DE19916803A1 - Hydraulische Dichtungsanordnung insbesondere an einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Dichtungsanordnung zwischen zwei relativ zueinander insbesondere in der gleichen Drehrichtung rotierenden Wellen, insbesondere eines Gasturbinen-Triebwerkes, wobei die in Radialrichtung bezüglich der Wellen-Rotationsachse außen liegende Welle einen sich über ihrem Umfang radial nach außen erstreckenden Ringraum aufweist, in welchen die in Radialrichtung bezüglich der Wellen-Rotationsachse innen liegende Welle mit einem über ihren Umfang radial nach außen gerichteten Steg hineinragt und der nach Art eines Siphons zumindest im Bereich des freien Endes des Steges bei Rotation der Welle(n) über einen Eintrittsbereich unter Fliehkraftwirkung mit einem Hydraulikmedium befüllbar ist. Erfindungsgemäß ist abzweigend von einem Ringraum-Bereich, der im wesentlichen am weitesten vom Eintrittsbereich entfernt liegt, eine Möglichkeit zur Abfuhr einer Teilmenge des Hydraulikmediums vorgesehen. Hierdurch wird das Hydraulikmedium im Ringraum kontinuierlich ausgetauscht, so daß auch in heißer Umgebung keine Verkokungsgefahr für das als Hydraulikmedium zum Einsatz kommende Öl aus dem Ölkreislauf des Treibwerks besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Dichtungsanordnung zwischen zwei relativ zueinander insbesondere in der gleichen Drehrichtung rotierenden Wellen insbesondere eines Gasturbinen-Triebwerkes, wobei die in Radial­ richtung bezüglich der Wellen-Rotationsachse außen liegende Welle einen sich über ihrem Umfang radial nach außen erstreckenden Ringraum auf­ weist, in welchen die in Radialrichtung bezüglich der Wellen-Rotationsachse innen liegende Welle mit einem über ihren Umfang radial nach außen ge­ richteten Steg hineinragt und der nach Art eines Siphons zumindest im Be­ reich des freien Endes des Steges bei Rotation der Welle(n) über einen Ein­ trittsbereich unter Fliehkraftwirkung mit einem Hydraulikmedium befüllbar ist. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 33 28 057 A1 ver­ wiesen.

Hydraulische Dichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die auch als "Fliehkraftsiphon" bezeichnet werden können, sind seit langem als berüh­ rungslose und dabei leckagefreie Dichtungen bekannt. Insbesondere sind sie dazu geeignet, zwei relativ zueinander rotierende Wellen gegeneinander abzudichten. Hierzu wird ein Hydraulikmedium, insbesondere Öl aus dem Ölkreislauf der die Wellen enthaltenden Maschine, insbesondere eines Gasturbinen-Triebwerkes, in den genannten Ringraum gegeben, das sich dort durch die aufgrund der Rotatiob der Welle(n) auftretenden Fliehkraftef­ fekte zu einer Sperre ausbildet.

Keine Probleme treten bei einer derartigen einfachen und dabei äußerst wir­ kungsvollen hydraulischen Dichtung in relativ kühler Umgebung auf. Wird jedoch eine solche Dichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in einer relativ heißen Umgebung eingesetzt, wobei das Wellenmaterial im Bereich des genannten Ringraumes bspw. eine Temperatur in der Größenordnung von 500°C besitzt, so würde sich auch das Hydraulikmedium (Öl) bis zu die­ ser Temperatur erwärmen und dabei unweigerlich (zumindest über einen längeren Zeitraum betrachtet) verkoken. Daß aufgrund des hiermit verbun­ denen zumindest partiellen Aushärtens des Hydraulikmediums und des dar­ aus resultierenden Anhaftens von verkoktem Öl an den Begrenzungswänden des Ringraumes bzw. Siphons keine sichere Dichtwirkung mehr gewährlei­ stet ist, liegt auf der Hand.

Eine Maßnahme aufzuzeigen, mit Hilfe derer eine hydraulische Dichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 auch in relativ heißer Umgebung ein­ gesetzt werden kann, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß abzweigend von einem Ringraum-Bereich, der im wesentlichen am weitesten vom Ein­ trittsbereich entfernt liegt, eine Möglichkeit zur Abfuhr einer Teilmenge des Hydraulikmediums vorgesehen ist. Bevorzugt ist dabei der Eintrittsbereich des Ringraumes in Radialrichtung betrachtet möglichst weit innenliegend vorgesehen, während der Ringraum-Bereich mit der Abfuhrmöglichkeit für das Hydraulikmedium in Radialrichtung betrachtet möglichst weit außen so­ wie nahe der dem Eintrittsbereich gegenüberliegenden Seite des Ringrau­ mes vorgesehen ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der weiteren Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird für einen kontinuierlichen Durchsatz von Hydraulik­ medium durch den den Siphon bildenden Ringraum gesorgt, wenn kontinu­ ierlich zumindest eine Teilmenge des darin befindlichen Hydraulikmediums abgeführt und - selbstverständlich - wieder ergänzt und somit nachgefüllt wird, d. h. der Ringraum/Siphon muß hierfür im wesentlichen kontinuierlich mit dem Hydraulikmedium befüllbar sein. Dies hat zur Folge, daß kontinuier­ lich frisches und somit relativ kaltes Öl bzw. Hydraulikmedium in den Rin­ graum/Siphon gelangt, während das dort bereits durch die Umgebung er­ wärmte Hydraulikmedium (zumindest teilweise, bevorzugt jedoch im wesent­ lichen vollständig) abgeführt wird. Das Öl bzw. Hydraulikmedium verbleibt somit nicht solange im Ringraum, daß ein Verkoken auftreten könnte. Gleichzeitig wird durch die kontinuierliche Durchströmung des Ringraumes mit Hydraulikmedium von den Begrenzungswänden des Ringraumes soviel Wärme abgeführt, daß diese abgekühlt werden und auch deshalb keine weitere Verkokungsgefahr besteht. Indem dabei die Möglichkeit zur Abfuhr zumindest einer Teilmenge von Hydraulikmedium in demjenigen Ringraum- Bereich liegt, der vom Eintrittsbereich im wesentlichen am weitesten entfernt liegt, ist sichergestellt, daß das sich im Ringraum befindende Hydraulikmedi­ um zumindest bestmöglich durch das kontinuierlich neu hinzukommende Hydraulikmedium abgekühlt wird, im besten Falle sogar im wesentlichen vollständig kontinuierlich ausgetauscht wird.

Bezüglich der konstruktiven Ausführung für eine Möglichkeit zur Abfuhr einer Teilmenge des Hydraulikmedium aus dem Ringraum bzw. Siphon gibt es verschiedene Varianten. Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den beigefügten Fig. 1 und 2 jeweils in einem Teilschnitt dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauelemente in den beiden Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Mit der Bezugsziffer 1 ist die erste Welle und mit der Bezugsziffer 2 die zweite Welle eines Zweiwellen-Gasturbinen-Flugtriebwerks bezeichnet, die beide mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und somit auch relativ zueinan­ der (dabei aber bevorzugt im gleichen Drehsinn) um die Rotationsachse 3 dieses Triebwerks rotieren. Wie üblich sind diese Wellen 1, 2, von denen jeweils lediglich ein Teilabschnitt dargestellt ist, konzentrisch zueinander an­ geordnet, wobei die erste Welle 1 die Niederdruckwelle darstellt und somit innerhalb der zweiten Welle 2, welche die Hochdruckwelle ist, angeordnet ist. Unter der Bezugsziffer 4 erkennt man weiterhin das Loslager der Hoch­ druck-Welle 2.

Rechtsseitig dieses Loslagers 4 sowie in Radialrichtung R (diese steht senk­ recht auf der Rotationsachse 3) betrachtet außerhalb der Welle 2 liegt somit ein Bereich N des Gasturbinen-Innenraumes, in welchem ein relativ niedriger Druck herrscht, weiter linksseitig des Loslagers 4 sowie in Radialrichtung R betrachtet innerhalb der Welle 2 liegt ein Bereich H mit relativ hohem Druck. Diese beiden Bereiche N und H müssen möglichst wirkungsvoll gegeneinan­ der abgedichtet sein, wofür die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 5 bezeichnete hydraulische Dichtungsanordnung zwischen den beiden Wellen 1, 2 vorgesehen ist.

Gebildet wird diese hydraulische Dichtungsanordnung 5 im wesentlichen durch einen an der Innenseite der außen liegenden Welle 2 vorgesehenen und sich dabei über deren Umfang in Radialrichtung R nach außen erstrec­ kenden Ringraum 5a. In diesen Ringraum 5a ragt ein an der innen liegenden Welle 1 vorgesehener, über deren Umfang sich ebenfalls in Radialrichtung R nach außen erstreckender Steg 5b hinein. Ein großer Teü des Ringraumes 5a und insbesondere derjenige Teilbereich desselben, in welchem das freie Ende des Steges 5b liegt, ist bzw. wird mit Öl (aus dem Ölkreislauf des Triebwerks) oder allgemein mit einem (durch Schraffur dargestelltem) Hy­ draulikmedium 5c befüllt, und zwar über einen sog. Eintrittsbereich 5d.

Über diesen ebenfalls ringförmigen, hier rechtsseitig des Steges 5b liegen­ den Eintrittsbereich 5d kann das Hydraulikmedium 5c, das in Form eines zwischen die beiden Wellen 1, 2 gemäß Pfeilrichtung 6 eingebrachten Öl- Spritzstrahles auch zur Schmierung des Loslagers 4 herangeführt wird, wie im folgenden beschrieben in den Ringraum 5a gelangen:
Aufgrund der Rotation der beiden Wellen 1, 2 und der damit verbundenen Fliehkrafteffekte lagert sich das gemäß Pfeilrichtung 6 eingebrachte Hydrau­ likmedium 5c wie dargestellt an der bezüglich des Zwischenraumes zwi­ schen den Wellen 1 und 2 radial außen liegenden Innenwand 2a der außen liegenden Welle 2 an. Somit gelangt - ebenfalls unter Fliehkrafteinfluß - das Hydraulikmedium 5c auch in den in der Welle 2 vorgesehenen Ringraum 5a, der gegenüber demjenigen Bereich der Innenwand 2a, in welchem das Hy­ draulikmedium 5c gemäß Pfeilrichtung 6 zugeführt wird, in Radialrichtung R betrachtet erheblich weiter außen liegt. Dabei sammelt sich das Hydraulik­ medium 5c im Ringraum 5a sowohl linksseitig als auch rechtsseitig des Ste­ ges 5b an, so daß hierdurch - wie ersichtlich - nach Art eines Siphons eine optimale hydraulische Abdichtung entsteht.

Hier linksseitig des Steges 5b bzw. auf der dem Bereich H zugewandten Seite des Steges 5b liegt die Oberfläche bzw. der Flüssigkeitsspiegel S des Hydraulikmediums 5c dabei selbstverständlich radial weiter außen als rechtsseitig des Steges 5b, da der letztgenannte rechtsseitige Bereich des Steges 5b mit dem Bereich N in Verbindung steht, in welchem ein gegen­ über dem Bereich H erheblich niedrigerer Druck herrscht. Im übrigen kann über den rechtsseitigen freien Endabschnitt der Welle 2 überschüssiges Hy­ draulikmedium 5c, welches aufgrund der Differenzdruckverhältnisse zwi­ schen den Bereichen H und N im Ringraum 5a nicht weiter in den Bereich linksseitig des Steges 5b gelangen kann, gemäß Pfeilrichtung 7 abgeführt werden, so daß mit dieser Bezugsziffer 7 quasi auch ein Überlauf der hy­ draulischen Dichtungsanordnung 5 bezeichnet werden kann.

Wie eingangs erwähnt ist eine derartige hydraulische Dichtungsanordnung 5 grundsätzlich zuverlässig, dies allerdings nur bei relativ niedrigen Umge­ bungstemperaturen, d. h. wenn keine Verkokungsgefahr für das hier als Hy­ draulikmedium 5c zum Einsatz kommende Öl aus dem Ölkreislauf des Gasturbinen-Triebwerks besteht. In demjenigen Bereich einer Gasturbine, in dem die hier dargestellte und erläuterte hydraulische Dichtungsanordnung 5 vorgesehen ist, herrschen jedoch relativ hohe Temperaturen. Insbesondere nimmt auch das Material der beiden Wellen 1, 2 in diesem Bereich relativ hohe Temperaturen an, so daß die Gefahr besteht, daß das im Ringraum 5a befindliche Hydraulikmedium 5c stark erwärmt wird und somit verkoken könnte.

Um dies zu verhindern sind in den beiden Ausführungsbeispielen (in Details unterschiedliche) Möglichkeiten zur Abfuhr einer Teilmenge des Hydraulik­ mediums 5c aus dem Ringraum 5a vorgesehen, und zwar jeweils in einem Ringraum-Bereich 5e, der im wesentlichen am weitesten vom Eintrittsbereich 5d entfernt liegt. Um dabei eine bestmögliche Durchspülung des sog. Si­ phons bzw. des Ringraumes 5a mit kontinuierlich neu über den Eintrittsbe­ reich 5d zugeführtem Hydrauklikmedium 5c, welches das aus dem Rin­ graum-Bereich 5e abgeführte Hydraulikmedium ersetzt, zu ermöglichen, ist stets der Eintrittsbereich 5d des Ringraumes 5a in Radialrichtung R be­ trachtet möglichst weit innenliegend vorgesehen, während der besagte Ring­ raum-Bereich 5e mit der Abfuhrmöglichkeit für das Hydraulikmedium in Ra­ dialrichtung R betrachtet möglichst weit außen sowie nahe der dem Eintritts­ bereich 5d gegenüberliegenden Seite des Ringraumes 5a vorgesehen ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die besagte Möglichkeit zur Ab­ fuhr einer Teilmenge des Hydraulikmediums 5c in Form zumindest einer die außen liegende Welle 2 im wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 3 durchdringenden und dabei geringfügig radial nach außen geneigt verlau­ fenden Ablaufbohrung 8 ausgebildet. Über diese Ablaufbohrung 8 wird somit aus dem Ringraum-Bereich 5e kontinuierlich eine gewisse Menge von Hy­ draulikmedium 5c abgeleitet. Die ebenfalls kontinuierliche Nachbefüllung des Ringraumes 5a erfolgt wie oben erläutert über den Eintrittsbereich 5d mittels des Öl-Spritzstrahles gemäß Pfeilrichtung 6.

Wie vor Beginn der Beschreibung der beiden bevorzugten Ausführungsbei­ spiele bereits erläutert wurde, gelangt somit kontinuierlich frisches und somit relativ kaltes Öl bzw. Hydraulikmedium 5c in den Ringraum 5a (bzw. in den Siphon der hydraulischen Dichtungsanordnung 5), während ein Teil des dort bereits durch die Umgebung erwärmten Hydraulikmediums 5c über die Ab­ laufbohrung 8 abgeführt wird. Das Öl bzw. Hydraulikmedium 5c verbleibt somit nur kurzzeitig im Ringraum 5a, so daß kein Verkoken desselben auf­ treten kann. Gleichzeitig wird durch die im wesentlichen kontinuierliche Durchströmung des Ringraumes 5a mit Hydraulikmedium 5c von den Be­ grenzungswänden des Ringraumes 5a soviel Wärme abgeführt, daß diese abgekühlt werden und auch deshalb keine weitere Verkokungsgefahr be­ steht. In einem bevorzugten Auslegungsfall wurde der Querschnitt der Ab­ laufbohrung 8 dabei derart gewählt, daß innerhalb einer Sekunde das ge­ samte im Ringraum 5a befindliche Hydraulikmedium 5c ausgetauscht wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die besagte Möglichkeit zur Ab­ fuhr einer Teilmenge des Hydraulikmediums 5c in Form eines ebenfalls im besagten Ringraum-Bereich 5e beginnenden und dabei dem Wandverlauf des Ringraumes 5a unter geringem Abstand im wesentlichen folgenden Ab­ schöpfbleches 9 ausgebildet, welches das Hydraulikmedium 5c durch den durch den Abstand gebildeten Spalt 10 in einen radial weiter innen liegenden Bereich führt, von welchem eine die außen liegende Welle 2 im wesentlichen in Radialrichtung R nach außen durchdringende Ablaufbohrung 8 abzweigt.

Wie ersichtlich besitzt beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht nur die Ablaufbohrung 8, sondern auch der Spalt 10 eine größere Querschnittsflä­ che als die Ablaufbohrung 8 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1. Auf diese Weise besteht beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht die Ge­ fahr, daß die Ablaufbohrung 8 verstopfen könnte, was beim Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 unter widrigen Randbedingungen geschehen könnte. An­ dererseits darf bei Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Querschnitt der Ablaufbohrung 8 nicht allzu groß sein, um zu gewährleisten, daß sich stets eine (im Hinblick auf die gewünschte Abdichtung) ausreichende Menge von Hydraulikmedium 5c im Ringraum 5a befindet. Da beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Ablaufbohrung 8 in Radialrichtung R betrachtet weiter in­ nen liegt als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann der freie Strö­ mungsquerschnitt der Ablaufbohrung 8.(sowie des Spaltes 10) aufgrund der geringeren Fliehkraft bei Fig. 2 selbstverständlich größer sein als bei Fig. 1.

Bei beiden Ausführungsbeispielen mündet die Ablaufbohrung 8 im Bereich N des Gasturbinen-Innenraumes, in welchem ein relativ niedriger Druck herrscht. Dabei ist der bereits erwähnte Bereich H des Gasturbinen- Innenraumes, in welchem ein relativ hoher Druck herrscht, gegenüber dem Bereich N bzw. gegenüber dem Ringraum 5a zusätzlich zur hydraulischen Dichtungsanordnung 5 mittels eines zwischen den beiden Wellen 1, 2 ange­ ordneten Dichtringes 11 (bspw. ausgebildet in Form eines Kolbenringes) ab­ gedichtet. Dieser Dichtring 11 wirkt jedoch nur bei Stillstand der Wellen 1, 2, kann hingegen bei rotierenden Wellen 1, 2 aufgrund von Fliehkrafteffekten keine Abdichtung gewährleisten, so daß die hydraulische Dichtungsanord­ nung 5 benötigt wird. Dabei können durchaus eine Vielzahl von Details ins­ besondere konstruktiver Art abweichend von den gezeigten Ausführungsbei­ spielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

(erste, innere) Welle

2

(zweite, äußere) Welle

2

a Innenwand (von

2

)

3

Rotationsachse

4

Loslager

5

hydraulische Dichtungsanordnung

5

a Ringraum (in

2

)

5

b Steg (an

1

)

5

c Hydraulikmedium

5

d Eintrittsbereich (von

5

a)

5

e Ringraum-Bereich (mit Abfuhr-Möglichkeit)

6

Pfeilrichtung: Öl-Spritzstrahl

7

Pfeilrichtung: Überlauf

8

Ablaufbohrung

9

Abschöpfblech

10

Spalt (zwischen

9

und

2

)

11

Dichtring (zwischen

1

und

2

)
N Bereich des Gasturbinen-Innenraumes mit (relativ) niedrigem Druck
H Bereich des Gasturbinen-Innenraumes mit (relativ) hohem Druck
R Radialrichtung
S Flüssigkeitsspiegel bzw. Oberfläche von

5

c in

5

a

Claims (5)

1. Hydraulische Dichtungsanordnung (5) zwischen zwei relativ zueinan­ der insbesondere in der gleichen Drehrichtung rotierenden Wellen (1, 2) insbesondere eines Gasturbinen-Triebwerkes, wobei die in Radial­ richtung (R) bezüglich der Wellen-Rotationsachse (3) außen liegende Welle (2) einen sich über ihrem Umfang radial nach außen erstrec­ kenden Ringraum (5a) aufweist, in welchen die in Radialrichtung (R) bezüglich der Wellen-Rotationsachse (3) innen liegende Welle (1) mit einem über ihren Umfang radial nach außen gerichteten Steg (5b) hineinragt und der nach Art eines Siphons zumindest im Bereich des freien Endes des Steges (5b) bei Rotation der Welle(n) (1, 2) über ei­ nen Eintrittsbereich (5d) unter Fliehkraftwirkung mit einem Hydraulik­ medium (5c) befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß abzweigend von einem Ringraum- Bereich (5e), der im wesentlichen am weitesten vom Eintrittsbereich (5d) entfernt liegt, eine Möglichkeit zur Abfuhr einer Teilmenge des Hydraulikmediums (5c) vorgesehen ist.

2. Hydraulische Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsbereich (5d) des Ringrau­ mes (5a) in Radialrichtung (R) betrachtet möglichst weit innenliegend vorgesehen ist, während der Ringraum-Bereich (5e) mit der Abfuhr­ möglichkeit für das Hydraulikmedium (5c) in Radialrichtung (R) be­ trachtet möglichst weit außen sowie nahe der dem Eintrittsbereich (5d) gegenüberliegenden Seite des Ringraumes (5a) vorgesehen ist.

3. Hydraulische Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit zur Abfuhr einer Teil­ menge des Hydraulikmediums (5c) in Form zumindest einer die außen liegende Welle (2) im wesentlichen in Richtung der Rotationsachse (3) durchdringenden und dabei geringfügig radial nach außen geneigt verlaufenden Ablaufbohrung (8) ausgebildet ist.

4. Hydraulische Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit zur Abfuhr einer Teil­ menge des Hydraulikmediums (5c) in Form eines im besagten Rin­ graum-Bereich (5e) beginnenden und dem Wandverlauf des Ring­ raumes (5a) unter geringem Abstand im wesentlichen folgenden Ab­ schöpfbleches (9) ausgebildet ist, welches das Hydraulikmedium (5c) durch den durch den Abstand gebildeten Spalt (10) in einen radial weiter innen liegenden Bereich führt, von welchem eine die außen lie­ gende Welle (2) im wesentlichen in Radialrichtung (R) nach außen durchdringende Ablaufbohrung (8) abzweigt.

5. Hydraulische Dichtungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufbohrung (8) in einem Bereich (N) des Gasturbinen-Innenraumes mündet, in welchem ein relativ niedriger Druck herrscht, wohingegen ein anderer Bereich (H) des Gasturbinen-Innenraumes, in welchem ein relativ hoher Druck herrscht, gegenüber dem Ringraum (5a) mittels eines zwischen den beiden Wellen (1, 2) angeordneten Dichtringes (11) zusätzlich abge­ dichtet ist.