DE3807640A1 - Beruehrungsfreie aerosol-dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Aerosol-Dichtung zwischen zwei Gasräumen mit mindestens einer Wellendurchführung.

Ein Abdichten von aerosolhaltigen Räumen mit einer Wellendurchführung wird üblicherweise durch das Verengen des Abstands zwischen einer Welle und einer Trennwand der Gasräume bis hin zum Verstopfen des Welle-Trennwand-Zwischenraumes durch Stopfbuchsen- oder Gleitringdich­ tungen erreicht. Während Stopfbuchsen lediglich zum Abdichten von Wellen mit niedrigen Drehzahlen geeignet sind, können Gleitringdich­ tungen normalerweise bis zu mittleren Wellendrehzahlen einwandfrei abdichten, wobei Abriebverluste und Wärmeverluste entstehen, die bis zum Versagen der Dichtungen bei hohen Drehzahlen führen können.

Für hohe Drehzahlen sind Lösungen für Abdichtungen bekannt, bei denen der Kontakt zwischen Welle und Trennwand der Gasräume immer geringer und damit berührungsärmer wird bis hin zur berührungsfreien Labyrinth­ dichtung. Der Nachteil berührungsarmer und berührungsfreier Dichtungen ist, daß die Leckrate gegenüber berührenden Dichtungen zunimmt. Um den verbleibenden Zwischenraum zwischen Welle und Trennwand bei berühungs­ armen oder berührungsfreien Dichtungen gasdicht zu schließen ist es bekannt, im Zwischenraum von Welle und Trennwand flüssige oder ferro­ fluidale Sperrmedien zu halten wie z. B. bei Fluid- oder Ferrofluid­ dichtungen.

Die Wirkung derartiger Sperrmedien wird durch die Ausbildung von Zentrifugalscheiben oder beschaufelten Zentrifugalscheiben, die mit der Welle kraftschlüssig verbunden sind, dahingehend vergrößert, daß durch Zentrifugalscheiben höhere Druckdifferenzen zwischen den Gas­ räumen zulässig sind und mittels der Beschaufelung der Zentrifugal­ scheiben der Wirkungsbereich zu niedrigeren Drehzahlen hin erweitert wird. Derartige Lösungen erfordern einen hohen Aufwand an Material z. B. für die Zentrifugalscheibe und für Hilfsaggregate. Zumal wenn ein aerosolhaltiger Gasraum abzudichten ist, muß das flüssige oder ferrofluidale Sperrmedium von kontaminierenden Bestandteilen des Aerosols freigehalten und durch geschlossene oder halboffene Filter­ kreisläufe gereinigt werden.

Dichtungen mit Zentrifugalscheiben oder beschaufelten Zentrifugal­ scheiben, wie sie in DE-33 11 121 offenbart werden, haben den Nach­ teil, daß die Schwebeteilchen des Aerosols erst auf begrenzende rotie­ rende Oberflächen auftreffen müssen, damit sie nach dem Auftreffen an diesen Oberflächen durch Adhäsion haften und auf diesen Oberflächen zentrifugal beschleunigt werden können. Anschließend werden sie radial von diesen Oberflächen abgeschleudert, so daß mit einer derartigen Lösung nur flüssige, gut haftende Schwebeteilchen wirksam von den gasförmigen Bestandteilen eines Aerosols getrennt werden. Für feste Schwebeteilchen im Aerosol stellt diese Lösung keine wirksame Dichtung dar.

Eine weitere bekannte apparativ und energetisch aufwendige Lösung, berührungsarme oder berührungsfreie Dichtungen gasdicht zu schließen ist, ein gasförmiges Sperrmedium in Form eines Sperrgasstromes zur Aufhebung der Leckrate an einer Wellendurchführung zweier Gasräume unterschiedlichen Druckes einzusetzen. Der Nachteil einer derartigen Lösung ist der hohe Aufwand an Hilfsaggregaten und Bauteilen, die einen ausreichenden Gegendruck erzeugen, diesen in angekoppelten Druckräumen halten und über verlustbehaftete Sperrluftleitungen und -düsen das Sperrgas unter Druckverlust dem Zwischenraum zwischen Welle und Trennwand zuführen. Bei betriebsbedingten Druckschwankungen be­ steht der Nachteil, daß Aerosolpartikel in zu schützende Räume gelan­ gen und den Wirkungsgrad angekoppelter Aggregate durch Verschmutzung herabsetzen. Beispielsweise besteht bei Gasturbinen und insbesondere bei Flugtriebwerken die Gefahr, daß bei betriebsbedingten Druck­ schwankungen Aerosolpartikel aus einer vorderen Lagerkammer in nachge­ ordnete Verdichterstufen eindringen und den Wirkungsgrad durch Belegen der aerodynamisch geformten Schaufeln herabsetzen.

Besonders bei der Abdichtung aerosolhaltiger Gasräume in Lagerkammern hochtouriger Wellen- oder in Antriebsgehäusen bearbeitender Maschinen oder in Schleuderkammern hochtouriger Zentrifugen von aerosolfreien Gasräumen im tragenden Bereich hochtouriger Wellen oder in Bedienbe­ reichen bearbeitenden Maschinen oder in Außenbereichen hochtouriger Zentrifugen ergeben sich bei den bisher bekannten Lösungen die o. a. Nachteile und Probleme.

Ausgehend von bekannten berührungsarmen und berührungsfreien Dichtun­ gen zwischen zwei Gasräumen mit mindestens einer Wellendurchführung besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine aus wenigen einfachen Bauteilen zusammengefügte, leicht montierbare, verschleiß- und ver­ lustarme, sowie hilfsmedium- und hilfsaggregatfreie Aerosol-Dichtung anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Dichtung als Radialverdichter ausgebildet ist, dessen Druckseite zur Aerosol­ quelle hin liegt. Der Spalt zwischen der Welle und der Trennwand zwi­ schen den Gasräumen wird dazu großvolumig und ringförmig erweitert, so daß ein Radialverdichter eingepaßt werden kann.

Eine derartige Aerosol-Dichtung ist aus einfachen Bauteilen zusammen­ gefügt und leicht montierbar, da lediglich ein radialwirkender Rotor und ein Radialverdichtergehäuse als abgedichtete Wellendurchführung zu installieren sind. Deshalb werden auch Hilfsaggregate und Zuleitungen von Sperrmedien entbehrlich. Ein Sperrmedienstrom, soweit dieser für die Funktion als Aerosol-Dichtung noch erforderlich ist, wird vom Radialverdichter selbst und somit direkt an der abzudichtenden Stelle erzeugt. Damit ist gleichzeitig der Vorteil verbunden, daß die erfin­ dungsgemäße Dichtung energie- und verlustarm abdichtet.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den aus DE-33 11 121 bekannten Dichtungen ist, daß im Betrieb die Schwebeteilchen im Aerosol ohne zwingendes Auftreffen auf begrenzende Oberflächen wie beschaufelte Zentrifugalscheiben im Radialverdichter zentrifugal beschleunigt werden. Somit werden neben flüssigen auch adhäsisionsarme und feste Schwebeteilchen von den Gasbestandteilen des Aerosols wirksam getrennt und der aerosolhaltige Gasraum von dem aerosolfreien Gasraum abge­ dichtet.

Die erfindungsgemäße Aerosol-Dichtung in Form eines Radialverdichters ist verschleißarm, da der direkte Aufprall von Aerosolpartikeln, wie er bei berippten oder beschaufelten Zentrifugalscheiben auftritt und funktionell erforderlich ist, minimiert wird.

Insbesondere ergeben sich Vorteile, wenn der statische Druck im aero­ solhaltigen Raum höher ist, als der statische Druck im aerosolfreiem Raum, da in diesem Fall die Gasbestandteile des Aerosols nur durch den induzierten Druck des Radialverdichters gedrosselt aber sonst ungehin­ dert vom aerosolhaltigen Raum in den aerosolfreien Raum strömen kön­ nen, während die Schwebeteilchen des Aerosols zum aerosolhaltigen Raum hin beschleunigt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Mas­ senträgheit des Gases wesentlich geringer ist als die Massenträgheit der Aerosolpartikel. Die Aerosol-Dichtung in Form eines Radialverdich­ ters hat deshalb den Vorteil, daß sie in einem weiten Drehzahlbereich verlustarm arbeitet, solange kein überhöhter Druck auf der Druckseite des Radialverdichters aufzubauen ist.

In einer vorteilhaften Ausführung des Erfindungsgedankens wird zwi­ schen der Welle der Wellendurchführung und einer Trennwand ein groß­ volumiger ringförmiger Spalt vorgesehen, in dem ein mit der Welle formschlüssig verbundener Rotor angeordnet ist. Damit beschränkt sich der Einbau von sonst üblichen Hilfsaggregaten für berühungsfreie Dich­ tungen mit Hilfsmedium auf den Anbau eines radialwirkenden Rotors an die Welle der Wellendurchführung. Der Rotor wird vorteilhaft unmittel­ bar an der abzudichtenden Stelle angebracht, so daß verlustreiche Zuleitungen für Hilfsmedien entfallen. Eine formschlüssige Verbindung des Rotors mit der Welle ist darüber hinaus leicht zu montieren und relativ wartungsfrei.

In besonderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Rotor auch kraftschlüssig auf die Welle aufgeschrumpft oder aufgepreßt werden. Das hat den Vorteil einer weiteren Gewichtseinsparung gegenüber formschlüssigen Verbindungen bei unveränderten Festigkeitseigenschaf­ ten.

Entgegen den bisher üblichen Lösungen den Zwischenraum zwischen Welle und Trennwand zweier Gasräume so klein wie möglich zu gestalten, wird erfindungsgemäß der Spalt zwischen Welle und Trennwand ringförmig und großvolumig zur Aufnahme des Rotors eines Radialverdichters erweitert und dadurch die Dichtwirkung für Aerosolpartikel verglichen mit bisherigen Lösungen verbessert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird der großvolumige und ringförmige Spalt zwischen Welle und Trenn­ wand aerodynamisch verlustarm und diffusorlos ausgebildet. Dazu wird die Trennwand im Wirkungsbereich des Rotors als Radialverdichterge­ häuse ohne Diffusor ausgebildet und nach aerodynamischen Gesichtspunk­ ten verlustarm optimiert. Ein Diffusor, wie er als Bestandteil des Gehäuses bei Radialverdichtern bekannt ist, würde die Funktion des Radialverdichters als Aerosol-Dichtung behindern, die Pumpleistung nachteilig erhöhen und das Einbaugewicht vergrößern.

Besonders vorteilhaft wird die Aerosol-Dichtung zur Abdichtung einer Lagerkammer einer Zentralwelle in einer Gasturbine eingesetzt, da sonst aus dieser Lagerkammer Aerosolpartikel in einen Strömungskanal der Gasturbine und damit in Verdichterstufen gelangen. Der Strömungs­ kanal wird bisher über sperrluftbeaufschlagte berührungsarme oder berührungsfreie Dichtungen von der Lagerkammer getrennt. Die dazu erforderliche Sperrluft muß verlustbehaftet erzeugt und unter Druck­ verlust zur Dichtung geführt werden, was die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft vermeidet. Sie arbeitet somit energiesparender als bis­ herige Abdichtungen.

Gegen betriebsbedingte Druckschwankungen in der aerosolhaltigen Lager­ kammer eines Gasturbinentriebwerks, die durch Flughöhe, Fluggeschwin­ digkeit, Fluglage, Übergangsbetriebszustände u.v.m. bedingt sind, ist die Aerosol-Dichtung in Form eines Radialverdichters verhältnismäßig unempflindlich. Ölverluste der Lagerkammer bei betriebsbedingten Druckschwankungen werden verhindert, die Verschmutzung nachgeordneter Verdichterstufen wird vermieden und dem Absinken des Verdichterwir­ kungsgrades entgegenwirkt.

Die Lagerkammer einer Gasturbine hat beispielsweise im stationären Betrieb einen statischen Druck von 10⁵ N/m². In außerstationären Betriebszuständen werden beispielsweise noch bis zu einem sta­ tischen Druck von 2×10⁵ N/m² die Aerosolpartikel der Lagerkammer gegen­ über der aerosolfreien Umgebung, die beispielsweise unter einem Druck von 0,5 N/m² steht, mit der erfindungsgemäßen Lösung abgedichtet, ohne daß der Radialverdichter einen entsprechenden Gegendruck aufzubauen hat. Er muß lediglich die Aerosolpartikel durch seine Drehbewegung zentrifugal derart beschleunigen, daß sie nicht in die aerosolfreie Luft der Umgebung der Lagerkammer gelangen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens betrifft die gemeinsame Abdichtung mehrerer aerosolhaltiger Räume einer Gastur­ bine. Dabei stehen die Räume über einen gemeinsamen Sammler wie einer Hohlwelle in Verbindung. Das aerosolhaltige Gas strömt aus dem Sammler z. B. aus Umfangsbohrungen an der Hohlwelle in den aersolhaltigen Raum mit der erfindungsgemäßen Aerosol-Dichtung. Das Gas wird durch den Radialverdichter von den Aerosolpartikeln befreit. Soweit sie Öltröpf­ chen oder graphitierte Öltröpfchen darstellen, können sie vorteilhaft im aerosolhaltigen Gasraum in einem Ölsumpf gesammelt und über Leitun­ gen abgeleitet oder abgepumpt werden. Diese Anwendung der Aerosol- Dichtung hat den weiteren Vorteil, daß sie die Funktion eines vorge­ schalteten Ölabscheiders übernimmt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert und bevorzugte Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Aerosol- Dichtung,

Fig. 2 einen Axialschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Aerosol-Dichtung und

Fig. 3 einen Axialschnitt einer erweiterten Ausführungsform der Aerosol-Dichtung.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung der berührungsfreien Aerosol-Dichtung zwischen einem aerosolhaltigen Gasraum 1 und einem aerosolfreien Gasraum 2 mit einer Wellendurchführung 3 und der Aerosol-Dichtung in Form eines Radialverdichters 4. Dabei ist eine Trenn-Hand 5 zwischen den Gasräumen 1 und 2 zur Wellendurch­ führung 3 hin so ausgebildet, daß sie im Bereich der Aerosol-Dich­ tung als Radialverdichtergehäuse wirkt. Die großen Pfeile am Zentrum der Wellendurchführung 3 deuten einen Betriebszustand an, bei dem aufgrund des hohen statischen Druckes im Gasraum 1 aerosolfreies Gas aus dem aerosolhaltigen Gasraum 1 in den aerosolfreien Gasraum 2 gedrückt wird. Die kleinen Pfeile im aerosolhaltigen Gasraum 1 ver­ deutlichen, daß entgegen dieser Gasströmung Aerosolpartikel aus dem Radialverdichter 4 zentrifugal in Richtung aerosolhaltigem Gasraum (1) beschleunigt werden, so daß keine Aerosolpartikel die Aerosol-Dichtung passieren.

Fig. 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer Gasturbine dar. Hier bildet sich ein aerosolhaltiger Gasraum 1 im Bereich einer Lagerung 6 einer als Hohlwelle gestalteten Zentralwel­ le 13 aus. Die Aerosolpartikel sind im wesentlichen Öltröpfchen und graphitierte Ölpartikel, und das Gas ist überwiegend Luft. Über den Ringspalt 8 steht der Gasraum 2 mit einem Strömungskanal 9 der Gastur­ bine in Verbindung. Im Strömungskanal 9 sind Schaufeln einer Verdich­ terstufe 7 angeordnet. Diese werden vor dem Eindringen von Aerosolpar­ tikeln aus dem Bereich der Lagerung 6 durch die Aerosol-Dichtung in Form eines Radialverdichters 4 geschützt. Dazu ist die Trennwand 5 zwischen dem aerosolhaltigen Gasraum 1 und dem aerosolfreien Gasraum 2 als Radialverdichtergehäuse ausgebildet.

Fig. 3 verdeutlicht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung nach Fig. 2 und zeigt eine verschlossene Hohlwelle als Zentralwelle 1 a. Diese besondere Ausbildung der Zentralwelle 13 dient als aerosolhal­ tiger Sammelraum 14 mehrerer angekoppelter aerosolhaltiger nicht abgebildeter Gasräume einer Gasturbine. Dieser Sammelraum 14 steht über Umfangsbohrungen 10 in der Zentralwelle 13 mit dem aerosolhal­ tigen Gasraum 1 im Bereich der Lagerung 6, wie die gezeichneten Pfeile andeuten, in Verbindung. Die Aerosol-Dichtung in Form eines Radialverdichters 4 verhindert, daß Aerosolpartikel in den aerosol­ freien Gasraum 2 gelangen. Durch weitere Ausgestaltung der Trenn­ wand 5 wird erreicht, daß sich ein Ölsumpf 11 bilden kann, der über die Ölrücklaufleitung 12 abläuft oder abgepumpt wird. Die Funk­ tion der Aerosol-Dichtung ist hier um die Funktion eines vorgeschalte­ ten Ölabscheiders erweitert.

Claims (4)

1. Berührungsfreie Aerosol-Dichtung zwischen zwei Gasräumen mit min­ destens einer Wellendurchführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Radialverdichter (4) ausgebildet ist, dessen Druck­ seite zur Aerosolquelle hin liegt.

2. Aerosol-Dichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Welle der Wellendurchführung (3) und einer Trennwand (5) der Gasräume ein großvolumiger ringförmiger Spalt vorgesehen ist, in dem ein mit der Welle formschlüssig verbundener Rotor des Ra­ dialverdichters (4) angeordnet ist.

3. Aerosol-Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der großvolumige ringförmige Spalt zwischen Welle und Trenn­ wand (5) aerodynamisch verlustarm und diffusorlos ausgebildet ist.

4. Anordnung der Aerosol-Dichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 3, zur Abdichtung zwischen einem aerosolhaltigen Gasraum (1) einer mit Normaldruck beaufschlagten Lagerkammer einer Zentralwelle (13) einer Gasturbine und einem aerosolfreien Gasraum (2) im Ansaugbereich einer Verdichterstufe (7) einer Gasturbine.