DE2364431C2

DE2364431C2 - Verbindungsvorrichtung für das freie Ende einer mit dem Turbinenrotor einer Gasturbinenanlage verbundenen Welle

Info

Publication number: DE2364431C2
Application number: DE2364431A
Authority: DE
Inventors: James Topsfield Mass. Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-12-26
Filing date: 1973-12-22
Publication date: 1984-04-19
Also published as: GB1445015A; BE809056A; IT1002233B; DE2364431A1; CA986731A; JPS5727292B2; US3823553A; FR2211589A1; JPS4996112A; FR2211589B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsvorrichtung für das freie Ende einer mit dem Turbinenrohr einer Gasturbinenanlage verbundenen Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei Flugzeugen mit einem Gasturbinen-Triebwerk wird häufig eine modulare Leistungsturbine verwendet (siehe DE-AS 11 28 706), die einen Rahmen, Lager, einen Schmiermittelsumpf und e:ne Leistungsabgabewelle aufweist, die so abgeschlossen sind, daß der Modul herausgenommen und ausgetauscht werden kann, ohne daß das Triebwerk aus dem Flugzeug ausgebaut werden muß.

Für die Verbindung des Nutzleistungsturbinen-Moduls mit der Gasturbinenanlage kann eine Kerbverzahnung benutzt werden (siehe o. g. DE-AS 11 28 706). Bei einer langen Verbindungswelle können dabei zur Vermeidung von Schwingungen Zentrierringe auf den Wellenenden vorgesehen sein (siehe US-PS 34 20 057), die sich gegen das das Wellenende aufnehmende Bauteil abstützen. Eine derartige Verbindungsvorrichtung muß jedoch ausreichend geschmiert werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine beherrschbare Schmiermittelströmung erreicht wird, die auch Schmutzteilchen wegspült.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß von einer einzelnen öldüse zugeführtes öl in seiner Ausbreitung über die zu schmierenden Teile gesteuert werden kann, um die jeweils erforderliche ölmenge sicherzustellen. Zu diesem Zweck können der innere ringförmige Wulst und die axialen Durchlaßöffnungen in den Zentrierringen selektiv den Erfordernissen angepaßt werden. Gleichzeitig werden durch die erzeugte Schmicrmittelströmung Schmutzteilchen weggespült, wodurch die nutzbare Lebensdauer der bewegten, in Eingriff stehenden Bauteile verlängert wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht, von einem Gasturbinen-Triebwerk.

Fig.2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht von einem Teil des Gasturbinen-Triebwerkes nach F i g. 1.
F i g. 2A ist ein vergrößerter Schnitt des Teils des

to Gasturbinen-Triebwerks nach F i g. 2.

F i g. 2B ist ein Teilschnitt entlang der Linie 2B-2B der Fig. 2.

F i g. 3 ist ein Teilschnitt der Niederdruck-Turbine gemäß Fig.2A, welche von dem Gasturbinen-Triebwerk abgenommen ist

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinen-Triebwerk 10 mit einem äußeren Gehäuse 12, welches an einem Ende einen Einlaß 14 bildet. Die Umgebungsluft tritt in den Einlaß 14 ein und wird durch einen Verdichter 16 verdichtet, welcher beispielsweise ein Axialverdichter sein kann. Der Verdichter 16 enthält einen Läufer oder Rotor 18, von dem Laufschaufeln 20 ausgehen, zwischen die jeweils Reihen von axial beabstandeten Statorschaufeln 22 eingefügt sind. Die verdichtete Luft wird vom Verdichter 16 über Diffusorleitschaufeln 24 abgegeben, durch welche die verdichtete Luft vor dem Eintritt in eine Brennkammer 28 eine Diffusorwirkung erfährt. Die Brennkammer 28 weist eine Brennkammerauskleidung 30 auf und erhält Brennstoff durch eine Vielzahl von am Umkreis im Abstand angebrachte Brennstoffdüsen 32. Das Gemisch aus hochverdichteter Luft und Brennstoff wird entzündet, um einen hochenergetischen Gasstrom zu erzeugen, welcher eine Gasgeneratorturbine 36 antreibt, welche mit dem Verdichterläufer 18 über eine Verbindungswelle 38 verbunden ist. Das hochenergetische Gas, welches aus der Gasgeneratorturbine 36 austritt, treibt ein Leistungsturbinenmodul 40 an, das beispielsweise zum Antrieb der Rotorlaufschaufeln eines Helikopters angeschlossen sein kann, welcher

«ο nicht gezeigt ist, und zwar mittels einer langen Welle 42, welche mittels einer Hülse 43 mit einer Abtriebswelle 171 in Eingriff ist. Die Hülse 43 bzw. die Abtriebswelle 171 kann auch zum Antrieb eines Gebläseläufers verwendet werden, wie beispielsweise in einem Turbo-Gebläsetriebwerk, oder zum Antrieb eines Propellers, wie in einem Turbo-Propellertriebwerk. Der übrige hochenergetische Gasstrom von dem Leistungsturbinenmodul 40 kann durch eine Schubdüse 44 abgegeben werden. Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält einen vorderen Rahmen 45, in dem der Läufer 18 zur Drehung durch ein vorderes Lager gelagert ist, welches im Innern eines Gehäuses in Form eines Sumpfes 48 untergebracht ist, in dem auch noch die Hülse 43 zur Drehung durch Lager gelagert ist, welche sich im Innern eines Sumpfes 52 befinden. Ebenso ist ein Zwischenraum 46 vorgesehen, in dessen Innerem die Welle 38 durch ein Lager in einem Sumpf 50 gelagert ist. Ein rückwärtiger Rahmen 47 ist gänzlich im Innern des Leistungstubinenmoduls 40 enthalten und die Antriebswelle 42 ist durch Lager in einem Sumpf 54 bezüglich des Leistungsturbinenmoduls drehbar gelagert.

Die Fig. 2 und 2A zeigen das Leistungsturbinenmodul 40 mit weiteren Einzelheiten. Es enthält eine vordere Läuferscheibe 56, die axial im Abstand von einer

t>5 rückwärtigen Läuferscheibe 58 angeordnet ist. Die vordere Läuferscheibe 56 enthält eine integrale zylindrische Verlängerung 60. deren rückwärtiges Ende in einem integralen Umfangsflansch 66 endet, welcher

sich von einer zweiten zylindrischen Verlängerung 62 radial nach innen erstreckt, die integral mit der rückwärtigen Läuferscheibe 58 gebildet ist. Die Urnfangsflansche 64, 66 werden durch Bolzen 68 zusammengehalten, welche sich durch die Flansche erstrecken. Die vordere Läuferscheibe 56 enthält eine integral mit derselben ausgebildete, sich nach vorn erstreckende zylindrische Verlängerung 72, welche in einem radial nach außen verlaufenden UmfangsfLnsch 78 endet Dieser steht im Eingriff mit einem zweiten Umfangsfiansch 76, welcher integral mit einer konischen Verlängerung 74 von der Welle 42 ausgebildet ist. Die Flansche 76, 78 werden durch Längsbolzen 80 zusammengehalten.

Die vordere Läuferscheibe 56 enthält Laufschaufeln 84 mit tragflügelähnlichem Profil, welche am Umfang der Läuferscheibe 56 angeordnet sind. Jede Laufschaufel 84 enthält einen inneren Fuß- oder Wurzelteil 86 und eine äußere Plattform 92 mit radial nach außen verlaufenden Zähnen, welche in Eingriff mit einer Umfangshülle 96 stehen. In ähnlicher Weise enthält auch die rückwärtige Läuferscheibe 58 Laufschaufeln 88 mit tragflügelähnlichem Profil, welche am Umfang der Läuferscheibe angebracht sind. Jede Laufschaufel 88 enthält einen inneren Fußteil 90 und eine äußere Plattform 94, deren sich drehende Zähne in Eingriff mit einer äußeren umschließenden Hülle 98 stehen. Obwohl das Leistungsturbinenmodul hier unter Bezugnahme auf eine Zweistufenturbine beschrieben wurde, können selbstverständlich weniger Stufen oder mehr Stufen enthalten sein.

Zwischen der vorderen Läuferscheibe 56 und der rückwärtigen Läuferscheibe 58 ist eine Düse 102 vorgesehen, die eine innere Hülle 104 besitzt, von der sich Leitschaufeln 106 radial nach außen erstrecken, deren radial äußere Enden im Eingriff mit einem anderen Hüllenteil 108 stehen. Ein Leckstrom des Gases an der Düsen 102 wird durch eine Labyrinthdichtung 110 verhindert.

Eine Einlaßdüse 116 enthält eine innere umschließende Hülle 118, von der sich Einlaßschaufeln 120 radial nach außen erstrecken. Die radial äußeren Enden der Leitschaufeln stehen in Eingriff mit einem äußeren umschließenden Hüllenteil 122. Zwischen der Gasgeneratorturbine 36 und dem Leistungsturbinenmodul 40 ist eine Labyrinthdichtung 124 vorgesehen.

Der rückwärtige Rahmen 47 enthält eine innere Umfangswand 132, von der aus sich eine Vielzahl von umkreisförmig im Abstand angebrachten Speichen 136 radial nach außen erstrecken. Die äußeren radialen Enden der Speichen sind im Eingriff mit einer äußeren Umfangswand 134, um einen kreisringförmigen Strömungsweg zwischen der inneren und äußeren Wand zu definieren. Eine Labyrinthdichtung 138 ist zwischen der rückwärtigen Läuterscheibe 58 und dem rückwärtigen Rahmen 47 angeordnet.

Die Einlaßdüse 116, die Hülle 96, die Düse 102, die Hülle 98 und der rückwärtige Rahmen 47 stehen in einer festen, axial beabstandeten Lage und liegen strömungsmäßig in Reihe zueinander durch Zwischenverbindung mit einem äußeren Gehäuse 100 des Leistungsturbinenmoduls. Das Gehäuse 100 für das Leistungsturbinenmodul bildet einen Teil des Gesamttriebwerksgehäuses 12 und wird an diesem durch Verriegelungsbolzen 103 gehalten, welche mit Umfangsflanschen 102 und 105 in Eingriffslehen.

Der rückwärtige Ölsumpf 54 ist durch ein vorderes konisches Verlängerungsteil 146 und ein rückwärtiges

radiales Kappenteil 150 gebildet Das vordere konische Verlängerungsteil ist gegen die Welle 42 durch eine Kohlenstoffdichtung 148 abgedichtet Die Antriebswelle 42 ist bezüglich des Triebwerksrahmens 47 durch Rollen 15? drehbar gelagert, die zwischen einem inneren Lagerring 154, der an der Antriebswelle 42 befestigt ist, und einem äußeren Lagerring 156 angeordnet sind, der am Triebwerksrahmen 47 gehalten ist Weiterhin ist ein Drucklager vorgesehen, dessen Kugem 158 zwischen einem gespaltenen (geteilten) inneren Lagerring (160 und einem äußeren Lagerring 162 angeordnet sind. Auf Wunsch können die Rollen 152 vollständig weggelassen werden.

Die Antriebswelle 42 kann hohl sein. Sie ist jedoch besonders geeignet zur Aufnahme eines Drehmoment-Meßfühlers 161 an ihrem rückwärtigen Ende. Dieser ist in einer konventionellen und für Gasturbinen bekannten Bauart ausgeführt und enthält einen Anzeigearm oder -zeiger 163, welcher sich in die Welle 142 hinein in einer festen Verbindung mit derselben erstreckt.

Das vordere Ende der Welle 42 steht mit einer Hülse 43, die an ihrem anderen Ende mit einer Antriebswelle

171 verbunden ist, über eine Kerbverzahnung 164 in Eingriff. Die nach außen verlaufenden Zähne der Kerbverzahnung stehen in Eingriff mit nach innen verlaufenden Zähnen der Hülse 43. Die Hülse 43 ist für eine Drehung bezüglich des Triebwerkrahmens 45 durch Rollen 166 gelagert. Diese sind zwischen einem integralen zylindrischen Verlängerungsteil 168, der Hülse 43 und einem äußeren Lagerring 170 angeordnet, der in einer festen Verbindung relativ zum vorderen Rahmen 45 gehalten wird. Somit kann ein nicht gezeigter innerer Lagerring über die Verlängerung 168 zur Drehung mit derselben geschoben werden. Ferner ist ein vorgespanntes Doppeldrucklager 172 vorgesehen. Dieses besitzt erste Kugeln 174, welche zwischen einem inneren Lagerring 176 und einem äußeren Lagerring 178 angebracht sind, und Kugeln 180, die im Abstand axial hinter den ersten Kugeln 174 und zwischen einem inneren Lagerring 182 und einem äußeren Lagerring 184 angebracht sind. Eine Vorspannung des Drucklagers 172 muß vorgenommen werden, um zu verhindern, daß die Kugellager 174, 180 in ihren entsprechenden Halteringen verrutschen, da normalerweise keine Drucklast auf die Hülse 43 ausgeübt wird. Selbstverständlich können die Rollen 166 weggelassen werden, wenn die Hülse 43 allein durch das Drucklager

172 drehbar gelagert wird.

Die Kerbverzahnung 164 wird durch einen Teil eines Ölstrahls geschmiert, welcher von einer Öldüse 186 geliefert wird. Von dort aus wird der Ölstrahl in die Hülse 43 hinein gerichtet, durch eine Vielzahl von am Umfang im Abstand und tangential geneigten Schmiermittelzufuhrkanälen 188, wie dies am besten aus F i g. 2B ersichtlich ist. Die inneren Enden der Schmiermittelzufuhrkanäle 188 sind an einem nach innen ragenden Wulst angeordnet, der durch zwei Lippenteile 175, 190 gebildet wird, um auf diese Weise den Rückstrom von Öl durch die Kanäle 188 zu verhindern. Ein Teil des in das Innere der Hülse 43 eintretenden Öls läuft über ein inneres umkreisförmiges Lippenteil 190 und sammelt sich in einem kreisringförmigen Hohlraum 191 zwischen dorn Lippenteil 190 und der Kerbverzahnung 164 als Ergebnis der Zentrifugalkraft der sich drehenden Hülse 43. Bei der Ansammlung von Öl in dem Hohlraum 191 wird dieses allmählich durch die in Eingriff miteinander stehenden Zähne der Kerbverzahnung 164 gedrückt und schmiert dadurch beständig die Kerbverzahnung

164. Hin stromabwärts gelegener umkreisförmiger Damm 192 wirkt auch als ein Schwingungsdämpfer und ist integral mit der Welle 42 ausgebildet und steht in dichtem Eingriff mit der inneren Oberfläche der integralen zylindrischen Verlängerung 168. Weiterhin sind mehrere am Umkreis im Abstand angebrachte Öffnungen 193 im Damm 192 ausgebildet, wobei diese öffnungen 193 geeignete Abmessungen und eine geeignete Lage besitzen, um den Durchfluß und den Pegel des Öls durch die Kerbverzahnung 164 zu regeln. Eine stromabwärtige Dichtung 41 ist integral mit der Welle 42 ausgebildet und bildet die stromabwärtige Begrenzung des Sumpfes 52.

Die Abtriebswelle 171 kann beispielsweise zum Antrieb der Rotoren eines nicht gezeigten Luftfahrzeuges verbunden sein und bildet dann einen integralen Teil des Luftfahrzeuges. Sie kann über eine Kerbverzahnung 173 mit der Hülse 43 in Eingriff stehen, wobei die Kerbverzahnung 173 von der Abtriebswelle 171 nach außen ragende Zähne aufweist, die mit nach innen ragenden Zähnen der Hülse 43 in Eingriff stehen. Die Kerbverzahnung 173 wird ebenfalls durch einen Teil des Öls geschmiert, das von der öldüse 186 geliefert wird, wobei ein Teil des in das Innere der Hülse 43 eintretenden Öls über den zweiten inneren Lippenteil 175 strömt. Das öl sammelt sich dann in einem zweiten kreisringförmigen Hohlraum 177 zwischen dem Lippenteil 175 und der Kerbverzahnung 173 wegen der Zentrifugalkraft der sich drehenden Hülse 43. Mit zunehmender Ansammlung von öl im Hohlraum 177 wird es durch die in Eingriff stehenden Zähne der Kerbverzahnung 173 gedrängt und schmiert diese Verzahnung dadurch ständig. Ein zweiter umkreisförmiger Damm 192' ist integral mit der Abtriebswelie 171 ausgebildet und steht in Dichtungseingriff mit der inneren Oberfläche der Hülse 43. Weiterhin sind zweite, am Umkreis im Abstand angeordnete öffnungen 193' durch den Damm 192' vorgesehen, wobei die öffnungen 193' geeignet bemessen und angeordnet sind, um den Durchfluß und den Pegel des Öls durch die Kerbverzahnung 164 zu regeln. Das öl tritt dann durch am Umkreis im Abstand angebrachte Kanäle 179 aus, welche sich durch die Hülse 43 hindurch erstrecken und in Strömungsmittelverbindung mit einem kreisringförmigen Sammeiraum 181 stehen. Der Sammelraum 181 wird durch die äußere Oberfläche der Hülse 43 und die im Abstand angebrachte innere Oberfläche einer Buchse 183 gebildet, welche teleskopartig über die Hülse 43 geschoben ist. Das Öl tritt dabei aus dem Sammelraum 181 durch mehrere am Umkreis im Abstand angebrachte öffnungen 185 am rückwärtigen Ende der Buchse 183 aus. O-Ringe 167, 169 können zwischen die Abtriebswelle 171 und der Hülse 43 und zwischen der Hülse 43 und der Buchse 183 angeordnet sein. Somit wird deutlich, daß eine einzige öldüse 186 im Zusammenwirken mit einer einzigen Reihe von

ίο Schmiermittelzufuhrkanälen 188 so angeordnet ist, daß sie gleichzeitig zwei axial im Abstand angebrachte Kerbverzahnungen 164,173 schmiert.

Um das Leistungsturbinenmodul 40 abzunehmen, wie dies notwendig werden kann, um Zutritt zur Brennkammer 28 zur Reparatur oder zum Austausch beschädigter Brennerbauteüe zu erhalten, brauchen lediglich die Verriegelungsbolzen 103 gelöst zu werden. Daraufhin kann das Leistungsturbinenmodul gemäß der Darstellung in Fig. 3 axial nach hinten abgezogen werden. Es wird kein Spezialwerkzeug benötigt, um die Bolzen 103 zu lösen oder festzuziehen. Weiterhin ist der rückwärtige ölsumpf 54 vollständig im Innern des Leistungsturbinenmoduls 40 enthalten, welches daher weggenommen und ausgetauscht werden kann, ohne den Sumpf dabei zu öffnen oder das Lager oder die öldichtung zu zerstören oder auseinanderzunehmen. Dadurch ist es unmöglich, daß Verunreinigungen in das öl gelangen und die umlaufenden Teile beschädigen können.

Ferner ist ersichtlich, daß die Abtriebswelle 171 während des Abnehmens des Turbinenmoduls mit der Hülse 43 in Eingriff bleiben kann, und daher ist es nicht notwendig, das Triebwerk von dem Luftfahrzeug abzunehmen.

Die nach außen ragenden Zähne der Kerbverzahnung 164 kommen axial nach hinten außer Eingriff mit der Welle 42 ohne irgendeine Störung oder Demontage der Rollen 166 oder der Doppeldrucklager 172. Auch die Abdichtung 124 zwischen der Gasgeneratorturbine 36 und dem Leistungsturbinenmodul 40 läßt sich leicht beim Abziehen des Leistungsturbinenmoduls lösen. Wenn das Leistungsturbinenmodul 40 einmal weggenommen worden ist, kann es in seiner Gesamtheit ausgetauscht werden, ohne dabei den Sumpf und die Lagerung einer Verunreinigung auszusetzen. Das beschädigte Turbinenmodul kann dann zur weiteren Demontage und Reparatur der einzelnen Bauteile des Moduls in eine Werkstatt gebracht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verbindungsvorrichtung für das freie Ende einer mit dem Turbinenrotor einer Gasturbinenanlage verbundenen Welle, insbesondere einer mit einem Nutzleistungsturbinen-Modul fest verbundenen langen Welle, mit einer Abtriebswelle, welche Verbindungsvorrichtung jeweils eine äußere Kerbzahnung an den zu verbindenden Wellenenden und eine hiermit in Eingriff stehende innere Kerbzahnung aufweist die in einer die Wellenenden aufnehmenden Hülse ausgebildet ist, die im Gehäuse der Gasturbinenanlage drehbar gelagert ist und an ihren äußeren Enden durch auf den Wellenenden ausgebildete Zentrierringe abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet,

dab die Hülse (43) im Bereich zwischen den Wellenenden einen inneren ringförmigen Wulst (175, 190) aufweist, in dem in einer Radialebene angeordnete Schmiermittelzufuhrkanäle (188) ausgebildet sind, und daß

die Zentrierringe (192, 192') axiale Durchlaßöffnungen (193,193') zur Steuerung des Schmiermittelstromes durch die Kerbverzahnungen (164, 173) aufweisen.