DE1044527B - Vorrichtung zur Verbindung einer hohlen Turbinenwelle, insbesondere bei einem Gasturbinentriebwerk mit einem frei tragend angeordneten Turbinenlaufrad - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung befaßt sich mit der Lagerung von Laufrädern, insbesondere von Turbinenlaufrädern bei Gasturbinentriebwerken.

Bei Gasturbinentriebwerken üblicher Bauart mit Verdichter, einer Anzahl Brennkammern und einer Turbine, die den Verdichter über eine Welle antreibt, wird die Welle normalerweise in zwei Lagern gelagert. Aus baulichen Gründen ist das hintere Lager gewöhnlich vor dem Turbinenlaufrad angeordnet, so daß sich eine fliegende Lagerung des Laufrades ergibt. Hierdurch können in der Welle Beanspruchungen auftreten, die bei hohen Drehzahlen Schwingungen hervorrufen. Bei Einbau des Triebwerks in Flugzeuge ergibt sich der zusätzliche Nachteil, daß bei Manövern des Flugzeugs Kreisel Wirkungen an der Turbinenscheibe entstehen können, die zu Durchbiegungen der Welle führen, wodurch eine Veränderung im Abitand der Schaufelspitzen des Laufrades von der das Laufrad umgebenden Ummantelung entstehen kann.

Um diese Auswirkungen möglichst gering zu halten, muß das hintere Lager so dicht wie möglich am Turbinenlaufrad angeordnet werden. Um dies zu erreichen, hat man das Turbinenlaufrad mit einem fest angegossenen Wellenstummel versehen, der in das Ende der hohlen Antriebswelle ragt und an ihr verspannt wird. Die Herstellung solcher Turbinenlaufräder mit angegossenem Wellenstummel und die Bearbeitung des Wellenstummels für den zentrischen

Vorrichtung

zur Verbindung einer hohlen

Turbinenwelle, insbesondere bei einem

Gasturbinentriebwerk mit einem frei

tragend angeordneten Turbinenlaufrad

Anmelder:

Canadian Patents and Development
Limited, Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Joseph Thompson Purvis, Toronto, Ontario,

und Edward Kennard, Port Credit, Ontario (Kanada),

sind als Erfinder genannt worden

hierbei mit Hilfe eines das Turbinenlaufrad außenseitig hintergreifenden und durchsetzenden, vom offenen Wellenende her in die hohle Turbmenwelle ragenden und an ihr verspannten Befestigungsmittels, und Sitz des Laufrades an der hohlen Antriebswelle sind 30 die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß als Beaber umständlich und teuer. Nach einem anderen Vor- festigungsmittel ein hohler Zusatzwellensiummel mit schlag war es bekannt, die hohle Turbinenwelle im Zwischenschaft und Übergriffflansch verwendet ist, Bereich ihres hinteren Lagers durch einen angeflansch- wobei dieser Zusatzwellenstummel mit dem Turbinenten Wellenstumpf zu verlängern und diesen Wellen- welienstummel über beiderseits des Wellenlagers an stumpf mit einem eingeschraubten Spannbolzen zu 35 den Turbinenwellenstummelenden innen vorgesehene versehen, der das Turbinenlaufrad durchragt und an Kegelflächen mittels einer am Zwischenschaft des Zudem das Laufrad außenseitig mit einer Mutter verspannt wird. Die Zentrierung und Mitnehmerverbindung zwischen dem Wellenstummel und dem Laufrad
wird aber hierbei durch einen Flansch des Wellen- 4°
stummeis und durch zusätzliche, in diesem Flansch
und in der Nabe des Turbinenlaufrades angeordnete
Paßbolzen vermittelt. Da diese Verbindungsmittel auf

der dem Wellenlager zugekehrten Seite des Turbinensatzwellenstummels vorgesehenen Kegelfläche und eines Anzugskeils mit Spannmutter zentriert und verspannt ist.

Bei dieser Ausführung kommt die Mitnehmerverbindung zwischen dem Ende der hohlen Turbinenwelle und dem Turbinenlaufrad durch den auf der Außenseite des Turbinenlaufrades befindlichen Übergriffflansch des hohlen Zusatzwellenstummels zustan-

laufrades angeordnet sind, kommt hierbei nicht die 45 de, so daß der Turbinenwellenstummel an seinem aus erstrebte dichte Anordnung des frei tragenden Turbi- dem Wellenlager hervorstehenden Ende keinen Mitnenlaufrades am hinteren Weüenlager zustande.
JDi Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten und

ermöglicht es, ohne Ausrüstung des Turbinenlauf-

nehmerflansch benötigt und das Turbinenlaufrad besonders dicht am Wellenlager der Turbinenwelle angeordnet werden kann. Der Zusatzwellenstummel mit

rades mit einem angegossenen Wellenstummel eine 5° Flansch zentriert einerseits die Turbinenscheibe und besonders dichte Anordnung des Laufrades am WeI- nimmt andererseits die durch Schwingungen und

lenlager zu erzielen. Die Verbindung der hinter dem

Wellenlager endenden hohlen Turbinenwelle mit dem frei tragend abgeordneten Turbinenlaufrad erfolgt

Kreiselkräfte entstehenden Biegebeanspruchungen, und die Drehmomente auf, die aa den in der Turbinenscheibe gelegenen Achsen wirken. Dabei sichert die

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hohle Ausbildung des Zusatzwellenstummels überdies eine gute Wärmeableitung.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit den für die Erfindung wichtigen Teilen im Schnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus diesem Triebwerk in größerem Maßstab, teils in Ansicht, teils im Längsschnitt,

Fig. 3 einen ähnlichen Ausschnitt einer etwas anderen Ausführungsform und

Fig. 4 einen entsprechenden Ausschnitt aus einer zweistufigen Turbine.

Das in Fig. 1 gezeigte übliche Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge besteht aus einem Verdichter 1, aus dem die verdichtete Luft zu den Brennkammern 2 gelangt, in denen Brennstoff verbrannt wird. Die Brenngase gelangen durch Leitapparate zu der Turbine 3, die ein Laufrad 4 mit Schaufeln 5 aufweist und die das Gebläse 1 über die Hauptwelle 6 antreibt, welche in Lagern 7, 8 und 9 gelagert ist. Wie Fig. 2 erkennen läßt, weist das Turbinenlaufrad 4 eine zentrale Bohrung 4a auf, durch die ein Wellenstummel 10 mit Spiel hindurchgesteckt ist. Das vordere Ende des Wellenstummels ist mit der Hauptwelle 6 verbunden, während an dem hinteren Ende ein Flansch 11 vorgesehen ist, der mit dem Laufrad über eine mit Riffelverzahnung od. dgl. versehene Ringfläche 12 im Eingriff steht und zur Übertragung des von dem Laufrad in die Welle zu leitenden Drehmoments, zur Zentrierung des Laufrades auf dem Wellenstummel und zur Aufnahme der Kreiselkräfte und sonstiger auf das Laufrad kommender Beschleunigungskräfte dient.

Vor dem Turbinenlaufrad ragt der Wellenstummel in die hohle Hauptwelle 6 hinein, die unmittelbar hinter dem hinteren Wellenlager 9 endet und dort mit einem Beilagering 14 versehen ist, gegen den sich das Laufrad 4 mit seiner vorderen inneren Kante anlegt. Die Stärke des Beilageringes ist so gewählt, daß beim Festziehen des Wellenstummels in der Hauptwelle der richtige Druck zwischen dem Flansch 11 des Wellenstummels und dem Laufrad vorhanden ist. Eine auf das vordere Ende des Wellenstummels aufgeschraubte Mutter 13 sichert den Wellenstummel in der Hauptwelle, wobei er sich mit einem konischen Teil in eine entsprechende Ausdrehung des Wellenendes einfügt.

Ein Überzug aus einem Schmiermittel, wie Graphit, oder eine Silberauflage auf der hinteren Fläche des Beilageringes 14, die mit dem Laufrad 4 in Berührung steht, ist vorteilhaft zur Verhinderung eines Fressens, das sonst auftreten kann, wenn sich das Laufrad im Betrieb infolge des Heißwerdens ausdehnt. Der Beilagering kann in seiner hinteren Fläche auch mit radialen Nuten 15 versehen sein, um eine Luftkühlung der inneren Teile des Laufrades zu ermöglichen. Hierzu wird ein Luftstrom durch den ringförmigen Spalt zwischen dem Laufradi und dem Wellenstummel und dann durch die erwähnten radialen Nuten geführt. Dies kann in üblicher Weise dadurch geschehen, daß in irgendeiner Weise ein Druckunterschied vor und hinter demLaufradhervorgerufen wird. Die Kühlluft kann über die hintere Seite dies Laufrades und Öffnungen 12» abströmen, die in der Verzahnung 12 zwischen dem Laufrad und dem Flansch 11 des Wellenstummels vorgesehen sind.

Die beschriebene Bauart ermöglicht es, das hintere Wellenlager 9 so nah an die vordere Fläche des Turbinenlaufrades heranzulegen, wie man es tun kann, wenn der Wellenstummel und das Laufrad aus einem Stück hergestellt sind, was aber, wie erwähnt, teuer und schwierig in der Herstellung ist. Das Lager 9 wird üblicherweise mit einer Öldichtung 16 abgeschlossen, und man erkennt aus Fig. 2, daß der geringste Abstand des Lagers von dem Laufrad nur durch den Raumbedarf dieser Öldichtung und der Einrichtung zur Führung eines Kühlluftstroms, wie

ίο sie im vorhergehenden Absatz beschrieben wurde, bestimmt ist.

Eine abgewandelte Bauform ist in Fig. 3 dargestellt. Darin bestehen die Mittel zur Drehmomentübertragung zwischen dem Laufrad 4' und dem WeI-lenstummelflansch 11' aus einer an der hinteren Fläche des Laufrades vorgesehenen ringförmigen Rippe 20, zwei diese Rippe außen und innen mit Spiel umgreifenden ringförmigen Rippen 11 a? des Flanschs 11' sowie radialen Stiften 17, die durch sämtliche drei Rippen hindurchgehen. Sicherungsringe 18 und 19 verhindern ein Herausfallen oder -geschleudertwerden der Stifte. Eine ringförmige Schulter 20 a an der radial inneren Zylinderfläche der Rippe 20 kommt mit der radial äußeren Wand der inneren Rippella' in Eingriff und sichert beim Einpassen und Einsetzen der Stifte 17 die Gleichachsigkeit zwischen Laufrad und Flansch. Infolge des radialen Wachsens des Laufrades 4' durch Erwärmung und Zentrifugalkräfte löst sich die Anlage zwischen der Schulter und der Rippe während des Betriebes, so daß die Zentrierung der beiden Teile zueinander dann durch die Stifte 17 allein erfolgt.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Bauart handelt es sich um eine zweistufige Turbine, die daher zwei Laufräder 4" und 21 aufweist. Hierbei ist auf jeder Seite des Wellenstummelflanschs 11" ein Laufrad durch eine Ringverzahnung 12' bzw. 22 angeschlossen. Die drei Konstruktionsteile werden durch auf den Umfang verteilte Bolzen 23 verbunden, die dicht außerhalb des Flanschs durch beide Laufräder hindurchgehen. Zur weitestmöglichen Herabsetzung der örtlichen Beanspruchungen, die durch die für die Bolzen in den Lauf rädern vorgesehenen Löcher verursacht werden, sind die Lauf räder im Bereich dieser Löcher verstärkt.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich. So können zusätzliche Turbinenlaufräder mit der Hauptwelle durch die beschriebenen Einrichtungen verbunden werden, wobei die dichte Anordnung des Stützlagers an dem Laufrad als Ganzem aufrechterhalten bleibt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verbindung einer hinter einem Wellenlager flanschlos endenden, hohlen Turbinenwelle, insbesondere bei einem Gasturbinentriebwerk, mit einem unmittelbar hinter dem Wellenlager frei tragend angeordneten Turbinenlaufrad mit Hilfe eines das Turbinenlaufrad hintergreifenden und durchsetzenden, vom offenen Wellenende her in die hohle Turbinenwelle ragenden und an ihr verspannten Befestigungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß als Befestigungsmittel ein hohler Zusatzwellenstummel (10) mit Zwischenschaft und Übergriffflansch (11) verwendet ist, wobei dieser Zusatzwellenstummel (10) mit dem Turbinenwellenstummel (6) über beiderseits des Wellenlagers (9) an den Turbinenwellenstummelenden innen vorgesehene Kegelflächen mittels einer am Zwischenschaft des Zusatzwellenstummels vorgesehenen Kegelfläche und

eines Anzugskeils mit Spannmutter (13) zentriert und verspannt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der hohlen Turbinenwelle (6) hervorstehende Teil des Schaftes des hohlen Wellenstummels (10) im Außendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des aus dem Wellenlager (9) hervorstehenden Endes der hohlen Turbinenwelle (6) und seine Länge so bemessen ist, daß das Turbinenlaufrad (4) mit seiner dem Wellenlager zugekehrten Seite beim Anziehen des hohlen Wellenstummels am Ende der hohlen Turbinenwelle mitverspannt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der vorzugsweise durch einen Zwischenring (14) gebildeten, hinteren Stirnfläche der Turbinenwelle (6) radiale Nuten (15) für den Luftdurchlaß zum Schaft des hohlen Wellenstummels (10) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Turbinenrad (4) durchragende, hohle Wellenstummel (10) an seinem das Turbinenlaufrad außenseitig hintergreifenden Mitnehmerflansch (11) eine für Turbinenräder an sich bekannte Mitnehmerverzahnung (12) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Turbinenlaufrad (4') durchragende, hohle Wellenstummel (10) an seinem das Turbinenlaufrad hintergreifenden Mitnehmerflansch (H') zwei zum Turbinenlaufrad vorstehende, ringförmige Rippen {lla'), das Turbinenlaufrad eine zwischen diese Rippen ragende Ringrippe (20) aufweist und die Mitnehmerverbindung durch auf den Umfang verteilte, die Ringrippen (Ha', 20) durchragende Stifte (17) hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ringrippen (Ha', 20) durchragenden Mitnehmerstifte (17) durch äußere und innere Sicherungsringe (18, 19) gegen Lösen gesichert sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zur flanschlosen Verbindung der hohlen Turbinenwelle (6) mit einem Turbinenlaufrad (4") dienende, hohle Wellenstummel (10) an der dem Wellenlager abgekehrten Außenseite seines Mitnehmerflansches (H") zur Mitnehmerverbindung mit einem zweiten, außenseitig angeordneten Turbinenlaufrad (21) eingerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Turbinenlaufräder (4", 21) durch auf den Umfang verteilte, dicht außerhalb des Mitnehmerflansches (H") angeordnete Bolzen (23) mit dem hohlen Wellenstummel (10) verspannt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 667 194;
französische Patentschrift Nr. 938 887.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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