DE3839843C2 - Wellendichtung für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellendichtung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

In der Praxis bereitet es Schwierigkeiten, Dichtungen der genannten Art berührungsfrei arbeiten zu lassen und zugleich mit verhältnis­ mäßig geringer radialer und axialer Baulänge ausbilden zu können. Dies gilt insbesondere für Dichtstellen zwischen mit unterschiedli­ chen Drehzahlen und/oder Drehrichtungen um eine gemeinsame Achse ro­ tierenden Rotorbauteilen bzw. betreffenden Wellensystemen.

Für Dichtaufgaben der eingangs genannten Art werden im allgemeinen hinlänglich bekannte Labyrinthdichtungen eingesetzt. Bekannte Dich­ tungstypen, z. B. Bürstendichtungen, radiale Gleitringdichtungen, versagen u. a. durch im Betrieb auftretende Fliehkraftdeformationen, hier also z. B. bei der Bürstendichtung als Folge der Deformation der Borsten, die mit betreffenden freien Enden eine zugehörige Welle bzw. eine Wellenabschnitt abdichtend tangieren; z. B. bei der genannten Bürstendichtung mit im wesentlichen radial nach außen gerichteten Borsten ergibt sich ein Abrieb betreffender Anlaufbeläge; bei im we­ sentlichen nach innen gerichteten Borsten ergibt sich ein Abheben der Borsten vom Anlaufbelag und somit Verlust der Dichtfähigkeit; ferner sind beim Betrieb Zerstörungen der Dichtringe infolge von Unwucht­ kräften nicht auszuschließen, was sowohl für die hinlänglich be­ kannten radialen Gleitringdichtungen gilt wie aber auch für schon vorgeschlagene Dichtungskonzepte, bei denen eine Bürstendichtung in Kombination mit dem Innenring als gleitendem Dichtungsring ausge­ bildet ist.

Dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 liegt eine aus der US-PS 2,964,339 bekannte Wellendichtung als Stand der Technik zugrunde.

Diese US-PS behandelt in Fig. 6 eine Abdichtung zwischen einem Ge­ häuse und einer durch dieses axial hindurchgeführten Welle mittels eines Dichtringes, der - unter Ausbildung eines radialen Tragspaltes (Primärdichtung) - über eine, über dem Umfang in sich geschlossene, federartige Membran mit dem Gehäuse fest verbunden bzw. axial und in Umfangsrichtung zentriert ist (formschlüssige Zentrierung). Fig. 9 des bekannten Falles verdeutlicht eine entsprechende Alternative, bei der der Dichtring am Gehäuse über zusätzliche Zug- bzw. Druckglieder so gehalten sein soll, daß axiale Bewegungen des Dichtringes als Ur­ sache herrschender Differenzdrücke verhindert werden. Allenfalls aus den Patentzeichnungen zu Fig. 6 und 9 sind die betreffenden Membranen als über dem Umfang in sich geschlossen U- und ringförmig inter­ pretierbar. Anhand der Dichtringverankerung und der Membranausbildung ergibt sich ein vergleichsweise formsteifer Aufbau in Kombination mit einer axial ausgeprägten Gehäuseerstreckung. Insbesondere im Hinblick auf eine "Zwischen-Wellen-Dichtung" (Abbremsung oder Stillstand einer Welle) dürften die betreffenden Anforderungen an eine darauf abge­ stimmte "weiche" Federung praktisch nur höchst unzureichend reali­ sierbar sein.

Die DE-OS 36 17 279 behandelt eine Zwischen-Wellen-Dichtung, bei der die ringförmige Oberfläche einer zumindestens quer geteilten Scheibe 3 gegenüber der innen gelegenen Hohlwand der äußeren Welle mit einem radialen Spalt - unter Ausnutzung des Gaslagereffekts - abdichten soll. Gemäß Beispielsbeschreibung (Fig. 2) mit Anspruch 3 soll die Scheibe insbesondere in Form von Segmenten geteilt sein. Mit Anspruch 1 setzt der bekannte Fall ferner voraus, daß die segmentierte Scheibe an der Innenwelle gehalten sein soll. Die Segmente werden bei nie­ driger Drehzahl und im Ruhezustand durch die Federn nach innen ge­ zogen, wodurch ein großer radialer Dichtspalt notwendig wird. An­ sonsten soll, bei geeigneter Drehzahl der Innenwelle, eine fliehkraft-bedingte radiale Federstreckung vorliegen, die vorrangig zum verhältnismäßig engeren radialen Dichtspalt führen soll.

Durch die Vielfalt von Bauteilen (insbesondere die Segmentierung) ergibt sich ein mechanisch sensibler und verschleiß- und störungsan­ fälliger Aufbau. Die Federn sind im Betrieb stets nicht unerheblichen Streck-Belastungen ausgesetzt (frühzeitige Ermüdungsgefahr). Die quer geteilte bzw. segmentierte Dichtringausführung erzwingt zusätzliche sekundäre Leckagen der Dichtung. Außerdem dürfte die bekannte Wellen-Dichtung zu einem verhältnismäßig großen radialen Einbau­ volumen zwischen den Wellen führen.

Bei einer aus der DE-OS 35 42 826 bekannten Zwischen-Wellen-Dichtung sind am Umfang eines Dichtungsgehäuses der einen äußeren Welle 1 zwei Dichtringe an über dem Umfang um 180° zueinander versetzten Schwenk­ punkten fliehkraft-bedingt derart relativ zueinander beweglich, daß ein in Ruhestellung offener Spalt gegenüber den Innenwelle durch re­ lative gegenseitige Lageüberschneidung im Betrieb sichelförmig mini­ miert werden soll. An den Schwenkpunkten um 180° am Umfang gegenüber­ liegenden Stellen soll jedem Dichtring eine umfangsseitig federela­ stische Abstützung durch Laschen 10, 10′ zugeordnet sein. Beide Dicht­ ringe sollen axial federnd aneinander sowie am Gehäuse abgestützt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellendichtung nach der Gattung des Anspruchs 1 anzugeben, die unter Gewährleistung ver­ hältnismäßig geringer axialer Baulänge und radialer Einbauhöhe insbe­ sondere im Hinblick auf betriebsbedingte Unwuchten, Wellenexzen­ trizitäten und Fliehkräfte, weder wellen- noch dichtringseitig nennenswerten Verschleiß und Materialabrieb hervorruft.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Mit der angegebenen Lösung sollen die an eine Zwischen-Wellen-Dich­ tung gestellten wesentlichen Anforderungen optimal erfüllt werden. Dabei ergibt sich ein in Grenzen frei schwimmender Dichtring, dessen Lage von den Luft- bzw. Gaskräften, die am Spalt (Primärdichtung) aufgebaut sind, bestimmt wird. Auch dann, wenn ein Wellenstrang rela­ tiv stark abgebremst wird - oder stillsteht - ergibt sich durch die balkenartigen Biegelaschen eine verhältnismäßig weich auslagbare Fe­ dercharakteristik, die von den am Tragspalt aufgebauten Luft- bzw. Gaskräften "überspielt" wird. Auch bei verhältnismäßig ausgeprägter relativer Wellenexzentrizität ist die Gefahr von metallischen An­ streifvorgängen (Verschleiß) gering zu veranschlagen. Bei verhältnis­ mäßig geringer Bauteilanzahl und Störanfälligkeitsgefahr wird zu­ gleich eine optimale primäre und sekundäre Abdichtung von auch extrem unterschiedlich druckbeaufschlagten Räumen zwischen den Wellen ermög­ licht. Die Wellendichtung kann bei verhältnismäßig geringen radialen Abständen zwischen beiden Wellen eingesetzt werden. Außerdem wird eine wartungsfreundliche Bauweise herbeigeführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Patentansprüche 2 bis 5.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt der Wellendichtung zur Abdichtung unterschiedlich druckbeaufschlagter Räume zwischen äußerer und innerer Welle und mit Gehäuseausbildung an einem Abschnitt der äußeren Welle und mit auf der dem Dichtring zugekehrten Seite biegebalkenartig federnd zergliedertem Federglied ein­ schließlich axial federnder Plattenandrückung des Dichtrings gegen eine Gehäusewand der äußeren Welle,

Fig. 2 eine als Mittellängsschnitt dargestellte Abwandlung der Wel­ lendichtung nach Fig. 1 mit Mitteln zur form- und kraft­ schlüssigen Verankerung des Dichtringes über das Federglied an dem von der äußeren Welle ausgebildeten Gehäuse,

Fig. 3 eine in Höhe eines hier radial äußeren biegebalkenartigen Federschenkels teilweise als Längsschnitt repräsentierte, im übrigen seitlich innere Teilansicht eines V-ringförmigen, nach einer Seite offenen Federgliedes,

Fig. 4 die örtlich abgebrochene Umfangsansicht des Federglieds gemäß Blickrichtung X der Fig. 3 unter Verdeutlichung der über dem Umfang radial außen gleichmäßig verteilten, biegebalkenartigen Federschenkel.

Fig. 1 veranschaulicht eine Wellendichtung als sogenannte "Zwischenwellendichtung", mit der von Medien wie Flüssigkeiten und/oder Gasen unterschiedlichen Druckes beaufschlagte Räume R1 bzw. R2 zwischen koaxialen Wellenabschnitten 1′, 2′ eines Gasturbinen­ triebwerkes wirksam gegeneinander abgedichtet werden sollen. An dem weiteren, hier äußeren Wellenabschnitt 2′ ist der Dichtring 3′ unter sekundärer Abdichtung gehäuseartig eingebunden und radial fe­ dernd abgestützt. Ein Dichtring 3′ bildet gegenüber dem einen, hier inneren Wellenabschnitt 1′ einen radialen, luftlagerartigen Tragspalt 4′ als Primärdichtung aus.

Als Gehäuse für den Dichtring 3′ fungiert eine radiale Aussparung 5′ als Bestandteil des weiteren Wellenabschnitts 2′; der Dichtring 3′ ist beidseitig zwischen korrespondierende Sitzflächen der Ausspa­ rung 5′ radial verschiebbar geführt und axial positioniert; die ra­ diale Aussparung 5′ wird von einer am weiteren Wellenabschnitt 2′ radial vorstehenden Wand 8′ und einer entsprechend radial vor­ stehenden Druckplatte 9′ ausgebildet; die Druckplatte 9′ ist am wei­ teren Wellenabschnitt 2′ drehfest und axial verschiebbar durch die Rückstellkraft einer Feder 11 axial belastet. Es kann ferner die Druckplatte 9′ an axialen Nuten 10 des weiteren Wellenabschnitts 2′ axial verschiebbar aufgehängt sein; dabei greift die Feder 11 auf der einen Seite an die Druckplatte 9′ und auf der anderen Seite an ein ringförmiges Halteglied 12′ an, das am weiteren Wellenabschnitt 2 an­ geordnet ist.

Für die radiale elastische Abstützung und Zentrierung des Dichtringes 3′ am von der radialen Aussparung 5′ ausgebildeten Gehäuse sieht Fig. 1 die Verwendung eines über dem Umfang einstückigen, im Axialschnitt gesehen, nach einer Gehäuseseite hin offenen V-förmigen Federgliedes 6′ vor; dieses Federglied 6′ könnte auch - im Axialschnitt gesehen - U-förmig ausgebildet sein; gemäß Fig. 1 geht das Federglied 6′ von der radial äußeren nach der radial inneren, dem Dichtring 3′ zuge­ kehrten Seite in gleichmäßig über dem Umfang verteilte biegebalkenar­ tige Federschenkel 10′ über.

Bei einer gemäß Fig. 3 und 4 zeichnerisch besser verdeutlichten Va­ riante ist das Federglied 6, ausgehend vom radial innen liegenden gekrümmten Bereich, in Richtung auf den radial äußeren Bereich in gleichmäßig über dem Umfang beabstandete biegebalkenartige Feder­ schenkel 10′ zergliedert; dabei wären diese Federschenkel 10′ im Ein­ bauzustand (Fig. 1) auf der dem Grund der Aussparung 5′ zugekehrten Seite befindlich zu verstehen. Auch besteht die Möglichkeit, das Fe­ derglied auf der dem Grund der Aussparung und auf der dem Dichtring zugekehrten Seite an gleichmäßig über dem Umfang verteilten Stellen in biegebalkenartige Federschenkel zu zergliedern.

Aus Fig. 1 ist ferner erkennbar, daß der betreffende Dichtring 3′ hier beispielsweise als Kohlering ausgeführt werden kann, der von einem inneren Metallring 13 eingefaßt ist.

Fig. 2 verkörpert eine abgewandelte vorteilhafte Weiterbildung der Wellendichtung, wonach der Dichtring 3′ über das Federglied 6′ an der Aussparung 5′ des weiteren Wellenabschnitts 2′ kraft- und form­ schlüssig verankert ist; dabei weist das sinngemäß der Fig. 1 ent­ sprechend eingebaute und ausgebildete Federglied 6′ einschließlich der biegebalkenartigen Federschenkel 10′ an den radial äußeren und inneren Enden des einseitig offenen V-Profils Zungen 14 bzw. 15 auf, die in Axialnuten 10 des weiteren Wellenabschnitts 2′ bzw. in Axial­ nuten 16 des Dichtringes 3′, hier des Metallringes 13 eingreifen. So wird auch eine gegenseitige Umfangsverdrehsicherung: "Dichtring 3′/Federglied 6′" geschaffen. Die Zungen 14 bzw. 15 und Axialnuten 10 bzw. 16 sind vorzugsweise gleichmäßig über dem Umfang verteilt ange­ ordnet. In Abwandlung der Fig. 1 ist ferner in Fig. 2 das betreffende Halteglied 12′ als ein mit dem weiteren Wellenabschnitt 2 verbundener Wandabschnitt ausgebildet.

Bei den zuvor behandelten Wellendichtungen soll der betreffende Dich­ tring 3′ so angeordnet sein, daß zwischen der einen Welle 1′ (innen) und dem Dichtring 3′ ein luftlagerartiger Tragspalt 4′ entsteht, des­ sen Spaltweite in der bei Luftlagern bekannten Größenordnung angesie­ delt ist. Daraus folgt, daß der Dichtring 3′ wie ein Luftlager sta­ tischen und dynamischen Wellenachsversetzungen folgt, solange die aus der Rotation des Dichtringes 3′ resultierenden Unwuchtkräfte kleiner als die Luftlagerkraft sind.

Über das z. B. V-förmig ausgebildete Federglied 6 bzw. 6′ kann der Dichtring 3′ insbesondere in der Anfahr- und Anlaufphase an der ra­ dialen Aussparung 5′ zentriert werden und es können Unwuchtkräfte, resultierend aus Geometriefehlern und Inhomogenitäten des Dichtringes 3′ so lange aufgefangen werden, bis die Luftlagerkraft, die aus der betreffenden Relativbewegung zwischen beiden Wellen 1′, 2′ bzw. zwi­ schen der betreffenden einen Welle 1′ (innen) und dem Dichtring 3′ resultiert, die Zentrierung des letzteren zur zugehörigen, den Trag­ spalt 4′ mit ausbildenden einen Welle 1′ übernimmt.

Die Wellendichtung erfüllt auch dann einwandfreie Dichtungsvoraus­ setzungen, wenn es darum geht, z. B. Lagerräume in Gasturbinen gegen den Triebwerkseinlauf bzw. die Umgebung oder gegen den Abgasstrom abzudichten, also Lagerräume, in denen üblicherweise ein niedrigeres Druckniveau herrscht als in dem Lagerraum vor der betreffenden Dich­ tung.

Claims (5)

1. Wellendichtung für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentrieb­ werke, mit einer sich über dem Umfang erstreckenden radialen Aus­ sparung (5′) als Gehäuse, die eine Maschinenwelle mit Abstand umgibt und in der ein Dichtring (3′) angeordnet ist, der zwischen zwei unterschiedlich fluidisch druckbeaufschlagten Räumen (R1, R2) gegenüber der Maschinenwelle einen radialen luftlagerartigen Trag­ spalt (4′) als Primärdichtung ausbildet und der innerhalb der radialen Aussparung (5′) an Federmitteln radial elastisch abgestützt und zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Wellendichtung zwischen Wellenabschnitten (1′, 2′) von zwei koaxial und relativ zueinander verdrehbar angeordneten Maschinen­ wellen und die radiale Aussparung (5′) an einem der beiden Wel­ lenabschnitte (1′, 2′) ausgebildet ist,
• - der Dichtring (3′) beidseitig zwischen korrespondierenden Sitz­ flächen der Aussparung (5′) radial verschiebbar geführt und axial positioniert ist,
• - die eine Sitzfläche der Aussparung (5′) an einer Druckplatte (9′) ausgebildet ist, die am einen, die Aussparung (5′) enthal­ tenden Wellenabschnitt (2′) axial verschiebbar und drehfest ver­ ankert und durch die Rückstellkraft einer Feder (11) axial be­ lastet ist,
• - die Federmittel von einem über dem Umfang einstückigen Feder­ glied (6,6′) in U- oder V-Form ausgebildet sind, das auf der dem Grund der Aussparung (5′) und/oder auf der dem Dichtring (3′) zugekehrten Seite an gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen in biegebalkenartige Federschenkel (10′) zergliedert ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Aussparung (5′) des einen Wellenabschnitts (2′) das Gehäuse zwischen der Druckplatte (9′) und einer entsprechend radial vor­ stehenden Wand (8′) dieses einen Wellenabschnitts (2′) ausbildet.

3. Wellendichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (9′) an axialen Nuten (10) des die radiale Ausspa­ rung (5′) enthaltenden einen Wellenabschnitts (2′) axial verschieb­ bar aufgehängt ist, wobei die Feder (11) auf der von der Druck­ platte (9′) abgewandten Seite an ein ringförmiges Halteglied (12′) angreift, das an diesem einen Wellenabschnitt (2′) drehfest veran­ kert und lösbar angeordnet ist.

4. Wellendichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Dichtring (3′) sowohl kraft- als auch formschlüssig über das Federglied (6′) an der radialen Aussparung (5′) verankert ist.

5. Wellendichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federglied (6′) einschließlich der biegebalkenartiken Federschenkel (10′) an den radial äußeren und inneren Enden des einseitig offenen U- oder V-Profils gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Zungen (14; 15) aufweist, die in Axialnuten (10; 16) des die radiale Aussparung (5′) enthaltenden einen Wellenabschnitts (2′) und des Dichtringes (3′) eingreifen.