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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Lagervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß Anspruch 1, auf ein Gasturbinentriebwerk und auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lagervorrichtung gemäß Anspruch 13.
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Wird ein Lager, das eine Komponente an einer anderen Komponente bewegbar lagert, mit einer die bestimmungsgemäße Belastbarkeit übersteigenden Kraft belastet, können das Lager sowie angrenzende Teile beschädigt werden. Bei einer drehbaren Lagerung können derartige Belastungen z.B. durch eine Unwucht, insbesondere eine plötzlich auftretende Unwucht erzeugt werden.
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Der Verlust einer Fanschaufel eines Gasturbinentriebwerks während des Betriebs (ein sogenanntes Fan-Blade-Off-Event) geht beispielsweise regelmäßig mit einer besonders starken Unwucht einher. Diese Unwucht hat entsprechende Radiallasten insbesondere auf ein zum Fan benachbartes Lager einer den Fan antreibenden Welle und auf eine tragende Struktur des Gasturbinentriebwerks zur Folge. Gasturbinentriebwerke können z.B. durch einen entsprechenden Materialaufwand so ausgelegt werden, dass sie derartigen Belastungen standhalten.
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Eine Möglichkeit zur Reduktion von Lasten unmittelbar nach dem Verlust der Fanschaufel ist ein Einsatz von Scherstiften, die das Lager mit der tragenden Struktur verbinden und bei Überschreitung einer Maximalbelastbarkeit brechen. Ein versetzt zum Lager angeordnetes Fanglager kann daraufhin die radiale Positionierung der Welle sicherstellen. Für einen sicheren Halt der Welle ist dieses Fanglager entsprechend stabil konstruiert, was sich wiederum im Gesamtgewicht niederschlägt.
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Ein möglicher Effekt einer solchen Anordnung ist zudem eine nach dem Bruch der Scherstifte veränderte Resonanzfrequenz der Welle. Diese liegt bei vielen Gasturbinentriebwerken im Bereich der Drehzahl des sogenannten Windmillings des Fans während des Flugs eines Flugzeugs. Windmilling bezeichnet das turbinengleiche Verhalten des Fans, der von durch das Triebwerk strömender Luft angetrieben wird. Eine auf diese Weise angeregte Resonanz kann starke Vibrationen verursachen, die nicht nur das Gasturbinentriebwerk, sondern auch dessen Verbindung mit dem Flugzeug und das Flugzeug belasten. Dem wird beispielsweise durch spezielle Flugmanöver nach dem Schaufelverlust, Feintuning der Resonanzfrequenz anderer Bauteile und einen entsprechenden Materialaufwand bei der Herstellung von Strukturbauteilen begegnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lagervorrichtung bereitzustellen, die bei möglichst niedrigem Gewicht eine sichere Lagerung insbesondere einer Welle ermöglicht.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Lagervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt. Die Lagervorrichtung umfasst ein Lager (z.B. mit einem Stator und einem relativ zum Stator drehbaren Rotor). Weiter umfasst die Lagervorrichtung eine das Lager haltende (insbesondere den Stator haltende, z.B. mit dem Stator fest verbundene) Lagerhalterung. Die Lagerhalterung ist durch eine Sollbrucheinrichtung fest mit einem Verbindungselement verbunden, das dazu ausgebildet ist, mit einer tragenden Struktur des Gasturbinentriebwerks verbunden zu werden, optional damit verbunden ist. Ferner umfasst die Lagervorrichtung eine an der Lagerhalterung (insbesondere drehbar) gelagerte erste verzahnte Komponente und eine am Verbindungselement befestigte zweite verzahnte Komponente. Die Lagervorrichtung ist derart ausgebildet, dass die erste verzahnte Komponente und die zweite verzahnte Komponente nach, optional infolge, einer Zerstörung der Sollbrucheinrichtung derart kämmend in Eingriff miteinander bringbar sind oder stehen, dass eine der verzahnten Komponenten (insbesondere die erste) an der anderen der verzahnten Komponenten abrollen kann.
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Jede der verzahnten Komponenten umfasst eine Vielzahl von (nebeneinander, insbesondere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten) Erhöhungen. Die Erhöhungen werden nachfolgend auch als Zähne bezeichnet, sind aber nicht auf beispielsweise Evolventenformen oder ähnliches beschränkt. Zum Beispiel können die Zähne jeweils auch als Dreieck, Trapez oder Halbrund ausgebildet sein.
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Durch das Abrollen der miteinander in Eingriff stehenden verzahnten Komponenten ist es möglich, insbesondere durch ungleiche Zähnezahlen, eine Relativbewegung beider Komponenten in Umfangsrichtung zu erzeugen. Diese Relativbewegung kann dazu eingesetzt werden, Lastspitzen abzubauen. Optional kann diese Relativbewegung, insbesondere Rotationsbewegung, über ein Gewinde oder ähnlichen Mechanismus in eine Axialbewegung umgewandelt werden. Diese kann dann dazu genutzt werden, erneut eine (z.B. kraftschlüssige) Verbindung herzustellen. Durch eine so zurückgewonnene Lagerkonfiguration (z.B. nach einem Schaufelverlust) ändert sich die Eigenfrequenz des Rotors und in die Struktur übertragene Lasten können geringer ausfallen. Die Lagervorrichtung dient zur Lastreduzierung. Infolgedessen kann ein optionales Fanglager mit einem geringeren Materialaufwand konstruiert werden, sodass eine sichere Lagerung einer Welle bei einem reduzierten Gesamtgewicht ermöglicht wird. Nach Zerstörung der Sollbrucheinrichtung ist die Lagerhalterung relativ zum Verbindungselement bewegbar.
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Die erste verzahnte Komponente und die zweite verzahnte Komponente weisen z.B. eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen auf. Alternativ oder zusätzlich kann eine Relativbewegung in Umfangsrichtung bei gleicher Zähnezahl auch durch eine entsprechende Gestaltung der Zähne erreicht werden. Beispielsweise weist die erste verzahnte Komponente weniger Zähne auf als die zweite verzahnte Komponente, beispielsweise mindestens einen Zahn weniger. Wird die Sollbrucheinrichtung durch eine Unwucht einer mit der Lagervorrichtung gelagerten Welle zerstört, dann kann diese Unwucht daraufhin zu einer Orbitierbewegung der Welle führen. Insbesondere durch diese Orbitierbewegung kann die eine verzahnte Komponente an der anderen abrollen. Durch die verschiedene Anzahl an Zähnen werden die verzahnten Komponenten relativ zueinander in eine Drehung versetzt. Diese Drehung kann dem Drehsinn der Orbitierbewegung entgegengerichtet sein. Durch eine Reibung infolge dieser Drehung können Lastspitzen weiter abgebaut werden.
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Optional ist die erste verzahnte Komponente als Zahnrad mit einer Außenverzahnung ausgebildet, die zweite verzahnte Komponente als Zahnkranz mit einer Innenverzahnung. Das Zahnrad kann innerhalb des Zahnkranzes angeordnet sein.
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In einer Ausgestaltung ist die erste verzahnte Komponente über ein Gewinde an der Lagerhalterung gelagert und steht damit über das Gewinde in Eingriff. Durch eine Drehung der ersten verzahnten Komponente relativ zur Lagerhalterung (insbesondere durch das Abrollen der ersten verzahnten Komponente an der zweiten verzahnten Komponente) ist es entlang des Gewindes schraubbar. Somit kann eine Unwucht (z.B. infolge eines Fan-Blade-Off-Events) genutzt werden, um die erste verzahnte Komponente axial (in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors des Lagers, relativ zum Stator des Lagers) zu verlagern. Mit anderen Worten gesagt kann eine entstehende Relativbewegung der zwei verzahnten Komponenten in Umfangsrichtung in eine Axialbewegung einer Komponente umgewandelt werden, welche zum Schließen eines Radialspalts genutzt werden kann.
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In einer Weiterbildung steht ein die erste verzahnte Komponente tragender Halter über das Gewinde mit der Lagerhalterung in Eingriff. Der Halter und die erste verzahnte Komponente können integral ausgeführt oder miteinander verbunden sein. Der Halter kann einen Anschlag aufweisen. Das Verbindungselement kann einen Gegenanschlag aufweisen. Die Lagervorrichtung kann so ausgebildet sein, dass bei intakter Sollbrucheinrichtung ein (insbesondere radiales) Spiel zwischen dem Anschlag und dem Gegenanschlag ausgebildet ist. Optional ist das zwischen dem Anschlag und dem Gegenanschlag vorhandene (insbesondere radiale) Spiel durch eine Schraubbewegung des Halters relativ zur Lagerhalterung entlang des Gewindes veränderbar. Somit ist es möglich, die Orbitierbewegung dazu einzusetzen, die Größe des Spiels zu verändern.
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In einer Weiterbildung kann der Anschlag des Halters durch die Schraubbewegung relativ zur Lagerhalterung entlang des Gewindes am Gegenanschlag anschlagen. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, zwei nach Zerstörung der Sollbrucheinrichtung relativ zueinander bewegbare Komponenten relativ zueinander zu fixieren.
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Optional ist die Lagerhalterung durch ein Anschlagen des Anschlags am Gegenanschlag am Verbindungselement fixierbar. So ist es mit der Lagervorrichtung möglich, nach einem außergewöhnlichen Ereignis (z.B. dem Verlust einer Fanschaufel) die größten Belastungsspitzen durch eine Zerstörung der Sollbrucheinrichtung abzufangen und daraufhin, nach einem Zeitraum, die zunächst bewegbare Lagerhalterung wieder fest mit dem Verbindungselement zu verbinden. Bei einem Gasturbinentriebwerk nimmt während dieses Zeitraums die Drehgeschwindigkeit der gelagerten Welle üblicherweise ab, insbesondere infolge einer Abschaltung der Kraftstoffzufuhr. Nach einer Abnahme der radialen Lasten (und optional vor einem Wiederanstieg durch eine Resonanz beim Windmilling) werden die Lagerhalterung und das Verbindungselement wieder aneinander festgelegt. Dies ermöglicht eine besonders sichere Lagerung der Welle. Zudem muss ein optionales Fanglager die Welle nur über einen kurzen Zeitraum halten und kann entsprechend mit einem geringeren Materialaufwand hergestellt und montiert werden. Der Zeitraum ist überdies einstellbar, insbesondere über Anzahl der Zähne der verzahnten Komponenten und die geometrischen Abmessungen des Gewindes (insbesondere Zahnform und -geometrie, Gewindesteigung und -länge). So kann vorgesehen sein, dass diese Parameter an das jeweilige Gasturbinentriebwerk angepasst oder anpassbar sind. Unter einer Fixierung der Lagerhalterung am Verbindungselement wird auch eine Fixierung mit verbleibendem Restspalt verstanden, solange Kräfte über einen entstandenen Lastpfad (kontinuierlich) übertragen werden können. Alternativ ist aber auch eine völlige Fixierung unter Schließung des Spalts möglich.
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In einer Weiterbildung sind der Anschlag und/oder der Gegenanschlag konisch ausgebildet, insbesondere so, dass der jeweilige Konus konzentrisch zur zentralen Drehachse des Gasturbinentriebwerks ausgerichtet ist. Hierdurch kann ein Spiel zwischen dem Anschlag und dem Gegenanschlag sukzessive verringert werden. Die Lagerhalterung ist durch eine konische Ausbildung von Anschlag und/oder Gegenanschlag (neu) zentrierbar. Zudem ermöglicht eine solche Ausgestaltung ein sanftes Fixieren der Lagerhalterung. Die Zentrierung kann insbesondere zu einer Rückkehr des Lagers in die Ursprungslage führen. Hierdurch kann die Eigenfrequenz der gelagerten Welle verändert werden, insbesondere so, dass sie mit einem ausreichenden Abstand außerhalb der Erregerfrequenz durch Windmilling liegt.
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Alternativ oder zusätzlich sind die verzahnten Komponenten jeweils konisch ausgebildet. Hierdurch ist es z.B. möglich, den Eingriff der verzahnten Komponenten auch dann aufrecht zu erhalten, wenn die Lagerhalterung immer weiter zentriert wird und die radiale Auslenkung abnimmt.
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Optional weist der von der ersten und/oder der zweiten verzahnten Komponente beschriebene Konus einen Öffnungswinkel auf, der kleiner oder gleich einem Öffnungswinkel des vom Anschlag und/oder vom Gegenanschlag beschriebenen Konus ist. Es sind allerdings auch Ausgestaltungen denkbar, in denen der von der ersten und/oder der zweiten verzahnten Komponente beschriebene Konus einen Öffnungswinkel aufweist, der größer einem Öffnungswinkel des vom Anschlag und/oder vom Gegenanschlag beschriebenen Konus ist.
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Die Lagervorrichtung umfasst in einer Ausgestaltung eine Schmiermittelzufuhr. Die Schmiermittelzufuhr kann dazu eingerichtet sein, Schmiermittel, insbesondere zwischen den Halter und die Lagerhalterung, an das Gewinde bereitzustellen. Hierdurch ist der Halter besonders leichtgängig am Gewinde entlang schraubbar und ein Festsetzen im normalen Betrieb kann verhindert werden.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug. Das Gasturbinentriebwerk umfasst zumindest eine Lagervorrichtung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Gasturbinentriebwerk kann ferner einen durch eine Welle des Gasturbinentriebwerks angetriebenen Fan umfassen. Dabei kann das Lager der Lagervorrichtung die Welle drehbar lagern.
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So ist ein Gasturbinentriebwerk bereitstellbar, das bei einem niedrigen Gewicht eine sichere Lagerung der Welle ermöglicht. Durch ein Wiederverbinden des Lagers mit der tragenden Struktur des Gasturbinentriebwerks kann ein Flugzeug mit dem Gasturbinentriebwerk selbst nach einem Fan-Blade-Off-Event noch über einen vergleichsweise langen Zeitraum sicher in der Luft bleiben, ohne dass starke Vibrationen und Lasten auftreten.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Lagervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt, insbesondere zur Herstellung einer Lagervorrichtung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte (optional, aber nicht zwingend in dieser Reihenfolge): Erster Schritt: Bereitstellen eines Lagers (mit einem Stator und einem dazu drehbaren Rotor) und einer das Lager haltenden Lagerhalterung, die durch eine Sollbrucheinrichtung an einem Verbindungselement befestigt ist, das mit einer tragenden Struktur des Gasturbinentriebwerks verbindbar oder verbunden ist. Zweiter Schritt: Lagern einer ersten verzahnten Komponente derart an der Lagerhalterung, dass durch Zerstörung der Sollbrucheinrichtung die erste verzahnte Komponente und eine am Verbindungselement festgelegte zweite verzahnte Komponente so in Eingriff miteinander bringbar sind oder stehen, dass eine der verzahnten Komponenten an der anderen abrollen kann.
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In einer Ausgestaltung des zweiten Schritts wird die erste verzahnte Komponente mittels einem Gewinde an der Lagerhalterung gelagert. Das Verfahren kann ferner folgende Schritte umfassen:
- - Vorgeben einer Zeitspanne ab einer Zerstörung der Sollbrucheinrichtung, insbesondere bis zu einer beabsichtigten Fixierung der Lagerhalterung am Verbindungselement;
- - Optional: Vorgeben einer Drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator und/oder einer Präzessionsfrequenz; und
- - Ermitteln einer Anzahl von Zähnen der ersten verzahnte Komponente, einer Anzahl von Zähnen der zweiten verzahnte Komponente und von geometrischen Abmessungen (z.B. einer Anzahl von Umdrehungen und/oder Form, Gewindesteigung und Gewindelänge) des Gewindes derart, dass nach Zerstörung der Sollbrucheinrichtung ein fest mit der ersten verzahnten Komponente verbundener Anschlag nach einer Zeitspanne an einen fest mit der Lagerhalterung verbundenen Gegenanschlag anschlägt, die der vorgegebenen Zeitspanne entspricht. Bei Berücksichtigung der vorgegebenen Drehzahl des Rotors und/oder der Präzessionsfrequenz sind besonders präzise Anpassungen möglich.
- - Optional: Ausgestaltung von Zähnen (z.B. jeweils mit Evolventenform, als Halbrund, Trapez oder Dreieck) der verzahnten Komponenten und/oder eines konisch geformten Anschlags und Gegenanschlags und/oder der Größe eines radialen Spalts, der (optional mittels eines Anschlags an einem Fanglager) eine Bewegbarkeit nach Zerstörung der Sollbrucheinrichtung vorgibt. Diese Ausgestaltungen können an ein vorgegebenes Gasturbinentriebwerk angepasst werden.
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Danach können die erste verzahnte Komponente, die zweite verzahnte Komponente, ein Halter und/oder die Lagerhalterung mit der ermittelten Anzahl an Zähnen und/oder Umdrehungen (und einem entsprechenden Spiel) ausgebildet und bereitgestellt werden.
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So ist eine auf ein bestimmtes Gasturbinentriebwerk zeitlich angepasste Wiederverbindung des Lagers möglich, wodurch eine Überlast besonders sicher abgefangen werden kann.
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Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
- 1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
- 2 eine Seitenschnittgroßansicht eines Teils des Gasturbinentriebwerks mit einer Lagervorrichtung;
- 3 eine Querschnittsansicht eines Zahnrads und eines Zahnkranzes der Lagervorrichtung des Gasturbinentriebwerks;
- 4 ein Verfahren zur Herstellung einer Lagervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk: und
- 5 ein schematisches Diagramm von Belastungen auf eine Welle nach dem Verlust einer Fanschaufel eines Gasturbinentriebwerks.
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1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst ein Kerntriebwerk 11, das den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Verdichter 14 (optional unterteilt in Niederdruckverdichter und Hochdruckverdichter), eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
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Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Verdichter 14 beschleunigt und verdichtet. Die aus dem Verdichter 14 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Verdichter 14 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit.
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Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z.B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
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Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst eine Lagervorrichtung 40. Mittels der Lagervorrichtung 40 ist die Welle 26 (welche den Fan 23 antreibt) an einer tragenden Struktur 28 des Gasturbinentriebwerks 10 drehbar gelagert. Die tragende Struktur ist z.B. an der Triebwerksgondel 21 befestigt. Die Lagervorrichtung 40 weist mehrere Lager auf, im vorliegenden Beispiel drei Lager 41, 52, 53. Ein Lager 41 ist benachbart des Fans 23 angeordnet. Dieses Lager 41 ist im vorliegenden Beispiel als Festlager ausgebildet, kann also axiale Kräfte übertragen, wobei das Lager 41 grundsätzlich auch als Loslager ausgebildet sein kann. Ein weiteres, stromab dazu angeordnetes Lager 52 ist als Fanglager ausgebildet. Dieses Lager 52 ist dazu ausgebildet, die Welle 26 sicher zu lagern, wenn das benachbart zum Fan 23 angeordnete Lager 41 von der tragenden Struktur 28 getrennt wird, z.B. durch Verlust einer Fanschaufel des Fans 23 im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10. An ihrem dem Fan 23 abgewandten Ende ist die Welle 26 mit einem dritten Lager 53 an der tragenden Struktur 28 drehbar gelagert. Dieses Lager 53 weist z.B. walzenförmige Rollelemente auf.
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2 zeigt insbesondere das zum Fan 23 benachbarte Lager 41 sowie weitere Elemente der Lagervorrichtung 40.
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Das Lager 41 umfasst eine Komponente, die relativ zur tragenden Struktur 28 fixiert ist. Diese Komponente wird im Folgenden als Stator 41a bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel ist der Stator 41a ein Lageraußenring. Ferner umfasst das Lager 41 eine Komponente, die relativ zur tragenden Struktur 28 drehbar ist. Diese Komponente wird nachfolgend als Rotor 41b bezeichnet. Der Rotor 41b ist an einem fest mit der Welle 26 verbundenen Verbindungselement 26a der Welle 26 befestigt. Das Lager 41 umfasst mehrere Rollelemente, im gezeigten Beispiel ist das Lager 41 ein Kugellager. Es umfasst Kugeln, die in einem Käfig angeordnet sind und den Rotor 41b drehbar innerhalb des Stators 41a lagern.
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Der Stator 41a ist fest an einer Lagerhalterung 42 montiert, vorliegend über zwei axial vorstehende Flansche, wobei auch eine einstückige Ausbildung denkbar ist. Der Stator 41a ist innerhalb der Lagerhalterung 42 angeordnet. Die Lagerhalterung 42 ist über eine Sollbrucheinrichtung 43 an einem Verbindungselement 44 befestigt, im gezeigten Beispiel über einen radial nach außen vorstehenden (scheibenförmigen) Abschnitt der Lagerhalterung 42. Die Lagerhalterung 42 und die Sollbrucheinrichtung 43 und das Verbindungselement 44 können einstückig miteinander ausgebildet sein oder alternativ aneinander montiert sein. Die Sollbrucheinrichtung 43 umfasst im gezeigten Beispiel eine Vielzahl an Scherstiften 43a, die bei einer Überschreitung einer vorgegebenen (insbesondere radialen) Belastung versagen, z.B. zerbrechen. Die Scherstifte 43a erstrecken sich in axialer Richtung. Das Verbindungselement 44 ist an der in 2 nicht dargestellten tragenden Struktur 28 des Gasturbinentriebwerks 10 fest montiert (siehe 1). Optional stellt das Verbindungselement 44 einen Teil der tragenden Struktur 28 dar.
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Die Lagervorrichtung 40 umfasst ferner ein Zahnradgetriebe mit einer ersten verzahnten Komponente, hier in Form eines außenverzahnten Zahnrades 45, und einer zweiten verzahnten Komponente, hier in Form eines innenverzahnten Zahnkranzes 46. Das Zahnrad 45 ist im Zahnkranz 46 aufgenommen. Der Zahnkranz 46 ist am Verbindungselement 44 befestigt (alternativ einstückig damit oder mit einem Teil davon ausgebildet), im gezeigten Beispiel an einem axial vorstehenden (konischen) Ringabschnitt. Der Ringabschnitt ist optional über mehrere, in Umfangsrichtung verteilte Versteifungsrippen abgestützt (in 2 durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht).
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Das Zahnrad 45 ist auf einem Halter 47 befestigt (alternativ einstückig damit oder einem Teil davon ausgebildet). Der Halter 47 weist im gezeigten Beispiel einen Abschnitt mit einem V-förmigen Querschnitt auf. Im in 2 gezeigten Zustand mit intakter Sollbrucheinrichtung 23 ist ein Kopfkreis des Zahnrads 45 von einem Fußkreis des Zahnkranzes 46 beabstandet. So werden in diesem Zustand keine Radiallasten über das Zahnradgetriebe übertragen.
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3 zeigt den Zahnkranz 46 und das darin aufgenommene Zahnrad 45. Das Zahnrad 45 weist eine kleinere Anzahl an Zähnen auf als der Zahnkranz 46, also zumindest einen Zahn weniger. Im Beispiel gemäß 3 umfasst das Zahnrad 45 49 Zähne, der Zahnkranz 46 51 Zähne. Das Zahnrad 45 hat einen kleineren Kopfkreisdurchmesser als der Zahnkranz 46. Das Zahnrad 45 kann innen am Zahnkranz 46 abrollen. Eine Schmierung (aktiv oder passiv) der Zahnflanken ist optional.
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Im Zustand gemäß 2 mit intakten Scherstiften 43a ist das Zahnrad 45 konzentrisch zum Zahnkranz 46 angeordnet. Brechen die Scherstifte 43a infolge einer Überlast durch eine Unwucht, so wird die Lagerhalterung 42 bewegbar relativ zum Verbindungselement 44. Durch die radialen Lasten gerät das Zahnrad 45 in kämmenden Eingriff (und Kontakt) mit dem Zahnkranz 46. Wenn das Lager 41 von der tragenden Struktur 28 abgerissen ist, führt die Welle 26 infolge der Unwucht eine Orbitierbewegung entsprechend einer Präzession aus. Damit dient die Welle 26 als Exzenter für das Zahnradgetriebe. Die orbitierende Welle bewirkt eine umlaufende Abrollbewegung des Zahnrads 45 am Zahnkranz 46. Bei dieser Bewegung rotiert das Zahnrad 45 relativ zum Zahnkranz 46.
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Wie insbesondere anhand 2 zu erkennen, ist die Lagerhalterung 42 mit einem Gewinde 42a versehen, hier einem Außengewinde. Auf dieses Gewinde 42a ist der Halter 47 mit einem passenden Gewinde 47a, hier einem Innengewinde, aufgeschraubt. Eine zerstörbare Sperre 50 hindert den Halter 47 im Normalbetrieb (vor einem Überlast-Ereignis) des Gasturbinentriebwerks 10 an einer Drehung relativ zur Lagerhalterung 42 (z.B. durch axial vorstehende Zähne, die mit dem Halter 47 und der Lagerhalterung 42 in Eingriff stehen). Die Sperre 50 dient als Anti-Rotations-Bauteil. Alternativ oder zusätzlich sichert die Sperre 50 den Halter 47 axial. Sobald das Zahnrad 45 am Zahnkranz 46 infolge einer Überlast abrollt, bricht die Sperre 50 und gibt eine Rotation des Halters 47 relativ zur Lagerhalterung 42 frei. Das Gewinde 42a ist so herum orientiert, dass die durch die Richtung der Orbitierbewegung vorgegebene Abrollbewegung des Zahnrades 45 den Halter 47 in Richtung des Verbindungselements 44 schraubt.
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Der Halter 47 weist einen dem Verbindungselement 44 zugewandten (außen umlaufenden) Konus auf, der als Anschlag 47b dient. Das Verbindungselement 44 weist ebenfalls einen Konus auf. Dieser ist in diesem Fall innen umlaufend ausgebildet und dient dem Anschlag 47b als Gegenanschlag 44a. Die Öffnungswinkel beider Konen sind gleich, sodass der Anschlag 47b und der Gegenanschlag 44a (durch eine ausreichend weite Schraubbewegung des Halters 47) in eine flächige Anlage miteinander bringbar sind. Hierdurch kann eine gute Lastübertragung gewährleistet werden - eine andere Form des Kontaktes zwischen dem Gegenanschlag 44a und dem Anschlag 47b ist aber ebenfalls denkbar. Hierbei zentriert der am Gewinde 42a der Lagerhalterung 42 entlang geschraubte Halter 47 das Lager 41. Ein radiales Spiel S zwischen dem Anschlag 47b und dem Gegenanschlag 44a wird dabei kleiner, bis der Anschlag 47b und der Gegenanschlag 44a in flächige Anlage miteinander gebracht werden. Ferner wird der Halter 47 zwischen der Lagerhalterung 42 und dem Verbindungselement 44 (konkret dem konischen Teil) festgeklemmt. Ein kompletter Formschluss ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig. Das Fanglager würde auch bei einem verbleibenden Rest-Spalt entlastet werden. Dieser kann geschmiert werden, da der konische Anschlag 47b im konischen Gegenanschlag 44a rotieren würde. Das Lager 41 ist dann wieder fixiert.
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Ein Endabschnitt des Gewindes 42a der Lagerhalterung 42 kann aufgeraut sein, eine reibungserhöhende Beschichtung aufweisen, eine vom übrigen Teil des Gewindes 42a abweichende Steigung aufweisen und/oder in sonstiger Weise geometrisch anders ausgeführt sein. Hierdurch dreht sich der Halter 47 am Gewinde 42a in der Endlage fest (z.B. durch plastische Verformung), sodass ein unbeabsichtigtes Lösen vermieden wird.
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Um zu verhindern, dass das Zahnrad 45 und der Zahnkranz 46 bei fortschreitender Zentrierung außer Eingriff geraten, weisen auch diese eine konische Form auf, wie insbesondere in 2 veranschaulicht. Der Öffnungswinkel ist vorliegend spitzer als derjenige der Konen. Optional ist der Öffnungswinkel von Zahnrad 45 und Zahnkranz 46 so bemessen, dass diese durch die Zentrierung dann außer Eingriff geraten, wenn der Anschlag 47b in flächiger Anlage mit dem Gegenanschlag 44a gerät oder kurz zuvor, wenn das Spiel S bereits vernachlässigbar klein ist.
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Das Lager 41 wird fortlaufend mit Schmiermittel (vorliegend Öl) versorgt. Ein Schmiermittelkanal ist in 2 an der radial äußeren Seite des Stators 41a zu erkennen. Von dort erstreckt sich eine Schmiermittelzufuhr in Form eines Kanals 48 für Öl hin zu den in Eingriff stehenden Gewinden 42a, 47a. So wird Schmiermittel zwischen die Gewinde 42a, 47a gepresst, sodass der Halter 47 im Überlastfall ungehindert gegen das Verbindungselement 44 geschraubt werden kann. Um während des Normalbetriebs kein Schmiermittel zu verlieren, umfasst die Lagervorrichtung 40 mehrere Dichtelemente 49, z.B. O-Ringe. Jeweils ein Dichtelement 49 ist an beiden axialen Enden des Gewindes 42a angeordnet und dichtet den Halter 47 gegenüber der Lagerhalterung 42 ab. Die Dichtelemente 49 können zudem ein Klappern des Halters 47 an der Lagerhalterung 42 und einen Verschleiß der Gewinde 42a, 47a reduzieren oder verhindern.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Schmiermittelversorgung kann beim Zusammenbau der Lagervorrichtung 40 ein passives Schmiermittel aufgetragen werden, insbesondere auf das Gewinde 42a der Lagerhalterung 42.
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Das Zahnradgetriebe, der Anschlag 47b und der Gegenanschlag 44a sind durch eine Schmiermittelwanne umschlossen. Diese Teile werden (über das Lager 41 und/oder einen Quetschfilm-Dämpfer) mit Schmiermittel versorgt. Hierdurch wird ein mögliches verbleibendes Spiel S zwischen Anschlag 47b und Gegenanschlag 44a mit Schmiermittel geschlossen, sodass radiale Lasten besser übertragbar sind und es zu keiner lokalen Überhitzung kommt. Vibrationen können durch das Schmiermittel zudem gedämpft werden. Optional wird der durch das Spiel S gebildete Spalt direkt mit Schmiermittel versorgt.
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Auf seiner der Oberfläche des Anschlags 47b abgewandten Seite weist der Halter 47 optionale Versteifungsrippen auf, in 2 mittels einer gestrichelten Linie veranschaulicht. Ähnlich weist das Verbindungselement 44 an seiner der Oberfläche des Gegenanschlags 44a abgewandten Seite optionale Versteifungsrippen auf.
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4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung der Lagervorrichtung 40 gemäß 1 bis 3.
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Zunächst wird in einem ersten Schritt S1 eine Zeitspanne ab einer Zerstörung der Sollbrucheinrichtung vorgegeben (z.B. 10 Sekunden für einige Arten von Gasturbinentriebwerken).
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In einem zweiten Schritt S2 werden eine Drehzahl des Rotors 41b (insbesondere der Verlauf der Drehzahl nach einem Schaufelverlust) oder mit der Drehzahl zusammenhängende Parameter (z.B. eine typische Fluggeschwindigkeit) gegenüber dem Stator 41b und/oder eine Orbitier- oder Präzessionsfrequenz der Welle 26 vorgegeben.
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In einem dritten Schritt S3 werden anhand der Drehzahl des Rotors (des Verlaufs) und/oder der Orbitier-/Präzessionsfrequenz Zähneanzahlen, insbesondere ein Zahnverhältnis und/oder eine Zahndifferenz von Zahnrad 45 und Zahnkranz 46, und die geometrischen Abmessungen des Gewindes 42a, 47a (Zahnform und Zahngeometrie, Gewindesteigung und -länge) derart ermittelt, dass nach Zerstörung der Sollbrucheinrichtung 43 der fest mit dem Zahnrad 45 verbundene Anschlag 47b nach einer Zeitspanne an den fest mit der Lagerhalterung 42 verbundenen Gegenanschlag 44a anschlägt, die der vorgegebenen Zeitspanne gleicht. Um die Zeitspanne zu vergrößern (oder zu verkleinern) kann z.B. die Anzahl an Umdrehungen des Gewindes vergrößert (verkleinert) werden. Bei der Auslegung des Gewindes werden die durch das Anschlagen des Konus auftretenden Axial- und Radialasten berücksichtigt.
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In einem vierten Schritt S4 werden das Zahnrad 45, der Zahnkranz 46, der Halter 47 und die Lagerhalterung 42 mit den ermittelten Zähneanzahlen und/oder der Geometrie des Gewindes 42a ausgebildet.
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Die Schritte S1 bis S4 sind optional, insbesondere für eine möglichst optimale Anpassung an ein gegebenes Gasturbinentriebwerk 10.
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In einem fünften Schritt S5 werden das Lager 41 (mit dem Stator 41a und dem dazu drehbaren Rotor 41b) und die den Stator 41a haltende Lagerhalterung 42, die durch die Sollbrucheinrichtung 43 am Verbindungselement 44 befestigt ist, bereitgestellt (insbesondere gemäß den Schritten S1 bis S4), wobei am Verbindungselement 44 der Zahnkranz 46 festgelegt ist oder wird.
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In einem sechsten Schritt S6 wird das Zahnrad 45 so an der Lagerhalterung 42 angeordnet, dass es daran gelagert ist, und zwar so, dass das Zahnrad 45 und der Zahnkranz 46 durch Zerstörung der Sollbrucheinrichtung 43 in Eingriff miteinander bringbar sind, sodass das Zahnrad 45 am Zahnkranz 46 abrollen kann und sich durch das Gewinde in seiner axialen Position relativ zum Zahnkranz 46 verschiebt. Dadurch kommt es zur Zentrierung und Wiederverbindung des Lagers 41 mit der tragenden Struktur 28.
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5 zeigt schematisch die radialen Lasten infolge eines Verlustes einer Fanschaufel während des Betriebs eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks. Mit einer gestrichelten Linie ist ein Vergleichsfall dargestellt, in dem das Fanlager keine Sollbrucheinrichtung aufweist. Beginnend bei den höchsten Drehzahlen werden sehr hohe Lasten über das Lager in die tragende Struktur eingeleitet. Durch die feste Verbindung hat die Unwucht infolge des Schaufelverlustes starke Auswirkungen, auch mit der (durch eine Triebwerksabschaltung nach dem Schaufelverlust) sukzessive abnehmenden Drehzahl.
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Im Vergleich dazu stellt die durchgezogene Linie einen Fall mit Sollbrucheinrichtung dar. Durch die Zerstörung der Sollbrucheinrichtung sind die in die tragende Struktur eingeleitete radiale Lasten wesentlich geringer. Durch das Lösen des zum Fan benachbarten Lagers weist die Welle allerdings eine gegenüber dem Normalbetrieb veränderte Resonanzfrequenz auf. Diese führt bei niedrigeren Drehzahlen gemäß 5 zu einem Wiederanstieg der radialen Lasten, insbesondere in Form starker Vibrationen. Die Resonanzfrequenz liegt in vielen Fällen im Bereich derjenigen Drehzahlen, die typischerweise im Flug durch den Luftdruck gegen den Fan des deaktivierten Gasturbinentriebwerks erreicht werden (bei einigen Gasturbinentriebwerken z.B. im Bereich von 20 bis 30 Hz).
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Durch die oben beschriebene Lagervorrichtung 40, das Gasturbinentriebwerk 10 mit einer solchen Lagervorrichtung 40 zur Lastreduzierung und das Verfahren zur Herstellung der Lagervorrichtung 40 ist es möglich, das Lager 41 nach dem Durchtrennen der Scherstifte zeitversetzt wieder mit der tragenden Struktur 28 zu verbinden und so die Resonanzfrequenz wieder zu verändern, insbesondere zu erhöhen (optional auf den vorherigen Wert). Dabei kann ein entsprechendes Timing besonders geringe Lasten ermöglichen. Insbesondere durch die Anzahl an Umdrehungen des Gewindes 42a ist die Zeitdauer bis zur Wiederverbindung einstellbar. Hierdurch kann das Lager 41 der langsamer werdenden Welle 26 nach Abklingen der stärksten Lasten und vor Erreichen des Resonanzbereichs (z.B. an der Stelle der senkrechten, gestrichelten Geraden in 5) zentriert und an der tragenden Struktur 28 fixiert werden. Infolgedessen ist es möglich, das Fanglager 52 und/oder Teile der tragenden Struktur 28 mit einem geringeren Materialaufwand zu konstruieren und dabei die Welle 26 besonders sicher zu lagern.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
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Insbesondere kann es sich bei dem Lager 41 um ein Festlager oder um ein Loslager handeln. Es kann alternativ oder zusätzlich auch ein anderes der Lager 52, 53 der Welle 26 mit der Kupplung 45 und der Feststelleinrichtung 46 versehen werden, alternativ oder zusätzlich ein Lager einer anderen Welle des Gasturbinentriebwerks 10, z.B. der Verbindungswelle 27.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- Hauptdrehachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Kerntriebwerk
- 12
- Lufteinlass
- 14
- Verdichter
- 16
- Verbrennungseinrichtung
- 17
- Hochdruckturbine
- 18
- Bypassschubdüse
- 19
- Niederdruckturbine
- 20
- Kernschubdüse
- 21
- Triebwerksgondel
- 22
- Bypasskanal
- 23
- Fan
- 26
- Welle
- 26a
- Verbindungselement
- 27
- Verbindungswelle
- 28
- tragende Struktur
- 40
- Lagervorrichtung
- 41
- Lager
- 41a
- Stator
- 41b
- Rotor
- 42
- Lagerhalterung
- 42a
- Gewinde
- 43
- Sollbrucheinrichtung
- 43a
- Scherstift
- 44
- Verbindungselement
- 44a
- Gegenanschlag
- 45
- Zahnrad (erste verzahnte Komponente)
- 46
- Zahnkranz (zweite verzahnte Komponente)
- 47
- Halter
- 47a
- Gewinde
- 47b
- Anschlag
- 48
- Kanal (Schmiermittelzufuhr)
- 49
- Dichtelement
- 50
- Sperre
- 52
- Lager (Fanglager)
- 53
- Lager
- A
- Kernluftstrom
- B
- Bypassluftstrom
- S
- Spiel
