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Zweck der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine neue Dichtungsvorrichtung für das Lagergehäuse eines Turbotriebwerks.
Dieses Lagergehäuse
ist sowohl für sehr
hohe als auch sehr tiefe Betriebstemperaturen ausgelegt und kann
Gegendruck ausgesetzt sein.
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Technologischer Hintergrund
und Stand der Technik
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Üblicherweise
befindet sich im Lager eines Turbotriebwerks, das als Aufnahme für eine sich
im Inneren eines festen Gehäuses
drehende Welle dient, ein Wälzlager
in einem Raum, in dem seine Schmierung gewährleistet ist. Jedoch muss
das Eindringen von Öl
in bestimmte Bereiche des Turbotriebwerks vermieden werden. Daher
muss die Abdichtung an der Trennung zwischen dem Lagerraum, der Öl enthält, und
einem angrenzenden Luftraum, der ölfrei bleiben muss, gewährleistet
sein. Man spricht von Gegendruck, wenn der Druck im Ölraum – anders
als normalerweise üblich – höher ist
als der Druck im Luftraum.
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Verschiedene
Lösungen
wurden zu diesem Zweck angewandt. So wurden Labyrinthdichtungen verwendet,
die einfach in der Herstellung sind und eine lange Lebensdauerhaben.
Jedoch können
sie größere Luftverluste
verursachen, die sich negativ auf die Leistung auswirken, und die
Unwucht der Welle kann Schäden
verursachen.
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Daraus
folgt ein höherer Ölverbrauch,
indem das Öl
durch die Luft zum Luftentöler
befördert
wird und das Auslaufen von Öl
aus dem Ölraum
in den Luftraum ist möglich.
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Bei
anderen Lösungen
werden Kohlenstoffdichtungen verwendet, die auf verschiedene Arten eingebaut
werden. Insbesondere die Druckschrift EP-A-0 967 424 zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer tragfähigen,
berührungslosen, axialen
Kohlenstoffdichtung, die von der Antragstellerin bereits vorgeschlagen
wurde. Eine Radialseite des einteiligen Kohlenstoffrings wirkt mit
einer Radialseite des Drehrings zusammen, wobei der Drehring eine
Reihe Tragnuten aufweist, so dass die Abdichtung während des
Betriebs ohne Reibung zwischen den besagten Radialflächen gewährleistet
ist. Die Vorrichtung wird durch eine Labyrinthdichtung ergänzt, um
das Eindringen von Staub in die Hauptdichtung zu verhindern. Diese
Dichtung kann nicht bei extremen Betriebsbedingungen wie Gegendruck
und sehr hoher Temperatur betrieben werden.
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Im
Patent US-A-5 301 957 wird eine radiale Dichtung vorgeschlagen,
die einen oder zwei Kohlenstoffringe aufweist, die mit einer durch
einen Ölstrahl gekühlten Drehzylinder
in Kontakt sind. Die Außen- oder
Innenfläche
des Kohlenstoffs weist Nuten auf, in denen die Ölpartikel zurückgehalten
werden (keine Selbstreinigungsfunktion). Dagegen gibt es auf dem Drehteil
keine Tragnuten.
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Das
Patent US-A-4 398 730 betrifft eine axiale Berührungsdichtung, deren statischer
Ring durch eine Manschette gehalten wird. Die Kühlung des Drehrings erfolgt
durch Ölkanäle, die
in diesen Ring eingearbeitet sind. Diese Dichtung kann nicht bei
extremen Betriebsbedingungen wie Gegendruck und sehr hoher Temperatur
betrieben werden.
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Eine
andere Erfindung der Antragstellerin gemäß Patentantrag EP-A-1 055 848
betrifft eine berührungslose,
tragfähige,
radiale Dichtung, die einen statischen, in axialer Richtung gesperrten
Ring aus Kohlenstoffsegmenten umfasst. Die dynamische Seite der
Dichtung ist zylinderförmig
und die statische Seite ist eben. Die zylinderförmige Seite der Drehfläche weist
Tragnuten auf, die nichtsdestotrotz auch Ölpartikel zurückhalten
können,
obwohl auch ein Labyrinthsystem zur Ölverdrängung vorhanden ist.
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Im
Patentantrag EP-A-0 818 607 wird eine radiale Berührungsdichtung
aus Kohlenstoffsegmenten und Kühlung
der Drehzylinders vorgeschlagen. Eine doppelte Schutzsperre der
Dichtung für
das verschmutzende Fluid besteht aus einer ringförmigen Box und einer Lippendichtung.
Die dynamische Seite der Dichtung ist zylinderförmig und die statische Seite
ist eben. Die Tragnuten im Kohlenstoffring halten die Ölpartikel
zurück.
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Die
Druckschrift EP-A-0 387 122 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer aus Segmenten bestehenden radialen Berührungsdichtung. Schließlich wird
eine weitere Ausgestaltung in EP-A-0 562 895 gezeigt.
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Es
ist festzustellen, dass die Verwendung von axialen oder radialen
Berührungsdichtungen
das Entweichen von Luft in den Ölraum
bedeutend reduziert und folglich auch den Ölverbrauch nach dem Durchströmen des
Entölers.
Jedoch werden die Auswirkungen der Wellenunwucht nicht kontrolliert
und starke Reibung führt
zu Verschleiß,
der die Lebensdauer dieser Dichtungen begrenzt. Diese ist kürzer als
bei Labyrinthdichtungen und liegt häufig im Bereich einiger Tausend
Stunden, was für
die Anwendungen, auf die diese Erfindung abzielt, ungenügend ist.
Außerdem
kommt es bei diesen Dichtungen bei Gegendruck zu Öllecks.
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Ziele der Erfindung
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Diese
Erfindung hat die Aufgabe, eine neue Dichtung für Lagergehäuse eines Turbotriebwerks zu liefern,
mit der das Entweichen von Luft aus dem Luftraum in den Ölraum kontrolliert
werden kann, um so den Ölverbrauch
durch den Luft-Entöler
zu kontrollieren.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe dieser Erfindung ist es, das Auslaufen von Öl aus dem Ölraum in
den Luftraum zu vermeiden, um die Luft in der Kabine oder im Cockpit,
die aus Luftentnahmen der Kompressoren zugeführt wird, nicht zu verunreinigen.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe dieser Erfindung ist es, den Verschleiß und die Erhitzung der Dichtungen
durch Reibung zu kontrollieren, damit ihre Lebensdauer der normalen
Lebensdauer des Antriebs entspricht und die Verkokung des Öls verhindert
wird.
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Wichtigste charakteristische
Elemente der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung für das Lager eines Turbotriebwerks,
wobei dieses Turbotriebwerk einen Ölraum und einen Luftraum umfasst.
Das Lager umfasst ein Wälzlager,
das zwischen eine Muffe, die mit einer beweglichen Welle verbunden
ist, eine Lageraufnahme, eine Dichtungsaufnahme eingebaut ist. Die
Dichtung trennt den Ölraum
des Wälzlagers
vom Luftraum des Turbotriebwerks und umfasst einen Drehring, der
auf den auf der Ölraumseite
befindlichen Teil der Muffe montiert ist, sowie einen Kohlering,
der weder die Welle noch die Dichtungsaufnahme berührt.
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Der
Kohlering wird durch Federn in axialer Richtung gegen einen ringförmigen Träger gedrückt, wobei
die Radialseite dieses Kohlerings mit dem vorgenannten Drehring über dessen
Radialseite zusammenwirkt, und zwar über Tragnuten, die in diesem Drehring
hergestellt wurden.
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Mit
dieser Vorrichtung wird während
des Betriebs eine dynamische Abdichtung des Turbotriebwerks ohne
Reibung zwischen den Radialflächen des
Kohlerings und des Drehrings gewährleistet.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffring ein
aus Segmenten bestehender Ring ist.
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In
der weiteren Darlegung der Erfindung wird mit der Bezeichnung "Kohlesegmentring" sowohl ein Ring
bezeichnet, der aus mehreren Kohlesegmenten besteht, als auch ein
geschlitzter Ring aus einem einzigen Segment.
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Außerdem umfasst
der Kohlesegmentring gemäß der Erfindung
Mittel, um eine halbstatische Abdichtung zu gewährleisten, die direkt in dem
Kohlesegmentring hergestellt sind; zudem wird diese halbstatische
Abdichtung durch das Pressen des/der Kohlesegments(te) auf den Träger mittels
einer kreisförmigen
Dehnfeder gewährleistet.
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Das
Lagergehäuse,
der mit einer Dichtung gemäß dieser
Erfindung ausgestattet ist, kann sowohl bei sehr hohen wie auch
sehr tiefen Temperaturen betrieben werden und ist gegebenenfalls
Gegendruck ausgesetzt.
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Vorteilhafterweise
wird der Kohlesegmentring im Betrieb durch die Tragnuten so in der
Dichtungsaufnahme gehalten, dass er den Drehring nicht berührt.
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Vorzugsweise
wird der Drehring in axialer Richtung durch eine Ringfeder gehalten,
ist mittels einer elastischen Dichtung mittig auf der Muffe angebracht
und wird mit Stiften in Drehung versetzt.
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Gemäß einer
anderen Eigenschaft der Erfindung führt eine Abrieb-Vorrichtung
zum Pumpen von Luft mit einer Schraube, die zwischen dem Träger und
der Muffe angebracht ist, die Verdichtung der Luft durch, um einen
Luftüberdruck
am Eingang des Kohlesegmentrings zu erhalten.
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Vorzugsweise
sind die Tragnuten so auf der Oberfläche des Drehrings angebracht,
dass sie für eine
dynamische Abdichtung und einen ausreichenden Anstieg des Luftdrucks
sorgen, um den Gegendruck aufzuheben.
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Auf
besondere vorteilhafte Weise ist die Dichtung axial durch einen
Stellkeil positioniert und verfügt über eine
Drehsicherung, die auch für
die Feststellung des Kohlesegmentrings in axialer Richtung im freien
Zustand sorgt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schnittansicht durch eine Ebene, die durch die Rotationsachse
der Welle verläuft,
einen Teil des Turbotriebwerklagers mit einer Dichtung gemäß dieser
Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte Detailansicht
des Kohlesegmentrings.
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3 zeigt
eine Detailansicht des Drehrings, die ein Beispiel der Abdichtungs-Tragnuten
der Dichtung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
berührungslosen,
axialen Kohledichtungen für
Gegendruck und sehr hohe bzw. sehr niedrige Temperaturen gemäß dieser
Erfindung stellen technische Verbesserungen der herkömmlichen
berührungslosen
oder nicht berührungslosen
axialen Kohledichtungen dar.
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Sie
bringen folgende Vorteile:
- – sehr geringes Entweichen
von Luft aus dem Luftraum in den Ölraum
- – sehr
geringer Ölverbrauch
in den Entölern
- – keine Öllecks vom Ölraum in
den Luftraum, selbst bei Gegendruck
- – Einsatz
bei sehr hoher und sehr niedriger Temperatur
- – keine
Reibung bzw. Verschleiß,
daher sehr lange Lebensdauer
- – unempfindlich
in Bezug auf die Nennunwucht der Welle
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Bei
der Gestaltung berührungsloser,
axialer Kohlenstoffdichtungen für
diese Bedingungen gilt dem Druckgleichgewicht um den Kohlenstoffring ohne
zusätzliche Dichtungen
und ohne Verformung des Drehrings besondere Aufmerksamkeit.
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Das
Durchlassspiel ist genügend
groß,
um die Berührungslosigkeit
der Dichtung zu gewährleisten
und genügend
klein, um den objektiven Luftdurchlass zu sichern und das Auslaufen
von Öl
zu verhindern.
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Die
Form und Richtung der Nuten auf dem Drehring müssen einen Luftfilm erzeugen,
der den Kohlenstoff-ring vom Drehring trennt.
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Ein
System, zur zusätzlichen
Druckbeaufschlagung vor dem Lufteinlass der Dichtung ermöglicht den
Ausgleich des Gegendrucks.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind besser verständlich,
wenn man die folgende Beschreibung einer Ausgestaltung der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen liest.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung
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Gemäß der Darstellung
in 1 ist eine sich drehende Welle in einem Gleitlager
gelagert, das durch ein Gehäuse
oder eine Lageraufnahme 10 getragen wird und ein Wälzlager 8 aufnimmt.
Das Wälzlager 8 befindet
sich in einem sogenannten Ölraum 17,
in dem aufgrund der Schmierung dieses Wälzlagers auf an sich bekannte
und nicht in 1 dargestellte Weise sowohl Öl als auch
Luft vorhanden sind. Außerhalb
des Stützlagers
ist die Welle 16 von einem sogenannten Luftraum 18 umgeben.
Dieser muss bei der auf an sich bekannte Weise erfolgenden Luftentnahme,
die die Verwendung von sauberer Luft erfordert, um die Probleme
der Druckbeaufschlagung und Filterung nicht zu verstärken, ölfrei sein.
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Das
im folgenden vorgestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
vermeidet die verschiedenen Nachteile nach dem Stand der Technik und gewährleistet
gleichzeitig die geforderte Dichtigkeit zwischen dem Luftraum 18 und
dem Ölraum 17, selbst
bei vorhandenem Gegendruck bzw. sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen.
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Die
Dichtung, die diese Bedingungen erfüllt, ist dadurch gekennzeichnet,
dass sie
- – eine
Ummantelung 1 des statischen Teils der Dichtung,
- – einen
Kohlesegmentring 2,
- – einen
Drehring 3 aus Karbid oder mit Karbidbeschichtung, der über Nuten 24 mit
variabler Tiefe, die vorzugsweise in mehreren Reihen angeordnet sind
und mit der Oberfläche 20 des
Kohlesegmentrings zusammenwirken, eine Tragwirkung auf die Kontaktfläche 19 ausübt,
umfasst.
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Die
Gestaltungsdetails des Kohlesegmentrings 2 und des Drehrings 3 sind
jeweils in den 2 und 3 dargestellt.
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Der
Drehring 3 ist auf einer Muffe 15 zentriert, aber
nicht fest; die Muffe wiederum ist auf der Welle 16 mittels
einer elastischen Dichtung 5 befestigt, die einen Ausgleich
des Spiels ermöglicht
und für die
Betriebstemperaturen ausgelegt ist. Diese Einheit befindet sich
vor dem Wälzlager 8,
das auf dem Träger 10 montiert
ist.
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Der
Drehring 3 wird von rückdrehgesicherten Mitnehmerstiften 12 angetrieben
und nur durch eine Feder 4, zum Beispiel eine Ringfeder, in axialer
Bewegung gehalten.
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Durch
ein axiales Sperr- und Rückdrehsicherungssystem 6 bleibt
der Kohlenstoffring 2 in freiem Zustand und im Betrieb
in seiner Aufnahme 1.
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Axiale
Federn 7, die durch einen Haltering 9 gehalten
werden, bilden eine axiale Last, um den Kohlesegmentring 2 und
den Drehring 3 in freiem Zustand in Berührung zu halten.
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Eine
zusätzliche
halbstatische Abdichtung 22, die direkt in den Kohlesegmentring 2 eingearbeitet
ist, weist ähnliche
zulässige
Betriebstemperaturen auf wie der Kohlesegmentring 2. Diese
statische Abdichtung erfolgt durch eine kreisförmige Dehnfeder 21,
die den Kontakt zwischen Kohlesegmentring 2 und Dichtungsaufnahme 1 gewährleistet.
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Eine
Vorrichtung zum Pumpen von Luft mit einer Schraube 13 und
Abriebsystem 14 ermöglicht die
Erhöhung
des Luftdrucks des Luftraums 18 am Eingang der Kohledichtung
auf einen Wert, der über dem
des Ölraums 17 liegt,
um Öllecks
in allen Flugkonfigurationen zu verhindern.
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Der
Luftraum 18 gewährleistet
daher die Druckbeaufschlagung auf der Luftseite der Kohlesegmentdichtung 2 und
der Ölraum 17 sorgt
für den Druck
auf der Ölseite
des Lagergehäuses.
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Eine
Aufnahme 11 dient sowohl der Befestigung der Ummantelung 1 als
auch der axialen Positionsregelung durch einen Keil 23 und
trennt den Luftraum 18 vom Ölraum 17.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung ergibt sich aus der Kombination eines Kohlenstoffrings 2,
der in Form mehrerer Segmente oder eines geschlitzten Rings (im
Gegensatz zu EP-A-0 967 424, US-A-5 301 957, US-A-4 398 730) hergestellt
ist, eines Drehrings 3, der mindestens eine Reihe Tragnuten
aufweist, einer Vorrichtung zum Pumpen von Luft 13, 14 (im
Gegensatz zu EP-A-0 967 424, US-A-4 398 730) und einer (radialen)
kreisförmigen
Dehnfeder 21 des Kohlenstoffrings (im Gegensatz zu EP-A-0
967 424, US-A-5 301 957, US-A-4 398 730, EP-A-1 055 848, EP-A-0
818 607) zur Herstellung einer halbstatischen Abdichtung 22.
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Es
muss angemerkt werden, dass die normalerweise nach dem Stand der
Technik mit Kohlenstoffringen verbundenen Federn Umfangshaltefedern
und nicht Dehnfedern sind.
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Mit
diesen bemerkenswerten erfindungsgemäßen Anordnungen wird die gestellte
Aufgabe gelöst.
Insbesondere das Entweichen von Luft aus dem Luftraum in den Ölraum wird
stark reduziert, was die Kontrolle des Ölverbrauchs und die Vermeidung
eines negativen Einflusses auf die Leistung ermöglicht. Öllecks vom Ölraum in den Luftraum bei Gegendruckbedingungen
werden ebenfalls vermieden, so dass die für die Luftentnahme des Flugzeugs
verwendete Luft nicht verunreinigt wird. Durch Vermeidung der Reibung
wird die Erwärmung
der Dichtung vermieden, sowie die daraus resultierenden Schäden und
Verschleißerscheinungen.
Die Lebensdauer der Dichtungen wird daher bedeutend verlängert. Außerdem kann
die Vorrichtung jeweils bei sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen,
wie in Turbotriebwerken üblich,
betrieben werden.