DE3822484A1

DE3822484A1 - Radial face seal

Info

Publication number: DE3822484A1
Application number: DE19883822484
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1988-07-02
Filing date: 1988-07-02
Publication date: 1990-01-11

Abstract

A description is given of a radial face seal between the rotor and the stator of a turbo machine, particularly for sealing off spaces to which media such as liquids and/or gases at different pressures are admitted; a cylindrical casing fixed on the stator is to be provided in which two slip rings seated on a shaft section of the rotor are guided and pressed against shoulder portions of the casing by a spring element engaging between them; an interspace formed at the level of the spring element between both rings is to have a sealing fluid admitted to it from the direction of the shaft section.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitringdichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a mechanical seal according to the Preamble of claim 1.

Radiale Gleitringdichtungen, auch unter dem Begriff "Spalt dichtung" im englischen Sprachgebrauch "clearance seal" be kannt, sind in bekannter Weise aus einem Gehäuse, dem Gleit ring, einem in axialer Richtung federnden Element und der dazugehörigen Welle bzw. dem dazugehörenden Wellenabschnitt aufgebaut; dabei ist der Gleitring zwischen einer Tragschul ter des Gehäuses auf der einen Seite und einer z.B. beweg lichen Federplatte auf der anderen Seite mit Wirkung des Federelements abdichtend im Gehäuse geführt (Sekundärdichtung); als Primärdichtung kann ein verhältnismäßig kleiner radialer Dichtspalt zwischen dem Gleitring und der Welle eingehalten werden.Radial mechanical seals, also under the term "gap seal "in English usage" clearance seal "be knows, are in a known manner from a housing, the slide ring, an axially resilient element and the associated shaft or the associated shaft section built up; the slide ring is between a support school ter of the housing on one side and one e.g. moving Lichen spring plate on the other side with the effect of Spring element sealingly guided in the housing (secondary seal); a relatively small radial can be used as the primary seal Sealing gap between the slide ring and the shaft maintained will.

Derartige verhältnismäßig "einfach" aufgebaute radial Gleit ringdichtungen können jedoch insbesondere dann keine einwand freien Dichtvoraussetzungen erfüllen, wenn es darum geht, z.B. Lagerräume in Gasturbinen gegen den Triebwerkseinlauf bzw. die Umgebung oder gegen den Abgasstrom abzudichten, die üblicherweise ein niedrigeres Druckniveau haben als der Lagerraum vor der Dichtung. Such a relatively "simple" radial slide ring seals, however, can not be flawless meet free sealing requirements when it comes to e.g. Storage rooms in gas turbines against the engine inlet or to seal the environment or against the exhaust gas flow, that usually have a lower pressure level than the storage room in front of the seal.

Um bezüglich der genannten Dichtungsanforderungen möglichst auf der sicheren Seite liegen zu wollen, ist es ferner all gemein bekannt, in der der Ausbildung von Labyrinthdich tungen zwei Dichtungen hintereinander anzuordnen und zwischen die beiden Dichtungen ein Sperrgas, z.B. Sperrluft, zu leiten, dessen Druck höher als der der Flüssigkeit bzw. des Flüssig keitsnebels ist.To as far as possible with regard to the mentioned sealing requirements To be on the safe side is also all commonly known in the training of labyrinth to arrange two seals one behind the other and between the two seals a sealing gas, e.g. Sealing air to conduct whose pressure is higher than that of the liquid or the liquid is foggy.

Nachteil dieser Bauweise ist vor allem der verhältnismäßig hohe Raumbedarf, der insbesondere bei kleinen Maschinen, z.B. Luftfahrtgasturbinentriebwerken der kleineren Leistungsklassen, nicht zur Verfügung steht.The disadvantage of this design is, above all, that it is proportionate high space requirement, particularly in the case of small machines, e.g. Aviation gas turbine engines of the smaller performance classes, is not available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine radiale Gleit ringdichtung nach der eingangs genannten Art anzugeben, die unter Ausnutzung der Vorteile des Gleitringdichtungsprinzips bei äußerst geringem Raumbedarf eine optimale Abdichtung gewährleistet; dies insbesondere zwischen einem eine Flüssig keit (Öl) oder einen Flüssigkeitsnebel enthaltenden Raum und einem Raum der mit einer anderweitigen örtlichen Umgebung oder einem Triebwerksfluid (Atmosphäre, Triebwerkseinlauf, Abgasstrom) in Verbindung ist.The invention has for its object a radial sliding ring seal according to the type mentioned above, the taking advantage of the mechanical seal principle with an extremely small space requirement an optimal seal guaranteed; this especially between a liquid space (oil) or a room containing liquid mist and a room with a different local environment or an engine fluid (atmosphere, engine inlet, Exhaust gas flow) is connected.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungs teils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.The task is with the characteristics of the labeling partially solved according to the invention.

Insbesondere in Kombination mit der wellenseitigen Sperrfluid (Gas, Luft)zufuhr läßt sich so bei äußerst raumsparender An ordnung eine z.B. mit einem Zweifach-Labyrinthdichtungssystem der genannten Art hinsichtlich des Dichteffekts ohne weiteres vergleichbare Dichtung schaffen, ohne also die gravierenden Nachteile (großer Raum-Einbau-Bedarf) in Kauf nehmen zu müssen. Especially in combination with the barrier fluid on the shaft side (Gas, air) supply can be extremely space-saving order a e.g. with a double labyrinth sealing system of the type mentioned with regard to the sealing effect without further notice create comparable seals without the serious ones Disadvantages (large space requirement) to have to put up with.

Die erfindungsgemäße Dichtung ist äußerst einfach aufge baut; vorteilhaft ist das Federelement - zwischen beiden Gleitringen - zur Hindurchleitung des Sperrfluids (Sekun därdichtung) ausgebildet und angeordnet, um den inneren Gehäuseraum örtlich einwandfrei abzudichten (Druck des Fluids z.B. im Raum vor der Dichtung < als derjenige, der im hinter der Dichtung befindlichen Raum herrscht). Grundvoraussetzung für die Funktion der Dichtung ist es, daß ein stets vorhandener Dichtungs-Leckfluß in Richtung auf den z.B. hinteren Raum niedrigeren Druckniveaus vorliegt.The seal according to the invention is extremely simple builds; the spring element is advantageous - between the two Slide rings - for the passage of the barrier fluid (sec Därdichtung) designed and arranged to the inner Sealing the housing space perfectly in place (pressure of the Fluids e.g. in the space before poetry <as the one in the room behind the seal). The basic requirement for the function of the seal is that there is always a seal leakage flow towards on e.g. rear space has lower pressure levels.

Vorteilhaft besteht die Dichtung ferner aus zwei leicht montierbaren bzw. demontierbaren Gehäusebauteilen; so sind Ein- und Ausbau (Gleitringe) einfachst möglich.The seal also advantageously consists of two light mountable or demountable housing components; so are Installation and removal (slide rings) as easy as possible.

Auch bei praktisch keinen oder nur geringen vorhandenen Differenzdrücken (Anfahrphase des Triebwerks) gewährleistet das vorhandene Federelement eine ausreichende mechanische Abdichtung des Gehäuses. Im Betrieb unterstützt dann die angegebene Sperrfluidzufuhr die axiale Andrückung der Gleitringe gegen die betreffenden seitlichen Gehäusedicht flächen.Even with practically no or only a few available Differential pressures (start-up phase of the engine) guaranteed the existing spring element is sufficient mechanical Sealing the housing. The then supports in operation specified barrier fluid supply the axial pressure of the Slip rings against the relevant side housing seal surfaces.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:The invention is, for example, based on the drawings further explained; show it:

Fig. 1 ein schematisch sowie entlang der oberen Hälfte aufgeschnitten dargestelltes Gasturbinentrieb werk mittlerer Leistungsklasse, Fig. 1 is a schematic and along the top half cut illustrated gas turbine engine medium power class,

Fig. 2 das radiale Gleitringdichtungskonzept der Er findung in kombinierter Zuordnung von Trieb werkseinzelheiten in detaillierte Wiedergabe aus der Positionsangabe A der Fig. 1 und Fig. 2 shows the radial mechanical seal concept of the invention in a combined assignment of engine details in detailed reproduction from the position information A of Fig. 1 and

Fig. 3 die schematisch in die Zeichnungsebene projizierte Darstellung und Ausbildung eines Federelemts zwischen den beiden Gleitringen. Fig. 3 shows the schematic and projected into the plane of the drawing and the formation of a spring element between the two sliding rings.

Ein für die Anwendung der Erfindung geeignetes Gasturbinen triebwerk gemäß Fig. 1 besteht aus einem Gasgenerator mit dem gemeinsamen Rotorsystem 1. Das Rotorsystem 1 enthält einen Axialverdichter 2, einen Radialverdichter 3 sowie eine einer Umkehrringbrennkammer 4 nachgeschaltete Gaserzeuger turbine 5. Im aero-thermodynamischen Kreisprozeß des Triebwerks ist der Gaserzeugturbine 5 eine zweistufige Nutz turbine 6 nachgeschaltet; eine mit der Nutzturbine 6 ge koppelte Innenwelle 7 ist zentral bzw. koaxial innerhalb des Rotorsystems 1 des Gasgenerators zur Frontseite des Triebwerks geführt, um dort eine geeignete Leistungsent nahme über ein Getriebe (z.B. Hubschrauberantrieb) zur Verfügung zu stellen. Der frontseitige Lufteinlauf des Triebwerks ist mit 8 bezeichnet.A gas turbine engine according to FIG. 1 suitable for the application of the invention consists of a gas generator with the common rotor system 1 . The rotor system 1 contains an axial compressor 2 , a radial compressor 3 and a gas generator turbine 5 connected downstream of a reversing ring combustion chamber 4 . In the aero-thermodynamic cycle of the engine, the gas generator turbine 5 is followed by a two-stage utility turbine 6 ; a ge with the power turbine 6 coupled inner shaft 7 is guided centrally or coaxially within the rotor system 1 of the gas generator to the front of the engine in order to provide a suitable power take-off via a gear (eg helicopter drive). The front air inlet of the engine is designated 8 .

Gemäß Fig. 2 ist die erfindungsgemäße radiale Gleitringdich tung statorseitig an der die innere Wand des Triebwerksein laufs 8 ausbildenden Gehäusestruktur 9, z.B. mittels Nieten 10 oder dergleichen, drehfest verankert; die Verankerung be trifft also ein aus den Bauteilen 11 und 12 bestehendes zylindrisches Gehäuse der Dichtung; beide Bauteile 11, 12 sind z.B. mittels Schraubbolzen 13 oder dergleichen mon tagefreundlich lösbar miteinander verbunden; innerhalb des Gehäuses sind zwei Gleitringe 14, 15, so angeordnet, daß sie unter Gewährleistung eines stets minimalen Dichtspalts auf einem Wellenabschnitt 16 des Rotorsystems 1 bzw. der gemeinsamen Gaserzeugerwelle aufsitzen; zwischen beide Gleitringe 14, 15 greift ein Federelement 17, hier z.B. eine Wellfeder (s.h. auch Fig. 3) so ein, daß beide Gleit ringe 14, 15 leicht seitlich gegen daran angrenzende Tragschul terpartien des Dichtungsgehäuses (Bauteile 11, 12) gedrückt werden.Referring to FIG. 2, the radial Gleitringdich invention is tung stator at the 8-forming housing structure 9, anchored the inner wall of the barrel Triebwerksein for example by means of rivets 10 or the like non-rotatably; the anchoring be so be a consisting of the components 11 and 12 cylindrical housing of the seal; both components 11 , 12 are connected to one another in a detachable manner, for example by means of screw bolts 13 or the like; two sliding rings 14 , 15 are arranged within the housing in such a way that they are seated on a shaft section 16 of the rotor system 1 or the common gas generator shaft while ensuring a minimal sealing gap at all times; between the two sliding rings 14 , 15 engages a spring element 17 , here for example a corrugated spring (see also Fig. 3) so that both sliding rings 14 , 15 slightly laterally against adjacent Tragschul terpartien the seal housing (components 11 , 12 ) are pressed.

Der Gleitringdichtung ist ein durch Öl geschmiertes und gekühltes Kugellager 18 vorgeschaltet mit dem das Rotorsystem 1 bzw. die Welle des Gasgenerators (Fig. 1) an der Gehäuse struktur 9 gelagert sein soll. Das Kugellager 18 wird aus einem Raum 19 - zwischen Rotorsystem und Innenwelle - über Bohrungen 20, 21 mit Öl versorgt. Hinter dem Lager 18 und vor der radialen Gleitringdichtung (Bauteil 11) ist ein Raum 22 ausgebildet, der im Betrieb einen Flüssigkeitsnebel (Öl-Druckluftgemisch) enthält, und der über eine Rückführ bohrung 23 an einen nicht weiter dargestellten Öl-Luftabschei der angeschlossen sein kann. Hinter der Dichtung (Bauteile (11, 12) und vor Strukturbauteilen des Rotors (abgewinkeltes Endteil 24 und 25 des Rotorsystems 1 und des Wellenabschnitts 16 nebst einer Laufradscheibe 26 des Axialverdichters 2) be findet sich ein vom Leckfluß der Dichtung beaufschlagter weiterer Raum 27, der mit dem Ansaugkanal 8 in Verbindung steht.The mechanical seal is connected upstream of an oil-lubricated and cooled ball bearing 18 with which the rotor system 1 or the shaft of the gas generator ( FIG. 1) is to be mounted on the housing structure 9 . The ball bearing 18 is supplied with oil from a space 19 - between the rotor system and the inner shaft - via bores 20 , 21 . Behind the bearing 18 and in front of the radial mechanical seal (component 11 ), a space 22 is formed, which contains a liquid mist (oil-compressed air mixture) during operation, and which can be connected via a return bore 23 to an oil-air separator (not shown) . Behind the seal (components ( 11 , 12 ) and in front of structural components of the rotor (angled end part 24 and 25 of the rotor system 1 and the shaft section 16 together with an impeller disk 26 of the axial compressor 2 ) there is a further space 27 acted upon by the leakage flow of the seal is connected to the intake duct 8 .

Pfeil F kennzeichnet den Verlauf des Sperrfluids (Druckluft /Gas) in den das Federelement 17 enthaltenden Zwischenraum 28 zwischen beiden Gleitringen 14, 15. Im Betrieb bewirkt das Sperrfluid F eine die Federanpreßkraft (Ruhezustand bzw. An fahrzustand) übersteigende bzw. die eigentliche Anpreßwir kung erzeugende Kraft, um die beiden Gleitringe 14,15 aus einander bzw. gegen die seitlich äußeren radialen Abschnitte der betreffenden Tragschulter (Bauteile 11, 12) des Gehäuses zu drücken. Arrow F indicates the course of the barrier fluid (compressed air / gas) into the space 28 containing the spring element 17 between the two sliding rings 14 , 15 . Effected in the operation, the barrier fluid F (driving state idle state or An) a the Federanpreßkraft excess or the actual Anpreßwir kung generating force to the two sliding rings 14,15 from one another and against the laterally outer radial portions of the respective support shoulder (components 11, 12 ) of the housing.

Ein aus dem zwischen dem Gehäuse (Bauteile 11, 12) und den daran angrenzenden Partien der Gleitringe 14, 15 ausgebildeter Zwischenraum 29 nimmt das Sperrfluid F auf und bewirkt die sekundäre örtliche Abdichtung zum Raum 22 hin auf der einen und zum Raum 27 hin auf der anderen Seite.An intermediate space 29 formed between the housing (components 11 , 12 ) and the adjoining parts of the slide rings 14 , 15 receives the barrier fluid F and effects the secondary local sealing to the room 22 on the one hand and to the room 27 on the other other side.

Gemäß Fig. 3 bestehen die beiden Gleitringe 14, 15 jeweils von aus in äußere metallische Ringe 30, 31 eingebetteten inneren Dichtringen 32, 33 aus einem geeigneten Dichtwerkstoff, z.B. Kohle. Mit rotationssymmetrisch abgesetzten Endkanten der Kohleringe 32, 33 werden also beide Gleitringe 14, 15 gegen die betreffenden Innenflächen der Tragschultern (Bauteile 11, 12) gedrückt.Referring to FIG. 3 are the two sliding rings 14, 15 respectively of from in outer metallic rings 30, 31 embedded inner sealing rings 32, 33 made of a suitable sealing material, such as coal. With rotationally symmetrically offset end edges of the carbon rings 32 , 33 , both slide rings 14 , 15 are thus pressed against the relevant inner surfaces of the support shoulders (components 11 , 12 ).

Der mit den beiden Gleitringen 14, 15 korrespondierende Wellen abschnitt 16 bildet ein separates, mit der Welle des Rotor systems 1 drehfest verbundenes Bauteil aus; dabei schließt der Wellenabschnitt 16 mit der Welle des Rotorsystems 1 einen Zwischenraum 34 ein, der über in der Welle des Rotorsystems 1 enthaltene Öffnungen 35, also welleninnenseitig an die Zufuhr des Sperrfluids F angeschlossen ist; äußere Bohrungen 36 im Wellenabschnitt 16 stehen mit dem Zwischenraum 28 einerseits und mit dem Raum 34 in Verbindung. Im übrigen wird die Sperr luft F von stromabwärtiger Seite, aus einem Raum 37 - zwischen den Rotorsystem 1 des Gasgenerators und der inneren Welle 7 sowie hinter einer Labyrinthdichtung (Hülse 38 an 1, Labyrinth kämme 29 an 7) - zugeführt.The corresponding to the two sliding rings 14 , 15 shaft section 16 forms a separate, rotatably connected to the shaft of the rotor system 1 component; the shaft section 16 encloses with the shaft of the rotor system 1 an intermediate space 34 which is connected to the supply of the barrier fluid F via openings 35 contained in the shaft of the rotor system 1 , ie on the inside of the shaft; outer bores 36 in the shaft section 16 communicate with the intermediate space 28 on the one hand and with the space 34 . Incidentally, the barrier air F from the downstream side, from a space 37 - between the rotor system 1 of the gas generator and the inner shaft 7 and behind a labyrinth seal (sleeve 38 to 1 , labyrinth combs 29 to 7 ) - supplied.

Im übrigen kann erfindungsgemäß anstelle des in Fig. 3 ange gebenen Well-Federelements 17 jegliche anderweitige Federaus bildung vorgesehen sein (Schrauben-, Spiralfedern, Federklam mern, V-förmig sich aufspreizende Federelemente oder der gleichen.Otherwise, according to the invention, instead of the corrugated spring element 17 shown in FIG. 3, any other spring formation can be provided (coil springs, coil springs, spring clips, V-shaped expanding spring elements or the like.

Claims

1. Radial mechanical seal between the rotor and stator of a turbomachine, in particular for sealing pressurized spaces acted upon by media such as liquids and / or gases, characterized in that a stator-side cylindrical housing ( 11 , 12 ) is provided, in which two on a shaft section ( 16 ) of the rotor ( 1 ) sliding rings ( 14 , 15 ) are guided and pressed between them by a gripping spring element ( 17 ) against shoulder parts of the housing, an intermediate space ( 28 ) formed at the height of the spring element ( 17 ) ) between the two rings from the shaft section ( 16 ) by means of a barrier fluid ( F ).

2. Mechanical seal according to claim 1, characterized in that the sliding rings ( 14 , 15 ) made of in outer metallic rings ( 30 , 31 ) embedded sealing rings ( 32 , 33 ), for example made of coal, are made with end-points set rotationally symmetrically are pressed against the inner surfaces of laterally outer support shoulders of the housing ( 11 , 12 ).

3. Mechanical seal according to claim 1 or 2, characterized in that the spring element ( 17 ) for the passage of the locking fluid supplied on the shaft side ( F ) through a gap-shaped space ( 28 ) between the two mechanical rings ( 14 , 15 ) and in between them and the housing is formed at the adjacent outer space ( 29 ).

4. Mechanical seal according to one or more of claims 1, 2 and 3, characterized in that the housing is composed of two releasably connected, each having a supporting shoulder ent parts ( 11 , 12 ).

5. Mechanical seal according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the with the sliding rings ( 14 , 15 ) corresponding shaft portion ( 16 ) is a separate, with a shaft of the rotor system ( 1 ) rotatably connected component that encloses a space ( 34 ) with the rotor shaft, which is connected to the sealing air supply ( F ) on the inside of the shaft via openings ( 35 ) contained in the rotor shaft and which is connected via external bores ( 36 ) in the shaft section ( 16 ) with the space between the two sliding rings ( 28 ) communicates.

6. Mechanical seal according to one or more of claims 1 to 5, for a gas turbine engine in multi-shaft construction, in particular with a coaxially within the shaft of the rotor system ( 1 ) of the gas generator of the engine mechanically independently rotatably mounted inner shaft ( 7 ) with one of the gas generator turbine ( 5 ) in the cycle process-connected utility turbine ( 6 ) is coupled, characterized by a first, an oil-lubricated bearing ( 18 ) downstream and the seal upstream annular space ( 22 ) and by a second, the seal as well as rotor components ( 24 , 25 , 26 ) upstream annular space ( 27 ) which is connected to the air intake duct ( 8 ) of the engine.