DE3542826A1 - Wellendichtungseinrichtung fuer turbomaschinen, insbesondere gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellendichtungs­ einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Dichtungen werden in der Fachsprache auch als "Zwischenwellendichtungen" bezeichnet; sie sind u.a. vorgesehen, um bei Turbomaschinen, z.B. Gasturbinen­ triebwerken, mit gleichen oder unterschiedlichen Medien, z.B. Gas/Gas oder Gas/Öl, zu beaufschlagende Rotorzonen mit möglichst geringen Leckageverlusten voneinander zu trennen. Bei mehrwelligen Gasturbinenstrahltrieb­ werken werden u.a. Hohlwellenstränge beispielsweise zur Führung von aus dem Verdichter abgezweigter Tur­ binenkühlluft, Lagerkammersperrluft, Rotor-Stator- Sperrdichtungsluft oder Enteisungsluft beigezogen; vielfach muß hierbei z.B. die Entnaheluft dem inneren Wellensystem von außen zugeführt bzw. vom inneren Wellensystem wieder nach außen abgeführt werden. Trotz mehrwellig einander überlappender Rotorsektionen muß also die jeweilige Entnahmeluft im Rahmen des ihr zugewiesenen Weges sowie Druck- und Geschwindigkeits­ niveaus möglichst leckagefrei geführt werden können, um den aero-thermodynamischen Triebwerkskreisprozeß nicht zu beeinträchtigen sowie gegebenenfalls mechanische Triebwerksschäden (Lager) zu verhindern.

Als sogenannte "Zwischenwellendichtungen" wurden beispielsweise Labyrinthdichtungen, radial schleifende Dichtungen oder axiale/radiale Gleitringdichtungen einge­ setzt.

Hinsichtlich der Leckageanfälligkeit und des Ver­ schleißes (hohe Wellendrehzahlen und Temperaturen) ange­ strebte Verbesserungen der genannten Dichtungskonzepte führten zu oftmals komplizierten, störanfälligen und montageunfreundlichen Lösungen. Axiale Relativ­ verschiebungen der Wellen fanden dabei in den meisten Fällen keine hinreichende Berücksichtigung.

Letzteres trifft u.a. für Labyrinthdichtungen zu, die eine vergleichsweise genaue Anpassung der kammartig ineinandergreifenden Dichtspitzen sowie eine ver­ hältnismäßig ausgeprägte Vielzahl von Labyrinthen erzwingen, um bezüglich der Leckageanfälligkeit Ver­ besserungen zu erbringen.

Radial schleifende Dichtungen lassen zwar begrenzte axiale Relativverschiebungen zwischen zwei Wellen für möglich erscheinen, sind jedoch im allgemeinen ver­ hältnismäßig hohen Wellendrehzahlen nicht gewachsen sowie vergleichsweise montageunfreundlich ausgebildet, indem z.B. ein leder- oder gummiartiger Dichtring im Wege eines besonderen Werkzeugs unter plastischer Verformung in "hintergreifender" Anordnung in eine entsprechend vorgeformte Gehäuseaussparung eingezwängt, dann ge­ sichert sowie weiter über eine koaxiale Schnürfeder wellenkoaxial eingebunden werden muß.

Ein wesentlicher Nachteil axialer/radialer Gleitring­ dichtungen wird u.a. im Erfordernis geschlitzter Dicht­ ringe und damit vorhandener zusätzlicher Leckagestellen gesehen. Außerdem erwachsen aus diesem Dichtkonzept Probleme bezüglich der erforderlichen Planlaufgenauigkeit und des Verschleißes an der axialen Gleitfläche, was sinngemäß auch z.B. für reine axiale Gleitringdichtungen gilt.

Es sind auch gas- bzw. hydrodynamisch arbeitende Gleitring­ dichtungen zwischen Rotor und Stator einer betreffenden Strömungsmaschine bekannt, die zur Verschleißminimierung korrespondierender radialer Dichtflächen einen fluidisch bzw. thermisch gesteurten Schmier-Dichtspalt-Aufbau erzwingen. In Verbindung mit besonderen Schmiermitteltrag­ taschenausbildungen entlang der Gleitflächen bzw. über dem Umfang variierenden Kühlkanalkonfigurationen im rotierenden Dichtring sind derartige Dichtkonzepte vergleichsweise bauaufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für gleiche oder einander entgegengerichtete Wellendrehrichtungen geeignete Dichtung anzugeben, die bei extrem geringer Leckage und unbehinderter gegenseitiger axialer Ver­ schiebbarkeit der Wellen zugleich montagefreundlich und verschleißarm ist.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kenn­ zeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Dabei stellt sich also im Stillstand zwischen den beiden Dichtringen und der innen liegenden Welle ein konzentrischer, schon verhältnismäßig geringer, konzentrischer Radial- oder Dichtspalt ein; die betreffenden Federelemente sorgen für diese konzentrische Ringposition.

Bei Rotation der beiden Wellen (Gegen- oder Gleichlauf) schwenkt jeder Dichtring aufgrund der auf ihn einwirken­ den Fliehkraft um seinen außermittigen Drehpunkt bis zur Auflage im Gehäuse. Hierdurch entsteht ein unsym­ metrischer Dichtspalt. Als Folge der versetzten Dreh­ punktanordnung ist die Summe der durch Ringüberdeckung hervorgerufenen, extrem kleinen unsymmetrischen Spalte wesentlich kleiner als der ohnehin schon vergleichsweise kleine, für den Stillstand repräsentative, konzentrische Dichtspalt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 12.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine quer geschnittene Darstellung der Dichtungseinrichtung nebst äußerer und innerer Welle,

Fig. 2 einen Axialschnitt der Dichtungseinrichtung nebst abschnittsweise dargestellter äußerer und innerer Welle, worin allerdings zwecks Verdeutlichung der Umfangsspaltbeabstandung zum Gehäuse der eine, in Fig. 2 rechte Dichtungsring lediglich um 90° gegenüber dem anderen bzw. linken Dichtungsring ver­ setzt wiedergegeben ist,

Fig. 3 eine Darstellung der Dichtungseinrichtung gemäß Fig. 1, jedoch hier die Betriebs­ stellung des einen Dichtungsringes nebst verformtem Rückstellfederelement ver­ deutlichend,

Fig. 4 eine die kombinierte tatsächliche, 180° winkelversetzt aufgehängte Dichtungs­ ringanordnung in gemeinschaftlicher Be­ triebsstellung verdeutlichend unter Berück­ sichtigung jeweils gleicher vorgegebener Spaltweiten (A=B) und

Fig. 5 ein Teilquerschnittschema in der Ansicht gemäß Fig. 4, hier jedoch in einer Ring­ betriebsstellung, die aus unterschiedlich vorgegebenen Spaltweiten (A<B) resultiert.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht die Zwischenwellendichtungs­ einrichtung aus zwischen einer äußeren Welle 1 und einer inneren Welle 2 in einem Gehäuse 3 angeordneten Dichtungsringen 4 und 5. Das Gehäuse weist u.a. radial in den Zwischenraum zwischen beiden Wellen 1, 2 aus­ kragende Wandungen 6, 6′ auf, zwischen denen die beiden Dichtringe 4, 5 gegenüber einer Tellerfeder 17 axial abgestützt sind. Anstelle der Tellerfeder könnte auch ein anderweitiges Federelement, z.B. eine Wellfeder oder dergleichen,vorgesehen sein. Mit der Tellerfeder 17, oder dergleichen, können überdies z.B. Bauteil- bzw. Wellendifferenzdehnungen kompensiert werden.

Die Dichtungsringe sind grundsätzlich aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, jedoch hier z.B. zugleich als Träger von Kohleringen 7, 8 (Fig. 2) ausgebildet, welche in der Ruhestellung der Einrichtung die innere Welle 2 im Wege eines rotationssymmetrischen Umfangsdichtspaltes (Spalt­ weite B) umschließen.

Über betreffende Gegenflächen der Kohleringe 7, 8 besteht stets eine flächenmäßige Berührung der beiden Dichtungsringe 4, 5 untereinander. Die Kohlringe 7, 8 können beispielsweise auf die Dichtungsringe 4, 5 aufgeschrumpft oder aufgeklebt bzw. aufzementiert sein.

Wie ferner aus Fig. 1, insbesondere aber aus Fig. 4, erkennbar, sind die beiden Dichtungsringe 4, 5 mit jeweils um 180° über dem Umfang versetzten Drehpunkten 9, 9′ (Fig. 4) schwenkbar am Gehäuse 3 (Fig. 2) aufge­ hängt. Es handelt sich dabei also um außermittige Dreh­ punkte 9, 9′, die gemäß Fig. 1 oder 4 z.B. in einer gemeinsamen Längsmittelebene angeordnet sind. Letzteres gilt sinngemäß für an den betreffenden Drehpunkten 9, 9′ gegenüberliegenden Stellen der Dichtringe 4, 5 angeordnete Federmittel 10, 10′.

Diese Federmittel 10, 10′ erzwingen in der Ruhestellung die Einhaltung konstanter Umfangsspalte (Spaltweite A), die zwischen konzentrischen Gegenflächen G und den be­ treffenden Ringaußenflächen vorgegeben sind. Die ge­ nannten konzentrischen Gegenflächen G werden am Gehäuse 3 aus davon radial auskragenden Radialwandungen 18 bzw. 19 (Fig. 1 bzw. Fig. 2) bereitgestellt.

Bei Wellenrotation und dabei hervorgerufener Fliehkraftein­ wirkung auf die beiden Dichtringe 4, 5 werden die letzteren um die vorgegebene Spaltweite A einander entgegengerichtet seitlich soweit nach außen, also gegen die Gegenflächen G verschoben (Fig. 3 und 4), daß vom ursprünglich kon­ zentrischen Umfangsdichtspalt (Spaltweite B - Fig. 1) nur noch verhältnismäßig kleine sichelförmige und somit minimale Spalte S (Fig. 4) übrig bleiben.

Für Fig. 1 bis 4 wird also davon ausgegangen, daß die betreffende Spaltweite A der Umfangsspalte gleich der Spaltweite B des Umfangsdichtungsspaltes ist.

Bei mit Abschaltung des Triebwerks verbundener Unter­ schreitung der Drehzahl bzw. der relativen Wellendreh­ zahlen, und damit verknüpften Nachlassen der Fliehkraft­ einwirkung, erzwingen die betreffenden Federelemente 10, 10′ durch entsprechende Rückverformung die konzentrische Ruheposition der Dichtringe 4, 5.

Diese Ruheposition nach Fig. 1 oder Fig. 2 ermöglicht eine extrem einfache, unbehinderte Wellenmontage oder -demontage.

Gemäß Fig. 5 wird davon ausgegangen, daß die Spaltweite A der Umfangsspalte größer als die Spaltweite B des Um­ fangsdichtspaltes ist.

Für diesen Fall ist mit Verschleiß der Kohleringe 7, 8 (Fig. 2) entlang der jeweils engsten Stellen (Einlauf­ vorgang) zu rechnen. Gemäß sichelförmiger Spaltrest­ position S′ (Fig. 5) kann aufgrund dieser Tatsache (Verschleiß) die Dichtwirkung weiter optimiert werden.

Gemäß Fig. 1 sind die betreffenden Dichtringe 4, 5 über drehpunkt- bzw. drehachs- (12, 12′ - Fig. 2) -konzentrisch­ kreisförmige Lappen 11 bzw. 11′ an hierfür jeweils rele­ vanten Ausnehmungen der betreffenden Radialwandungen 18, 19 des Gehäuses 3 aufgehängt.

Bezüglich Fig. 1 und 4 erkennt man ferner, daß die be­ treffenden Federelemente 10, 10′ jeweils um 180° winkel­ versetzt gegenüber den Drehpunkten 9, 9′ angeordnet sein können.

Diese Federelemente 10, 10′ sind dabei von seitlich T-förmig auskragenden Endteilen der Dichtringe 4, 5 gebildet; diese Endteile greifen in taschenförmige Aus­ nehmungen 13, 13′ der betreffenden Radialwandungen 18, 19 (Fig. 1, 2) ein; die T-förmigen Endteile weisen radial nach innen umgebogene Federabschnitte 14, 14′ auf, die zwischen in Umfangsrichtung vorspringenden Endsektionen 15, 15′ der taschenförmigen Ausnehmungen 13, 13′ eingebettet sind.

Alternativ zu den zuvor erörterten Federmitteln 10, 10′ besteht gemäß Fig. 1 ferner die Möglichkeit, zumindest einen der beiden Dichtringe, z. B. 5, mit jeweils zwei um je etwa 90° winkelversetzt zum betreffenden Drehpunkt 9 angeordneten Federmitteln 16, rückstellzentrierend am Ge­ häuse 3 abzustützen. Bei diesen Federmitteln 16 kann es sich um Schrauben-, Spiralfedern oder dergleichen handeln.

Aus Fig. 1 ist ferner zu erkennen, daß die gehäuseintern ausgebildeten Gegenflächen G rotationssymmetrisch sowie abschnittsweise gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnet sind.

Wie ferner in Fig. 2 dargestellt, kann die Bauteilkonfi­ guration des Gehäuses 3 aus seperaten Teilen erstellt und dann drehfest mit der äußeren Welle 1 verbunden werden. Es wäre aber auch durchaus möglich, z.B. die Wandteile bzw. -abschnitte 6′, 18, 19 als integrale Teile mit der Welle 1 zu fertigen und lediglich die Wand 6 als lösbares Teil auszubilden. Ohne Wellendemontage könnte so z.B. nach Lösen der Wand 6 die Tellerfeder 17 leicht heraus­ gelöst werden und hiernach wiederum die Dichtringe 5, 4 nacheinander. Montage-, Inspektions- oder Austauscharbeiten sind so einfachst realisierbar.

Letzteres gilt auch dann, wenn z.B. die Wandteile 6′, 18, 19 für sich integrale und drehfest mit der Welle 1 verbundene Teile sind, so daß lediglich durch Entfernen der einen Wand 6 z.B. die Tellerfeder 17 leicht heraus­ lösbar wäre.

Die zuletzt genannte Version soll durch Fig. 2 verkörpert sein.

Claims (12)

1. Wellendichtungseinrichtung für Turbomaschinen, ins­ besondere mehrwellige Gasturbinentriebwerke, zwischen eine inneren und einer die letztere mit Abstand koaxial ummantelnden äußeren Welle, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Es sind zwei sich über dem gesamten Umfang abdichtend kontaktierende, in Ruhestellung die innere Welle (2) unter Belassung eines vorgegebenen rotationssymmetrischen Umfangsdichtspalts (B) umschließende Dichtringe (4, 5) vorgesehen;
• b) die Dichtringe (4, 5) sind zwischen radialen Wandungen (6, 6′) eines den Wellenabstand zum Teil überbrückenden Gehäuses (3) der äußeren Welle (1) axial federnd abgestützt;
• c) die Dichtringe (4, 5) sind an vorzugsweise um 180° zueinander versetzten Drehpunkten (9, 9′) am Gehäuse (3) aufgehängt sowie, unter betrieb­ lich verursachter Fliehkraftwirkung, im Wege vorgegebener äußerer rotationssymmetrischer Um­ fangsspalte (A), gegen gehäuseinterne Flächen seitlich verschiebbar;
• d) die Dichtringe (4, 5) stützen sich mittels die Rotationssymmetrie sämtlicher Spalte (A, B) in der Ruhestellung erzwingender Federmittel (10, 10′) am Gehäuse (3) ab.

2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtungsringe (4, 5) als aus einem metallischen Werkstoff gefertigte Träger von Kohleringen (7, 8) ausgebildet sind.

3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehpunkte (9, 9′) der Dichtungs­ ringe (4, 5) in einer gemeinsamen Wellenlängs- oder Quer­ mittelebene angeordnet sind.

4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die die äußeren Umfangs­ spalte (A) eingrenzenden, gehäuseinternen Flächen rotationssymmetrisch sowie abschnittsweise gleich­ förmig über dem Umfang verteilt angeordnet sind.

5. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gehäuseinternen Flächen an innerhalb des Gehäuses (3) angeordneten Radial­ wandungen (18, 19) ausgebildet sind, an denen zugleich die Dichtringe (4, 5) bezüglich ihrer Dreh­ punkte (9, 9′) und -achsen schwenkbar aufgehängt sind.

6. Dichtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (4, 5) mittels seitlich auskragender, drehachskonzentrisch-kreisförmiger Lappen (11, 11′) in korrespondierende Ausnehmungen der betreffenden Radialwandungen (18, 19) eingreifen.

7. Dichtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (10, 10′) jedes Dichtringes (4, 5) um 180° gegenüber dem betreffenden Drehpunkt (9, 9′) winkelversetzt angeordnet ist.

8. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Federmittel (10, 10′) von seitlich T-förmig auskragenden Endteilen der Dichtringe (4, 5) gebildet sind, die in taschenförmige Ausnehmungen (13, 13′) der betreffenden Radialwandungen (18, 19) eingreifen, wobei die T-förmigen Endteile radial nach innen umgebogene Federabschnitte (14, 14′) auf­ weisen, die zwischen in Umfangsrichtung vorspringenden Endsektionen (15, 15′) der Taschen eingebettet sind.

9. Dichtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ mindest einer der beiden Dichtringe (4, 5) mit jeweils zwei um jeweils 90° gegenüber dem betreffen­ den Drehpunkt (9, 9′) winkelversetzt angeordneten Federmitteln (16, 16′), z.B. Schrauben-, Spiralfedern oder dergleichen, rückstellzentrierend am Gehäuse (3) abgestützt ist.

10. Wellendichtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die axial federnde Abstützung der Dichtringe (4, 5) eine Tellerfeder (17) oder eine Wellfeder oder dergleichen - zwischen einer radialen Wandung (16) und einem Dichtungsring (5) - im Gehäuse (3) angeordnet ist.

11. Wellendichtungseinrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) bzw. dessen Bauteilkonfiguration integraler Bestandteil der äußeren Welle (1) oder aus separaten Bauteilen gefertigt und mit letzterer drehfest verbunden ist.

12. Wellendichtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Spaltweite (A) der betreffenden Um­ fangsspalte = oder < als die Spaltweite (B) des Umfangsdichtspalts ist.