DE3938771A1 - Spaltdichtung mit zentraler sperrluftzufuhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spaltdichtung aus einem Dichtungsgehäuse und einem Dichtelement mit zentraler Sperrluftzuführung auf einer Welle zur Abdichtung zweier Räume unterschiedlichen Druckes.

Wellendichtungen mit zentraler Sperrluftzuführung sind aus der Deut­ schen Patentanmeldung P 38 33 484.4 (Fig. 1) und der US-PS 30 01 806 (Fig. 2) bekannt, wobei ein mittig angeordnetes Federelement zwei ring­ förmige Dichtelemente in einem Dichtungsgehäuse mit u-förmigem Querschnitt an die radialen Schulterflächen des Dichtungsgehäuses preßt und Sperrluft zentral zwischen den Dichtelementen im Bereich des Federelementes zugeführt und über die ringförmigen Dichtungs- oder Tragspalte in die zwei Räume unterschiedlichen Druckes gepreßt wird.

Derartige Lösungen haben den Nachteil, daß Federelemente erforderlich sind, die Überlastungs-, Korrosions- und Alterungsgefahren ausgesetzt sind und bei Versagen die Dichtfunktion beeinträchtigen, oder auf­ heben.

Ein weiterer Nachteil liegt in den engen Spalten zwischen Welle und Dichtelementen, die nur geringe Fertigungstoleranzen zulassen und im Betrieb eine partikelfreie Druckluft erfordern.

Nachteilig wirkt sich die großvolumige und schwere Bauart des Dich­ tungsgehäuses aus, das u-förmig die Dichtelemente und das Feder­ element umschließt.

Aufgabe der Erfindung ist es eine gattungsgemäße Spaltdichtung mit vergrößerten Sperrluftspalten zwischen Welle und Dichtelement bei gleichbleibendem Sperrluftverbrauch und verbesserten Alterungseigen­ schaften anzugeben. Gleichzeitig soll die Herstellung kostengünstiger und der Einbau gewichtssparender erfolgen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die axiale Erstreckung des Dichtelements größer als das Dichtungsgehäuse und das Dichtelement einteilig ist und eine zylindrische Büchse mit einem radial äußeren, im Dichtungsgehäuse radial verschieblichen Führungsflansch aufweist, durch den Sperrluft zum Dichtungsgehäuse, das mindestens eine Öffnung zum Raum höheren Druckes besitzt, geführt wird.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß mit einem relativ kleinen Dichtungs­ gehäuse ein breiter großflächiger tragender Dichtspalt ohne Vergröße­ rung des Dichtungsgehäuses realisiert werden kann. Dieser dichtet auch bei staubbelasteter Sperrluft einwandfrei ab, ohne einen höheren Sperrluftverbrauch zu benötigen. Dazu wird die zylindrische Büchse in ihrer axialen Erstreckung verlängert und der Dichtspalt derart ver­ größert, daß auch Staubpartikel den Spalt passieren können.

Exzentrische Bewegungen der Welle beispielsweise aufgrund von Unwuch­ ten des rotierenden Systems werden durch die Tragfähigkeit des Luft­ spaltes zwischen Welle und Büchse auf den Führungsflansch übertragen und vorteilhaft durch die radiale Verschieblichkeit des Führungs­ flansches im Dichtungsgehäue vom Dichtelement aufgenommen.

Das Dichtungsgehäuse wird über den Führungsflansch mit Sperrluft ver­ sorgt, wozu vorzugsweise radiale Bohrungen im Führungsflansch an­ geordnet sind. Durch mindestens eine Öffnung vom Dichtungsgehäuse zum Raum höheren Druckes wird das Dichtungsgehäuse ständig mit Sperrluft gespült und gereinigt, wobei vorzugsweise eine derartige Öffnung im tiefsten Punkt des Dichtungsgehäuses angebracht ist, wodurch adhäsive Flüssigkeiten, die sich in den Innenwänden absetzen und im tiefsten Punkt sammeln, vorteilhaft ausgeblasen werden.

Außerdem wird durch die Sperrluftspülung des Dichtungsgehäuses er­ reicht, daß auch staubbeladene Sperrluft die Funktionsfähigkeit des Dichtelementes nicht beeinträchtigt und die Verschieblichkeit des Führungsflansches im Dichtungsgehäuse gewährleistet bleibt, da ein Anreichern des Dichtungsgehäuses mit Staubpartikeln verhindert wird.

Eine derart ausgebildete Spaltdichtung ist weniger störanfällig, da auf Federelemente vollkommen verzichtet wird und die Lösung mit einem einteiligen Dichtelement auskommt. Dieses Dichtelement ist kosten­ günstig herzustellen, da der breite Dichtspalt höhere Fertigungs­ toleranzen zuläßt und nicht mehrere Bauteile wie metallische Spann­ ringe und kohlenstoffhaltige Gleitringe sowie Federelemente geome­ trisch und in ihrem Wärmedehnungsverhalten aufeinander abzustimmen sind.

Der Führungsflansch im Dichtungsgehäuse erfüllt drei Funktionen. Er dichtet den Raum zwischen dem Dichtungsgehäuse, das vorzugsweise den Führungsflansch u-förmig umfaßt, über eine radiale Spaltdichtung zum Raum höheren Druckes und über eine radiale Gleitdichtung gegenüber dem Raum niedrigeren Druckes ab. Er fixiert die axiale Position der Büchse des Dichtelementes und läßt eine exzentrische Bewegung der Büchse zu. Er behindert eine Rotation der Büchse durch die Gleitreibung der radialen Gleitdichtung am Dichtungsgehäuse, so daß sich ein luftlager­ artiger tragfähiger Spalt zwischen Welle und Dichtelement aus­ bilden kann, der vorteilhaft die exzentrische Bewegung der Welle be­ rührungsfrei auf das Dichtelement überträgt.

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der Raum zwischen dem Dichtungsgehäuse mit u-förmigem Querschnitt und dem Füh­ rungsflansch des Dichtelements ringförmig ausgebildet ist und mit Sperrluft gespült wird. Ein derartiger Ringraum hat fertigungstech­ nisch den Vorteil, daß alle Teile rotationssymmetrisch bearbeitet werden können. Für das Sammeln und Ausblasen von flüssigen Medien im Ringraum ist die Ausbildung eines Sumpfraumes am tiefsten Punkt des Ringraumes von Vorteil.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, daß das Dicht­ element aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff mit einem spezifischen Gewicht kleiner als 1,5 g/cm³ besteht. Dieses Material ist gewichts­ sparend und erfordert nur geringe Tragkräfte des luftlagerartig ausge­ bildeten Spalts zur Anpassung des Dichtelementes an exzentrische Be­ wegungen der Welle. Die Kohlefasern können so angeordnet werden, daß der Ausdehnungskoeffizient des Dichtelements dem Ausdehnungskoef­ fizienten des Wellensystems angepaßt ist, womit vorteilhaft eine gleichbleibende Breite der Tragspalte zwischen Dichtelement und Welle für alle Betriebszustände gewährleistet wird.

Die Druckluftversorgung sowohl des Ringraumes als auch der Spaltdich­ tung wird vorzugsweise durch einen Ringkanal, der radial innerhalb der zylindrischen Büchse angeordnet ist und über radiale Bohrungen im Führungsflansch mit dem Ringraum des Gehäuses in Verbindung steht, so daß eine ständige Sperrluftspülung sowohl des Ringraumes als auch der radialen Spaltdichtung am Führungsflansch gewährleistet wird. Dabei ist von Vorteil, daß in dem Dichtelement eine zusätzliche Nut ange­ ordnet ist, die gleichzeitig mit den Spaltdichtungen gefertigt werden kann.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, die Nut für den Ring­ kanal nicht in das Dichtelement, sondern in die Welle einzubringen. Das hat den Vorteil, daß das Dichtelement relativ einfach und kosten­ günstig zu gestalten ist und die Welle die Funktion der Luftzuführung und Luftverteilung übernimmt. Dazu wird bevorzugt die Welle mit Ver­ bindungsöffnungen zu einer Druckluftquelle versehen, die ihrerseits den Ringkanal mit Druckluft beaufschlagen.

Ein Auführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1, die einen Querschnitt durch ein Wellenlager eines Flugtriebwerks zeigt, ver­ anschaulicht.

Fig. 1 zeigt einen Querschnit durch ein Wellenlager 1 eines Flug­ triebwerks, das mit dem statorseitigen Gehäuse 2 und der Welle 3 einen Raum 4 umschließt, der mit Druckluft, Öl- und Abriebpartikeln beaufschlagt ist. Der Raum 4 wird gegenüber einem Raum 5, der unter geringerem Druck steht, mittels zweier axialer 6 und 7 und einer ra­ dialen 8 Spaltdichtung, die von einem einteiligen Dichtelement 9 der Welle 3 und einem Dichtungsgehäuse 10 gebildet werden, abge­ dichtet. Die Spaltdichtungen 6, 7 und 8 werden von Sperrluft in Pfeil­ richtung 11 durchströmt. Die Sperrluft wird in Pfeilrichtung 19 über Öffnungen 20 und 21 in der Welle 3 dem Dichtelement 9 zentral zuge­ führt.

Das Dichtelement 9 weist eine zylindrische Büchse 12 auf, die radial innen einen Ringkanal 13 besitzt, der dieSperrluft auf die beiden axialen Spaltdichtungen 6 und 7 verteilt und durch radiale Bohrungen 14 in einem Führungsflansch 15 des Dichtelements 9 die Sperrluft einem Ringraum 16 des Dichtungsgehäuses 10 mit u-förmigem Querschnitt zu­ führt.

Der Ringraum 16 wird über die Öffnung 17 zum Raum 4 mit Sperrluft gespült und versorgt die radiale Spaltdichtung 8 mit Sperrluft. Das Dichtelement 9 wird aufgrund des höheren Druckes in Raum 4 gegen­ über dem Druck in Raum 5 mit seinem Führungsflansch 15 gegen das Dich­ tungsgehäuse 10 gedrückt, so daß sich eine radiale Gleitdichtung zwi­ schen Führungsflansch 15 und Dichtungsgehäuse 10 ausbildet. Diese radiale Gleitdichtung gewährleistet, daß das Dichtelement 9 nicht mit der Welle 3 mitrotiert, so daß sich zwischen Welle 3 und Dichtele­ ment 9 in den axialen Spaltdichtungen 6 und 7 ein luftlagerartig tra­ gender Luftkeil ausbilden kann, der dafür sorgt, daß das Dichtelement berührungsfrei den exzentrischen Bewegungen der Welle 3 folgt. Um die Tragkraft gering zu halten wird das Dichtelement 9 aus einem Verbund­ werkstoff auf Kohlenstoffbasis wie beispielsweise kohlenfaserver­ stärkter Kunststoff oder kohlenfaserverstärkter Kohlentoff mit einem spezifischen Gewicht kleiner 1,5 g/cm³ hergestellt. Diese Werkstoffe besitzen gleichzeitig entsprechende Gleiteigenschaften für das radiale Gleitlager 18 und kann durch Art, Menge und Lage seiner Kohlefasern den Wärmeausdehnungseigenschaften der Welle 3 angepaßt werden.

Die axiale Erstreckung des Dichtelementes 9 und damit der axialen Spaltdichtungen 6 und 7 kann unabhängig von den Abmessungen des Dich­ tungsgehäuses 10 vergrößert werden und deshalb sind breite Dichtspalte realisierbar, die mit staubbeladener Sperrluft beaufschlagbar sind, ohne daß der Sperrluftverbrauch erhöht werden muß oder das Dichtungs­ gehäuse unter erheblicher Gewichtszunahme zu vergrößern ist.

Claims (10)

1. Spaltdichtung aus einem Dichtungsgehäuse und einem Dichtungs­ element mit zentraler Sperrluftzuführung und einer Welle zur Abdichtung zweier Räume unterschiedlichen Druckes, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die axiale Erstreckung des Dichtelements 9 größer als das Dichtungsgehäuse 10 und das Dichtelement 9 ein­ teilig ist und eine zylindrische Büchse 12 mit einem radial äußeren, im Dichtungsgehäuse radial verschieblichen Führungs­ flansch 15 aufweist, durch den Sperrluft zum Dichtungsgehäuse 10, das mindestens eine Öffnung 17 zum Raum 4 höheren Druckes besitzt, geführt wird.

2. Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsgehäuse 10 u-förmig den Führungsflansch 15 des Dicht­ elements 9 umfaßt, wobei der Führungsflansch 15 mit dem Dichtungs­ gehäuse 10 eine einseitige radiale Gleitdichtung 18 zum Raum 5 niedrigeren Druckes aufweist.

3. Spaltdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsflansch 15 des Dichtelements 9 mit dem Dichtungsge­ häuse 10 eine radiale Spaltdichtung 8 zum Raum höheren Druckes 4 aufweist.

4. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Öffnung 17 zum Raum 4 höheren Druckes am tiefsten Punkt des Dichtungsgehäuses 10 im Raum zwischen Dichtungsgehäuse 10 und Führungsflansch 15 angeordnet ist.

5. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Raum zwischen Dichtungsgehäuse 10 und Führungs­ flansch 15 als Sperrluft gespülter Ringraum 16 ausgebildet ist.

6. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dichtelement aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff mit einem spezifischen Gewicht, das kleiner als 1,5 g/cm³ ist besteht.

7. Spaltdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Kohlefasern so angeordnet sind, daß der Ausdehnungskoeffizient des Dichtelements 9 dem Ausdehnungskoeffizienten des Wellen­ systems angepaßt ist.

8. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Dichtelement 9 einen mittleren radial innerhalb der zylindrischen Büchse 12 angeordneten Ringkanal 13 aufweist, der mit Sperrluft beaufschlagt ist und die luftlager­ artigen Dichtspalte zwischen Büchse 12 und Welle 3 mit Sperrluft versorgt und über radiale Bohrungen 14 im Führungsflansch 15 mit dem Ringraum 16 im Dichtungsgehäuse 10 in Verbindung steht.

9. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringkanal 13 zur Sperrluftversorgung radial außen auf der Welle 3 angeordnet ist.

10. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringkanal 13 über Öffnungen 20 und 21 in der Welle, die mit einer Druckluftquelle in Verbindung stehen, mit Sperrluft beaufschlagt ist.