DE2157514B2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wellenlagerung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Eine derartige Wellenlagerung ist aus der US-PS 31 63 353 bekannt. Hierbei ist ein Lager so angeordnet,
daß eine Radialbewegung der Welle möglich ist. Diese Radialbewegung wird durch eine durch eine Feder
lokalisierte Membrananordnung ermöglicht. Beim Auftreten eines Ungleichgewichtszustandes der Welle wird
dieser Zustand durch die federbelastet^ Membrananordnung aufgenommen. Diese Federanordnung ermöglicht
jedoch keine Absorption der übertragenen Kräfte und die Kräfte werden demgemäß von den Federn
entweder auf die Welle zurückgeleitet, die dann möglicherweise wieder in den Ungleichgewichtszustand
versetzt wird oder stattdessen werden die Kräfte in den benachbarten Triebwerksaufbau übertragen, was im
gesamten Triebwerksaufbau zu Vibrationen führt, denen wiederum entgegengewirkt werden muß. Für
vorübergehende Ungleichgewichtszustände ist ein derartiges radial auslenkbares Lager geeignet, weil dieses
dann wieder eine Zentrierung vornehmen kann, wenn der Gleichgewichtszustand wieder hergestellt ist. Wenn
die Unwucht jedoch dauerhaft bestehen bleibt, weil beispielsweise eine Schaufel gebrochen oder abgeflogen
ist, würde eine solche permanente Unwucht zwangsläufig mit der Zeit zu einer Zerstörung führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Wellenlagerung zu schaffen, die sich beim
Auftreten eines dauerhaften Ungleichgewichtszustandes derart an die neue Massenverteilung anpaßt, daß der
Rotor um eine neue, gegenüber der bisherigen Drehachse im Winkel angestellte Achse umläuft, die
durch den neuen Massenmittelpunkt des sich drehenden Systems hindurchläuft.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1
angegebenen Merkmale. Da die Energie der radialen Versetzung der Welle bei der Auslenkung aufgezehrt
wird, kann die Welle im versetzten Zustand um ihre neue Drehachse durch den neuen Massenmittelpunkt
umlaufen. Die bei der Auslenkung bewirkte plastische Deformation verhindert, daß Rückstellkräfte auftreten,
so daß eine schnelle Anpassung erreicht und Vibrationen des Lageraufbaues verhindert werden. Durch
diese Wellenlagerung werden die Ungleichgewichtskräfte nicht weiter verstärkt, und zwar weder in der
Welle noch in dem die Welle abstützenden Aufbau, wie dies bei bekannten Anordnungen der Fall war.
Weitere zweckmäßige Ausgestallungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachstehend wird ein Aiisführiingsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gasturbinenstrahltriebwerk gemäß der Erfindung,
Fig.2 in größerem Maßstab eine Ansicht einer
Niederdruckwelle und des Rotors des Triebwerks gemäß Fig. 1,
F i g. 3, 4 und 5 Schnittansichten abgewandelter Ausführungsformen eines der Lager nach F i g. 2.
Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Gebläse 10, das durch eine Welle U mit einer
Niederdruckturbine 12 verbunden ist Ein Zwischendruckkompressor
13 ist durch eine Welle 14 mit einer Zwischendruckiurbine 15 verbunden und ein Hochdruckkompressor
16 ist durch die Welle 17 mit einer Hochdruckturbine 18 verbunden. Die Zwischendruckbauteile
und die Hochdruckbauteile sind von einem Hauptgehäuse 19 umgeben, das die Brennkammer 20
einschließt, während das Gebläse in einem getrennten
Gebläsegehäuse 21 umläuft. Das Triebwerk arbeitet normalerweise so, daß Luft vom Gebläse, vom
Zwischendruck- und vom Hochdruckkompressor komprimiert wird, daß eine Verbrennung in der Brennkammer
stattfindet, wodurch Brenngase erzeugt werden, die die Turbinen treiben und einen Vorschub bewirken.
Dieser Vorschub addiert sich zu dem vom Gebläse erzeugten Vorschub, dessen Luft nicht curch den
Hochdruckkompressor komprimiert wird.
F i g. 2 zeigt im einzelnen den Gebläserotor 10 und die Niederdruckwelle 11, welch letztere einen Vorderteil 22
und einen rückwärtigen Teil 23 besitzt, die durch Keilverzahnung 24 miteinander verbunden sind und
axial durch eine Schraubmutterverriegelung 25 zusammengehalten werden. Der Vorderteil der Welle 23 trägt
an seinem vorderen Ende einen Rotor 26, der die Gebläseschaufeln trägt und das Gebläse 10 bildet.
Benachbart zum Rotor 26 wird die Welle in einem Lager 27 getragen. Die Welle 22 trägt einen ringförmigen
Fortsatz 28, der an seinem vorderen Ende benachbart zum Rotor 26 mit diesem verbolzt ist. Die äußere
Oberfläche des Fortsatzes 28 ist mit dem inneren Laufring des Wälzlagers 27 verbunden. Der äußere
Laufring dieses Lagers ist innerhalb eines hydraulischen Quetschfilmes gelagert, der innerhalb eines ringförmigen
Bauteils 29 getragen ist, welcher seinerseits von einem hohlen Torus 30 aus streckbarem metallischem
Werkstoff abgestützt ist. Der hohle Torus 30 wird von einem Membranaufbau 31 vom Hauptgehäuse des
Triebwerks her abgestützt.
Um den ringförmigen Bauteil 29 und infolgedessen das Lager 27 axial abzustützen, sind Flansche 32 und 33
vorgesehen, die den Bauteil 29 zwischen sich so einschließen, daß er in radialer Richtung auswandern
kann, an einer solchen Auswanderung jedoch durch Berührung mit dem torusförmigen Bauteil gehindert
wird.
Das andere Ende des Vorderteils 22 wird durch ein zweites Lager 34 abgestützt, das vom Läufer 35 des
Zwischendruckkompressors getragen wird. Dieses Lager ist ein Wälzlager 36, das durch Bolzen 37 von der eo
Membran 39 getragen wird, die einen Teil des Verdichterrotors bildet. Die innere Oberfläche des
inneren Laufrings des Lagers trägt ein Gelenkstück 40, dessen innere Oberfläche teilkugelförmig ausgebildet ist
und mit der leilkugelförmigen Oberfläche eines «,5
Trägerstückes 41 zusammenwirkt, das seinerseits das Ende des WellenabschniUs 22 trägt.
Zusätzlich zu dem ersten und zweiten Lager 27 bzw. 34 ist ein drittes Lager 42 vorgesehen, welches die
Niederdruckwelle 11 trägt Dieses Lager ist das am Turbinenende der V/elle angeordnete Hinteriager. Das
Lager 42 besteht aus einem einfachen Rollenlager und trägt dieses Ende der Weile vom festen Aufbau des
Triebwerks her.
Die Arbeitsweise der Anordnung ist die folgende: Unter normalen Umständen wirk;n Vorderlager,
Mittellager und Hinterlager in der normalen Weise und stützen die Welle ab, so daß sie sich um ihre Achse
drehen kann, wobei die Festigkeit des Torus 30 groß genug gewählt wird, um im Normalbetrieb auftretende
Belastungen aushalten zu können. Wenn der Gebläserotor 10 in einen Ungleichgewichtszustand gelangt was
z. B. dann der Fall sein kann, wenn eine Gebläseschaufel sich löst, wirkt ein großes Unwuchtmoment über das
Lager 27 auf den Torus 3O. Unter dieser hohen Beanspruchung wird der Torus zu einem im wesentlichen
flachen Ring deformiert so daß Welie und Rotor in dem so geschaffenen freien Raum umlaufen können.
Dieser Umlauf ist nicht vollständig ungedämpft, da zwischen dem Lageraufbau und den Flanschteilen 32
und 33 ein Reibungseingriff besteht, der eine Dämpfwirkung auf die Umlaufbewegung ausübt. Die Wirkung des
Zusammenbrechens des Torus bewirkt auch eine gewisse Anfangsdämpfung, die dadurch vergrößert
werden kann, daß der Torus mit geeignetem Material angefüllt wird.
Wenn die Welle auf diese Weise umläuft, dann wird die Achse der Welle 22 gegenüber dem rückwärtigen
Teil 23 angestellt, wodurch eine Bewegung des inneren teilsphärischen Stückes 41 gegenüber dem äußeren
Stück 40 bewirkt wird, so daß das Lager 34 mit der Welle in dem ausgeschlagenen Zustand laufen kann.
Nachdem die Welle eine begrenzte Zahl von Drehungen in diesem im wesentlichen stabilen Zustand
durchgeführt hat, invertiert die Welle, d. h. sie ändert ihre Drehung derart, daß die neue Drehachse durch den
neuen Massenmittelpunkt hindurchläuft, wodurch die Drehung stabilisiert wird. Der durch die Deformation
des Torus erzeugte freie Raum reicht aus. um den notwendigen Umlauf bei irgendwelchen erwarteten
Ungleichgewichtsbedingungen zuzulassen, während die Gleitbewegung zwischen den teilkugelförmigen Abschnitten
des mittleren Lagers die Möglichkeit schafft, daß die Welle in ihre angestellte Lage überführt wird,
wenn die Inversion stattfindet und auch nach der Inversion. Infolgedessen läuft das Triebwerk verhältnismäßig
ruhig in diesem invertierten Zustand weiter und wird von dem mittleren und dem hinteren Lager
getragen und es besteht nur eine geringe Gefahr einer weiteren Schädigung des Triebwerksaufbaus.
Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel findet keine formschlüssige Abstützung zwischen den
teilkugelförmigen Oberflächen am mittleren Lager unter normalen Betriebsbedingungen statt und es kann
sich als notwendig erweisen, eine solche Festlegung vorzunehmen. Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen alternative
Möglichkeiten einer solchen formschlüssigen Abstützung. In Fig.3 ist ein Ringflansch 43 vorgesehen, der
mit dem äußeren Abschnitt zusammenwirkt. Der Flansch hat bei 44 eine Schersollbruchstelle, die so
Jimensioniert ist, daß sie unter übermäßiger Belastung bricht und die notwendige Gleitbewegung zuläßt
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher der innere
Gleitteil mit einem axial verlaufenden Ringflansch 45 versehen ist, der normalerweise mit einem ähnlichen
Flansch 46 zusammenwirkt, der von dem äußeren
Bauteil vorsteht. Unter Überlastbcdingungen deformieren sich die Flansche, um die notwendige Bewegung
zuzulassen.
F i g. 5 zeigt eine dritte Möglichkeit, bei der eine Zahl von Stiften 47 aus Wcichmctal! den äußeren Teil und
den inneren Teil in fester Beziehung zueinander halten. Bei Überlast werden die Stifte abgeschert, wodurch eine
relative Gleitbewegung zugelassen wird.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele benutzen spezielle Ausbildungen eines deformierbaren Aufbaus,
der die notwendige Inversion des Rotorsystems ermöglicht. Es können jedoch auch zahlreiche abgewandelte
Ausfiihrungsformen für den gleichen Zweck vorgesehen werden. Unter gewissen Umständen kann
es zweckmäßig sein, das Lager auf Federn oder mit Sollbruchstellen versehenen Metallträgern abzustützen
oder sie könnten auf hydraulischen Zylindern od. dgl. gelagert sein, wodurch die gleiche Wirkung Zustandekommen
könnte. Die Erfindung ist besonders nützlich anwendbar bei einer Gebläscwelle eines Gasturbinen-Strahltriebwerks,
wo Überlastungen infolge von Schaufelbrüchen einen großen Wert annehmen. Jedoch ist die
Erfindung offensichtlich für jeden Rotor des Triebwerks anwendbar.
Das Mittellager benutzt gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel teilkugelförmige Gleitoberflächen,
um eine invertierte Drehung der Welle zuzulassen. Es ist natürlich auch möglich, andeie Verfahren hierfür
ίο anzuwenden. So könnte beispielsweise ein Wälzlager
benutzt werden, das die invertierte Drehung selbst zuläßt oder stattdessen könnte das gesamte Lager von
einem Aufbau getragen werden, der die Inversion zuläßt. Je nach der Größe der wahrscheinlich auftretenden
Unwucht kann es möglich sein, ein normales Wälzlager zu benutzen, das in einem hydrodynamischen
Quetschfilmlager angeordnet ist, wodurch ein genügender Zwischenraum erzeugt wird, um die invertierte
Bewegung der Welle zuzulassen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
1. Wellenlagerung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem ersten Lager, das die Welle
benachbart zu einem Rotor abstützt, mit einem zweiten Lager, das die Welle an einer vom Rotor
entfernt liegenden Stelle abstützt und mit einem dritten Lager, das die Welle an einer noch weiter
vom Rotor entfernt liegenden Stelle abstützt, wobei das erste Lager eine Radialbewegung des Rotors
bzw. der diesen tragenden Welle zuläßt, wobei das erste Lager radial auslenkbar ist, wenn infolge einer
am Rotor auftretenden Unwucht die Drehachse durch den durch die Unwucht bestimmten neuen
Massenmittelpunkt umläuft, dadurch ge kennzeichnet,
daß das erste Lager (27) durch einen plastisch deformierbaren Aufbau (30) abgestützt ist,
der bei seiner Deformation die Energie absorbiert, die bei radialer Versetzung der Welle infolge der
auftretenden Unwucht frei wird.
2. Wellenlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der deformierbare Aufbau aus
einem den Außenlaufring des Lagers (27) abstützenden hohlen Torus (30) aus streckbarem Metall
besteht.
3. Wellenlagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Torus (30) mit
zusammenpreßbarem Material angefüllt ist.
4. Wellenlagerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lager (27) in
Reibungseingriff mit Flanschteilen (32,33) steht, die eine gedämpfte Bewegung des Lagers während und
nach der radialen Versetzung der Welle (22) zulassen.
5. Wellenlagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschteile (32, 33)
teilkugelförmige Oberflächen besitzen, deren Mittelpunkte auf der normalen Wellenachse zusammenfallen.
6. Wellenlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lager (34) aus einem
Pendelwälzlager besteht.
7. Wellenlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lager (34) aus einem
Wälzlager (36) besteht, dessen äußerer Laufring in einem hydrodynamischen Quetschfilm gehalten
wird, der eine genügende Winkelversetzung der Wellenachse zuläßt.
8. Wellenlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lager (34) aus einem
Wälzlager (36) besteht, das mit den einander zugewandten teilkugelförmigen Oberflächen eines
Gelenkstückes (40) und eines Trägerstückes (41) zusammenwirkt, um die Winkelversetzung der
Wellenachse zuzulassen.
9. Wellenlagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die teilkugelförmigen Oberflächen
des Gelenkstückes (40) und des Trägerstückes (41) normalerweise in fester Beziehung zueinander
durch einen abbrechbaren oder deformierbaren Anschlag (43, 45, 46, 47) gehalten werden, der bei
Winkelversetzung der Wellenachse bricht oder deformiert wird.
10. Wellenlagerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag aus einem
Ringflansch (43) besteht, der an seiner Basis (44) mit einer Sollbruch-Einschnürung versehen ist.
11. Wcüenlagcrung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anschlag aus mehreren abscherbaren Weichmetallstiften (47) besteht.
12. Wellenlagerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag aus einem
deformierbaren Flansch (45) an dem Gelenkstück (40) oder dem Trägerstück (41) besteht, der mit
einem ähnlichen Flansch (46) an dem anderen Stück (41 bzw. 40) zusammenwirkt
13. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle zweiteilig
hergestellt ist und die beiden Teile (22,23) durch eine in der Nähe des zweiten Lagers (34) angeordnete
Keilverzahnung (24) miteinander verbunden sind.
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