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Die Erfindung betrifft ein Rotormodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein als Verdichtermodul oder Turbinenmodul eines Flugtriebwerks ausgebildetes Rotormodul bzw. Gasturbinenmodul verfügt über einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst ein Modulgehäuse sowie mindestens einen Leitschaufelkranz. Der Rotor umfasst mindestens einen Laufschaufelkranz. Der Rotor ist am Stator über mindestens ein Rotorlager gelagert, wobei ein Rotorlager einen Innenring, einen Außenring sowie zwischen dem Innenring und dem Außenring positionierte Wälzkörper umfasst.
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Zur Gewährleistung eines hohen Wirkungsgrads müssen insbesondere im Bereich eines Verdichters Spalte zwischen dem Rotor und dem Stator so gering wie möglich gehalten werden. Durch Betriebslasten, so z. B. durch einen starken Kurvenflug, kann sich bedingt durch die Elastizität des oder jedes Rotorlagers der Rotor in radialer Richtung relativ zum Stator verschieben, wodurch die Spalthaltung zwischen dem Rotor und dem Stator ungünstig beeinflusst wird. So können sich durch die Betriebslasten insbesondere Radialspalte zwischen radial außen liegenden Enden der Laufschaufelkränze und dem Modulgehäuse vergrößern, wodurch der Wirkungsgrad verringert wird. Es besteht daher ein Bedarf durch Betriebslasten verursachte radiale Verlagerungen bzw. Verschiebungen des Rotors relativ zum Stator zu kompensieren. Bei Rotormodulen von Walzwerkzeugen, Papiermaschinen oder Druckmaschinen ergeben sich ähnlich gelagerte Probleme.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Rotormodul zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Rotormodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Außenring des oder jedes Rotorlagers und/oder eine Führungsbuchse des jeweiligen Rotorlagers derart konturiert und verschiebbar, dass durch Betriebslasten bedingte, radiale Verlagerungen des Rotors kompensierbar sind.
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Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird der Außenring des oder jedes Rotorlagers und/oder die Führungsbuchse des jeweiligen Rotorlagers, der und/oder die eine schräg zur Rotationsachse des Rotors verlaufende Führungskulisse aufweist, verschoben, wodurch durch Betriebslasten bedingte, radiale Verlagerungen des Rotors kompensiert werden können. Durch die Erfindung kann der Rotor aktiv über eine Regelung trotz durch Betriebslasten bedingter Verformungen im Bereich der Rotorlager in einer optimalen Position zum Stator gehalten werden. Hierdurch ist es möglich auch bei Betriebslasten optimale Spalte zwischen dem Rotor und dem Stator einzuhalten und damit den Wirkungsgrad eines Gasturbinenmoduls zu verbessern.
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Vorzugsweise sind Führungskulissen des Außenrings des oder jedes Rotorlagers und der Führungsbuchse des jeweiligen Rotorlagers entlang von in etwa senkrecht zueinander sowie schräg zu einer Rotationsachse des Rotors verlaufenden Achsen verschiebbar, sodass durch Betriebslasten bedingte, horizontale radiale Verlagerungen und vertikale radiale Verlagerungen des Rotors kompensierbar sind.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen stark schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotormodul,
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2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotormodul nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotormodul nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotormodul nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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5 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotormodul nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt stark schematisiert einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotormodul im Bereich eines Rotorlagers 10, wobei das Rotorlager 10 der drehbaren Lagerung eines nichtdargestellten Rotors an einem ebenfalls nicht-dargestellten Stator des Rotormoduls dient. Nachfolgend soll davon ausgegangen werden, dass es sich beim erfindungsgemäßen Rotormodul um ein Gasturbinenmodul, nämlich um ein Verdichtermodul oder ein Turbinenmodul eines Flugtriebwerks, handelt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Vielmehr kann es sich beim erfindungsgemäßen Rotormodul auch um ein Rotormodul eines Walzwerkzeuges, einer Papiermaschine oder einer Druckmaschine handeln.
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Das Rotorlager 10 des Rotormoduls der 1 umfasst einen Innenring 11, einen Außenring 12 sowie zwischen dem Innenring 11 und dem Außenring 12 positionierte Wälzkörper 13.
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In 1 ist das dargestellte Rotorlager 10 als Radiallager, nämlich als Zylinderrollenlager, ausgeführt. Der Außenring 12 des Rotorlagers 10 verfügt radial innen über eine sich coaxial zu einer Rotationsachse 14 des nicht-dargestellten Rotors erstreckende Führungsfläche 15, vorzugsweise eine Zylinderfläche 15, und radial außen über eine Führungskulisse 16, deren Achse 17 schräg zur Rotationsachse 14 des Rotors verläuft. Die Führungskulisse 16 kann als Zylinderfläche ausgeführt sein. Die Führungskulisse 16 kann im Querschnitt auch quadratisch oder auf sonstige Art und Weise konturiert sein.
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Durch Verschiebung des Außenrings 12 in Axialrichtung wird die äußere Führungskulisse 16 des Außenrings 12 in Richtung des Doppelpfeils 18 und damit entlang der Achse 17 verschoben. Dies bewirkt letztendlich auch eine radiale Verlagerung des mit Hilfe des Rotorlagers 10 gelagerten Rotors, sodass durch Betriebslasten bzw. Manöverlasten bedingte, radiale Verlagerungen des Rotors durch eine axiale Verlagerung des Außenrings 12 kompensiert werden können. Wird z. B. die äußere Führungskulisse 16 des Außenrings 12 durch axiale Verlagerung desselben um den Betrag des Pfeils 19 entlang der Achse 17 verlagert, so resultiert dies in einer radialen Verlagerung des Rotors um den Betrag des Pfeils 20.
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Mit Hilfe des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Prinzips ist die radiale Position eines Rotors aktiv regelbar, indem abhängig von Messwerten der radialen Rotorposition der Außenring 12 des Rotorlagers 10 verschoben wird. So kann z. B. mit Hilfe von Sensoren der Abstand von radial außen liegenden Enden der Laufschaufeln eines Rotors zu einem Modulgehäuse des Gasturbinenmoduls messtechnisch erfasst werden, um abhängig von diesen Messwerten im Sinne einer aktiven Regelung des Außenrings 12 des Rotorlagers 10 zu verschieben. Hierdurch lassen sich dann durch Betriebslasten bzw. Manöverlasten bedingte, radiale Verlagerungen des Rotors im Sinne einer aktiven Regelung kompensieren.
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Der in Axialrichtung verschiebbare Außenring 12 des Rotorlagers 10 ist im Ausführungsbeispiel der 1, in welchem die Führungskulisse 16 als Zylinderfläche ausgebildet ist, über eine Verdrehsicherung 21 in seiner Umfangsposition relativ zum Rotor sowie Stator fixiert. Der Außenring 12 ist demnach ausschließlich in Axialrichtung und nicht in Umfangsrichtung verschiebbar bzw. verlagerbar. Bei Verwendung einer z. B. einer im Querschnitt quadratischen Führungskulisse 16 kann auf die Verdrehsicherung 21 verzichtet werden.
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2 zeigt das in 1 schematisiert dargestellte Prinzip an einem konkreten Ausführungsbeispiel, wobei in 2 neben dem Rotorlager 10 auch ein mit Hilfe des Rotorlagers 10 an einem Stator 22 gelagerter Rotor 23 dargestellt ist.
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So handelt es sich bei dem in 2 dargestellten Rotorlager 10 wiederum um ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Radiallager, dessen Außenring 12, wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben, ausgeführt ist. Der Außenring 12 verfügt demnach über eine innere, insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungsfläche 15 deren Längsachse sich coaxial zur Rotationsachse 14 erstreckt, sowie über eine äußere, insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungskulisse 16, deren Längsachse schräg zur Rotationsachse 14 des Rotors 23 verläuft. Durch axiale Verschiebung des über die Verdrehsicherung 21 hinsichtlich seiner Umfangsposition fixierten Außenrings 12 sind durch Manöverlasten bewirkte radiale Verlagerungen des Rotors 23 kompensierbar, nämlich in 2 in einer radialen Richtung, nämlich entweder in einer horizontalen radialen Richtung oder in einer vertikalen radialen Richtung.
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Die obige axiale Verlagerung des Außenrings 12 erfolgt hydraulisch, wobei hierzu Hydrauliköl im Sinne der Pfeile 24 über eine Hydraulikleitung 38 mit Drossel 39 in Richtung auf den Außenring 12 des Rotorlagers 10 gefördert werden kann.
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Wird das Hydrauliköl, wie in 2 oben dargestellt, dem Außenring 12 zugeführt, so ist derselbe in 2 in Axialrichtung von rechts nach links verlagerbar. Wird hingegen das Hydrauliköl, wie in 2 unten dargestellt, dem Außenring 12 zugeführt, so ist derselbe in Axialrichtung von links nach rechts verlagerbar. Um das Hydrauliköl 24 auf diese Art und Weise dem Außenring 12 zuzuführen, sind in statorseitige Baugruppen die entsprechenden Hydraulikleitungen 38 und Drosseln 39 für das Hydrauliköl integriert.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Gasturbinenmodul, welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 2 entspricht, wobei im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 dem Außenring 12 des Rotorlagers 10 ein Federelement 25 zugeordnet ist. Mit Hilfe des Federelements 25 ist dann, wenn der Hydraulikdruck am Außenring 12 zusammenbricht, derselbe automatisiert in eine Ausgangsstellung zurückführbar. Ein durch den Hydraulikdruck und die Federkraft des Federelements 25 erzeugtes Kraft- bzw. Druckverhältnis bestimmt die Verlagerung des Außenrings 12.
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In den Ausführungsbeispielen der 2 und 4 ist entweder eine vertikale radiale Verlagerung oder eine horizontale radiale Verlagerung des Rotors 23 kompensierbar. Demgegenüber zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem sowohl eine horizontale radiale Verlagerung als auch eine vertikale radiale Verlagerung des Rotors 23 kompensierbar ist. Hierzu verfügt das Gasturbinenmodul neben dem bereits unter Bezugnahme auf 1, 2 und 4 beschriebenen Außenring 12 mit der inneren, vorzugsweise als Zylinderfläche ausgebildeten Führungsfläche 15 und der äußeren Führungskulisse 16 über eine Führungsbuchse 26, die den Außenring 12 des Rotorlagers 10 radial außen umschließt, wobei zwischen dem Außenring 12 des Rotorlagers 10 und der Führungsbuchse 26 eine Zwischenbuchse 27 positioniert ist.
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Die Führungsbuchse 26 weist radial innen eine insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungsfläche 28 auf, deren Längsachse coaxial zur Rotationsachse des Rotors 23 verläuft, sowie radial außen eine äußere, insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungskulisse 29, deren Längsachse schräg zur Rotationsachse 14 des Rotors 23 verläuft. Durch Verlagerung des Außenrings 12 ist eine erste radiale Verschiebung des Rotors, insbesondere eine vertikale radiale Verschiebung desselben, und durch Verlagerung der Führungsbuchse 26 eine zweite radiale Verschiebung des Rotors 23, insbesondere eine horizontale radiale Verschiebung, kompensierbar. Der Außenring 12 des Rotorlagers 10 sowie die Führungsbuchse 26 sind hierzu in Axialrichtung verlagerbar, die Zwischenbuchse 27 ist hingegen in Axialrichtung fixiert und demnach in Axialrichtung nicht verlagerbar, jedoch radial elastisch verschiebbar.
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Sowohl der Außenring 12 des Rotorlagers 10 als auch die Führungsbuchse 26 sind in ihrer Umfangsposition über Verdrehsicherungen fixiert, wobei die Umfangsposition des Außenrings 12 über die Verdrehsicherung 21 und die Umfangsposition der Führungsbuchse 26 über eine Verdrehsicherung 30 fixiert ist. Die in 5 oberhalb einer gestrichelten Linie 31 dargestellten Baugruppen sind um 90° gedreht dargestellt.
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Die Kontur der Zwischenbuchse 27 ist an die Konturen der benachbarten Bauteile angepasst. Daraus folgt, dass die Zwischenbuchse 27 radial innen eine insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungsfläche aufweist, die an die äußere Führungskulisse 16 des Außenrings 12 angepasst ist. Radial außen weißt die Zwischenbuchse 27 eine insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungsfläche auf, die an die innere Führungsfläche 28 der Führungsbuchse 26 angepasst ist.
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In 1, 2, 4 und 5 ist das Rotorlager 10 jeweils als Radiallager ausgeführt. Im Unterschied hierzu zeigt 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem das Rotorlager 10, welches der drehbaren Lagerung des Rotors 23 am Stator 22 des erfindungsgemäßen Gasturbinenmoduls liegt, als Axiallager ausgebildet ist.
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Nachfolgend soll nur auf die Details eingegangen werden, durch die sich das Ausführungsbeispiel der 3, bei welchem das Rotorlager 10 als Axiallager ausgebildet ist, von den anderen Ausführungsbeispielen, bei welchen das Rotorlager 10 als Radiallager ausgebildet ist, unterscheidet.
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Auch das als Axiallager ausgebildete Rotorlager 10 verfügt über einen Innenring 32, einen radial elastisch verschieblichen Außenring 33 sowie Wälzkörper 34, wobei in 3 der Innenring 32 als zweigeteilter Innenring ausgeführt ist. In 3 ist der Innenring 32 ebenso wie der Außenring 33 des als Axiallager ausgebildeten Rotorlagers 10 in Axialrichtung ortsfest ausgeführt, zur Kompensation radialer Verlagerungen des Rotors 23 dient in 3 eine Führungsbuchse 35, die sich unmittelbar außen an den Außenring 33 des Rotorlagers 10 anschließt.
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Radial innen weist die Führungsbuchse 35 eine innere, insbesondere als Zylinderfläche ausgebildete Führungsfläche 36 auf, deren Längsachse sich coaxial zur Rotationsachse 14 des Rotors 23 erstreckt. Radial außen hingegen weist die Führungsbuchse eine äußere Führungskulisse 37 auf, deren Längsachse schräg zur Rotationsachse 14 des Rotors 23 verläuft. Durch axiale Verschiebung der Führungsbuchse 35 sind im Ausführungsbeispiel der 3 radiale Verlagerungen des Rotors 23 kompensierbar.
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Gemäß 3 ist in die Führungsbuchse 35 eine Leitung 38 für Hydrauliköl integriert, um so das Hydrauliköl, welches eigentlich der axialen Verschiebung der Führungsbuchse 36 dient, auch für eine Quetschfilmdämpfung zwischen dem Außenring 33 und der Führungsbuchse 35 zu nutzen. Die Umfangsposition der Führungsbuchse 35 ist ebenso wie die Umfangsposition der Führungsbuchse 26 des Ausführungsbeispiels der 5 über eine Verdrehsicherung 30 fixiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotorlager
- 11
- Innenring
- 12
- Außenring
- 13
- Wälzkörper
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Führungsfläche/Zylinderfläche
- 16
- Führungskulisse/Zylinderfläche
- 17
- Achse
- 18
- Doppelpfeil
- 19
- Pfeil
- 20
- Pfeil
- 21
- Verdrehsicherung
- 22
- Stator
- 23
- Rotor
- 24
- Hydrauliköl
- 25
- Federelement
- 26
- Führungsbuchse
- 27
- Zwischenbuchse
- 28
- Führungsfläche/Zylinderfläche
- 29
- Führungskulisse/Zylinderfläche
- 30
- Verdrehsicherung
- 31
- Linie
- 32
- Innenring
- 33
- Außenring
- 34
- Wälzkörper
- 35
- Führungsbuchse
- 36
- Führungsfläche/Zylinderfläche
- 37
- Führungskulisse/Zylinderfläche
- 38
- Hydraulikleitung
- 39
- Drossel
