Vorrichtung zur Zuführung von Drucköl in eine rotierende Welle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Drucköl in eine rotierende Welle, mit drehfest mit der Welle verbundenen ringförmigen Widerlagern und zwischen denselben in axialer Richtung wirkenden drehbaren Dichteiementen, die es ermöglichen, einen fest mit der Welle verbundenen hydraulischen Servomotor zu beaufschlagen, der zum Verstellen von Flügeln von Verstellpropellern oder Laufschaufeln an Kaplanturbinen dient.
Bekannt sind Ölzuführungen, die wie ein Gleitlager die Welle mit Spiel umschliessen, wobei die Lagerflä- che entsprechende Ringnuten mit nach aussen führenden Anschlussbohrungen aufweist. Die Verbindung mit den Servomotoren ist durch entsprechende Bohrungen in der Welle gegeben. Eine Abdichtung zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Teil erfolgt lediglich durch Radialspalte konstanter Breite, deren Kleinstmass durch die Herstellungstechnologie begrenzt ist und relativ grosse Leckölmengen zur Folge hat.
Bekannt sind auch Wellenabdichtungen, bei denen der Dichtungsspalt axial angeordnet ist, wobei es üblich ist, eine verbesserte Dichtwirkung dadurch zu erreichen, dass die sich relativ zueinander bewegenden Teile an ihren Dichtflächen unter Ausnutzung des Druckes des abzudichtenden Mediums bzw. eines zusätzlichen Druckmittels aneinandergepresst werden und damit im Bereich der Festkörperreibung arbeiten.
Die Nachteile der eingangs geschilderten Ölzufüh- rung bestehen darin, dass bei niedrigen Drücken die anfallende Leckölmenge nicht mehr ausreicht, um eine unzulässige Erwärmung zu verhindern, während bei hohen Drücken die Leckölmenge zu gross wird, was auch bei axialer Anordnung des Dichtspaltes nicht eindeutig zu beseitigen ist. Mit der geschilderten Ausführung wird lediglich eine besonders gute Dichtwirkung bei hohem Druck oder aber bei Anwendung eines zusätzlichen Druckmittels eine Dichtung, die nur im Stillstand der Welle wirksam ist, erreicht. Diese Anordnungen führen unvermeidbar zu hohem Verschleiss.
Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Nachteile dadurch zu beheben, dass an der eingangs geschilderten Zuführung ein radial nach aussen offener, zwei im wesentlichen achssenkrechte Stirnflächen aufweisender Ringraum geschaffen wird, der durch ein nicht umlaufendes, axial federnd angeordnetes Element abgeschlossen wird. Dieses Federellement soll derart gestaltet sein, dass sich bei der jeweiligen Druckbeaufschlagung ein entsprechender Dichtspalt einstellt, der gerade noch einen solchen Üldurchtritt gestattet, dass eine Schmierung der Gleitflächen gewährleistet ist und eine unzulässige Erwärmung vermieden wird.
Abgesehen davon, dass die Realisierung dieses Vorschlages technisch recht aufwendig erscheint, ist die Auslegung des Federelementes recht problematisch, was daher rührt, dass die Leckölmenge nicht nur von der Spaltgrösse, der Spaltlänge und dem Arbeitsdruck, sondern wesentlich von der Ölviskosität und damit von der Art des Öls und der Öltemperatur abhängt.
Vorgeschlagen wurde auch eine axial wirkende Dichtung mit Federdruck, bei der eingearbeitete Schmiertaschen die Festkörperreibung vermeiden sollen. Nachteilig ist jedoch der Federdruck, der keine optimale Spalteinstellung gewährleistet, da er unabhängig vom Druck des abzudichtenden Mediums ist.
Zweck der Erfindung ist es, eine Ölzuführung für Öl hohen Druckes in eine rotierende Welle zu schaffen.
Diese Vorrichtung soll in ihrer technischen Konzeption einfach aufgebaut sein, annähernd verschlussfrei in jedem Betriebszustand arbeiten und nur einen minimalen Leckölverlust zulassen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ohne Inanspruchnahme mechanisch wirkender Abdichtmittel eine Vorrichtung für die Zu- und Abführung von Drucköl in eine rotierende Welle zu entwickeln. Die Vorrichtung muss so beschaffen sein, dass eine verschleissintensive Festkörperreibung verhindert wird und die Abdichtung der Vorrichtung hydrostatisch und/oder hydrodynamisch erfolgt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in dem Dichtelement für den Zu- und Rückfluss des Arbeitsmediums Kanäle angeordnet sind, die vom Dichtelement über eine Dichtfläche am Widerlager in die Welle übertreten und dass das Dichtelement aus einem Ringkolben und Ringzylinder besteht, die in sich einen in axialer Richtung volumenveränderlichen Ringzylinderraum als Arbeitskammer einschliessen, der mit den Dichtflächen wie auch mit den Kanälen wirkungsverbunden ist, und dass die Lagerung und Abdichtung des Dichtungselementes hydrodynamisch erfolgt, indem die Widerlager als sich auf Auflagern abstützende Anlaufscheiben ausgebildet sind, die sich bei Beaufschlagung durch das Arbeitsmedium im Bereich zwischen den Auflagern elastisch verformen in der Weise,
dass die Anlauffläche zum Auflager hin unter einem Anstellwinkel von 0 < a < 900 ausläuft, und/ oder hydrostatisch, indem die Dichtflächen über Schmier ölleitungen mit einem zusätzlichen Medium höheren Druckes beaufschlagt werden, so dass im Betriebszustand der Flächenauftrieb in den Dichtflächen gleich dem Arbeitsdruck im Ringzylinderraum ist, erfolgt.
Eine solche Ausbildung hat zur Folge, dass bei Einleitung des unter Druck stehenden Arbeitsmediiums in das Dichtelement sich in der Arbeitskammer ein Druck aufbaut, der den Ringkolben und Ringzylinder axial ausfahren lässt und zwischen den stirnseitigen Anlaufflächen dieser Körper und dem dazugehörigen Widerlager eine Abdichtung innerhalb der axialen Dichtflächen herbeiführt. Der in den Dichtflächen wirksam werdende Auftrieb muss hierbei kleiner sein als der axiale Druck im Ringzylinderraum. Unter dieser Bedingung wird eine kraftschlüssige Abdichtung erreicht. Der Übertritt des Arbeitsmediums vom Dichtele- ment zur Welle erfolgt über eine dieser Dichtflächen, wofür im Bereich dieser Dichtfläche Ringkanäle vorgesehen sind, in die Kanäle für die Zuführung und Rückführung des Arbeitsmediums münden.
Zur Gewährleistung der freien Rotation des Dichtelementes zwischen den Widerlagern ist es notwendig, die kraftschlüssige Verbindung im Dichtspalt aufiuhe ben und durch eine hydrodynamische und/oder hydrostatische Lagerung des Dichtelementes bei gleichzeitiger Abdichtung des Arbeitskreises gegen Leckverluste zu ersetzen. Diese Bedingung wird dadurch erfüllt, dass ein zusätzlicher Auftrieb innerhalb der Dichtflächen erzwungen wird, der so gross ist, dass dieser Flächenauftrieb mindestens gleich gross dem axialen Druck im Zylinderraum ist. Zu diesem Zweck sind als Widerlager Anlaufscheiben vorgesehen, die sich an wellenfesten Teilen auf Auflagern abstützen. Die Auflager haben eine radiale Lage und bilden mit den Anlaufscheiben in vorteilhafter Weise eine Einheit.
Durch die Auflager werden die Anlaufscheiben in elastisch verformbare Segmentabschnitte aufgeteilt. Bei einer Druckbeaufschlagung werden diese Abschnitte verformt so dass ihre Anlauffläche gegenüber ihrer Ruhelage einen Anstellwinkel von 0 < a annimmt, der in Höhe der Auflager ausläuft.
Durch diesen Anstellwinkel wird bei Eintritt einer relativen Drehbewegung zwischen den Anlaufflächen der Anlaufscheiben und des Dichtelementes eine hydrodynamische axiale Gleitlagerung erreicht, die ausreichend ist um eine Mischreibung innerhalb der Dichtflächen zu verhindern. Die Grösse der Dichtflächen ist dabei so bemessen, dass bis zur Randzone des Dichtungselementes der Druck des Arbeitsmediums vollständig kompensiert wird und Leckverluste weitestgehend ausgeschaltet sind. Dieser Effekt wird ver stärkt, wenn zusätzlich über im Dichtelement angeordnete Schmierölkanäle ein weiteres Medium höheren Druckes in die Dichtfläche eingeleitet wird. Der Druck des Mediums muss dabei grösser sein als der Druck des Arbeitsmediums für den Antrieb des Servomotors.
Durch dieses Medium wird ein zusätzlicher hydrostatischer Auftrieb erreicht, der auch im Stillstand des Förderstromes für den Servomotor eine sichere Funktion des Dichtelementes gewährleistet.
In besonderen Fällen kann bei entsprechender Dimensionierung dieses hydrostatischen Auftriebes eine hydrodynamische Lagerung und Abdichtung verzichtet werden.
Die elastisch verformbaren Anlaufscheiben können dann entfallen. Zur weiteren Erhöhung der Funktionsfähigkeit des Dichtelementes ist zwischen den Kanälen für die Zu- und Rückführung des Arbeitsmediums ein doppelseitiges entsperrbares Rückschlagventil vorgesehen. Dieses Ventil verhindert im Zustand der Betriebsruhe des Servomotors, dass der Betriebsdruck innerhalb der Dichtung abfällt.
Gleiche Funktionen haben auch die in dem Verbindungssystem zwischen dem Ringzylinderraum und den Kanälen für die Zu- und Rückführung des Arbeitsmediums angeordneten Rückschlagventile zu erfüllen.
Jede der beschriebenen Ausführungen ermöglicht eine Ölförderung, Steuerung und Druckbegrenzung in einem geschlossenen System ausserhalb der Welle bei hohem Arbeitsdruck. Damit ist das Aufbringen auch grösster Hydraulikdrücke unter Verwendung standardisierter Hydraulikbaueinheiten bei geringem Leckölanfall möglich.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 das Dichtelement mit hydrodynamischer Lagerung und Abdichtung
Fig. 2 das Dichtelement mit hydrostatischer Lagerung und Abdichtung
Fig. 3 die Anlaufscheibe mit Auflagern
Fig. 4 die Anlaufscheibe nach Fig. 3 im geschnittenen und unbelasteten Zustand
Fig. 5 die Anlaufscheibe nach Fig. 4 im belasteten Zustand (stark betont).
In Fig. 1 ist das Dichtelement mit seinen spezifischen Einzelteilen, Ringkolben 2 und Ringzylinder 3 zu erkennen. In sich schliessen sie den Ringzylinderraum 10 ein, der mit den Dichtflächen 13; 14, wie auch mit den Kanälen 11; 17 für die Ölzuführung und -rückführung wirkungsverbunden ist. Der Ringkolben 2 und Ringzylinder 3 sind zueinander gegen Eigenverdrehung gesichert und sind zwischen den wellenfesten Anlaufscheiben 4; 5 drehbar gelagert. Die Anlaufscheiben 4; 5 stützen sich hierbei, wie auch Fig. 3 zeigt, auf den Auflagern 18 stirnseitig am Anlageflansch 8 bzw.
Anlagering 7 ab.
Durch den radialen Verlauf dieser Auflager 18 werden die Anlaufscheiben 4; 5 in freitragende Segmentbereiche unterteilt. In Fig. 4 wird zum besseren Verständis ein Teilstück dieser Anlaufscheiben 4; 5 im aufgerollten und im unbelasteten Zustand dargestellt.
Bei einer Druckbeaufschlagung der Vorrichtung über den Kanal 11 werden in der ersten Stufe der Ringkolben 2 und Ringzylinder 3 durch den sich im Ringzylinderraum 10 aufbauenden Druck axial auseinanderge drückt.
Ihre Anlaufflächen bilden dann mit den Anlaufflächen der Anlaufscheiben 4; 5 oder wie in Fig. 2 mit dem Anlaufflansch 8 und Anlaufring 7 eine Dichtfläche 13; 14. Das Flächenverhältnis der Dichtflächen 13; 14 zur axialen Stirnfläche im Ringzylinderraum 10 ist dabei so gewählt, dass immer eine Flächenpressung in den Dichtflächen 13; 14 gegeben ist. D. h. der Auftrieb in den Dichtflächen 13; 14 muss im Ruhezustand stets kleiner sein als der axial wirksam werdende Flächendruck im Ringzylinderraum 10.
Die Rückschlagventile 6 verhindern hierbei den Druckabfall im Druckzylinderraum 10. Der Übertritt des Arbeitsmediums vom Dichtelement in die welienfe- sten Teile erfolgt im Bereich der Dichtfläche 13 über die Ringkanäle 16.
Bei Rotation der Welle 1 mit den Anlaufscheiben 4;5 stellt sich in den Dichtflächen ein minimaler Spalt ein, wobei der Bereich einer Mischreibung nicht veflas sen wird.
Die Mischreibung muss jedoch für einen Dauerbetrieb verhindert werden. Durch die konstruktive Gestaltung der Anlaufscheiben, wie sie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, wird erreicht, dass diese Scheiben bei einer Beaufschlagung mit Drucköl wie ein Axialgleitlager arbeiten und eine schwimmende Lagerung des Dichtelementes zwischen den Anlaufscheiben 4; 5 bewirken.
Wie Fig. 5 zeigt, wird dieser hydrodynamische Effekt dadurch erreicht, dass die zwischen den Auflagern 18 liegenden Segmentbereiche der Anlaufscheiben 4; 5 sich bei der Beaufschlagung mit dem Drucköl elastisch durchbiegen und gegenüber der ebenen Anlauffläche einen Anstellwinkel a einnehmen. Dieser Anstellwinkel läuft im jeweiligen Bereich der Auflager 18 aus. Er bewirkt, dass beim Eintritt einer Reiativbewe- gung zwischen dem Dichtelement und der Welle 1 bzw.
ihrer wellenfesten Teile ein hydrodynamischer Auftrieb wirksam wird und damit ein freies Spiel innerhalb der Dichtflächen 13; 14 herbeiführt.
Dieses relativ geringe Spiel ist ausreichend, um eine metallische Reibung innerhalb der Dichtflächen 13; 14 auszuschalten. Gleichzeitig bewegt sich der Druckölverlust wie auch der Druckabbau in vertretbar kleinen Grenzen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt dagegen die Möglichkeiten einer hydrostatischen Lagerung des Dichtelementes zwischen dem Anlaufring 7 und dem Anlaufflansch 8. Der hydrostatische Zusatzauftrieb wird dadurch erreicht, dass über Schmierölleitungen 9 kontinuierlich kleine Mengen von Drucköl in die Dichtflächen 13; 14 eingeleitet werden.
Der nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 erzielte Zusatzauftrieb ist dabei so bemessen, dass er in Summe mit dem wirkenden Auftrieb in den Dichtflächen 13; 14 durch das Arbeitsmedium gleich dem Flächendruck im Ringzylinderrraum 10 ist. Damit der Servomotor nach Abschalten des öldruckes seine Stellung beibehält, wird das doppelseitig entsperrbare Rückschlagventil 15 wirksam, dasl zwischen den Kanälen 11 und 17 der o und -rückführung innerhalb der Welle 1 zugeordnet ist.