DE69921404T2

DE69921404T2 - Dichtungsanordnung mit automatischer Spieleinstellung

Info

Publication number: DE69921404T2
Application number: DE69921404T
Authority: DE
Inventors: Daniel Bainachi
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: JP4049953B2; CA2279558C; EP0978673B1; JP2000097344A; EP0978673A1; CA2279558A1; FR2782122B1; FR2782122A1; DE69921404D1; US6338490B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, die insbesondere aus einer Dichtung mit automatischer Einstellung des Spiels besteht.
Bei dieser Dichtung handelt es sich um eine segmentierte Dichtung, die sich aus Elementen zusammensetzt, Segmente genannt, die aneinandergrenzen und sich jeweils über einen Teil des Kreisumfangs erstrecken; diese Segmente werden durch eine um sie herum verlaufende Ringfeder zusammengehalten, die die Tendenz hat, sie gegen ein Teil wie z.B. eine Welle zu drücken, mit dem die Dichtigkeit erzielt werden soll.
Das hier zu lösende Problem ist der Verschleiß der Dichtung durch die Reibung, die bei der Drehbewegung der Welle an der Dichtung entsteht: Da dieser Verschleiß proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle und zu dem Druck der Segmente ist, ist man geneigt, diesen Druck so weit wie möglich zu verringern. Eine Möglichkeit des Vorgehens bestünde darin, die Feder passend auszuwählen oder ihre Charakteristika einzustellen, wobei insbesondere vermieden wird, dass sie zu eng angezogen wird, doch wäre das in der Praxis weder sehr einfach noch sehr nutzbringend, da diese Krafteinwirkung im Vergleich zu der radialen Druckkraft, die auf die Segmente ausgeübt wird, minimal ist. Eine andere Lösung besteht darin, die Drehgeschwindigkeit des Rotors auszunützen, um mittels bestimmter Anordnungen an den Segmenten (Rayleigh-Kufen) einen hydrodynamischen Druck der Luft im Kontaktbereich zwischen Segmenten und Rotor zu schaffen. Der Hauptnachteil dieser Technik ist ihre Wirkungslosigkeit bei niedrigen und mittleren Drehzahlen des Rotors. Es wurde also bisher keine wirksame Lösung gefunden, um den Verschleiß der segmentierten Dichtungen einzuschränken, was erklärt, warum ihre Lebensdauer nur in der Größenordnung von Tausenden von Stunden liegt, was für die meisten Anwendungen sehr ungenügend ist.
In der Schrift DE-C-373 406 ist eine Anordnung beschrieben, die ein automatisches Reduzieren des Anpressdrucks der Dichtungssegmente an dem Reibungsteil bis Null ermöglicht. In ihrer allgemeinsten Form besteht diese bekannte Dichtungsanordnung aus einer Dichtung, die sich aus kreisbogenförmig aneinandergefügten Segmenten und einer die Segmente zusammenhaltenden Ringfeder zusammensetzt, wobei die Segmente eine von der Feder abgewandte Dichtungsseite aufweisen, die an einem Teil anliegend angeordnet ist, welches sich durch eine Öffnung in einer Wand erstreckt, die einen abgeschlossenen Hochdruckraum von einem abgeschlossenen Niederdruckraum trennt, wobei die Dichtung bei dieser Anordnung mit einem ersten Abschnitt einer Seite, die der dem Hochdruck ausgesetzten Dichtungsseite gegenüberliegt, und einer ersten Oberfläche sowie mit einem zweiten Abschnitt dieser Seite, die der dem Niederdruck ausgesetzten Dichtungsseite gegenüberliegt, und einer zweiten Oberfläche vor der Öffnung angeordnet ist, wobei die Dichtungsseiten in Form einer Kammer ausgeführt sind, die von einer Anlagelippe, die an dem Teil anliegt, umgeben wird, wobei sich Öffnungen von den Kammern aus durch die Segmente bis zu dem abgeschlossenen Hochdruckraum erstrecken. Gemäß dieser Erfindung sind die Öffnungen eingestellt und die Oberflächen des genannten ersten und zweiten Abschnitts analog ausgeführt, so dass durch Druck, durch die Feder, durch Reibungen radial auf die Segmente wirkende Kräfte einen Kontaktdruck zwischen den Segmenten und dem Reibungsteil erzeugen, der minimal ist, oder sie gleichen sich aus, so dass ein sehr präzises Spiel zwischen den Segmenten und dem Reibungsteil entsteht, das eine gewünschte Luftdurchlässigkeit gewährleistet. Eine solche Dichtung muss sowohl von einer Dichtung wie der des französischen Patents 2 688 283, die sich axial vor einer Öffnung verschiebt, um je nach Druckunterschied zwei Dichtigkeitszustände zu erzeugen, und die nicht segmentiert ist, wie auch von der Dichtung des französischen Patents 2 613 019, bei der eine Flüssigkeit durch die Dichtung eingespritzt wird, um die Segmente von der Welle abzulösen, unterschieden werden. Bei letzterer Dichtung ist nämlich ein spezieller Hochdruckversorgungskreislauf erforderlich, um die Flüssigkeit einzuspritzen und wieder aufzufangen.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen anhand der folgenden Figuren beschrieben:
1 zeigt eine allgemeine Ansicht der Dichtung,
2 zeigt eine Schnittansicht eines Segments der Dichtung,
3 zeigt eine Ansicht der statischen Dichtungsseite eines Segments, und
4 zeigt eine Ansicht der dynamischen Dichtungsseite eines Segments.
Zunächst zeigt 1, dass eine segmentierte Dichtung aus einer Vielzahl von aneinandergrenzenden Segmenten 1 besteht, die hier vier an der Zahl sind und sich jeweils über ein Viertel des Umkreises erstrecken, und die von einer um sie herum verlaufenden und sie zusammenhaltenden Ringfeder 3 auf die Oberfläche einer Welle 2 gedrückt werden. In 2 ist zu sehen, dass die Feder 3 in einer Auskehlung 4 der radial äußeren Seite 5 der Segmente 1 festgehalten wird. Die Welle 2 erstreckt sich durch eine Öffnung 6 eines Stators 7, der einen ersten abgeschlossenen Raum 8 und einen zweiten abgeschlossenen Raum 9 umgrenzt, zwischen denen die Trennung trotz der Öffnung 6 gewahrt bleiben muss. Die Dichtung erzeugt daher mit der Welle 2 eine dynamische Dichtigkeit, da letztere sich dreht, und mit dem Stator 7 eine statische Dichtigkeit, indem die Segmente 1 mit ihrer Rückseite 10 an diesem in Anlage sind, wie in 3 deutlicher zu sehen ist. Axiale Federn 11, die zwischen dem Stator 7 und der Vorderseite 12 der Segmente 1 zusammengedrückt werden, halten diese statische Dichtigkeit aufrecht, die mit einer Lippe 13 bewirkt wird, welche sich über einen Teil der Breite der Rückseite 10 erstreckt. Anlagekufen 14, deren Aufgabe es ist, den Kontaktdruck zu begrenzen, werden ebenfalls gegen den Stator 7 gedrückt; sie sind durch eine Ablaufrinne 15 von der Lippe 13 getrennt. In 3 ist ebenfalls zu sehen, dass eines der Enden der Segmente 1 eine Aussparung 16 aufweist, in die das gegenüberliegende hervorstehende Ende 17 des benachbarten Segments 1 eindringt. Auf diese Weise erhält man eine bessere Haftung der Dichtung und vor allem eine totale Überdeckung der Öffnung 6 auf dem Umkreis.
Die erfindungsspezifischen Elemente befinden sich in dem radial inneren Teil der Segmente 1 nahe bei der Welle 2: die Dichtungsseite 18 jedes der Segmente 1 ist dergestalt geformt, dass sie eine Randlippe 19 zur Anlage an der Welle 2 aufweist, in der sich eine Kammer 20 erstreckt, die einem Hohlraum in der Oberfläche 18 entspricht; dabei wird die Kammer 20 jedoch teilweise von Anlagekufen 21 eingenommen, die dazu vorgesehen sind, ebenfalls an der Welle 2 in Anlage zu kommen, um den auf die Lippe 19 ausgeübten Kontaktdruck zu mindern. Eingestellte Öffnungen 22 verlaufen von der Kammer 20 bis zu dem abgeschlossenen Hochdruckraum 8 durch die Segmente 1. Es ist zu sehen, dass dieser radial innere Teil der Segmente 1 eine Erweiterung 23 aufweist, die sich auf der Seite des abgeschlossenen Niederdruckraums 9 in die Öffnung 6 erstreckt.
Die hier dargelegte Erfindung befindet sich in einem Turbotriebwerk, in dessen Innenräumen unterschiedliche Drücke herrschen, die aus Leitungen stammen, die zu verschiedenen Bereichen der Kompressoren führen, wie in der Technik wohlbekannt ist.
Durch die unterschiedlichen Drücke sollen die Flüssigkeiten in den abgeschlossenen Niederdruckräumen gehalten werden (insbesondere das Schmieröl in den Lagerkammern, wobei die Dichtungen dazu dienen, die Dichtigkeit zu vervollständigen), Luftströmungen zu bestimmten, zu belüftenden Bereichen des Triebwerks unterstützt oder die Verformungen von flexiblen Membranen geregelt werden.
Im Ruhezustand des Triebwerks werden die Segmente 1 mit der Kraft Fr der Ringfeder 3 an die Welle 2 gepresst, da noch keinerlei Druckkraft besteht; dadurch entsteht jedoch kein Schaden, da die Welle 2 sich nicht dreht. Wenn die Maschine dreht, entsteht ein Druck P1 in dem abgeschlossenen Hochdruckraum 8 und ein Druck P2 von niedrigerem Wert in dem abgeschlossenen Niederdruckraum 9. Diese Drücke üben auf das Segment 1 die Zentripetalkräfte P1.S1 und P2.S2 aus, entsprechend den Bezeichnungen in der Figur, wo S1 und S2 die den beiden Drücken ausgesetzten Oberflächen der Außenseite sind (wobei S2 die Oberfläche der oben erwähnten Erweiterung des Segments 1 in der Öffnung 6 ist). Zudem ist die Kammer 20 von einem Druck P3 erfüllt, der auf Grund von Druckverlusten durch die eingestellten Öffnungen 22 etwas geringer ist als der Druck P1, aber höher als der Druck P2; dieser Druck übt auf das Segment 1 eine Kraft aus, die entgegengesetzt zu den vorherigen gerichtet ist und deren Stärke im wesentlichen P3·(S1 + S2) ist. Die Gesamtdruckkraft ist also gleich Fr + P1·S1 + P2·S2 – P3·(S1 + S2). Da P3 deutlich näher bei P1 als bei P2 liegt, ist diese Gesamtkraft geringer als die Kraft Fr, die im Ruhezustand ausgeübt wird, was bedeutet, dass der Kontaktdruck auf die Welle 2 verringert ist. Wenn ein sinnvoller Aufbau der Dichtung gewählt wird, insbesondere mit einer ausreichend geringen Federkraft Fr, mit zweckmäßig gewählten Oberflächen S1 und S2, und wenn die Drücke P1 und P2 ausreichend unterschiedlich sind, kann diese resultierende Kraft sogar negativ werden, d.h. die Segmente 1 lösen sich von der Welle 2 und sind keinerlei Verschleiß mehr ausgesetzt: das ist der Idealfall. Es besteht die Tendenz zu einem Gleichgewicht, da Lecks von dem abgeschlossenen Hochdruckraum 8 durch die Kammer 20 zu dem abgeschlossenen Niederdruckraum 9 hin entstehen und der Druck P3 mit der Zunahme des Spiels zwischen dem Segment 1 und der Welle 2 abnimmt: Er könnte bei ausreichendem Spiel theoretisch einen mittleren Druck von (P1 + P2)/2 erreichen, doch würde sich die auf die Segmente 1 wirkende Kraft dann auf den Wert Fr + ½(P1 – P2)(S1 – S2) hin entwickeln, der normalerweise positiv ist, da die Oberflächen S1 und S2 analog ausgeführt sind. Das Gleichgewicht stellt sich also im Allgemeinen bei einem Wert von P3 ein, der zwischen seinem Wert ohne Spiel und dem Mittelwert der Drücke P1 und P2 liegt; dieser Druckwert wird mit einem leichten Spiel zwischen den Segmenten 1 und der Welle 2 erreicht, was den Vorteil bietet, dass die Reibungen beseitigt werden und gleichzeitig die Luftlecks zwischen einem abgeschlossenen Raum 8 und dem anderen 9 begrenzt werden. Die eingestellten Öffnungen 22 können einen Durchmesser von ca. einem Millimeter haben, damit ein zufriedenstellender Betrieb gewährleistet ist, wobei der Druck P3 gerade ausreicht, damit sich die Segmente 1 ablösen.

Claims

Dichtungsanordnung, die aus einer Dichtung besteht, die sich aus kreisbogenförmig aneinandergefügten Segmenten (1) und einer die Segmente (1) zusammenhaltenden Ringfeder (3) zusammensetzt, wobei die Segmente (1) eine von der Feder abgewandte Dichtungsseite (18) aufweisen, die an einem Reibungsteil (2) anliegend angeordnet ist, welches sich durch eine Öffnung (6) in einer Wand erstreckt, die einen abgeschlossenen Hochdruckraum (8) von einem abgeschlossenen Niederdruckraum (9) trennt, wobei die Dichtung mit einem ersten Abschnitt einer Seite, die der dem Hochdruck ausgesetzten Dichtungsseite gegenüberliegt, und einer ersten Oberfläche (S1) sowie mit einem zweiten Abschnitt dieser Seite, die der dem Niederdruck ausgesetzten Dichtungsseite gegenüberliegt, und einer zweiten Oberfläche (S2) vor der Öffnung angeordnet ist, wobei die Dichtungsseiten in Form einer Kammer (20) ausgeführt sind, die von einer Anlagelippe (19), die an dem Teil (2) anliegt, umgeben wird, wobei sich Öffnungen (22) von den Kammern (20) aus durch die Segmente bis zu dem abgeschlossenen Hochdruckraum (8) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (22) eingestellt sind und die Oberflächen (S1, S2) des genannten ersten und zweiten Abschnitts analog ausgeführt sind, so dass durch Druck, durch die Feder, durch Reibungen radial auf die Segmente (1) wirkende Kräfte einen Kontaktdruck zwischen den Segmenten und dem Reibungsteil erzeugen, der minimal ist, oder sie gleichen sich aus, so dass ein sehr präzises Spiel zwischen den Segmenten und dem Reibungsteil entsteht, das eine gewünschte Luftdurchlässigkeit gewährleistet.