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Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Dichtungsanordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
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Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine hydraulische Dichtungsanordnung zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Wellen, insbesondere eines Gasturbinen-Triebwerks.
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Eine hydraulische Dichtungsanordnung der genannten Art ist aus der
DE 199 16 803 A1 vorbekannt. Eine ähnliche Dichtungsausgestaltung zeigt auch die
EP 1 103 706 A2 .
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Derartige hydraulische Dichtungsanordnungen dienen dazu, vorzugsweise zwei mit unterschiedlichen Drehzahlen zueinander rotierende Wellen, die beispielsweise eine Niederdruckwelle und eine Hochdruckwelle sein können, so gegeneinander abzudichten, dass ein Bereich mit relativ hohem Druck gegen einen Bereich mit relativ niedrigem Druck abgeschlossen werden kann. Das Grundkonzept derartiger hydraulischer Dichtungsanordnungen ist mit einem Fliehkraftsiphon vergleichbar.
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Hydraulische Dichtungen werden verwendet um potentielle Leckage Pfade zwischen zwei rotierenden Bauteilen abzudichten. Die Konstruktion von hydraulischen Dichtungen, basiert auf dem Vorhandensein einer Mindestrotationsgeschwindigkeit der beteiligten Bauteile.
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Bei einer Rotationsgeschwindigkeit der inneren Welle nahe Null, z. B. beim Drehen von Turboprop-Triebwerken durch Windeinfluss, reicht die Zentrifugalbeschleunigung nicht mehr aus, um das Dichtungsöl (Hydraulikmedium) entgegen der Schwerkraft in der hydraulischen Dichtung zu halten. Dies führt dazu, dass das Dichtungsöl an dem Steg bzw. der Finne der hydraulischen Dichtung herunterläuft. Dieses Öl gelangt somit auf die innere Welle und läuft entweder weiter an deren Umfang nach unten, bis es wieder den rotierenden Dichtungsölfilm innerhalb des Gehäuses der hydraulischen Dichtung erreicht. Es kann jedoch auch vorkommen, dass das Dichtungsöl an der Welle in Axialrichtung aus der Dichtung herausläuft. Auf der dem Eintrittsbereich zugewandten Seite der Finne/des Stegs kann das Dichtungsöl innerhalb der hydraulischen Dichtung wieder in den Eintrittsbereich (Lagerkammeröl-Seite) zurücklaufen. Diese Strömung des Dichtungsöls ist nicht schädlich. Demgegenüber kann das Dichtungsöl jedoch auch in axialer Richtung an der Welle aus der hydraulischen Dichtungsanordnung herauslaufen und in den zum Dichtungsöl hin abgedichteten Bereich gelangen. Abhängig von den Betriebsbedingungen der Fluggasturbine kommt es dabei zu Ölleckage. Eine derartige Ölleckage ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht, sie kann im ungünstigsten Falle zu gefährlichen Betriebsbedingungen bei einem Wiederstart der Fluggasturbine führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Dichtungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und ein hohes Maß von Betriebssicherheit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass angrenzend an den Steg/die Finne auf der dem Eintrittsbereich gegenüberliegenden Seite des Steges an der innenliegenden Welle eine Ringnut ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist folgende Vorteile auf: Bei einem Stillstand der inneren Welle kann der im oberen Bereich der Lageranordnung befindliche Volumenanteil des Dichtungsöls nunmehr in Richtung der Schwerkraft nach unten in die Ringnut laufen. Durch die Ringnut wird dieser Teil des Dichtungsölvolumens an der Oberfläche der Ringnut entlanggeführt und tropft nachfolgend in den unteren Bereich der Dichtungsanordnung ab. Dort ist ein ausreichend großes Volumen vorhanden, um diese Dichtungsölmenge aufzunehmen. Es wird somit verhindert, dass das Dichtungsöl längs der Welle in deren Axialrichtung fließt und den Dichtungsbereich verlässt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine Ölleckage in zuverlässiger Weise vermieden. Damit wird insbesondere die Gefahr von Kabinenluftverunreinigungen des Flugzeugs oder von Ölfeuer im Bereich des Triebwerks vermieden.
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Bevorzugterweise weist die Ringnut einen rechteckigen Querschnitt auf. Weiterhin ist in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass sich die Ringnut in axialer Länge innerhalb des Ringraums der Dichtungsanordnung erstreckt. Hierdurch ist gewährleistet, dass das unten aus der Ringnut laufende oder abtropfende Dichtungsölvolumen vollständig im unteren Bereich der Lageranordnung aufgefangen wird und dort verbleibt. Ein unbeabsichtigtes Austreten des Dichtungsöls (Hydraulikmediums) wird somit vermieden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine vereinfachte Axialschnitt-Ansicht einer Lager- und Dichtungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine vereinfachte Schnitt-Ansicht der erfindungsgemäßen hydraulischen Dichtungsanordnung in Axialschnitt-Ansicht,
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4 eine Ansicht der in 3 dargestellten Anordnung in Blickrichtung auf eine Radialebene, und
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5 eine Darstellung, analog 3, zur Verdeutlichung der Bemessung der erfindungsgemäßen Ringnut.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
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Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
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Die
2 zeigt einen Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der
DE 199 16 803 A1 vorbekannt ist.
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Mit der Bezugsziffer 29 ist eine erste Welle eines Zweiwellen-Gasturbinen-Flugtriebwerks bezeichnet, während die Bezugsziffer 30 eine zweite Welle bezeichnet, die radial außen liegend zu der ersten Welle angeordnet ist. Die beiden Wellen rotieren beide mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und somit auch relativ zueinander (dabei aber bevorzugt in gleichem Drehsinn) um eine Rotationsachse 1 des Gasturbinen-Flugtriebwerks. Die Wellen 29, 30, von denen jeweils lediglich ein Teilabschnitt dargestellt ist, sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die erste Welle 29 die Niederdruckwelle darstellt und somit innerhalb der zweiten Welle 30, welche die Hochdruckwelle ist, angeordnet ist. Mit der Bezugsziffer 31 ist ein Lager der Hochdruckwelle 30 bezeichnet.
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Rechtsseitig dieses Lagers 31 sowie in Radialrichtung senkrecht zur Rotationsachse 1 außerhalb der Welle 30 liegt somit ein Bereich des Gasturbinen-Innenraums, in welchem ein relativ niedriger Druck herrscht. Linksseitig des Lagers 31 sowie in Radialrichtung innerhalb der Welle 30 liegt ein Bereich mit relativ hohem Druck. Diese beiden Bereiche sind mittels der hydraulischen Dichtungsanordnung gegeneinander abzudichten, wobei die in ihrer Gesamtheit mit den Bezugszeichen 32 bezeichnete hydraulische Dichtungsanordnung zwischen den beiden Wellen 29, 30 vorgesehen ist.
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Die hydraulischen Dichtungsanordnung 32 wird im Wesentlichen durch einen an der Innenseite der außen liegenden Welle 30 vorgesehenen und sich dabei über deren Umfang in Radialrichtung nach außen erstreckenden Ringraum 33 gebildet. In diesem Ringraum 33 ragt ein an der innenliegenden Welle 29 vorgesehener, über deren Umfang sich ebenfalls in Radialrichtung nach außen erstreckender Steg 34 hinein. Ein großer Teil des Ringraums 33 und insbesondere derjenige Teilbereich, in welchem das freie Ende des Stegs 34 liegt, ist bzw. wird mit Öl aus dem Ölkreislauf des Gasturbinen-Triebwerks oder allgemein mit einem Hydraulikmedium befüllt. Dies erfolgt über einen Eintrittsbereich 34.
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Über diesen ebenfalls ringförmigen, rechtsseitig des Stegs 34 angeordneten Eintrittsbereich 35 kann das Hydraulikmedium in Form eines zwischen die beiden Wellen 29, 30 eingebrachten Öl-Spritzstrahles auch zur Schmierung des Lagers 31 dienen.
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Auf Grund der Rotation der beiden Wellen 29, 30 und der damit verbundenen Fliehkrafteffekte lagert sich das eingebrachte Hydraulikmedium an der radial außen liegenden Innenwand der außen liegenden Welle 30 an. Somit gelangt, ebenfalls unter Fliehkrafteinfluss, das Hydraulikmedium auch in den in der Welle 30 vorgesehenen Ringraum 33, der gegenüber demjenigen Bereich der Innenwand, in welchem das Hydraulikmedium zugeführt wird, in Radialrichtung betrachtet weiter außen liegt. Dabei sammelt sich das Hydraulikmedium im Ringraum 33 sowohl linksseitig als auch rechtsseitig des Steges 34 an, sodass hierdurch nach Art eines Siphons eine optimale hydraulische Abdichtung entsteht.
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Linksseitig des Stegs 34 liegt die Oberfläche bzw. der Flüssigkeitsspiegel des Hydraulikmediums dabei radial weiter außen als rechtsseitig des Stegs 34, da der letztgenannte rechtsseitige Bereich des Stegs 34 mit dem Bereich in Verbindung steht, in welchem ein erheblich niedrigerer Druck herrscht.
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Im Übrigen kann überschüssiges Hydraulikmedium, welches auf Grund der Differenzdruckverhältnisse zwischen den beiden Bereichen mit niedrigem Druck und hohem Druck im Ringraum 33 nicht weiter in den Bereich linksseitig des Steges 34 gelangen kann, entsprechend abgeführt werden.
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Die 3 zeigt in vereinfachter Axialansicht die erfindungsgemäße hydraulische Dichtungsanordnung. Dabei ist insbesondere ersichtlich, dass die hydraulische Dichtungsanordnung ein im Querschnitt im Wesentlichen U-förmiges Gehäuse 38 aufweist, in dessen radial äußerem Bereich sich das Dichtungsöl 36 (Hydraulikmedium) bei einer Drehung der äußeren Welle 30 ansammelt. Die in den 3 und 4 dargestellten Richtungspfeile zeigen die Richtung, in der das Dichtungsöl 36 zunächst aus dem oberen Bereich des Gehäuses 38 nach unten fließt oder tropft. Links der Finne 34 (Steg) kann das Öl an dem oberen Bereich der ersten, inneren Welle 29 in Axialrichtung nach links abfließen. Dort gelangt es auf die Ölseite einer Lagerkammer und kann dort schadlos ablaufen. Auf dem in 3 auf der rechten Bildhälfte dargestellten Bereich, angrenzend an den Steg 34 (Finne) läuft aus dem oberen Bereich des Gehäuses 38 das Dichtungsöl 36 nach unten in die erfindungsgemäß vorgesehene Ringnut 37. Die untere Bildhälfte der 3 zeigt, dass das Dichtungsöl längs der Ringnut 37 in den unteren Bereich des Gehäuses 38 tropft und dort aufgefangen wird. Es findet somit keine Verteilung längs der ersten, inneren Welle 29 zur Kompressorluftseite der Dichtungsanordnung statt.
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Die 4 zeigt eine stirnseitige Ansicht der Anordnung gemäß 3. Dabei ist nochmals zu ersehen, dass die Volumina an Dichtungsöl aus dem oberen Bereich der Dichtungsanordnung entweder direkt in den unteren Bereich abfließen oder abtropfen (die jeweils beiden rechten bzw. linken senkrechten, nach unten gerichteten Pfeile in 4), oder in die erfindungsgemäße Ringnut gelangen und längs dieser am Umfang der Ringnut nach unten abfließen und dann in den unteren Bereich des Gehäuses gelangen.
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Die 5 zeigt eine Ansicht analog der Darstellung der oberen Bildhälfte der 3, aus welcher sich insbesondere nochmals die Dimensionierung und Anordnung der Ringnut 37 besonders klar erkennen lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse/Rotationsachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammern
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenschaufeln
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- erste, innere Welle (Niederdruck-Welle)
- 30
- zweite, äußere Welle (Hochdruck-Welle)
- 31
- Lager
- 32
- hydraulische Dichtungsanordnung
- 33
- Ringraum
- 34
- Steg/Finne
- 35
- Eintrittsbereich (Lagerkammeröl-Seite)
- 36
- Hydraulikmedium/Dichtungsöl
- 37
- Ringnut
- 38
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19916803 A1 [0003, 0022]
- EP 1103706 A2 [0003]
