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Wellen in einer Turbomaschine, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, dienen der Leistungsübertragung, z. B. von der Turbine zum Kompressor. Bei modernen Flugzeugtriebwerken sind die Wellen häufig als mehrwellige Hohlwellen ausgebildet, z. B. mit zwei Wellen oder drei Wellen. Um die Wellen, z. B. die Verdichterwelle oder die Turbinenwelle, teilbar auszubilden, werden Verbindungsmittel verwendet, wie z. B. eine Stirnzahnkupplung (Curvic Couplings). Dabei werden Stirnflächen der zu verbindenden Wellen (oder auch daran angeordneter Scheiben) mit einer radialen Verzahnung versehen und durch axiale Verschraubungen verspannt. Die Verzahnung ist spielfrei ausgebildet. Diese Art der Verbindung überträgt kraftschlüssig Drehmomente und ist für wechselnde Belastungen - wie sie z. B. in Flugzeugtriebwerken vorkommen - geeignet. Ferner erlaubt diese Stirnverzahnung eine Zentrierung der verbundenen Bauteile.
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Bei einwelligen Turbomaschinen werden die Wellensegmente häufig mit einem zentralen Zuganker verspannt, wie dies in der
US 5 628 621 A ,
JP 5001567 A und der
JP 57168004 A beschrieben ist.
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Bei mehrwelligen Turbomaschinen, werden meist zwei der koaxial zueinander angeordneten Wellen über Schrauben-Mutter-Verbindungen am Umfang der Wellen verbunden. Dabei erfolgt eine Verspannung durch Durchgangslöcher in der Stirnverzahnung hindurch.
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Es besteht die Aufgabe, Wellenanordnungen zu schaffen, die effizient montierbar sind.
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Die Aufgabe wird durch eine Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Wenn eine Wellenordnung einer Turbomaschine einen im Wesentlichen als Hülse ausgebildeten Zuganker zur axialen Verspannung einer Stirnverzahnung aufweist, werden zwei Teile einer Hohlwelle miteinander verbunden, wobei die zwei Teile der Hohlwelle konzentrisch außerhalb oder innerhalb des Zugankers angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der hülsenförmige Zuganker innerhalb der Hohlwellenteile angeordnet sein kann oder außerhalb um den Zuganker herum. Durch die konzentrische Anordnung fallen die Drehachsen von Zuganker und den Teilen der Hohlwelle zusammen. Der Zuganker weist dabei eine hydraulische Dichtung auf. Auch diese Integration erlaubt platzsparende Bauweisen. Die hydraulische Dichtung weist eine Nut mit einem radial nach außen zeigende Boden auf, wobei in der Nut mindestens ein Fluidleitelement angeordnet ist, das im Betrieb in ein sich durch die Fliehkraft bildendes Ölreservoir an der radial äußeren Seite der Nut eintaucht.
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Vorteilhafterweise umgeben die zwei Teile der Hohlwelle den Zuganker radial mindestens teilweise. Der rohrförmige oder hohlwellenartige Zuganker erlaubt die Verspannung auch über eine längere Distanz, ohne dass viel radialer Bauraum benötigt wird. Ein dafür verwendetes Verspannungsmittel ist für Montagewerkzeuge leicht zugänglich.
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In einer weiteren Ausführungsform umgeben zwei Teile der Hohlwelle den Zuganker radial mindestens teilweise. Der Zuganker ist somit innerhalb der Hohlwelle angeordnet.
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Mit Vorteil weist der Zuganker eine erste Gewindeverbindung zur Verbindung mit einem ersten Teil der Hohlwelle und ein mit der ersten Gewindeverbindung verbundenes axiales Verspannungselement, insbesondere eine Mutter, auf. Der Zuganker kann für die Verbindung auch eine formschlüssige Verbindung, insbesondere einen Bajonettverschluss, aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die axiale Verspannung durch den Zuganker auch weitere Wellenelemente der Wellenanordnung, insbesondere ein Zahnrad, ein Kegelrad, eine Verdrehsicherung und/oder ein Wälzlager erfassen. Dadurch kann mit einem Mittel, nämlich dem Zuganker, platzsparend eine Wellenanordnung geschaffen werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das axiale Verspannungselement und/oder ein Zahnrad, insbesondere ein Kegelrad, durch eine Verdrehsicherung formschlüssig mit dem Zuganker verbindbar ist.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Verdrehsicherung die erste Gewindeverbindung über den Zuganker sichert, wobei die erste Gewindeverbindung axial von dem Ort der Verdrehsicherung beabstandet ist. Durch das Zusammenwirken von Zuganker und Verdrehsicherung kann ein Gewinde gesichert werden, das konstruktiv einen deutlichen Abstand von der axialen Position der Verdrehsicherung aufweist.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Turbomaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sie als Flugzeugtriebwerk mit einem Mehrwellenverdichter ausgebildet ist, wobei die zwei Teile der Hohlwelle Teile einer Hochdruckwelle sind.
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Im Zusammenhang mit den Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Wellenanordnung mit einem Zuganker;
- 2 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform einer Wellenanordnung mit einem Zuganker in einem Flugzeugtriebwerk;
- 3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;
- 4 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker außerhalb einer Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;
- 5 eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;
- 6 eine Schnittansicht durch eine fünfte Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;
- 7 eine Schnittansicht durch eine sechste Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;
- 8 eine Schnittansicht der Ausführungsform gemäß 7 mit einer Verdrehsicherung;
- 9 in schematischer Weise ein Flugzeugtriebwerk mit einer Ausführungsform einer Wellenanordnung.
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In 1 ist in einer Prinzipskizze eine Ausführungsform einer Wellenanordnung dargestellt. Die Wellenanordnung weist zwei Teile auf, die jeweils als Hohlwelle 3, 4 ausgebildet sind. Die beiden Teile der Hohlwelle 3, 4 sind über eine Stirnradverzahnung 2 miteinander axial verbunden. Die beiden Teile 3, 4 der Hohlwelle sind hier nur als ein Ausschnitt angegeben; die Hohlwelle kann noch weitere Teile aufweisen.
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Eine solche Wellenanordnung wird z. B. in Turbomaschinen, wie Flugzeugtriebwerken (siehe 9) verwendet. Die beiden Teile 3, 4 der Hohlwelle können dabei z. B Teile einer Hochdruckwelle einer Mehrwellenturbine mit zwei oder drei Wellen sein.
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Um eine axiale Verspannung A, in 1 durch einen Pfeil dargestellt, zu verwirklichen, weist der erste Teil 3 der Hohlwelle an seiner Innenseite ein Gewinde 12A auf, in das ein erstes Außengewinde 12B eines Zugankers 1 eingeschraubt ist. Zusammen bilden das Innengewinde 12A und das Außengewinde 12B eine erste Gewindeverbindung 12.
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Der Zuganker 1 ist hier im Wesentlichen als Hülse ausgebildet, d. h. ein hohles oder rohrförmiges Bauteil. Der Zuganker 1 umgibt hier konzentrisch die beiden Teile der ersten Hohlwelle 3, 4, d. h. die axialen Drehachsen von Zuganker und der ersten Hohlwelle 3, 4 fallen zusammen.
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Am anderen Ende des Zugankers 1, d. h. am Ende, das von der ersten Gewindeverbindung 12 beabstandet ist, weist der Zuganker 1 an seiner Außenseite ein zweites Außengewinde 13A auf, auf das eine Mutter 5 als Verspannungselement mit einem Innengewinde 13B aufgeschraubt ist. Das zweite Außengewinde 13A und das Innengewinde 13B der Mutter 5 bilden eine zweite Gewindeverbindung 13.
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Durch ein Anziehen der Mutter 5 auf den Zuganker 1 wird eine Verspannung A in Richtung auf die Stirnverzahnung 2 erreicht, so dass die beiden Teile der Hohlwelle 3, 4 miteinander verbunden werden.
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Durch diese Art der Verspannung ist es möglich, die beiden Teile 3, 4 sicher miteinander zu verbinden, ohne dass an der Stirnverzahnung 2 selbst besondere Sicherungselemente, wie z. B. Schrauben, angeordnet werden müssen. Diese Schrauben müssten für eine Montage von außen zugänglich sein, was zusätzlichen radialen und/oder axialen Bauraum erfordern würde.
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Die hier darstellte Ausführungsform kann axial so dicht an die Stirnverzahnung 2 gerückt werden, wie das gewünscht wird. Die Länge des Zugankers 1 als Designparameter erlaubt hier eine erhebliche Flexibilisierung.
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Die darstellte Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zu verstehen, da z. B. der Zuganker 1 anders dimensioniert werden kann, insbesondere kann die Anordnung der Gewindeverbindungen 12, 13 in alternativen Ausführungsformen anders gestaltet werden. Auch können als Verspannungselemente 5 andere Maschinenelemente statt einer Mutter verwendet werden.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Mehrwellen-Turbomaschine, nämlich eines Flugzeugtriebwerkes, dargestellt. Das erste Teil 3 und das zweite Teil 4 einer Hohlwelle sind hier Teile einer Hochdruckwelle eines Verdichters, wobei die Teile 3, 4 der Hohlwelle über eine Stirnverzahnung 2 axial verbunden sind.
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Außen auf dem zweiten Teil 4 der Hohlwelle ist ein Wälzlager 7 angeordnet, das hier als Kugellager ausgebildet ist. An der Stirnseite des zweiten Teils 4 der Hohlwelle ist ferner ein Zahnrad 6 angeordnet, das hier als Kegelrad ausgebildet ist.
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Der hülsenförmige Zuganker 1 ist über die erste Gewindeverbindung 12 mit dem ersten Teil 3 der Hohlwelle verbunden. Die zweite Gewindeverbindung 13 wird über eine Mutter 5 hergestellt. Der zentrale Zuganker 1 wird in den ersten Teil 3 der Hohlwelle eingeschraubt. Die Mutter 5 wird mit einem hohen Drehmoment angezogen und verspannt so axial die beiden Teile 3, 4 der Hohlwelle (Pfeil A).
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Alternativ kann die Verbindung zwischen Zuganker 1 und dem ersten Teil der Hohlwelle 3 auch über eine formschlüssige Verbindung, z. B. eine Bajonettverbindung, hergestellt werden.
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Dabei werden auch noch die weiteren Wellenelemente der Wellenanordnung, nämlich das Zahnrad 6 und das Wälzlager 7, axial verspannt.
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Die Mutter 5 ist in der dargestellten Ausführungsform mit einer Verdrehsicherung 11 gekoppelt, die über segmentierte Einkerbungen verfügt. Die Verdrehsicherung 11 greift mit segmentierten Einkerbungen in axialen Nuten der Welle (hier nicht dargestellt) ein, wobei dann eine formschlüssige Verbindung mit der Mutter 5 erfolgt. Im Ergebnis wird die Mutter 5 aber auch die erste Gewindeverbindung 12 am gegenüberliegenden Ende durch die Verdrehsicherung 11 gesichert, da eine formschlüssige Verbindung über den Zuganker 1 hergestellt wird. Dies wird im Zusammenhang mit der 8 dargestellt.
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Die Verdrehsicherung 11 wird bei der Montage nach rechts verschoben, die formschlüssig sowohl in die Unterseite des Zahnrades 6 als auch in den Zuganker 1 eingreift. Damit wird eine Verdrehung von Zahnrad 6 und Zuganker 1 verhindert. Die erste Gewindeverbindung 12 kann nunmehr nicht mehr gelöst werden.
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Des Weiteren weist der Zuganker 1 noch eine hydraulische Dichtung 8 auf, deren Außenteil in der darstellten Ausführungsform nicht einstückig mit der Hülse des Zugankers 1 gebildet ist. In alternativen Ausführungsformen ist die hydraulische Dichtung 8 einstückig mit der Hülse ausgebildet.
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Die hydraulische Dichtung 8 weist eine rotationssymmetrische Nut 9 auf. In 2 ist schematisch dargestellt, dass sich im Betrieb aufgrund der Fliehkraft Öl am radial äußeren Teil der Nut 9 ansammelt, d. h., es bildet sich in der Nut 9 ein ringförmiges Ölreservoir 20. Ein scheibenförmiges Fluidleitelement 10 taucht in dieses Ölreservoir 20 ein, so dass keine luftführende Verbindung zwischen dem Welleninnenraum und dem Wellenaußenraum besteht.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die hydraulische Dichtung 8 mit dem Zuganker 1 gekoppelt und außerhalb der Verspannung 5 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann die hydraulische Dichtung 8 auch an anderen Stellen der Wellenanordnung angeordnet sein.
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In 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, die einen ähnlichen Aufbau wie die Ausführungsform in 2 aufweist. Der Ausschnitt der Wellenanordnung in den 3 bis 7 ist jedoch kleiner gewählt als in 2. Auch bei der Ausführungsform gemäß 3 ist ein Zuganker 1 im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet. Der Zuganker 1 ist durch eine erste Gewindeverbindung 12, die hier ein Außengewinde des Zugankers 1 aufweist, mit dem ersten der Teil der Hohlwelle 3 verbunden. Das erste Teil der Hohlwelle 3 ist über die Stirnverzahnung 2 mit dem zweiten Teil der Hohlwelle 4 verbunden. Gemeinsam bilden die Teile der Hohlwelle 3, 4 einen Teil der Hochdruckwelle. Die Niederdruckwelle 14 ist eine zweite Hohlwelle, die von der ersten Hohlwelle 3, 4 konzentrisch umgeben ist. Die gleichsinnigen Drehrichtungen der ersten Hohlwelle 3, 4 und der zweiten Hohlwelle 14 sind durch Pfeile angedeutet.
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Auf dem zweiten Teil der Hohlwelle 4 ist das Wälzlager 7, hier ein Kugellager, auf einem Lagersitz angeordnet. Das Wälzlager 7 wird durch das Verspannungselement 5 axial auf dem zweiten Teil der Hohlwelle 4 fixiert. Gleichzeitig verspannt das Verspannungselement 5 den Zuganker 1 gegenüber dem ersten Teil der Hohlwelle 3. Das Verspannungselement 5 ist über die zweite Gewindeverbindung 13 mit dem zweiten Teil der Hohlwelle 4 verbunden.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der im Unterschied zur Ausführungsform, z. B. gemäß 3, der Zuganker 1 hülsenförmig ausgebildet ist, die erste Gewindeverbindung 12 aber so ausgebildet ist, dass das Gewinde am Zuganker 1 als Innengewinde ausgebildet ist.
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Die Verspannung des Zugankers 1 zur Verbindung der Teile der Hohlwellen 3, 4 erfolgt ähnlich zur Ausführungsform gemäß 2 oder 3; auch hier liegt eine konzentrische Anordnung des Zugankers 1 relativ zu den Hohlwellen 3, 4, 14 vor. Allerdings ist hier kein Verspannungselement 5 vorgesehen, sondern eine zweite Gewindeverbindung 13, die am Wälzlager 7 ausgebildet ist. Im Übrigen kann auf die Beschreibung der 2 oder 3 Bezug genommen werden.
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5 ist eine Fortbildung der Ausführungsform gemäß 2 oder 3. Wieder ist der hülsenförmige Zuganker 1 innen, konzentrisch in Teilen der Hohlwelle 3, 4 angeordnet. Der Zuganker 1 ist auch konzentrisch zur zweiten Hohlwelle 14. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der 2, wobei hier zwischen Wälzlager 7 und Verspannungselement 5 noch ein Ritzel, nämlich ein Kegelrad 6, angeordnet ist. Die Kegelverzahnung 15 ist in Form einer Hülse axial auf den zweiten Teil der Hohlwelle 4 aufgesteckt. Das Verspannungselement 5 drückt axial über den inneren Lagersitz des Wälzlagers auf die Stirnverzahnung 2 am anderen Ende des zweiten Teils der Hohlwelle 4. Das Verspannungselement 5 ist über die zweite Gewindeverbindung 13 mit dem zweiten Teil der Hohlwelle 4 verbunden. Das Kegelrad 6 kann dann mit hier nicht dargestellten Zahnrädern kämmen. Im Übrigen kann auf die Beschreibung der 2 bis 4 Bezug genommen werden.
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In 6 ist eine alternative Ausführungsform zur Ausführungsform in 5 dargestellt. Dabei ist am zweiten Teil der Hohlwelle 4 noch eine hydraulische Dichtung 8 angeordnet, die hier nur schematisch dargestellt ist. Die Funktion der hydraulischen Dichtung 8 ist im Zusammenhang mit der 2 bereits beschrieben worden.
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In 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform in Abwandlung der Ausführungsformen gemäß 6 dargestellt. Zwischen dem Kegelrad 6 und dem Verspannungsring 5 ist eine Verdrehsicherung 11 angeordnet, die eine Öffnung 15 aufweist. Die Öffnung 15 dient dem Öldurchlass, so dass Öl in den Raum zwischen Zuganker 1 und der inneren Hohlwelle 3, 4 zu Schmierzwecken gelangen kann. In dem Wälzlager 7 sind dementsprechend Schmierkanäle 16 angedeutet.
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In 8 ist anhand der 7 die Wirkung der Verdrehsicherung im Zusammenhang mit dem Zuganker dargestellt. Dabei ist dargestellt, dass die Mutter 5 über Einkerbungen verfügt, in die Segmente der Wellensicherung 11 eingreifen können. In 8 ist ein solches Segment 17 verformt dargestellt, wie es in eine Einkerbung der Mutter 5 eingreift. Durch die Verspannung des Zugankers 1 (siehe gestrichelte Linien in der 8) über die Mutter 5 und die Verdrehsicherung der Mutter 5 werden nicht nur die zweite Gewindeverbindung 13, sondern auch die erste Gewindeverbindung 12 gegen ein Verdrehen gesichert. Grundsätzlich ist es möglich, die Verdrehsicherung 11 auch anders als hier mittels verformter Segmente zu erreichen.
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In 9 ist in einer Schnittansicht ein Flugzeugtriebwerk dargestellt, bei dem eine Ausführungsform der Wellenanordnung zwischen zwei Hohlwellen angeordnet ist. Der Zuganker 1 verspannt den ersten Teil einer Hohlwelle 3 mit einem zweiten Teil einer Hohlwelle 4, die gemäß der Ausführungsform der 9 eine Hochdruckwelle bilden. Der Zuganker 1 ist bei dieser Anordnung konzentrisch innerhalb der Hohlwellen 3, 4 angeordnet, d. h. der erste Teil der Hohlwelle 3 umgibt den Zuganker zumindest teilweise radial.
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Die Hohlwellen 3, 4 verbinden den Hochdruckverdichter 30 und das Hochdruckteil 31 der Turbine. Die Strömungsrichtung F ist als Pfeil eingezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zuganker
- 2
- Stirnverzahnung
- 3
- erster Teil einer Hohlwelle (Hochdruckwelle)
- 4
- zweiter Teil einer Hohlwelle (Hochdruckwelle)
- 5
- Verspannungselement
- 6
- Zahnrad (Kegelrad)
- 7
- Wälzlager
- 8
- hydraulische Dichtung
- 9
- Nut
- 10
- Fluidleitelement
- 11
- Verdrehsicherung
- 12
- erste Gewindeverbindung
- 12A
- Gewinde an Innenseite der ersten Hohlwelle
- 12B
- erste Außengewinde Zuganker
- 13
- zweite Gewindeverbindung
- 13A
- Gewindemutter
- 13B
- zweites Außengewinde Zuganker
- 14
- zweite Hohlwelle
- 15
- Öffnung in Verdrehsicherung
- 16
- Schmierkanäle in Wälzlager
- 17
- Segment an Verdrehsicherung
- 20
- Ölreservoir in hydraulischer Dichtung
- 30
- Hochdruckverdichter
- 31
- Hochdruckteil der Turbine
- A
- Richtung der Verspannung
- F
- Strömungsrichtung
