DE3839843A1 - Einrichtung zur abdichtung durch medien wie fluessigkeiten und/oder gasen unterschiedlichen druckes beaufschlagten raeumen zwischen koaxialen wellenabschnitten von turbomaschinen, insbesondere gasturbinentriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abdich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Praxis bereitet es Schwierigkeiten, Dichtungen der genannten Art berührungsfrei arbeiten zu lassen und zugleich mit verhältnismäßig geringer radialer und axialer Baulänge ausbilden zu können. Dies gilt insbesondere für Dichtstellen zwischen mit unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Drehrich­ tungen um eine gemeinsame Achse rotierende Rotorbauteile bzw. betreffende Wellensysteme.

Für Dichtaufgaben der eingangs genannten Art werden im allgemeinen hinlänglich bekannte Labyrinthdichtungen einge­ setzt. Bekannte Dichtungstypen, z.B. Bürstendichtungen, radiale Gleitringdichtungen, versagen u.a. durch im Betrieb auftretende Fliehkraftdeformationen, hier also z.B. bei der Bürstendichtung als Folge der Deformation der Borsten, die mit betreffenden freien Enden eine zugehörige Welle bzw. einen Wellenabschnitt abdichtend tangieren; z.B. bei der genannten Bürstendichtung mit im wesentlichen radial nach außen gerichteten Borsten ergibt sich ein Abrieb betreffen­ der Anlaufbeläge; bei im wesentlichen nach innen gerichteten Borsten ergibt sich ein Abheben der Borsten vom Anlaufbelag und somit Verlust der Dichtfähigkeit; ferner sind beim Be­ trieb Zerstörungen der Dichtringe infolge von Unwuchtkräften nicht auszuschließen, was sowohl für die hinlänglich bekann­ ten radialen Gleitringdichtungen gilt wie aber auch für schon vorgeschlagene Dichtungskonzepte, bei denen eine Bür­ stendichtung in Kombination mit dem Innenring als gleitendem Dichtungsring ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Ge­ währleistung verhältnismäßig kurzer axialer Baulänge sowie insbesondere aber geringer radialer Einbauhöhe im Hinblick auf betriebsbedingter Einflüsse, insbesondere Unwuchten und Fliehkräfte, weder wellen- noch dichtringseitig nennenswerten Verschleiß und Materialabrieb hervorruft.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeich­ nungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Aus der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Abdichtung ergeben sich zusammengefaßt hauptsächlich folgende Vorteile:

• - axial kurze Baulänge sowie insbesondere auch geringe radiale Einbauhöhenbeanspruchung im Hinblick auf enge Wellenabstände,
• - Berührungsfreiheit zwischen den beiden betreffenden Wellen­ systemen,
• - Drehrichtungsunabhängigkeit,
• - Montagefreundlichkeit,
• - Dichtwirkung wie eine radiale Gleitringdichtung mit stehendem Gehäuse, d.h., es wird lediglich ein Durchfluß benötigt, der etwa 10% demjenigen einer äquivalenten Labyrinthdichtung entspricht,
• - vergleichsweise hart auslegbare Federcharakteristik,
• - die radial elastische Federabstützung des Dichtringes kann durch einen einzigen, grundsätzlich ringförmig in sich ge­ schlossenen Federkörper erfolgen,
• - äußerst feine Abstimmungsmöglichkeit der Federsteifigkeit auf den jeweiligen Anwendungsfall hin, insbesondere durch Auflösung eines oder beider betreffender Schenkel des im wesentlichen liegend als offenes V oder U ausgebildeten Federringes in einzelne, sogenannte "Biegebalken", wobei Anzahl und Abmessungen der "Biegebalken" in weiten Grenzen frei wählbar sind,
• - bei entsprechender Gestaltungsmöglichkeit der wellenseitig integrierten Gehäusemittel und des Dichtringes ist die Verbindung: "Gehäuse, Federverband, Dichtring" entweder rein kraftschlüssig oder zusätzlich formschlüssig ausbild­ bar.

Vorteilhafte der Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 9.

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

Fig. 1 die Dichtungseinrichtung als zwischen abgebrochen dargestellten Abschnitten ausgebildete Zwischen­ wellendichtung, hier mit in den betreffenden inneren Wellenabschnitt örtlich integrierten gehäuseartigen Führungs- und Federmitteln für den betreffenden Dichtring,

Fig. 2 eine Abwandlung der Fig. 1 mit in den betreffenden äußeren Wellenabschnitt integrierten, gehäusear­ tigen Führungs-, Zentrier- und Federmitteln für den betreffenden Dichtring sowie unter Zuordnung einer zusätzlichen, durch Federkraft bewirkten axialen plattenförmigen Andrückung des Dichtringes an betreffend wellenseitig (äußere Welle) inte­ grierte wandartige Abstützmittel,

Fig. 3 eine in Höhe einer biegebalkenartigen Schenkel­ sektion teilweise als Längsschnitt repräsentierte, im übrigen seitlich innere Teilansicht eines V-ringförmigen, nach einer Seite offenen Feder­ gliedes,

Fig. 4 das örtlich teilweise abgebrochen wiedergegebene Federglied gemäß Blickrichtung X der Fig. 3 unter Verdeutlichung über den Umfang gleichförmig ver­ teilter, biegebalkenartiger Federsektionen und

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 2 im wesentlichen dahingehend abgewandelte Alternative der Dichtungseinrichtung, die im wesentlichen durch nicht nur kraft-, sondern auch formschlüssige Verankerung des Dichtringes und des Federgliedes am gehäuseartigen einen Wellenab­ schnitt gekennzeichnet ist.

Fig. 1 veranschaulicht wesentliche Einzeldetails der vom Grundsatz her schon eingangs erwähnten Einrichtung zur Ab­ dichtung. Dabei sind die durch Medien wie Flüssigkeiten und/oder Gasen unterschiedlichen Druckes beaufschlagten Räume jeweils mit R 1 bzw. R 2 bezeichnet. Dabei handelt es sich also um eine sogenannte "Zwischenwellendichtung", also eine Dichtung zwischen koaxialen Wellenabschnitten 1, 2 hier bei­ spielsweise eines Gasturbinentriebwerkes. Bei der Einrichtung nach Fig. 1 ist am einen Wellenabschnitt 2, hier also am Ab­ schnitt einer inneren Welle, ein als Sekundärdichtung gehäu­ seartig eingebundener Dichtring 3 radial federnd abgestützt und bildet gegenüber dem anderen Wellenabschnitt 1 einen Radialspalt 4 als Primärdichtung aus. Bei dem anderen Wellen­ abschnitt 1 kann es sich hier also um die betreffende äußere Welle eines Gasturbinentriebwerkes handeln.

Gemäß der Anordnung der Fig. 1 sitzt der Dichtring 3 in einer Radialaussparung 5 des einen Wellenabschnitts 2; ferner ist dabei der Dichtring 3 an einem in der Radialaussparung 5 axial angeordneten, rotationssymmetrisch nach einer Seite offenen, im wesentlichen V- oder U-förmigen Federglied 6 radial elastisch abgestützt zentriert; bei dem Federglied handelt es sich also um ein liegendes nach einer Seite hin offenes, im wesentlichen V-förmig aufgespreiztes Element. Je nach Anwendungsfall und erwarteter örtlicher Federvorspannung könnte dieses V-förmige Federglied aber auch, grob umris­ sen, mehr oder weniger U-förmig ausgebildet werden. Ge­ mäß Anordnung nach Fig. 1 soll der Radialspalt 4 ferner so bemessen sein, daß bei vorgegebener Druckdifferenz P 1 < P 2 zwischen beiden Räumen R 1, R 2 ein luftlagerartiger Tragspalt ausgebildet wird. Wie ferner aus Fig. 1 erkennbar, bildet der Dichtring 3 entlang einer in Längs- und Umfangsrichtung T-förmigen Verbreiterung 7 den Radialspalt 4 aus. Ferner soll die Radialaussparung 5 für den Dichtring 3 zwischen den radial vorstehenden Wänden 8, 9 des einen Wellenabschnitts 2 gehäuseseitig bzw. gehäuseartig eingebunden sein.

Beide zuvor genannten Wandabschnitte 8 und 9 können im übri­ gen wellenintegrale Bestandteile sein.

Im Gegensatz sieht hierzu eine weitere Variante bzw. die Variante nach Fig. 1 der Erfindung vor, daß die eine Wand 8 vom einen Wellenabschnitt 2 ausgebildet, jedoch hier die andere Wand 9 als seperates Bauteil ausgebildet ist und ferner drehfest mit dem einen Wellenabschnitt 2 verbun­ den ist. Wie ferner aus Fig. 1 grob erkennbar, kann das Feder­ glied 6 hier beispielsweise auf der dem einen Wellenabschnitt 2, wie aber auch auf der dem Dichtring 3 zugewandten Seite, in gleichförmig über den Umfang verteilt beabstandete, biegebal­ kenartige Schenkelsektionen 10′ zergliedert sein. Die andere Wand 9 kann z.B. über Nut-Feder-Verbindungsmittel oder der­ gleichen am einen Wellenabschnitt verdrehgesichert sein; ein zylindrisches Sicherungselement 12 sichert die andere Wand 9 in axialer Richtung an dem einen Wellenabschnitt 2.

Insbesondere Fig. 3 und 4 erläutern ein derartiges zu­ vorgenanntes Federglied 6, wonach insbesondere aus Fig. 4 hier zwei gleichförmig über den Umfang beabstandete biegebalken­ artige bzw. biegelaschenartige Schenkelsektionen 10′ deutlich zu erkennen sind.

Fig. 2 veranschaulicht eine Abwandlung der Fig. 1 dahingehend, daß der dortige Dichtring 3′ in das äußere Wellensystem integriert ist. Bei dieser Ausführung nach Fig. 2 ist ferner die andere, als separates Bauteil ausgebildete Wand 9′ als eine am einen Wellenabschnitt 2′ drehfest verankerte und daran axial, unter Federwirkung, verschiebbare Druckplatte ausgebildet. Ausgestaltungsgemäß kann ferner gemäß Fig. 2 die als Druckplatte ausgebildete Wand 9′ an Axialnuten 10 des einen bzw. äußeren Wellenabschnitts 2′ axial beweglich aufge­ hängt sein; dabei greift ferner ein in axialer Richtung wir­ kendes Federelement 11 zwischen die Wand 9′ und ein wellen­ seitig drehfest verankertes und daran gegebenenfalls lösba­ res ringförmiges Halteglied 12 ein.

Aus Fig. 2 ist ferner erkennbar, daß der betreffende Dicht­ ring 3′ hier beispielsweise als Kohlering ausgeführt werden kann, der von einem inneren Metallring 13 eingefaßt ist.

Zu den zuvor besprochenen und behandelten Dichtungseinrich­ tungen nach den Fig. 1 und 2 wäre ferner noch zu bemerken, daß die betreffenden Dichtringe so angeordnet sein sollen, daß zwischen der einen Welle und dem Dichtring ein jeweili­ ger Spalt 4; 4′ entsteht, dessen Spaltweite in der bei Luft­ lagern bekannten Größenordnung angesiedelt ist. Daraus folgt, daß der Dichtring wie ein Luftlager statischen und dynami­ schen Wellenachsversetzungen folgt, solange dessen aus seiner Rotation resultierende Unwuchtkräfte kleiner als die Luft­ lagerkraft sind.

Bei der erfindungsgemäßen Dichtung ist es Aufgabe des betref­ fenden, z.B. V-förmig ausgebildeten Federelements 6 bzw. 6′, daß insbesondere in der Anfahr- und Anlaufphase der Dichtring zu den betreffenden, wellenseitig integrierten Gehäusemitteln zentriert wird und Unwuchtkräfte, aus Geometriefehlern und Inhomogenitäten des Dichtrings solange aufgefangen werden, bis die Luftlagerkraft, resultierend aus der betreffenden Re­ lativbewegung zwischen den Wellen, bzw. zwischen der betref­ fenden einen Welle und dem Dichtring, die Zentrierung des letzteren zur zugehörigen, den Dichtspalt mit ausbildenden Welle übernimmt.

Die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung erfüllt auch dann einwandfreie Dichtungsvoraussetzungen, wenn es darum geht, z.B. Lagerräume in Gasturbinen gegen den Triebwerkseinlauf bzw. die Umgebung oder gegen den Abgasstrom abzudichten, also Lagerräume die üblicherweise ein niedrigeres Druck­ niveau haben als der Lagerraum vor der betreffenden Dichtung.

Beispielsweise auf Fig. 2 bezogen, kann es sich bei der hier inneren Welle 1′ um die betreffende Welle des Niederdruck­ systems eines Gasturbinentriebwerks handeln. Dabei wäre also die Niederdruckturbine einer Gaserzeugerturbine aero­ thermodynamisch nachgeschaltet, und zwar so, daß die innere Welle 1′ angetrieben wird, und zwar in mechanisch unab­ hängiger Bauweise von der zu Fig. 2 äußeren Welle 2′, die die betreffende innere Welle 1′ koaxial ummantelt und die Bestandteil des Wellensystems des Gaserzeugers des Trieb­ werks ist.

Fig. 5 verkörpert eine abgewandelte vorteilthafte Weiter­ bildung der Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung, wo­ nach gegenüber der im wesentlichen kraftschlüssigen Veranke­ rung des Dichtringes 3′ nebst Federgliedes 6′ am gehäuseartig ausgesparten einen Wellenabschnitt 2′ nach Fig. 2 zusätzlich eine formschlüssige Verankerungsalternative aufgezeigt ist, indem z.B. das Federglied 6′ mittels sowohl am einen seitlich äußeren Ende als auch hier mittels an den anderen seitlich äußeren Enden der biegelaschenartigen Schenkelsektionen 10′ befindlicher Zungen 14 bzw. 15 in Axialnuten 10 des Wellen­ abschnitts 2 bzw. in Axialnuten 16 des Dichtringes 3′, hier des Metallringes 13 eingreift. So wird auch eine gegenseitige Umfangsverdrehsicherung (Dichtring 3′/Federglied 6′) geschaf­ fen. Die Zungen 14 bzw. 15 und Axialnuten 10 bzw. 16 sind vor­ zugsweise gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnet. Gegenüber Fig. 2 ist ferner in Fig. 5 das betreffende Siche­ rungselement 12′ als ein mit dem Wellenabschnitt 2 verbundener Wandabschnitt ausgebildet.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Abdichtung von durch Medien wie Flüssig­ keiten und/oder Gasen unterschiedlichen Druckes beauf­ schlagten Räumen (R 1, R 2) zwischen koaxialen Wellenab­ schnitten (1, 2) von Turbomaschinen, insbesondere Gastur­ binentriebwerken, bei der am einen Wellenabschnitt (2) ein als Sekundärdichtung gehäuseartig eingebundener Dichtring (3) radial federnd abgestützt ist und gegen­ über dem anderen Wellenabschnitt (1) einen Radialspalt (4) als Primärdichtung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (3) in einer Radialaussparung (5) des einen Wellenabschnitts (2) sitzt, in der er an einem rotations­ symetrisch nach einer Seite offenen, im wesentlichen V- oder U-förmigen Federglied (6) radial elastisch abge­ stützt zentriert ist, wobei der Radialspalt (4) so be­ messen ist, daß bei vorgegebener Druckdifferenz (P 1 < P 2) zwischen beiden Räumen (R 1, R 2) ein luftlagerartiger Tragspalt ausgebildet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (3) entlang einer in Längs- und Umfangs­ richtung T-förmigen Verbreiterung (7) den Radialspalt (4) ausbildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Radialaussparung (5) für den Dichtring (3) zwischen radial vorstehenden Wänden (8, 9) des einen Wellenabschnitts (2) gehäuseartig eingebunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wand (8) vom einen Wellenabschnitt (2) ausge­ bildet, die andere Wand (9) als separates Bauteil dreh­ fest mit dem einen Wellenabschnitt (2) verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied (6) auf der dem einen Wellenabschnitt (2) und/oder auf der dem Dichtring (3) zugewandten Seite in gleichförmig über den Umfang verteilt beabstandete, biegenbalkenartige Schenkel­ sektionen (10′) zergliedert ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die andere, als separates Bauteil ausgebildete Wand (9′) als eine am einen Wellen­ abschnitt (2′) drehfest verankerte, daran axial unter Federwirkung verschiebbare Druckplatte ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Druckplatte ausgebildete Wand (9′) an axialen Nuten (10) des einen Wellenabschnitts (2′) axial beweglich aufgehängt ist, wobei ein in axialer Richtung wirkendes Federelement (11) zwischen die Wand (9′) und ein wellen­ seitig drehfest verankertes und lösbares ringförmiges Hal­ teglied (12) greift.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (3′) sowohl kraft- als auch formschlüssig über das Federglied (6′) in der gehäuseartigen Aussparung (5′) verankert ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied (6′) mittels sowohl am einen offenen Ende als auch am anderen offenen, insbesondere biegelaschen­ artig ausgebildeten Ende gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneter Zungen (14; 15) in Axialnuten (10; 16) des einen Wellenabshnitts (2′) und des Dichtringes (3′) eingreift.