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Die Erfindung bezieht sich auf eine für hohe Differenzdrücke geeignete
Flüssigkeitsringdichtung für mittels umlaufgeschmierter Lager abgestützte Wellen,
insbesondere von Turbomaschinen für Flüssigkeitsraketentriebwerke, mit am rotierenden
Teil auf der Niederdruckseite des Ringspaltes angeordneter Rückfördervorrichtung,
z. B. Schaufeln, zur Rückförderung der Dichtflüssigkeit.
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Bei Abdichtungen der vorerwähnten Art mit Hilfe eines Dichtringes
aus Quecksilber ist es bekannt, im Bereich dieses Dichtringes Kühlkanäle zu verlegen,
die von einem Kühlmittel im Zwanglauf durchströmt werden, so daß die bei der Rotation
der Welle durch die auftretende Reibunigsleistung zwischen den Wänden des Dichtspaltes,
und dem Quecksilber entstehende Wärme abgeführt wird, um eine überhitzung des Dichtringes
und - - damit ein Verdampfen des Quecksilbers zu verhindern. Diese bekannte
Anordnung hat den Nachteil, daß die Herstellung der Kühlkanäle verfahrenstechnisch
schwierig ist, da ein gut wärmeleitendes Material Verwendung finden muß. Darüber
hinaus werden die ohnehin beschränkten Platzverhältnisse im Bereich der Dichtung
durch Anordnung der Kühlkanäle zusätzlich eingeschränkt. Schließlich bleibt die
von der Dichtflüssigkeit abführbare Wäimemenge beschränkt, da selbst bei noch so
gut wärineleitendem Material ein Wärmestau in den Kanalwänden nicht vermieden werden
kann, so daß bei hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten die Gefahr des Verdampfens
der Dichtflüssigkeit weiter besteht.
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Bei Gasturbinentriebwerken ist es ferner bekannt, die turbinenseitig
angeordneten Labyrinthabdichtungen der Wellenlager mit Sperrluft zu beschicken,
so daß den im Turbinenlaufspalt anstehenden heißen Treibgasen ein kühlender Luftschleier
vorgelagert wird. Diese Methode birgt jedoch den Nachteil eines gewissen Leistungsverlustes
des thermodynamischen Prozesses in sich, da eine nicht unerhebliche Menge Sperrluft
dem Verdichter entnommen werden muß.
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Schließlich ist eine Wellenschleuderdichtung mit Sperrflüssigkeit
für- senkrecht stehende Wellen und hohe Druckunterschiede bekannt, bei der die elektrisch
gut leitende Sperrflüssigkeit mittels elektrischer Drehfelder in Rotation versetzt
wird.
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Nach einem Merkmal dieser bekannten Anordnung befinden sich im Bereich
der Dichtung ein oder mehrere Kühlelemente, die ein Verdampfen der Sperrflüssigkeit
vermeiden, sollen (deutsche Patentschrift 875 746). Es wird in dieser Druckschrift
lediglich das Vorhandensein von Kühlelementen offenbart, nicht aber die konstruktive
Ausbildung und Funktionsweise der Kühleinrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung einfacher
Mittel eine unter einerseits großen Differenzdrücken und andererseits hohen Drehzahlen
betriebssicher arbeitende Abdichtung zu schaffen, insbesondere die Gefahr des Verdampfens
der Sperrflüssigkeit zu vermeiden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einer Abdichtung der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, daß Leitungen für die Zuführung des Schmiermittels
vorgesehen sind, die in einen Rückförderraum münden, der radial innerhalb des sich
ausbildenden Flüssigkeitsdichtringes liegt und daß zwischen diesem Raum und dem
Lager mindestens ein Kanal zur Ableitung des Schmiermittels vorgesehen ist. Diese
Anordnung hat zur Folge, daß eine Berührung und somit ein unmittelbarer Wärmeaustausch
zwischen der spezifisch schweren Dichtflüssigkeit und dem spezifisch leichteren
Schmiermittel erfolgt, wodurch sich der denkbar beste Wärmelibergang von der Dichtflüssigkeit
auf das Schmiermittel ergibt, da ein Wärmedurchgang durch eine Zwischenwand vermieden
wird. Es handelt sich hierbei also um die billigste Lösung eines Wärmetauschers,
der in diesem Fall voll funktionsfähig ist, da auf Grund einer sehr unterschiedlichen
Dichte der beiden Flüssigkeiten und der im Betrieb auftretenden großen Radialbeschleuffigungen
eine Vermischung der beiden Flüssigkeiten nicht stattfindet.
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In Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, daß die
Zufuhrleitung für das Schmiermittel in der rotierenden Welle angeordnet ist, wobei
das Schmiermittel durch radiale Bohrungen im Bereich des Rückförderraumes aus der
Welle austritt.
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Durch die hohe Drehzahl der Welle erhält das Schmiermittel einen Drehimpuls,
der bei Austritt erhalten bleibt, so daß eine stark turbulente Strömung des Schmiermittels
vorliegt, die zu einer sehr guten konvektiven Wärmeübertragung führt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Kanal zwischen Rückförderraum
und Lager als zylindrischer Ringspalt ausgeführt sein, der durch eine zylindrische
Hülse, die über einen Ring mit einem Gehäuse verbunden ist und die Welle oder eine
auf dieser angeordnete Büchse mit Abstand umgibt, gebildet wird. Durch diese Ausbildung
wird die wärmeaufnehmende Oberfläche der in der Zeiteinheit durchfließenden Schmiennittelmenge
vergrößert.
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Ferner ist gemäß der Erfindung, in Richtung des Schmierinittelstromes
betrachtet, vor dem Wellenlager ein einen Rückstau bzw. eine Verweilzeit des Schmierinittels
im Bereich der Abdichtung hervorrufendes Ringventil angeordnet. Hierdurch wird der
Wärmeaustauschgrad zwischen dem erhitzten Flüssigkeitsdichtring bzw. seiner heißen
Umgebung und dem Schmiermittel erhöht, da ein Rückstau bzw. eine längere Verweilzeit
des Schmierinittels im Bereich der Abdichtung erzeugt wird.
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In vorteilhafter Weise dient eine der zum Wellenumfang führenden Schmiermittelbohrungen
zum Einfällen der benötigten Menge von Dichtflüssigkeit in die Anordnung.
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In der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
ist die Erfindung an Hand einer Turbinenlagerung im Achsschnitt gezeigt.
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Auf dem einen Ende einer Welle 1 ist ein Turbinenlaufrad 2
fliegend gelagert, dessen Beschaufelung 2 a
von in einer Brennkammer
3 erzeugten Treibgasen beaufschlagt wird. Die Wellenlagerung erfolgt über
ein druckumlaufgeschmiertes Wälzlager (Nadellager), im folgenden Wellenlager 4 genannt.
Zur Abdichtung desselben gegenüber dem Laufspalt 5 bzw. dem Turbinenraum,
der von heißen und unter hohen Drücken stehenden Treibgasen ausgefüllt wird, ist
eine Flüssigkeitsabdichtung vorgesehen. An der zum Wellenlager 4 hin zeigenden Stirnfläche
des Turbinenlaufrades 2 ist eine radiale Beschaufelung 11 mit niedriger Schaufelhöhe
vorgesehen. Die Beschaufelung 11 läuft in einem Raum, der im folgenden als
Rückförderraum 12 bezeichnet wird. Dieser wird, zum Wellenlager hin gesehen, durch
die Ringscheibe 8
abgedeckt und geht in den Dichtspalt 6 über. Das
Wellenlager 4 wird während des Betriebes laufend mit frischem Schmiermittel versorgt.
Dieses nimmt
seinen Weg über einen in der Welle 1 vorgesehenen
zentralen Zulaufkanal 13, der durch ein Rückschlagventil 14 gesteuert wird,
und gelangt dann durch radiale Zulaufbohrungen 15 an den Außenumfang der
Welle 1, von wo es an die Oberfläche der Dichtflüssigkeit geschleudert wird.
Von hier aus verläuft der Schmiermittelstrom in axialer Richtung, und zwar durch
einen Drosselspalt 17 in eine Kammer 18, in der ein Pingventü
19 vorgesehen ist, das die Aufgabe hat, einen gewissen Rückstau bzw. eine
längere Verweilzeit des Schmiermittelstromes im Bereich der Abdichtung zu erzeugen.
Bei Erreichen eines gewissen Rückstaudrucks hebt das Rin-Ventil 19 von seinem
Sitz 20 ab und der Schmiermittelstrom gelangt nunmehr in das Wellenlager 4.
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Das Turbinenlaufrad 2 ist durch eine Schraube 21 axial mit der Welle
1 verbunden. Vor Anordnung der Schraube 21 wird, wie in der Zeichnung lediglich
angedeutet ist, ein Fülltrichter 22 eingeführt, mit dem Quecksilber C über eine
Zulaufbohrung 15 eingefällt wird. Als Sammelraum für die eingebrachte Quecksilbermenge
dient dabei ein Auffanggehäuse 7 a, das einen Teil eines Ringflansches
7 bildet.
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Die Wirkungsweise der Erfindung ist wie folgt: Bei Betrieb der Turbine
wird die Dichtflüssigkeit durch die Rückförderschaufeln, die wie die Beschaufelung
einer Radialpumpe wirken, auf hohe Umfangsgeschwindigkeiten gebracht, so daß sich
ein hoher Druck aufbaut, der dem Gasdruck die Waage hält. Da die Fördermenge der
Dichtflüssigkeit gleich Null ist, wird die -esainte von den Rückförderschaufeln
geleistete 01 Arbeit in Wänne umgesetzt. Das Über die Zulaufbohrung 13, Rückschlagventil
14 und Radialbohrungen 15 strömende Schiniennittel wird auf Grund hoher Drehzahl
der Turbinenwelle 1 gegen die Oberfläche der Dichtflüssigkeit gedrückt und
bewirkt hier einen unmittelbaren intensiven Wärmeaustausch. Anschließend kühlt das
Schmiermittel bei der Durchströmuno, des Spaltes 17 die Dichtung weiter ab,
wobei durch das Ringventil 19 eine geringe Strö-Ventil erst bei Erreichen
eines einstellbaren Grenzmungsgeschwindigkeit erzielt wird, indem dieses druckes
öffnet und das Schmiermittel weiter zum Lager durchströmen läßt.