DE10217399B4

DE10217399B4 - Flugzeugturbine mit einer Vorrichtung zum sicheren Abschalten trotz Einwirken einer großen Unwucht des Laufrades

Info

Publication number: DE10217399B4
Application number: DE10217399A
Authority: DE
Inventors: Ernest Springfield Boratgis; James B. Manchester Coffin
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: FR2823814A1; GB2376504A; GB2376504B; DE10217399A1; GB0208905D0; US6428269B1; JP2003020909A; JP3786622B2; FR2823814B1

Abstract

Flugzeugturbine mit einem Rotor, dessen Welle (14) sich bei einem symmetrischen Lauf der Turbine um eine Drehachse (R) dreht, mit einer Gebläsestufe (12) mit zumindest zwei an der Welle (14) befestigten Turbinenschaufeln (16), einer ein vorderes und ein hinteres Lager (20, 22) aufweisenden Lagerabstützung zum Stützen der Welle (14) während des Drehens, sowie einem ersten und einem zweiten Lagerstützkörper (24, 26) zum sicheren Anbringen des vorderen beziehungsweise hinteren Lagers (20, 22) am Tragwerk der Flugzeugturbine, wobei der erste Lagerstützkörper (24) ein Verbindungsstück (30) in einem Achsenabstand (a) zum vorderen Lager (20) umfasst, das Verbindungsstück (30) ein zerbrechliches Glied (32) enthält und so ausgelegt ist, dass auf das zerbrechliche Glied (32) einwirkende Schubkräfte weitgehend ausgeschlossen werden, so dass dieses vorwiegend Zugkräften ausgesetzt ist, und wobei das vordere Lager (20) aus einem Rollenlager besteht und dieses die Übertragung eines veränderlichen Moments vom Rotor über das Lager (20) zum zerbrechlichen Glied (32) weitgehend...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flugzeugturbine mit einer Vorrichtung zum sicheren Abschalten trotz Einwirkung einer großen Unwucht des Laufrads, beispielsweise aufgrund einer größeren Beschädigung einer Turbinenschaufel.
Eine Unwucht im Laufrad einer Flugzeugturbine während des Betriebs erzeugt eine Rotationslast, die über Lager und Lagerstützkörper an den Turbinenaufbau übertragen wird, einen Kontakt zwischen Laufrad und Leitschaufel erzeugt und auf die Struktur des Flugzeuges bzw. das Flugwerk übertragen wird. Es gibt zwei Arten von Unwucht: die fertigungsbedingte und die unfallbedingte Unwucht. Die fertigungsbedingte Unwucht ist geringfügig, sollte allerdings nicht vernachläßigt werden. Eine unfallbedingte Unwucht entsteht hauptsächlich durch größere Schäden an der Turbinen- oder Gebläseschaufel. Diese Unwucht kann sehr groß sein und eine übermäßige Rotationslast verursachen. Die Turbine muss sicher abschalten können, bevor sie das Flugwerk beschädigt. Demzufolge sieht der Erfinder eine erste zu lösende Aufgabe darin, die Turbine trotz der unsymmetrischen Belastung zumindest so lange in Betrieb zu halten, bis die Maschine sicher abgeschaltet werden kann, ohne das Tragwerk zu beschädigen.
Moderne Turbinen beinhalten im allgemeinen eine erste Stufe von Laufschaufeln, die sogenannte Gebläsestufe, die, insbesondere bei Unterschallturbinen, die grundlegende Antriebskraft liefert. Diese Gebläseschaufeln sind sehr anfällig gegenüber Fremdkörperbeschädigungen, da sie sich an der Vorderseite der Turbine befinden, flach und groß sind und an einem Ende durch das Laufrad gehalten werden, während das andere Ende an der Peripherie des Laufrades frei ist. Obwohl die Beschädigung gewöhnlich in der Nähe des freien Endes der Gebläseschaufel auftritt, kann die erzeugte Unwucht aufgrund der Größe und hohen Rotationsgeschwindigkeit der Gebläseschaufel sehr groß sein. Die Unwucht bei großen Turbinen kann eine Rotationslast in der Größenordnung von > 200.000 Pfund bei 6.000 U/min betragen. Angesichts einer derart großen unsymmetrischen Belastung besteht ein zweites Problem darin, das Flugwerk intakt zu halten.
US-A-4,289,360 offenbart eine Turbine mit einer normal starren Lagerabstützung, die jedoch durch das Brechen von Verbindungselementen unter der Einwirkung einer starken Unwucht gelöst werden kann. Die unsymmetrische Belastung kann durch eine größere Beschädigung an einer Laufschaufel erzeugt werden, die sich in einem Gehäuse aus dickem, abschleifbarem Material dreht.
Das Laufrad bzw. der Rotor neigt dann dazu, sich um seine neue Trägheitsachse zu drehen, wodurch die Unwucht sowie die auf das Tragwerk der Turbine und auf das Flugwerk einwirkende Last verringert werden.
Die Schrift zu EP 0 814 236 offenbart ein starres Lagerabstützungssystem für ein Laufrad bzw. einen Rotor eines Turbinenlagers und eine zerbrechliche Verbindung zur Reduzierung der bei einer großen Unwucht des Laufrads auf das Tragwerk der Turbine einwirkenden Last. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass die zerbrechliche Verbindung einer weitgehend aus Schubkräften bestehenden Belastung ausgesetzt wird. Dies ist nicht wünschenswert, da zwischen den jeweiligen Bolzen und entsprechenden Bohrungen eine sehr hohe Maßkontrolle erforderlich ist, um eine wiederholbare Lastverteilung unter den Bolzen zu gewährleisten.
Die EP 1 008 726 A2 beschreibt eine Entkopplungsanordnung für die Gebläsestufe einer Gasturbine. Die Gebläsestufe und eine stromabwärts liegende Niederdruckkompressorstufe werden durch eine sich um eine Turbinenachse drehende und mit einer Niederdruckturbine gekoppelte Niederdruckwelle angetrieben. Ein vorderer Abschnitt der Niederdruckwelle ist am Tragwerk gehalten über eine Lagerabstützung mit einem vorderen, die Niederdruckwelle umgebenden Lagerstützkörper, der im Wesentlichen konisch ausgebildet ist und im spitzen Winkel zur Niederdruckwelle verläuft, und mit einem zusätzlichen hinteren Lagerstützkörper.
Am Scheitelende des konischen vorderen Lagerstützkörpers befindet sich ein Kugellager, welches die Niederdruckwelle sowohl radial als auch axial abstützt.
Der hintere Lagerstützkörper verläuft im Wesentlichen orthogonal zu der Niederdruckwelle, und weist an seinem Ende ein Rollenlager auf, welches die Niederdruckwelle zusätzlich in radialer Richtung stabilisiert.
Der vordere Lagerstützkörper weist außerdem eine Sicherung auf, die einen auf eine vorbestimmte Unsymmetrie der Last eingestellten Bruchpunkt hat. Die Sicherung besteht aus einem ersten und einem zweiten Flansch sowie dazwischen liegenden Distanzstücken, die jeweils ein Segment des Kegelumfangs überdecken. Durch jeweils eines der Distanzstücke ist ein Bolzen hindurch geführt. Erfährt der Bolzen eine Last oberhalb seines Bruchpunkts, bricht er, und das Distanzstück fällt aus dem Raum zwischen den beiden Flanschen heraus. Dies führt dazu, dass ein vorderer Teil der Niederdruckwelle, an dem die Gebläsestufe angeordnet ist, sich in Richtung der Turbinenachse nach hinten bewegt und an eine weitere Hochdruckwelle koppelt, welche koaxial zu der Niederdruckwelle angeordnet ist und den stromabwärts liegenden Hochdruckkompressor mit der Hochdruckturbine verbindet. Durch die somit herbeigeführte Lagerung der Niederdruckwelle an der Hochdruckwelle werden Unwuchten der Gebläsestufe sicher aufgenommen und ist insbesondere die kritische Drehzahl des Turbinensystems mit nunmehr gekoppelter Niederdruckwelle und Hochdruckwelle deutlich größer als die noch in der Turbine auftretenden Drehzahlen.
Demzufolge ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Lagerabstützungssystem für eine Flugzeugturbine vorzusehen, welches – trotz der Einwirkung einer übermäßigen unsymmetrischen Last in der Gebläsestufe – ein sicheres Abschalten der Turbine erlaubt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Lagerabstützungssystems, wie oben beschrieben, welches ein zerbrechliches Verbindungsglied beinhaltet, das infolge einer übermäßigen Unwucht des Laufrades bricht.
Als weiteres Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines zerbrechlichen Verbindungsgliedes anzusehen, welches einer hauptsächlich aus Zugkräften bestehenden Belastung ausgesetzt wird, wo Schubkräfte weitgehend ausgeschlossen worden sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an; zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend genannt.
Die vorliegende Erfindung erfasst eine Vorrichtung zum sicheren Abschalten einer Flugzeugturbine trotz Einwirkung einer Unwucht des Laufrades, beispielsweise aufgrund einer größeren Beschädigung einer Gebläseschaufel der Gebläsestufe der Flugzeugturbine.
Eine Flugzeugturbine umfaßt ein Laufrad bzw. einen Rotor mit einer Welle, die sich bei einem symmetrischen Lauf der Turbinen um eine Drehachse dreht, eine Gebläsestufe mit zumindest zwei an der Welle befestigten Gebläseschaufeln, einer Lagerabstützung zum Stützen der Welle während des Drehens, wobei die Lagerabstützung ein vorderes und ein hinteres Lager umfaßt, sowie einen ersten und einen zweiten Lagerstützkörper zur sicheren Anbringung des vorderen beziehungsweise hinteren Lagers am Tragwerk der Flugzeugturbine. Erfindungsgemäß beinhaltet der erste Lagerstützkörper ein Verbindungsstück in einem Achsenabstand zum vorderen Lager. Das Verbindungsstück enthält ein zerbrechliches Glied, das so ausgelegt ist, dass auf dieses einwirkende Schubkräfte weitgehend ausgeschlossen werden, so dass es vorwiegend Zugkräften ausgesetzt wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Verbindungsstück einen im wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufenden Flanschabschnitt auf, um die Einwirkung von Schubkräften auf das zerbrechliche Glied weitgehend auszuschließen. Zudem soll das Verbindungsstück ein erstes, weitgehend L-förmiges Glied enthalten, das einen aufragenden Abschnitt und einen unteren Abschnitt sowie ein zweites hochragendes Teil aufweist, das auf dem unteren Abschnitt lagert und an den aufragenden Abschnitt anschlägt, wobei der aufragende Abschnitt und das aufragende Teil entlang einer Achse über Inline-Bohrungen zur Aufnahme eines Bolzens verfügen; der Bolzen kann das zerbrechliche Glied bilden.
Vorteilhafterweise kann die Achse der Inline-Bohrungen etwa parallel zur Drehachse der Turbine verlaufen und/oder der untere Basisabschnitt weitgehend parallel zur Achse der Inline-Bohrungen.
Als günstig hat es sich erwiesen, dass der Bolzen ein Mittelstück mit kleinerem Durchmesser zwischen zwei Außenabschnitten mit größerem Durchmesser umfasst und das zerbrechliche Glied bildet.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung besteht das vordere Lager aus einem Rollenlager, das die Übertragung eines veränderlichen Moments vom Laufrad über das Lager zum zerbrechlichen Glied weitgehend ausschließt. Zudem sollen der erste und der zweite Lagerstützkörper, das vordere Lager, das hintere Lager und das Verbindungsstück in Umfangsrichtung um die Welle verlaufen und das zerbrechliche Glied mehrere Bolzen umfassen.
Erfindungsgemäß kann eine vorbestimmte übermäßige Laufunsymmetrie des Laufrades erfasst werden sowie die nachfolgende Lastübertragung auf das Tragwerk der Turbine reduziert werden, wobei die Übertragung von Schubkräften auf das zerbrechliche Glied weitgehend ausgeschlossen werden kann und das Brechen dieses Glieds bei einer Zugkraft erfolgt, die der vorbestimmten übermäßigen Laufunsymmetrie des Laufrades entspricht, so dass das Laufrad nicht mehr durch das vordere Lager getragen wird und die geänderte Drehfunktion der Welle eine Reduzierung der Lastübertragung auf das Tragwerk der Turbine bewirkt. Es wird eine Vorrichtung mit zerbrechlichem Glied im ersten Lagerstützkörper in einem Abstand zum vorderen Lager konzipiert, die Übertragung von Schubkräften auf das zerbrechliche Glied, während dieses Zugkräften ausgesetzt ist, weitgehend ausgeschlossen, und es erfolgt ein Brechen des zerbrechlichen Glieds bei einer der vorbestimmten, übermäßigen Laufunsymmetrie des Laufrades entsprechenden Zugkraft, wodurch die Abstützung des Laufrades durch das erste Lager verloren geht und die Drehachse der Welle so verändert wird, dass eine Reduzierung der Lastübertragung auf das Tragwerk der Turbine erfolgt.
Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Lagerabstützungssystem vor, mit welchem eine Turbine nach Einwirkung einer übermäßigen Laufunsymmetrie des Laufrades sicher abgeschaltet werden kann.

Claims

Flugzeugturbine mit einem Rotor, dessen Welle (14) sich bei einem symmetrischen Lauf der Turbine um eine Drehachse (R) dreht, mit einer Gebläsestufe (12) mit zumindest zwei an der Welle (14) befestigten Turbinenschaufeln (16), einer ein vorderes und ein hinteres Lager (20, 22) aufweisenden Lagerabstützung zum Stützen der Welle (14) während des Drehens, sowie einem ersten und einem zweiten Lagerstützkörper (24, 26) zum sicheren Anbringen des vorderen beziehungsweise hinteren Lagers (20, 22) am Tragwerk der Flugzeugturbine, wobei der erste Lagerstützkörper (24) ein Verbindungsstück (30) in einem Achsenabstand (a) zum vorderen Lager (20) umfasst, das Verbindungsstück (30) ein zerbrechliches Glied (32) enthält und so ausgelegt ist, dass auf das zerbrechliche Glied (32) einwirkende Schubkräfte weitgehend ausgeschlossen werden, so dass dieses vorwiegend Zugkräften ausgesetzt ist, und wobei das vordere Lager (20) aus einem Rollenlager besteht und dieses die Übertragung eines veränderlichen Moments vom Rotor über das Lager (20) zum zerbrechlichen Glied (32) weitgehend ausschließt.
Flugzeugturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (30) einen im wesentlichen parallel zur Drehachse (R) verlaufenden Flanschabschnitt aufweist, um die Einwirkung von Schubkräften auf das zerbrechliche Glied (32) weitgehend auszuschließen.
Flugzeugturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (30) ein erstes, weitgehend L-förmiges Glied (34) enthält, das einen aufragenden Abschnitt (38) und einen unteren Abschnitt (40) sowie ein zweites hochragendes Teil (36) aufweist, das auf dem unteren Abschnitt (40) lagert und an den aufragenden Abschnitt (38) anschlägt, wobei der aufragende Abschnitt (38) und das aufragende Teil (36) entlang einer Achse (L) über Inline-Bohrungen (42) zur Aufnahme eines Bolzens versehen sind.
Flugzeugturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen das zerbrechliche Glied (32) bildet.
Flugzeugturbine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (L) der Inline-Bohrungen (42) weitgehend parallel zur Drehachse (R) der Turbine verläuft.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (40) weitgehend parallel zur Achse (L) der Inline-Bohrungen (42) verläuft.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen ein Mittelstück (44) mit kleinerem Durchmesser zwischen zwei Außenabschnitten (46, 48) mit größerem Durchmesser umfasst und das zerbrechliche Glied (32) bildet.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Lager (22) ein Kugellager ist.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Lagerstützkörper (24, 26), das vordere Lager (20), das hintere Lager (22) und das Verbindungsstück (30) in Umfangsrichtung um die Welle (14) verlaufen und das zerbrechliche Glied (32) mehrere Bolzen umfasst.
Flugzeugturbine mit einem Rotor, dessen Welle (14) sich bei einem symmetrischen Lauf der Turbine um eine Drehachse (R) dreht, mit einer Gebläsestufe (12) mit zumindest zwei an der Welle (14) befestigten Turbinenschaufeln (16), einer ein vorderes und ein hinteres Lager (20, 22) aufweisenden Lagerabstützung zum Stützen der Welle (14) während des Drehens, sowie einem ersten und einem zweiten Lagerstützkörper (24, 26) zum sicheren Anbringen des vorderen beziehungsweise hinteren Lagers (20, 22) am Tragwerk der Flugzeugturbine, wobei der erste Lagerstützkörper (24) ein Verbindungsstück (30) in einem Achsenabstand (a) zum vorderen Lager (20) umfasst, das Verbindungsstück (30) ein zerbrechliches Glied (32) enthält und so ausgelegt ist, dass auf das zerbrechliche Glied (32) einwirkende Schubkräfte weitgehend ausgeschlossen werden, so dass dieses vorwiegend Zugkräften ausgesetzt ist, und wobei das Verbindungsstück (30) ein erstes, weitgehend L-förmiges Glied (34) enthält, das einen aufragenden Abschnitt (38) und einen unteren Abschnitt (40) aufweist, sowie ein zweites hochragendes Teil (36) enthält, das auf dem unteren Abschnitt (40) lagert und an den aufragenden Abschnitt (38) anschlägt, wobei der aufragende Abschnitt (38) und das aufragende Teil (36) entlang einer Achse (L) über Inline-Bohrungen (42) zur Aufnahme eines Bolzens versehen sind.
Flugzeugturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (30) einen im wesentlichen parallel zur Drehachse (R) verlaufenden Flanschabschnitt aufweist, um die Einwirkung von Schubkräften auf das zerbrechliche Glied (32) weitgehend auszuschließen.
Flugzeugturbine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen das zerbrechliche Glied (32) bildet.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (L) der Inline-Bohrungen (42) weitgehend parallel zur Drehachse (R) der Turbine verläuft.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (40) weitgehend parallel zur Achse (L) der Inline-Bohrungen (42) verläuft.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen ein Mittelstück (44) mit kleinerem Durchmesser zwischen zwei Außenabschnitten (46, 48) mit größerem Durchmesser umfasst und das zerbrechliche Glied (32) bildet.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Lager (20) aus einem Rollenlager besteht und dieses die Übertragung eines veränderlichen Moments vom Rotor über das Lager (20) zum zerbrechlichen Glied (32) weitgehend ausschließt.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Lager (22) ein Kugellager ist.
Flugzeugturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Lagerstützkörper (24, 26), das vordere Lager (20), das hintere Lager (22) und das Verbindungsstück (30) in Umfangsrichtung um die Welle (14) verlaufen und das zerbrechliche Glied (32) mehrere Bolzen umfasst.