DE102005007776A1

DE102005007776A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102005007776A1
Application number: DE102005007776A
Authority: DE
Inventors: Alexander Böck; Carsten SCHÖNHOFF
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-02-19
Filing date: 2005-02-19
Publication date: 2006-08-31
Also published as: WO2006086945A1; US20090226306A1; EP1848877A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für ein Gasturbinenflugtriebwerk, mit einem ersten, statorseitigen bzw. feststehenden Lagerring (11) und einem zweiten, rotorseitigen bzw. drehenden Lagerring (12), wobei zwischen dem statorseitigen Lagerring (11) und dem rotorseitigen Lagerring (12) Wälzkörper (13) angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind dem statorseitigen Lagerring (11) einerseits Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Position des statorseitigen Lagerrings (11) und andererseits Aktuatoren (21) zur Beeinflussung der Position des statorseitigen Lagerrings (11) zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für ein Gasturbinenflugtriebwerk, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Gasturbinenflugtriebwerken sind Rotoren, zum Beispiel rotierende Laufschaufeln, gegenüber einem Stator, zum Beispiel einem feststehenden Gehäuse sowie ebenfalls feststehenden Leitschaufeln, drehbar gelagert. Lageranordnungen zur Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator verfügen über einen statorseitigen bzw. feststehenden Lagerring sowie einen rotorseitigen bzw. drehenden Lagerring, wobei zwischen dem statorseitigen Lagerring und dem rotorseitigen Lagerring Wälzkörper positioniert sind. An dem statorseitigen Lagerring sind üblicherweise hydraulische Dämpfungselemente, sogenannte Squeezefilmdämpfer bzw. Quetschöldämpfer, angeordnet, welche die Schwingungen des Rotors dämpfen. Solche Quetschöldämpfer lassen eine Radialverschiebung der Lager in einer Größenordung von bis zu 0,2 mm zu.

Zur Optimierung des Wirkungsgrads von Gasturbinenflugtriebwerken müssen Spalte zwischen dem Rotor und dem Stator minimiert werden. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um Spalte zwischen einer Nabe des Rotors und radial innen liegenden Enden feststehender Leitschaufeln sowie um Spalte zwischen radial außenliegenden Enden der Laufschaufeln und einem feststehenden Gehäuse. Zur exakten Spalthaltung dieser Spalte und damit zur Optimierung des Wirkungsgrads des Gasturbinenflugtriebwerks ist unter anderem eine positionsgenaue Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator erforderlich. Im Betrieb eines Gasturbinenflugtriebwerks wirken zum Beispiel infolge von Manöverlasten Kräfte bzw. Momente auf die Lageranordnungen. Durch Manöverlasten, Betriebskräfte und Betriebsmomente werden im wesentlichen die Gehäuse verformt, wodurch sich ein schlechteres Spaltverhalten ergibt. Manöverlasten sorgen weiterhin dafür, dass an mit Quetschfilmdämpfern gedämpften Lagern unerwünschte Lagerverschiebungen auftreten. Die positionsgenaue Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator und damit eine exakte Spalthaltung zwischen dem Stator und dem Rotor wird hierdurch erschwert.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde eine neuartige Lageranordnung zu schaffen.

Dieses Problem wird durch eine Lageranordnung im Sinne des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind dem statorseitigen Lagerring einerseits Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Position des statorseitigen Lagerrings und andererseits Aktuatoren zur Beeinflussung der Position des statorseitigen Lagerrings zugeordnet.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dem statorseitigen bzw. feststehenden Lagerring mehrere Messwertaufnehmer sowie mehrere Aktuatoren zuzuordnen. Mit Hilfe der Messwertaufnehmer kann die Position des feststehenden Lagerrings erfasst werden, mit Hilfe des Aktuatoren ist eine Beeinflussung der Position des statorseitigen bzw. feststehenden Lagerrings möglich. Unerwünschte Verschiebung der Lager mit Quetschfilmdämpfern, die sich während des Betriebs zum Beispiel infolge von Manöverlasten ergeben, können so ausgeglichen bzw. kompensiert werden.

Vorzugsweise sind dem statorseitigen Lagerring mindestens drei Mess- und Stellglieder zugeordnet, die über den Umfang des statorseitigen Lagerrings gleichmäßig verteilt sind, wobei jedes der Mess- und Stellglieder einen Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Position des statorseitigen Lagerrings und einen Aktuator zur Beeinflussung der Position des statorseitigen Lagerrings aufweist. Der statorseitige Lagerring ist mit Hilfe der Aktuatoren der Mess- und Stellglieder in zwei Richtungen, die jeweils senkrecht zu einer Drehachse des rotorseitigen Lagerrings verlaufen, verstellbar.

Die Sensoren und Aktuatoren übernehmen auch die Aufgabe der Lagerdämpfung bzw. kompensieren eine Restunwucht des Rotors durch „Nachführen" des Lagers um die Trägheitsachse des Rotors.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen Ausschnitt aus einem Gasturbinenflugtriebwerk im Bereich einer erfindungsgemäßen Lageranordnung; und
2 ein Detail der Lageranordnung gemäß 1.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Gasturbinenflugtriebwerk im Bereich einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 10. Die erfindungsgemäße Lageranordnung 10 umfasst einen statorseitigen, feststehenden Lagerring 11 und einen rotorseitigen, sich drehenden Lagerring 12. Der statorseitige, feststehende Lagerring 11 ist als Lageraußenring und der rotorseitige, sich drehende Lagerring 12 als Lagerinnenring ausgebildet. Zwischen dem Lageraußenring 11 und dem Lagerinnenring 12 sind mehrere Wälzkörper 13 angeordnet.
Wie 1 entnommen werden kann, ist der rotorseitige, sich drehende Lagerinnenring 12 über einen Flansch 14 mit einer Rotorscheibe 15 rotierender Laufschaufeln sowie einem ebenfalls rotierenden Dichtungsträger 16 verbunden. Gemäß 1 erfolgt die Verbindung des rotorseitigen Lagerinnenrings 12 mit dem Dichtungsträger 16 und der Rotorscheibe 15 über eine Schraubverbindung 17. Der statorseitige, feststehende Lageraußenring 11 ist über eine sogenannte Umfangssicherung 18 mit einem feststehenden Gehäuseteil 19 verbunden. Über die Umfangssicherung 18 wird die Relativposition der Lageranordnung in Umfangsrichtung fixiert.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind dem statorseitigen, feststehenden Lageraußenring 11 mehrere Mess- und Stellglieder 20 zugeordnet. Dabei sind dem feststehenden Lageraußenring 11 mindestens drei Mess- und Stellglieder 20 zugeordnet, die über den Umfang des feststehenden Lageraußenrings 11 gleichmäßig verteilt sind. Jedes der Mess- und Stellglieder 20 verfügt über einen nicht-dargestellten Messwertaufnehmer sowie einen Aktuator 21. Mit Hilfe der Messwertaufnehmer kann die Position des feststehenden Lageraußenrings 11 relativ zu einer Sollposition erfasst werden. Die Messwertaufnehmer übermitteln entsprechende Ist-Werte der Position des Lageraußenrings 11 an eine nicht-dargestellte Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung, wobei die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung die von den Messwertaufnehmern bereitgestellten Ist-Werte der Relativposition zwischen dem feststehenden Lageraußenring 11 und der Sollposition mit vorgegebenen Soll-Werten vergleicht und abhängig hiervon Stellsignale für die Aktuatoren 21 erzeugt. Mit Hilfe der Aktuatoren 21 ist auf Basis der von der nicht-dargestellten Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung erzeugten Stellsignale die Position des statorseitigen Lageraußenrings 11 bzw. der gesamten Lageranordnung 10 verstellbar, und zwar in zwei Richtungen, die jeweils senkrecht zu einer Drehachse des Rotors bzw. rotorseitigen Lagerinnenrings 12 verlaufen. Die Aktuatoren 21 wirken demnach in radialer Richtung auf den feststehenden Lagerring 11, wobei die Umfangssicherung 18 eine Verschiebbarkeit der Lageranordnung 10 in radialer Richtung zulässt.
Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, greifen die Aktuatoren 21 der Mess- und Stellglieder 20 in Ausnehmungen 22 des statorseitigen Lageraußenrings 11 ein. Die Aktuatoren 21 stehen dabei über jeweils eine ballige Anlagefläche 23 mit dem Lageraußenring 11 in Kontakt.
Die Aktuatoren 21 sind nicht formschlüssig mit dem Gehäuse 19 und dem Lageraußenring 11 verbunden, vielmehr wird diese Verbindung über eine Regelung der Aktuatoren 21 etabliert. Über einen Vergleich der Signale der Messwertaufnehmer bzw. Wegsensoren und der Steuerspannung des jeweiligen Aktuators 21 kann der Punkt ermittelt werden, an dem gerade noch Kontakt an der jeweiligen balligen Anlagefläche 23 zum Lageraußenring 11 besteht. Über einen Vergleich der Ist-Werte und Soll-Werte der Mess- und Stellglieder 20 werden über die Regelung die balligen Anlageflächen 23 stets in Kontakt zum Lageraußenring 11 gehalten. Es ist auch möglich, die entsprechenden Anpresskräfte zu ermitteln und zu regeln.
Die Aktuatoren 21 sind im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorzugsweise als piezokeramische Aktuatoren ausgebildet. Die Lager 21 können als Öllager, Luftlager oder auch Magnetlager ausgebildet sein. Die Mess- und Stellglieder 20 sind über Schraubverbindungen 24 mit dem statorseitigen Gehäuseteil 19 verbunden.
Mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist es auf besonders einfache Art und Weise möglich, während des Betriebs des Gasturbinenflugtriebwerks auftretende Verschiebungen der Lageranordnung mit Quetschfilmdämpfer durch eine aktive Regelung zu kompensieren. So ist die Lageranordnung über Aktuatoren in zwei Richtungen, die senkrecht zur Drehachse des Rotors verlaufen, verstellbar. Zusätzlich können insbesondere auf das Gasturbinenflugtriebwerk einwirkende Manöverlasten kompensiert werden, um so Spalte zwischen dem Rotor und dem Stator exakt einzuhalten. Sich während des Betriebs einstellende Schwingungen oder Taumelbewegungen der Lageranordnung können mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung 10 kompensiert bzw. gedämpft werden, wodurch auf eine Triebwerksaufhängung wirkende Belastungen reduziert werden können.

10: Lageranordnung
11: Lagerring
12: Lagerring
13: Wälzkörper
14: Flansch
15: Rotorscheibe
16: Dichtungsträger
17: Schraubverbindung
18: Umfangssicherung
19: Gehäuseteil
20: Mess- und Stellglieder
21: Aktuator
22: Ausnehmung
23: Anlagefläche
24: Schraubverbindung

Claims

Lageranordnung, insbesondere für ein Gasturbinenflugtriebwerk, mit einem ersten, statorseitigen bzw. feststehenden Lagerring (11) und einem zweiten, rotorseitigen bzw. drehenden Lagerring (12), wobei zwischen dem statorseitigen Lagerring (11) und dem rotorseitigen Lagerring (12) Wälzkörper (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem statorseitigen Lagerring (11) einerseits Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Position des statorseitigen Lagerrings (11) und andererseits Aktuatoren (21) zur Beeinflussung der Position des statorseitigen Lagerrings (11) zugeordnet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem statorseitigen Lagerring (11) kombinierte Mess- und Stellglieder (20) zugeordnet sind, wobei jedes Mess- und Stellglied (20) einen Messwertaufnehmer zur Ermittlung der Position des statorseitigen Lagerrings (11) und einen Aktuator (21) zur Beeinflussung der Position des statorseitigen Lagerrings (11) aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem statorseitigen Lagerring (11) mindestens drei Mess- und Stellglieder (20) zugeordnet sind, die über den Umfang des statorseitigen Lagerrings (11) gleichmäßig verteilt sind.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertaufnehmer die Position des statorseitigen Lagerrings (11) relativ zu einer Sollposition erfassen.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (21) die Position des statorseitigen Lagerrings (11) relativ zu einer Sollposition beeinflussen.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der statorseitige Lagerring (11) mit Hilfe der Aktuatoren (21) der Mess- und Stellglieder (20) in zwei Richtungen, die jeweils senkrecht zu einer Drehachse des rotorseitigen Lagerrings (12) verlaufen, verstellbar ist.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (21) als piezokeramische Aktuatoren ausgebildet sind.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Messwertaufnehmern der Mess- und Stellglieder (20) ermittelten Istwerte der Position des statorseitigen Lagerrings (11) in einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung mit Sollwerten vergleichbar sind, wobei die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung abhängig von dem Vergleich zwischen Sollwerten und Istwerten Stellsignale für die Aktuatoren (21) erzeugt.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der statorseitige Lagerring (11) als Lageraußenring und der rotorseitige Lagerring (12) als Lagerinnenring ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (21) über jeweils eine ballige Anlagefläche (23) mit dem Lageraußenring (11) in Kontakt stehen, und dass über einen Vergleich der Ist-Werte und Soll-Werte der Mess- und Stellglieder (20) die balligen Anlageflächen (23) stets in Kontakt zum Lageraußenring (11) gehalten werden.