DE1278179B - Schmier- und Kuehleinrichtung fuer Bauteile eines Gasturbinentriebwerkes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F02c

Deutsche Kl.: 46 f-9

Nummer: 1 278 179

Aktenzeichen: P 12 78 179.2-13 (R 41415)

Anmeldetag: 27. August 1965

Auslegetag: 19. September 1968

Die Erfindung betrifft eine Schmier- und Kühleinrichtung für Bauteile eines Gasturbinentriebwerkes, insbesondere dessen Hauptlager und insbesondere in Überschallflugzeugen, bei der flüssiges Schmier- und Kühlmittel und Luft in getrennten Leitungen, die in konzentrisch ineinander liegenden Düsen enden, den Schmierstellen nebeiförmig zugeführt werden.

Es ist schon eine Schmierung für Wälzlager bekannt, bei welcher eine mit den zu schmierenden Lagern in Verbindung stehende Lagerkammer mit öldunst gefüllt ist, der durch eine Öffnung in ein umgebendes Gehäuse strömt. Bei dieser Art der Schmierung sind die zu schmierenden Teile in öldunst eingehüllt. Es besteht somit nicht die Aufgabe, den Öldunst durch eine Leitung den der Schmierung bedürfenden Teilen zuzuführen.

Es ist ferner bekannt, Öl und Luft in getrennten Leitungen, die in konzentrisch ineinander liegenden Düsen enden, den zu schmierenden Stellen zuzuführen. Das öl wird unter Druck zugeleitet und tritt aus der Leitung als kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Strahl aus. Komprimierte Luft wird aus einer Kammer über eine die Mündung der Ölleitung umgebende Öffnung zugeführt, wobei diese Luft den Ölstrahl umhüllt und ihn an die zu schmierende Stelle bringt. Dabei wird die Zerstäubung des Öls infolge von durch die Drehung der Welle und der Teile des Wälzlagers erzeugten Luftwirbel verhindert.

Im Gegensatz hierzu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Schmier- und Kühleinrichtung, bei welcher den zu schmierenden Stellen das öl als Öldunst, also in Gemenge mit Luft, zugeführt wird.

Das öl des öldunstes bewirkt die Schmierung und die Luft die Kühlung. Das Öl-Luft-Verhältnis ist bestimmt durch die Arbeitsbedingungen des zu schmierenden und zu kühlenden Bauteils. Die maximale Geschwindigkeit, mit welcher öldunst durch eine Leitung strömen kann, ohne daß eine Trennung von öl und Luft eintritt, ist bekannt; diese Geschwindigkeit darf somit in der den Öldunst zu dem Bauteil bringenden Leitung nicht überschritten werden. Aus dem Volumen des erforderlichen öldunstes (das ebenfalls von den Arbeitsbedingungen abhängig und bekannt ist) und der zulässigen Geschwindigkeit wird die Größe der erforderlichen Leitung zur Förderung des öldunstes bestimmt. Es wurde gefunden, daß die für einen zu schmierenden und zu kühlenden Maschinenteil einer Gasturbine erforderliche öldunstleitung die in Luftfahrzeugen üblichen Maße weit überschreitet.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, an der vorstehend beschriebenen Schmier- und Kühleinrichtung der Leitung, die dem zu kühlenden und zu Schmier- und Kühleinrichtung für Bauteile
eines Gasturbinentriebwerkes

Anmelder:

Rolls-Royce Limited,

Derby, Derbyshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

William John Davies, Spondon, Derby;

Roy Allen, Long Eaton;

John Kenneth,

Littleover, Derby (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 4. September 1964 (36 435)

schmierenden Bauteil Schmier- und Kühlmittel zuführt, durch eine Mischvorrichtung, ζ. B. eine an sich bekannte ejektorartige Mischvorrichtung, die zur Aufrechterhaltung eines dunstförmigen Gemisches erforderliche Mindestluftrnenge zuzuleiten; dadurch wird ein fettes Gemisch aus dem Schmier- und Kühlmittel und aus Luft durch eine Leitung zu dem zu kühlenden Bauteil geleitet, an den Düsen mit der durch die andere Leitung zugeführten Luft verdünnt; erst der so gewonnene verdünnte Schmier- und Kühlnebel wird gegen den Bauteil gerichtet.

Es wird also das richtige Öl-Luft-Gemisch an dem zu schmierenden und zu kühlenden Bauteil durch Vermischung mit weiterer Luft, die diesem Bauteil gesondert zugeführt wird, hergestellt. Der Öldunst kann, weil er fetter ist, mit größerer Geschwindigkeit strömen, was die Verwendung eines Rohrs kleineren Durchmessers zuläßt. Man spart daher an Gewicht und Raum sowie an Kosten, indem erfindungsgemäß zwei enge Leitungen Verwendung finden an Stelle einer starken Leitung; diese ist gerade für Gasturbinentriebwerke besonders wichtig. Natürlich darf die Strömungsgeschwindigkeit von öldunst auch eine untere, an sich ebenfalls bekannte Grenze nicht unter-

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schreiten, weil sonst sich Öl ausscheiden und an der Der Wärmetauscher 22 arbeitet in zwei Zyklen mit Wandung absetzen würde. zwei Abteilungen, von denen eine mit Kühlmittel ver-Vorzugsweise wird die Luft zur Kühlung durch sorgt wird, während die andere von der Kühlmitteleinen Wärmeaustauscher geleitet. Ein Teil des Kühl- Versorgung abgeschaltet ist. Die heiße, zu kühlende mittels des Wärmeaustauschers kann als Treibmittel 5 Luft fließt stets durch beide Abteilungen; während einer Strahlpumpe zugeleitet werden, welcher die dem die heiße Luft in der einen Abteilung gekühlt wird, Verdichter entnommene Luft über die Mischvorrich- wird die andere Abteilung durch Heißluft erwärmt, tung in die zweite Leitung fördert. Der andere Teil Ein Umschaltventil ermöglicht es, daß die Abteilundes Kühlmittels wird über eine dritte Leitung in eine gen wechselweise arbeiten und daß während des als Wärmeschutzschild dienende Kammer des zu io Wärmetauschprozesses gebildetes Eis geschmolzen schmierenden oder zu kühlenden Bauteiles geführt. wird, wenn die betreffende Abteilung durch Heißluft Diese dritte Leitung kann mit einer Lufteinlaß- und erwärmt wird. Als Kühlmittel wird flüssiger Stickstoff -mischvorrichtung versehen sein. verwendet, der sich in einem Tank 41 befindet, wel-Die Mischvorrichtung ist vorzugsweise als mit eher durch einen Mantel 42 isoliert ist. Am Ende des Kühlmittel betriebene Luftstrahlpumpe ausgebildet. 15 Tanks 41 befindet sich eine ausdehnbare Blase 43, Als Kühlmittel findet zweckmäßig flüssiger Stickstoff welche über ein Druckreduzierventil 44 in einem Rohr Verwendung, der in dem Wärmeaustauscher ver- 45 mit einem Heliumgas enthaltenden Tank 46 in dampft. Verbindung steht. Durch Regelung des Heliumstroms Die Figur erläutert die erfindungsgemäße Schmier- zur Blase 43 kann die Größe der Blase verändert und und Kühleinrichtung am Hauptlager eines Gas- so so der Stickstoffstrom aus dem Tank 41 geregelt turbinentriebwerks. werden.

Wie aus der Figur ersichtlich, wird dem Verdich- Der Stickstoff gelangt durch eine Leitung 47, ter 11 durch eine Leitung 20 Luft entnommen. Diese welche ein Absperrventil 48 enthält, über einen HilfsLeitung enthält ein Druckreduzierventil 21 und führt tank 50, welcher durch einen Mantel 51 isoliert ist, zu einem Wärmetauscher 22. Gekühlte Luft vom 25 und durch eine Leitung 52, die ein Regelventil 53 entWärmetauscher 22 wird durch eine Strahlpumpe 23 hält, zum Wärmetauscher 22. Das Regelventil 53 wird in eine Leitung 24 gepumpt. Ein Teil der gekühlten durch ein Thermoelement 54 derart gesteuert, daß Luft geht durch eine Öl-Luft-Mischvorrichtung 25, sich die zum Wärmetauscher 22 geförderte Stickstoffder andere Teil der Luft strömt durch eine Leitung menge in Abhängigkeit von der Temperatur der den 16. In der Mischvorrichtung 25 wird Öl durch eine 30 Wärmetauscher durch die Leitung 24 verlassenden Leitung 27 eingebracht; das so gebildete Öl-Luft- Ge- Luft ändert.

misch strömt durch eine Leitung 28. Der Hilfstank 50 dient als Reserve für den Fall,

Die Leitungen 26 und 28 führen zum Hauptlager daß der Tank 41 leer ist. Im Tank 50 befindet sich

15; kurz vor diesem gehen sie konzentrisch ineinan- eine Heizwendel 55. Wenn dieser Wendel aus der

der und bilden Düsen, so daß sich das Öl-Luft-Ge- 35 Leitung 24 Luft zugeführt wird, wird der flüssige

misch aus der Leitung 28 mit der Luft aus der Lei- Stickstoff im Tank 50 erhitzt, so daß er sich aus-

tung 26 mischt und einen Öl-Luft-Dunst bildet. Die dehnt und in den Wärmetauscher 22 strömt. Durch

Düsen richten dieses Gemisch direkt auf das La- Regelung des Luftstroms von der Leitung 24 über

ger 15. ein- und ausschaltbare Ventile 56 und 57 kann somit

Die Verwendung getrennter Leitungen für den Öl- 40 der Stickstoff im Tank 50 unter Druck gesetzt und

Luft-Dunst einerseits (Leitung 28) und die Luft an- so aus dem Tank zum Wärmetauscher 22 ausgetrie-

dererseits (Leitung 26) gestattet, die Leitung 28 für ben werden.

den Öl-Luft-Dunst für einen gegebenen Dunststrom Der den Wärmetauscher 22 verlassende gasförmige

eines vorbestimmten Verhältnisses, bei welchem eine Stickstoff strömt durch eine Leitung 60 zu einer Saug-

Trennung von Öl und Luft nicht eintritt, wesentlich 45 pumpe 61. Ein Teil des Stickstoffgases wird von der

kleiner zu halten. Leitung 60 durch eine Leitung 62 abgezweigt und

Die gezeigte Anordnung eignet sich für die Ver- fließt in die Leitung 24 durch eine Düse, welche Teil

Wendung an Luftfahrzeugen einer Geschwindigkeit der Pumpe 23 ist. Auf diese Weise wird das Stick-

der dreifachen Machzahl; dabei werden besondere stoffgas dazu benutzt, Luft durch die Leitung 24 zu

Heiz- und Kühleinrichtungen für das öl bzw. die 50 pumpen, wobei es sich mit der Luft vermischt.

Luft vorgesehen. Indessen muß keines der nach- Die Leitung 60 mündet in eine Düse 63, welche ein

stehend beschriebenen Merkmale notwendig verwirk- Teil der Pumpe 61 ist. Eine die Düse 63 umgebende

licht werden an allen Luftfahrzeugen oder allen Ma- Kammer 64 steht über eine Rohrleitung 65 mit der

schinen; für den Einbau in normalen Unterschallflug- Luft am Einlaß zur Maschine oder mit Luft von

zeugen kann vielmehr die oben beschriebene einfache 55 einer anderen Kompressorstufe in Verbindung. Der

Vorrichtung durchaus genügen. Strom des Stickstoffgases durch die Düse 63 bewirkt

Das Öl für die Mischvorrichtung 25 befindet sich einen Luftstrom durch die Kammer 64 und in die

in einem Tank 30, der von einem Isoliermantel 31 Leitung 66, in welcher sich Luft und Stickstoff

umgeben ist. Das öl wird durch ein elektrisches Heiz- mischen. In der Leitung 66 befindet sich eine Ex-

gerät 33, welches den Tank umgibt, geheizt; die Heiz- 60 pansionskammer 67; in ihr wird das Gemisch aus

leistung einer Stromquelle 34 wird durch einen tem- Stickstoff und Luft gekühlt. Die Leitung 66 führt die-

peraturempfindlichen Schalter 35 geregelt, der mit ses Gemisch zu einer Kammer 70, welche das Lager

einem Thermometer 36 im Öltank verbunden ist. Das 15 umgibt. Das gekühlte Gemisch in dieser Kammer

Öl wird aus dem Tank in die Leitung 27 durch eine 70 wirkt als Wärmeschutzschild für das Lager und

von der Maschine angetriebene Pumpe 37 über eine 65 schützt dieses gegen das heiße Maschinengehäuse 71,

Leitung 38 gefördert. Überschüssiges, in der Misch- in welchem sich das Lager befindet. Die Außenwan-

vorrichtung 25 nicht benötigtes Öl fließt zum Tank dung 72 der Kammer 70 kann porös sein, so daß das

30 über eine Leitung 40 zurück. Gemisch in der Kammer 70 nach außen dringt und

so eine weitere Wärmeisolierung zwischen der Wandung 72 und dem Gehäuse 71 bildet.

Nächst dem Lager 15 ist ein Thermoelement 73 vorgesehen, welches auf die Temperatur des Lagers anspricht. Vom Thermoelement gegebene Signale werden einem Regelventil 74 in der Leitung 60 vermittelt zur Regelung des Stickstoffgasstroms durch diese Leitung in Abhängigkeit von der Temperatur des Lagers 15.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann statt zum Schmieren und Kühlen eines Lagers beispielsweise auch zum Schmieren und Kühlen von Getrieben oder Keilnuten einer Keilverzahnung verwendet werden.

Die Einrichtung kann abgewandelt werden. So kann der in den Wärmetauscher 22 verwendete Stickstoff nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher kondensiert und zum Tank 41 zurückgeführt werden. In diesem Fall kann die einen Wärmeschutzschild bildende Kammer 70 von einer anderen Quelle versorgt werden oder überhaupt weggelassen werden, wenn die Temperatur des Lagers nicht übermäßig hoch ist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schmier- und Kühleinrichtung für Bauteile eines Gasturbinentriebwerkes, insbesondere dessen Hauptlager und insbesondere in Überschallflugzeugen, bei der flüssiges Schmier- und Kühlmittel und Luft in getrennten Leitungen, die in konzentrisch ineinander liegenden Düsen enden, den Schmierstellen nebeiförmig zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitung (28), die dem zu schmierenden und zu kühlenden Bauteil (15) Schmier- und Kühlmittel zuführt, durch eine Mischvorrichtung, z. B. eine an sich bekannte ejektorartige Mischvorrichtung (25), die zur Aufrechterhaltung eines dunstförmigen Gemisches erforderliche Mindestluftmenge zugeleitet wird.

2. Schmier- und Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft zur Kühlung durch einen Wärmetauscher (22) geleitet wird.

3. Schmier- und Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kühlmittels des Wärmetauschers als Treibmittel einer Strahlpumpe (23) zugeleitet wird, welche die dem Verdichter entnommene Luft über die Mischvorrichtung (25) in die zweite Leitung (28) fördert.

4. Schmier- und Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil des Kühlmittels über eine dritte Leitung (66) in eine als Wärmeschutzschild dienende Kammer (70) des zu schmierenden oder zu kühlenden Bauteils (15) geführt wird.

5. Schmier- und Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Leitung (66) mit einer Lufteinlaß- und -mischvorrichtung (61) versehen ist.

6. Schmier- und Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (61) als mit Kühlmittel betriebene Luftstrahlpumpe ausgebildet ist.

7. Schmier- und Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel flüssiger Stickstoff ist, der in dem Wärmetauscher verdampft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 1147 447, 872 703;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 088 769;
USA.-Patentschrift Nr. 2 886 133.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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