DE2646138A1

DE2646138A1 - Vorrichtung zum schmieren eines mechanismus innerhalb einer rotierenden welle

Info

Publication number: DE2646138A1
Application number: DE19762646138
Authority: DE
Inventors: Dorse James Freeman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-10-16
Filing date: 1976-10-13
Publication date: 1977-04-28
Also published as: FR2328158A1; BE847233A; US4013141A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmiervorrichtung für eine Maschine und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Schmiermittelfilmes mit ausreichender Dicke oder Tiefe auf der inneren Oberfläche einer umlaufenden Hohlwelle. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist insbesondere geeignet für eine Verwendung bei Haupt- und Hilfsantriebswellen, wie sie in Gasturbinentriebwerken zu finden sind.

Es ist bekannt, die innere Oberfläche einer umlaufenden Hohlwelle zu verwenden, um Schmiermittel entlang der Wellenlänge, zu den Lagern, Antriebsverbindungen oder anderen zu schmierenden Mechanismen zu transportieren. Die bei der rotierenden Welle auftretenden

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. H.

Zentrifugalkräfte zwingen das Schmiermittel, an der inneren Oberfläche der Hohlwelle anzuhaften, und, da mehr und mehr Schmiermittel der Welle zugeführt wird, verteilt sich das Schmiermittel und wandert entlang der inneren Oberfläche der Welle. Wo die zu schmierenden Mechanismen auf dem gleichen Durchmesser wie die innere Oberfläche der Welle angeordnet sind, wird aas Schmiermittel in die Mechanismen transportiert. Da jedoch das Schmiermittel dazu neigt, nur einen dünnen Film auf der inneren Oberfläche der Welle zu bilden, erhalten Mechanismen, die in einem Abstand radial innen von der inneren Oberfläche angeordnet sind, selbst wenn dieser radiale Abstand nur klein ist, nicht das gewünschte Schmiermittel. Es ist deshalb Ziel der vorliegenden Erfindung, Schmiermittel an solche Mechanismen zu liefern, die radial innen von der inneren Oberfläche der rotierenden Welle angeordnet sind. Dies wird durch die erfindungsgemässe Anordnung erreicht, die trotzdem mit Montage- und thermischen Expansionsbeschränkungen kompatibel ist, die durch die Struktur und die Betriebscharakteristiken der Maschine bestehen können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesentlichen darin, eine Schmiereinrichtung zur Zufuhr von Schmiermittel zu den entsprechenden Mechanismen einer Maschine zu schaffen. Weiterhin beinhaltet die Erfindung Mittel zum Schmieren eines Mechanismus, der radial innen von der inneren Oberfläche einer rotierenden Welle angeordnet ist. Dabei soll die Schmiereinrichtung mit Montage- und thermischen Expansionscharakteristiken kompatibel sein, wie sie bei der Maschine auftreten.

In einer Maschine mit einer ersten zylindrischen Hohlwelle, in der ein Strömungspfad für das Schmiermittel ausgebildet ist, bildet die innere Oberfläche aufder Maschine einen ersten Abschnitt des Strömungspfades für eine Wanderung des Schmiermittels von einem stromaufwärtigen Ende der Welle zu einem stromabwärtigen Ende der Welle. Am stromaafwärtigen Ende der vielle sind Mittel vorgesehen zur Zufuhr von Schmiermittel zur inneren viellenoberflache. Eine zu schmierende Vorrichtung ist stromabwärts vom stromaufwärtigen Ende

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der Welle angeordnet, und wenigstens ein Teil dieser Vorrichtung ist in einem bestimmten Abstand radial innen von der inneren Oberfläche angeordnet. Ein erster ringförmiger Damm ist stromabwärts von der Vorrichtung in der Strömungsbahn des Schmiermittels angeordnet und verhindert die Wanderung des Scnmiermittels in stromabwärtiger Richtung. Der erste ringförmige Damm erstreckt sich für wenigstens die bestimmte Abstandsstrecke radial nach innen, wodurch sich das Schmiermittel bis zu einer ausreichenden radialen Dicke sammelt, um die Abschnitte der Vorrichtung zu schmieren, die radial innen von der Innenfläche beabstandet sind. Ein zweiter ringförmiger Damm kann am oberen Ende angeordnet sein, um eine Wanderung des Schmiermittels in stromaufwärtiger Richtung zu bremsen. Der zweite ringförmige Damm kann antriebsmässig mit einer zweiten umlaufenden Welle verbunden und zwischen einer ersten Position, in der ein dichtender Eingriff mit der inneren Oberfläche der ersten Welle besteht, und einer zweiten Position bewegbar sein, in der kein dichtender Eingriff mit eier ersten Welle bestent. Die Antriebsverbindung zwischen aem zweiten Damm und der zweiten Welle wird von Antriebsnasen oder -zähnen gebildet, die passend zu Antriebsnuten ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert.

Figur 1 ist eine Teilschnittansicht von einer Antriebswellenverbindung mit der Schmiereinrichtung gemäss der Erfindung.

Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht von einem Dichtungselement in der Antriebswellenverbindung gemäss Figur 1.

Figur 3 ist eine Draufsicht auf einen Teil des in Figur 2 gezeigten Dichtungselementes.

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Figur 4 ist eine vergrösserte Schnittansicnt des in Figur 3 gezeigten Dicntungselementes in Verbindung mit anderen E lementen aer Antriebswellenverbindung.

In Figur 1 ist die verbessa-te .Schmiereinrichtung gemäss' dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Kin insgesamt bei 20 gezeigter Antriebsmechanismus umfasst eine zylindrische äussere Hohlwelle 22 und eine zylindrische Innenwelle 24. Die äussere Welle 22 wira von einem stromaufwärtigen Ende 23 und einem stromabwärtigen Ende 25 gebildet und ist antriebsmässig mit der inneren vielle 24 über eine verzannte bzw. verkeilte Anordnung am stromabwärtigen Ende 25 verbunden, wie es im folgenden noch näher beschrieben wird.

Die äussere Welle 22 ist mit axial aufeinanderfolgend im Durchmesser abgestuften Abschnitten 2b und 28 versehen, die axial und in Umfangsrichtung verlaufende Innenflächen 30 bzw. 32 aufweisen. Eine radial verlaufende und in axialer Richtung weisende Stirnfläche 34 liegt zwischen den Oberflächen 30 und 32 und verbindet diese. Von der inneren Oberfläche 32 ragen zahlreiche in Längsrichtung verlaufende Innenzähne 35 radial nacn innen. Ein Ringflansch 37, der auf dem abgestuften Abscnnitt 28 einstückig ausgebildet ist, ist für eine Antriebsverbindung aer Aussenwelle 22 mit einer nicht gezeigten Antriebsmaschine vorgesehen. Die Welle 22 weist eine Schmiermittel-Abfuhrleitung 36 auf, die im folgenden nocn zu beschreiben ist und am stromabwärtigen Ende 25 in Verbindung mit der Oberfläche 30 angeordnet ist,für einen Transport des Schmiermittels zu einem nicnt gezeigten Sumpf.

Die konzentrisch innerhalb der Welle 22 angeordnete Welle 24 nat ebenfalls einen zylindrischen hohlen Aufbau und weist eine zylindrische Aussenflache 34 auf, die axial entlang der Welle 24 verläuft. Das stromabwärtige Enae 44 der Welle 24 weist zahlreiche longitudinal verlaufende Zähne 39 auf, die sich von der äusseren Oberfläche 38 radial nach aussen erstrecken. Die Welle 24 ist so angeordnet,

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dass ein ringförmiger Spalt 46, der vom stromaufwärtigen Ende 42 zum stromabwärtigen Ende 44 der Welle 24 verläuft, die Aussenflache 38 der welle 24 von der Innenfläche 30 der WeIIe 22 trennt. Eine Düse 47 ist vorgesehen, um einen Scnmiermittelstrahl in den Spalt 46 an einer Stelle neben dem stromaufwärtigen Ende 42 der Welle 24 zu sprühen.

Eine durchgehende ringförmige Positioniernut 48 ist in der überfläche 38 ausgebildet und erstreckt sicn in Umfangsrichtung an ihrem stromaufwärtigen Ende 42 um die i/felle 24 nerum. Zahlreiche Antriebsnuten 50 (die in Figur 1 in gestrichelten Linien dargestellt sind), die in der Oberfläche 3d unmittelbar stromaufwärts von der Positioniernut 48 angeordnet sind, sind in Umfangsrichtung in vorbestimmten Abständen in der Welle 24 angeordnet und schneiden die Positioniernut 48 an ihren stromabwärtigen Enden.

Eine eine Schmierung erfordernde Vorrichtung, nämlich ein kerbverzahnter Zwischenadapter 52, verbindet antriebsmässig die äussere Welle 22 mit der inneren Welle 24. Genauer gesagt, hat der kerbverzahnte Zwischenadapter 52 allgemein eine ringförmige axial verlaufende zylinderförmige Konfiguration mit radial nach aussen weisenden äusseren Kerb zähnen 54 an seinem äusseren Umfang und radial nach innen weisenden inneren Kerbzähnen 56 an seinem inneren Umfang. Der Zwischenadapter 52 ist innerhalb des abgestuften Abschnittes 28 der Aussenwelle 22 so angeordnet, dass er an der Stirnwand 34 anliegt und dass die Basis der inneren Kerbzähne 56 den gleichen Durchmesser nat wie die Oberfläche 30. Die äusseren Kerb zähne 54 sind angepasst durch Pressitz oder B'estsitz mit den inneren Kerbzähnen 35 auf der inneren Oberfläche 32 der Aussenwelle 22. Die inneren Kerbzähne 56 greifen passend, aber lose, in die äusseren Kerbzähne 39 der Innenwelle 24 ein. Wie aus der Figur 1 hervorgeht·, ist ein Teil der zusammenpassenden Kerbzähne und 39 in einem vorbestimmten Abstand radial innen von der Innenfläche 30 angeordnet.

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Die Innenwelle 24 kann zwar direkt mit der Aussenwelle 22 kerbverzahnt sein, es ist aber als vorteilnaft gefunden worden, einen kerbverzahnten Zwischenadapter 52 zu verwenden, um die fellen 22 und 2¹I antriebsmässig miteinander zu verbinden. In vielen Fällen werden die Wellen 22 und 24 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, die, obwohl zu Festigkeitszwecken erforderlich, nicht vergleichbare Eigenscnaften hinsichtlich der Lebensdauer aufweisen, wenn sie in einem losen Eingriff miteinander stehen, selbst wenn sie geschmiert werden. "Wenn beispielsweise die Aussenwelle aus Titan und die Innenwelle 24 aus Stanl hergestellt wäre, entsteht bekanntlich eine übermässige Abnutzung aer Kerbverzahnung, wenn die Wellen lose miteinander verzahnt sind. In vielen Fällen ist eine lose Verzahnung erforderlich für eine zweckmässige und effiziente Montage der Wellen. Die Zwischenfügung eines kerbverzahnten Zwischenadapters 52, der aus Stahl hergestellt ist, zwischen die zwei Wellen richtet sich insbesondere auf dieses Problem. Insbesondere ist der Zwischenadapter 52 fest eingepasst durch einen Pressitz oder Festsitz mit der äusseren Titanwelle. Da die Einpassung fest ist, tritt keine Abnutzung zwischen den Kerb zähnen auf. Der Stahladapter kann dann an die aus Stahl bestehende Innenwelle 24 lose angepasst werden, ohne dass die mit unähnlichen Materialien verbundenen nachteiligen AbnutzungsCharakteristiken auftreten.

Der kerbverzahnte Zwischenadapt.er 52 ist in der vorstehend beschriebenen Position durch ein ringförmiges Halteglied 5δ gehalten, das in die Aussenwelle 22 geschraubt ist. Das Halteglied 58 weist ein Dichtungselement 60 in einem dichtenden Eingriff mit der Oberfläche 38 der 'Welle 24 auf, das dazu dient, ein Herauslecken von Schmiermittel aus dem Antriebsmechanismus 20 zu verhindern. Das Halteglied 58 weist ferner einen ringförmigen Endabschnitt 62 mit einer ausreichend dichten Stossverbindung mit dem Adapter 52 auf, um einen Durchtritt von öl zwischen diesen Teilen zu verhindern. Der ringförmige Endabschnitt 62 ist weiterhin so angeordnet, dass sein Innendurchmesser 62 sich radial innen von einem wesentlichen

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Teil der Kerbzähne 56 und 39 befindet.

Ein expandierbares ringförmiges Dichtungsteil 66 sitzt in dem Spalt 46 an dem stromaufwärtigen Ende 42 der Innenwelle 24. Wie am besten aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, weist das expandierbare ringförmige Dicntungsteil 66 einen in Umfangsrichtung verlaufenden Kreisringteil 6b, zahlreiche axial verlaufende Antriebsansätze 70, die von dem Ringteil 6 8 ausgehen, und zahlreiche auf einem Umfangsteil verlaufende Positionierabschnitte 72 auf, die von den Antriebsabschnitten 70 ausgehen. Sowohl der Antriebsansatz 70 als auch der Positionierabschnitt 72 sind mit einer ausreichenden radialen Dicke hergestellt, so dass, wenn die expandierbare Dichtung 66 über die Antriebswelle 24 gesetzt ist, die Antriebsansätze 70 in den Antriebsnuten 50 aufgenommen und die Positionierabschnitte 72 in der ringförmigen Positioniernut 4b aufgenommen sind. Auf diese Weise wird das expandierbare Dicntungsteil 66 an einer axialen Bewegung relativ zur Welle 24 gehindert auf Grund der Passung zwischen den Positionierabschnitten 72 und der ringförmigen Positioniernut 48, und weiterhin muss es mit der Welle 24 rotieren auf Grund der Passung zwischen den Antriebsansätzen 70 und den Antriebsnuten 50.

Das Dicntungsteil 66 ist an einer Trennlinie 74 geteilt, damit sicn das Dichtungsteil elastisch ausdehnen kann zu Zwecken, die im folgenden erläutert werden. Wenn der Antriebsmechanismus nicht in Betrieb ist, schmiegt sich aas Dichtungsteil 66 an die Innenwelle 24 an und infolgedessen besteht ein kleiner Spielraum (nicht gezeigt) zwischen dem Dichtungsteil 66 und der Aussenwelle 22. Der Spielraum erleicntert die Montage der Welle 24 in der Welle 22. Wenn der Antriebsmechanismus in Betrieb ist, läuft das Dichtungsteil 66 mit der Antriebswelle 24 um und infolge der dabei auftretenden Zentrifugalkräfte dehnt es sich radial nach aussen aus in einen dichtenden Eingriff mit der Innenfläche 30 der Antriebswelle 22.

Die vorstehend beschriebene Struktur bildet einen Strömungspfad für Schmiermittel, das durch die Düse 47 zwischen den Wellen 22

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und 24 eingeführt wird. Der Strömungspfad für das Schmiermittel wird von der inneren Oberfläcne 30, der Basis der Kerbzähne 39, dem Durchlasskanal 65 in dem Halteglied 58 und der Schmiermittel-Abfluss leitung 36 in der Aussenwelle 22 gebildet. Der ringförmige Endabschnitt 62 ist für noch zu beschreibende Zwecke in den Strömungspfad eingefügt, so dass Schmiermittel den Endabschnitt 62 nur entlang dem Innendurchmesser 64 umgehen kann.

Während eines Betriebes des Antriebsmecnanisraus 20 ist eine Schmierung der lose passenden Kerb zähne 39 und 56 wünschenswert und erfolgt in der folgenden tfeise. Die Düse 47 spritzt Schmiermittel in den Spalt 46 ein und auf die äussere Oberfläche 38 der Innenwelle 24 an einem Punkt nahe dem Ringabschnitt 68 des Dichtungsteiles Auf Grund der Rotation der rfelle 24 wird Schmiermittel radial nach aussen und auf die innere Oberfläche 30 der Aussenwelle 22 an einem Punkt stromabwärts von dem Dichtungsteil 66 geschleudert. Da mehr und mehr Schmiermittel auf der Oberfläche 30 abgeschieden wird, bewirkt die Zentrifugalkraft, dass sich das Schmiermittel entlang der Oberfläche 30 sowohl in stromaufwärtiger als auch stromabwärtiger Richtung ausbreitet. Auf Grund des dichtenden Eingriffes zwischen der Dichtung 66 und der Oberfläche 30 ist jedoch das Schmiermittel daran gehindert, in stromaufwärtiger Richtung über die Dichtung 66 hinaus zu wandern. Deshalb wandert das Schmiermittel stromabwärts über die Basis der Kerbzähne 39 zum ringförmigen Endabschnitt 62 des rialtegliedes 58. Ohne den Endabschnitt 62, der sich für ein vorgewänltes Stück radial nach innen erstreckt. entsprechend der Strecke, die ein Teil der ineinanderpassenden Kerbzähne 39 und 56 radial innen von der Innenfläche 30 beabstandet ist, würde Schmiermittel durch die Kanäle 6'5 und 36 strömen, ohne diese Abschnitte der ineinander passenden Kerbzähne 38 und 56 zu schmieren, die in einem Abstand radial innen von der Innenfläche 30 angeordnet sind. Wegen des festen Eingriffes des Endabschnittes 62 mit dem Adapter 52 und der radial nach innen gerichteten Verlängerung des Endabschnittes 62 ist das Schmiermittel zunächst daran gehindert, in die Kanäle 65 und 36 einzutreten. Da die Düse

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47 weiterhin mehr und mehr Schmiermittel auf die Innenwelle 24 aufbringt, das dann zur Innenfläche 30 der Aussenwelle 22 transportiert wird, wie es vorstehend beschrieben ist, nimmt die radiale Dicke des Schmiermittels zu und bildet somit eine Schmiermittelanhäufung zwischen der öldichtung 66 und dem Endabschnitt 62. Die öldichtung 66 und der Endabschnitt 62 wirken als stromaufwärtige bzw. stromabwärtige Dämme, die eine Ansammlung von öl dazwischen mit ausreichender Dicke bewirken, um eine Schmierung der Zähne 39 und 59 über ihrer vollen radialen Höhe zu bewirken.

Nachdem das Schmiermittel bis zu einer ausreichenden Tiefe bzw. Höhe angesammelt worden ist, überspült es den Innendurchmesser des Endabschnittes 62, woraufhin es durch die Abflussschlitze und den Durchlasskanal 36 zurück zu einem nicht gezeigten Sumpf fliesst. Es ist leicht einzusehen, dass ohne diesen Dammeffekt, der durch die öldichtung 66 und den Endabschnitt 62 hervorgerufen wird, das Schmiermittel einfach entlang der Innenfläche 30 der Welle 22 fliessen würde, ohne eine ausreichende Dicke oder Tiefe zu erreichen, um die radial nach innen beabstandeten Abschnitte der ineinander greifenden Kerb zähne 39 und 56 zu schmieren.

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Claims

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Ansprüche

l.j Schmiereinrichtung für eine Maschine mit einer ersten zylinariscnen Hohlwelle, gekennzeichnet durcn

einen Strömungspfad für einen Schmiermittelfilm durch die Maschine hindurch,

eine axial und in Umfangsrichtung verlaufende innere Oberfläche (30, 32) auf der Welle (22), wobei die Oberfläche einen ersten Abschnitt des Strömungspfades für die axiale Wanderung des Schmiermittelfilmes von einem stromaufwärtigen Ende (23) der. Welle in stromabwärtiger Richtung bildet,

Mittel (^7) zum Aufbringen von Schmiermittel auf die innere Oberfläcne (j50) am st romaufwärt igen Ende (23),

eine zu schmierende Vorrichtung (52), die stromabwärts vom stromaufwärtigen Ende (23) der Welle (22) benachbart zu der inneren Oberfläche angeoranet ist, wobei wenigstens ein Teil der Vorrichtung (52) in einem vorbestimmten Abstand radial innen von der inneren Oberfläche angeordnet ist,

einen ersten ringförmigen Damm (62), der stromabwärts von der Vorrichtung (52) in dem Strömungspfad angeordnet ist zur Bildung eines Widerstandes gegenüber der Schmiermittelwanderung und der sich von der inneren Oberfläche für wenigstens den bestimmten Abstand radial nach innen erstreckt derart, dass der erste Damm (62) einen ausreichenden Widerstand gegen eine weitere Wanderung des Schmiermittels in stromabwärtiger Richtung bildet, so dass die radiale Dicke des· Schmiermittelfilmes ver-. grösserbar ist, bis das Schmiermittel den radial nach innen beabstandeten Teil der Vorrichtung (52) schmiert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass ein zweiter ringförmiger Damm (66) am stromaufwärtigen Ende (23) der Welle (22) in einer ersten

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Position in dichtendem Eingriff mit der inneren OberflacheYangeordnet ist una die Mittel (47) zum Aufbringen von Schmiermittel auf die innere Oberfläche sich stromabwärts von dem zweiten

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ringförmigen DammYBefinden, wobei der zweite ringförmige Damm einen Widerstand bildet für aie Schmiermittelwanderung in stromaufwärtiger Richtung.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass eine zweite drehbare Welle (24) innerhalb der ersten drehbaren Welle (22) angeordnet ist und der zweite ringförmige Damm (66) eine expandierbare Dichtung ist, die antriebsmässig mit der zweiten Welle (24) für eine Drehung mit dieser verbunden ist, wobei der zweite ringförmige Damm (66) die erste Position einnimmt, wenn die zweite Welle umläuft, und von der ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist, in der kein dichtender Eingriff mit der inneren Oberfläche besteht, wenn die zweite Welle nicht umläuft.
4. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , dass die Antriebsverbindung zwischen dem zweiten ringförmigen Damm und der zweiten Welle (22) von einer Vorsprünge und Rücksprünge aufweisenden Verbindung gebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite ringförmige Damm (66) einen kreisrunden Dichtungsringabschnitt (68) und zahlreiche Antriebs-Vorsprungsteile (70) aufweist, die von dem Dichtungsringabscnnitt (68) ausgehen, wobei aie Ansatzteile (70) von Antriebsnuten (50) aufgenommen und in diesen angeordnet sind, die in der zweiten Welle (24) ausgebildet sind, und die Ansatzabschnitte (70) und die Antriebsnuten (50) die Vorsprünge und Rücksprünge aufweisende Verbindung bilden.

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