DE602004000658T2

DE602004000658T2 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE602004000658T2
Application number: DE602004000658T
Authority: DE
Inventors: Alan Robert Maguire
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-03-15
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: EP1460319A1; US20040179935A1; EP1460319B1; US20050230922A1; GB0305974D0; DE602004000658D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen und insbesondere auf Dichtungen, die zwischen rotierenden Wellen benutzt werden.
Die Anordnung von Dichtungen zwischen rotierenden Wellen zum Aufrechterhalten eines Hochdruck-Niederdruck-Differentials ist ein bekanntes Erfordernis insbesondere bei Turbinentriebwerken. Bisher wurden hydraulische Zwischenwellen-Lagerdichtungen benutzt, wie sie in der EP 1045178 beschrieben sind. Diese hydraulischen Lagerdichtungen weisen eine Ausnehmung auf, die durch zwei Abschnitte einer normalerweise unter Hochdruck stehenden Welle und einer Messerdichtung gebildet werden, welchletztere sich im typischen Fall von der Niederdruckwelle in die Ausnehmung erstreckt, die ihrerseits mit Öl angefüllt ist, um die Dichtung herzustellen. Natürlich hat eine solche Dichtungsanordnung Montageprobleme und Schwierigkeiten bei der Herstellung der jeweiligen Wellen und Messerkanten.
Bei einer Turbine ist es zweckmäßig, die Turbinenscheibe und eine Flanschwelle integral herzustellen. Eine derartige integrale Herstellung wird jedoch durch die Notwendigkeit erschwert, die Anordnung mit Messerdichtung und Ausnehmung vorzusehen, wie dies oben beschrieben wurde. Die Benutzung einer Kohlenstoffkontaktdichtung führt jedoch zu einem heißen Bereich, der seinerseits eine spezielle Kühlung, im typischen Fall durch ein Ölschmiermittel, benötigt. Es ist klar, dass Kohlenstoffdichtungen die gewünschte Unterteilung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite über die Dichtung gewährleisten können, ohne dass es notwendig wäre, eine Ausnehmung für das Öl und das Messerdichtungselement vorzusehen. Jedoch ist die Anordnung einer geeigneten Kühlung schwierig.
Gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Dichtung für rotierende Wellen mit zwei im gegenseitigen Eingriff stehenden Wellen und einer Schmiermittelquelle, wobei die Dichtung zwischen den im gegenseitigen Eingriff stehenden Wellen ausgebildet ist und durch die Schmiermittelquelle geschmiert wird und diese Dichtung einen Überlauf besitzt, der durch überlappende den Wellen zugeordnete Flansche gebildet ist, die ein Überlaufbecken dazwischen bilden und wobei ein Flansch teilweise durch eine Hülse und teilweise durch die Welle definiert wird, die dazwischen einen Kanal definieren, der die Freigabe von Schmiermittel aus dem Überlaufbecken für einen gewünschten Zweck steuert, wobei die Hülse lösbar an der Welle befestigt ist, wodurch der Zusammenbau der Wellen und ihrer Flansche ermöglicht wird.
Vorzugsweise wird der Kanal durch eine Nut oder einen Zacken oder einen Toleranzspalt gebildet.
Normalerweise strömt weiteres Schmiermittel im Betrieb über einen Überlaufrand der Hülse.
Im Allgemeinen sind die überlappenden Flansche der Wellen derart angeordnet, dass im Betrieb ein Überlaufbecken durch die gemeinsame Rotation der Wellen erreicht wird.
Vorzugsweise besteht der gewünschte Zweck im Betrieb in einer Kühlung des Dichtungselementes und/oder eines Schmiermittels für spezielle Teile der Dichtung, je nachdem, was erforderlich ist. Normalerweise ist das Dichtungselement eine Kohlenstoffdichtung, die sich von einer Welle nach der anderen erstreckt.
Im typischen Fall schmiert das weitere Schmiermittel ein Lager und/oder kühlt dieses ab. Im Allgemeinen ist jenes Lager ein Wälzlageraufbau zwischen den Wellen.
Normalerweise ist die Schmiermittelquelle ein Ölstrahl, der allgemein Öl nach der Dichtung treibt. Im typischen Fall findet eine indirekte Zuführung von Öl nach einer Dichtung durch Zerstäubungsablenkung und Zentrifugalansammlung im Überlaufbecken statt.
Es ist möglich, eine Messerkante zwischen den Wellen zur Konfiguration und/oder als Hilfsdichtung vorzusehen.
Normalerweise besteht im Betrieb eine Druckdifferenz über der Dichtung. Allgemein ermöglicht die Druckdifferenz die Schaffung eines Überlaufbeckens. Es ist möglich, dass die Druckdifferenz eine Freigabe des Schmiermittels über den Kanal ermöglicht. Normalerweise ist ein Schmiermittelgang zwischen den Wellen ausgebildet. Es ist möglich, radiale Leitungen für das Schmiermittel vorzusehen, die sich von dem Gang aus erstrecken. Vorzugsweise gibt es jeweilige Radialkanäle für das Schmiermittel von dem Kanal und dem anderen Schmiermittel von dem Überlaufrand. Im typischen Fall umfasst der Gang Oberflächenreservoirs für das Schmiermittel aus dem Kanal und/oder das weitere Schmiermittel aus dem Überlaufrand.
Im Allgemeinen bildet der Überlaufrand eine Lippe für eine Kaskade des weiteren Schmiermittels und eine Strömung entlang einer Oberfläche der Hülse nach einem Sumpfloch, das in der Hülse ausgebildet ist.
Im typischen Fall liegt die Dichtung zwischen einer Hochdruckwelle und einer Niederdruckwelle eines Turbinentriebwerks.
Gemäß der Erfindung ist auch ein Turbinentriebwerk mit einer oben beschriebenen Dichtung vorgesehen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein schematischer axialer Halbschnitt eines Turbinentriebwerks; und
2 ist ein schematischer Schnitt der Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, und es umfasst in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen Vortriebsfan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 18 und eine Abgasdüse 19.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in der üblichen Weise, und es wird die in den Einlass 11 eintretende Luft durch den Fan 12 beschleunigt, der zwei Luftströmungen erzeugt: eine erste Luftströmung in den Zwischendruckkompressor 13 und eine zweite Luftströmung, die einen Vorwärtsschub liefert. Der Zwischendruckkompressor komprimiert die ihm zugeführte Luftströmung, bevor diese Luft an den Hochdruckkompressor 14 abgegeben wird, wo eine weitere Kompression stattfindet.
Die vom Hochdruckkompressor 14 abgegebene komprimierte Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 15 eingeleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt wird, und hier wird dieses Gemisch verbrannt. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 und treiben diese an, bevor die Gase über die Düse 19 ausgestoßen werden und einen zusätzlichen Vortriebsschub erzeugen. Die Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 treiben den Hochdruckkompressor 14 und den Zwischendruckkompressor 13 bzw. den Fan 12 über geeignete Verbindungswellen an.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung zwischen einer Welle höheren Druckes und einer Welle niedrigeren Druckes, im typischen Fall bei einem Triebwerk 10, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde.
2 ist eine schematische Darstellung der Dichtung 21 gemäß der Erfindung. Eine Hochdruckwelle 22 ist derart angeordnet, dass sie konzentrisch um eine Niederdruckwelle 23 herum liegt, wobei eine Dichtung 21 dazwischen vorgesehen ist. Die Wellen 22, 23 sind allgemein zylindrisch und drehen sich um eine Mittelachse. Eine Messerkantendichtung 24 in Verbindung mit einem Sicherungsring 25 wirkt zusammen mit anderen Lagern, um in geeigneter Weise die Wellen 22, 23 relativ zueinander zu präsentieren. Die Hochdruckwelle 22 ist ihrerseits über ein Lager 27 in einem Gehäuse 26 derart festgelegt, dass sie sich drehen kann.
Allgemein schafft die erfindungsgemäße Dichtung 21 eine Barriere zwischen einer Hochdruckseite 28 und einer Niederdruckseite 29. Wie oben erwähnt, sollte eine derartige Barriere zweckmäßigerweise erzeugt werden, ohne dass es erforderlich wäre, entsprechende Ausnehmungen in einer Welle vorzusehen, in die Öl und ein Messerkantendichtungselement einstehen, um die gewünschte Dichtungsbarriere zu erzeugen. Wie oben erwähnt, erzeugen derartige Ausnehmungen Probleme hinsichtlich des Zusammenbaus. Unter diesen Umständen ist, wie in 2 dargestellt, eine Kohlenstoffdichtung 30 vorgesehen, um die gewünschte Dichtungsbarriere zwischen der Hochdruckseite 28 und einer Niederdruckseite 29 zu erzeugen. Leider erfordert diese Kohlenstoffdichtung 30 eine Kühlung, um eine Verschlechterung und Überhitzung eines Abschnitts 31 der Welle 22 zu vermeiden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die überlappenden Flansche 20, 32 ein Überlauf gebildet. Der Überlauf erzeugt ein Überlaufbecken 33, das aus Schmieröl gebildet wird, das durch einen Strahl 34 eingespritzt wird. Wie oben erwähnt, drehen sich die Wellen 22, 23 sehr schnell, so dass infolge der Zentrifugalkräfte sich das Schmieröl als Überlaufmenge 35 ansammelt, wie dies in 2 dargestellt ist. Infolge der Druckdifferenz und der relativen Unwirksamkeit der Messerkantendichtung 24 ergibt sich ein geringer Vorspanndruck auf die eine Seite des Überlaufbeckens 33. Dieser Vorspanndruck befindet sich in einem Hohlraum 36.
Gemäß der Erfindung ist ein Kanal 37 vorgesehen, wodurch ein Anteil des Schmieröls im Überlaufbecken 33 durch den Kanal 37 in einen Gang 38 strömen kann. Der Leckstrom des Schmiermittels wird eingestellt. Wie oben erwähnt, führt ein Strahl 34 Schmiermittel (gekennzeichnet durch den Pfeilkopf 39) nach der Dichtung 21 und insbesondere nach dem Überlaufbecken 33. Unter diesen Umständen tritt das weitere Schmieröl über den Überlaufrand 40 hinweg. Allgemein treten etwa 10% des Schmieröls durch den Kanal 37 hindurch, während der Rest oder das weitere Schmiermittel über den Überlaufrand 40 strömt. Es können jedoch andere Anteile benutzt werden, wenn dies für die Arbeitsweise erforderlich ist.
Das durch den Kanal 37 strömende Schmiermittel tritt in den Gang 38 ein und verläuft wiederum durch Zentrifugalkraft längs der Oberfläche 41, bis es in einer Rinne 42 gesammelt wird. An der Basis dieser Rinne 42 befindet sich eine radiale Leitung 43 derart, dass das Schmieröl in Richtung des Pfeilkopfes 44 innerhalb eines Hohlraumes 45 am hinteren Ende der Kohlenstoffdichtung 30 ausgespritzt wird. Unter diesen Umständen wirkt das Schmieröl, das durch den Kanal 37 strömt, zusätzlich zu seiner Schmierfunktion als Kühlmittel für die Dichtung 30, indem Wärmeenergie von dem Abschnitt 31 der Welle 22 unter der Dichtung 30 abgezogen wird und ebenso durch Berührung des Schmiermittels in der Leitung 43 und an der Rückseite der Dichtung innerhalb des Hohlraumes 45 des Gehäuses 26. Unter diesen Umständen wird eine Überhitzung der Kohlenstoffdichtung 30 durch Wärmeaustausch mit diesem Öl verhindert.
Das weitere Schmieröl, das über den Überlaufrand 40 tritt, kriecht wiederum unter dem Einfluss der Zentrifugalkräfte längs der Oberfläche 46, bis es durch einen Sumpfschlitz 47 in den Gang 38 eintritt. Das durch den Sumpfschlitz 47 strömende Schmieröl wird in einem Reservoir 48 gesammelt und danach über radiale Leitungen 49 verteilt, um das Lager 27 zu schmieren. Im typischen Fall ist das Lager 27 ein Wälzlager mit Laufringen.
Das durch die Leitungen 43, 49 strömende Schmieröl wird gesammelt, gefiltert und normal gekühlt, bevor es über den Strahl 34 als eingespritztes Schmiermittel 39 auf die Dichtung 21 und das Überlaufbecken 33 zurückgeführt wird. Im typischen Fall bewirkt, wie in der Zeichnung dargestellt, der Strahl 34 eine indirekte Schmiermittelzuführung nach dem Überlaufbecken 33. Die Drehung des Wellenflansches 32 zerstäubt und dispergiert das Schmieröl und danach sammelt die Zentrifugalkraft jenes Schmieröl innerhalb des Überlaufbeckens 33 und treibt eine Bewegung längs der Oberflächen 41, 46 an.
Zum Zusammenbau bildet, wie in 2 dargestellt, ein Flansch 32 den Überlauf und das Überlaufbecken 33, indem eine zurückspringende Überlappung mit einem anderen Flansch in Form des Überlaufrandes 40 bewirkt wird. Im Allgemeinen wird dieser Überlaufrand 40 als Hülsenkörper 60 ausgebildet, indem eine geeignete Befestigung durch einen Sicherungsring 25 erfolgt. So wird die Niederdruckwelle 23 innerhalb der Hochdruckwelle 22 durch Eingriff zwischen der Messerkantendichtung 24 und einem Ambossdichtungsfuß 50 angeordnet. Die Hülse 60 wird dann eingesetzt und durch den Sicherungsring 25 gehalten, damit auf diese Weise der Gang 38 erzeugt wird. Es ist klar, dass normalerweise mehrere Kanäle 37 zwischen dem Überlaufbecken 33 und dem Gang 38 angeordnet sind. Diese Kanäle 37 können durch Nuten oder Zacken im Ende der Hülse 60 benachbart zum Überlaufrand 40 erzeugt werden. Auf diese Weise werden die Kanäle 37 durch die Nuten oder die Spalte zwischen den vorstehenden Abschnitten der Zacken in Eingriff mit einer inneren Oberfläche der Welle 22 gebildet. Stattdessen können auch keine spezifischen Zacken oder Nuten vorgesehen werden, und es wird einfach ein Toleranzspalt zwischen der Hülse 60 und der inneren Oberfläche der Welle 22 belassen, um auf diese Weise einen Regelkanal 27 zu erzeugen, durch den das Schmiermittel nach dem Überlaufbecken 33 gelangt.
Um einen Kaskadenlauf zu ermöglichen, sind sowohl die Überlauflippe 40 als auch die innere Oberfläche der Welle 22 unmittelbar hinter dem Kanal 37 so gestaltet, dass eine rapide Kaskadenströmung im typischen Fall unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte erfolgen kann, um die jeweilige Strömung längs der Oberflächen 41 und 46 zu bewirken.
Das Schmieröl, das durch den Kanal 37 strömt, bewirkt, dass die Hülse 60 durch den Sicherungsring 25 schwebend gehalten wird. Das Schmiermittel, das durch den Kanal 37 strömt, wird durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte und durch den Überdruck innerhalb des Hohlraumes 36 unter Druck gesetzt als Ergebnis der relativen Unwirksamkeit der Messerdichtung 24. Es ist klar, dass der Flansch 32 sich genügend weit innerhalb der Überlappung mit dem Überlaufrand 40 erstreckt, um eine ausreichende Tiefe des Schmiermittels in dem Überlaufbecken 33 zu gewährleisten und um eine hydraulische Dichtung zu schaffen, die ein Entweichen von Überdruck innerhalb des Hohlraumes 36 verhindert und um die Überströmrate des Schmieröls über den Überlaufrand 40 zu bestimmen.
Von besonderem Vorteil in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist die Möglichkeit, eine Turbinenscheibe mit einer Flanschwelle integral zu erzeugen. So bildet die Hochdruckwelle 22 allgemein einen integralen Teil der Kombination 51 von Turbinenscheibe und Welle. Früher war es schwierig, eine mit der Welle 22 integrale Turbinenscheibe zu schaffen, da es notwendig war, eine Ausnehmung vorzusehen, in der Öl und das Messerkantendichtungselement angeordnet wurden, um eine hydraulische Dichtung zu erzeugen. Eine derartige wie beschriebene Anordnung erforderte ein Verbolzen von zwei Bauteilen miteinander, damit die Ausnehmung innerhalb des Messerdichtungselementes dazwischen definiert wird. Die vorliegende Erfindung schafft eine Dichtung, die keine derartige Kombination für eine hydraulische Dichtung erfordert.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Aufmerksamkeit auf jene Merkmale der Erfindung gelenkt, die als besonders wichtig angesehen werden. Es ist jedoch klar, dass die Anmelderin Schutz für eine Anordnung begehrt, wie diese in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Dichtung (21) für rotierende Wellen mit zwei im gegenseitigen Eingriff stehenden Wellen (22, 23) und einer Schmiermittelquelle (34), wobei die Dichtung (21) zwischen den im gegenseitigen Eingriff stehenden Wellen (22, 23) ausgebildet ist und durch die Schmiermittelquelle (34) geschmiert wird und diese Dichtung (21) einen Überlauf besitzt, der durch überlappende den Wellen (22, 23) zugeordnete Flansche (20, 32) gebildet ist, die ein Überlaufbecken (33) dazwischen bilden und wobei ein Flansch (20) teilweise durch eine Hülse (60) und teilweise durch die Welle (22) definiert wird, die dazwischen einen Kanal (37) definieren, der die Freigabe von Schmiermittel aus dem Überlaufbecken (33) für einen gewünschten Zweck steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (60) lösbar an der Welle (22) befestigt ist, wodurch der Zusammenbau der Wellen (22, 23) und ihrer Flansche (20, 32) ermöglicht wird.
Dichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Kanal (37) durch eine Nut oder Zacken oder einen Toleranzspalt gebildet wird.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher ein weiteres Schmiermittel im Betrieb über einen Überlaufrand (40) der Hülse (60) strömt.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die überlappenden Flansche (20, 32) der Wellen (22, 23) derart angeordnet sind, dass die Bildung des Überlaufbeckens durch Benutzung der gegenseitigen Drehung der Wellen (22, 23) ermöglicht wird.
Dichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der gewünschte Zweck eine Kühlung des Dichtungselementes (30) im Betrieb ist und/oder der Zweck ist eine Schmierung erforderlicher spezieller Teile der Dichtung.
Dichtung (21) nach Anspruch 5, bei welcher das Dichtungselement (30) eine Kohlenstoffdichtung ist, die sich von einer Welle (22) nach der anderen Welle (23) erstreckt.
Dichtung (21) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher das andere Schmiermittel ein Lager (27) schmiert und/oder abkühlt.
Dichtung (21) nach Anspruch 7, bei welcher jenes Lager (27) ein Wälzlageraufbau zwischen den Wellen (22, 23) ist.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Schmiermittelquelle (34) ein Ölstrahl ist, der allgemein nach der Dichtung (21) getrieben wird.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine indirekte Zuführung von Öl nach der Dichtung (21) durch Zerstäuberablenkung und Zentrifugalansammlung im Überlaufbecken (33) erfolgt.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Messerkantendichtung (24) zwischen den Wellen (22, 23) zur Konfiguration und/oder zur Erzeugung einer Hilfsdichtung angeordnet ist.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher im Betrieb eine Druckdifferenz über der Dichtung (21) vorliegt.
Dichtung (21) nach Anspruch 12, bei welcher jene Druckdifferenz die Bildung des Überlaufbeckens (33) ermöglicht.
Dichtung (21) nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher die Druckdifferenz eine Freigabe des Schmiermittels über den Kanal (37) ermöglicht.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Schmiermittelgang (38) zwischen der Welle (22) und der Hülse (60) ausgebildet ist.
Dichtung (21) nach Anspruch 14, bei welcher sich radiale Leitungen (43, 49) für das Schmiermittel von dem Gang (38) aus erstrecken.
Dichtung (21) nach Anspruch 14 oder 15, bei welcher radiale Leitungen (43, 49) für das Schmiermittel (34) aus dem Kanal und weitere Schmiermittel vorgesehen sind, die über den Überlaufrand (40) fließen.
Dichtung (21) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welcher der Gang (38) Oberflächenreservoirs (42, 48) für das Schmiermittel aus dem Kanal (37) und/oder die weiteren Schmiermittel aufweist, die über den Überlaufrand (40) fließen.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Überlaufrand (40) eine Lippe zur Kaskade des weiteren Schmiermittels und zur Strömung längs einer Oberfläche (46) der Hülse (60) nach einem Sumpfloch (47) bildet, das in der Hülse (60) angeordnet ist.
Dichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher im Betrieb die Dichtung (21) zwischen einer Hochdruckwelle (22) und einer Niederdruckwelle (23) eines Turbinentriebwerks (10) angeordnet ist.
Dichtung (21) nach Anspruch 20, bei welcher die Wellen (22, 23) im Betrieb im Turbinentriebwerk gemeinsam rotieren.
Turbinentriebwerk (10) mit einer Dichtung (21) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.