DE1626052A1 - Einrichtung zur Entlastung von Gleitringabdichtungen bei Turbomaschinen,insbesondere Fluessigkeitsraketentriebwerken - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Entlastung von Gleitringabdchtungen bei Turbomm.schinen, insbesondere Flüssigkeitsraketentriebwerken Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Entlastung von Gleitringabdichtungen zum Auseinanderhalten reaktionsfähiger Medien bei Flüssigkeitsraketentriebwerken . in Hauptstrombauart mit mirdestels einer auf einer gemeinsameri Welle angeordneten Turbine und pumpen zur Förderung den Oxydntors und den Brennstoffes, letzteren Uber eine zu Binsp , wobei zwischen ritzdtlaen fahrende Dtletnleitung Turbine und Pumpen in Turbinennähe eine Gleitring-Doppelabdichtung vorgesehen ist und der turbinenseitig an diese angrenzende Raum vom Turbinenspaltdruok und der pumpenseitig an diese angrenzende Raum von dem Druck einer in diesen Raum ein- und. ausmündenden Brtnnatoflnebenleitung belastet ist, in der eine einen Drosseleffekt hervorrufende ßpalt-

  abdichtung stromabwärts des letztgenannten Rausee vorgese-

  hen ist, und wobei zwischen den beideA Zimelabdiehtmgen

  der Doppelabdichtung eint Sperrtram« lint, die tiblr oft

  vom Turbinenspaltdruak gesteuertes Dirrlreisdruckven«1 sit

  einem nichtbrennbaren Sperradius, inebeeondere lnertes ßas,

  beschickt wird.

  Bekanntlich hängt die Lebensdauer aber statischen, d. b.

  schleifenden üellendichtuns wesenelieb ab von der ist* be-

  lastenden Druokdittmnz, die zwischen den durch die Diohtwig

  getrennten Hitusen gegeben ist. Deshalb ist mm* dazu %öerge-

  .

  gwNgen Dichtungen,.die ohnedies darob hohe »pehsaU4p b»

  hohe Umtangagesohmindigkeiten stark beewsplmht atsd, beMg-

  lich der auf eia einwirkenden Drücke zu eatlmteng iaA.!

  durch geeignete Einrichtungen die erfflpte Drnekdittlal«

  klein gehalten wird.

  Im Maschinenbau und vor allem im Strömungsmaschinenbau

  ist in vielen Fällen die Forderung gegeben, durch Dich.

  tungen zwei verschiedene Medien zuverlässig auseinander-

  zuhalten. Es ist bekannt, zu diesem Zweck »hrfaoh«oh-

  tungen vorzusehen, zwischen denen eine oder mehrere w

  Sperrkammern mit Zufuhr eines oder mehrerer Sperrmedien

  vorgesehen sind, wobei der Druck den oder der Sperrmedien

  geregelt oder gesteuert wird (DRP 954657, mP 746 114,

  , 6549

  Schweizer, Hauzeitung 76, Heft 44 vom 1.11.s®,

  V

  Bild 10).

  w@ e s

  Hei plüssigkeitsraket«trillah!lten b«tuht in bestimt4

  Konstrukticnabereiohen die konkrete Fbrderug, wei heftig

  miteinander reagierende Medien, Wie Treibetolfkosponenten,

  zuverlässig tuseinandersuhslten. Gesäß einer-gualMuwtm

  der deutschen Patentschrift 1 2Ö7 71,3 wird bei ei»r in

  Bereich einer Turbine angeordneten äinlaohätdhtuM wder W!

  der turbinenabgewandten Seite dieser Diohtmg Ist4me . _

  Druck eines schlier- oder gporreediur Aber rin Dittselm#

  druckventil stets auf einen fiert gehalten, -der etwas tiefer

  liegt als der turbinenseitig auf diese Diehtuhi wifrnde

  Turbinenspaltdruck, durch den das genannte Diftereazdruol>

  ventil gesteuert wird. Nach einer anderen in der vorne-

  nannten Patentschrift gezeigten Version wird die Trennung

  der Medien durch eine schleifende Mehrfachdichtung sdt

  Sperrkammer erreicht, die mit einem nichtbrennbaren-Sperrmedium beschickt wird, dessen Druckhöhe über ein durch den Turbinenspaltdruck gesteuertes erstes Differenzdruckventil stets etwas höher gehalten wird als der auf die eine Seite der Mehrfachdichtung wirkende Turbinenspaltdruek, während die andere, der Brennstoffpumpe zugewandte Seite der Mehrfachdichtung durch ein Schmier- oder Kühlmittel belastet wird., dessen Druck durch ein zweites Differenzdruckventil, das vom Sperrmedium gesteuert wird, über dem in der Sperrkammer herrschenden Druck gehalten wird. Als Schmier-und Kühlmittel wird Brennstoff verwendet, der von der. Pumpenhochdruckseite über das zweite Differenzdruckventil und eine Nebenleitung zur Doppelabdichtung und weiter über Drosselwirkungen hervorrufende Wellenlager und Spaltdichtungen zur Pumpensaugseite geführt wird. Nach der genannten deutschen Patentschrift ist also in dem einen-Fall nur eine Dichtung zwischen den auseinanderzuhaltenden Medien vorgesehen, was bei heftig reagierenden Stoffen unter Umständen nicht ausreichend und deshalb gefährlich sein kann, während im zweiten Fall zur Steuerung der in der Sperrkammer und an der zur Pumpe zeigenden Außenseite der Mehrfachdichtung herrschenden Drücke der Aufwand von zwei.:Differenzdruckventilen erforderlich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine baulich vereinfachte und gewichtsmäßig leichtere Einrichtung zur Entlastung von Gleitringabdichtungen zum zuverlässigen Auseinanderhalten reaktionsfähiger Medien bei Turbomaschinen, insbesondere Flüssigkeitsraketentriebwerken, unter Verwen- dung einer Mehrfachdichtung mit Sperrkammer züi schaffen, wobei mit geringem Aufirand an Mitteln die Druckdifferenzen zwischen der Sperrkammer und den Außenseiten der Gleitring-Doppelabdichtung über den ganzen Betriebsbereich selbst- tätig auf einem deren Lebensdauer nicht merklich beeinträchtigenden Wert gehalten worden sollen. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Brennstoffnebenleitung unmittelbar an der Düsenleitung angeschlossen und in ihr ehe Drossel vorgesehen ist, wobei diese sowie die einen Drosseleffekt hervorrufende Spaltabdichtung so bemes- sen und aufeinander abgestimmt sind, daß der zwischen der genannten Drossel und der Spaltabdichtung sich aufbauende und im pumpenseitig an die Doppelabdichtung angrenzenden Raum herrschende Druck stets gleich oder annghernd*gleich dem im turbinenseitig an die Doppelabdichtung angrenzenden . Raum herrschenden Druck ist. Durch die Erfindung wird unter Zuhilfenahme einfacher Mittel der pumpenseitig auf die Doppel-abdiehtung lastende Brennstoffdruck in Relation zu dem zwischen dem Brennstoffpumpendruck und dem Turbinenspaltdruck bestehenden prozeB-bedingten Zusammenhang gesetzt. In Ausgestaltung der Erfindung kann von der zwischen den beiden Einzelabdichtungen gelegenen Sperrkammer ein gedros- selter Abflug wegführen. Dies schafft eine Voraussetzung dafür, den Druck in der Sperrkammer gefiit8 einem weiteren lferkmal der Erfindung geringfügig unter dem in den an die Doppelabdichtung angrenzenden Räumen herrschenden gleichen oder annähernd gleichen Druek*zu halten. Auch besteht die Möglichkeit, den in der Sperrkammer herrschenden Druck und -die in den beiden an die Doppelabdichtung angrenzenden Räumen herrschenden Drücke gleich oder annähernd gleich zix halten. Bei den v®rstehend angeführten - beiden Druckrelationen zwischen den genannten Räumen verhindert der gedrosselte Abflug aus der-Sperrkammer das Zustandekommen reagierender Konzentrationen der-zu trennenden-Medien in den fraglichen Räumen. Stellt man aber den Druck in der -Sperrkammer etwas höher ein als die seitlich auf die Doppelabdichtung lasten- den Drücke, dann kann auf den gedrosselten Abflug verziehtot werden. Die sichere und zuverlässige Trennung der beiden Medien wird erfindungsgemäß mit einem bemerkenswert geringen baulichen Aufwand, nämlich mit nur einer Drossel und einem einzigen Differenzdrucksteuerventir erreicht. Außerdem wird durch-den nur sehr-geringen Restdifferenzdruck zwischen dem Sperrmedium in der Sperrkammer und. -aen auf beiden Seiten der Doppelabdichtung anstehenden Medien der Verschleiß an den gleitenden Dichtungsflächen uut- ein Minimum reduziert, was die Lebensdauer der DichtunG vergrößert.
• In der Zeichnung ist-ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• Es zeigen Fig. 1 die Lagerung und Abdichtung der Turbinenwelle eines Hauptetromraketentriebwerks im Längeschnitt und Fig. 2 ein Prinzipb?ld nach Pig. 1.
• Auf dem stromabwärtigen Ende einer Welle 1 ist eine Turbine 2 vorgesehen, die eine stromaufwärts auf der Welle l angeordnete Brennstoffpumpe «antreibt. Zwischen der Turbine 2 und der Brennstoffpumpe befinden sich ein turbinenseitiges hager 4, eine Doppelabdichtung 5 und eine Spaltdichtung 6 (in Form eines Gewindes oder Labyrinths): Die Doppelabdichtung 5 besteht aus zwei im Gehäuse 7 fixierten Tragringen 5a und 5b, aus Gleitringen 5e und 5d und aus mit der Welle 1 rotierenden Gegenringen 5e und 5f. Innerhalb der Doppelabdichtung 5 befindet sich eine Sperrkammer 59. Die Brennstoffpumpe 3 trägt außer der Hauptbeschaufelung 3a eine Rüekseitenbeschaufelung 3b und fördert Brennstoff B über eine Leitung 8 aus einem Vorratsbehälter 9. Von der Druckseite der Brennstoffpumpe 3 führt von einem-Pumpenaustritt 10 eine Brennstoffhochdruokleitung 1l zu Einspritzdüsen 12 (nur eine dargestellt), die den Brennstoff in eine Vorbrennkammer13 einspritzen, in die zugleich Sauerstoff S durch konzentrisch um die Einspritzdüsen 12 gelegene Ringspalte 14 einströmt. Der Sauerstoff S wird einem nicht dargestellten Vorratsbehälter entnommen und mittels einer ebenfalls nicht dargestellten, von der Turbine 2 über die Welle 1 unmittelbar oder mittelbar angetriebenen Pumpe zu einem die Voxbrennkammer 13 umgebenden Raum 15 gefördert. An der Brennstoffhochdruckleitung lt ist vor den Brennstoffdüsen 12 eine Brennstoffnebenleitung 16 angeschlossen, die über eine Drossel 17 zu einem pumpenseitig an die Doppelabdichtung 5 angrenzenden Raum 18 führt, der andererseits über die Spaltdichtung 6 mit der Rückseite (oder Saugseite) der! Brennstoffpumpe verbunden ist. Von einem vor der Turbine 2 befindlichen Turbinenspalt 19 führt eine Steuerleitung 20 zu einem an sich bekannten Differenzdruckventil 21, dem von einen Vorratsbehälter 22.über-eine Leitung 23 Sperrmedium M zugeführt wird, das durch eine Leitung 24 und eine Bohruni 25 zur Sperrkammer 5g der Doppelabdichtung 5 geleitet wird. Hei einer Anordnung des Lagers 4 zwischen Turbine 2 und Doppelabdichtung 5, wie in Fig. 1 dargestellt, Ist der turbinenseitig an die Doppelabdichtung 5 angrenzende und mit dem Turbinenspalt 19 verbundene Raum 26 über eine Drosselleitung 27 am Raum 15 angeschlossen, in dem stets ein wesentlich höherer Druck herrscht als im Raum 26. Dabei ist die Drosselleitung 21` so bemesaen, daß ihr AusstrUmdruek in den Raum 26 geringfügig über dem Turbinenspaltdruck liegt, so daß das mit einem Trockenschmiermittel verseh4ne hager 4 zusätzlich stets von kühlem Sauerstoffgas durchströmt wird, das durch den Turbinenspalt 19 wieder abfließt. Trine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle der-Drosselleitung 27 eine Leitung 28 vorzusehen, durch die flüssiger Sauerstoff-oder unbrennbare "nydraulikflüaeigkeit* oder ein sonstiges RUhl--und.3chmiermittel auf.bzw. in das Lager 4 gespritzt wird. Außerdem ist die Möglichkeit nichtausgeschlossen, beide Leitungen 27"und 28 zu installieren und sowohl mit Sauerstoffgas als auch mit flüssigem Sauerstoff oder unbrennbarer fltlssigkeit zu schmieren bzw., zu kühlen. Von der Sperrkammer 59 kann eine gedrosselte AbflüDleitmffl 29 wegfuhren, sofern ein Durchfluä duroh die Sperrka#er 5g erwünscht ist. Dies ist dann angebraoht, wenn das Differenz. druekventil 21 so eingestellt ist, daß in der Kammer 5g ein geringMgiger Unterdruck gegenüber den AAumen 18 und 26. herrscht, um das aus diesen Räumen 18 und 26 eingesickerte, mit geringen Treibstoffleckmengen.und Schmiermittelleckmengen versetzte Sperrmedium wieder abzuführen. Auch ist der Ablauf 29 dann notwendig, wenn in der Sperrkenner 58 und in beiden Räumen 18 und 26 der gleiche Druck herreoht,. um eine Konzentration zweier miteinander reigierender »dien innerhalb der Sperrkafeeier 56 reit Sicherheit zu vermeiden.

  Im Verlauf der Brennstoffhoahäruekieitsnt 11 kann vor der .

  Zweigleitung 15 ein Brennstoffdosieementil j0-zur Schub-

  steuereng vorgesehen sein.

  In Fig. 2 ist das vereinfachte psinzipbiid der- Amrdnung

  nach Fig. 1 dargestellt, aus der die vorliegenden Zusämeta-

  hänge leichter zu erkennen sind. -

  Die wirkimgeweise der erfindungsgemltßen Idiwiehtung ist

  folgende: -

  Ein Teil des von der Pumpe 3 insgesamt geförderten Brenn-

  stoffes B gelangt In die Vorbrennkgmer. 13» wo er unter

  großem SauerstoffüberschUß verbrennt. Die sauerstoff-

  reichen Treibgase beaufschlagen die Turbine 2 und strömen

  anschließend in die ahft>lgende Hauptbrennkammer 30 des

  Hauptstromraketentriebwerks#Aer die andere, größere Teil-

  menge des von der Pumpe 3 insgesamt geförderten Bremstot-

  fes B zugeführt Wird. Der Druck 3.m Turbinenspalt 19, im

  Raum 26 und in der Steuerleitung 20 ist, vermindert um den

  Druckabfall im Turbinonleitgitter» um einen bestimmten Betrag

  kleiner als der Druck in der Vƒrbrennkammer 15 und wirkt auf

  das Differenzdruckventil 21 als Steuergröße ein; Diesem wird

  Sperrmedium aus dem Vorratsbehälter 22 über die Leitung 2

  mit einem Druck zugeführt, der höher liegt als der höchste

  im Turbinenspalt 19 bzw. im Raum 26 je auftretende Druck

  Das vom.Turbinensp®ltdruck oder einem diesem proportionalen

  Druck (Yorbrennkammerdruck, Druck aus der äurbinenleitapparat)

  gesteuerte Differenzdruckventil 21 ist so eingestellt» daß

  in der Leitung 24 und in der Bohrung 25 ein Druck herrscht»

  der-stets in'geringen Grenzen entweder-Uber oder unter dem

  in den Räumen 1$ und 26 vorhendenen Druck liegt oder dem

  letzteren gleich ist. Strömungstechnisch und bezüglich des

  ablaufenden thermodynamiechen Prozesses wirken für den

  Brennstoff. H_ die Eipritzdüsen 12, für den Sauerstoff 8

  die Ringspalte 14 und ttlr die in der Vorbrennkammer 13

  erzeugten Treibgase die Turbine 2 als Drosseln, zwischen

  denen sich der Druck im Turbinenspalt 19 aufbaut, der

  sich proportional zum Brennstoffdruck ändert. Analog dazu

  wirken auch die Drossel 17 und die Spaltdichtung 6, zwischen

  denen der Raum 18 liegt, in dem sich bei entsprechender#Be-

  meaaung der Drossel 17 und der Spaltdichtung 6 jeweils ein

  Druck aufbaut, der in weiten Grenzen des Betriebsbereichs

  etwa gleich derti jeweiligen Druck im Turbinenspalt 19 ist.

  Damit wirkt auch auf den zwischen der Sperrkammer 58 und

  5

  dem Raum 18 befindlichen Teil (5a) der Doppelabdichtung

  nurmehr ein geringer Ditferentdruck, der dem Ditteraaz-

  druck zwischen der 8perrkamer 59 und dem Raum 26 gleich

  oder etwa gleich ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche, I. Einrichtung zur Entlastung von Gleitringabdichtungen zum Auseinanderhalten reaktionsfähiger Medien bei Flüssigkeitsraketentriebwerken in Hauptstrombauart mit mindestens einer auf einer gemeinsamen Welle -angeordneten Turbine und pumpen zur Förderung des Oxydators und des Brennstoffes, letzteren über eine zu Einspritzdüsen führende Düsenleitung, wobei zwischen Turbine und pumpen in Turbinennähe eine Gleitring-Doppelabdichtung vorgesehen ist und der turbinenseitig an diese angrenzende Raum vom Turbinenspaltdruck und der pumpenseitig an diese alpgrenzende Raum von dem Druck einer in diesen Raum ein- und ausmündenden Brennatoffnebenleitung belastet ist, in der eine einen Drosseleffekt hervorrufende Spaltabdichtung stromabwärts des letztgenannten Raumes vorgesehen ist, und wobei zwischen den beiden Einzelabdichtungen der Doppelabdichtung eine Sperrkammer liegt, die über ein vom Turbinenspaltdruck gesteuertes Differenzdruckventil mit einem nichtbrennbaren Sperrmedium, insbesondere inertem Gas, beschiakt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brannstoffnebenleitung (16) unmittelbar an der Dtieenleitung (lib) angeschlossen und in ihr'eine Drossel (17) vorgesehen ist; wobei diese sowie die einen Drosseleffekt hervorrufende Spaltabdichtung (6) so bemessen und aufeinander abgestimt sind, das der zwischen der genannten Drossel und der Spaltabdiehtyng sich aufbauende und im pumpenzeitig an die Doppelab- dichtung (5) angrenzenden Raun (1®) herrschende Druck stets gleich oder annähernd gleich dem im turbInen- zeitig an die Doppelabdichtung (5) angrenzenden Raum (27) herrschenden Druck ist. z. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n - z e i o h n e t , daß von der Sperrkaneer (5gY eine gedrosselte Abflualeituns `3gr@ regtdturt. Einrichtung nach Anspruch l und'2, dadurch s*t k e n n z e i c h n e t , das der Druck in der sperr- kammer (5g) geringfügig unter dem in den an die Doppel- abdichtung (5) =grenzenden REu»n (18 und 27) hurt- sehenden gleichen oder annähernd gleichen Druck liegt. @, Einrichtung nach Anspruch i oder 2, daäuroh 6 e k e n n z e i c h n e t , dai der in der äperrkamer (5g) herrschende Drink und die in iden bedm an die Doppelabdichtung j5) aWenzenden Udwen (18 und 24). herrschenden Drücke glelah oder an*hernd gleeh Nkd.