DE202021106586U1 - Bearing arrangement for a rotating shaft - Google Patents
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Abstract
Lageranordnung (100) für eine rotierende Welle (9), insbesondere für eine Gasturbinenwelle, umfassend einen Lagerinnenring (3), einen als Lagerdämpfungsring (5) ausgebildeten Lageraußenring, Wälzkörper (7), welche zwischen dem Lagerinnenring (3) und dem Lagerdämpfungsring (5) angeordnet sind, ein Lagergehäuse (11) sowie einem zwischen einer Außenseite des Lagerdämpfungsrings (5) und einer Außenseite der radial gegenüberliegenden Innenseite des Lagergehäuses (11) angeordneten Fluids (13) zur Lagerdämpfung, wobei der Lagerdämpfungsring (5) zur hydraulischen Lagerdämpfung mittels des Fluids (13) ausgestaltet ist, und wobei der Lagerdämpfungsring (5) ein gestuftes Außenprofil aufweist, wobei eine erste Stufe (15) einen kleineren Außenradius (R1) gegenüber einer zweiten Stufe (17) mit einem größeren Außenradius (R2) des Lagerdämpfungsring (5) aufweist, und wobei die erste Stufe (15) nutenförmig zwischen zwei axial (a) angrenzenden zweiten Stufen (17) angeordnet ist, und wobei die axiale Erstreckung der beiden angrenzenden zweiten Stufen (17) mindestens der axialen Erstreckung der ersten Stufe (15) entspricht. Bearing arrangement (100) for a rotating shaft (9), in particular for a gas turbine shaft, comprising a bearing inner ring (3), a bearing outer ring designed as a bearing damping ring (5), rolling bodies (7) which are located between the bearing inner ring (3) and the bearing damping ring (5 ) are arranged, a bearing housing (11) and a fluid (13) for bearing damping arranged between an outside of the bearing damping ring (5) and an outside of the radially opposite inside of the bearing housing (11), the bearing damping ring (5) for hydraulic bearing damping by means of the fluid (13), and wherein the bearing damping ring (5) has a stepped outer profile, with a first step (15) having a smaller outer radius (R1) compared to a second step (17) with a larger outer radius (R2) of the bearing damping ring (5 ) has, and wherein the first stage (15) is arranged in a groove-like manner between two axially (a) adjacent second stages (17), and the axial replacement elongation of the two adjacent second stages (17) corresponds at least to the axial extent of the first stage (15).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine rotierende Welle, insbesondere für eine Gasturbinenwelle, umfassend einen Lagerinnenring, einen Lagerdämpfungsring, Wälzkörper, ein Lagergehäuse sowie einem Fluid zur Lagerdämpfung.The present invention relates to a bearing arrangement for a rotating shaft, in particular for a gas turbine shaft, comprising a bearing inner ring, a bearing damping ring, rolling bodies, a bearing housing and a fluid for bearing damping.
Bei Gasturbinen, die zum Beispiel in Flugzeugen als Triebwerke verwendet werden, oder bei anderen Vorrichtungen mit einer rotierenden Welle können im Belastungsfall Resonanzen auftreten, die zu einer Beschädigung zum Beispiel der Gasturbine führen können. Das Auftreten solcher Resonanzschwingungen soll demnach vermieden werden, und zwar vorzugsweise über den gesamten Betriebsbereich der Gasturbine. Eine bekannte Möglichkeit aus dem Stand der Technik sind Dämpfungssysteme im Bereich der Wellenlagerung. Diese Dämpfungssysteme können in der Regel jedoch nicht sehr starke Unwuchten ausgleichen bzw. dämpfen.In the case of gas turbines, which are used as engines in aircraft, for example, or in other devices with a rotating shaft, resonances can occur under load, which can lead to damage to the gas turbine, for example. Accordingly, the occurrence of such resonance vibrations should be avoided, specifically preferably over the entire operating range of the gas turbine. A known possibility from the prior art are damping systems in the area of the shaft bearing. As a rule, however, these damping systems cannot compensate for or dampen very strong imbalances.
Sogenannte „Squeeze Film Dämpfungssysteme“ werden oft zur Dämpfung dieser Systeme eingesetzt. Die meisten Flugtriebwerke weisen ein oder mehrere dieser Systeme auf. Sie sind derart aufgebaut, dass zwischen dem Lagergehäuse und dem Lageraußenring ein ölgefüllter, umlaufender Radialspalt vorhanden ist, der als schwingungstilgender, viskoser Dämpfer (Flüssigkeitsdämpfer) wirkt. Bei starken Rotorunwuchten, z. B. infolge von Schaufelbruch, reicht die viskose Dämpfung dieser Anordnung nach dem Stand der Technik nicht mehr aus, so dass sich starke radiale Relativbewegungen ergeben. Die meist zylindrische Form dieser Dämpfungssysteme ist für diese starken Unwuchten nicht optimiert.So-called "squeeze film damping systems" are often used to dampen these systems. Most aircraft engines have one or more of these systems. They are constructed in such a way that there is an oil-filled, circumferential radial gap between the bearing housing and the bearing outer ring, which acts as a vibration-dampening, viscous damper (liquid damper). In the case of strong rotor imbalances, e.g. B. due to blade fracture, the viscous damping of this arrangement is no longer sufficient according to the prior art, so that there are strong radial relative movements. The mostly cylindrical shape of these damping systems is not optimized for these strong imbalances.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lageranordnung für eine rotierende Welle vorzuschlagen, die auch starke Unwuchten dämpfen kann.An object of the present invention is to propose a bearing arrangement for a rotating shaft which can also dampen strong imbalances.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object according to the invention is achieved by a bearing arrangement having the features of
Erfindungsgemäß wird eine Lageranordnung für eine rotierende Welle, insbesondere für eine Gasturbinenwelle vorgeschlagen, die einen Lagerinnenring, einen als Lagerdämpfungsring ausgebildeten Lageraußenring, Wälzkörper, welche zwischen dem Lagerinnenring und dem Lagerdämpfungsring angeordnet sind, ein Lagergehäuse sowie einem zwischen einer Außenseite des Lagerdämpfungsrings und einer Außenseite der radial gegenüberliegenden Innenseite des Lagergehäuses angeordneten Fluids zur Lagerdämpfung umfasst. Das Fluid kann insbesondere ein hochviskoses Öl sein. Der Lagerdämpfungsring ist zur hydraulischen Lagerdämpfung mittels des Fluids ausgestaltet. Der Lagerdämpfungsring weist ein gestuftes Außenprofil auf. Eine erste Stufe des Außenprofils weist einen kleineren Außenradius gegenüber einer zweiten Stufe mit einem größeren Außenradius des Lagerdämpfungsring auf. Die erste Stufe ist nutenförmig zwischen zwei axial angrenzenden zweiten Stufen angeordnet. Die Nutenform kann als längliche Vertiefung mit einer zylindrische Form ausgestaltet sein oder als eine solche bezeichnet werden. Die axiale Erstreckung der beiden angrenzenden zweiten Stufen entspricht mindestens der axialen Erstreckung der ersten Stufe.According to the invention, a bearing arrangement for a rotating shaft, in particular for a gas turbine shaft, is proposed which has a bearing inner ring, a bearing outer ring designed as a bearing damping ring, rolling elements which are arranged between the bearing inner ring and the bearing damping ring, a bearing housing and a bearing between an outside of the bearing damping ring and an outside of the comprises radially opposite inside of the bearing housing arranged fluid for bearing damping. The fluid can in particular be a highly viscous oil. The bearing damping ring is designed for hydraulic bearing damping by means of the fluid. The bearing damping ring has a stepped outer profile. A first stage of the outer profile has a smaller outer radius compared to a second stage with a larger outer radius of the bearing damping ring. The first stage is arranged in the form of a groove between two axially adjacent second stages. The shape of the groove can be designed as an elongate depression with a cylindrical shape or can be referred to as such. The axial extent of the two adjacent second stages corresponds at least to the axial extent of the first stage.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.Advantageous further developments of the present invention are the subject matter of subclaims and embodiments.
Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.Exemplary embodiments according to the invention can have one or more of the features mentioned below in any combination, provided that one or the specific combination is not evidently technically impossible for a person skilled in the art. The subject matter of the subclaims also each specify exemplary embodiments according to the invention.
Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.In all statements made above and below, the use of the expression “can be” or “can have” etc. is to be understood as synonymous with “is preferably” or “has preferably” etc. and is intended to explain exemplary embodiments according to the invention.
Wann immer hierin Alternativen mit „und/oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.Whenever alternatives with "and/or" are introduced herein, the person skilled in the art understands the "or" contained therein preferably as "either or" and preferably not as "and".
Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.Embodiments mentioned herein are to be understood as inventive, purely exemplary embodiments of the present invention, which are not to be understood as limiting.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die erste Stufe radial zu den Wälzkörpern angeordnet. Bei dieser Anordnung kann die Wandstärke des als Lagerdämpfungsring ausgebildeten Lageraußenrings deutlich geringer sein gegenüber der axial benachbarten Wandstärke des Lagerdämpfungsrings mit der zweiten Stufe. Gleitzeitig ist das Fluidvolumen in dem radial angrenzenden Zwischenraum zum Lagergehäuse hin größer gegenüber dem Fluidvolumen radial zur zweiten Stufe. Dadurch kann vorteilhaft dieser radial zu den Wälzköpern angeordnete Lagerbereich für besonders hohe Unwuchten dämpfend wirken.In some embodiments according to the invention, the first stage is arranged radially to the rolling elements. In this arrangement, the wall thickness of the bearing outer ring designed as a bearing damping ring can be significantly less than the axially adjacent wall thickness of the bearing damping ring with the second stage. At the same time, the fluid volume in the radially adjoining intermediate space toward the bearing housing is greater than the fluid volume radially toward the second stage. As a result, this bearing area, which is arranged radially to the rolling bodies, can advantageously have a damping effect for particularly high imbalances.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Fluid ein Öl, insbesondere ein hochviskoses Öl. Ein hochviskoses Öl kann vorteilhaft besonders stark dämpfend auf Schwingungen und Unwuchten wirken.In some embodiments according to the invention, the fluid is an oil, in particular a highly viscous oil. A highly viscous oil can advantageously have a particularly strong damping effect on vibrations and imbalances.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Nutenform der ersten Stufe rechteckförmig oder trapezförmig. Diese Nutenformen können durch eine Standardisierung der Geometrien oft vorteilhaft einfach hergestellt werden.In some embodiments of the present invention, the first stage groove shape is rectangular or trapezoidal. These groove shapes can often be easily produced by standardizing the geometries.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Nutenform der ersten Stufe eine runde, eine ovale oder eine andere Querschnittsform auf. Diese Nutenformen können besondere Dämpfungseigenschaften aufweisen. Je nach zu erwartenden Schwingungsformen und Unwuchten können vorteilhaft individuelle Querschnittsformen konstruktiv umgesetzt werden.In some embodiments of the present invention, the first stage groove shape has a round, oval, or other cross-sectional shape. These groove shapes can have special damping properties. Depending on the vibration patterns and imbalances to be expected, individual cross-sectional shapes can advantageously be implemented constructively.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die erste Stufe und/oder die zweite Stufe im Wesentlichen in Axialrichtung ausgebildete Rillen auf. Rillen können Schwingungen und/oder Unwuchten zusätzlich dämpfen. Je nach Rillenform, Rillengröße und Rillenanzahl kann die Dämpfung vorteilhaft beeinflusst werden.In some embodiments according to the invention, the first step and/or the second step has grooves which are formed essentially in the axial direction. Grooves can additionally dampen vibrations and/or imbalances. Depending on the shape, size and number of grooves, the damping can be advantageously influenced.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen beträgt der radiale Abstand zwischen der radialen Außenfläche der zweiten Stufe und der radial gegenüberliegenden Innenseite des Lagergehäuses zwischen 0,05 mm und 0,12 mm. Der radiale Abstand kann insbesondere 0,1 mm betragen. Mit dem Abstand korreliert das Fluidvolumen in diesem Zwischenraum. Daher können diese Abstandswerte vorteilhaft kleinere Unwuchten und Schwingungen dämpfen.In some embodiments according to the invention, the radial distance between the radially outer surface of the second stage and the radially opposite inner side of the bearing housing is between 0.05 mm and 0.12 mm. The radial distance can be 0.1 mm in particular. The fluid volume in this space correlates with the distance. Therefore, these distance values can advantageously dampen minor imbalances and vibrations.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen beträgt der radiale Abstand zwischen der radialen Außenfläche der ersten Stufe und der radial gegenüberliegenden Innenseite des Lagergehäuses zwischen 0,13 mm und 0,2 mm, insbesondere zwischen 0,14 mm und 0,18 mm. Der radiale Abstand kann insbesondere 0,15 mm betragen. Da der Abstand mit dem Fluidvolumen in diesem Zwischenraum korreliert und diese Werte größer gegenüber den Werten der zweiten Stufe sind, können diese Abstandswerte vorteilhaft größere Unwuchten und Schwingungen dämpfen.In some embodiments according to the invention, the radial distance between the radial outer surface of the first stage and the radially opposite inner side of the bearing housing is between 0.13 mm and 0.2 mm, in particular between 0.14 mm and 0.18 mm. The radial distance can be 0.15 mm in particular. Since the distance is correlated to the volume of fluid in that gap and these values are larger than the second stage values, these distance values can advantageously dampen larger imbalances and vibrations.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Stufe und/oder die zweite Stufe um den gesamten Umfang des Lagerdämpfungsrings. Dadurch kann vorteilhaft eine hohe Dämpfung erzielt werden.In some embodiments according to the invention, the first step and/or the second step extends around the entire circumference of the bearing damping ring. As a result, high damping can advantageously be achieved.
Mittels der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist es vorteilhaft möglich, besonders starke Unwuchten zu dämpfen. Derart starke Unwuchten können im Fall eines sogenannten blade-off, einer im Schadensfall abreißenden Schaufel in einem Fan oder auch in einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe eines Flugtriebwerks auftreten. Bei diesen starken Unwuchten sind die Dämpfungssysteme nach dem Stand der Technik nicht mehr aktiv. Ein exemplarischer Ölfilm zur Dämpfung würde in diesem Fall abreißen und die Vibrationen, die oft zu Resonanzschwingungen werden, können folglich nicht mehr gedämpft werden.By means of the bearing arrangement according to the invention, it is advantageously possible to damp particularly strong imbalances. Such strong imbalances can occur in the case of a so-called blade-off, a blade tearing off in the event of damage in a fan or also in a compressor and/or turbine stage of an aircraft engine. With such strong imbalances, the damping systems according to the prior art are no longer active. An example oil film for damping would tear off in this case and the vibrations, which often become resonance vibrations, can no longer be damped.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung mit einem Kugellager in einer Längsschnittdarstellung; -
2 zeigt einen Lagerdämpfungsring in einer Aufsicht von radial außen in einer ersten Ausführungsform mit Rillen auf der Oberfläche der zweiten Stufe; und -
3 zeigt einen Lagerdämpfungsring in einer Aufsicht von radial außen in einer zweiten Ausführungsform mit Rillen auf der Oberfläche der ersten und der zweiten Stufe.
-
1 shows a bearing arrangement according to the invention with a ball bearing in a longitudinal section; -
2 shows a bearing damping ring in a plan view from radially outside in a first embodiment with grooves on the surface of the second step; and -
3 shows a bearing damping ring in a top view from radially outside in a second embodiment with grooves on the surface of the first and the second stage.
Der Lagerinnenring 3 ist radial innenseitig mit einer Welle 9 verbunden, beispielsweise mittels einer kraftschlüssigen Preßpassung. Die im Betriebszustand rotierende Welle 9 kann eine Gasturbinenwelle für ein Flugtriebwerk sein.The bearing
Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst weiterhin ein zwischen dem Lageraußenring 5 und einem radial außen angeordneten Lagergehäuse 11 angeordnetes Fluid 13 in einem exemplarisch geschlossenen Zwischenraum. Die axialen Begrenzungen dieses Zwischenraums, beispielsweise Kolbenringe, sind in
Erfindungsgemäß weist der Lagerdämpfungsring 5 ein gestuftes Außenprofil auf. Die erste Stufe 15 weist einen kleineren Außenradius R1 gegenüber der zweiten Stufe 17 mit einem größeren Außenradius R2 des Lagerdämpfungsring 5 auf. Die erste Stufe 15 ist nutenförmig zwischen den beiden axial a angrenzenden zweiten Stufen 17 angeordnet. Die axiale Erstreckung 19 der beiden angrenzenden zweiten Stufen 17, die in
Die nutenförmige Anordnung der ersten Stufe 15 des Lagerdämpfungsrings 5 kann als längliche Vertiefung bezeichnet werden. Sowohl die erste Stufe 15 als auch die zweite Stufe 17 weisen in dieser Ausführungsform exemplarisch eine zylindrische Form auf.The groove-like arrangement of the
Mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung 100 mit der stufenförmig ausgeprägten Form des Lagerdämpfungsrings 5 ist es vorteilhaft möglich, besonders starke Unwuchten zu dämpfen. Bei kleinen Unwuchten ist das Dämpfungsvolumen des Fluids 13 radial zur zweiten Stufe 17 oft ausreichend. Bei großen bzw. starken Unwuchten jedoch wird der Spalt zwischen der radialen Außenfläche der zweiten Stufe 17 und der radialen Innenseite des Lagergehäuses 11 minimiert, sodass das Fluid 13 in diesem Zwischenraum keinen Dämpfungseffekt mehr erzeugen kann. Allerdings steht dann für eine effektive Dämpfung noch das Fluid 13 zwischen der radialen Außenfläche der ersten Stufe 15 und der radialen Innenseite des Lagergehäuses 11 zur Verfügung. Möglicherweise kann auch eine direkte Verformung des Lagerdämpfungsrings 5 in diesem Bereich, also radial zu den Kugeln 7 des Wälzlagers 1, und damit auf das Fluid 13 dämpfend wirken. Derart starke Unwuchten können beispielsweise im Fall eines sogenannten blade-off, also einer abreißenden Schaufel in einem Fan oder auch in einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe eines Flugtriebwerks, auftreten.With the
Die Rillen 23 sind rein exemplarisch gerade und äquidistant ausgeführt. Die Rillen 23 können in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Breiten in Umfangsrichtung u und andere Formen aufweisen. Die Rillen 23 können den zur
Die Rillen 27 der ersten Stufe 15 sind rein exemplarisch gerade und äquidistant ausgeführt. Die Rillen 27 können in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Breiten in Umfangsrichtung u und andere Formen aufweisen. Ebenso sind die Rillen 23 der zweiten Stufe rein exemplarisch gewellt und äquidistant ausgeführt. Die Rillen 27 können in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Breiten in Umfangsrichtung u und andere Formen aufweisen.The
Die Rillen 23, 27 können den zur
BezugszeichenlisteReference List
- aa
- Axial; Axialrichtung; Durchströmungsrichtungaxial; axial direction; flow direction
- uand
- Umfangsrichtung; Rotationsrichtungcircumferential direction; direction of rotation
- rright
- radial; Radialrichtungradial; radial direction
- R1R1
- Außenradius der ersten StufeOuter radius of the first stage
- R2R2
- Außenradius der zweiten StufeSecond stage outer radius
- 100100
- Lageranordnungbearing arrangement
- 11
- Kugellager; WälzlagerBall-bearing; roller bearing
- 33
- Lagerinnenringbearing inner ring
- 55
- Lageraußenring; Lagerdämpfungsringbearing outer ring; bearing damping ring
- 77
- Kugel eines Kugellagers; Wälzkörperball of a ball bearing; rolling elements
- 99
- Wellewave
- 1111
- Lagergehäusebearing housing
- 1313
- Fluid; Ölfluid; oil
- 1515
- erste Stufe des Lagerdämpfungsringsfirst stage of the bearing damping ring
- 1717
- zweite Stufe des Lagerdämpfungsringssecond stage of the bearing damping ring
- 1919
- axiale Erstreckung der zweite Stufesecond stage axial extension
- 2121
- axiale Erstreckung der ersten Stufeaxial extension of the first stage
- 2323
- Rillen der zweite StufeSecond stage grooves
- 2525
- Oberfläche der zweite StufeSecond level surface
- 2727
- Rillen der ersten StufeFirst stage grooves
- 2929
- Oberfläche der ersten StufeFirst level surface
Claims (9)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE202021106586U1 true DE202021106586U1 (en) | 2021-12-21 |
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Family Applications (1)
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DE202021106586.9U Active DE202021106586U1 (en) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | Bearing arrangement for a rotating shaft |
Country Status (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |