DE69103252T2

DE69103252T2 - Dichtungsanordnung für Lagerung einer Maschine, insbesondere für Turbomaschine.

Info

Publication number: DE69103252T2
Application number: DE69103252T
Authority: DE
Inventors: Didier Jean Andre Totain
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-12-19
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2011-12-19
Also published as: DE69103252D1; EP0491624A1; EP0491624B1; US5451066A; FR2670830B1; FR2670830A1

Description

In Maschinenlagern, insbesondere in Turbomaschinenlagern, ist häufig eine Welle vorgesehen, die durch eine Gehäusetrennwand hindurchdringen muß, die zwei Räume voneinander trennt, wobei der eine dieser Räume, der im folgenden als "Ölkammer" bezeichnet wird, Luft und Öl enthält, während der andere Raum, der im folgenden als Luftkammer bezeichnet wird, ölfrei gehalten werden muß. Deshalb muß bei dem Durchtritt durch die Trennwand Dichtigkeit gewährleistet sein.
Zu diesem Zweck wurden bereits mehrere Lösungen praktiziert. So beschriebt das Dokument EP-A-0 110 804 ein Realisierungsbeispiel mit einer drehbaren Dichtung, die auf einer Welle montiert und der ein Element zugeordnet ist, das ein Ventil bildet.
Eine andere Lösung sieht vor, auf einer Welle in Höhe eines Trennwanddurchtritts eine bestückte Dose zu montieren, das eine Ölabweisschnecke aufweist, die mit der Außenfläche der Welle zusammenarbeitet, sowie einen Ring aus Kohlenstoff, Graphit oder amorphem Kohlenstoff, der gegebenenfalls in Segmente unterteilt und direkt an der Dose angebracht und vormontiert ist. Diese Lösung erleichtert zwar den Einbau, hat jedoch den Nachteil, daß das Gewicht der Vorrichtung vergrößert und ihre Kosten erhöht werden.
Eine andere Lösung, die in dem Dokument FR-A-2 644 205 beschrieben ist, das die Basis für den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet, besteht darin, daß man in Höhe des Gehäuses eine Ölabweisschnecke vorsieht, die direkt mit der Welle zusammenwirkt, und eine integrierte Dichtung verwendet, die aus einem Kohlenstoffsegmentring besteht, der die radiale Dichtung bildet.
Die Segmente sind mit Hilfe eines elastischen Rings miteinander verbunden, der in einer peripheren Kehle der Segmente angeordnet ist. Die Segmente weisen auf ihrer dynamischen Dichtungsfläche Entlastungshohlräume auf, die den Zweck haben, im Betrieb den spezifischen Druck zwischen Kohlenstoffdichtung und Rotor zu begrenzen. Die integrierte Dichtung weist außerdem einen Haltering auf, der durch Verriegelungsmittel mit dem Gehäuse verbunden ist.
Die aus dem Kohlenstoffsegmentring bestehende radiale Dichtung ist sehr wirksam, wenn der Druck in der Luftkammer größer ist als in der Ölkammer. Die Dichtigkeit wird zwar verbessert, wenn man das aus der Ölabweisschnecke bestehende System hinzufügt, für bestimmte Betriebsfälle bleibt sie jedoch unzureichend.
Das Spiel zwischen der Ölabweisschnecke und der Welle ist nämlich zu groß, um eine ausreichende Ölabweisung zu gewährleisten. Man stellt nämlich fest, daß trotz alledem Öl durch diese Ölabweisschnecke hindurchdringt und die Kohlenstoffdichtung passieren und in die Luftkammer eindringen kann.
Nun ist das Spiel durch die Funktion des Motors bedingt, damit ein Betrieb sowohl mit niedriger Drehzahl als auch mit hoher Drehzahl möglich ist.
Das in dem genannten Patent beschriebene Dichtungssystem ermöglicht also keine perfekte Abdichtung für alle möglichen Betriebskonfigurationen des Motors.
Die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung vermeidet die Nachteile der bisher bekannten Lösungen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Dichtungssystem für Lager einer Maschine, insbesondere einer Turbomaschine, mit einer Welle, die im Innern eines Gehäuses angeordnet ist, das eine Trennwand besitzt, durch die die Welle hindurchdringt und die eine Luftkammer und eine Ölkammer voneinander trennt, wobei das Gehäuse auf der Seite der Ölkammer einen axialen Ansatz aufweist und zwischen der Welle und der Trennwand in einer in dem Gehäuse ausgebildeten Aufnahme eine Dichtung angebracht ist und wobei der axiale Ansatz eine der Außenfläche der Welle gegenüberliegende Ölabweisschnecke aufweist,
das dadurch gekennzeichnet ist,
daß das Dichtungssystem eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Luftströmung aufweist zum Zurückdrängen des in den zwischen dem Ansatz und der Welle vorhandenen Zwischenraum eindringenden Öls in die Ölkammer,
daß der axiale Ansatz eine Anzahl von durchgehenden Bohrungen aufweist und daß die Luftströmung durch eine Luftquelle gewonnen wird, die von der in der Ölkammer vorhandenen Luft gebildet wird, wobei die Ölkammer Ölrückhaltemittel aufweist, die den Durchtritt des Öls durch die Lufteinlässe des axialen Ansatzes verhindern.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Dichtungssystem Mittel zur Luftkomprimierung auf, die eine Vergrößerung der Druckdifferenz zwischen dem Eintritt der Luft in den Ansatz und dem Ausgang des Ansatzes ermöglichen, wobei das System als Luftpumpe arbeitet.
Der Druck zwischen dem Eingang der Ölabweisschnecke und ihrem Ausgang kann erhöht werden, indem man eine Ölabweisschnecke mit variabler Steigung vorsieht. Dieser Druck läßt sich auch dadurch erhöhen, daß man eine Ölabweisschnecke mit variabler Gewindehöhe vorsieht.
Die Luftpumpenwirkung kann verstärkt werden, indem man in dem der Ölabweisschnecke gegenüberliegenden Bereich Muster um die Welle herum anbringt, die Hindernisse für die Luft bilden, um auf diese Weise das Mitreißen zu verstärken, wenn die Welle rotiert, und so das Zurückdrängen des Öls zu verbessern.
Die Pumpenwirkung ist auf die Kombination zweier Elemente zurückzuführen, nämlich
- das Mitreißen der Luft durch die Welle bei der Rotationsbewegung und
- das Kanalisieren dieser Luft in Richtung auf die Ölkammer durch die Ölabweisschnecke, die aufgrund einer Querschnittsänderung (variable Steigung ...) eine Verbesserung des Systems ermöglicht, indem die sie durchlaufende Luft beschleunigt und komprimiert wird.
Die genannten Muster können aus axialen Nuten oder gegenüber der Achse geneigten Nuten oder auch aus einer weiteren Schnecke bestehen.
Die Mittel zur Abscheidung des Öl aus der für die Speisung des Systems bestimmten Luft können aus einem mit einer Mehrfachlochungen versehenen Abweiser bestehen, dem Mittel zum Ableiten des von dem Abweiser aufgenommenen Öls zugeordnet sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Luftquelle von einer geschützten Zone der Ölkammer ausgeht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt das Lager einer Maschine mit einem Dichtungssystem nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 zeigt ein Dichtungssystem für ein mit Komprimierungsmitteln ausgestattetes Lager gemäß der Erfindung,
Fig. 3a, 3b und 4 zeigen Ausführungsvarianten für die auf der Motorwelle angebrachten Muster,
Fig. 5 zeigt die Mehrfachlochungen für den Fall, daß die Luftquelle von der Ölkammer ausgeht,
Fig. 6 zeigt einen Abweiser mit Mehrfachlochung, ebenfalls für den Fall, daß die Luftquelle von der Ölkammer ausgeht.
Fig. 1 zeigt ein Dichtungssystem nach dem Stand der Technik, wie es z.B. in dem Dokument FR-A-2 644 205 beschrieben ist.
Fig. 2 zeigt ein Dichtungssystem für ein Lager gemäß der Erfindung. Bei dem Maschinenoder Turbomaschinenlager bekannter Bauart ist eine Welle 1 in einem Lager drehbar gelagert, das in Fig. 2 nur teilweise dargestellt ist. Ein Gehäuse 2 besitzt eine Trennwand 3, die zwei Lagerkammer bestimmt, nämlich eine Luftkammer 4 auf der einen Seite der Trennwand 3 und eine Ölkammer 5 auf ihrer anderen Seite. Das Gehäuse 2 besitzt einen axialen Ansatz 7, der der Außenfläche der Welle 1 gegenüberliegt.
In dem Gehäuse ist an dem radial inneren Ende der Trennwand 3 zur Trennung der Kammern 4 und 5 eine ringförmige Aufnahme 8 ausgebildet, in der eine in das Gehäuse 2 eingesetzte Dichtung 9 angeordnet ist.
An dem axialen Ansatz 9 ist zwischen dem Ort der Dichtung und dem Eingangsquerschnitt 10 des Ansatzes 7 eine Hohlkehle 13 ausgebildet. Über dieser Hohlkehle befinden sich in dem Gehäuse 2 Lochungen, wodurch Lufteinlässe 14 gebildet werden, die in dem von der Kehle begrenzten Zwischenraum münden.
Über diese Einlässe kann also ein Luftdurchsatz in die Hohlkehle eingebracht und von der rotierenden Welle durch Reibungswirkung mitgerissen werden, wodurch das Öl zurückgedrängt wird, das dazu tendiert, in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und einzudringen.
Die Dichtung 9 kann eine Dichtung bekannter Art sein. So kann man beispielsweise eine radiale Segmentdichtung vom Kohlenstofftyp oder eine Bürstendichtung verwendet.
Die in der erwähnten Weise ausgebildete Vorrichtung zur Erzeugung des Luftdurchsatzes hat die Funktion eines Minikompressors. Sie ermöglicht in der Tat eine Kanalisierung der durch die Einlässe 14 eindringenden Luft, wobei diese von der rotierenden Welle in Bewegung versetzt und mit maximaler Wirksamkeit in die Ölkammer ausgeworfen wird.
Um die Geschwindigkeit und den Ausgangsdurchsatz der in die Einlässe 14 eindringenden Luft soweit wie möglich zu vergrößern, können Mittel vorgesehen sein, die den Eintrittsquerschnitt 10 relativ zu dem Austrittsquerschnitt 11 vergrößern.
Diese Mittel bestehen darin, daß man eine zunehmende Veränderung der Querschnitte der Luftdurchlässe vorsieht. Hierdurch werden die Druckunterschiede zwischen dem Eingang 10 und dem Ausgang 11 des Minikompressors vergrößert. So ist der axiale Ansatz 7 mit einer Schraube oder Schnecke mit sich veränderndem Querschnitt ausgestattet. Die Steigung der Gewinde 12 der Schnecke kann in der Weise variabel sein, daß sie vom Eingang 10 zum Ausgang 11 hin kleiner wird. Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung der Druckdifferenz zwischen dem Eingang 10 und dem Ausgang 11 darin bestehen, daß man eine Schnecke 20 vorsieht, deren Gewindehöhe variabel ist und in Richtung auf den Ausgang 11 hin größer wird.
Diese Mittel können kombiniert sein mit Mitteln, durch die Fähigkeit der Welle, bei ihrer Drehung die Luft mitzureißen, verbessert wird. Fig. 3a, 3b und 4 zeigen verschiedene mögliche Lösungen hierfür. Diese Lösungen bestehen darin, daß man auf der Welle 1 Muster ausbildet. In Abhängigkeit von den jeweiligen Anwendungen kann man auch die Anordnung einer Schnecke mit dynamischer Wirkung auf der Welle in Betracht ziehen.
Fig. 2 zeigt eine Welle, auf der Facetten 30 ausgebildet sind. Bei dem Beispiel von Fig. 3a bestehen die Muster aus Nuten 31, die in Achsenrichtung der Welle 1 verlaufen. Fig. 3b zeigt Muster, die aus Nuten 32 bestehen, die gegenüber der Achse der Welle 1 geneigt sind.
Fig. 4 zeigt "Schöpfkellen" 33, die sich beispielsweise durch Fräsen herstellen lassen.
Die Luftquelle 15 soll die Speisung des Minikompressors ermöglichen. Sie darf offensichtlich kein Öl transportieren. Erfindungsgemäß befindet sich die Luftquelle innerhalb des Lagers. So wird die Luft in der Ölkammer entnommen. Hierzu muß die Luft von Öl gereinigt werden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform für eine solche innere Entnahme von Luft in der Ölkammer. Der Lufteinlaß erfolgt in diesem Fall durch ein System 140 mit Mehrfachlochung. Die in dem Gehäuse in der Nähe der freigeschnittenen Kehle 13 ausgebildeten Mehrfachlochungen 140 ermöglichen eine Verteilung der aus der Ölkammer kommenden Luft in Höhe der einzelnen Einlässe und erlauben gleichzeitig ein Zurückhalten des Öls.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbespiel, bei dem die Luft der Ölkammer als Quelle verwendet werden kann. Bei diesem Ausführungsbespiel ist in der Ölkammer ein Abweiser 141 mit Mehrfachlochung angeordnet. Dies ermöglicht einen Niederschlag des Öls an dem Blech und ein Rückführen des Öls in die Ölkammer mit Hilfe einer von einem umlaufenden Kragen 143 begrenzten Rückführungskehle 142 und einer an dem tiefsten Punkt liegenden Rückführungsöffnung 144. Somit ist die durch den Einlaß 14 eindringende Luft von dem Öl der Ölkammer gereinigt.

Claims

1. Dichtungssystem für Lager einer Maschine, insbesondere einer Turbomaschine, mit einer Welle, die im Innern eines Gehäuses (2) angeordnet ist, das eine Trennwand (3) besitzt, durch die die Welle hindurchdringt und die eine Luftkammer (4) und eine Ölkammer (5) voneinander trennt, wobei das Gehäuse auf der Seite der Ölkammer einen axialen Ansatz (7) aufweist und zwischen der Welle (1) und der Trennwand (3) in einer in dem Gehäuse ausgebildeten Aufnahme eine Dichtung (9) angebracht ist und wobei der axiale Ansatz (7) eine der Außenfläche der Welle gegenüberliegende Ölabweisschnecke (20) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Dichtungssystem eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Luftströmung aufweist zum Zurückdrängen des in den zwischen dem Ansatz (7) und der Welle vorhandenen Zwischenraum eindringenden Öls in die Ölkammer,

daß der axiale Ansatz (7) eine Anzahl von durchgehenden Bohrungen (140) aufweist und daß die Luftströmung durch eine Luftquelle (15) gewonnen wird, die von der in der Ölkammer vorhandenen Luft gebildet wird, wobei die Ölkammer Ölrückhaltemittel aufweist, die den Duchtritt des Öls durch die Lufteinlässe des axialen Ansatzes (7) verhindern.

2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel (20, 12) zur Luftkompression aufweist, die eine Vergrößerung der Druckdifferenz zwischen dem Lufteintritt in den axialen Ansatz und dem Ausgang des Ansatzes ermöglichen.

3. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölabweisschnecke (20) variable Steigung hat.

4. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölabweisschnecke (20) eine variable Gewindehöhe hat.

5. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ölabweisschnecke (20) gegenüberliegende Fläche der Welle Muster aufweist, die bei Rotation der Welle die Luft mitreißen und das Öl zurückdrängen.

6. Dichtungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster von Nuten (31) gebildet sind.

7. Dichtungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster von Facetten (30) gebildet sind.

8. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölrückhaltemittel aus einem mit zahlreichen Bohrungen versehenen Abweiser (141) bestehen.

9. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftquelle (15) von einer geschützten Zone der Ölkammer ausgeht.