DE3119467C2

DE3119467C2 - Gleitringdichtung mit gasdynamischer Schmierung für hochtourige Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3119467C2
Application number: DE3119467A
Authority: DE
Inventors: Karl-U. Dipl.-Ing. 8044 Unterschleißheim Reisenweber; Gerhard Dipl.-Ing. 8047 Karlsfeld Rücker; Wilfried Ing.(grad.) 8000 München Weidmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1981-05-15
Publication date: 1983-09-01
Also published as: GB2098675B; JPH0122511B2; US4398730A; FR2518168B1; GB2098675A; JPS57200763A; FR2518168A1; DE3119467A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung behandelt eine Gleitringdichtung mit gasdynamischer Schmierung für hochtourige Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke, bei der unter anderem einer von zwei miteinander korrespondierenden Ringen (Gegenring) von parallel zur betreffenden Dichtfläche verlaufenden, mittels einer Kühlflüssigkeit beaufschlagbarer Bohrungen radial durchsetzt ist. Zur Erzielung einer überwiegend im Hinblick auf hohe Temperaturen und Drehzahlen standfesten Dichtung soll primär durch eine in Umfangsrichtung periodisch gleichförmig erhöhte und wieder verringerte Anzahl von Bohrungen des Gegenrings hervorgerufenes periodisch wechselndes Temperatur- und damit axiales Ausdehnungsfeld desselben eine periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche am Gegenring gebildet werden, die dem "Schmierkeilverlauf" eines gasdynamischen Axiallagers entspricht.

Description

hen ist, wird im Hinblick auf hohe Drehzahlen und hohe Temperaturen mit einer besonders frühzeitig einsetzenden Verkokung dieser napfförmigen Vertiefungen und damit vorzeitigem Dichtungsverschteiß gerechnet werden müssen. Es besteht also im vorliegenden bekannten Fall sogar die Gefahr, daß sich die napfförmigen Vertiefungen gänzlich mit verkokendem Schmierstoff zusetzen, wodurch der angestrebte homogene Druckpolsteraufbau gänzlich in Frage zu stellen sein dürfte.

Bei einer weiteren, aus der FR-PS 15 97 609 bekannten Dichtungsanordnung gelten im wesentlichen die gleichen Grundsätze und Nachteile, wie sie im wesentlichen aus den bereits oben behandelten Entgegenhaltungen herleitbar sind. Bei dieser bekannten Anordnung sollen in die betreffende Dichtfläche des einen Gegenrings z.B. linsenförmige, np.pfförmige, kegelförmige, sowie im wesentlichen dreieckförmige hydrodynamische Vertiefungen eingearbeitet sein. Gemäß einer weiteren Variante dieses bekanntes Falles können diese Vertiefungen im Sinne V-förmiger Kanäle 2u ausgebildet sein, wobei jeweils ein solcher Kanal über eine erste und zweite öffnung gegen den betreffenden Dichtspalt geöffnet sein soll. Bezüglich dieser zuletzt genannten Variante dürfte zwar eine gewisse Mindestkühlwirkung der Dichtung nicht zu bestreiten sein. Das Kühlmittel wird jedoch im Wege des Dichtfluids unmittelbar aus dem Dichtspalt gewonnen, also aus einem vergleichsweise hochtemperierten Bereich, wobei zudem keine im Hinblick auf die Betriebsverhältnisse hinsichtlich Druck und Temperatur des Kühlfluids jo variable Anpaßbarkeit desselben an die betrieblichen Kriterien möglich ist.

Im Wege der zum vorliegenden bekannten Fall erwähnten Hydrodynamisierungsvertiefungen dürfte somit auch hier ein vergleichsweise frühzeitig einsetzen- a der Lagerverschleiß eintreten, und zwar als Folge mechanischen Dichtflächenabriebs auf der einen Seite, sowie als Folge von Dichtfluidverkokungen dieser Vertiefungen auf der anderen Seite, die zu einer Verstopfung der Vertiefungen in der Weise führen -to können, daß der angestrebte Druckpolsteraufbau zwischen den Lagergleitflächen nicht mehr zum Tragen kommen kann.

Eine aus der DE-OS 26 18 682 bekannte Gleitringdichtungsanordnung besteht aus einer mit der Welle *^r> umlaufenden Baueinheit sowie aus einer stationären Baueinheit, »velche vorliegend auch As Dichtringunteranordnung bezeichnet wird. Fs besteht im vorliegenden bekannten Fall zwar schon die Möglichkeit, auf die betreffenden Dichtgleitflächen kühlend einzuwirken, ><> und zwar im Wege axial durch einen stationären Dichtringkörper geführter Kühlkanäle. Diese Kühlkanäle sind gleichförmig untereinander versetzt am äußeren Umfang dieses stationären Dichtringkörpers angeordnet und sollen zusätzlich in Verbindung mit den übrigen Bauteilkoniponenten dieser Dichtung »winzige« Kühlspalte erzielen lassen, die durch thermische Verwerfung erzeugt werden sollen. Diese nur im äußersten Umfangspaltbereich befindlichen Kühlspalte sind jedoch größenordnungsmäßig kaum meßbar, so ·><> daß diese bekannte Gleitringdichtanordnung ebenfalls nicht für einen verschleißsicheren Hochtemperatur- und -drehzahleinsatz geeignet sein dürfte.

Bei einer aus der US-PS 3147 013 bekannten »Trockengasdichtung« weist ein bewegliches, also der mit der Welle mitrotierende Dichtungsteil in Nachbarschaft der Dichtfläche liegende Radialkanäle auf, die in einen Umfangskanal dieris mitrotierenden Dichtungsteils einmünden. Dieser Umfangskanal ist entlang der zugehörigen Dichtfläche des rotierenden Dichtungsteils geöffnet und kommuniziert dabei mit einem weiteren entsprechend ausgebildeten Umfangskanal, der in die äußere Dichtflächengegenperipherie des im Betrieb stationären Dichtungsteils eingearbeitet ist Dieser Umfangskanal des stationären Dichtungsteils steht mit Radialschlitzen des festen Dichtungsteils in Verbindung, die außen von der betreffenden Gegenfläche (Ruhestellung) des rotierenden Dichtungsteils abgedeckt sind. Auf diese Weise soll eine Art »Pumpeinrichtung« gebildet werden, mit der ein gasförmiges Druck- und Dichtmedium, welches von außen in die Lagereinrichtung eingeführt wird, im Betrieb stets über die Radialschlitze und den Umfangskanal angesaugt, dann als Dichtmedium verwendet und schließlich über die Umfangskanäle sowie die Radialkanäle des rotierenden Dichtungsteils abtransportiert werden solL Im Wege der beschriebenen Anordnung sollen zwar schon thermische Verwerfungen erzielbar sein; diese thermischen Verwerfungen könnten sich jpdoch hier (wenn überhaupt) nur in gleichförmiger omfangsbeabstandung, radial in der betreffenden Dichtfläche des rotierenden Dichtungsteils als Gastaschen ausbilden. Eine thermische Verwerfung über die gesamte Dichtflächenhöhe dürfte sich hierbei jedoch nicht ausbilden können, weil in dem gemeinsamen, unterhalb der beiden kommunizierenden Umfangskanäle des stationären und des mitrotierenden Dichtungsteils liegenden übrigen Dichtflächenbereich keinerlei Kühlvorkehrungen getroffen sind. Mit anderen Worten erstrecken sich im vorliegenden bekannten Fall die Kühlkanäle über einen vergleichsweise radial kurzen Bereich durch das rotierende Dichtungsteil, so daß sich ein vergleichsweise großer Teil der übrigen Dichtfläche des rotierenden Dichtungsteils überhaupt nicht verformen kann.

Neben einem vergleichsweise komplizierten Aufbau dürfte ein im vorliegenden bekannten Fall durch erhöhte mechanische Reibung entstehender Verschleiß, insbesondere bei langer anhaltendem Hochtemperatur- und -drehzahlbetrieb als weiterer Nachteil nicht auszuschließen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine für hohe Drehzahlen und Temperaturen geeignete Gleitringdichtung zu schaffen, die verhältnismäßig einfach herstellbar ist und sich zugleich durch äußerst geringen Verschleiß mit der Folge einer dementsprechend verminderten Wartungs- und Reaparaturanfälligkeit auszeichnen soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus dem Kennzoichnungsteil des Anspruches 1.

Ohne auf die mechanische Einbringung irgendweicher Hydrodynamisierungsvertiefungen in die betreffei.de Dichtoberfläche des im Betrieb mitrotierenden Dichtringes und die damit einhergehenden Verschieißkonsequenzen angewiesen zu sein, kann so — im Wege der beschriebenen gezielt verteilten Kühlbohrungsanordnung — ein periodisch wechselndes Temperatur- und damit axiales 'lusdehnungsfeldes des rotierenden Dichtrings, und damit an diesem die gänzlich periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche im Sinne des »Schmierteiiverlaufs« eines gasdynamischeii Axiallagers erzeugt werden. Eine beim Anfahren oder Abstellen sich möglicherweise einstellende, kurzzeitige Berührung der beidei, Dichiungsflächen läßt infolge der in der An- und Auslaufphase glattflächigen Dichtungspaarung (ohne gewellte Gleitfläche) keine ernsthaften

Verschleißgefahren erwarten unter der Voraussetzung geeigneter Werkstoff- bzw. Festkörperpaarungen.

Ein weiterer Vorteil der Gleitringdichtung wird im vergleichsweise einfachen Grundaufbau gesehen, der keine vielfältigen hochpräzisen mechanischen Bearbeitungen erforderlich macht, wie sie z. B. zur Erzeugung von Hydrodynamisierungsvertiefungen oder labyrinthartigen Dichtkanalkonfigurationen erforderlich wären.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Patentansprüchen 2 bis 6 entnehmbar.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Axialschnitt eines Turbomaschinenwellenlagers nebst Gleitringdichtung,

Fig. 2 eine Ansicht des zur Gleitringdichtung gehörigen wellenseitig mitrotierenden Dichtrings gemäß Blickrichtung A der Fig. I, worin der bei Raumund Betriebstemperatur sich ergebende Gleitflächenverlauf erläutert ist.

rig.J eine gegenüber ι ; g. : unci « ; g. ι aDet'Wanu«.!- te Ausführungsform des wellenseitig mitrotierenden Dichtungsrings in gemäß Fig. 1 durch A gekennzeichneter Blickrichtung, und

Fig.4 eine gegenüber Fig. I, 2 und 3 weiter abgewandelte Ausführungsform eines wellenseitig mitrotierenden Dichtrings in Axialschnittdarstellung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Gleitringdichtung für hochtourige Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke, aus zwei zur Bildung eines Dichtspalts mit ihren radialen Gegenflächen zusammenwirkenden Dichtringen 1, 2. Der im Betrieb wellenseitig mitrotierende eine Dichtring 2 weist diesen radial durchsetzende, parallel zur betreffenden Gegenfläche verlaufend angeordnete Kühlbohrungen 3 auf, die mittels einer Kühlflüssigkeit, z. B. öl, beaufschlagbar sind.

Die Gleitringdichtung zeichnet sich grundsätzlich durch eine in Umfangsrichtung periodisch gleichförmig zu- und wieder abnehmende Anzahl solcher Kühlbnhrungen 3 pro Umfangswinkel des mitrotierenden Dichtrings 2 (Fig.2) aus. Infolge eines herdurch hervorgerufenen periodisch wechselnden Temperatur- und damit axialen Ausdehnungsfeldes des Gegenrings 2 bildet sich an diesem eine periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche G bei Betriebstemperatur aus, wobei diese Gleitfläche C etwa dem »Schmierkeilverlauf« eines gasdynamischen Axiallagers entsprechen soll. Die Gleitfläche bei Raumtemperatur ist mit G_r bezeichnet.

Bezüglich dieser wellenförmigen Gleitfläche G wird davon ausgegangen, daß die beim Gleiten des mitrotierenden Dichirings 2 auf dem stationären Dichtring 1 erzeugte (— oder auch durch das gegebenenfalls vorhandene Dichtmedium eingebrachte —) Wärme in Zonen dichterer Bohrungsabstände, z. B. b, c, d, stärker, in Zonen weiterer Bohrungsabstände, z. B. e, f, weniger stark abgeführt wird.

Diese Wellenkontur der Gleitfläche G wird im übrigen gemäß F i g. 2 durch die in einer gemeinsamen Radialebene hintereinander fluchtend periodisch gleichförmig zu- und wieder abnehmende Anzahl der Kühlbohrungen 3 im mitrotierenden Dichtring 2 hervorgerufen.

Für die in Verbindung mit Fig. 1 und 2 schon ausführlich erläuterten Zwecke weist der rotierende Dichtring 4 nach F i g. 3 in zwei parallelen Radialebenen befindliche Reihen erster. 5. und /weiter Kühlbohrungen 6 auf. von denen die ersten, 5, auf der der betreffenden Gegenfläche zugekehrten Seite gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt, die zweiten, 6, in periodisch gleichförmig wechselnder Umfangsbeabstandung angeordnet sind und in Kombination mit den ersten Bohrungen 5 die bei Betriebstemperatur periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche C am rotierenden Dichtring 4 erzeugen. Die zu F i g. 3

i> gehörige Gleitfläche bei Raumtemperatur ist mit G/ bezeichnet. Unter der Voraussetzung in Relation zu Fig. 2 etwa gleicher grundlegender betrieblicher Einflüsse (Temperatur/Drehzahl) ermöglicht das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 eine im Vergleich zu

;■■■ F i g. 2 über den gesamter! Dichsnächenurnfsng dichtere Wellenfolge der Gleitfläche C.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des im Betrieb mitrotierenden Dichtrings4',dereine Reihe von ersten Kühlbohrungen 5' in radialer bzw. vertikaler

y> Ebene und eine Reihe von zweiten Kühlbohrungen 6', die gegen die radiale bzw. vertikale Ebene der ersten Kühlbohrungen 5' geneigt sind, aufweist, von denen die ersten, 5', auf der der betreffenden Gegenfläche zugekek 'ten Seite gleichförmig in Umfangsrichtung

jo verteilt, die zweiten, 6', in periodisch gleichförmig wechselnder Umfangsbeabstandung angeordnet sind und in Kombination mit den ersten Kühlbohrungen 5' die periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche am rotierenden Dichtring 4' erzeugen.

Prinzipiell wird davon ausgegangen, die radialen Gegenflächen der beiden Dichtringe trocken aufeinander laufen zu lassen. Es wäre jedoch durchaus möglich, statt des gasförmigen ein flüssiges Abdicht-Medium in den Dichtspalt zwischen den korrespondierenden Gegenflächen der Dichtringe einzubringen.

Wie in F i g. 1 näher veranschaulicht, sitzt der im Betrieb mitrotierende Dichtring 2 hier z. B. neben bzw. am Innenring 8 des Lagers 7 auf einer hohlzylindrischen Maschinenwelle 9, aus der die betreffenden Kühlbohrungen 3 des rotierenden Dichtrings 2 mittels einer Kühlflüssigkeit, z. B. Öl, beaufschlagbar sind, welches zunächst über Radialbohrungen 10 in der Maschinenwellenwand in einen zwischen letzterer und dem rotierenden Dichtring 2 gebildeten Ringraum 11 gelangt, der mit den Kühlbohrungen 3 kommuniziert.

Der kolbenringartig gehalterte stationäre Dichtring 1 stützt sich mittels eines Faltenbalgs 12 axial flexibel an betreffenden stationären Gehäusestrukturbauteilen ab. Die axialflexible Abstützung kann aber auch mittels einer Feder oder mittels einer auf entsprechende Druckverhältnisse ansprechenden Membran erfolgen. Die Erfindung kann bei stationären Gasturbinenanlagen, bei Gasturbinenstrahltriebwerken oder bei Turboladern vorteilhaft eingesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleitringdichtung mit gasdynamischer Schmierung für hochtourige Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke, die rwei zur Bildung eines Dichtspaltes mit ihren radialen Gegenflächen zusammenwirkende Dichtringe aufweist, von denen der eine mit einem Maschinenwellenstrang drehfest verbunden, der andere zur Kompensation thermisch beeinflußter Dehnungen stationär, jedoch axial flexibel aufgehängt ist, wobei der im Betrieb mitrotierende eine Dichtring von Kühlbohrungen radial durchsetzt ist die mit einer in den Wellenstrang integrierten Kühlflüssigkeitszufuhr kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Dichtring (2) mit einer in Umfangsrichtung periodisch gleichförmig zu- und wieder abnehmenden Anzahl solcher Kühlbohrungen (3) versehen ist, die mit Erreichen der Betriebstemperatur eine gänzlich periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche (G) am rotierenden Dichtring erzeugen, die dem »Schmierkeilverlauf« eines gasdynamischen Axiallagers entspricht.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbohrungen (3) in einer gemeinsamen Radialebene im rotierenden Dichtring (2) angeordnet sind.

3. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Dichtring (4) in zwei parallelen Radialebenen befindliche Reihen erster (5) ur·"? zweiter Kühlbohrungen (6) aufweist, von denen die ersten (5) auf der der betreffenden Gegenfläche zugekehrten Seite gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt, die '.weiten (6) in periodisch gleichförmig wechselnder Umfangsbeabstandung angeordnet sind und in Kombination mit den ersten Bohrungen (5) die periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche (G') am rotierenden Dichtring (4) erzeugen.

4. Gleitringdichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Dichtring (4') eine Reihe von ersten Kühlbohrungen (5') in radiahr bzw. vertikaler Ebene und eine Reihe von zweiten Kühlbohrungen (6'). die gegen die radiale bzw. vertikale Ebene der ersten Kühlbohrungen (5') geneigt sind, aufweist, von denen die ersten (S') auf der der betreffenden Gegenfläche zugekehrten Seite gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt, die zweiten (6') in periodisch gleichförmig wechselnder Umfangsbeabstandung angeordnet sind und in Kombination mit den ersten Kühlbohrungen (5') die periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche am rotierenden Dichtring (4') erzeugen.

5. Gleitringdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Gegenflächen des stationären Dichtringes (1) und des rotierenden Dichtringes (2, 4, 4') trocken aufeinander laufen.

6. Gleitringdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß statt des gasförmigen auch ein flüssiges Abdicht-Medium in den Dichtspalt zwischen den korrespondierenden Gegenflächen der Dichtringe einbringbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitringdichtung mit gasdynamischer Schmierung für hochtourige Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke, die zwei zur Bildung eines Dichtspaltes mit ihren radialen Gegenflächen zusammenwirkende Dichtringe aufweist, von denen der eine mit einem Maschinenwellenstrang drehfest verbunden, der andere zur Kompensation thermisch beeinflußter Dehnungen stationär, jedoch axial flexibel aufgehängt ist, wobei der im Betrieb mitrotierende eine Dichtring von Kühlbohrungen radial durchsetzt ist, die mit einer in den Wellenstrang integrierten Kühlflüssigkeitszufuhr kommunizieren.

Eine derartige Gleitringdichtung ist aus dem NASA-Bericht TN D-6568 vom April 1972, Fig. 1 und 2, Seite 15, bekannt. Als Primärdichtung weist hier der im Betrieb mitrotierende stationäre, unter Federwirkung axial flexibel aufgehängte Dichtring in dessen Dichtfläche eingearbeitete, untereinander liegende Vertiefungen als Dichtlabyrinthe auf. Darunter befinden sich in der betreffenden Dichtfläche selbstwirkende sogenannte »lift pads«, d. h. also gezieit hergestellte Aufgleiifiächen zur Erzeugung gasdynamischer Schmierkeile.

Neben dem vergleichsweise hohen Fertigungsaufwand einer derartigen Dichtflächenprofilierung wird deren wesentlicher Nachteil in der vergleichsweise rasch zu erwartenden, verhältnismäßig hohen Abnutzung gesehen, die komplizierte Nachbearbeitungen und gegebenenfalls Reparaturen erforderlich machen.

Ferner besteht bei einer derartigen Dichtflächenprofilierung die Gefahr einer vergleichsweise frühzeitigen Unbrauchbarkeit und eines hohen Dichtungsverschleißes als Ursache von Dichtfluidverkokungen innerhalb der Hydrodynamisierungsvertiefungen, woraus wiederum eine Verstopfung dieser Vertiefungen resultiert, und zwar dann, wenn als Schmiermittel öl oder anderweitige, bei hohen Betriebstemperaturen rasch verkrackende, flüssige Schmierstoffe in Betracht gezogen werden. Auch in Kombination mit den im vorliegenden

bekannten Fall dichtflächenparulLI verlaufend im mitrotierenden anderen Dichtring vorhandenen Kühlbohrungen dürfte den erwähnten nachteiligen Folgen nicht durchgreifend Abhilfe geschaffen werden können. Bei einer aus der DE-OS 29 28 504 bekannten Dichtungsanordnung für Pumpenwellen oder dergleichen wird stets ein hydraulisches Dichtmittel zwischen den korrespondierenden Gleitflächen vorausgesetzt. Dabei soll zumindest eine der beiden Gleitflächen napfartige Hydrodynamisierungsvertiefungen aufweisen. Bevorzugt sollen im vorliegenden bekannten Fall die einzelnen mechanisch vorgefertigten, also örtlich vorfixierten Hydrodynamisierungsvertiefungen eine wechselnde Tiefe mit einer Tiefenperiodizität aufweisen, die längs des Umfangs periodisch zu- und wieder abnehmen soll. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, daß das hydraulische Dichtmittel, trotz fertigungsbedingter Toleranzen, als hydrodynamisches Druckpolster mit über dem gesamten Lagerumfang gleicher Dicke bei gleichzeitig homogenem Druck arbeiten kann.

Ein wesentlicher Nachteil auch dieser bekannten Dichtungsanordnung wird in der hohen Abnutzungsgefahr der Gleitflächen gesehen, die zumindest bei länger anhaltendem Betrieb Nacharbeiten und gegebenenfalls Reparaturen der mit den napfförmigen Vertiefungen versehenen Gleitfläche erforderlich machen dürfte.

Nachdem im vorliegenden bekannten Fall überhaupt keine Kühlung der betreffenden Gleitflächen vorgese-