufweist, F i g. 5 einen teilweise im Schnitt dargestellten Triebwerksausschnitt
mit dem erfindungsgemäßen Regelkreis gemäß Fig. 2 unter Verwendung einer turbinenseitigen
Gleitringdichtung, F i g. 6 einen teilweise im Schnitt dargestellten Triebwerksausschnitt
mit dem erfindungsgemäßen Regelkreis gemäß F i g. 2 unter Verwendung einer
turbinenseitigen Labyrinthdichtung.
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Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, soll vorab an Hand
der F i g. 1 und 2 das Wesen der Erfindung kurz erläutert werden.
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Das in F i g. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines
Regelkreises besteht aus einer i Pumpe 1, einem Regelventil 2, einer turbinenseitigen
Dichtung 3, einem Wellenlager 4 und einer weiteren Dichtung 5. Dem
Regelventil 2 wird der Spaltdruck einer Turbine 10 als Führungsdruck e zugeführt.
Der von der Pumpe 1 kommende Schmiermittelstrom weist einen Eingangsdruck
o auf , der durch das Regelventil 2 in Abhängigkeit vom jeweils herrschenden
Führungsdruck e auf einen Ausgangsdruck a reduziert wird. Dieser Ausgangsdruck a
ist so bemessen, daß sowohl die dem Spaltdruck der Turbine ausgesetzte Dichtung
3 entlastet, als auch das Schmiermittel in Richtung Pumpe durch das Wellenlager
4 und die Dichtung 5 gepreßt, wird. Durch das Regelventil wird hierbei der
Ausgangsdrucka des Schmiermittels dem jeweils herrschenden Spaltdruck der Turbine
stetig nachgeführt- .
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In F i g. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Regelkreises
dargestellt der gegenüber dem in F i g. 1
dargestellten Regelkreis eine zusätzliche
Sicherung der Dichtung 3 durch ein Sperrmedium aufweist. Zusätzlich zu der
Pumpe 1, dem Regelventil 2, der turbinenseitigen Dichtung 3, dem Wellenlager
4 und der Dichtung 5 ist ein Sperrmediumregelventil 2 a
vorgesehen,
dem aus einem Behälter 21 ein Sperrmedium, beispielsweise ein inertes Gas, mit einem
Eingangsdruck osp zugeführt wird. Der Spaltdruck der Turbine 10 wird als
Führungsdruck esp dem Sperrmediumregelventil 2 a zugeführt. Das von dem Spernnediumregelventil
2 a in Abhängigkeit vom Führungsdruck esp auf den Ausgangsdruck asp reduzierte
Sperrmedium beaufschlagt einmal die turbinenseitige Dichtung 3 mittig
- wie noch zu beschreiben ist - und dient gleichzeitig als Führungsdruck
für das Regelventil 2 des Regelkreises, welches -seinerseits den Eingangsdruck o
des Schmiermittels auf den Ausgangsdruck a reduziert.
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über die Regelventile 2 a und 2 werden die Ausgangsdrücke as, und
a in Abhängigkeit vom jeweiligen Spaltdruck der Turbine so eingestellt, daß die
Dichtung 3 vermittels des gegenüber dem Spaltdruck einen Drucküberhang aufweisenden
Sperrinediums entlastet und das Schmiermittel in Richtung Pumpe durch das Wellenlager
4 und die Dichtung 5 gepreßt wird. Damit sich Schtniennittel und Sperrmedium.
möglichst wenig miteinander vermischen, ist der Regelkreis vorzugsweise so ausgelegt,
daß lagerseitig an der Dichtung 3 Druckgleichgewicht zwischen dem Schmierrnittel
und dem die Dichtung3 durchsetzenden Sperrmedium herrscht.
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Nunmehr sei die Erfindung im einzelnen erläutert. Beiden Ausführungsbeispielen
ist das Regelventil 2 gemeinsam, von dem in F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel
dargestellt ist. Es besteht aus zwei Gehäusehälften 30 und 31, die
mittels flanschartiger Verstärkungen 32 und 33 eine Membran 34 umschließen.
Die Membran 34 bildet mit der Gehäusehälfte 30
eine führungsseitige Membrankammer
35, die über eine Bohrung 36 vom Führungsdruck e in Richtung des Pfeils
82 über eine Spaltdruck zuführende Leitung 51 beaufschlagt wird. Vorzugsweise
unterstützt eine in ihrer Wirkung über einen Druckbolzen 58
verstellbare Feder
37 die Stellkraft der Membran 34.
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Regelseitig teilt ein Zentralkörper 38 den von der Gehäusehälfte
31 umschlossenen Raum in eine regelseitige Membrankammer 39 und eine
ausgangsseitige Kammer 40, die miteinander über eine Ausgleichsöffnung 41 in Verbindung
stehen. Der Zentralkörper 38 weist eine Führung 42 auf, die regelseitig in
einen Ventilsitz 43 übergeht. In der Führung 42 gleitet ein Kolben 44, der über
eine Druckstange 45 mit der Membran 34 und regelseitig über eine Kolbenstange
46
mit einem Ventilteller47 starr verbunden ist. Eine von der Führung 42 gebildete,
die Kolbenstange umgebende eingangsseitige Kammer 48 steht über eine Eingangsbohrung
49 mit der unter Eingangsdruck o stehenden Schmiermittelzuleitung 52 (vgl.
Pfeil 83)
in Verbindung. Der übergang vom Kolben 44 zur Kolbenstange 46 bzw.
von der Kolbenstange 46 zum Ventilteller 47 ist vorzugsweise schubausgeglichen a#isgebildet.
Die ausgangsseitige Kammer 40 ist über eine Ausgangsbohrung 50 mit einer
zu den Lagern führenden Schmiermittelzuleitung 53 (vgl. Pfeil 84, Ausgangsdruck
a) verbunden. In F i g. 3 ist der Ventilteller 47 in Ruhestellung dargestellt.
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Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelkreises g
sei nun an Hand des in F i g. 4 dargestellten Triebwerksausschnitts beschrieben.
Auf einer gemeinsamen Welle 11 sind ein Turbinenläufer 12 und ein Pumpenläufer
13 der Pumpe 1 angeordnet. Das in F i g. 1 nur schematisch
angedeutete Wellenlager 4 besteht hier aus einem Nadellager 14 und einem Axiallager
15.
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Der in F i g. 1 angedeuteten turbinenseitigen Dichtung
3 entspricht in F i g. 4 eine Gleitringdichtung 17. Zwischen
dem turbinenseitigen Nadellager 14 und dem Axiallager 15 ist eine Labyrinthdichtung
18 und zwischen dem Axiallager 15 und dem Pumpenläufer 13 eine
weitere Labyrinthdichtung 22 angeordnet.
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Der Pumpenläufer 13 der Pumpe 1 steht zulaufseitig über
eine Bohrung 28 (vgl. F i g. 4) und eine hier nur angedeutete Pumpenzulaufleitung
29 mit einem Schmiermittelbehälter 60 in Verbindung. Hochdruckseitig
führt eine ebenfalls nur angedeutete Verteilerleitung 61 von einer Bohrung
62 zu einem Verteilerpunkt 63 und von da über eine Verbraucherleitung
64 zu einem Hauptverbraucher 65.
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Von dem Verteilerpunkt 63 führt eine Schmiermittelleitung
52 zum Regelventil 2. Eine Schmiermittelleitung 53 verbindet das Regelventil
2 über eine Bohrung 70 im Gehäuseteil 25 mit der turbinenseitigen
Gleitringdichtung 17. Führungsseitig steht das Regelventil 2 über eine Spaltdruck
zuführende Leitung 51, eine Bohrung 71 im Gehäuseteil 25 und
eine als Druckentnahmestelle ausgebildete, im Leitschaufelring 24 angeordnete Bohrung
81 mit dem Spaltraum 72 der Turbine in Verbindung.
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Ein in F i g. 4 strichpunktiert umrahmtes, niederdruckgesteuertes
Regelventil 2 b entspricht im Aufbau dem bereits beschriebenen Regelventil
2 und fungiert - wie noch zu beschreiben ist - als Anlaßhilfsregelventil.
Hierzu fährt eine von der Pumpenzulaufleitung 29 abgezweigte Zweigleitung
73 zur Führungsseite des Anlaufhilfsregelventils 2b, das eingangs-
und ausgangsseitig über die Gabelstellen 74 und 75 und die Zweiggleitungen
76 und 80 parallel zum Regelventil 2 in den Regelkreis geschaltet
ist.
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Die Wirkunasweise des Regelkreises nach F ig. 4 wird nunmehr unter
Vernachlässigung des Anlaßhilfsregelventils 2 b beschrieben, wobei vorausgesetzt
wird, daß die Welle 11 in an sich bekannter Weise über den Turbinenläufer
12 angetrieben wird. Hierbei fließt aus dem Schmiermittelbehälter 60 über
die Pumpenzulaufleitung 29 und die Bohrung 28 der Pum e das Schmierinittel
zu. Dies geschieht vorp C
zugsweise unter einem gewissen Vordruck.
Um eine Gegenläufigkeit der Flußrichtung des Schmiermittels im Regelkreis auszuschalten
(vgl. die eingetragenen Pfeile), ist das Axiallager 15 gegen den mit
9 bezeichneten Pumpenraum durch die vorgelagerte Labyrintlidichtung 22 abgesichert,
deren Drosselwirkung in eingezeichneter Durchflußrichtung auf den Regelkreis abgestimmt
ist.
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Der Pumpenläufer 13 verdichtet nun den Schmiermittelstrom,
der hochdruckseitig das Pumpengehäuse durch die Bohrung 62 verläßt und über
die Verteilerleitung 61 zum Verteilerpunkt 63 gelangt. Von hier führt
eine Verbraucherleitung 64 zu dem in F i g. 4 nur schematisch angedeuteten
Hauptverbraucher 65,
der, da nicht zur Erfindung gehörend, nicht näher erläutert
ist.
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Ferner beaufschlagt der Schmiermittelstrom hochdruckseitig -über die
Leitung 52 die eingangsseitige Kammer 48 des Regelventils 2 (vgl. F i
g. 3) mit einem Eingangsdruck o, strömt dann durch den vom Führungsdruck
e als Stellkraft der Membran 34 über den vom Verteilerteller 47 freigegebenen Ringspalt
54 in die ausgangsseitige Kammer 40 und wird dabei auf den eingangs erläuterten
Ausgangsdruck a reduziert.
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Dieser Ausgangsdrucka wirkt über die Ausgleichsöffnung 41 auf die
Membran 34 und bewirkt so lange eine Änderung der Ventilstellung und damit der Größe
des Ringspalts 54, bis sich ein Druckgleichgewicht an der Membran 34 zwischen dem
durch die Feder 37 verstärkten Führungsdruck e und dem entsprechend der jeweiligen
Drosselstellung sich einstellenden Ausgangsdruck a eingestellt hat.
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Der Führungsdruck e wird dabei dem Arbeitsraum der Turbine zwischen
dem Turbinenläufer 12 und dem Leitring 24 über die Bohrung 71 und
81 und die Leitung 51 entnommen und entspricht daher dem Spaltdruck
der Turbine.
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Vom Regelventil 2 gelangt der Schmiermittelstrom mit stetig nachgeführtem
Ausgangsdruck a über die Schmiermittelleitung 53 und die Bohrung
70 im Gehäuseteil 25 schließlich zur Gleitringdichtung 17.
Diese
turbinenseitig dem Druck des Arbeitsmediums der Turbine ausgesetzte Dichtung wird
lagerseitig nunmehr vom Druck des Schmiermittels beaufschlagt. Infolge des am Regelventil
2 eingestellten Drucküberhangs des Schmiermittels gegenüber dem Arbeitsmedium ist
hinreichend Sicherheit gegen Eindrin-en des Arbeitsmediums in die Lager gegeben.
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Von der Gleitringdichtung 17 fließt das Schiniermittel über
das Nadellager 14 und die Labyrinthdichtung 18 auf das Axiallager
15 und weiter über die Labyrinthdichtung 22 zurück zum Pumpenläufer
13. Hier vereinigt sich das Schmiermittel mit dem der Pumpe unter Vordruck
aus dem Schmiermittelbehälter 60 zufließenden Schmiermittelstrom. Die Lager
und Dichtungen sind bezüglich ihrer Drosselwirkung so aufeinander abgestimmt, daß
der eingezeichnete Durchlauf des Schmiermittelstromes gewährleistet ist und auch
bei Stillstand des Turbinenläufers 12 der Vordruck der Pumpe keine Gegenläufigkeit
im Reggelkreis hervorrufen kann.
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Nunmehr soll die WirkuncFsweise des in F ig.4 strichpunktiert umrahmten
Anlaßhilfsregelventils 2 b
erläutert werden. Es hat vor allem die Aufgabe,
beim An- und Auslaufen der Turbine - also bei fehlendem Führun-sdruck e
- an Stelle des Regelventils 2 die Versorgung der Lager mit Schmiennittel
zu bl sichern. Sinkt während eines Betriebsvorgangs der Führungsdruck e, so erfolgt
durch den Druckausgleich C
an der Membran 34 des Regelventils
2 eine Ventilbewegung, die den Ringspalt 54 verkleinert. Gleichzeitig sinkt der
Druck in der Schmiermittelleitung 53
in dem Maß ab, wie das Regelventil 2
den Ringspalt 54 schließt. über die Gabelstelle 75 und die Zweileitung
76 wirkt sich dieser Druckabbau auf die ausgangsseitige Kammer 40 und die
regelseitige Meinbrankammer 39 des Anlaßhilfsregelventils 2 b aus.
Sinkt nun der Führungsdruck e noch weiter ab, so tritt der Augenblick ein, wo beide
Führungsdrücke e und ev mit gleichen Stellkräften auf die Membranen wirken und somit
beide Regelventile gemeinsam Schmiermittel aus der Leitung 52 in die Leitung
53
fördern. Bei weiterem Absinken des Führungsdrucks e wird infolge des Drucküberhangs
an der Membran 34 das Regelventil 2 geschlossen. Von diesem Augenblick an übernimmt
das Anlaßhilfsregelventil 2b allein die Versorgung der Schmiermittelleitung
53.
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Auf diese Weise werden durch entsprechende Ab-
stimmung der
Stellkräfte an den Membranen der beiden Regelventile 2 und 2 b die Wellenlager
auch beim An- und Auslaufen der Turbine, d. h. bei fehlendem Spaltdruck,
mit Schmiermittel versorgt.
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Ferner kann das Anlaßhilfsregelventil 2b durch Änderung der
Vorspannung seiner Feder 37 mittels des Druckbolzens 58 bzw. durch
Veränderung seiner vom Vordruck der Pumpe beaufschlagten Membranfläche so mit dem
Regelventil 2 abgestimmt werden, daß sich die beiden Regelventile 2 und 2
b in vorbestimmten Druckgebieten hinsichtlich der Beaufschlagung derturbinenseitigen
Dichtung und der Versorgung der Lager mit Schmiermittel ablösen, wobei aus Sicherheitsgründen
die Abstimmung meist so erfolgt, daß sich diese Druckgebiete überschneiden, so daß
in diesem Bereich beide Regelventile gemeinsam arbeiten. Die Regelventile 2 und
2b sind also in ihrer Wirkung hintereinandergeschaltet.
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Wie schon erwähnt, stehen die Regelventile 2 und 7.b ausgangsseitig
über die Schmiermittelleitung 53 und - die Zweigleitung
76 miteinander in Verbindüng. Es wirken daher in beiden regelseitigen Meinbrankammern
39 jeweils die gleichen Schmiermitteldrücke. Die Führungsdrücke e
und e, ändern sich jedoch entsprechend dem Betriebsverhalten des Triebwerks.
Nehmen die Differenzdrücke an der Membran 34 im Anlaßhilfsregelventil 2
b große Werte an, so ist ein Druckausgleich vorzusehen. Hierzu kann eine
Hubbegrenzung 26 (vgl. F i g. 4) dienen, gegen die sich die Membran
34 führungsseitig im Anlaßhilfsregelventil 2 b gegebenenfalls anlegen kann.
Es kann aber auch ein Rückschlagventil 27 bekannter Bauart in der Zweigleitung
76 (vgl. ebenfalls F i g. 4) angeordnet werden. Beide Maßnahmen können
auch kombiniert zur Anwendung kommen.
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Wie sich an Hand der F i g. 4 einfach übersehen läßt, kann
das strichpunktiert umrahmte Anlaßhilfsregelventil 2 b und das Rückschlagventil
27 dann weggelassen werden, wenn die vorerwähnten Anlauf-bzw. Auslaufschwierigkeiten
nicht vorhanden sind, bzw. sich aus Bemessungsgründen eine Aufteilung der Regelung
in mehrere Druckgebiete erübrigt. Die Ausführungsform nach F i g. 4 entspricht
also im wesentlichen dem in F i g. 1 dargestellten und eingangs erläuterten
Blockschaltbild.
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Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß entsprechend der Auslegung
der Pumpe und der Regelcharakteristik des bzw. der Regelventile jedem Führungsdruck
e bzw. e, eine bestimmte Ventilstellung entspricht und damit eine bestimmte Größe
des Ringspalts 54, der den in Abhängigkeit von der Drehzahl des Triebwerks von der
Pumpe kommenden Schmiermittelstrom so drosselt, daß entsprechend der Änderung des
Führungsdrucks e ein stetiges Nachführen des Ausgangsdrucks a erfolgt. An den genannten
Dichtungen und Lagern herrschen daher bei allen Betriebszuständen innerhalb enger
Grenzen vorbestimmbare Druckverhältnisse.
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Das in F i g. 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsbeispiel
der Erfindung sei nunmehr an Hand der F i g. 5 und 6 im einzelnen
beschrieben. Die hier dargestellten Triebwerksausschnitte entsprechen in ihren wesentlichen
Teilen der in bezug auf F i g. 4 bereits beschriebenen Ausführungsform. Es
sind daher alle die Teile, die einander entsprechen, mit der gleichen Bezugsziffer
versehen. Die gemeinsame Welle 11 trägt wiederum einen Turhinenläufer 12
und einen Pumpenläufer 13. Das in F i g. 2 nur schematisch dargestellte
Wellenlager besteht hier ebenfalls aus einem Nadellager 14 und einem Axiallager
15.
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In F i g. 5 besteht die turbinenseitige Dichtung
17
im Gegensatz zu dem vorausgegangenen Ausführungsbeispiel aus zwei Gleitringen
17 a und 17 b, die auf einem gemeinsamen Mittelstück 17c gleiten.
In den von den beiden Gleitringen 17 a und 17 b umschlossenen Hohlraum
6 wird über eine Bohrung 7
in noch zu beschreibender Weise ein Sperrinedium,
vorzugsweise ein inertes Gas eingeführt. Dieses Sperrmedium wird einem Behälter
21 entnommen und über eine Leitung 80 einem den schon beschriebenen Regelventilen
entsprechenden Sperrmediumregelventil 2 a über eine Sperrmediumleitung
55 und eine Bohrung 69 innerhalb des Gehäuses 25, die parallel
zu der Schmiermittelbohrung 70 liegt, dem Hohlraum 6 zugeleitet.
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Wie bereits im ZusammenÜang mit F i g. 4 beschrieben, wird
der über die Bohrung 81 entnommene Spaltdruck der Turbine über die Spaltdruck
zuführende Leitung 51 als Führungsdruck es, dem Sperrmediumregelventil 2a
zugeführt. Das aus dem Schmiermittelbehälter 60 entnommene Schmiermittel
gelangt wiederum über die Pumpenzulaufleitung 29
und die Bohrung
28 in den Pumpenraum 9 und von hier über die Bohrung 62, Aie
Verteilerleitung 61,
den Verteilerpunkt 63 und die Verbraucherleitung
64 zum Hauptverbraucher 65.. Vom Verteilerpunkt 63 wird ein Schmiermittelstrom
abgezweigt und über die Schmiermittelleitung 52 mit, dem Eingangsdruck o
dem schon mehrfach beschriebenen Regelventil 2 zugeführt.
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Dieses Regelventil erhält über -die Sperrinediumleitung
55, über eine Zweigstelle 77 und eine Zweigleitung 78 in schon
beschriebener Weise als Führungsgröße den Ausgangsdruck as, des Sperrmediums zugeleitet.
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Das über die Schmiermittelleitung 52 eintretende Schmiermittel
wird also von dem Regelventil 2 in Abhängigkeit vom Druck as, des Sperrmediums über
die Schmiermittelleitung 53 und die Bohrung 70 der turbinenseitigen
Gleitringdichtung 17 a, 17 b und 17 c mit dem Ausgangsdruck
a zugeleitet.
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In F i g. 6 ist die turbinenseitige Dichtung eine doppeltwirkende
Labyrinthdichtung79a und 79b,
die mit ihrem Mittelstück 79 c um die
Welle 11 den in F i g. 5 ebenfalls dargestellten ringförinigen Hohlraum
6
bildet. Die Wirkungsweise des in F i g. 6 gezeig gten Regelkreises ist analog
dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Zu den F i g. 5 und 6 ist noch zu erwähnen, daß be'den
Regelkreisen sinngemäß das in F i g. 4 dargestellte Anlaßhilfsregelventil
2 b angeschlossen werden kann.
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Der Vollständigkeit halber ist in den F i g. 4 bis 6
ein dem
Regelkreis parallelgeschalteter Niederdruckregelkreis dargestellt. Von dem Vertellerpunkt
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fließt hier der Schmiermittelstrom über eine Zweigleitung 66 zu
einem Drosselventil 67, beaufschlagt über eine Niederdruckleitung
68 eine Gleitringdichtung 23 und strömt durch ein Nadellager
16 zurück in den Pumpenraum 9. Auf diese Weise kann durch analoges
Parallel- und/oder Hintereinanderschalten von aufeinander abgestimmten Zweigkreisen
eine Versorgung von weiteren hier nicht näher erläuterten Schmierstellen durchgeführt
werden.