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Entriegelbare Kupplung zwischen den Wellen des Verdichters und seiner
Antriebsturbine eines Gasturbinentriebwerks Die Erfindung bezieht sich auf eine
entriegelbare, in Umfangs- und Achsrichtung wirksame Kupplung zwischen den zueinander
geringfügig winkelbeweglich zentrierten Wellen des Verdichters mit seiner Antriebsturbine
eines Gasturbinentriebwerks.
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Bei Gasturbinentriebwerken ist es bekannt, das hintere Ende der Verdichterwelle
mit dem vorderen Ende der Verdichterantriebsturbinenwelle über eine Keilverzahnung
in Umfangsrichtung zu kuppeln und die axiale Verbindung zwischen dem Verdichter
bzw. der Verdichterwelle und den Verdichterantriebsturbinen bzw. der Verdichterantriebsturbinenwelle
über einen zentralen Zuganker herzustellen, dessen vorderes Ende mit dem hinteren
Ende des Verdichters bzw. der Verdichterwelle und dessen hinteres Ende hinter den
Verdichterantriebsturbinen mit deren hinterem Wellenteil verschraubt ist. Diese
Maßnahme ist deswegen erforderlich, um den in axialer Richtung nach hinten wirkenden
Turbinenschub auf die Verdichterwelle zu übertragen, die über ein vorderes und hinteres
Wälzlager abgestützt ist, wovon eines, zumeist das vordere, als Festlager ausgeführt
ist, während das einzige Lager der Verdichterantriebsturbinenwelle, das zumeist
hinter den Verdichterantriebsturbinen liegt, aus Gründen der auftretenden starken
Wärmedehnungen als Loslager ausgeführt ist, das nicht imstande ist, den Turbinenschub
aufzunehmen und auf das Maschinengehäuse zu übertragen. Vorn stützt sich die Verdichterantriebsturbinenwelle
üblicherweise innerhalb der Verdichterwelle in Höhe des hinteren Verdichterlagers
ab, so daß der gesamte Rotor des Gasturbinentriebwerks auf drei Lagern läuft.
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Der Nachteil dieser bekannten Ausführung liegt in der vorderen und
hinteren Gewindeverbindung des Zugankers, die empfindlich ist gegenüber wenn auch
nur in geringen Grenzen auftretenden Wellenverlagerungen und -versetzungen, die
auf Grund der vorhandenen hohen Drücke und Wärmespannungen innerhalb des Triebwerks
nicht zu vermeiden sind. Außerdem ist der durchgehende Zuganker ein verhältnismäßig
schwerer zusätzlicher Bauteil.
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Ferner ist es bekannt, die Verdichterantriebsturbinenwelle aus mehreren
Teilen zusammenzusetzen, die durch Flanschverbindungen miteinander verschraubt sind,
wobei das dem Verdichterwellenende benachbarte Wellenteil eine Außenverzahnung trägt,
die in die Innenverzahnung eines Kupplungsstückes eingreift, das seinerseits durch
eine Mitnehmerverzahnung mit dem Ende der Verdichterwelle drehfest verbunden ist.
Die formschlüssige Verbindung zwischen der Verdichterwelle und der Verdichterantriebsturbinenwelle
in axialer Richtung erfolgt hierbei durch einen kürzeren zentralen Zuganker, dessen
vorderes Ende mit der Verdichterwelle und dessen hinteres Ende mit dem vorderen
Teilstück der Verdichterantriebsturbinenwelle verschraubt ist. Wenn auch diese Konstruktion
gewichtsmäßig günstiger ist, so haftet ihr neben den Nachteilen, die Gewindeverbindungen
als solche mit sich bringen, der Mangel an, daß der zentrale Raum als Durchgangsraum
für Leitungen und Rohre zum Führen von Betriebsmitteln, wie Schmieröl und Lagersperrluft,
nicht oder nur in konstruktiv umständlicher Weise ausgenutzt werden kann.
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Außerdem ist es bekannt, das vordere Ende der Verdichterantriebsturbinenwelle
in das hintere Ende der Verdichterwelle einfach einzuschrauben und die Drehmomentübertragung
durch eine Kupplungsmuffe zwischen den beiden vorgenannten Wellen über Mitnehmerverzahnungen
vorzunehmen. Bei dieser Bauart ist jedoch die Gewindeverbindung zur Aufnahme der
in axialer Richtung nach hinten wirkenden Turbinenschubkraft bei auftretenden Wellenverlagerungen
und -versetzungen durch den langen Hebelarm, d. h. den großen Abstand zwischen Gewindeverbindung
und Verdichterantriebsturbinen, besonders und unmittelbar gefährdet.
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Weiter ist es bekannt, die Verdichterantriebsturbinenwelle von der
Turbinenseite her durch die hohle Verdichterwelle hindurchzuführen, innerhalb dieser
zu zentrieren und am vorderen Ende der Verdichterwelle über eine Anschlagscheibe
aufzuhängen, die den axialen Turbinenschub aufnimmt und sich auf die Verdichterwelle
abstützt. Der Mangel dieser Ausführung liegt darin, daß die Montage der vorerwähnten
axialen Verbindung zwischen der Verdichterwelle
und der Verdichterantriebsturbinenwelle
nur verdichterseitig vorgenommen werden kann. Dies ist jedoch nur bei wenigen Triebwerksarten,
und zwar nur bei solchen, die am vorderen Ende zugänglich, d. h. bei denen am vorderen
Ende keine Hilfsaggregate und Hilfsantriebe vorgesehen sind, möglich. Überhaupt
nicht realisierbar ist die bekannte Konstruktion bei Propellertriebwerken mit nach
vorn geführter Welle zum Antrieb eines vorn angeordneten Untersetzungsgetriebes
für die Luftschraube.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Konstruktion zu vermeiden und zwischen der Verdichterwelle und der Welle der Verdichterantriebsturbine
eine Kupplung zu schaffen, die von der Turbinenseite her betätigbar ist, d. h.,
die, ohne daß die Brennkanimersysteme abmontiert zu werden brauchen, den Ein- und
Ausbau des oder der komplett montierten Turbinenrotoren, bestehend aus Turbinenläufer
und Turbinenwellen, erlaubt. Ferner ist es Ziel der Erfindung, die Kupplung gegenüber
geringfügigen Wellenverlagerungen unempfindlich zu halten und außerdem so auszubilden,
daß zum Freihalten eines zentralen Durchganges innerhalb der Rotorwellen für die
Anordnung von Betriebsmittelleitungen Verschraubungen zur formschlüssigen Aufnahme
der Schubkräfte in Achsrichtung und äaß zentrale Zuganker vermieden werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung als Kupplung zum formschlüssigen
Verbinden der VerdichterantriebsturbinenweIle mit der Verdichterwelle in beiden
Achsrichtungen und zum Lösen sowie zur gegenseitigen Zentrierung und zur geringfügig
winkelbeweglichen Lagerung dieser beiden Wellen voneinander bzw. aufeinander eine
Drehriegelvorrichtung mit der Verdichterwelle und der Verdichterantriebsturbinenwelle
fest zugeordneten Bauteilen und mit während des Ver- und Entriegelungsvorgangs gegenüber
der VerdichterantriebsturbinenwelIe beweglichen Bauteilen vorgesehen; diese sind
von der Turbinenseite her betätigbar, wobei ein der Verdichterwelle fest zugeordnetes
Bauteil und ein bewegliches Bauteil die eigentliche ver- und entriegelbare Kupplung
bilden, auf deren beweglichem Bauteil sich die Verdichterantriebsturbinenwelle in
Achsrichtung nach hinten abstützt.
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Bei einem Gasturbinentriebwerk mit einer von der Verdichterantriebsturbine
mechanisch getrennten Nutzleistungsturbine, die eine koaxial innerhalb der Verdichterantriebsturbinenwelle
nach vorn verlaufende Nutzleistungswelle antreibt, dient erfindungsgemäß die Nutzleistungswelle
zum Betätigen der beweglichen Teile der Drehriegelvorrichtung.
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In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Drehriegelvorrichtung einerseits
aus einem in Umfangsrichtung und in Achsrichtung fest mit der Verdichterwelle verbundenen
Verriegelungsstück und anderer seits aus einem montagemäßig der Verdichterantriebsturbinenwelle
zugeordneten und mit dem Verriegelungsstück in verriegeltem Zustand in Achsrichtung
formschlüssig verbundenen zylinderförmigen Drehriegel, der zum Abstützen der Verdichterantriebsturbinenwelle
in Achsrichtung dient, aus einer den Drehriegel in Umfangsrichtung gegenüber der
Verdichterantriebsturbinenwelle fixierenden Arretierhülse, aus in der Verdichterantriebsturbinenwelle
i starr befestigten, auf deren Umfang verteilten, radial gerichteten Arretierbolzen
oder dergleichen Mittel, welche ihrerseits die Arretierhülse gegenüber der Verdichterantriebsturbinenwelle
in Umfangsrichtung fixieren, sowie aus einem von der Turbinenseite her einzuführenden,
mit der Arretierhülse in Umfangsrichtung kuppelbaren Montageschlüssel zum Betätigen
der Drehriegelvorrichtung, wobei bei einem Gasturbinentriebwerk mit Nutzleistungsturbine
die Nutzleistungswelle gleichzeitig als Montageschlüssel dient.
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Die Erfindung ermöglicht unter Vermeidung der den bekannten Ausführungen
anhaftenden Nachteile in einfachster Weise den Ein- und Ausbau des vollständigen
Turbinenrotors bzw. der beiden Turbinenrotoren durch nur kurzes Zurückziehen und
dann kurzes Drehen der Nutzleistungsturbine mit ihrer Welle oder eines äquivalenten,
als Schlüssel zu benutzenden Teils.
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Nach der schweizerischen Patentschrift 107 049 und der USA.-Patentschrift
1138 926 gehören bajonettartig wirkende Verriegelungsvorrichtungen zum Kuppeln
einer getriebenen mit einer treibendenWelle zum Stand der Technik. Die in den vorgenannten
Patentschriften gezeigten Kupplungen sind jedoch auf Grund ihres konstruktiven Aufbaus
und im Hinblick auf ihre Wirkungsweise und ihre montagemäßige Handhabung mit der
Erfindung nicht vergleichbar und sind daher nicht geeignet, die Erfindungsaufgabe
zu lösen.
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Weitere erfindungsgemäße Einzelmerkmale gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 einen Teil eines Gasturbinentriebwerks im Bereich der Kupplung
zwischen der Verdichterwelle und der Verdichterantriebsturbinenwelle sowie der Nutzleistungswelle
im vertikalen Achslängsschnitt, F i g. 2 die Vorrichtung in einer Abwicklung in
Umfangsrichtung in verriegeltem Zustand nach der Linie II-11 der F i g. 1 und F
i g. 3 eine der F i g. 2 analoge Darstellung, wobei die Vorrichtung entriegelt ist;
beide, F i g. 2 und 3, in vergrößertem Maßstab und schematisiert.
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Die Kupplung zur formschlüssigen Verbindung der VerdichterwelIe 11
mit der Verdichterantriebsturbinenwelle 12 in axialer Richtung (X, Y) ist als Drehriegelvorrichtung
ausgeführt. Diese besteht im wesentlichen einerseits aus einem durch eine Verschraubung
13 fest mit der Verdichterwelle 11 verbundenen Verriegelungsstück 14 und andererseits
aus folgenden, montagemäßig der Verdichterantriebsturbinenwelle 12 zugeordneten
Teilen: einem Drehriegel 15, mehreren Haltebolzen 16, die auf dem Umfang verteilt
in der Verdichterantriebsturbinenwelle 12 fest angeordnet sind und radial nach innen
ragen, einer Haltehülse 17, einer diese in Richtung Y vorspannenden Feder 18 und
schließlich einem Montageschlüssel, der bei einem Gasturbinentriebwerk mit einer
freien Arbeitsturbine und einer sich nach vorn erstreckenden Nutzleistungswelle
19 von letzterer gebildet wird.
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Das Verriegelungsstück 14 weist an seinem hinteren Ende eine Verzahnung
20 auf, während der vordere Teil als ballige Zentrierung 21 ausgeführt ist, auf
der das vordere Ende 22 der Verdichterantriebsturbinenwelle 12 zentriert und in
geringen Grenzen winkelbeweglich gelagert ist. Unmittelbar vor der Verzahnung
20 ist im Verriegelungsstück 14 eine in Umfangsrichtung durchlaufende
Ringnut 23 vorgesehen.
Das vordere Ende des Drehriegels 15 ist als
Verzahnung 24 ausgebildet, welche die gleiche Teilung aufweist wie die Verzahnung
20. Hinter der Verzahnung 24 ist am Drehriegel 14 ein radial nach außen gerichteter
Bund 25 vorgesehen, auf den sich die Verdichterantriebsturbinenwelle 12 über eine
Schulter 26 und einen Druckring 27 in Pfeilrichtung X abstützt. Am hinteren Ende
weist der Drehriegel 15 eine Verzahnung 28 und vor dieser einzelne, der Anzahl der
Haltebolzen 16 entsprechende, auf dem Umfang verteilte und sich in Umfangsrichtung
A, Z erstreckende Führungsnuten 29 mit einer Länge l (in Umfangsrichtung) auf, welche
der Teilung der Verzahnung 20 und 24 plus dem Durchmesser der Haltebolzen 16 entspricht,
die in diese Führungsnuten 29 in Achsrichtung X und Y mit geringem
Bewegungsspiel eingreifen.
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Vorn an der Haltehülse 17 sind Aussparungen 30 vorgesehen: sie ist
hier also gabelförmig gestaltet und weist einzelne Finger 31 auf, welche die Haltebolzen
16 in Umfangsrichtung A, Z formschlüssig umgreifen, wodurch die Haltehülse 17 in
Umfangsrichtung A, Z gegenüber der Verdichterantriebsturbinenwelle 12
festgelegt
ist. Ferner ist an der Haltehülse 17 eine Innenverzahnung 32 vorgesehen, die in
die Außenverzahnung 28 des Drehriegels 15 eingreift, die eine größere Länge aufweist
als die Länge f der Aussparungen 30. Im hinteren Bereich der Haltehülse
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ist eine weitere Innenverzahnung 33 angeordnet, in die zum Verriegeln und'
Entriegeln der Kupplungsvorrichtung eine am vorderen Ende der Nutzleistungswelle
19 vorgesehene Außenverzahnung 34 vorübergehend in Eingriff gebracht werden kann.
Das hintere Ende der Haltehülse 17 ist als ringförmiger Anschlag 35 ausgebildet,
der zum Zurückziehen der Haltehülse 17 durch die Außenverzahnung 34 beim Verriegeln
und Entriegeln der Vorrichtung dient.
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Das vordere Ende 36 der Nutzleistungswelle 19 ist auf einem Kupplungsstück
37 zentriert, das eine Außenverzahnung 38 aufweist, in die eine Innenverzahnung
39 der Nutzleistungswelle 19 eingreift. Das Kupplungsstück 37 ist auf dem hinteren
Ende einer Welle 40 befestigt und mit dieser über eine Mitnehmerverzahnung 41 drehfest
verbunden. Die Welle 40 verläuft nach vorn durch die hohle Verdichterwelle 11 zu
einem Untersetzungsgetriebe für den Luftschraubenantrieb.
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Die Drehmomentübertragung von der Verdichterantriebsturbinenwelle
12 auf die Verdichterwelle 11 erfolgt über ein Kupplungsstück 42 mit Innenverzahnungen
43 und 44, die in entsprechende Außenverzahnungen 43 a und 44 a der
Verdichterantriebsturbinenwelle 12 und der Verdichterwelle 11 eingreifen. Die letzte
Verdichterstufe ist mit 45 bezeichnet. Die Abstützung der Feder 18 nach hinten erfolgt
durch eine Hülse 46, die hinten fest mit der Verdichterantriebsturbine verbunden
ist.
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Handhabung und Wirkungsweise der Kupplungsvorrichtung sind folgende:
Die F i g. 1 und 2 zeigen die Vorrichtung in verriegeltem Zustand. Zum Entriegeln
der Vorrichtung wird die Nutzleistungswelle 19 in Pfeilrichtung X zurückgezogen,
wobei die Außenverzahnung 34 mit der Innenverzahnung 33 der Haltehülse 17 in Eingriff
gebracht wird, die gleichzeitig über ihren ringförmigen Anschlag 35 durch die Außenverzahnung
34 der Nutzleistungswelle 19 so weit zurückgenommen wird, bis die Finger 31 am vorderen
Ende der Haltehülse 17 hinter die Haltebolzen 16 gelangen. Diese Bewegung der Nutzleistungswelle
19 bzw. der Haltehülse 17 wird durch einen auf ihr vorgesehenen Anschlagbund 47
begrenzt, der gegen die vordere Kante 48 a einer Abstandshülse 48 aufläuft, die
vor der Abstützhülse 46 angeordnet ist und mit dieser aus einem Stück bestehen kann.
In zurückgezogener Lage, in der die Innenverzahnung 39 der Nutzleistungswelle 19
mit der Außenverzahnung 38 des Kupplungsstückes 37 außer Eingriff ist, erfolgt der
eigentliche Entriegelungsvorgang durch Drehen der Nutzleistungswelle 19 in Umfangsrichtung
Z unter Mitnahme der Haltehülse 17 über die Verzahnung 34 und 33 und des Drehriegels
15 über die Verzahnungen 32 und 28, und zwar so weit, bis die in der F i g. 3 gezeigte
Stellung erreicht ist, d. h., bis die Kanten 29 a der Führungsnuten 29 seitlich
an den Haltebolzen 16 anschlagen. In dieser Stellung befinden sich die Zähne 24
a der Verzahnung 24 des Drehriegels 15 auf Lücke mit den Zähnen 20a der Verzahnung
20 des Verriegelungsstücks 14. Diese Lage (Entriegelungslage) des Drehriegels 15
gegenüber dem Verriegelungsstück 14 wird dann durch selbsttätiges Vorschieben in
Richtung Y der Haltehülse 17 mit Hilfe der Feder 18 relativ zur Nutzleistungswelle
12 durch die Finger 31 und die Haltebolzen 16 wieder fixiert, so daß nunmehr die
Verdichterantriebsturbinenwelle 12 zusammen mit der Haltehülse 17, der Feder 18,
den Hülsen 46, 48 und dem Drehriegel 15 vom Verriegelungsstück 14 in Pfeilrichtung
X abgezogen, d. h. von der Verdichterwelle 11 bzw. dem Kupplungsstück 42 getrennt
werden kann.
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Beim Zusammenbau des Triebwerks werden die Verdichterantriebsturbinen
und die Nutzleistungsturbinen zusammen mit der Verdichterantriebsriegelungsstück
14 in Pfeilrichtung X abgezogen, turbinenwelle 12 und der Nutzleistungswelle
19 sowie mit den Teilen 27,15,16,17,18, 46, 48 außerhalb des Triebwerks vormontiert.
Dann werden allevorgenannten Teile zusammen in das Triebwerk in Richtung Y eingeführt,
wobei das vordere Ende 22 der Nutzleistungswelle 12 zunächst mit der Verdichterwelle
11 bzw. dem Kupplungsstück 42 durch die Mitnehmerverrzahnung 43, 43 a in Umfangsrichtung
gekuppelt wird und gleichzeitig die Zähne 24 a des Drehriegels 15 durch die Lücken
20 b des Verriegelungsstücks 14 in die in Fi g. 3 gezeichnete Stellung gebracht
werden. Um diesen Vorgang zu ermöglichen, ist das Verriegelungsstück 14 in Umfangsrichtung
derart auf der Verdichterwelle 11 befestigt, daß seine Zahnlücken 20 b mit
den Zahnlücken der Innenverzahnung 43
des Kupplungsstücks 42 fluchten. Zum
Verriegeln der Kupplungsvorrichtung, d. h., um auch eine formschlüssige Verbindung
der beiden Wellen 11 und 12 in Achsrichtung Y, X herzustellen, wird zunächst
die Nutzleistungswelle 19 relativ zur Verdichterantriebsturbinenwelle
12 unter Mitnahme der Arretierhülse 17 wiederum so weit in Pfeilrichtung
X zurückgezogen, bis deren Anschlagbund 47 an der vorderen Kante 48 a der Anschlaghülse
48 anliegt. Hierauf erfolgt die eigentliche Verriegelung durch Drehen der Nutzleistungswelle
19 in Umfangsrichtung, und zwar in Pfeilrichtung A unter Mitnahme der Hülse 17 und
des Drehriegels 15 in die in F i g. 2 dargestellte Lage, in der die Zähne
24 a und die Zähne 20 a fluchten. Diese Stellung des Drehriegels 15
wird schließlich durch Vorschieben der Haltehülse 17 mit Hilfe der Feder 18 und
durch die Finger 31, welche die Haltebolzen
16 formschlüssig umgreifen,
gegenüber der Verdichterantriebsturbinenwelle 12 festgelegt, die wiederum über das
Kupplungsstück 42 und die Mitnehmerverzahnungen 43, 43 a und 44, 44
a gegenüber der Verdichterwelle 11 festgelegt ist. In der verriegelten Stellung
der Vorrichtung ist die Außenverzahnung 34 der Nutzleistungswelle 19 außer Eingriff
mit der Innenverzahnung 33 der Arretierhülse 17, so daß die Verdichterantriebsturbinenwelle
12 und die Nutzleistungswelle 19 mit verschiedenen Drehzahlen laufen können.