DE102013111532A1

DE102013111532A1 - Vorrichtung zur Lagerung einer Welle eines Strahltriebwerks

Info

Publication number: DE102013111532A1
Application number: DE201310111532
Authority: DE
Inventors: Sascha Burghardt
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (29) zur Lagerung einer Welle (8) eines Strahltriebwerks (1) gegenüber einer Einrichtung (16) des Strahltriebwerks (1) mit einer Zylinderrollenlagereinrichtung (27) beschrieben, wobei die Zylinderrollenlagereinrichtung (27) mit mehreren jeweils eine Mantelfläche (39) aufweisenden Zylinderrollen (33) ausgeführt ist. Die Zylinderrollen (33) sind in radialer Richtung der Welle (8) zwischen einer Außenfläche (40) eines ersten Lagerrings (30) und einer Innenfläche (38) eines zweiten Lagerrings (31) der Zylinderrollenlagereinrichtung (27) angeordnet. Der erste Lagerring (30) ist mit der Welle (8) und der zweite Lagerring (31) mit der Einrichtung (16) wirkverbindbar. In einem Grundzustand der Vorrichtung (29) liegt in Längsrichtung der Welle (8) betrachtet zwischen einem mit den Mantelflächen (39) der Zylinderrollen (33) zusammenwirkenden Bereich der Außenfläche (40) des ersten Lagerrings (30) und einem mit den Mantelflächen (39) der Zylinderrollen (33) zusammenwirkenden Bereich der Innenfläche (38) des zweiten Lagerrings (31) ein Winkel (α_t0) größer Null vor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle eines Strahltriebwerks gegenüber einer Einrichtung des Strahltriebwerks mit einer Zylinderrollenlagereinrichtung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Bekannte Strahltriebwerke sind mit zwei oder drei eine Hochdruckwelle und eine Niederdruckwelle umfassenden Triebwerkswellen ausgeführt. Die Triebwerkswellen sind jeweils gegenüber einer während eines Betriebs des Strahltriebwerks nicht rotierenden Gehäuseeinrichtung gelagert, wobei hierzu für jede Welle ein Festlager und wenigstens ein Loslager vorgesehen sind. Das Loslager wird bekannterweise als Zylinderrollenlager ausgeführt, das eine Relativbewegung der Welle gegenüber der Gehäuseeinrichtung in Längsrichtung und die Aufnahme von in radialer Richtung der Welle wirkenden Kräften ermöglicht.
Bei bekannten Zylinderrollenlagern sind in einem Grundzustand einer die Zylinderrollenlagerung umfassenden Vorrichtung eine den Zylinderrollen zuweisende Außenfläche eines mit der Welle wirkverbundenen Lagerrings und eine den Zylinderrollen zuweisende Innenfläche eines mit einem Gehäuse des Strahltriebwerks wirkverbundenen Lagerrings konzentrisch zueinander angeordnet. Der Grundzustand der Vorrichtung liegt vor, wenn die Vorrichtung keinen durch einen Betrieb eines die Vorrichtung aufweisenden Strahltriebwerks verursachten thermischen und/oder mechanischen Belastungen beispielsweise durch eine Drehung der Welle unterliegt und die Zylinderrollenlagerung im Wesentlichen Umgebungstemperatur aufweist.
Eine Lebenserwartung des Zylinderrollenlagers hängt dabei maßgeblich davon ab, dass die miteinander zusammenwirkenden Flächen der Zylinderrollen und der Lagerringe in sämtlichen Betriebszuständen möglichst plan zueinander angeordnet sind, so dass in Längsrichtung der Zylinderrollen insbesondere ein linienförmiger Kontakt zwischen einer Mantelfläche der Zylinderrollen und den den Zylinderrollen zugewandten Flächen der Lagerringe vorliegt. Während eines Betriebs des Strahltriebwerks kommt es aufgrund von Temperaturunterschieden und Fliehkräften im Bereich der Welle zu Verformungen bzw. einem thermischen Verzug der Welle, wodurch eine Außenfläche der Welle gegenüber einer Längsmittelachse der Welle im Bereich des Zylinderrollenlagers in Längsrichtung der Welle um einen Schrägstellungswinkel geneigt wird. Hieraus folgt ebenfalls eine Neigung insbesondere der Außenfläche des mit der Welle verbundenen Lagerrings um diesen Winkel, so dass die Außenfläche des mit der Welle verbundenen Lagerrings gegenüber einer Innenfläche des anderen Lagerrings schräggestellt wird.
In dem Grundzustand der Vorrichtung ist der Schrägstellungswinkel der Welle gleich Null, wobei sich der Schrägstellungswinkel der Triebwerkswelle während eines Flugzyklus eines das Strahltriebwerk umfassenden Flugzeugs verändert. Der Schrägstellungswinkel nimmt am Ende einer Startphase des Flugzyklus einen maximalen Wert an, ist während eines Reiseflugs wenigstens annähernd konstant und nimmt bei einer Landung gegebenenfalls mit einem zwischenzeitlichen erneuten Anstieg beispielsweise durch Korrekturen oder eine Schubumkehr wieder bis auf einen Wert gleich Null ab.
Ein Schrägstellungswinkel der Triebwerkswelle größer Null führt zu einem Lagerschrägstellungswinkel zwischen einer den Zylinderrollen zuweisenden Fläche des mit der Triebwerkswelle wirkverbundenen Lagerrings und einer den Zylinderrollen zuweisenden Fläche des anderen Lagerrings. Dieser Lagerschrägstellungswinkel wiederum führt dazu, dass zwischen den Zylinderrollen und den Lagerringen kein linienförmiger Kontakt sondern ein punktförmiger Kontakt vorliegt, welcher eine erhöhte Belastung sowohl der Lagerringe als auch der Zylinderrollen bedingt. Je größer der Winkel zwischen den jeweiligen Flächen ist, desto größer sind die entsprechenden Belastungen der Zylinderrollen und der Lagerringe, die zu einer Beschädigung der Lagerringe und der Zylinderrollen führen können. Große Belastungen der Zylinderrollen und der Lagerringe führen zu einer unerwünscht kurzen Lebenserwartung des Zylinderrollenlagers, so dass das Zylinderrollenlager nachteilhafterweise besonders oft gewartet werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle eines Triebwerks gegenüber einer Einrichtung des Triebwerks mit einer Zylinderrollenlagereinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welcher eine Lebenserwartung der Zylinderrollenlagereinrichtung auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung einer Welle eines Strahltriebwerks gegenüber einer Einrichtung des Strahltriebwerks mit einer Zylinderrollenlagereinrichtung, ist die Zylinderrollenlagereinrichtung mit mehreren jeweils eine Mantelfläche aufweisenden Zylinderrollen ausgeführt, die in radialer Richtung der Welle zwischen einer Außenfläche eines ersten Lagerrings und einer Innenfläche eines zweiten Lagerrings der Zylinderrollenlagereinrichtung angeordnet sind, wobei der erste Lagerring mit der Welle und der zweite Lagerring mit der Einrichtung wirkverbindbar ist.
Erfindungsgemäß liegt in einem Grundzustand der Vorrichtung in Längsrichtung der Welle betrachtet zwischen einem mit den Mantelflächen der Zylinderrollen zusammenwirkenden Bereich der Außenfläche des ersten Lagerrings und einem mit den Mantelflächen der Zylinderrollen zusammenwirkenden Bereich der Innenfläche des zweiten Lagerrings ein Winkel größer Null vor.
Durch das Vorsehen des sogenannten Lagerschrägstellungswinkels zwischen der Außenfläche des ersten Lagerrings und der Innenfläche des zweiten Lagerrings in dem Grundzustand der Vorrichtung kann bei entsprechender Orientierung des Lagerschrägstellungswinkels im Grundzustand der Vorrichtung auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise erreicht werden, dass ein während eines Betriebs zwischen diesen Flächen vorliegender Lagerschrägstellungswinkel kleiner als bei herkömmlich bekannten Zylinderrollenlagereinrichtungen ohne einen Lagerschrägstellungswinkel in einem Grundzustand der Vorrichtung ist. Der Lagerschrägstellungswinkel während eines Betriebs ist gegenüber dem Lagerschrägstellungswinkel in dem Grundzustand der Vorrichtung dadurch reduziert, dass während eines Betriebs eines die Vorrichtung umfassenden Strahltriebwerks ein Schrägstellungswinkel der Welle dem Lagerschrägstellungswinkel in dem Grundzustand der Vorrichtung entgegenwirkt und entgegengesetzt gerichtet ist, so dass bei ansteigendem Schrägstellungswinkel der Lagerschrägstellungswinkel zunächst kleiner wird.
Je kleiner der jeweilige Lagerschrägstellungswinkel in einem aktuellen Betriebszustand des Strahltriebwerks ist, desto eher liegt ein linienförmiger Kontakt zwischen den Flächen der Zylinderrollen und der Lagerringe vor und desto geringer ist die Gefahr der Entstehung von Beschädigungen der Zylinderrollen und der Lagerringe. Eine Lebenserwartung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gegenüber bekannten Vorrichtungen insbesondere dadurch erhöht, dass der Lagerschrägstellungswinkel während eines Betriebs kleiner als während der sich in dem Grundzustand befindlichen Vorrichtung ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da während des Betriebs im Unterschied zu einer in dem Grundzustand befindlichen Vorrichtung deutlich größere thermische und mechanische Belastungen auf die Zylinderrollenlagereinrichtung wirken.
Zwar liegt durch das Vorsehen des Winkels im Grundzustand der Vorrichtung, also in einem Zustand in dem die Welle nicht gedreht wird und keinen oder nur sehr geringen thermischen und mechanischen Belastungen unterliegt, eine Schrägstellung der Flächen der Lagerringe vor, allerdings beeinträchtigt diese die Lebenserwartung gegenüber einer Schrägstellung unter Last im Betrieb des Strahltriebwerks nur sehr geringfügig. Eine Lebenserwartung der Zylinderrollenlagereinrichtung ist durch das Vorsehen des Lagerschrägstellungswinkels im Grundzustand der Vorrichtung somit gegenüber bekannten Zylinderrollenlagereinrichtungen erhöht und die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall der Zylinderrollenlagereinrichtung ist gegenüber bekannten Zylinderrollenlagereinrichtungen deutlich reduziert. Entsprechend können Wartungsintervalle vergrößert werden, wodurch Betriebskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung reduziert sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass in einem Grundzustand der Vorrichtung in Längsrichtung der Welle betrachtet zwischen einem mit den Mantelflächen der Zylinderrollen zusammenwirkenden Bereich der Außenfläche des ersten Lagerrings und einer Längsmittelachse der Welle und/oder zwischen einem mit den Mantelflächen der Zylinderrollen zusammenwirkenden Bereich der Innenfläche des zweiten Lagerrings und einer Längsmittelachse der Welle ein Winkel größer Null vorliegt. Der Lagerschrägstellungswinkel ist auf diese Weise konstruktiv einfach einzustellen, wobei je nach Anwendungsfall entweder die Außenfläche des ersten Lagerrings gegenüber der Längsmittelachse der Welle oder die Innenfläche des zweiten Lagerrings gegenüber der Längsmittelachse der Welle eingestellt werden kann. Es ist auch möglich, dass die Außenfläche des ersten Lagerrings als auch die Innenfläche des zweiten Lagerrings gegenüber der Längsmittelachse der Welle geneigt sind und jeweils ein Winkel vorgesehen ist, wobei sich der Lagerschrägstellungswinkel dann aus einer Differenz der beiden Winkel ergibt.
Bei einer konstruktiv einfach ausgeführten Vorrichtung ist die Außenfläche des ersten Lagerrings und/oder die Innenfläche des zweiten Lagerrings im Grundzustand der Vorrichtung Teil einer Fläche, die durch eine Rotation einer gegenüber der Längsmittelachse der Welle um den Winkel geneigten Gerade gebildet ist.
Der erste Lagerring und/oder der zweite Lagerring ist bzw. sind bei einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung rohrförmig mit in Längsrichtung der Welle konstanter Wandstärke ausgeführt. Der zwischen der Außenfläche des ersten Lagerrings bzw. der Innenfläche des zweiten Lagerrings und der Längsmittelachse der Welle im Grundzustand der Vorrichtung vorzusehende Winkel ist hierbei auf einfache Weise durch einen dem Winkel entsprechende geneigte Anordnung einer Innenfläche des ersten Lagerrings an der Welle und/oder durch eine dem Winkel entsprechende geneigte Anordnung einer Außenfläche des zweiten Lagerrings an der Einrichtung erzielbar.
Der erste Lagerring und/oder der zweite Lagerring ist bzw. sind auch konusförmig mit einer in Längsrichtung der Welle variierenden Wandstärke ausführbar. Hierdurch ist eine besonders einfache Anordnung des ersten Lagerrings an der Welle und/oder des zweiten Lagerrings an der Einrichtung erzielbar, da zwischen einer Innenfläche des ersten Lagerrings und einer Außenfläche der Welle und/oder zwischen einer Außenfläche des zweiten Lagerrings und einer Innenfläche der Einrichtung zur Erzielung des jeweiligen Winkels zwischen der Längsmittelachse der Welle und der Außenfläche des ersten Lagerrings und/oder der Innenfläche des zweiten Lagerings bei entsprechender Ausführung des Lagerrings kein Winkel vorgesehen werden muss.
Auf konstruktiv einfache Weise ist der erste Lagerring mit der Welle verbindbar, wenn eine Innenfläche des ersten Lagerrings im Grundzustand der Vorrichtung konzentrisch zu der Längsmittelachse der Welle angeordnet ist.
Ebenso ist die Anordnung des zweiten Lagerrings an der Einrichtung auf einfache Weise möglich, wenn eine Außenfläche des zweiten Lagerrings im Grundzustand der Vorrichtung konzentrisch zu der Längsmittelachse der Welle angeordnet ist.
Der zwischen der Außenfläche des ersten Lagerrings und der Innenfläche des zweiten Lagerrings in einem Grundzustand der Vorrichtung vorliegende Lagerschrägstellungswinkel ist bei einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kleiner als 1 Grad, insbesondere kleiner als 0,1 Grad. Liegt der Lagerschrägstellungswinkel in dem Grundzustand der Vorrichtung in dem vorgeschlagenen Bereich, können in radialer Richtung der Zylinderrollenlagereinrichtung wirkende Kräfte von einem Lagerring über die Zylinderrollen auf den anderen Lagerring übertragen werden ohne große Verschleißerscheinungen im Bereich der Zylinderrollenlagereinrichtung hervorzurufen.
Die Zylinderrollen können bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sowohl im Bereich des ersten Lagerrings in Längsrichtung der Welle festgelegt und im Bereich des zweiten Lagerrings in Längsrichtung der Welle beweglich als auch im Bereich des zweiten Lagerrings in Längsrichtung der Welle festgelegt und im Bereich des ersten Lagerrings in Längsrichtung der Welle beweglich sein.
Die Einrichtung ist bei einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als ein während eines Betriebs des Strahltriebwerks nicht rotierendes Bauteil, insbesondere als ein Gehäuseelement, ausgeführt. Alternativ hierzu kann die Vorrichtung auch als weitere Welle des Strahltriebwerks ausgeführt sein. Sowohl die Welle als auch die weitere Welle sind insbesondere Teil eines beispielsweise mit zwei oder drei Zentralwellen ausgeführten Strahltriebwerks, wobei die Welle oder die weitere Welle insbesondere eine Hochdruckwelle, eine Niederdruckwelle oder gegebenenfalls eine Mitteldruckwelle des Strahltriebwerks sein kann.
Bei einer einfachen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der erste Lagerring einstückig mit der Welle ausführbar und kann beispielsweise mit der Welle verschweißt sein.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung der, sondern weisen im Wesentlichen lediglich bespielhaften Charakter auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei zugunsten der Übersichtlichkeit jeweils für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerkes mit drei jeweils gegenüber einem Gehäuse gelagerten Triebwerkswellen, wobei zur Lagerung einer Hochdruckwelle gegenüber dem Gehäuse eine ein Zylinderrollenlager umfassende Vorrichtung vorgesehen ist;
2 eine stark schematisierte Darstellung eines Teilbereiches des Strahltriebwerkes gemäß 1 in einem Grundzustand der Vorrichtung, wobei das Zylinderrollenlager der Vorrichtung näher ersichtlich ist;
3 eine vereinfachte exemplarische Darstellung eines Verlaufs eines Schrägstellungswinkels der Hochdruckwelle im Bereich der Lagerung während eines Flugzyklus;
4 eine vereinfachte exemplarische Darstellung eines Verlaufs eines Lagerschrägstellungswinkels des Zylinderrollenlagers während des Flugzyklus;
5 eine stark schematisierte Darstellung des Teilbereich des Strahltriebwerks der 2 während eines einem Reiseflug entsprechenden Betriebszustands der Vorrichtung; und
6 eine stark schematisierte Darstellung eines der 2 und 5 entsprechenden Teilbereichs des Strahltriebwerks der 1 mit einem in einem Grundzustand der Vorrichtung gezeigten alternativ ausgeführten Zylinderrollenlager.
In 1 ist ein Strahltriebwerk 1 in einer Längsschnittansicht gezeigt. Das Strahltriebwerk 1 ist mit einem Nebenstromkanal 2 und einem Einlaufbereich 3 ausgebildet, wobei sich an den Einlaufbereich 3 stromab ein Bläser 4 in an sich bekannter Art und Weise anschließt. Wiederum stromab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltriebwerk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch den Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerkskern 5 strömt.
Das Strahltriebwerk 1 ist hier mit drei Triebwerkswellen 6, 7, 8 ausgeführt, wobei das Strahltriebwerk alternativ hierzu beispielsweise auch mit zwei Triebwerkswellen, von denen eine als Hochdruckwelle und eine als Niederdruckwelle ausgebildet ist, ausgeführt sein kann.
Bei dem gezeigten dreiwelligen Strahltriebwerk 1 ist eine Niederdruckwelle 6 mit dem Bläser 4 und stromab hierzu mit drei Rotorvorrichtungen 9, 10, 11 verbunden und im Bereich einer ersten Lagerkammer 12 mit einer ersten Lagereinrichtung 13 und im Bereich einer vierten Lagerkammer 14 mit einer zweiten Lagereinrichtung 15 gegenüber einem Gehäuse 16 des Strahltriebwerks 1 gelagert.
Eine eine Hohlwelle darstellende Mitteldruckwelle 7 ist hier stromab des Bläsers 4 mit einer sechsstufigen Verdichtereinrichtung 17 und stromauf der Rotorvorrichtungen 9, 10, 11 mit einer einstufigen Turbineneinrichtung 18 verbunden und vorliegend mit drei Lagereinrichtungen 19, 20, 21 gegenüber dem Gehäuse 16 gelagert. Eine dritte Lagereinrichtung 19 ist hierbei im Bereich der ersten Lagerkammer 13, eine vierte Lagereinrichtung 20 im Bereich einer zweiten Lagerkammer 22 und eine fünfte Lagereinrichtung 21 im Bereich einer dritten Lagerkammer 23 vorgesehen.
Eine ebenfalls eine Hohlwelle darstellende Hochdruckwelle 8 ist hier mit einer stromab der Verdichtereinrichtung 17 angeordneten sechsstufigen Verdichtereinrichtung 24 und einer stromauf der Turbineneinrichtung 18 angeordneten einstufigen Turbineneinrichtung 25 verbunden und über zwei Lagereinrichtungen 26, 27 gegenüber dem Gehäuse 16 gelagert, wobei eine sechste Lagereinrichtung 26 im Bereich der zweiten Lagerkammer 22 und eine siebte Lagereinrichtung 27 im Bereich der dritten Lagerkammer 23 vorgesehen ist.
Die Wellen 6, 7, 8 sind dabei derart zueinander angeordnet, dass der Kernstrom stromab des Bläsers 4 zunächst durch die Verdichtereinrichtung 17 und die Verdichtereinrichtung 24, anschließend durch einen Brenner 28 und stromab des Brenners durch die Turbineneinrichtung 25, durch die Turbineneinrichtung 18 und schließlich durch die Rotorvorrichtungen 9, 10, 11 strömt.
Jeweils eine Lagereinrichtung einer Triebwerkswelle 6, 7, 8 ist als Festlager zur Aufnahme von axialen und radialen Kräften ausgebildet. Bei der Niederdruckwelle 6 und der Hochdruckwelle 8 ist eine Lagereinrichtung als Loslager ausgeführt, wohingegen bei der Mitteldruckwelle 7 dagegen zwei Lagereinrichtungen als Loslager ausgeführt sind. Eine Position des Festlagers und der Loslager jeder Welle 6, 7, 8 kann je nach Anwendungsfall beliebig gewählt werden. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Hochdruckwelle 8 über eine Vorrichtung 29 gegenüber dem Gehäuse 16 gelagert, wobei die Vorrichtung 29 die sechste, als Festlager ausgeführte Lagereinrichtung 26 und die siebte als Loslager ausgeführte Lagereinrichtung 27 umfasst.
Die siebte Lagereinrichtung 27 ist als in der 2 näher ersichtliche Zylinderrollenlagereinrichtung mit einem ersten vorliegend integral bzw. einstückig mit der Hochdruckwelle 8 ausgeführten Lagerring 30 und einem zweiten, fest mit dem Gehäuse 16 in Wirkverbindung gebrachten Lagerring 31 ausgeführt. Das Zylinderrollenlager 27 umfasst mehrere in einem Käfig 32 angeordnete, als Zylinderrollen 33 ausgeführte Wälzkörper, die einerseits mit einer Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 und andererseits mit einer Innenfläche 38 des zweien Lagerrings 31 zusammenwirken. Der erste Lagerring 30 ist hier mit einer Nut 37 zur axialen Festlegung der Zylinderrollen 33 innerhalb der Zylinderrollenlagereinrichtung 27 ausgeführt, wohingegen die Zylinderrollen 33 im Bereich des zweiten Lagerrings 31 in Längsrichtung der Hochdruckwelle 8 verschiebbar gelagert sind. Sowohl der erste Lagerring 30 als auch der zweite Lagerring 31 sind hier rohrförmig ausgeführt und weisen in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 im Bereich der Zylinderrollen 33 eine im Wesentlichen konstante Wandstärke auf.
In 2 ist das Zylinderrollenlager 27 in einem Grundzustand des Strahltriebwerks gezeigt, in dem das Strahltriebwerk 1 nicht in Betrieb ist, d. h. keinen durch einen Betrieb des Strahltriebwerks 1 bedingten thermischen und mechanischen Belastungen, beispielsweise durch eine Drehung der Hochdruckwelle 8, unterliegt und im Wesentlichen Umgebungstemperatur aufweist.
Die Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 ist in einem mit den Zylinderrollen 33 zusammenwirkenden Bereich Teil einer Fläche, die durch eine Rotation einer um einen Winkel 36 gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 geneigten Gerade um die Längsmittelachse 35 gebildet wird. Ein den Zylinderrollen 33 zugewandter Bereich der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 weist somit gegenüber einer Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 im Grundzustand des Strahltriebwerks 1 den ersten Winkel 36 auf und ist gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 geneigt. Ein den Zylinderrollen 33 zugewandter Bereich einer Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 ist dagegen im Wesentlichen konzentrisch zu der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 angeordnet, so dass ein zweiter Winkel 43 in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 zwischen der Hochdruckwelle 8 und der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 im Grundzustand der Vorrichtung 29 im Wesentlichen gleich Null ist. Ein sich aus einer Differenz des ersten Winkels 36 und des zweiten Winkels 43 ergebender Lagerschrägstellungswinkel α_t0 im Grundzustand des Strahltriebwerks 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel somit gleich dem ersten Winkel 36.
Die Zylinderrollen 33 liegen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Grundzustand der Vorrichtung 29 linienförmig an der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 an, so dass vorliegend auch zwischen einer Längsmittelachse 34 der Zylinderrollen 33 und der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 betrachtet der erste Winkel 36 vorliegt. Dagegen liegt zwischen den Mantelflächen 39 der Zylinderrollen 33 und der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 lediglich ein punktförmiger Kontakt vor.
Während eines Betriebs des Strahltriebwerks 1 wird die Hochdruckwelle 8 aufgrund von großen Temperaturen und hohen Fliehkräften im Bereich der Hochdruckwelle 8 in ihrer Form verändert. Da die auf die Hochdruckwelle 8 wirkenden Einflüsse in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 nicht konstant sind, sondern stromauf des Zylinderrollenlagers 27 insbesondere durch die Verdichtereinrichtung 24 größer als im Bereich des Zylinderrollenlagers 27 sind, wird die Hochdruckwelle 8 stromauf des Zylinderrollenlagers 27 stärker aufgeweitet bzw. ausgedehnt als im Bereich des Zylinderrollenlagers 27. Hieraus resultiert ein in der 5 gezeigter Schrägstellungswinkel β der Hochdruckwelle 8 gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8, welcher in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand des Strahltriebwerks 1 variiert.
In 3 ist stark vereinfacht ein exemplarischer Verlauf des Schrägstellungswinkels β während eines Flugzyklus gezeigt, wobei der Schrägstellungswinkel β auf der y-Achse und ein zeitlicher Ablauf eines Flugzyklus auf der x-Achse aufgetragen sind. Zum Zeitpunkt t0 liegt das Strahltriebwerk 1 und somit die Vorrichtung 29 in dem Grundzustand vor. Der Schrägstellungswinkel β_t0 ist in diesem Zustand, in dem auf die Hochdruckwelle 8 keine thermischen und mechanischen Belastungen wirken und die Hochdruckwelle 8 sich nicht dreht, im Wesentlichen gleich Null. Bei einem Start eines mit der Vorrichtung 29 ausgeführten Flugzeugs treten im Bereich des Strahltriebwerks 1 große Temperaturen und Belastungen auf. Hierdurch steigt in oben beschriebener Weise der Schrägstellungswinkel β der Hochdruckwelle 8 im Bereich des Zylinderrollenlagers 27 bis zu einem maximalen Lagerschrägstellungswinkel β_t1 zu einem Zeitpunkt t1 an, zu dem im Bereich der Hochdruckwelle 8 maximale thermische und mechanische Belastungen vorliegen. Ausgehend von dem maximalen Schrägstellungswinkel β_t1 nimmt dieser aufgrund von sinkenden Belastungen bis zu einem Zeitpunkt t2 auf einen Schrägstellungswinkel β_t2 ab, und bleibt während eines Reiseflugs des Flugzeugs bis zu einem Zeitpunkt t3 im Wesentlichen konstant. Bei Beginn eines Sinkflugs nehmen die auf die Hochdruckwelle 8 wirkenden Belastungen bis zu einem Zeitpunkt t4 ab, so dass auch der Schrägstellungswinkel β_t4 zum Zeitpunkt t4 kleiner als zum Zeitpunkt t3 ist. Im gezeigten Diagramm steigt ausgehend vom Zeitpunkt t4 der Schrägstellungswinkel β_t4 auf einen Wert β_t5 beispielsweise durch während Korrekturen bei einer Landung oder einer Schubumkehr nach einer Landung vergrößerten Belastungen der Hochdruckwelle 8 nochmals an, um schließlich nach beendeter Landung bei sich reduzierenden thermischen und mechanischen Belastungen in Richtung des Schrägstellungswinkels β_t0 abzunehmen.
In 4 ist ein Verlauf des Lagerschrägstellungswinkels α während eines exemplarischen Flugzyklus gezeigt, wobei der Lagerschrägstellungswinkel α auf der y-Achse und ein zeitlicher Ablauf eines Flugzyklus auf der x-Achse aufgetragen sind. Der Lagerschrägstellungswinkel α zum jeweiligen Zeitpunkt t ergibt sich durch eine Addition des Lagerschrägstellungswinkels α_t0 im Grundzustand des Strahltriebwerks mit dem im Zeitpunkt t vorliegenden Schrägstellungswinkel β der Hochdruckwelle 8. Da der Lagerschrägstellungswinkel α umgekehrt orientiert ist wie der Schrägstellungswinkel β, ist der Lagerschrägstellungswinkel α_t0 im Grundzustand der Vorrichtung 29 mit einem negativen Vorzeichen versehen. Zum Zeitpunkt t0 ist der Schrägstellungswinkel β_t0 gleich Null, so dass der Lagerschrägstellungswinkel α_t0 zu diesem Zeitpunkt t0 dem Winkel 36 entspricht.
Durch den zum Winkel 36 entgegengerichteten Schrägstellungswinkel β nimmt der Lagerschrägstellungswinkel α während eines Beginns eines Flugzyklus zunächst ab, bis der Schrägstellungswinkel β einen dem Winkel 36 entsprechenden Wert erreicht, der Lagerschrägstellungswinkel α gleich Null ist und ein linienförmiger Kontakt sowohl zwischen der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 und der Mantelfläche 39 der Zylinderrollen 33 als auch zwischen der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 und der Mantelfläche 39 der Zylinderrollen 33 vorliegt. Bei weiterem Anstieg des Schrägstellungswinkels β nimmt der Lagerschrägstellungswinkel α positive Werte an, d. h. die Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 wird gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 in eine entgegengesetzte Richtung wie in dem Grundzustand der Vorrichtung 29 geneigt.
Zum Zeitpunkt t1 hat der Schrägstellungswinkel β_t1 seinen maximalen Wert β_t1 erreicht und der Lagerschrägstellungswinkel α weist seinen maximalen positiven Wert α_t1 auf, wobei der Lagerschrägstellungswinkel α bis zum Zeitpunkt t2 auf den Wert α_t2 abnimmt. Der Lagerschrägstellungswinkel α_t0 ist vorliegend derart gewählt, dass der während des Reiseflugs zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 vorliegende Schrägstellungswinkel β_t2 im Wesentlichen dem Winkel 36 und somit dem Lagerschrägstellungswinkel α_t0 entspricht und der Lagerschrägstellungswinkel α_t2 während eines Reiseflugs des Flugzeugs und somit während einer langen Zeitspanne des Flugzyklus somit annähernd gleich Null ist.
Ausgehend von dem Zeitpunkt t3 steigt der Lagerschrägstellungswinkel α_t2 gemäß einem Verlauf des Schrägstellungswinkels β bis zum Zeitpunkt t4 bis zu einem negativen Lagerschrägstellungswinkel α_t4 an, welcher nach einer zwischenzeitlichen Abnahme vom Zeitpunkt t4 zum Zeitpunkt t5 auf einen negativen Lagerschrägstellungswinkel α_t5 zum Ende des Flugzyklus bis zum Erreichen des Winkels 36 im Grundzustand des Strahltriebwerks 1 ansteigt.
Damit das Zylinderrollenlager 27 eine gewünschte Lebensdauer erreicht, soll der Lagerschrägstellungswinkel α_t0 im gezeigten Ausführungsbeispiel möglichst dauerhaft kleiner als eine erste, einen positiven Grenzwinkel definierende Lagerschrägstellungsgrenze 44 und kleiner als eine zweite, einen negativen Grenzwinkel definierende Lagerschrägstellungsgrenze 45 sein. Wie in der Darstellung der 4 ersichtlich ist, ist der Lagerschrägstellungswinkel α während des gezeigten Flugzyklus nahezu durchgängig kleiner als die Lagerschrägstellungsgrenzen 44, 45. Lediglich zu Beginn und am Ende des Flugzyklus weist der Lagerschrägstellungswinkel α einen größeren negativen Wert als die negative Lagerschrägstellungsgrenze 45 auf. Dies wirkt sich auf die Lebenserwartung der Zylinderrollenlagereinrichtung 27 kaum negativ aus, da zu den Zeiten, in denen der Lagerschrägstellungswinkel α größer als die zweite Lagerschrägstellungsgrenze 45 ist, lediglich geringe Belastungen auf die Zylinderrollenlagereinrichtung 27 wirken. Im Gegensatz zu der hier näher beschriebenen Zylinderrollenlagereinrichtung 27 würde eine herkömmlich ausgeführte Zylinderrollenlagereinrichtung bei dem ein Lagerschrägstellungswinkel in einem Grundzustand des Strahltriebwerks gleich Null ist, über einem großen Zeitraum des Flugzyklus, in dem große Belastungen auf die Zylinderrollenlagereinrichtung wirken, größer als die zur Veranschaulichung in der 3 dargestellte Lagerschrägstellungsgrenze 44 sein, so dass eine derartige Zylinderrollenlagereinrichtung eine geringere Lebenserwartung als die Zylinderrollenlagereinrichtung 27 hat.
Der Winkel 36 beträgt bei der Zylinderrollenlagereinrichtung 27 vorliegend beispielhaft 0,1 Grad, kann aber je nach Anwendungsfall auch andere Werte annehmen, wobei ein Wert des Winkels 36 insbesondere derart gewählt ist, dass der Lagerschrägstellungswinkel α während eines Reiseflugs zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wenigstens annähernd gleich Null ist, so dass die Zylinderrollen 33 mit der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 und der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 insbesondere linienförmig zusammenwirken und hierdurch keine Beschädigungen im Bereich der Zylinderrollen 33 und der Lagerringe 30, 31 entstehen.
In 5 ist die Vorrichtung 29 in einem Betriebszustand des Strahltriebwerks 1 gezeigt, in dem der Lagerschrägstellungswinkel α im Wesentlichen den Wert Null hat und der einem Reiseflug des Flugzyklus entspricht. Die Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 und die Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 sind hierbei im Wesentlichen konzentrisch zu der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 angeordnet, so dass aufgrund der in diesem Betriebszustand im Wesentlichen parallel zu der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 angeordneten Längsmittelachsen 34 der Zylinderrollen 33 ein nahezu linienförmiger Kontakt sowohl zwischen den Mantelflächen 39 bzw. Laufflächen der Zylinderrollen 33 und der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 als auch zwischen den Mantelflächen 39 der Zylinderrollen 33 und der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 vorliegt.
In 6 ist eine alternativ ausgeführte siebte Lagereinrichtung 46 der Vorrichtung 29 gezeigt, welche wiederum als Zylinderrollenlagereinrichtung 46 ausgebildet und abgesehen von den im Folgenden näher beschriebenen Abweichungen der Zylinderrollenlagereinrichtung 27 entspricht. Im Unterschied zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der zwischen der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 und der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 im Grundzustand des Strahltriebwerks 1 vorliegende zweite Winkel 43 ungleich Null und der erste Winkel 36 gleich Null. Die Innenfläche 38 ist hierbei Teil einer um die Längsmittelachse 35 unter dem Winkel 43 rotierten Gerade 42.
Der Winkel 43 der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 wird dabei dadurch eingestellt, dass der zweite, eine in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 konstante Wandstärke aufweisende Lagerring 31 gegenüber dem Gehäuse 16 in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 um den zweiten Winkel 43 geneigt ist und die der zweiten Lagereinrichtung 31 zugewandte Oberfläche 48 entsprechend nicht konzentrisch zu der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 ausgeführt ist. Entsprechend ist die Längsmittelachse 34 der Zylinderrollen 33 im Grundzustand des Strahltriebwerks 1 um den zweiten Winkel 43 gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 geneigt.
Die Zylinderrollenlagereinrichtung 46 unterscheidet sich weiter dadurch von der Zylinderrollenlagereinrichtung 27, dass die Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 31, die Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31 und die Längsmittelachsen 34 der Zylinderrollen 33 in Längsrichtung der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 bei einem den Wert gleich Null aufweisenden Lagerschrägstellungswinkel α_t2, der sich wiederum aus einer Differenz des ersten Winkels 36 und des zweiten Winkels 43 ergibt, jeweils um den zweiten Winkel 43 gegenüber der Längsmittelachse 35 der Hochdruckwelle 8 geneigt sind. In diesem Zustand der Vorrichtung 29 sind die Mantelflächen 39 der Zylinderrollen 33 in linienförmigem Kontakt sowohl mit der Außenfläche 40 des ersten Lagerrings 30 als auch mit der Innenfläche 38 des zweiten Lagerrings 31.
Neben der siebten Lagereinrichtung 27 können prinzipiell sämtliche andere als Loslager ausgeführte Lagereinrichtungen 13, 15, 19, 20, 21 und 26 vergleichbar zu der Zylinderrollenlagereinrichtung 27 oder der Zylinderrollenlagereinrichtung 46 ausgeführt sein.
Die in den 2, 5 und 6 ersichtlichen Winkel α_t0, β_t2, 36 und 43 sind zum Zwecke der besseren Darstellung stark vergrößert wiedergegeben.
Bezugszeichenliste

1: Strahltriebwerk
2: Nebenstromkanal
3: Einlaufbereich
4: Bläser
5: Triebwerkskern
6: Niederdruckwelle
7: Mitteldruckwelle
8: Hochdruckwelle
9, 10, 11: Rotorvorrichtung
12: erste Lagerkammer
13: erste Lagereinrichtung
14: vierte Lagerkammer
15: zweite Lagereinrichtung
16: Gehäuse
17: Verdichtereinrichtung
18: Turbineneinrichtung
19: dritte Lagereinrichtung
20: vierte Lagereinrichtung
21: fünfte Lagereinrichtung
22: zweite Lagerkammer
23: dritte Lagerkammer
24: Verdichtereinrichtung
25: Turbineneinrichtung
26: sechste Lagereinrichtung
27: siebte Lagereinrichtung
28: Brenner
29: Vorrichtung
30: erster Lagerring
31: zweiter Lagerring
32: Käfig
33: Zylinderrolle
34: Längsmittelachse der Zylinderrolle
35: Längsmittelachse der Hochdruckwelle
36: erster Winkel
37: Nut des ersten Lagerrings
38: Innenfläche des zweiten Lagerrings
39: Mantelfläche der Zylinderrolle
40: Außenfläche des ersten Lagerrings
41: Gerade
42: Gerade
43: zweiter Winkel
44: erste Lagerschrägstellungsgrenze
45: zweite Lagerschrägstellungsgrenze
46: Zylinderrollenlagereinrichtung
48: Oberfläche der Gehäuses
α: Lagerschrägstellungswinkel
β: Schrägstellungswinkel
t: Zeitpunkt

Claims

Vorrichtung (29) zur Lagerung einer Welle (6, 7, 8) eines Strahltriebwerks (1) gegenüber einer Einrichtung (16) des Strahltriebwerks (1) mit einer Zylinderrollenlagereinrichtung (27, 46), wobei die Zylinderrollenlagereinrichtung (27, 46) mit mehreren jeweils eine Mantelfläche (39) aufweisenden Zylinderrollen (33) ausgeführt ist, die in radialer Richtung der Welle (8) zwischen einer Außenfläche (40) eines ersten Lagerrings (30) und einer Innenfläche (38) eines zweiten Lagerrings (31) der Zylinderrollenlagereinrichtung (27, 46) angeordnet sind, wobei der erste Lagerring (30) mit der Welle (8) und der zweite Lagerring (31) mit der Einrichtung (16) wirkverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Grundzustand der Vorrichtung (29) in Längsrichtung der Welle (8) betrachtet zwischen einem mit den Mantelflächen (39) der Zylinderrollen (33) zusammenwirkenden Bereich der Außenfläche (40) des ersten Lagerrings (30) und einem mit den Mantelflächen (39) der Zylinderrollen (33) zusammenwirkenden Bereich der Innenfläche (38) des zweiten Lagerrings (31) ein Winkel (α_t0) größer Null vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Grundzustand der Vorrichtung (29) in Längsrichtung der Welle (8) betrachtet zwischen einem mit den Mantelflächen (39) der Zylinderrollen (33) zusammenwirkenden Bereich der Außenfläche (40) des ersten Lagerrings (30) und einer Längsmittelachse (35) der Welle (8) und/oder zwischen einem mit den Mantelflächen (39) der Zylinderrollen (33) zusammenwirkenden Bereich der Innenfläche (38) des zweiten Lagerrings (31) und einer Längsmittelachse (35) der Welle (8) ein Winkel (36, 43) größer Null vorliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (40) des ersten Lagerrings (30) und/oder die Innenfläche (38) des zweiten Lagerrings (31) im Grundzustand der Vorrichtung (29) Teil einer Fläche ist, die durch eine Rotation einer gegenüber der Längsmittelachse (35) der Welle (8) um den Winkel (36, 43) geneigten Gerade (41, 42) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (30) und/oder der zweite Lagerring (31) rohrförmig mit in Längsrichtung der Welle (8) konstanter Wandstärke ausgeführt ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (30) und/oder der zweite Lagerring (31) konusförmig mit in Längsrichtung der Welle (8) variierender Wandstärke ausgeführt ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenfläche des ersten Lagerrings (30) im Grundzustand der Vorrichtung (29) konzentrisch zu der Längsmittelachse (35) der Welle (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche des zweiten Lagerrings (31) im Grundzustand der Vorrichtung (29) konzentrisch zu der Längsmittelachse (35) der Welle (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α_t0) im Grundzustand der Vorrichtung (29) kleiner als 1 Grad, insbesondere kleiner als 0,1 Grad, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrollen (33) im Bereich des ersten Lagerrings (30) in Längsrichtung der Welle (8) festgelegt und im Bereich des zweiten Lagerrings (31) in Längsrichtung der Welle (8) beweglich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrollen (33) im Bereich des zweiten Lagerrings (31) in Längsrichtung der Welle (8) festgelegt und im Bereich des ersten Lagerrings (30) in Längsrichtung der Welle (8) beweglich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) als ein während eines Betriebs des Strahltriebwerks nicht rotierendes Bauteil, insbesondere als ein Gehäuseelement, ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) als weitere Welle des Strahltriebwerks ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (30) einstückig mit der Welle (8) ausgebildet ist.