DE19637116A1 - Rotorlager mit Ölspalt zur Schwingungsdämpfung - Google Patents

Rotorlager mit Ölspalt zur Schwingungsdämpfung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schwingungsdämpfenden Lagerung eines Rotors der über ein Rotorlager, einen das Rotorlager umfassenden ringförmigen, achskonzentrischen Lagerträger und über Federelemente in einem Statorteil gelagert ist, wobei zwischen dem Sta­ torteil und dem Lagerträger ein druckbeaufschlagbarer Ölspalt ausgebildet ist, der von axial voneinander beabstandeten Dichtringen begrenzt und abgedichtet wird und statorseitig eine Ölzuführbohrung vorgesehen ist, die axial zwischen den Dichtringen in den Ölspalt mündet, wobei das Öl über Ölablaufbohrungen im Bereich der Dichtringe abfließt. Eine solche Vorrichtung ist in der US-PS 3,456,992 offenbart.
Schnell laufende Rotoren, die in einem Statorteil von einem Rotorlager gelagert werden, sind beispielsweise in Turbostrahltriebwerken anzutreffen. Während des Betriebes des Triebwerkes kann die Drehzahl des Rotors von niedrigen Drehzahlen bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute variieren. Aufgrund fertigungsbedingter Unwuchten des Rotors führt die Achse des Rotors von der Idealachse abweichende, schwingende Bewegungen aus. Ein Extremwert kann die Schwingungsamplitude erreichen, wenn der Rotor sich der Resonanzdrehzahl nähert. Um dies zu vermeiden, muß versucht werden, die Resonanzdrehzahl aus dem Bereich der Betriebs­ drehzahl fernzuhalten.
Da die Resonanzdrehzahl von der Steifigkeit der Rotorlagerung abhängig ist, kann über Varia­ tion der Steifigkeit Einfluß auf die Resonanzdrehzahl genommen werden. So ist aus der eingangs erwähnten US-PS bekannt, den Lagerträger federelastisch am Stator aufzuhängen, und zwischen Stator und Rotorträger einen schwingungsdämpfenden Ölspalt vorzusehen. Über entsprechende Ölzuführungen und -abführungen bildet sich ein Ölquetschfilm im Spalt aus, der im Zusammenwirken mit dein Federkäfig als Feder-Dämpfungssystem der Umwucht entgegenwirkt und einen sicheren Abstand zwischen der Eigenfrequenz und auch den Ober­ schwingungen des rotierenden Systems gegenüber der Betriebsfrequenz gewährleistet.
Wesentlich für die Funktion des Ölquetschfilmes ist ein gewisser Druckverlauf sowie Öldurch­ fluß in dem Ölspalt. Bei der US-PS 3,456,992 wird der Ölspalt durch zwei axial voneinander beabstandete, in Ringnuten sitzende Dichtungen begrenzt und abgedichtet, wobei über in den Ringnuten ausgebildete Ölleitungen das über eine zentrale Ölleitung zugeführte Öl ungehin­ dert abgeleitet wird. Da der Öldruck nur zuführseitig über ein Ventil eingestellt wird, ist eine große axiale Baulänge erforderlich um einen starken Druckabfall an den Rändern des Öl­ quetschfilmes entgegenzuwirken. Ein weiterer Nachteil ist daran zu sehen, die Ölzuführ- Öl­ ablaufbohrungen auf gleicher Umfangsposition liegen, so daß kein gleichmäßig über den Umfang verteilter Ölaustausch im Ölspalt möglich ist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzuge­ ben, bei der eine Schwingungsdämpfung bei geringer Baulänge und gleichmäßigem Ölaus­ tausch im Ölspalt gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspru­ ches 1 gelöst.
Von Bedeutung ist dabei, daß die Drosselwirkung der Verengungen in den Ölablaufbohrungen gegenüber dem Zulaufquerschnitt dominierend ist, so daß der Druckabfall am Ölspalt in axia­ ler Richtung reduziert und auch bestimmbar ist. Letztlich wird über den gewährten Öldurch­ fluß auch eine thermische Trennung zwischen dem Rotor und dem Stator gewährleistet. Um den gesamten Ölspalt in seiner axialen Ausdehnung optimal auszunutzen sind die Ölablauf­ bohrungen an den axialen Enden des Spaltes, also im Bereich der Dichtringe beispielsweise im Dichtring selbst oder in der Ringnut ausgebildet. Die Ausführung in der Ringnut hat den Vor­ teil einer gleichmäßigeren Öldruckverteilung im Spalt, während Öffnungen in den Dichtringen einfacher zu fertigen wären.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 10.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Rotor-Stator-Anordnung eines Gasturbinen­ triebwerkes und
Fig. 2 die Detailansicht A einer Ringnut mit Ölablaufbohrung gemäß Fig. 1.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Abschnitt handelt es sich um eine Rotor-Stator-Anordnung eines nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerkes, bei der eine Rotorwelle 1 die Hochdruck­ turbine mit dem Hochdruckverdichter verbindet. Die Rotorwelle 1 ist über ein als Wälzlager ausgeführtes Rotorlager 2 und über einen Lagerträger 3 in einem Statorteil 4 drehbeweglich gelagert.
Zur Schwingungsdämpfung und zur Manipulation der Resonanzdrehzahl der Rotor-Stator- Anordnung ist die Rotorwelle 1 federelastisch und schwingungsdämpfend im Statorteil 4 gelagert. Hierzu sitzt das Rotorlager 2 mit seinem Außenring 5 in einem zylindrischen Ab­ schnitt des buchsenartigen Lagerträgers 3, welcher wiederum mit seinem axial vom Rotorlager 2 beabstandeten Ende über mehrere als Stäbe ausgebildete Federelemente 6 an dem flansch­ artigen Ende des Statorteils 4 achszentrierend befestigt ist. Eine Vielzahl von Federelementen 6 umgeben die Rotorwelle 1 konzentrisch und legen somit den Lagerträger 3 federelastisch im Statorteil 4 fest. Aufgrund des käfigartigen Aussehens wird diese federelastische Verbindung auch "squirrel cage" genannt.
Axial beabstandet von den Federelementen 5 ist der Lagerträger 3 in einem hohlzylindrischen Abschnitt des Statorteils 4 angeordnet, und bildet mit diesem über den Umfang der Mantel­ fläche des Lagerträgers 3 hinweg mit der Länge L einen öldruckbeaufschlagten Ölspalt 6 aus. Dessen radiale Weite beträgt zwischen 150 und 250 µm. Der im Betrieb sich ausbildende Ölfilm im Ölspalt 6 bewirkt zum einen eine Schwingungsdämpfung der Rotorwelle 1 und zum anderen eine Verschiebung der Resonanzdrehzahl aus dem Bereich der Betriebsdrehzahl hin­ aus. Hinzu kommt eine thermische Trennung zwischen Rotor 1 und dem Statorteil 4, da über eine Ölzuführbohrung 7 und über Ölablaufbohrungen 8a und 8b ein ständiger Öldurchsatz aufrechterhalten wird. Die axiale Länge 1 wird durch zwei voneinander beabstandete, in Ring­ nuten 9 sitzende Dichtringe 10 definiert. Die beiden Dichtringe 10 dichten den Ölspalt 6 ab, in dem die kolbenringartigen Dichtringe 10 am Statorteil 4 einerseits dichtend anliegen und zum anderen an der radial erstreckenden Schulter 11 der Ringnut 9 anliegen. Die über dem Umfang des Lagerträgers 3 ausgebildeten Ringnuten 9 sind an ihrem radial innen liegenden Grund jeweils mit einer Ölablaufbohrung 8a bzw. 8b versehen.
Zulaufseitig erfolgt die Ölversorgung über die auf halber Länge zwischen den Ringnuten 9 in den Ölspalt 6 mündende Ölzuführbohrung 7. Der Mündung 12 der Ölzuführbohrung 7 liegt eine am Lagerträger 3 ausgebildete Umfangsnut 13 gegenüber, so daß ausgehend von der Ölzuführbohrung 7 das Öl über den gesamten Umfang des Ölspalts 6 transportiert werden kann. Der Vorteil der mittigen Anordnung der Ölzuführbohrung 7 liegt darin, daß sich im Ölspalt 6 eine gleichmäßige, fast konstante statische Druckverteilung zu beiden Seiten der Ölzuführbohrung 7 einstellt. Sollte aus auslegungsbestimmten Gründen im Hinblick auf die dynamische Druckverteilung eine asymmetrische Druckverteilung gewollt sein, so kann auch eine außermittige Anordnung der Ölzuführbohrung 7 zweckmäßig sein, so daß beispielsweise einer exzentrischen Lage des Rotors 1 entgegengewirkt werden kann. Die der zeichnerischen Einfachheit halber auf gleichem Umfangsabschnitt dargestellten Ölzuführ- und Ölablaufboh­ rungen 7 bzw. 8 sind tatsächlich derart angeordnet, daß die Ölablaufbohrungen 8a und 8b der Ölzuführbohrung 7 diametral gegenüber liegend ausgebildet sind, so daß ein Umfangsabstand von 180° vorliegt. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich über den gesamten Umfang und über die volle axiale Länge ein möglichst gleichmäßiger Ölfilm ausbilden kann.
Bestimmend für den Öldurchsatz im Ölspalt 7 und somit für dessen Dämpfungswirkung ist die Ausbildung von Verengungen 14b,c in den Ölablaufbohrungen 8a und 8b. Zusätzlich ist auch eine Verengung 14a in der Ölzulaufbohrung 7 vorgesehen, so daß im Falle einer Undichtigkeit im Ölspalt 6 die Leckage begrenzt bleibt. Die Verengungen 14a,b,c sind dabei in ihrer Länge und ihrem Strömungsquerschnitt bzw. dessen repräsentativer Durchmesser dA bzw. dE derart aufeinander abgestimmt, daß die Ölablaufbohrungen 8a und 8b als Drossel wirken. Dabei beträgt der Durchmesse dA in der Verengung 14a das √3-fache der Verengungen 14b,c in den Ölablaufbohrungen 8a bzw. 8b. Bei der Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann durch Variation der Verengungen 14b und 14c die Öldurchflußmenge festgelegt werden, so daß bei gleichbleibender Dämpfung die Einbaulänge l oder aber bei gleichbleibender Einbau­ länge l verschiedene Dämpfungsgrade realisiert werden können. Um eine präzise Festlegung von Dämpfung und Durchflußmenge zu gewährleisten münden die Bohrungen 7, 8a und 8b mit ihren Verengungen 14a,b,c unmittelbar in dem Ölspalt 6 bzw. in die Ringnuten 9. Desweiteren ist die Verengungslänge lE der Ölablaufbohrungen 8a,b auf maximal das 3-fache des Durch­ messers dE beschränkt. Um den Einfluß des sich zwischen den Dichtringen 10 und den Ringnu­ ten 9 sich ausbildenden Axialspalt 15 auf das Dämpfungsverhalten zu begrenzen, beträgt des­ sen axiale Weite etwa 60% des Durchmesser dE der Ölablaufbohrungen 8a,b.
Bezugszeichenliste
1 Rotorwelle, Rotor
2 Rotorlager
3 Lagerträger
4 Statorteil
5 Federelement
6 Ölspalt
7 Ölzuführbohrung
8a, 8b Ölablaufbohrung
9 Ringnut
10 Dichtring
11 Schulter
12 Mündung
13 Umfangsnut
14a,b,c Verengung
15 Axialspalt
l Länge
dA, dE Durchmesser
lA, lE Verengungslänge
w Weite

Claims (10)

1. Vorrichtung zur schwingungsdämpfenden Lagerung eines Rotors (1), der über ein Ro­ torlager (2), einen das Rotorlager (2) umfassenden ringförmigen, achskonzentrischen Lagerträger (3) und über Federelemente (5) in einem Statorteil (4) gelagert ist, wobei zwischen dem Statorteil (4) und dem Lagerträger (3) ein druckbeaufschlagbarer Ölspalt (6) ausgebildet ist, der von axial voneinander beabstandeten Dichtringen (10) begrenzt und abgedichtet wird und statorseitig eine Ölzuführbohrung (7) vorgesehen ist, die axial zwischen den Dichtringen (10) in den Ölspalt (6) mündet, wobei das Öl über Ölablaufbohrungen (8a,b) im Bereich der Dichtringe (10) abfließt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ölablaufbohrung (8a, 8b) Verengungen (14b,c) aufweisen, deren Strömungsquerschnitt und Längen (LA, LE) derart auf den Strömungsquerschnitt der Ölzuführbohrung (7) abgestimmt sind, daß die Ölablaufbohrungen (8a, 8b) als Drossel wirken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzuführbohrung (7) etwa auf halber axialer Länge 1 zwischen den Ölablaufbohrungen (8a,b) in den Ölspalt (6) mündet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ölablauf­ bohrungen (8a,b) als Öffnungen in den Dichtringen (10) ausgeführt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtrin­ ge (10) in Ringnuten (9) sitzen und die Ölablaufbohrungen (8a,b) in den Ringnuten (9) ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengungen (14a,b) der Ölablaufbohrungen (8a, 8b) unmittelbar in den Ringnuten (9) münden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß je Spaltende eine Ölablaufbohrung (8a,b) vorgesehen ist, die der Ölzuführbohrung (7) diametral gegenüberliegend ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzuführbohrung (7) ebenfalls eine Verengung (14a) aufweist, deren Durchmesser dA mindestens das 1,7-fache der Verengung dE der Ölablaufbohrungen (8a, 8b) beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge lE der Verengung (14b,c) der Ölablaufbohrungen (8a,b) maximal das 3-fache des Durchmessers dE beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzuführbohrung (7) in einer im Lagerträger (3) ausgebildeten Umfangsnut (13) mündet.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (10) mit den Ringnuten (9) jeweils einen Axialspalt ausbilden, dessen axiale Länge (a) etwa 60% des Durchmessers dE der Ölablaufbohrungen (a,b) beträgt.
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