DE2319586A1

DE2319586A1 - Wellenlagerung

Info

Publication number: DE2319586A1
Application number: DE2319586A
Authority: DE
Inventors: Douglas William Daniels
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-04-18
Filing date: 1973-04-18
Publication date: 1973-10-25
Also published as: JPS4919209A; GB1421377A; JPS5414244B2; FR2181366A5; IT984304B; US3901557A

Description

PATH

. ing. R. HOLZER

AUGSBUKG

!•HIXIPPINE-WEI.SEB-SSCIIASSB 14

R. 847

Augsburg, den 17. April 1973

Rolls-Royce (197D Limited, 14/15 Conduit Street, London W.I., England

Wellenlagerung

Die Erfindung betrifft eine Wellenlagerung mit mindestens einem Lagergehäuse, das mindestens ein, eine Welle lagerndes Lager hält.

Bei der Konstruktion von Wellenlagerungen ist es manchmal notwendig, Bauarten vorzusehen, welche einen Betrieb

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Λ "

unter veränderten oder ungünstigen Bedingungen gestatten.

In Verbindung mit Gasturbinentriebwerken sind schon Wellenlagerungen für mehrfach gelagerte Wellen vorgeschlagen worden, bei welchen eines der Lager einem auf der= Welle angeordneten Rotor gestattet, beim Auftreten einer Unwucht "invertiert" umzulaufen, d.h. sich beim Umlauf auf die durch die Unwucht hervorgerufene Schwerpunktsverlagerung einzustellen, während das andere Lager der Welle gestattet, mit Schlag um eine während und nach dem Eintritt der Inversion veränderte Achse herum umzulaufen.

Die Erfindung bezweckt die Lösung der gleichen Aufgabe in Verbindung mit Wellenlagerungen der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Lagergehäuse fähig ist, sich unter abnormaler Unwuchtbelastung der Welle so zu verformen, daß diese eine um ihre ursprüngliche Wellenachse herum verlaufende schlagbehaftete Drehbewegung ausführen kann.

Zweckmäßig weist die erfindungsgemäße Wellenlagerung ein, einen Hohlraum umschließendes zweiteiliges Lagergehäuse

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auf und der Hohlraum beherbergt ein die Verformbarkeit des Lagergehäuses bestimmendes, verformbares Bauelement.

Die zu lösende Aufgabe besteht im einzelnen darin_s
unvorhersehbare kleine Bewegungen eines Lagers aufzunehmen und dabei dasselbe gleichzeitig so festzulegen, daß es mit Bezug auf andere Bauelemente eine ganz bestimmte räumliche Lage einnimmt. Derartige Aufgabestellungen treten beispielsweise bei Frontfan-Gasturbinentriebwerken auf, bei welchen eine den Frontfan mit einer Gasturbine verbindende Welle
einmal durcii ein in der Nähe des Frontfans angeordnetes
Drucklager und zum anderen in zwei weiteren Wälzlagern gelagert ist. Bei derartigen Frontfan-Gasturbinentriebwerken kann es vorkommen, daß beispielsweise durch den Einflug eines Vogels in das Triebwerk eine oder mehrere Frontfanschaufeln ganz oder teilweise zerstört werden und dadurch die genannte Welle eine plötzliche große Unwuchtbelastung erfährt.

Die Größe einer solchen Unwuchtbelastung ist ebensowenig vorhersehbar wie der Umfang des Fanschaufelausfalles. Trotzdem weiß man, daß solche Unwuchtbelastungen die Welle so stark auslenken, daß die diese Welle lagernden Lager und die diese umgebende Konstruktion beschädigt werden können.

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Durch eine derartige Wellenauslenkung wird beispielsweise das Drucklager nicht nur radial nach außen verschoben, sondern auch versuchen, sich axial zu verschieben, wobei die Größe einer derartigen Axialverschiebung jeweils durch die Lage desjenigen Punktes bestimmt wird, um welchen herum die Welle abgelenkt wird.

Damit eine Zerstörung des Triebwerkes, der Welle und infolgedessen auch eine solche des Drucklagers vermieden wird, muß das Drucklager stets mit Bezug auf das übrige Triebwerk in einer bestimmten Stellung angeordnet werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Wellenlagerung liegt darin, daß die Lagerung geeignet ist, einen invertierten Umlauf einer Welle unter Unwuchtbedingungen auch dann zuzulassen, wenn die Wellenablenkung größenordnungsmäßig nicht eindeutig voraussehbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung weist mindestens eines der beiden Lagergehäuseteile einen Plansch auf, der in eine Nut des anderen Lagergehäuseteils hineinragt und an seinen beiden Stirnseiten von in der Nut beweglich angeordneten Ringen flankiert wird, die mit dem Plansch im Sinne einer Aufnahme von Wellenablenkungen zusammenwirken.

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Die beiden Flanschstirnseiten sind vorzugsweise zueinander parallel-kugelig gestaltet.

Handelt es sich bei dem die Welle lagernden Lager um ein Drucklager, so übertragen der Flansch und die beiden genannten Ringe den Schub des Drucklagers auf das Lagergehäuse, von wo er beispielsweise auf das Gehäuse eines Triebwerks weiterübertragen werden kann.

Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenlagerung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben, in welchen

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt

durch ein Gasturbinentriebwerk zeigt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der

Hauptwelle eines Triebwerks der in Fig. 1 gezeigten Art unter den im Betrieb möglichen abnormalen Belastungen sowie der die Welle lagernden Lager zeigt, und

Fig. 3 einen schematischen Teil-Axial-

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schnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Triebwerk wiedergibt, in welchem Einzelheiten der Hauptwelle und ihrer Lagerung ersichtlich sind.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Triebwerk ist der Frontfan 10 über eine Welle 11 mit einer Niederdruckturbine 12 verbunden und liefert Luft in einen Beipaßkanal 13 und in einen Niederdruckverdichter 14, welch letzterer ebenfalls über die Welle 11 angetrieben wird. Die vom Niederdruckverdichter 14 gelieferte Niederdruckluft wird in einem Hochdruckverdichter 15 weiterverdichtet, bevor sie in einer Brennkammer 16 mit Brennstoff durchmischt und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase treiben eine Hochdruckturbine 17 an, bevor sie die Niederdruckturbine 12 durchströmen. Die Hochdruckturbine treibt über eine Welle 18 den Hochdruckverdichter 15. Die Welle 11, deren Achse mit der Bezugsziffer bezeichnet ist, ist in einem nahe des Frontfans angeordneten Drucklager 19, ferner in einem zwischen dem Frontfan und der Niederdruckturbine angeordneten Wälzlager 21 und außerdem in einem weiteren, in der Nähe der Niederdruckturbine angeordneten Wälzlager 22 gelagert. Im Betrieb des Triebwerkes kann es vorkommen, daß ein Vogel in das Triebwerk einfliegt

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und dadurch zumindestens ein Teil der Beschaufelung des Frontfans beschädigt wird, was eine plötzlich auftretende Unwuchtbelastung auslöst, welche sich am Vorderende 23 der Welle 11 in radialer Richtung auswirkt.

Diese Radialbelastung kann so groß sein, daß entweder die Welle oder das Gehäuse des diese Welle lagernden Drucklagers brechen. Diese Schwierigkeiten vergrößern sich sogar, wenn entweder das Gehäuse zu starr ausgeführt oder zu starr am Triebwerk befestigt ist oder die Welle zu steif ausgeführt wird. Es ist folglich wünschenswert, das Gehäuse so auszuführen und anzuordnen, daß es sich unter einer radial wirkenden Belastung fortschreitend verformt, und die Welle so flexibel auszuführen, daß sie sich, wenn das Gehäuse sich einmal verformt hat, in dem nunmehr vergrößerten Bewegungsbereich mit Schlag dreht.

Fig. 2 zeigt zwei verschiedene Auslenkungsformen 31 und bezüglich der in Pig. I gezeigten Welle 11. Diese beiden dargestellten Auslenkungsformen stellen natürlich nur zwei mögliche Auslenkungsformen innerhalb einer Vielzahl theoretisch möglicher Auslenkungsformen dar, die bei Belastung der Welle durch eine Unwucht auftreten können.

Aus der Figur ist ersichtlich, daß bei beiden Auslenkungs-

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möglichkeiten jeweils zwei Punkte mit Nullauslenkung bezüglich der ursprünglichen Wellenachse 20 vorhanden sind und diese Punkte 33> 34 bzw. 35 und 36 seien jeweils "Knotenpunkte" genannt. Die beiden rückwärtigen Knotenpunkte 3^, 36 fallen ungefähr mit der Mitte des zweiten Wälzlagers 22 zusammen, während die vorderen Knotenpunkte 33 ₃ 35 in Achsrichtung mit Abstand zueinander im Bereich des ersten Wälzlagers 21 liegen.

Die Wellenablenkung ist also jeweils in den Bereichen der beiden Wälzlager verhältnismäßig klein und kann folglich durch entsprechendes Lagerspiel bzw. entsprechendes Spiel dieser Lager in ihren Lagergehäusen aufgenommen werden. Die Spiele zwischen den betreffenden Lagern und ihren zugehörigen Gehäusen können beispielsweise bei Abstützung der Lager durch hydrodynamische Quetschfilme 69 verhältnismäßig groß gehalten werden. Auf diese Weise sind die beiden Wälzlager 21 und 22 in der Lage, die Welle in abgelenktem Zustand umlaufen zu lassen.

Das Drucklager 19 ist mit Bezug auf die Welle axial fest und bewegt sich folglich bei Ablenkung der Welle durch Unwuchtbelastungen auf Bögen, die jeweils auf den hinsichtlich der Wellenauslenkung maßgeblichen Knotenpunkt 33 bzw. 35 ausgerichtet sind. In der Praxis existiert selbstverständlich

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eine große Zahl verschiedener vorderer Knotenpunkte, deren jeder jeweils einer bestimmten Wellenablenkung zugeordnet ist.

Damit der umlaufende Teil der Konstruktion den feststehenden Teil der Konstruktion nicht zerstört, muß die Welle innerhalb bestimmter Grenzen stets mit Bezug auf das übrige Gasturbinentriebwerk eine bestimmte Axiallage einnehmen. Polglich muß die radiale Auslenkung des vorderen Welle :endes einerseits und die Kippbewegung des Drucklagergehäuses andererseits aufgenommen werden, während im übrigen Reaktionskräfte vorhanden sein müssen, die den auf die umlaufende Welle wirkenden Normalkräften entgegengerichtet sind.

Fig. 3 zeigt, wie dies gemacht wird.

Das in den Fig. 1 und 2 mit der Bezugsziffer 19 bezeichnete Drucklager weist einen inneren Laufring 41 und einen äußeren Laufring 42 auf, zwischen welchen sich Wälzkörper befinden. Der innere Laufring ist an der Welle 11 mittels einer Mutter 44 befestigt, die außerdem die Innenteile und 46 zweier Labyrinthdichtungen hält. Der äußere Laufring ist in einem zweiteiligen Lagergehäuse 47 untergebracht, dessen radial innerer Teil 48 mit Abstand von einem radial

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äußeren Teil 49 angeordnet ist und dadurch einen Hohlraum bildet. Um eine Drehung des äußeren Laufringes des Lagers zu verhindern, sind am äußeren Laufring Anschlagstücke 70 angeordnet, welche mit Anschlagstücken 71 zusammenwirken, die ihrerseits auf dem radial inneren Teil des Gehäuses befestigt sind. Weitere Anschlagstücke 72 des radial inneren Gehäuseteils wirken mit Anschlagstücken 73 des radial äußeren Gehäuseteils zusammen. Die Anordnung dieser Anschlagstücke ist so getroffen, daß nur eine Drehung des äußeren Laufringes des Lagers verhindert ist.

Der radial innere Gehäuseteil ist aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt, die durch Schrauben 50 zusammengehalten werden. Diese Bauteile weisen unter anderem äußere Labyrinthdichtungsteile 51, 52 auf, ferner ein Teil 53, welches dazu dient, zwischen sich und dem äußeren Laufring des Lagers einen Hohlraum 54 für einen hydrodynamischen "Quetschfilm¹¹ zu bilden, und schließlich einen Flansch 55, der in eine Ringnut 57 des radial äußeren Teiles des Lagergehäuses 49 hineinragt. Zwischen dem radial inneren Gehäuseteil und dem radial äußeren Gehäuseteil befindet sich der Hohlraum 40,₌in welchem ein Ring 58 mit kreisförmigem Querschnitt untergebracht ist, welcher sich unter der Einwirkung großer Unwuchtbelastungen verformt. Dieser Ring mit kreisförmigem Querschnitt

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kann selbstverständlich auch durch andere Konstruktionen ersetzt sein, die fähig sind, sich unter der Einwirkung großer Unwuchtbelastungen zu verformen. So könnte beispielsweise eine Vielzahl von Röhren vorgesehen sein, deren Achsen koaxial oder parallel zur ursprünglichen Wellenachse verläuft und die als konzentrische Hülsenschar zwischen dem radial inneren Lagergehäuse und dem radial äußeren Lagergehäuse angeordnet sind. Durch entsprechende Wahl der Wandstärke dieser Hülsenschar ist es ebenfalls möglich, dieselbe so abzustimmen, daß sie sich bei einer ganz bestimmten Radialbelastung verformt. Der Ring mit kreisförmigem Querschnitt wird durch Schrauben 59 in Stellung gehalten, die durch einen radial äußeren Plansch 60 dieses Ringes hindurchgesteckt sind und außerdem auch noch dazu dienen, das Lager unter normalen Betriebsbedingungen des Triebwerks in radialer Hinsicht festzulegen. Schließlich dienen diese Schrauben außerdem auch noch zur Befestigung des Lagergehäuses am einen Ende einer kegelförmigen Gehäusekonstruktion 61, die ihrerseits wiederum mittels Schrauben 62 am Stegblech 63 des Triebwerkgehäuses befestigt ist. Ein Innenflansch 64 der kegeligen Gehäusekonstruktion 61 hält das Wälzlager 21.

In der Ringnut 57 befinden sich beiderseits des Flansches Ringe 65 und 66. Zwischen diesen beiden Ringen 65 und 66 und

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dem Grund der Ringnut 57 ist eine Feder 67 angebracht, welche diese beiden Ringe mit Be.zug auf das Lagergehäuse in eine im wesentlichen konzentrische Stellung drängt.

Wird während des Betriebes des Triebwerkes die Beschaufelung des Prontfans beschädigt und tritt dadurch eine ünwuchtbelastung auf, so verformt sich der Ring mit kreisförmigem Querschnitt allmählich unter der auf ihn einwirkenden Radiallast und bewirkt somit gleichzeitig eine fortschreitende Verformung des Lagergehäuses im Sinne einer Veränderung der Radialabmessung des Hohlraumes 40. Diese Verformung des Lagergehäuses vergrößert folglich die radiale Bewegungsfreiheit des Lagers 19 und diese Verformung des Lagergehäuses wird durch die fortschreitende Verformung des Ringes 58 gedämpft. Die Welle 11 kann sich folglich nunmehr innerhalb der auf den radial inneren Teil des Lagergehäuses von dem Plansch 55 ^un<ä den Ringen 65 und 66 ausgeübten Zwangskräfte auslenken und das Drucklager 19 bewegt sich folglich nunmehr auf einem Kreisbogen um den vorderen Knotenpunkt 33· Die Lage dieses Knotenpunktes verändert sich in der bereits oben erwähnten Weise längs der Wellenachse im Maße zunehmender Ablenkung des vorderen Wellenendes.

Die Bewegung des Drucklagers wird durch entsprechende Bewegungen des Flansches in der Ringnut zwischen den beiden

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Ringen aufgenommen. Der Plansch weist zueinander parallele kugelige Flächen 68 auf, deren Radien auf die normalerweise zu erwartende Lage des vorderen Knotenpunktes 33 ausgerichtet sind, der jeweils wiederum der am ehesten zu erwartenden Wellenauslenkung zugeordnet ist. Diese Auslenkung kann auf Grund der vorhandenen statistischen Erhebungen im vorhinein mit ziemlicher Sicherheit festgelegt werden, in welchen Prontfanschaufelbeschädigungen infolge von Vogeleinflug festgehalten sind.

Eine Verschiebung der Ringe ermöglicht die Aufnahme von einer großen Zahl von Bewegungen des Flansches innerhalb eines weiten Bereiches von möglichen Stellungen des vorderen Knotenpunktes und gleichzeitig damit überträgt trotzdem der Flansch stets die Axialkräfte von der Welle auf das Triebwerksgehäuse über die Ringe und den kegeligen Gehäuseteil Das Drucklager ist also innerhalb der durch die Flanschanordnung, die Ringe und die Ringnut gegebenen Grenzen stets sowohl nach vorne als auch nach rückwärts axial festgelegt.

Ein weiterer Vorteil der soeben beschriebenen Konstruktion liegt darin, daß die beiden Außenteile 51 und 52 der Labyrinthdichtungen am äußeren Laufring des Lagers befestigt sind und sich folglich zusammen mit diesem verschieben können

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und nicht an der festen Konstruktion des Lagergehäuses befestigt sind. Eine Auslenkung der Welle hat folglich keine Zerstörung dieser Dichtungen und folglich auch keine Störung der Schmierung des Lagers zur Folge.

Auch das kegelige Gehäuseteil 61 sollte einen gewissen Grad an Biegsamkeit aufweisen.

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Claims

Patentansprüche

1. Wellenlagerung mit mindestens einem Lagergehäuse, das mindestens ein, eine Welle lagerndes Lager hält, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (47) fähig ist, sich unter abnormaler Unwuchtbelastung der Welle (11) so zu verformen, daß diese eine um ihre ursprüngliche Wellenachse herum verlaufende schlagbehaftete Drehbewegung ausführen kann.

2. Wellenlagerung nach Anspruch 1 mit einem, einen Hohlraum umschließenden zweiteiligen Lagergehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Hohlraum (40) ein die Verformbarkeit des Lagergehäuses (47) bestimmendes, verformbares Bauelement (58) beherbergt.

3. Wellenlagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines (48) der beiden Lagergehäuseteile (48, 49) einen Flansch (55) aufweist, der in eine Nut (57) des anderen Lagergehäuseteils (49) hineinragt und an seinen beiden Stirnseiten von in der Nut beweglich angeordneten Ringen (65, 66) flankiert wird, die mit dem Plansch im Sinne einer Aufnahme von Wellenablenkungen zusammenwirken.

4. Wellenlagerung nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die beiden Ringe (65, 66) durch eine Feder (67) in eine relativ, zum Lagergehäuse" (47) im wesentlichen konzentrische Lage gedrängt werden.

5. Wellenlagerung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flanschstirnseiten zueinander parallel-kugelig (68) gestaltet sind.

6. Wellenlagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zueinander parallel-kugeligen Flanschstirnflächen (68) hinsichtlich ihrer Krümmung auf die wahrscheinlichste Wellenablenkung ausgerichtet sind.

7· Wellenlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens eine, relativ zu dem ihr zugeordneten Lager (19) beweglich angeordnete Wellendichtung (51) aufweist.

8. Wellenlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis I₃ dadurch gekennzeichnet,■ daß das Lagergehäuse (47) über eine verhältnismäßig flexible konische Gehäusekonstruktion (61) mit einem zugehörigen Triebwerksgehäuse verbunden ist.

9. Wellenlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit

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zwei Lagern, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lager (21) eine Drehung der Welle (11) in mit Bezug auf ihre ursprüngliche Achse (20) ausgelenktem Zustand gestattet.

10. Wellenlagerung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lager (21) durch einen hydrodynamischen Quetschfilm abstützbar ist, um eine Drehung der Welle (11) in von ihrer ursprünglichen Achse (20) abgelenktem Zustand zu ermöglichen.

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