DE2209713A1

DE2209713A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE2209713A1
Application number: DE19722209713
Authority: DE
Inventors: Jean Georges Brunoy Bauger Louis Jules Vanves Bouller (verstorben), Lacroix, Armand Jean Baptiste, Itteville, (Frank reich)
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1971-03-03
Filing date: 1972-03-01
Publication date: 1972-09-21
Also published as: DE2209713C3; FR2131797B1; DE2209713B2; FR2131797A1; GB1336808A

Description

PATENTANWÄLTE

DR. E. WIEGAND DiPL-ING. W. NiEMANN DR. M. KOHLL-R DIPL-ING. C. GERNHARDT

MONdHEN ' HAMBURG 2^09713

telefon: 395314 2000 HAMBυRG 50, 2§. Februar 1972

TELEGRAMME: KARPATENT KDNIGSTRASSE 28

W. 25 171/72 8/Vo

Societe Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs

d^fAviation,
Paris (Frankreich)

Turbomaschine

Die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung der Lager einer Turbomaschine, deren Welle mit einer Antriebsturbine und mit einer Aufnahmevorrichtung, beispielsweise einem Kompressor, verbunden ist, die auf die Welle einen axialen Schub ausübt, der größer als der axiale Schub der Turbine ist und entgegengesetzt zu diesem gerichtet ist. Die Erfindung ist im besonderen bei Turbokompressoren-Gruppen mit axialer Strömung und insbesondere bei Turbostrahltriebwerken von Luftfahrzeugen anwendbar.

Bei einer solchen Turbomaschine ist der oder jeder Rotor gewöhnlich auf zwei oder mehreren Lagern angeordnet, von denen eines, welches ein Drucklager bildet, um die sich aus der Differenz der Schübe der Aufnahmevorrichtung und der Turbine ergebende axiale Kraft aufzunehmen, im allgemeinen in der kalten Partie der Maschine, d.h. nahe der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist. Bei einem Turbostrahltriebwerk ist

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das Drucklager gewöhnlich im vorderen Teil der Maschine, d. h. auf der Seite des oder der Kompressoren und jedenfalls nicht weiter rückwärts als das Gehäuse der Brennkammer angeordnet.

Diese Anordnung ist durch die Sorge gerechtfertigt, in allen Betriebszuständen ein möglichst geringes axiales Spiel zwischen den Umfangsenden der Schaufeln des Kompressors und den benachbarten Gleichrichterbeschaufelungen aufrechtzuerhalten, um die bestmögliche Leistung zu erzielen. Tatsächlich sind bei den klassischen Ausführungsformen die Enden der Turbinenschaufeln mit Ansätzen oder V/ulsten versehen, um Vibrationen zu vermeiden, während die Enden der Schaufeln des Kompressors frei von solchen Ansätzen sind. Das Fehlen dieser Ansätze würde, falls das Drucklager von dem Kompressor entfernt angeordnet wäre, eine Änderung des axialen Spiels am Ende der Schaufeln des Kompressors unter dem Einfluß von thermisch bedingten axialen Verschiebungen des Rotors des Kompressors hervorrufen. Im Fall eines Turbostrahltriebwerks mit doppeltem Körper, das einen Niederdruckkompressor enthält, dessen erste Stufe ein Gebläse bildet, würde die Änderung des axialen Spiels am Ende der Schaufeln des Gebläses offensichtlich einen maximalen Wert haben.

Aus diesem Grund wird das Drucklager möglichst nahe an dem Kompressor angeordnet und zwischen den Beschaufelungen der Turbine ein ausreichender Zwischenraum vorgesehen, um die axialen Wärmedehnungen aufzunehmen. Dieser Zwischenraum setzt jedoch die Leistung der Turbine herab., und zwar deshalb, weil er der Ventilationsluft, die in dem die Lager enthaltenden Raum umläuft, ermöglicht, in den in der Turbine arbeitenden Gasstrom einzudringen.

Die vorliegende Erfindung gestattet, diesen Nachteil in dem Fall zu beheben, in welchem eine Änderung des radialen Spiels in der Aufnahmevorrichtung unter der Wirkung von Wärmedehnungen die Leistung dieser Vorrichtung nicht nachteilig beeinflußt. Dieser Fall liegt insbesondere bei Turbostrahltriebwerken vor, die ein einziges Gebläserad aufweisen, das

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in axialem Abstand von dem Gleichrichter des Gebläses liegt, um das von dem Gebläse ausgehende Geräusch zu vermindern; wenn außerdem die Luft in einem zylindrischen Strom durch das Gebläse hindurchgeht, bewirkt eine beträchtliche Änderung des axialen Spiels des Gebläses keine Ä'nderung der Leistung.

Gemäß der Erfindung ist das Drucklager in unmittelbarer Nähe der Turbine in einem Halter angeordnet, der in Richtung des Schubs der Aufnahmevorrichtung an einem Widerlager anliegend gehalten wird und der zusammen mit dem Drucklager in Richtung des Schubs der Turbine axial in einem Ausmaß verschiebbar ist, welches ausreicht, damit die Schaufeln des Rotors der Turbine an den Beschaufelungen ihres Stators reiben.

Es können tatsächlich zufällige Wellenbrüche auftreten, und es wird dann ein Durchgehen des Turbinenrotors dadurch verhindert, daß seine kinetische Energie von dem Stator aufgenommen wird. Bei der bekannten Ausführung verschiebt sich der bei einem Wellenbruch von dem Drucklager abgekuppelte Stator der Turbine unter der Wirkung des Schubs der Turbine nach hinten und reibt an den Beschaufelungen des Stators. Dies führt im allgemeinen zu einer Zerstörung von Schaufeln, jedoch bleibt die Turbine, die an einem Bersten bei Übergeschwindigkeit gehindert ist, in ihren Gehäusen enthalten. Bei der Ausführung gemäß der Erfindung kann der Wellenbruch nur vor dem Drucklager auftreten, da dieses sehr nahe an der Turbine angeordnet ist. Wenn daher das Drucklager in beiden Richtungen axial in Anlage gehalten wäre, würde es für den Turbinenrotor unmöglich sein, sich zurückzubewegen, und er würde bei Übergeshwindigkeit bis zum Bersten durchgehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische axiale Halbschnittansicht

des vorderen und des hinteren Teils eines Turbostrahltriebwerks, und sie zeigt die gemäß der Erfindung vorgesehene vorteilhafe Anordnung des Drucklagers.

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Fig. 2 ist eine der Fig. 1 ähnliche Teilschnittansicht, welche die Ausbildung und Anordnung des Drucklagers in größerem Maßstab wiedergibt.

Das in Fig. 1 teilweise dargestellte Turbostrahltriebwerk weist einen Niederdruckkompressor 1 auf, dessen Rotor 2 am vorderen Ende einer Welle 3 angeordnet ist, die an ihrem hinteren Ende den Rotor 4 einer Niederdruckturbine 5 trägt.

Der in der Zeichnung nicht dargestellte Zwischenteil des Turbostrahltriebwerkes enthält in bekannter Weise einen Hochdruckkompressor, der stromab des Niederdruckkompressors an dem vorderen Ende einer Hohlwelle angeordnet ist, welche die Welle J5 gleichachsig umgibt, durch das innere Gehäuse einer Brennkammer hindurchgeht und an ihrem hinteren Ende eine stromauf der Niederdruckturbine 5 befindliche Hochdruckturbine trägt.

Mit 6 sind die von dem Rotor 2 getragenen beweglichen Schaufeln des Kompressors 1 und mit 7 seine von einem Gehäuse getragenen feststehenden Schaufeln bezeichnet. Die am vorderen Ende des Turbostrahltriebwerks angesaugte Luft wird nacheinander von den Schaufeln 6 des Kompressors 1 und dann von dem Hochdruckkompressor komprimiert und dringt danach in die Brennkammer ein, wo sie einen Treibstoff verbrennt, um heiße Gase zu erzeugen, die' aufeinanderfolgend in der Hochdruckturbine und in der Niederdruckturbine 5 arbeiten, wonach sie in eine nicht dargestellte Düse abgegeben werden, um einen Vortriebsstrahl zu bilden. Der Rotor 2 des Kompressors 1 trägt ferner vor seiner von den Schaufeln 6 gebildeten ersten Stufe ein Gebläserad 9, desen Schaufeln 10 einen äußeren Luftstrom in Bewegung setzen, der danach durch einen Gleichrichter 11 hindurchgeht, um in bekannter Weise um die oben erwähnten Gehäuse herum einen äußeren Luftfluß"l2 zu bilden, der als Sekundärfluß bezeichnet wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Gleichrichter 11 in einem Abstand von den Schaufeln 10 des Gebläserades 9 angeordnet (um das von dem Gebläse erzeug Geräusch

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zu vermindern), und der von den Schaufeln 10 des Gebläserades 9 in Bewegung gesetzte Luftstrom ist im wesentlichen zylindrisch.

Die Welle 3 ist am vorderen Ende durch ein in Höhe des Kompressors 1 liegendes Lager 3a und am hinteren Ende durch ein in Höhe der Turbine 5 liegendes, als Drucklager wirkendes Lager 13 abgestützt. Die Welle 3 hat eine beachtliche Länge, da sie sich längs des Hochdruckkompressors, der Brennkammer und der Hochdruckturbine erstreckt, und sie ist im Betrieb Temperaturen ausgesetzt, die geringer als diejenigen der Gehäuse sind. Es ergeben sich daraus unterschiedliche beträchtliche Wärmedehnungen in Höhe des Gebläserades 9, jedoch kann dieses sie ohne Leistungsverlust aufnehmen oder absorbieren, wie dies am Eingang der Beschreibung erläutert ist.

Die Anordnung und Ausbildung des Drucklagers 15 in dem Stator 14 der Turbine 5 sind in Fig. 2 näher veranschaulicht. Das Drucklager IjJ ist von einem Kugellager gebildet, dessen innerer Laufring 15 in bekannter Weise auf der Welle 3 mittels eines mit Gewinde versehenen Ringes 16 angeordnet ist, der den inneren Laufring 15 unter Zwischenfügung einer Ablenkplatte 17 und eines Schikanen 18a tragenden Teils 18 gegen eine Schulter 3b der Welle 3 preßt. Diese Schulter befindet sich nahe dem hinteren Ende der Welle 3, das mit dem Rotor 4 der Turbine 5 durch eine Kupplung 19 von der mit "curviccoupling" bezeichneten Art verbunden ist. Der äußere Laufring 20 des Kugellagers 13 ist in einem ringförmigen Gehäuse 21 befestigt, mit dem bei 22a ein Teil 22 verbolzt ist, der mit den Schikanen l8a zusammenwirkt.

Das Lagergehäuse 21 weist einen Körper 21a, auf den ein mit Gewinde versehener Ring 20a aufgeschraubt ist, der den äußeren Laufring 20 des Drucklagers 13 an dem Teil 22 hält, eine sich parallel zur Achse der Welle 3 erstreckende zylindrische Muffe 21b und einen ebenen Schirm 21c in Form einer ringförmigen Scheibe auf, die nach Art einer Membran biegsam ist und sich in einer Querebene zur Außenseite des Körpers 21a

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erstreckt. Dieser Schirm 21c ist an seinem äußeren Umfang ohne Spiel in einem ringförmigen Ansatz 14a des Gehäuses zentriert, mit der er bei 2j5 verbolzt ist, um die radiale Lage des Lagers \J> zu gewährleisten. Der vordere Teil des Körpers 21a v/eist außen eine zylindrische Fläche 24 auf, die mit einem geringen radialen Spiel j. in einem weiteren ringförmigen Ansatz 14b des Gehäuses 14 angeordnet ist, der an der Vorderseite eine Schulter 14c aufweist, die ein Widerlager für eine frontale Fläche 24a des Körpers 21a bildet. Das vordere Ende der zylindrischen Muffe 21b ist außen mit einem ringförmigen Vorsprung 25 (in Gestalt eines Teilwulstes bei der dargestellten Ausführungsform) versehen, der sich mit dem gleichen radialen Spiel j. auf einem vsiteren ringförmigen Ansatz l4d des Gehäuses 14 verschieben kann.

Im normalen Betrieb zieht der Kompressor 1 die Welle J> mit einer Kraft nach ^vorn, die größer als die von der Turbine 5 auf die Welle J> ausgeübte, nach hinten gerichtete Kraft ist. Die Resultierende dieser Kräfte ist daher nach vorn gerichtet und wird von der Widerlagenschulter 14c des Gehäuses 14 aufgenommen. Im Fall eines Bruchs der Welle (der zwangsläufig vor dem Drucklager 13 auftritt) wirkt die von dem Kompressor 1 ausgeübte Kraft nicht mehr auf -das Lager ein, so daß dieses durch die von der Turbine 5 ausgeübte Kraft nach hinten gezogen wird. Diese Kraft verschiebt das Lagergehäuse 21 nach hinten, und der Schirm 21c wird nach Art einer Membran um einen Betrag verformt, der ausreicht, damit die Schaufeln 26 (Fig. 1) des Rotors der Turbine an den Schaufeln 27 ihres Stators reiben, wobei das Lagergehäuse 21 durch das Zusammenwirken der Flächen 24 und 25 mit den Abstützansätzen 14b bzw. l4d in dem Turbinengehäuse 14 im wesentlichen zentriert bleibt.

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Claims

Patentansprüche

r χ

[1J Turbomaschine mit einer Welle, die eine Antriebs-

turbrrfe und eine Aufnahmevorrichtung, beispielsweise einen Kompressor, trägt, die entfernt von der Turbine angeordnet ist und an die Welle einen axialen Schub anlegt, der größer als der entgegengesetzt gerichtete axiale Schub der Turbine ist, wobei die Welle von Lagern abgestützt ist, von denen eines, das sich nahe der Turbine befindet, als Drucklager wirkt und in einem verschiebbaren Halter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (21) fUr das Drucklager (13) in Richtung des Schubs der Aufnahmevorrichtung (l) an einem Widerlager (l4c) anliegend in einer Stellung gehalten ist. in der er die Drehung des Rotors (4) der Turbine (5) zuläßt, aber zusammen mit dem Drucklager (13) in Richtung des Schubs der Turbine axial bis in eine Stellung verschiebbar ist, in welcher die Schaufeln (26) des Rotors (4) der Turbine (5) an der Beschaufelung (27) ihres Stators reiben.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, bei welcher der Halter für das Drucklager von einem feststehenden Teil der Maschine unter Zwischenfügung einer ringförmigen biegsamen Scheibe abgestützt ist, die seine Zentrierung gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (21) für das Drucklager (13) einen Körper (21a), der mit einem mit radialem Spiel in bezug auf einen feststehenden Teil (l4b) angeordneten Vorsprung und mit einer frontalen Fläche (24a) versehen ist, die durch den Schub der Aufnahmevorrichtung (1) in Anlage an einem Widerlegen (l4c) gehalten ist, und einen sich axial erstreckenden Ansatz (21b) aufweist, der mit einem weiteren Vorsprung (25) versehen ist, welcher mit radialem Spiel in bezug auf einen weiteren feststehenden Teil (l4d) angeordnet ist.

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