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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Hydraulikdichtung und insbesondere auf eine Hydraulikdichtung, die
geeignet ist zur Benutzung bei Gasturbinentriebwerken.
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Bei Gasturbinentriebwerken ist die
Benutzung von Hydraulikdichtungen allgemein üblich, da hier benachbarte
Bereiche vorhanden sind, die Gase enthalten, bei denen das Gas in
dem einen Bereich auf einem höheren
Druck steht als das Gas in dem anderen Bereich. Im typischen Fall
wird eine Dichtung zwischen den Bereichen vorgesehen, um zu gewährleisten,
daß der
Gasleckstrom aus dem Bereich höheren
Druckes in den Bereich niederen Druckes kleingehalten wird. Die
Anordnung einer derartigen Dichtung zwischen Bauteilen, die relativ
zueinander beweglich sind, gibt Anlaß für erhöhte Schwierigkeiten. Obgleich
Dichtungen bekannt sind, die auf einer physikalischen Berührung mit
beiden Bauteilen beruhen, können
jedoch die Relativgeschwindigkeiten benachbarter Bauteile bei Gasturbinentriebwerken
so hoch sein, daß Dichtungen
dieser Bauart einer raschen Abnutzung unterworfen sind.
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Eine andere Dichtungsausbildung,
die bei Gasturbinentriebwerken Verwendung gefunden hat, wo eine
schnelle relative Drehbewegung zwischen Bauteilen stattfindet, ist
als Hydraulikdichtung bekannt. Im typischen Fall wird eine derartige
Dichtung zwischen konzentrischen Wellen definiert, und sie wird
durch eine radial innere Komponente und eine radial äußere Komponente
gebildet. Die radial äußere Komponente
ist an der radial äußeren Welle
angebracht und weist einen ringförmigen
U-förmig
gestalteten Querschnitt auf; der offene Teil des U-Querschnitts
liegt radial nach innen zu dem übrigen
Teil. Der radial innere Teil ist an der radial inneren Welle angeordnet
und besteht aus wenigstens einer radial vorstehenden Ringrippe.
Die Rippe hat eine derartige Größe, daß der Hauptteil
von ihr berührungslos
innerhalb des radial äußeren Bauteils
zu liegen kommt.
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Wenn im Betrieb die radial äußere Dichtungskomponente
mit einer genügend
hohen Geschwindigkeit umläuft,
wird Öl
in diese eingeführt. Das Öl wird durch
Zentrifugalkraft innerhalb der radial äußeren Komponente gehalten und
definiert ein ringförmiges Ölreservoir,
in das die Rippe auf der inneren Dichtungskomponente einsteht. Dadurch
wird eine Gasdichtung definiert. Die Ölströmungsrate wird derart gewählt, daß bei geringer
Drehzahl während
des Anlaufs des Triebwerks genügend Öl vorhanden
ist, um die Arbeitsweise der Gasdichtung zu gewährleisten. Wenn die normalenTriebwerksbetriebsbedingungen
erreicht sind, wird die Ölströmungsrate
auf einem Wert aufrechterhalten, der ausreicht, um ein fortgesetztes,
zufriedenstellendes Funktionieren der Dichtung zu gewährleisten
und eine Überhitzung
der Dichtung zu vermeiden.
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Derartige Hydraulikdichtungen, wie
sie beispielsweise aus der GB-A-1212593 bekannt sind, erweisen sich
als sehr nützlich
zur Verhinderung des Gasstromes aus einem Bereich hohen Gasdrucks nach
einem Bereich niedrigen Gasdruckes. Sie können jedoch Anlaß für Probleme
sein, wenn eine der Wellen einer größeren Beschädigung und Brüchen ausgesetzt
ist.
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Die Hauptwellen eines Gasturbinentriebwerks
verbinden die rotierenden Luftkompressionsteile des Triebwerks mit
den rotierenden Turbinenteilen. Die rotierenden Turbinenteile treiben
die rotierenden Luftkompressoren über die Wellen an. Wenn eine
der Wellen brechen sollte, dann fällt plötzlich die durch ihre Turbine
angetriebene Last weg, was zu einem schnellen Ansteigen der Drehzahl
führt.
Diese Erhöhung
ist so schnell, daß dann
wenn keine Maßnahmen
getroffen werden, um ein Zurückfahren
zu bewirken, eine Explosion erfolgt. Natürlich ist ein solcher explosiver
Turbinenausfall nicht akzeptabel und so werden normalerweise Vorkehrungen
getroffen, um zu gewährleisten,
daß eine
Abbremsung der Turbinen stattfindet, falls eine Welle derart ausfällt, so daß die kritische
Explosionsdrehzahl nicht erreicht wird (vergleiche beispielsweise
US-A-4498291).
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Wenn eine Welle bricht, dann bewegt
sich ihr rückwärtiger Teil
schnell in Richtung nach hinten, bis der Rotor und Statorteile der
Turbine, die den Rotor tragen, aufeinandertreffen. Die Turbine ist
so ausgebildet, daß dies
zu einem schnellen Stillsetzen der Turbine führt, wodurch eine Explosion
verhindert wird. Die hydraulischen Dichtungen der oben beschriebenen
Bauart können
jedoch eine nachteilige Wirkung auf die wirksame Arbeitsweise dieses
Mechanismus ausüben.
Dies ist eine Folge der Ausbildung der Dichtung mit Rippen und Öl enthaltenden Teilen,
die miteinander in Eingriff stehen, wenn sich die Welle nach hinten
bewegt. Hierdurch wird eine weitere Bewegung der Welle nach hinten
behindert. Infolgedessen wird die Turbine nicht auf eine Drehzahl
vermindert, die ausreichend niedrig ist, um diesen katastrophalen
Zusammenbruch zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Hydraulikdichtung zu schaffen, die eine relative Wellenbewegung
auf ein Ausmaß ermöglicht,
das ausreicht, damit verschiedene Teile der Turbine zusammenwirken
können,
um eine schnelle Abbremsung der Turbine zu bewirken, nachdem eine
Welle gebrochen ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
betrifft diese eine Hydraulikdichtung, welche eine Abdichtung zwischen
zwei konzentrischen drehbaren Wellen eines Gasturbinentriebwerks
bewirkt und ein radial äußeres Element
zur Befestigung an einer radial äußeren Welle
und ein radial inneres Element zur Befestigung an einer radial inneren
Welle aufweist, wobei das radial äußere Element so ausgebildet
ist, daß es
einen ringförmigen
radial nach innen gerichteten Kanal bildet, um betriebsmäßig ein
Hydraulikfluid aufzunehmen, während
das radial innere Element so ausgebildet ist, daß wenigstens eine radial nach
außen
gerichtete Ringrippe definiert wird, die betriebsmäßig in das
Hydraulikfluid einsteht, und wobei wenigstens eines der Dichtungselemente
mit zerbrechlichen Mitteln versehen ist, mit denen es an der zugeordneten
Welle befestigt ist, um eine relative Axialbewegung zwischen dem
Dichtungselement und der zugeordneten Welle zu ermöglichen,
nachdem die zerbrechlichen Mittel gebrochen sind.
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Das wenigstens eine Dichtungselement weist
vorzugsweise eine Hülse
auf, die auf der radial inneren Welle oder der radial äußeren Welle
in der Weise angeordnet ist, daß eine
Relativbewegung dazwischen möglich
wird, nachdem die zerbrechlichen Mittel gebrochen sind.
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Es ist vorzugsweise ein Schmiermittel
zwischen der wenigstens einen Dichtungselementhülse und ihrer zugeordneten
Welle vorgesehen, um die Relativbewegung zu erleichtern.
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Das radial innere Dichtungselement
ist vorzugsweise an der radial inneren Welle über die zerbrechlichen Mittel
festgelegt.
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Die zerbrechlichen Mittel können wenigstens einen
Scherstift aufweisen, der eines der Dichtungselemente und seine
zugeordnete Welle verbindet.
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Der wenigstens eine Scherstift kann
so ausgebildet und angeordnet sein, daß er durch Abscheren bricht.
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Durch dieses Abscheren behindert
die hydraulische Dichtung nicht schwerwiegend die Turbinenabbremsung
nach Bruch einer Welle und es wird dadurch nicht die resultierende
relative Axialbewegung der Wellen behindert.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikdichtung.
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2 ist
eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer gemäß der Erfindung ausgebildeten
Hydraulikdichtung.
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Die 1 zeigt
ein kurzes Stück
einer Niederdruckwelle 10 eines (nicht dargestellten) Gasturbinentriebwerks.
Die Niederdruckwelle 10 ist im Querschnitt ringförmig ausgebildet
und dreht sich um eine Achse 11, die konzentrisch zur Längsachse
des Gasturbinentriebwerks liegt. Eine im Querschnitt ringförmige Hochdruckwelle 12 liegt
radial außerhalb der
Niederdruckwelle 10 und ebenfalls koaxial zur Achse 11.
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Die Niederdruckwelle 10 und
die Hochdruckwelle 12 sind von üblicher Bauart und werden deshalb
nicht im einzelnen beschrieben, da diese Einzelheiten dem Fachmann
bekannt sind. Allgemein gesprochen verbindet jede Welle 10 und 12 antriebsmäßig einen
Kompressor mit einer Turbine: Die Niederdruckwelle 10 verbindet
einen Niederdruckkompressor mit einer Niederdruckturbine und die
Hochdruckwelle 12 verbindet einen Hochdruckkompressor mit einer
Hochdruckturbine.
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Die Niederdruckwelle 10 liegt
im radialen Abstand zur Hochdruckwelle 12, so daß ein Bereich 13 dazwischen
definiert wird. Der Bereich 13 enthält zum Zweck der Kühlung Luft,
die unter einem höheren
Druck steht, als jene Luft, im Bereich 14 benachbart hierzu.
Die Luft steht unter einem höheren Druck,
damit sie eine gewisse Kühlwirkung
auf Teile des Triebwerks ausüben
kann, wie dies an sich bekannt ist.
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Im Interesse eines günstigen
Gesamttriebwerks-Wirkungsgrades ist es wichtig zu gewährleisten,
daß die
Hochdruckbereiche 13 und die Niederdruckbereiche 14 der
Luft voneinander getrennt sind. Dies wird durch eine Hydraulikdichtung 15 zwischen jenen
Bereichen 13 und 14 bewirkt. Die Hydraulikdichtung 15 besteht
aus einem ringförmigen
radial äußeren Element 16 mit
U-förmigem
Querschnitt. Eine Seite des äußeren Elements 16 ist
mit einem axialverlaufenden Ringflansch 18 versehen, der
außen
ein Gewinde trägt,
um an einem Ende der Hochdruckwelle 12 verschraubt zu werden,
die ein entsprechendes Gewinde aufweist. Es ist jedoch klar, daß andere
Maßnahmen
zur Befestigung, beispielsweise Bolzen, benutzt werden können, wenn
dies erforderlich ist. In gewissen Fällen kann es zweckmäßig sein,
die Welle 12 und das äußere Element 16 als integrale
Baueinheit einstückig
herzustellen.
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Die offene Seite 17 des äußeren Elements 16 weist
radial nach innen, so daß es
betriebsmäßig einen
offenen Kanal 19 definiert. Wenn während des Betriebs des Triebwerks
die Hochdruckwelle 12 sich im Betrieb des Triebwerks dreht,
wird kontinuierlich Öl über ein
Zuführungsrohr 20 in
den Kanal 19 eingeführt,
um ein ringförmiges Ölreservoir 21 zu
erzeugen und aufrechtzuerhalten. Die Drehzahl der äußeren Welle 12 ist
derart, daß das Öl durch
Zentrifugalkraft innerhalb des äußeren Elements 16 gehalten
wird.
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Die Hydraulikdichtung 15 weist
außerdem ein
radial inneres Element 22 auf, das auf der radial inneren
Niederdruckwelle 10 festgelegt ist. Das innere Element 22 weist
eine Hülse 23 auf,
die um die Niederdruckwelle 10 herum verläuft, und
die eine integral mit ihr hergestellte Rippe 24 aufweist,
die radial nach außen
von der Hülse 23 vorsteht.
Die Rippe 24 erstreckt sich radial so weit, daß sie in
das äußere Dichtungselement 16 hineinsteht
und in das Ölreservoir 21 eintaucht.
Wie aus 1 ersichtlich,
ergibt sich ein Druckdifferential zwischen den Bereichen 13 und 14,
was dazu führt,
daß die Ölpegel auf
den beiden Seiten der Rippe 24 unterschiedlich sind.
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Es ergibt sich daraus, daß die Rippe 24,
das äußere Dichtungselement 16 und
das Ölreservoir 21 zusammenwirken
und eine Gasbarriere zwischen dem Hochdruckbereich 13 und
dem Niederdruckbereich 14 bilden. Eine Dichtung 25 der
Kolbenringbauart ist zwischen dem äußeren Dichtungselement 16 und
einem Teil der Niederdruckwelle 10 angeordnet. Die Dichtung 25 öffnet sich
im Normalbetrieb des Triebwerks und unter diesen Umständen wirkt
sie nicht als Dichtung. Wenn das Triebwerk jedoch herunterläuft, bevor
es abgeschaltet wird, dann dient die Dichtung 25 dazu,
zu verhindern, daß Öl in den Hochdruckbereich 13 einströmt.
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Wie oben erwähnt, verbinden die Niederdruckwelle 10 und
die Hochdruckwelle 12 jeweils einen Kompressor und eine
Turbine. Wenn eine dieser Wellen 10 und 12 brechen
sollte, dann bewegt sich der hintere Teil der gebrochenen Welle
sehr schnell nach hinten. In 1 verläuft diese
Richtung von links nach rechts in der Zeichnung. Wenn ein Gasturbinentriebwerk
einen Wellenbruch während
des Normalbetriebs erleidet, dann steigt die Drehzahl der auf jener
Welle sitzenden Turbine plötzlich
während
einer kurzen Zeitperiode an. Die Drehzahl erhöht sich auf einen derartigen
Wert, daß die
Turbine infolge der erhöhten
darauf wirkenden Zentrifugalkräfte
birst. Es ist üblich
Vorkehrungen zu treffen, daß dies
nicht geschehen kann und zu diesem Zweck wird die Turbine so ausgebildet,
daß ihre
verschiedenen drehenden und nicht-drehenden Teile miteinander in
Eingriff kommen, um ein schnelles Abbremsen zu gewährleisten.
Dieser Mechanismus kann jedoch durch eine wirksame Arbeitsweise
gestört
werden, indem das innere Dichtungselement 16 mit dem äußeren Dichtungselement 22 in
Eingriff bleibt, wodurch eine Axialverschiebung der Welle verhindert
wird.
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Um zu gewährleisten, daß der Turbinen-Überdrehzahlschutz-Mechanismus
in der gewünschten
Weise arbeiten kann, wird die Hydraulikdichtung 15 modifiziert.
Diese Modifizierung gewährleistet,
daß bei
einem Bruch einer Welle, was zu einer Überdrehzahl der zugeordneten
Turbine führen
würde,
die Dichtung 15 die Axialverschiebung der Wellenbewegung
nicht wesentlich behindert. Im einzelnen befindet sich die Hülse 23 des
inneren Elements 22 im Gleitsitz auf der Welle 10.
Eine relative Gleitbewegung zwischen der Hülse 23 und der Welle 10 wird normalerweise
durch eine Reihe von Scherstiften verhindert, von denen einer bei 26 in
der Zeichnung dargestellt ist und diese Scherstifte verbinden die Hülse 23 mit
der Welle 10. Jeder Scherstift 26 ist brüchig und
liegt in geeignet dimensionierten Öffnungen, die in der Hülse 23 und
der Welle 10 vorhanden sind.
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Um eine Anpassung der Scherstifte 26 zu
erreichen, ist die Welle 10 mit einer Hülse 27 versehen, die
fest auf der Welle 10 durch nicht dargestellte Mittel angeordnet
ist. Die Aufnahmeöffnungen
für die Scherstifte
in der Wellenhülse 27 sind
so angeordnet, daß sie
auf Löcher
in der Dichtungshülse 23 ausgerichtet
sind.
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Im Fall eines Wellenbruchs, der zu
einer relativen Axialbewegung zwischen den Wellen 10 und 12 führt, berührt die
Rippe 24 das äußere Dichtungselement 16.
Dies führt
wieder zu einer Scherbelastung auf die Scherstifte 26.
Die Scherstifte 26 sind so angeordnet, daß sie genügend brüchig sind,
daß unter
diesen Bedingungen ein Bruch der Scherstifte erfolgt, so daß die Dichtungshülse 23 und
demgemäß das innere
Dichtungselement 22 längs
der Wellenhülse 27 verschoben
werden können.
Die Öffnungen 28 in
der Dichtungshülse 28 gewährleisten,
daß Öl aus dem
Zuführungsrohr 20 in
den Zwischenraum zwischen der Dichtungshülse 23 und der Wellenhülse 27 gelangt,
um diese Überführung zu
erleichtern. Stattdessen können
andere Mittel, beispielsweise geeignete Trockenfilm-Schmiermittel,
benutzt werden, um die Verschiebung zu erleichtern.
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Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt.
Teile, die jenen in 1 entsprechen,
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Hauptunterschied zwischen der
Hydraulikdichtung 29 gemäß 2 und der Hydraulikdichtung 15 gemäß 1 besteht in der Art und
Weise, wie die Hülse 23 des
radial inneren Elements 22 auf der Wellenhülse 27 aufsitzt.
Im Fall der Dichtung gemäß 2 ist die radial innere
Oberfläche
der Hülse mit
radial nach innen gerichteten, schraubenlinienförmigen Verzahnungen 30 versehen,
die mit entsprechenden radial nach außen gerichteten Verzahnungen 31 kämmen, die
auf der radial äußeren Oberfläche der
Wellenhülse 27 angeordnet
sind. Der Schraubenwinkel der Keilverzahnungen 30 und 31 ist derart,
daß im
Fall eines Wellenbruchs und infolge der dadurch bedingten Berührung zwischen
den Dichtungselementen 16 und 22 ein positives
Drehmoment auf das innere Dichtungselement 22 ausgeübt wird,
was die Abscherung der Scherstifte 26 unterstützt. Es
wird Öl über die Öffnungen 28 zugeführt, um
zu gewährleisten,
daß die
Keilverzahnungen 30 und 31 genügend geschmiert werden, und
frei von Schmutz gehalten werden, was ihre wirksame Arbeitsweise
beeinträchtigen
könnte.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter
Bezugnahme auf Hydraulikdichtungen 15 und 29 beschrieben,
bei denen die radial inneren Elemente 22 auf der Welle 10 über brechbare
Scherstifte 26 festgelegt sind, es ist jedoch klar, daß auch andere
Anordnungen erforderlichenfalls getroffen werden können. So
könnten
beispielsweise alternativ oder zusätzlich das äußere Dichtungselement 16 durch brechbare
Mittel auf der radial äußeren Welle 12 festgelegt
sein. Außerdem
könnten
als abbrechbare Mittel andere Elemente vorgesehen werden als Scherstifte.