DE69327665T2

DE69327665T2 - Dichtanordnung für rotierende maschinen

Info

Publication number: DE69327665T2
Application number: DE69327665T
Authority: DE
Inventors: G. Olson
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-08-11
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2013-07-10
Also published as: EP0685048A4; US5464227A; WO1994004856A1; EP0685048A1; EP0685048B1; DE69327665D1; JP3555683B2; JPH07509771A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft eine Abdichtungsbaugruppe für eine Rotationsmaschine und mehr insbesondere eine Abdichtungsbaugruppe, die an einen Lagerabteil einer solchen Maschine angrenzt und welche das Einströmen von heissen Arbeitsmediumgasen in das Lagerabteil blockiert und den Verlust von Schmiermittelfluid aus dem Lagerabteil verhindert.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Axialstromrotationsmaschine, wie z. B. ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug, hat einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein Strömungsweg für heisse Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch die Abschnitte des Triebwerkes. Der Strömungsweg für heisse Gase ist im allgemeinen ringförmig gestaltet.
Beim Strömen der Arbeitsmediumgase entlang diesem Strömungsweg werden die Gase in dem Verdichterabschnitt komprimiert, wodurch die Temperatur und der Druck der Gase ansteigen. Die heissen, verdichteten Gase werden mit Kraftstoff in dem Brennkammerabschnitt verbrannt, um den Gasen Energie zuzuführen. Diese Gase werden in dem Turbinenabschnitt entspannt zum Erzeugen von nutzbarer Arbeit und Schub.
Das Triebwerk hat eine Rotorbaugruppe in dem Turbinenabschnitt, die geeignet ist, durch eine Rotorscheibe und von der Rotorscheibe sich nach aussen erstreckenden Schaufeln, um Energie aus den heissen Arbeitsmediumgasen aufzunehmen. Die Rotorbaugruppe erstreckt sich in den Verdichterabschnitt. Die Rotorbaugruppe hat Verdichterschaufeln, die sich nach aussen durch den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken. Die energiereichen Arbeitsmediumgase treiben in dem Turbinenabschnitt die Rotorbaugruppe um ihre Drehachse an. Die Verdichterschaufeln drehen mit der Rotorbaugruppe und treiben die einströmenden Arbeitsmediumgase nach hinten, wobei die Gase verdichtet und erhitzt werden bevor sie in die Brennkammer eintreten.
Die Statorbaugruppe hat eine Vielzahl von Lagerabteilen. Jedes Lagerabteil hat mindestens ein Lager zum Tragen der drehbaren Welle der Rotorbaugruppe in der Statorbaugruppe. Das Lager in dem Lagerabteil wird mit Schmiermittelfluid, wie z. B. Öl, versorgt zum Schmieren seiner Lagerflächen. Eine Abdichtungsbaugruppe erstreckt sich zwischen der drehbaren Welle und dem Lagerabteil zum Blockieren der Ölleckage aus dem Lagerabteil und um das Einströmen von heissen Arbeitsmediumgasen in das Lagerabteil zu unterbinden.
Ein Beispiel einer Abdichtungsbaugruppe für ein solches Lagerabteil zeigt die US-A-4,406,459 erteilt an Davis und Sidat und betitelt "Einrichtung zum Zurückführen von Lecköl von Kohledichtungsscheiben" auf welche die zweiteilige Form der unabhängigen Ansprüche 1 und 13 sich stützt. Bei diesem Stand der Technik hat die Abdichtungsbaugruppe eine Dichtungsscheibe, die drehbar an der Rotorwelle befestigt ist. Ein Dichtungselement, üblicherweise aus Kohle hergestellt, ist von der Statorbaugruppe getragen und wird gegen die Dichtungsscheibe gedrückt, um die Ölleckage aus dem Abteil zu blockieren und das Eintreten von Arbeitsmediumgasen in das Abteil zu unterbinden. Die Berührungsstelle zwischen der Dichtungsscheibe und dem Dichtungselement wird mit Öl versorgt, um diese Reibungsflächen zu schmieren.
Öl, welches diesen Flächen zugeführt wird kann aus der Abdichtungsbaugruppe ausströmen in den Bereich zwischen der Abdichtungsbaugruppe und der Rotorwelle. Ein Ölrückflusskanal 58 in der Dichtungsscheibe dient als Leitung zum Zurückführen des Öls in das Lagerabteil. Die Rotation der Dichtungsscheibe um die Achse des Triebwerkes übt eine Radialkraft auf das Öl in dem Rückflusskanal aus und drückt das Öl radial nach aussen durch die Kanäle.
Gelegentlich wandert Lecköl aus dem Lagerabteil durch Hohlräume zwischen der Rotorwelle und dem Dichtungselement in das Innere des Triebwerkes. Das Öl kann eine Stelle erreichen wo es sich in einer Isolierung ansammelt und an anderen Stellen des Motors eingefangen wird. Dies stellt eine Feuergefahr dar wenn das Öl in Berührung kommt mit den heissen Arbeitsmediumgasen, welche Sauerstoff enthalten und dort unter einer ausreichend hohen Temperatur für eine ausreichend lange Zeitspanne verbleibt, um die Entzündung zu bewirken.
Es wird ebenfalls verwiesen auf die US-A-5,133,562, die eine drainierte Abdichtung zeigt mit einem Rotor und einem Stator. Zusammenwirkende, axial weisende Dichtungsflächen sind am Rotor und am Stator vorgesehen und ein Axialspalt befindet sich dazwischen, um einen Kanal zu schaffen, der Leckfluid zu einem Drainagehohlraum leitet. Die innere Fläche des Rotors erweitert sich zu einem grösseren inneren Durchmesser an seiner Dichtungsfläche, damit Leckfluid, das längs der inneren Fläche wandert, einer Zentrifugalkraft ausgesetzt wird, die das Leckfluid zurück in den Spalt zwischen den Dichtungsflächen drückt.
Auf eine ähnliche Wirkung wird auch zurückgegriffen in der US-A-4, 406, 459 zum Zuführen von Öl zu dem Ölkanal in der Dichtungsscheibe. Die Nuten in dem Innenring des Lagers sind nach aussen geneigt in Richtung zu dem Ölkanal, damit das Öl einer Zentrifugalkraft ausgesetzt wird, um es zu der Dichtungsfläche zu pumpen.
In der JP 1-244 573, 07 September 1989, sind Einrichtungen vorgesehen zum Einstellen eines Spaltes in einer Wellendichtungsvorrichtung, um eine Berührung zwischen einer ersten und einer zweiten kegelstumpfförmigen Dichtungsfläche zu verhindern in Folge Verlagerung einer Welle in Axialrichtung, die eine der Dichtungsflächen trägt, welche mit der anderen kegelstumpfförmigen Dichtungsfläche zusammenwirkt, unter Begrenzung der Leckage zwischen den Dichtungsflächen.
Ungeachtet des beschriebenen Standes der Technik haben Wissenschaftler und Ingenieure, die unter der Anleitung der Patentinhaberin arbeiten sich mit dem Problem befasst die Wanderung von Öl aus dem Lager in das Innere der Rotationsmaschine auf vorteilhaftere Art und Weise zu blockieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, dass die Rotationsbewegung der Welle Grenzschichten erregt benachbart zu den Flächen an der Welle und an Bauteilen, die an der Welle befestigt sind. Diese erregten Grenzschichten können benutzt werden, um Öl, das aus dem Lagerabteil ausgeflossen ist in das Lagerabteil zurückzudrücken und, in Anwendungsbeispielen, welche Ölrückflusslöcher aufweisen, zu den Ölrückflusslöchern zurückzuführen.
Gemäss der Erfindung, wie in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben ist, hat eine Abdichtungsbaugruppe für ein Öl enthaltendes Abteil in einer Axialstromrotationsmaschine angrenzend an eine ringförmige Kammer einen ringförmigen Spalt zwischen benachbarten Flächen des Rotors und des Stators, der sich in unmittelbarer Nähe der Kammer befindet, und der durch eine rotierende Fläche begrenzt ist, wobei mindestens eine der Grenzflächen schräg nach aussen in Richtung zu der Kammer geneigt ist, um die Kammer unter Druck zu setzen.
Gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat der Stator eine zweite Fläche, die den ringförmigen Spielspalt begrenzt, und die von der rotierenden Fläche um ein vorbestimmtes Mass beabstandet ist, das kleiner ist als ein Sechzehntel des Radialabstandes zwischen der Rotationsachse und dem ringförmigen Spalt.
Gemäss einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Abdichtungsbaugruppe einen Ölrückflusskanal, der sich von der ringförmigen Kammer zu dem Lagerabteil erstreckt und die Rotationsenergie, die dem Öl und den Gasen durch die Grenzschicht in dem ringförmigen Spalt G erteilt wird treibt das Öl in Richtung zu dem Rückflusskanal.
Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Abdichtungsbaugruppe mit zwei Dichtungsflächen, die an einer Schnittstelle in Reibberührung sind. Ein anderes Merkmal ist ein ringförmiger Spielspalt zwischen einer stationären Fläche und einer rotierenden Fläche in unmittelbarer Nähe der Schnittstelle. Noch ein anderes Merkmal ist, dass mindestens eine der Flächen, die den Spalt begrenzen, schräg nach aussen geneigt ist in Richtung zu dem Kanal. Gemäss anderen Ausführungsbeispielen kann die geneigte Fläche an dem drehenden Bauteil vorgesehen sein, der den Spalt begrenzt, dem stationären Bauteil, der den Spalt begrenzt, oder an beiden Bauteilen, die den Spalt begrenzen. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist der Winkel, der zwischen der Fläche und der Rotationsachse eingeschlossen ist grösser als drei Grad. Bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein Ölrückflusskanal radial durch einen drehenden Bauteil zu dem Lagerabteil. Eine ringförmige Nut zum Sammeln von Öl weist radial nach innen. Eine zweite Sammelnut befindet sich radial einwärts der ersten Sammelnut und weist radial nach aussen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der drehende Bauteil eine schräg nach aussen geneigte Fläche, die sich axial über einen Teil des Bauteiles erstreckt, und eine schräg nach innen geneigte Fläche. Die nach innen geneigte Fläche erstreckt sich axial über einen anderen Teil des Bauteiles zum Begrenzen der nach aussen weisenden Nut.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist die Unversehrtheit des Triebwerkes infolge der Blockage des Schmiermittelverlustes aus einem Abteil durch Unterdrucksetzen der Abdichtungsschnittstelle. Ein anderer Vorteil ist die minimale Auswirkung des Unterdrucksetzens der Abdichtungsschnittstelle auf den Triebwerkswirkungsgrad, infolge der Ausnutzung einer schon bestehenden Grenzschicht zum Herleiten einer Pumpwirkung, um den an das Ölabteil angrenzenden Bereich unter Druck zu setzen. Ein Vorteil eines bestimmten Ausführungsbeispieles ist die Wirksamkeit des Ölrückflusssystems, infolge der Ausnützung sowohl der Grenzschichtkräfte als auch der Zusammenwirkung der schrägen Flächen mit der Grenzschicht, um das Öl zu den Ölrückflusskanälen zu drücken.
Die vorher beschriebenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nun folgenden ausführlichen Beschreibung des besten Ausführungsbeispieles der Erfindung und der zugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines Lagerabteiles für eine Axialströmungsmaschine.
Fig. 2 ist eine vergrösserte Querschnittansicht einiger der in Fig. 1 dargestellten Bauteile.
Fig. 3 ist ein abgeändertes Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 gezeigten ringförmigen Spaltes.
Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 gezeigten ringförmigen Spaltes.
Fig. 5 ist eine zeichnerische Darstellung der Zusammenwirkung der in Fig. 2 gezeigten Flächen.

BESTES BEISPIEL ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Teiles einer Axialstromrotationsmaschine 10. Die Fig. 1 zeigt einen Teil des Turbinenabschnittes 12 der Maschine zur Darstellung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung. Die Rotationsmaschine hat eine Statorbaugruppe 14, die sich in Umfangsrichtung um das Triebwerk erstreckt. Eine Rotorbaugruppe, wie durch die Rotorwelle 16 dargestellt, hat Rotorschaufeln (nicht dargestellt). Die Rotorwelle hat eine Rotationsachse Ar.
Die Rotorschaufeln erstrecken sich radial nach aussen durch den Strömungsweg für heisse Arbeitsmediumgase (nicht dargestellt) in dem Verdichterabschnitt (nicht dargestellt) und in dem Turbinenabschnitt. Arbeitsmediumgase gelangen aus dem Arbeitsmediumströmungsweg in den Verdichterabschnitt, wie durch den Pfeil 18 dargestellt, zum Bereitstellen von Kühlluft in dem Turbinenabschnitt. Diese Gase sind verhältnismässig heiss im Vergleich zur Umgebungstemperatur, sie sind jedoch verhältnismässig kühl im Vergleich zu der hohen Temperatur in dem Turbinenabschnitt.
Die Statorbaugruppe 14 hat ein Lagerabteil 22 mit Wänden 24, 26. Ein Lager 28 zum drehbaren Abstützen der Welle 16 befindet sich in dem Lagerabteil. Eine ringförmige Stütze 32 für das Lager erstreckt sich durch die Wände nach innen. Mindestens ein Teil der Wand 24 hat eine Isolierung 34, die um das Lagerabteil angeordnet ist. Die Isolierung blockiert den Wärmeübergang zu dem Lagerabteil von den heissen Arbeitsmediumgasen 18. Ein Schild 36 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Isolierung, um diese gegenüber Verunreinigungen, wie z. B. Wanderöl, im Inneren des Triebwerkes abzuschirmen.
Ein Ölversorgungskanal 38 verläuft innerhalb des Lagers und ist in Strömungsverbindung mit einer Druckölquelle (nicht dargestellt) über einen ringförmigen Kanal 42. Der Ölversorgungskanal ist in Strömungsverbindung mit Kanälen durch den Innenring 44 (nicht dargestellt) der Lagerbaugruppe zum Schmieren des Lagers 28 und anderen drehbaren Bauteilen.
Infolge der Schmierung enthält das Lagerabteil 22 Öl und Öldämpfe.
Eine Abdichtungsbaugruppe 46 ist an der Welle 16 und dem Lagerabteil 22 vorgesehen zum Unterbinden des Ölverlustes aus dem Lagerabteil. Die Abdichtungsbaugruppe hat eine Dichtungsscheibe 48, die mit der Welle drehbar ist und eine nicht drehende Dichtungselementeinrichtung 52, die gleitend an einer ersten Stelle 54 an der Dichtungsscheibe anliegt und in Gleitberührung mit dem Lagerabteil ist, wie im späteren beschrieben wird.
Das Lagerabteil 22 hat eine Vielzahl von axial ausgerichteten Stangen 56 und einen Flansch 58 mit zwei ringförmigen Nuten 62, welche nach aussen offen sind. Jede nach aussen offene Nut enthält einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kolbenring 64, der sich in Umfangsrichtung der Nut erstreckt. Jeder Kolbenring hat eine Dichtungsfläche 66, mit welcher der Kolbenring gleitend an der Dichtungselementeinrichtung anliegt.
Die Dichtungselementeinrichtung 52 hat ein Kohledichtungselement 68 und einen Tragring 72 für das Kohledichtungselement, welche sich um eine Achse As erstrecken. Der Tragring hat eine in Umfangsrichtung verlaufende Dichtungsfläche 74, an der die Dichtungsflächen der Kolbenringe gleitend anliegen. Der Tragring hat einen in Umfangsrichtung verlaufenden Flansch 76. Der Flansch hat eine Vielzahl von Durchbrüchen, wie durch den Durchbruch 78 dargestellt, zur verschiebbaren Lagerung auf den Stangen. Eine Vielzahl von Federeinrichtungen, wie durch die Feder 82 dargestellt, erstrecken sich zwischen dem Lagerabteil und der Dichtungselementeinrichtung und drücken die Dichtungselementeinrichtung in Axialrichtung zu der Dichtungsscheibe 48.
Ausser der Dichtungsscheibe 48 hat die Rotorbaugruppe 16 ein Wellenelement, wie durch das Abstandsstück 84 dargestellt ist. Das Abstandsstück erstreckt sich in Umfangsrichtung um eine Achse As. Das Abstandsstück liegt an der Dichtungsscheibe an und ist mit der Welle drehbar.
Eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Hülse 86 hat mindestens zwei radial vorstehende Messerkanten 88, welche radial nach aussen ragen bis in die Nähe des Lagerabteils 22, um eine Labyrinthdichtung zu bilden. Die Rotorbaugruppe 16 ist ausgelegt, um über einen radial vorstehenden Flansch 92 an der Hülse anzuliegen. Der radial vorstehende Flansch hat eine radiale Höhe h&sub1;. Das Wellenabstandsstück 84 hat einen radial vorstehenden Flansch 94 mit einer radialen Höhe h&sub2;. Die radiale Höhe h&sub1; und die radiale Höhe der Hülse sind grösser oder gleich zu der radialen Höhe h&sub2; des axial vorstehenden Flansches des Wellenelementes, damit Axialkräfte über die Hülse übertragen werden ohne Biegemomente in der Hülse hervorzurufen. Mindestens ein Teil des Abstandsstückes erstreckt sich radial nach aussen über den Flansch hinaus.
Die Fig. 2 ist eine vergrösserte Querschnittansicht des Wellenabstandsstückes 84, der Dichtungselementeinrichtung 52 und der Dichtungsscheibe 48, welche in Fig. 1 gezeigt sind. Relative statische Drücke sind dargestellt durch die Zeichen P-, P+, P&sub1; und P++.
Wie in Fig. 2 gezeigt hat das Kohledichtungselement 68 eine Dichtungsfläche 96 und eine nach innen weisende Fläche 98. Die Fläche ist radial beabstandet von der Welle 16 und lässt einen in Umfangsrichtung verlaufenden Hohlraum 102 dazwischen frei. Die Fläche erstreckt sich axial in einer ersten Axialrichtung A&sub1; zu der Dichtungsscheibe. Die Fläche divergiert in dieser ersten Axialrichtung nach aussen weg von der Rotationsachse Ar und der Achse As. Die Dichtungsfläche 96 weist in der ersten Axialrichtung. Die Dichtungsfläche erstreckt sich nach aussen von der Fläche 98 und liegt gleitend an der Dichtungsscheibe 48 an.
Die drehbare Dichtungsscheibe 48 hat eine Dichtungsfläche 104, die in einer zweiten Axialrichtung, entgegengesetzt zu der ersten Axialrichtung weist. Die Dichtungsfläche liegt gleitend an einer ersten Stelle an der Dichtungsfläche 96 des Dichtungselementes 68 an. Die Dichtungsscheibe 48 hat einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden, ringförmigen Kanal 106 zur Aufnahme von Schmieröl aus dem Kanal 38. Eine Vielzahl von Ölkanälen zum Zuführen von Öl zu der Dichtungsfläche, wie durch den Kanal 108 dargestellt, verlaufen radial nach aussen von dem ringförmigen Kanal zu der Dichtungsfläche.
Die Dichtungsscheibe 48 hat eine zweite Fläche 112, die sich radial einwärts von der ersten Stelle erstreckt. Die zweite Fläche ist axial beabstandet von dem Dichtungselement 68, um eine ringförmige Nut 114 dazwischen zu bilden. Die ringförmige Nut weist radial nach innen. Mindestens ein Ölrückflusskanal 116 erstreckt sich radial nach aussen von der ringförmigen Nut durch die Dichtungsscheibe und zu dem Lagerabteil. Der Ölrückflusskanal setzt das Lagerabteil in Strömungsverbindung mit der nach innen weisenden Nut.
Das Abstandsstück 84 hat eine nach aussen weisende erste Fläche 118. Die nach aussen weisende erste Fläche erstreckt sich in der ersten Axialrichtung zu der ersten Stelle. Die erste Fläche divergiert nach aussen in dieser Richtung weg von der Achse As und weg von der Drehachse Ar. Die nach aussen weisende erste Fläche ist radial beabstandet von der nach innen weisenden Fläche des Dichtungselementes und lässt einen Spielspalt G dazwischen frei.
Das Abstandsstück 84 hat eine nach aussen weisende zweite Fläche 122. Die nach aussen weisende zweite Fläche verläuft von der ersten Fläche in der ersten Axialrichtung konvergent zu der Welle 16 und zu der zweiten radial verlaufenden Fläche 112 der Dichtungsscheibe 48. Die nach aussen weisende zweite Fläche ist axial beabstandet von der Dichtungsscheibe über mindestens einen Teil der zweiten Fläche, um eine nach aussen weisende Nut 124 dazwischen zu bilden. Die Nut ist begrenzt durch die Dichtungsscheibe und das Abstandselement. Die nach aussen weisende Nut und die nach innen weisende Nut begrenzen eine ringförmige Kammer 126. Die ringförmige Kammer ist in Strömungsverbindung mit dem ringförmigen Spielspalt G zwischen dem Dichtungselement 68 und dem Abstandsstück.
Die Fig. 3 zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Bauart nach Fig. 2 mit einer zylindrischen Fläche 128 an dem drehenden Wellenabstandsstück 84 und einer kegelstumpfförmigen Fläche 132 auf der nach innen weisenden Seite des Kohledichtungselementes 68.
Die Fig. 4 zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Bauart nach Fig. 3 mit einer kegelstumpfförmigen, divergenten ersten Fläche 134 am Wellenabstandsstück und einer zylindrischen nach innen weisenden Fläche 136 am Kohledichtungselement 68.
Die Fig. 5 zeigt eine vergrösserte, schematische Darstellung, jedoch nicht im Masstab, des Zusammenhanges zwischen der nach aussen weisenden ersten Fläche 118 am Wellenabstandsstück und der nach innen weisenden Fläche 98 am Kohledichtungselement 68. Die sich in Umfangsrichtung erstreckende Grenzschicht ist durch die Pfeile angedeutet, wobei die Richtung der Pfeile die mechanische Zusammenwirkung der schrägen Fläche 98 am Kohledichtungselement mit der Grenzschicht wiederspiegelt.
Während des Betriebes des Gasturbinenausführungsbeispieles der in Fig. 1 dargestellten Rotationsmaschine dreht die Rotorbaugruppe 16 um die Rotationsachse Ar, mit einer minimalen Geschwindigkeit, welche fünftausend Umdrehungen pro Minute übersteigt. Das Lager 28 trägt die Welle und erlaubt die Rotationsbewegung der Welle in Bezug auf die Statorbaugruppe. Öl wird dem Lagerabteil 22 zugeführt zum Kühlen der drehenden Bauteile und zum Schmieren der kritischen Bauteile, wie z. B. des Lagers.
Die Dichtungsscheibe 48 und das Kohledichtungselement 68 sind zwei andere Bauteile, welche geschmiert werden müssen. Schmieröl strömt aus dem ringförmigen Kanal 106 radial nach aussen durch den Kanal 108 in der drehenden Dichtungsscheibe. Beim Nachaussenströmen des Öls wirken über die Dichtungsscheibe auf das Öl angelegte Rotationskräfte, um es zu der Dichtungsschnittfläche an der ersten Stelle zwischen der Dichtungsscheibe und dem Kohledichtungselement zu drücken. Ein Teil des der Schnittfläche zugeführten Öls strömt radial nach aussen und gelangt sofort in das Lagerteil 22 zurück. Ein anderer Teil des Öls strömt radial nach innen in die nach innen weisende ringförmige Nut 114. Es wird angenommen, dass das Öl mit einer so hohen Geschwindigkeit eintreten kann, dass es radial nach innen am ringförmigen Spielspalt G vorbei gegen die zweite Fläche 122 des Abstandsstückes spritzt.
Ein Teil des Öls kann in dem Spielspalt G zwischen dem Dichtungselement 68 und dem Abstandsstück 84 gedrückt werden. Während der Rotationsbewegung mit hoher Geschwindigkeit des Abstandsstückes um die Triebwerksachse läuft die erste Fläche 118 mit hoher Geschwindigkeit um die Rotationsachse Ar. Die hohe Geschwindigkeit der ersten Fläche erzeugt eine erregte Grenzschicht, die sich nach aussen erstreckt zu der nach aussen geneigten, stationären Fläche 98 des Dichtungselementes. Die Grenzschicht sowie jegliches Öl, das in der Grenzschicht enthalten ist werden gegen diese geneigte Fläche gedrückt. Die geneigte Fläche leitet das Öl zu der ringförmigen Kammer durch mechanische Zusammenwirkung mit dem Öl und durch mechanische Führung der erregten Grenzschicht in dieser Richtung.
Der Spielspalt G wird so ausgewählt, damit er eng genug ist, um die Ölpumpwirkung zu erhalten, welche erforderlich ist, um das Öl zu der ringförmigen Kammer zurückzuführen. Es liegt noch eine weitere Bedingung vor für die Bemessung des Spaltes. Die Rotorbaugruppe 16 bewegt sich radial nach aussen und in Axialrichtung in Bezug auf die stillstehende, äussere Fläche 98 ansprechend auf Rotationskräfte und Betriebstemperaturänderungen. Dementsprechend ist der Spielspalt ausgelegt, um mindestens diese Axial- und Radialbewegungen in Rechnung zu ziehen. Die Schrägstellung der beiden Flächen (Fläche 108 - Winkel a; Fläche 98 - Winkel b) in Bezug auf die Drehachse Ar (und die Achse As) in einem Winkel von mindestens drei (3) Grad ergibt eine sehr vorteilhafte Wirkung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel a und der Winkel b fünf (5) Grad. Ein grösserer Winkel ergibt ein vorteilhafteres Ergebnis. Demgegenüber verringert ein grösserer Winkel die Axialbewegung, die für einen bestimmten Radialspalt zugelassen werden kann und kann ein grösseres Radialspiel verlangen. Dementsprechend ist ein Kompromiss zu treffen hinsichtlich der Pumpwirkung zwischen einer Vergrösserung des Winkels der Flächen (wodurch die Pumpwirkung steigt) und dem gleichzeitigen Bedürfnis zur Vergrösserung des Radialspaltes (wodurch die Pumpwirkung vermindert wird), um die relative Axialbewegung zuzulassen.
Theoretisch ist die Grenzschicht wesentlich dicker als der ringförmige Spalt und ihre angenäherte Grösse kann berechnet werden mittels Formeln für die Flachscheibentheorie in "Viscous Fluid Flow" (zweite Ausgabe) von F. M. White veröffentlicht durch McGraw Hill, Inc. (New York 1991) Seite 235 und "Introduction to Fluid Mechanics" (dritte Ausgabe) von Fox und McDonald veröffentlicht durch John Wiley and Sons (New York 1985) Seite 448. Der Optimalspalt kann empirisch ermittelt werden. Es wird angenommen, dass zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, wenn der Radialspalt eine radiale Höhe aufweist, welche geringer oder gleich ist zu einem Sechzehntel des Radialabstandes von der Rotationsachse zu dem Radialspalt, (d. h. die radiale Höhe des Spielspaltes G ist normalisiert durch den Radius R zu dem Spalt).
Es liegt eine zweite vorteilhafte Wirkung vor durch die Schrägstellung der ersten Fläche. Der innerste Teil der ersten Fläche 118 läuft mit einer wesentlich geringeren Umfangsgeschwindigkeit als der äusserste Teil der ersten Fläche. Falls der Gesamtdruck in dem ringförmigen Spalt G konstant bleibt erzeugt der Geschwindigkeitsunterschied ein statisches Druckgefälle (P+ > P&sub1;), der jegliches Öl, das in den Spalt eintreten kann in die Kammer 126 zurückdrückt, die eingeschlossen ist zwischen der nach aussen weisenden Nut 124 und der nach innen weisenden Nut 114. Falls der Gesamtdruck merklich ansteigt verringert der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Enden des Spaltes G den Einfluss den ein widriges statisches Druckgefälle (P1 > P+) auf die Ölleckage haben könnte.
Wenn die Arbeitsmediumgase in die ringförmige Kammer 126 benachbart zur Dichtungsgrenzfläche gepumpt werden, dehnen sich die Gase aus, vermindern ihre Geschwindigkeit und bewirken eine statische Druckzunahme P++ in der Nähe der Dichtungsgrenzfläche. Dies bewirkt eine weitere Blockierung des Ölverlustes aus dem Lagerabteil.
Es wird davon ausgegangen, dass die Nut 124 in der Nähe der Fläche 112 der Dichtungsscheibe und die konvergente zweite Fläche 122 des Abstandsstückes 84 eine höhere Umfangsgeschwindigkeit aufweisen am radial inneren Teil P- als benachbart zu dem stationären Kohledichtungselement (P++), zum Herleiten eines statischen Druckgefälles, welches das Öl in Richtung zur Fläche 112 der drehenden Dichtungsscheibe drückt. Ausserdem wird das Öl mechanisch in Richtung zu dieser Fläche gedrückt durch die winkelige zweite Fläche 122, die gegenüber der Fläche 112 der Dichtungsscheibe liegt. Das in dieser nach aussen weisenden Nut 124 aufgenommene Öl wird durch Rotationskräfte radial nach aussen gedrückt längs der Fläche der Dichtungsscheibe in die Nähe des Olrückflusskanals 116. Wenn die Dichtungsscheibe um die Achse des Triebwerks dreht drücken Rotationskräfte das Öl durch den Rückflusskanal in das Lagerabteil.
Die Bauform gemäss der Fig. 3 hat die erste vorteilhafte Wirkung der Bauform nach Fig. 2, d. h. das Öl und die erregte Grenzschicht werden mechanisch zu der ringförmigen Kammer 126 gedrückt.
Die Bauform nach der Fig. 4 hat die zweite vorteilhafte Wirkung der Bauform nach Fig. 2, d. h. es wird ein statische Druckgefälle erzeugt, welches zur Unterbindung des Ölverlustes wirksam ist.
Wie verständlich ist hat die Verhinderung der Ölflusses durch den radialen Spalt zu anderen Bereichen des Triebwerkes vorteilhafte Wirkungen. Wenn das Öl z. B. in die Isolierung 34 eindringen würde, die das Lagerabteil umgibt könnte es die Isolierung in ein brennbares Material verwandeln und auch die Isolierwirkung verschlechtern, was zu höheren Lagertemperaturen und zu Entzündungen in dem Lagerraum führen kann.
Das Ende des Abstandsstückes 84 hat eine radiale Höhe h&sub2;, welche gleich ist zu der radialen Höhe h&sub1; des radialen Vorsprunges an der Welle, der die Axiallast aufnimmt, die vom Abstandselement über das Labyrinthdichtungselement auf den Radialvorsprung übertragen wird. Dies verhindert, dass Biegemomente auf den Hülsenbauteil ausgeübt werden, welche vorliegen würden wenn sich das Abstandselement in Radialrichtung über den Radialvorsprung der Welle hinaus erstrecken würde.
Obschon die Erfindung dargestellt und beschrieben wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele derselben, ist dem Fachmann geläufig, dass viele Änderungen hinsichtlich der Ausführung und der Einzelheiten dieser Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne dadurch den Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Abdichtungsbaugruppe (46) für eine Rotationsmaschine (10) mit einer Rotorbaugruppe, die eine Welle (16) aufweist, welche um eine Drehachse (Ar) drehbar ist, einer Statorbaugruppe (14) zum Tragen der Welle (16) und welche einen Lagerabteil (22) und ein Lager (28) hat zum Tragen der Welle (16) durch die Statorbaugruppe (14), wobei die Abdichtungsbaugruppe (46) ausgelegt ist zum Hemmen der Leckage von Schmiermittelfluid aus dem Lagerabteil (22) und des Eintritts von heißen Arbeitsmediumgasen in das Abteil (22), mit:

einem Dichtungselement (68), das nicht mit der Welle (16) drehbar ist, wobei das Dichtungselement (68) ausgelegt ist zur Anlage an einer Dichtungsscheibe (48) an einer ersten umfangsmäßig verlaufenden Stelle und eine radial nach innen weisende Fläche (98; 132; 136) hat, die von der Welle (16) radial beabstandet ist, um einen umfangsmäßig verlaufenden Hohlraum (102) dazwischen freizulassen;

wobei die Rotorbaugruppe (16) versehen ist mit

einer Dichtungsscheibe (48), die mit der Welle (16) drehbar ist und sich umfangsmäßig um die Welle (16) und radial nach außen von der Welle (16) erstreckt zur gleitbaren Anlage am Dichtungselement (68) an der ersten Stelle, und welche den Hohlraum (102) begrenzt zwischen dem Dichtungselement (68) und der Rotorwelle (16), und

einem Wellenelement (84), das sich radial nach außen von der Rotorwelle (16) über den Hohlraum (102) erstreckt bis in die Nähe der radial nach innen weisenden Fläche (98; 132; 136) des Dichtungselementes (68), um eine Ringkammer (126) in der Nähe der ersten Stelle freizulassen, wobei das Wellenelement (84) eine radial nach außen weisende Fläche (118; 128; 134) aufweist, welche radial beabstandet ist von der radial nach innen weisenden Fläche (98; 132; 136) des Dichtungselementes (68), um einen ringförmigen Spielspalt (G) dazwischen freizulassen, der in Fluidverbindung steht mit der Ringkammer (126), wobei die radial nach außen weisende Fläche (118; 132; 136) sich zu der ersten Stelle erstreckt;

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Flächen (98; 118; 132; 128; 136; 134), die den Ringspalt (G) dazwischen begrenzen, von der Rotationsachse (Ar) radial nach außen divergiert in Richtung zu der ersten Stelle, um durch Rotation des Wellenelementes (84) um die Rotationsachse (Ar) in dem Ringspalt (G) eine erregte Grenzschicht in den Arbeitsmediumgasen zu erzeugen, die Schmiermittelfluid durch den Spalt (G) in die Ringkammer (126) leitet und die Ringkammer (126) in der Nähe der ersten Stelle unter Druck setzt zum Hemmen der Fluidleckage aus dem Lagerabteil (22).

2. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen weisende Fläche (118; 134) an dem Wellenelement (84) radial nach außen divergiert von der Rotationsachse (Ar) weg in Erstreckungsrichtung der Fläche zu der ersten Stelle.

3. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach innen weisende Fläche (98) an dem Dichtungselement (68) radial nach außen divergiert von der Rotationsachse (Ar) weg in Erstreckungsrichtung der Fläche zu der ersten Stelle.

4. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach innen weisende Fläche (132) an dem Dichtungselement radial nach außen divergiert von der Rotationsachse (Ar) in Erstreckungsrichtung der Fläche zu der ersten Stelle.

5. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen weisende Fläche (128) des Wellenelementes eine zylindrische Form aufweist.

6. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach innen weisende Fläche (136) des Dichtungselementes eine zylindrische Form aufweist.

7. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen weisende Fläche (118; 134) des Wellenelementes (84) eine kegelstumpfförmige Fläche ist.

8. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach innen weisende Fläche (98; 132) des Dichtungselementes (68) eine kegelstumpfförmige Fläche ist.

9. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach innen weisende Fläche (98) des Dichtungselementes (68) eine kegelstumpfförmige Form hat und parallel ist zu der radial nach außen weisenden Fläche (118) des Wellenelementes (84).

10. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ebene, welche die Drehachse enthält und die radial nach innen weisende Fläche (98; 132) des Dichtungselementes (68) schneidet, diese Fläche längs einer Linie schneidet, die mit der Achse einen Winkel bildet, der größer ist als drei (3º) Grad.

11. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ebene, die die Drehachse enthält und die radial nach außen weisende Fläche (118; 134) des Wellenelementes (84) schneidet, diese Fläche längs einer Linie schneidet, die mit der Achse einen Winkel bildet der größer ist als drei (3º) Grad.

12. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsscheibe (48) mindestens einen Rückflußkanal (116) für Schmiermittelfluid aufweist, der sich durch die Dichtungsscheibe (48) und nach außen zum Lagerabteil (22) erstreckt und daß die Ringkammer (126) in Strömungsverbindung ist mit dem ringförmigen Spielspalt (G) und dem Rückflußkanal (116).

13. Abdichtungsbaugruppe (46) für eine Rotationsmaschine (10) mit einer Statorbaugruppe (14), einer Rotorbaugruppe (16), die eine Welle (16) hat, welche sich innerhalb der Statorbaugruppe (14) befindet und eine Rotationsachse (Ar) aufweist, einem Lagerabteil (22), in dem sich ein Lager (28) befindet, das zwischen der Welle (16) und der Statorbaugruppe (14) angeordnet ist, wobei die Abdichtungsbaugruppe (46) sich zwischen der drehbaren Welle (16) und der Statorbaugruppe (14) befindet zum Hemmen der Leckage von Schmiermittelfluid aus dem Lagerabteil (22) und des Eintretens von heißen Arbeitsmediumgasen in das Abteil (22), mit:

einem Dichtungselement (68), das Teil der Statorbaugruppe (14) ist und mit der Welle (16) nicht drehbar ist, wobei das Dichtungselement (68) versehen ist mit

einer Dichtungsfläche (96), welche in einer ersten Axialrichtung weist und

einer radial nach innen weisenden Fläche (98);

einer Dichtungsscheibe (48), die mit der Welle (16) drehbar ist und sich in Umfangsrichtung um die Welle (16) erstreckt, wobei die Dichtungsscheibe (48) versehen ist mit

einer Dichtungsfläche (104), die in einer zweiten axialen Richtung weist und an der Dichtungsfläche (96) des Dichtungselementes (68) anliegt,

wenigstens einem Ölzufuhrkanal (108) zum Zuführen von Öl zu der Fläche (104), und

mindestens einem Ölrückflußkanal (116), der sich durch die Dichtungsscheibe (48) und nach außen zu dem Lagerabteil (22) erstreckt;

wobei die Dichtungsscheibe (48) und das Dichtungselement (68) eine nach innen offene Nut (114) begrenzen, die in Strömungsverbindung ist mit dem Ölrückflußkanal (116);

einem Abstandselement (84), das an der Dichtungsscheibe (48) anliegt und mit der Welle (16) drehbar ist, wobei das Abstandselement (48) versehen ist mit

einer radial nach außen weisenden ersten Fläche (118), die radial nach innen beabstandet ist von der radial nach innen weisenden Fläche (98) des Dichtungselementes (68) und zu dieser Fläche parallel ist, um einen ringförmigen Spielspalt (G) dazwischen freizulassen;

dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach innen weisende Fläche (98) des Dichtungselementes (68) radial nach außen divergiert in der ersten Axialrichtung zu dem Ölrückflußkanal (116), daß die radial nach außen weisende erste Fläche (118) des Abstandselementes (84) radial nach außen divergiert in der ersten Axialrichtung zu dem Ölrückflußkanal (116) und das Abstandselement (84) eine radial nach außen weisende zweite Fläche (122) aufweist, die sich von der ersten Fläche (118) in der ersten Axialrichtung radial nach innen konvergierend zu der Welle (16) und der Dichtungsscheibe (48) erstreckt, um eine radial nach außen offene Nut (124) freizulassen, die durch die Dichtungsscheibe (48) und das Abstandselement (84) begrenzt ist,

wobei die radial nach außen offene Nut (124) Öl zurückhält, das zwischen der Dichtungsscheibe (48) und dem Dichtungselement (68) entwichen ist zur Zuführung zu der radial nach innen offenen Nut (114), wobei die Umfangsgeschwindigkeit der ersten Fläche (118) des Abstandselements (84) um die Rotationsachse (Ar) eine Druckkraft in der Grenzschicht zwischen dem Abstandselement (84) und dem Dichtungselement (68) erzeugt und wobei der Spielspalt (G) eine radiale Abmessung aufweist, die es den Kräften in der Grenzschicht erlaubt das Öl in dem Spalt in Richtung zu den Nuten (114, 124) zu drücken, zum Zurückfluß in das Lagerabteil (22).

14. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel der radial nach innen weisenden Fläche (98) des Dichtungselementes (68) und der ersten Fläche (118) des Abstandselementes (84) zu der Drehachse (Ar) beide größer oder gleich drei (3º) Grad sind.

15. Abdichtungsbaugruppe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhe des ringförmigen Spielspaltes (G) größer oder gleich einem Sechzehntel des Abstandes von der Rotationsachse (Ar) zu dem ringförmigen Spielspalt (G) ist.