DE2157514C3

DE2157514C3 - Wellenlagerung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE2157514C3
Application number: DE2157514A
Authority: DE
Inventors: Cyril Chellaston Blea; Lionel Sneyd Park Bristol Haworth; Michael Duffield Poucher
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-11-21
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1980-08-07
Also published as: US3727998A; JPS5233245B1; DE2157514A1; FR2115316B1; FR2115316A1; IT940736B; DE2157514B2; GB1318629A

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 &.s federbelastete 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 vornehn;?n 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 Wellefilagerung werden die Ungleic igewichtskräfte nicht wetter verstärkt, und zwar weder in der Welle noch in dem die Welle abstützenden Aufbau, wie dies bei bekannten Anordnungen der Fall war.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den UnteransprUchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel 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 F i g. I,

Fig.3, 4 und 5 Schnittansichten abgewandoiter Ausführungsformen eines der Lager nach F i g. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Gebläse 10, das durch eine Welle 11 mit einer Niederdruckturbine 12 verbunden ist Ein Zwischendruckkompressor 13 ist durch eine Welle 14 mit einer Zwischendruckturbine 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 durch 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 Toms 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 teilkugelförmigen Oberfläche eines es Trägerstuckes 41 zusammenwirkt, das seinerseits das Ende des Wellenabschnitts 22 trägt

Zusätzlich zu dem erster¹ und zweiten Lager 27 bzw. 34 ist ein drittes Lager 42 vorgesehen, welches die Niederdruckwelle U trägt Dieses Lager ist das am Turbinenende der Welle angeordnete Hinterlager. Das Lager 42 besteht aus einem einfachen Rollenlager und trägt dieses Ende der Welle vom festen Aufbau des Triebwerks her.

Die Arbeitsweise der Anordnung ist die folgende: Unter normalen Umständen wirken 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 30. Unter dieser hohen Beanspruchung wird der Torus zu einem im wesentlichen flachen Ring deformiert, so daß Wc'le 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 di«: 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. rie ändert ihre Drehung derart, daß die neue Drehachse durch den neuen Massenmittelpunkt hindurchläuft wodurch die Drehtag 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 F i g. 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 dimensioniert ist, daß sie unter Übermäßiger Belastung bricht und die notwendige Gleitbewegung zuläßt.

F i g. 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 Überlastbedingungen 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 Weichmetall 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 Ausführungsformen 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 Geblasewelle eines Gasturbinenstrahltriebwerks, 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 Ausführurtgsbeispiel teilkugelförmige Gleitoberflächen, um eine invertierte Drehung der Welle zuzulassen. Es ist natürlich auch möglich, andere Verfahren hierfür

to 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

Patentansprüche:

U 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 gekennzeichnet, daß das erste Lager (27) durch einen plastisch deformierbaren Aufbau (30) abgestützt ist, der bei seiner Deformation die Energie absorbiert, die bei radiale« Versetzung der Welle infolge der auftretenden Unwucht frei wird. 2Q

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 zusammcnpreßbarein 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 Versetzur<g 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 Pendel wälzlager 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 so 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, 4S₁ 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. Wellenlagerung nach Anspruch 9, dadurch

gekennzeichnet, daß der Anschlag aus mehreren abscherbaren Weichmetallstiften (47) besteht,

IZ 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.