DE68906717T2

DE68906717T2 - Dichtung für hohen Druck.

Info

Publication number: DE68906717T2
Application number: DE89300031T
Authority: DE
Inventors: Adam Nelson Pope
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1989-01-04
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: CA1303371C; US4916892A; JPH01315627A; DE68906717D1; EP0340883B1; EP0340883A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochdruck-dichtungen und insbesondere auf Hochdruckdichtungen für eine Verwendung mit unterschiedlich rotierenden Komponenten in Gasturbinentriebwerken.
"Mechanical Engineering Band 90, Nr. 4, April 1968, New York, USA, Seiten 101, 102, Experimental Visco Seals" beschreibt Dichtungen, die eine Dichtung zwischen Zonen höheren und niedrigeren Druckes bilden. Die Dichtung enthält ein Dichtungsteil, beispielsweise aus Kohlenstoff, das von einer Halterungsstruktur gehaltert wird, die eine Dichtung mit einer Dichtungsplatte bildet, die mit einer Welle drehbar ist. Luft aus der einen höheren Druck aufweisenden Zone wird der Grenzfläche zwischen dem Dichtungsteil und der Platte über eine Öffnung zugeführt. Druckfedern drücken das Dichtungsteil gegen die Platte.
Es gibt viele Anwendungsfälle, die Hochdruckdichtungen an einer Grenzfläche zwischen benachbarten, unterschiedlich rotierenden Komponenten erfordern. In den meisten dieser Anwendungsfälle sind die unterschiedlich rotierenden Komponenten koaxial zueinander und haben einen inneren Strömungsmittelkanal, der in den Komponenten angeordnet ist. Es besteht eine Druckdifferenz zwischen dem internen Strömungsmittelkanal und einem Bereich außerhalb der unterschiedlich rotierenden Komponenten, wodurch Hochdruckdichtungen an einer Grenzfläche zwischen den Komponenten erforderlich sind, um eine Leckage des Strömungsmittel zwischen den Komponenten zu verhindern. Wenn die Relativdrehung langsam ist, kann eine Reibdichtung fest gegen die rotierende Oberfläche gehalten werden und ist im allgemeinen wirksam, um eine Dichtung aufrechtzuerhalten, obwohl Abnnutzung und nachfolgende Leckage üblich sind. Wenn jedoch die Relativgeschwindigkeit der Drehung zwischen den Komponenten groß ist, nutzen sich Reibdichtungen zu schnell ab und sind in der derartigen Anwendungsfällen ineffektiv und nicht praktikabel.
Ein Anwendungsfall, bei dem eine unterschiedliche Rotation bei hoher Drehzahl auftritt, sind Gasturbinentriebwerke, wie sie in heutigen Flugzeugen verwendet werden. Mit "unterschiedlicher Rotation" ist gemeint, daß die eine Einrichtung in Bezug auf eine andere Einrichtung umläuft. Dies kann beispielsweise zwischen einem stationären Teil und einem umlaufenden Teil auftreten. Beispielsweise enthalten Gasturbinentriebwerke im allgemeinen einen Gasgenerator, der einen Verdichter zum Verdichten von Luft, die stromabwärts durch das Triebwerk strömt, eine Brennkammer, in der Brennstoff mit der verdichteten Luft gemischt und gezündet wird, um eine Gasströmung mit hoher Temperatur und hohem Druck zu bilden, und eine Turbine aufweist, die durch Gasströmung angetrieben wird und zum Antrieb eines Rotors verbunden ist, der seinerseits den Verdichter antreibt. Viele Triebwerke enthalten eine zweite Turbine, die als Leistungsturbine bekannt ist, stromabwärts von dem Gasgenerator angeordnet ist und die der Gasströmung Energie entzieht, um eine rotierende Last anzutreiben, wie sie beispielweise in dem Propeller von ummantelten Turbo-Fan- Triebwerken und Turbo-Prop-Triebwerken gefunden wird.
Eine neuere Verbesserung gegenüber dem Turbon-Fan- und Turbo-Prop-Triebwerk ist das mantellose Fan-Triebwerk, wie es in der GB-A-2,129,502 und GB-A-2,174,762 beschrieben ist. In dem mantellosen Fan-Triebwerk weist die Leistungsturbine gegenläufig rotierende Rotoren und Turbinenschaufeln auf, die gegenläufig rotierende mantellose Fanschaufeln oder Propeller antreiben, die in Bezug auf die Leistungsturbine radial angeordnet sind. Die einen hohen Druck aufweisende Gasströmung strömt von der Brennkammer durch einen stationären Kanal und dann durch die Rotoren. Eine Hochdruckdichtung ist an der Grenzfläche zwischen dem stationären Kanal und dem benachbarten Rotor erforderlich, um eine Leckage der Hochdruck-Gasströmung zu verhindern.
Die FR-A-2,120,656 beschreibt eine Hochdruckdichtung zur Verwendung mit unterschiedlich rotierenden Teilen. Die Dichtung enthält einen vorderen Laufring, einen hinteren Laufring und einen ringförmigen Träger. Der vordere Laufring und der hintere Laufring sind beide fest an einem stationären Teil angebracht, wobei ein zu dem stationären Teil koaxialer Ringkanal zwischen dem vorderen Laufring und dem hinteren Laufring gebildet ist. Der ringförmige Träger ist mit dem rotierenden Teil gekoppelt und so dimensioniert, daß er in den Ringkanal paßt. Wenn das rotierende Teil in Bezug auf das stationäre Teil umläuft, arbeiten der ringförmige Träger und die Laufringe als eine reibungsarme Dichtung. Zusätzlich wird eine geringe Leckage an den Grenzflächen zwischen dem Träger und den Laufringen gestattet. Diese Leckage verkleinert die Reibung und eine anschließende Abnutzung. Es wird angenommen, daß einer der Nachteile einer derartigen bekannten Hochdruckdichtung in einer übermäßigen Leckage liegt, die durch übermäßige Abnutzung der Laufringe und des ringförmigen Trägers verursacht wird. Jede Abnutzung der Laufringe und/oder des Trägers vergrößert die Spalten zwischen den Laufringen und dem Träger. Eine Vergrößerung der Größe der Spalten zwischen den Laufringen und dem Träger hat eine Vergrößerung der Leckage des Strömungsmittels und dadurch einen Druckverlust zur Folge. Es wird angenommen, daß eine Verkleinerung des Strömungsmitteldruckes in dem Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerkes den Wirkungsgrad des Triebwerkes verkleinert.
Gemäß der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk geschaffen mit ersten und zweiten unterschiedlich drehbaren Teilen, die koaxial zueinander sind, einem Niederdruckbereich, der um die ersten und zweiten Teile herum angeordnet ist, eine ringförmigen Gasströmungsbahn, die in den ersten und zweiten Teilen angeordnet ist und einen Hochdruckbereich bildet, und einer Dichtung, um eine wesentliche Fluidleckage zwischen den ersten und zweiten Teilen zu verhindern, wobei die Dichtung enthält:
(a) einen ringförmigen Träger, der koaxial zu dem ersten Teil und mit diesem verbunden ist,
(b) erste und zweite Laufringe, die den ringförmigen Träger sandwichartig einschließen und mit dem zweiten Teil verbunden sind, wobei eine erste reibungsarme Schicht zwischen einer Oberfläche des ersten Laufringes und einer ersten Oberfläche des ringförmigen Trägers gebildet ist und eine zweite reibungsarme Grenzschicht zwischen einer ersten Oberfläche des zweiten Laufringes und einer zweiten Oberfläche des ringförmigen Trägers gebildet ist, wobei der ringförmige Träger in Bezug auf die Laufringe unterschiedlich drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laufring relativ zu dem ersten Laufring und dem Träger bewegbar ist und
(c) Mittel den zweiten Laufring in Richtung auf den ersten Laufring drücken, so daß eine Leckage von Strömungsmittel aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich nicht wesentlich vergrößert ist durch Reibungsabnutzung von dem ringförmigen Träger, dem ersten Laufring und/oder dem zweiten Laufring.
Die Erfindung ist anhand eines Beispieles in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht von einem mantellosen Fan-Gasturbinentriebwerk darstellt;
Figur 2 einen Seitenschnitt von einem Turbinenabschnitt des mantellosen Fan-Gasturbinentriebwerks darstellt;
Figur 3 einen Querschnitt von einer Hochdruck-Gasdichtung gemäß der Erfindung darstellt;
Figur 4 einen auseinandergezogenen Querschnitt von der Hochdruckgasdichtung gemäß Figur 2 ist und die Luftströmungsbahn und den hydrostatischen Effekt darstellt;
Figur 5 eine Ansicht von hinten auf ein Kohlenstoffträgersegment gemäß der Erfindung darstellt; und
Figur 6 eine Ansicht von oben auf ein Kohlenstoffträgersegment nach einem Schnitt entlang der Linie 6-6 in Figur 5 darstellt.
Entsprechende Bezugszahlen geben entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar, aber diese Beispiele sollen in keiner Weise den Schutzbereich der Erfindung einschränken.
Figuren 1 und 2 stellen ein mantelloses Fan(UDF)-Strahltriebwerk 20 mit vorderen und hinteren bzw. stromaufwärtigen und stromabwärtigen, gegenläufig rotierenden Bläsern oder Propellern 22 und 24 dar, die radial außen von einer Leistungsturbine 25 angeordnet sind. Die Leistungsturbine enthält erste und zweite gegenläufig rotierende Rotoren 26 und 28 und erste und zweite gegenläufig rotierende Turbinenschaufeln 30 und 32, die mit den ersten und zweiten Rotoren 26 bzw. 28 verbunden sind. Die vorderen und hinteren Propeller 22 und 24 sind auf entsprechende Weise mit den ersten und zweiten Rotoren 26 und 28 gekoppelt und laufen mit diesen um. Die ersten und zweiten Rotoren 26 und 28 sind um eine stationäre Welle 34 herum angeordnet und sind durch erste und zweite entsprechende Lager 34 und 36 mit der Welle 34 drehbar verbunden. Ein äußerer Mantel oder eine Gondel 48 umschließt die Rotoren 24 und 28, wobei die Propeller 22 und 24 radial außen von der Gondel 28 angeordnet sind. Die Gondel 48 enthält eine erste Umkleidung 48a, die mit dem vorderen Propeller 22 verbunden ist und mit diesem umläuft, und eine zweite Umkleidung 48b, die mit dem hinteren Propeller 24 verbunden ist und mit diesem umläuft. Der Zweck der Gondel 48 besteht darin, für die richtigen Luftströmungscharakteristiken zu sorgen, um die Leistungsfähigkeit der Propeller 22 und 24 zu optimieren. Das Triebwerk 20 enthält ferner eine ringförmige Gasströmungsbahn 40, die durch die ersten und zweiten Rotoren 26 und 28, einen ersten stationären Kanal 42 stromaufwärts von dem ersten Rotor 26 und einen zweiten stationären Kanal 44 stromabwärts von dem zweiten Rotor 28 gebildet ist. Durch die Gasströmungsbahn 40 strömende Luft wird verdichtet und erhitzt, um eine hochenergetische (hoher Druck/hohe Temperatur) Gasströmungsbahn zu bilden, die insgesamt mit dem Pfeil 46 bezeichnet ist. Die hochenergetische Gasströmung 46 strömt von dem ersten Kanal 42 durch die ersten und zweiten Rotoren 26 und 28, um die gegenläufig rotierenden Turbinenschaufeln 30 und 32 zu drehen, um die gegenläufig rotierenden Propeller 22 bzw. 24 anzutreiben.
Zwischen der Gondel 48 und der Leistungsturbine 25 ist ein Niederdruckbereich 62 gebildet. Der Niederdruckbereich 62 steht mit der Atmosphäre, die insgesamt mit der Bezugszahl 64 bezeichnet ist, über eine erste Entlüftung 66, die zwischen dem vorderen Abschnitt der Gondel 48 und der ersten Umkleidung 48a gebildet ist, und einer zweiten Entlüftung 68 in Verbindung, die zwischen der ersten Umkleidung 48a und der zweiten Umkleidung 48b gebildet ist. Da der Niederdruckbereich 62 mit der Atmosphäre 64 in Verbindung steht, ist der Fluiddruck in dem Niederdruckbereich 62 im wesentlichen Atmosphärendruck. Da der Druck in der Gasströmungsbahn 40, der durch die Gasströmung 46 hervorgerufen wird, größer ist als der Druck in dem Niederdruckbereich, besteht eine Druckdifferenz zwischen der Gasströmung 46 und dem Niederdruckbereich 62. Irgendwelche Spalte oder Fluiddurchlässe zwischen der Gasströmungsbahn 40 und dem Niederdruckbereich 62 haben eine Leckage der Gasströmung 46 und infolgedessen eine Druckabfall in der Gasströmungsbahn 40 zur Folge. Ein Druckabfall in der Gasströmungsbahn 40 verkleinert den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes 20.
Da die Strömungsbahn 40 durch unterschiedlich rotierende Teile, d.h. den ersten Kanal 42, den ersten Rotor 26, den zweiten Rotor 28 und den zweiten Kanal 44 gebildet wird, bestehen Spalte an den äußeren umlaufenden Grenzen zwischen den unterschiedlich rotierenden Teilen. Die äußeren umlaufenden Grenzen sind definiert als: eine erste unterschiedlich rotierende Grenze 50 zwischen dem ersten Kanal 42 und dem ersten Rotor 26; eine unterschiedlich rotierende Grenze 52 zwischen dem ersten Rotor 26 und dem zweiten Rotor 28; und eine dritte unterschiedlich rotierende Grenze 54 zwischen dem zweiten Rotor 28 und dem zweiten Kanal 44. Jede Leckage durch diese äußeren rotierenden Grenzen verkleinert den Wirkungsgrad des Triebwerkes. Deshalb sind Hochdruckdichtungen an den äußeren rotierenden Grenzen erforderlich, um einen Druckabfall zu verhindern. Zusätzlich werden erste, zweite und dritte innere rotierende Grenzen 56, 58 und 60 gebildet zwischen dem ersten Kanal und dem ersten Rotor 26, dem ersten Rotor 26 und dem zweiten Rotor 28 und dem zweiten Rotor 28 und dem zweiten Kanal 44. Obwohl die inneren umlaufenden Grenzen 56, 58 und 60 im wesentlichen Spalte in der Strömungsbahn 40 sind, wird kein signifikanter Druckabfall in der Strömungsbahn 40 durch die inneren umlaufenden Grenzen 56, 58 und 60 hervorgerufen, da sie vollständig von der Strömungsbahn 40 umschlossen und nicht offen zur Atmosphäre 64 sind.
In den Figuren 2 und 3 allgemein ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verhindern einer signifikanten Leckage der hochenergetischen Gasströmung 46 aus der Strömungsbahn 40 dargestellt. Eine Hochdruckdichtung ist an der ersten unterschiedlich umlaufenden Grenze 50 zwischen dem ersten Kanal 42 und dem ersten Rotor 26 vorgesehen. Für eine vereinfachte Beschreibung wird nur die Hochdruckdichtung 70 an der ersten umlaufenden Grenze 50 erläutert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß ähnliche Hochdruckdichtungen an den zweiten und dritten unterschiedlich umlaufenden Grenzen 52 bzw. 54 verwendet werden können. Die Hochdruckdichtung 70 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen ringförmigen, reibungsarmen Träger 72, der koaxial zu dem ersten Rotor und mit diesem verbunden ist, vordere und hintere Laufringe 76 und 78, die den Träger sandwichartig einschließen und mit dem ersten Kanal 42 mit einer ersten reibungsarmen gleitenden Grenzfläche 82 in Verbindung stehen, die zwischen einer vorderen Stirnfläche 71 des Trägers 72 und einer hinteren Stirnfläche 81 des vorderen Laufringes 76 gebildet ist, und einer zweiten reibungsarmen gleitenden Grenzfläche 84 in Verbindung stehen, die zwischen einer hinteren Stirnfläche 73 des Trägers 72 und einer vorderen Stirnfläche 83 des hinteren Laufringes 78 gebildet ist, und einen Mechanismus zum Drücken des hinteren Laufringes 78 in Richtung auf den vorderen Laufring 76. Vorzugsweise ist der reibungsarme Träger 72 aus Kohlenstoff gebildet und wird nachfolgend als "Kohlenstoffträger 72" bezeichnet, obwohl andere reibungsarme Materialien, die für die beschriebene Umgebung geeignet sind, den Kohlenstoff ersetzen können. In dieser Anordnung ist der Kohlenstoffträger 72 unterschiedlich drehbar in Bezug auf die vorderen und hinteren Laufringe 76 und 78. Zusätzlich werden, was aus der nachfolgenden detaillierten Erörterung noch besser verständlich werden wird, Gasabfederungsfilme, die im allgemeinen als hydrostatische Filme bekannt sind, an den ersten und zweiten Grenzflächen 82 und 84 hervorgerufen, um die Reibung und nachfolgende Abnutzung zwischen dem Kohlenstoffträger 72 und den Laufringen 76 und 78 zu verkleinern.
Es wird nun näher auf Figur 3 eingegangen, die im Detail einen Querschnitt der Hochdruckdichtung 70 darstellt. Der Kohlenstoffträger 72 ist mit dem ersten Rotor 26 durch einen äußeren Laufring 74 gekoppelt, der mit dem ersten Rotor 26 fest verbunden ist. Der äußere Laufring 74 ist mit dem ersten Rotor 26 durch mehrere mit einer Buchse versehene Bolzen 80 oder ähnliches verbunden, die sowohl den äußeren Laufring 74 als auch den ersten Rotor 26 durchdringen. Die mit Buchsen versehenen Bolzen 80 sind an dem ersten Rotor 26 starr befestigt, gestatten aber ein relativ freies, unterschiedliches radiales Wachstum zwischen dem äußeren Laufring 74 und dem ersten Rotor 26. Eine Ringdichtung 98, die beispielweise ein Kolbenring sein kann, ist zwischen dem äußeren Laufwerk 74 und dem ersten Rotor 26 vorgesehen, um eine Gasleckage aus der Hochdruck-Gasströmungsbahn 40 zu verhindern. Der Kohlenstoffträger 72 hat eine Außenfläche 75, die mit Reibung an einer Innenfläche 79 des äußeren Laufringes 74 angreift, um eine Gasleckage dazwischen zu verhindern. Die Reibungskraft zwischen dem Kohlenstoffträger 72 und dem äußeren Laufring 74 reicht aus, damit der Kohlenstoffträger 72 mit dem äußeren Laufring 74 und dem ersten Rotor 26 rotiert, sie ist aber dennoch genügend klein, um eine axiale Verschiebung des Kohlenstoffträgers 72 in Bezug auf den äußeren Laufring 74 zu gestatten, wenn eine axiale Kraft ausgeübt wird. Zwar ist der Kohlenstoffträger in diesem Ausführungsbeispiel mit dem ersten Rotor 26 durch den äußeren Laufring 74 verbunden, es sei aber darauf hingewiesen, daß der Kohlenstoffträger 74 auch direkt mit dem ersten Rotor 26 gekoppelt sein könnte.
Der Kohlenstoffträger 72 ist in axialer Richtung sandwichartig zwischen dem vorderen Laufring 76 und dem hinteren Laufring 78 eingeschlossen. Der vordere Laufring 76 hat einen oberen Abschnitt 85, der vor dem Kohlenstoffträger 72 positioniert ist, und einen unteren Abschnitt, der in axialer Richtung nach hinten und radial innen von dem Kohlenstoffträger 72 verläuft. Der hintere Laufring 78 ist mit mehreren seitlich passenden Nuten bzw. Kerben um seinen Innendurchmesser versehen, die zur Aufnahme von mehreren seitlich passenden Zähnen 88 dimensioniert sind, die von dem unteren Abschnitt 87 des vorderen Laufringes 76 radial nach außen vorstehen. Die Nuten bzw. Kerben 86 und die Zähne 88 gestatten, daß sich der hintere Laufring 78 axial zu dem vorderen Laufring 76 verschieben kann, während eine unterschiedliche Umfangsdrehung des hinteren Laufringes 78 in Bezug auf den vorderen Laufring 76 verhindert wird.
Ein Gleitringträger 90 ist hinter dem hinteren Laufring 78 angeordnet und fest gegen den unteren Abschnitt 87 des vorderen Laufringes 85 eingepaßt, um eine unterschiedliche radiale Exzentrizität zu verhindern. Der Gleitring 96 ist in radialer Richtung gegen den oberen Abschnitt des hinteren Laufringes 78 und axial nach vorne gegen den Gleitringträger 90 durch Druckkräfte vorgespannt, die auf den Gleitring 96 einwirken. Zwischen dem hinteren Laufring 78 und dem Gleitringträger 90 sind mehrere Schraubenfedern 94 longitudinal angeordnet. Die Schraubenfedern 94 drücken den hinteren Laufring 78 nach vorne in Richtung auf den oberen Abschnitt 85 des vorderen Laufringes 76. Ein Gleitringdichtung 96 ist radial zwischen einem oberen Abschnitt 89 des hinteren Laufringes 78 und dem Gleitringträger 90 angeordnet, um eine Leckage der Hochdruckgasströmung aus der Gasströmungsbahn 40 zu verhindern.
Der vordere Laufring 76 enthält ferner eine radiale Verlängerung 91, die von dem unteren Abschnitt 87 radial nach innen ragt, um den vorderen Laufring 76 mit dem ersten Kanal 42 zu koppeln. Die radiale Verlängerung 91 des vorderen Laufringes 76 ist zwischen einer Gondelhalterung 93 und einer Federdichtungshalterung 95 sandwichartig angeordnet. Die Gondelhalterung 93 hat mehrere Schlitze 99, die so dimensioniert sind, daß sie eine entsprechende Anzahl von Ansatzstücken 101 aufnehmen, die von der radialen Verlängerung 91 radial nach innen vorstehen. Die Ansatzstücke 101 und die Schlitze 99 verhindern eine Drehbewegung der Gondelhalterung 93 in Bezug auf den ersten Kanal 42 und gestatten eine relativ freies unterschiedliches radiales Wachstum zwischen der radialen Verlängerung 91 und der Gondelhalterung 93. Mehrere Bolzen 103 verbinden die Gondelhalterung 93, den vorderen Laufring 76, die Federdichtungshalterung 95 und den ersten Kanal 42 miteinander. Eine S- förmige Federdichtung 100 ist zwischen dem Gleitringträger 90 und einer radialen Verlängerung 105 des Federdichtungsträgers 95 angeordnet, um dazwischen eine Leckage der Hochdruck-Gasströmung zu verhindern.
Es wird nun auf die Figuren 3 und 4 eingegangen, die die Bildung der hydrostatischen Filme an den ersten und zweiten Grenzflächen 82 und 84 darstellen. Die Hochdruckdichtung 70 benutzt die Druckdifferenz über der Dichtung 70, um die hydrostatischen Filme auszubilden. Der Druck an dem inneren Abschnitt oder dem Hochdruckbereich der Dichtung 70 ist mit Pi bezeichnet, wogegen der Druck an dem äußeren Teil oder dem Niederdruckbereich der Dichtung 70 als Po bezeichnet ist. Fluidkanäle 112 sind durch den Kohlenstoffträger 72 hindurch ausgebildet, so daß die Hochdruck-Gasströmungsbahn 40 mit den vorderen und hinteren Stirnflächen 71 und 73 des Kohlenstoffträgers 72 in Verbindung steht. Durch die Kanäle 112 hindurchströmendes Fluid bzw. Strömungsmittel drückt gegen die vorderen und hinteren Laufringe 76 und 78, um die hydrostatischen Filme an den ersten und zweiten Grenzfächen 82 und 84 zu bilden und den Kohlenstoffträger 72 in Bezug auf den Kanal zu zentrieren, der zwischen dem vorderen Laufring 76 und dem hinteren Laufring 78 gebildet ist. Mehrere Löcher 102 sind durch den unteren Abschnitt 87 des vorderen Laufringes 76 hindurch ausgebildet, so daß der Niederdruckbereich mit einer ersten Kammer 104 in Verbindung steht, die zwischen dem Innendurchmesser des Kohlenstoffträgers 72 und dem unteren Abschnitt 87 des vorderen Laufringes gebildet ist, so daß der Fluiddruck in der ersten Kammer 104 im wesentlichen gleich dem Druck Po in dem Niederdruckbereich ist. Da die Fluidkanäle 112 in dem Kohlenstoffträger 72 mit dem Hochdruckbereich Pi in Verbindung steht und die erste Kammer 104 mit dem Niederdruckbereich Po in Verbindung steht, leckt Fluid bzw. Strömungsmittel aus den vorderen und hinteren Flächen 71 und 73 des Kohlenstoffträgers 72. Diese Fluidleckage drückt den hinteren Laufring 78 in axialer Richtung von dem vorderen Laufring 76 weg. Die Größe der Kanäle 112 kann so gewählt werden, daß der Fluiddruck, wo die Kanäle 112 mit den vorderen und hinteren Flächen 71 und 73 des Kohlenstoffträgers 72 in Verbindung stehen, gleich oder kleiner als Fluiddruck Pi in dem Hochdruckbereich ist. Die auf die Laufringe 76 und 78 wirkenden Kräfte, die durch die Fluidleckage hervorgerufen werden, nehmen ab, wenn die Spalte zwischen den Laufringen 76 und 78 und dem Träger 72 zunehmen, da der Fluiddruck in den Grenzflächen abnimmt, wenn die Spalte größer werden.
Die Fluiddruckdifferenz über der Dichtung 70 wird auch dazu verwendet, um den hinteren Laufring 78 in Richtung auf den vorderen Laufring 76 zu drücken. Dies wird dadurch hervorgerufen, daß ein Druck und die Federn 94 auf die hintere Seite des hinteren Laufringes 78 mit einer größeren Kraft wirken als der Druck, der auf die vordere Stirnfläche des hinteren Laufringes 78 wirkt. Da der Druck, der auf die vordere Fläche 83 des hinteren Laufringes 78 wirkt, im wesentlichen Atmosphärendruck oder Po ist, wenn der Arbeitsspalt zwischen den Stirnflächen 73 und 83 groß ist, sind die Druckkräfte, die den hinteren Laufring 76 in Richtung auf den vorderen Laufring 76 zu drücken versuchen, gleich dem Produkt des hohen Druckes Pi und der radialen Fläche der hinteren Seite des hinteren Laufringes 78, gegen die der hohe Druck Pi wirkt. Mit anderen Worten hilft der Druck Pi, der auf die hintere Fläche 116 des oberen Abschnittes 89 des hinteren Laufringes 78 wirkt, den hinteren Laufring 78 in Richtung auf den vorderen Laufring 76 zu drücken. Somit ist die Summe der Kräfte Ft, die den hinteren Laufring 78 in Richtung auf den vorderen Laufring 76 zu drücken versuchen, gegeben durch die Gleichung:
Ft = Fs + (Pi - Po) A&sub1;
wobei Fs die Federkraft ist, die durch die Schraubenfedern 94 hervorgerufen wird, und A&sub1; ist der Flächeninhalt der hinteren Fläche 116 des oberen Abschnitts 89 des hinteren Laufringes 78. Die Kräfte von der Gasleckage, die den hinteren Laufring 78 von dem vorderen Laufring 76 weg zu drücken versuchen und die Kräfte Ft, die den hinteren Laufring 78 in Richtung auf den vorderen Laufring 76 zu drücken versuchen, werden so gewählt, daß sowohl die Reibung als auch die Luftleckage an den Grenzflächen 82 und 84 minimiert werden. Die Herstellung eines Gleichgewichts in den Wirkungen von Reibung und Luftleckage an den Grenzflächen 82 und 84 ist gleichbedeutend mit der Auswahl der Spaltgrößen an den Grenzflächen 82 und 84, da das Gleichgewicht der Kräfte für konstante Spaltgrößen sorgen wird. Da der hintere Laufring 78 zwischen den entgegengesetzt drückenden Kräften im wesentlichen schwimmt, bleiben die Spaltgrößen konstant, selbst wenn zwischen dem Kohlenstoffträger 72 und den Laufringen 76 und 78 Abnutzung auftritt. Wenn beispielsweise an der vorderen Stirnfläche 71 des Kohlenstoffträgers 72 Abnutzung auftreten würde, würde der Spalt an der ersten Grenzfläche 82 zunehmen, wodurch eine Verkleinerung in der Kraft des Fluids verursacht würde, das gegen die hintere Stirnfläche 81 des vorderen Laufringes 76 drückt, und infolgedessen entsteht eine Druckdifferenz zwischen der vorderen Stirnfläche 71 des Kohlenstoffträgers 72 und den Kräften Ft, die den hinteren Laufring 78 gegen den vorderen Laufring 76 drücken. Diese Kraftdifferenz würde bewirken, daß sich sowohl der Kohlenstoffträger 72 als auch der hintere Laufring 78 axial nach vorne und in Richtung auf den vorderen Laufring 76 verschieben. Auf diese Weise bleiben die Größe des Lecks und die Reibung an den Grenzflächen 82 und 84 konstant, selbst wenn Abnutzung auftritt. Jedoch wird sich der Träger 72 nicht in Bezug auf den äußeren Laufring 76 verschieben, wenn die Reibungskräfte dazwischen nicht überwunden werden.
Für ein besseres Verständnis der Reibungskräfte zwischen dem Kohlenstoffträger 72 und dem äußeren Laufring 74 sei auf die Figuren 5 und 6 in Verbindung mit Figur 3 verwiesen. Der Kohlenstoffträger 72 weist mehrere bogenförmige Segmente 120 auf, wobei in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel fünfzehn vorgesehen sind, die sich jeweils über einen Bogen von etwa 24 Grad erstrecken. Das Ende von jedem Segment 120 ist mit einer Öffnug 122 versehen, die zur Aufnahme entsprechender Federn 124 dimensioniert ist, die in dem Ausführungsbeispiel als Schraubenfedern dargestellt sind. Es können jedoch andere Federtypen und andere Zahlen von Trägersegmenten verwendet werden. Die Schraubenfedern 124 drücken die Segmente 120 voneinander weg und in Richtung auf den äußeren Laufring 74, um die Normalkraft zwischen den Segmenten 120 und dem äußeren Laufring 74 zu vergrößern. Die Reibungskraft Ff ist gegeben durch die Gleichung:
Ff = u N,
wobei u gleich dem Reibungskoeffizient zwischen dem Träger 72 und dem äußeren Laufring 74 ist und N gleich der Normalkraft ist. Die Reibungskraft Ff muß ausreichend sein, um eine Anfangsdrehung des Trägers 72 hervorzurufen, wenn der erste Rotor 76 zu Beginn gedreht wird. Wenn der Träger gedreht wird, wirken Zentrifugalkräfte auf jedes Segment 120, um die Normalkraft und infolgedessen die Reibungskraft weiter zu vergrößern. Um den Zentralfugalkräften entgegenzuwirken, ist jedes Segment mit mehreren Unterschneidungen 126 auf dem Außendurchmesser von jedem Segment 120 versehen, so daß der Hochdruckbereich mit dem Außendurchmesser von jedem Segment in Verbindung steht, und der Druck Pi von dem Hochdruckbereich wird radial nach innen ausgeübt. Der Druck Pi versucht jedes Segment 120 radial nach innen zu drücken und infolgedessen die Normalkraft zu verkleinern. Die Kraft, die jedes Segment radial nach innen drückt, ist proportional zu dem Produkt der Fläche von jeder Unterschneidung 126 und dem Druck Pi. Somit können die Kraft, die jedes Segment 120 nach innen drückt, und infolgedessen die Normalkraft N vergrößert oder verkleinert werden, indem die Fläche der Unterschneidungen 126 vergrößert oder verkleinert wird. Auf diese Weise kann die Reibungskraft Ff genügend groß gewählt werden, so daß der Träger 72 mit dem ersten Rotor 26 rotiert, aber trotzdem klein genug, so daß der Träger 72 sich in axialer Richtung verschiebt, wenn er einer axialen Kraftdifferenz ausgesetzt ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel verhindert eine Leckage zwischen unterschiedlich rotierenden Teilen und überwindet die nachteiligen oder unerwünschten Merkmale des Standes der Technik. Es schafft eine Dichtung, bei dem eine Leckage durch die Dichtung durch Reibungsabnutzung der Dichtung nicht wesentlich vergrößert wird.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk (20) mit ersten (26) und zweiten (42) unterschiedlich drehbaren Teilen, die koaxial zueinander sind, einem Niederdruckbereich, der um die ersten und zweiten Teile herum angeordnet ist, einer ringförmigen Gasströmungsbahn (40), die in den ersten und zweiten Teilen angeordnet ist und einen Hochdruckbereich bildet, und einer Dichtung (70), um eine wesentliche Fluidleckage zwischen den ersten und zweiten Teilen zu verhindern, wobei die Dichtung enthält:

(a) einen ringförmigen Träger (72), der koaxial zu dem ersten Teil (26) und mit diesem verbunden ist,

(b) erste (85) und zweite (78) Laufringe, die den ringförmigen Träger sandwichartig einschließen und mit dem zweiten Teil (42) verbunden sind, wobei eine erste reibungsarme Grenzschicht (82) zwischen einer Oberfläche des ersten Laufringes und einer ersten Oberfläche des ringförmigen Trägers gebildet ist und eine zweite reibungsarme Grenzschicht (84) zwischen einer ersten Oberfläche des zweiten Laufringes und einer zweiten Oberfläche des ringförmigen Trägers gebildet ist, wobei der ringförmige Träger in Bezug auf die Laufringe unterschiedlich drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

der zweite Laufring (78) relativ zu dem ersten Laufring (85) und dem Träger (72) bewegbar ist und

(c) Mittel (90, 94) den zweiten Laufring (78) in Richtung auf den ersten Laufring (85) drücken, so daß eine Leckage von Strömungsmittel aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich nicht wesentlich vergrößert ist durch Reibungsabnutzung von dem ringförmigen Träger, dem ersten Laufring und/oder dem zweiten Laufring.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, wobei der ringförmige Träger (72) mit dem ersten Teil (26) so verbunden ist, daß der ringförmige Träger mit dem ersten Teil umläuft und der ringförmige Träger axial verschiebbar ist in Bezug auf das erste Teil, wenn er axial gerichteten Kräften ausgesetzt ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, wobei die drückenden Mittel eine Druckdifferenz über dem zweiten Laufring (78) aufweisen, die durch ein Strömungsmittel (Po) aus dem einen kleineren Druck aufweisenden Bereich, der mit der ersten Oberfläche (83) des zweiten Laufringes in Verbindung steht, und ein Strömungsmittel (Pi) aus dem einen größeren Druck aufweisenden Bereich verursacht ist, der mit einer zweiten Oberfläche des zweiten Laufringes in Verbindung steht, die der ersten Oberfläche des zweiten Laufringes entgegengesetzt ist, wodurch eine Kraft auf den zweiten Laufring in einer Richtung auf den ersten Laufring (85) ausgeübt wird.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2 oder 3, wobei die drückenden Mittel wenigstens eine Feder (94) aufweisen, die mit dem zweiten Laufring (78) verbunden ist und eine Kraft auf den zweiten Laufring in Richtung auf den ersten Laufring ausübt.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei eine Einrichtung (112, 102) vorgesehen ist, die erste und zweite Strömungsmittelfilme an den ersten bzw. zweiten Grenzschichten ausbildet, um Reibung an den Grenzschichten zu verkleinern.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, wobei die einen Strömungsmittelfilm ausbildende Einrichtung Strömungsmittel-Druckdifferenzen über jeder der Grenzschichten aufweist.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, wobei die Strömungsmittel-Druckdifferenzen über den Grenzschichten gebildet werden durch:

(a) eine erste Einrichtung (112) neben den Grenzschichten zum Verbinden des einen höheren Druck aufweisenden Bereiches mit den ersten und zweiten Oberflächen des Trägers und

(b) eine zweite Einrichtung (102) neben den Grenzschichten zum Verbinden des einen kleineren Druck aufweisenden Bereiches mit der Oberfläche des ersten Laufringes und der ersten Oberfläche des zweiten Laufringes.