DE2442123A1

DE2442123A1 - Waelzlager

Info

Publication number: DE2442123A1
Application number: DE2442123A
Authority: DE
Inventors: Leo Bernard Diver; Wilfred Henry Wilkinson
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-09-08
Filing date: 1974-09-03
Publication date: 1975-04-17
Also published as: FR2243366A1; FR2243366B3; JPS50135462A; US3909085A; IT1020357B

Description

Wälzlager

Die Erfindung bezieht sich auf Wälzlager Jener Bauart« bei der ein Laufring unter Federbelastung gegen die Wälzkörper derart vorgespannt ist, daß sogar unter Betriebsbedingungen, bei denen das Lager gering axial und/oder radial belastet ist« Reaktionskräfte zwischen den Laufringen und dem Wälzkörper von einer solchen Größe aufrecht erhalten werden, daß ein Rutschen oder Gleiten der Wälzkörper gegenüber den Lauf ringen verhindert wird. Derartige Wälzlager werden allgemein als "vorbelastete" Wälzlager bezeichnet. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein vorbelastetes Kugellager zur Abstützung drehender Wellen, z.B. bei Gasturbinenstrahltriebwerken.

Es sind vorbelastete Kugellager für Wellen bekannt, bei denen einer der Laufringe im Trägeraufbau festgelegt ist, während der andere Laufring im Gleitsitz gelagert ist. Dieser letztere Laufring wird mittels einer Feder oder mittels geeigneter anderer Mittel gegen die Kugeln gedrückt, wodurch eine axiale Kraft gegen'die Seite des Laufrings ausgeübt wird.

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Ein solches Lager ist jedoch nicht geeignet zum Einbau zwischen zwei relativ zueinander drehenden konzentrischen Wellen, die sich in einer von der axialen Richtung abweichenden Richtung relativ zueinander bewegen. Dies ist z.B. bei den beiden konzentrischen Wellen eines Zweiwellen-Gasturbinenstrahl triebwerke der Fall, wobei die außen liegende Welle die Hochdruckturbine mit dem Hochdruckkompressor verbindet, während die innere Welle die Niederdrucktürbine mit dem Niederdruckkompressor verbindet. Derartige Wellen bei Gasturbinenstrahltriebwerken sind unterschiedlichen Längenausdehnungen in Folge von Temperatur und unterschiedlichen Axialbelastungen ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorbelastetes Lager zu schaffen, welches zum Einbau zwischen zwei sich drehende Wellen geeignet ist.

Gemäß der Erfindung 1st ein zweireihiges vorbelastetes Kugellager vorgesehen, das zwischen einem ersten drehenden Teil und einem zweiten relativ hierzu drehenden konzentrischen Teil vorgesehen ist, wobei diese Teile auch axial relativ zueinander beweglich sind und die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Reihenlaufring fest an dem ersten konzentrischen Teil montiert ist, daß ein zweiter Reihenlaufring axial von dem ersten Reihenlaufring entfernt auf dem ersten konzentrischen Bauteil begrenzt axial gleitbar gelagert und axial auf den ersten Laufring vorgespannt 1st, und daß ein gemeinsamer Laufringträger auf dem zweiten konzentrischen Bauteil angeordnet ist, der erste und zweite Laufringe trägt, die auf die erst genannten ersten und zweiten Laufringe hin gerichtet sind, und daß der Träger gegen Drehung relativ zu dem zweiten konzentrischen Bauteil gesichert ist, jedoch axial ihm gegenüber gleitbar ist.

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Um den gemeinsamen Laufringträger gegen Drehuiig relativ zu dem zweiten konzentrischen Körper zu sichern, kann er mit radial vorstehenden axial verlaufenden Keilnuten oder Klauen versehen sein« die mit entsprechenden Keilnuten des zweiten konzentrischen Teiles in Eingriff stehen,¹ um eine Drehung damit zu gewährleisten, ohne daß eine axiale Bewegung verhindert wird.

Die Vorlast auf den zweiten Laufririg kann durch eine Federanordnung aufgebracht werden, die aus einer oder mehreren Tellerfedern besteht, die zwischen einem Anschlag auf dem ersten konzentrischen Körper und dem Laufring wirken.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigeni

Fig. 1 ein Gasturbinenstrahltriebwerk, bei welchem ein erfindungsgemäß ausgebildetes Wälzlager Verwendung finden kanni

Fig. 2 eine aufgebrochene Teilansicht der in Figur 1 mit A gekennzeichneten Fläche;

Flg. 3 eine Schnittansioht eines Lagers gemäß der Erfindung mit weiteren Einzelheiten.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 1 mit Frontgebläse, welches in Strömungsrichtung hintereinander einen Gebläseteil 2, einen Niederdruckkompressor 4, einen Hochdruckkompressor 6, eine Verbrennungseinrichtung 8, eine Hochdruckturbine 9, eine Niederdruckturbine 12 und einen Abgaskanal sowie eine Schubdüse aufweist» Das Triebwerk ist als Zweiwellen-Triebwerk ausgebildet, bei welchem die Niederdruckturbine den Niederdruckkompressor und

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das Gebläse antreibt, während die Hochdruckturbine den Hochdruckkompressor antreibt. Die Niederdruckturbine treibt den Niederdruckkompressor und das Gebläse über eine Hohlwelle 16 (Figur 2) an, die als Niederdruckwelle bezeichnet werden soll. Die Hochdruckturbine 10 treibt den Hochdruckkompressor 6 über eine hohle Hochdruckwelle 20,die konzentrisch zu der Niederdruckwelle 16 liegt und diese umschließt. Die Hochdruckwelle 20 wird hinten von dem statischen Aufbau 22 mittels eines Kugellagers 24 getragen· Diese beiden Lager werden durch ölzufuhr aus Düsen 28 geschmiert, die in einer Ringzuleitung angeordnet sind. Das andere Ende der Welle wird in ähnlicher Weise abgestützt.

Die Niederdruckwelle wird außerdem durch nicht dargestellte Lager am Vorderende und am Hinterende getragen. Die Niederdruckwelle ist jedoch sehr viel länger als die Hochdruckwelle und es ist daher erwünscht, die Niederdruckwelle irgendwo im Mittelabschnitt zwischen dem Vorder- und Hinterlager zu unterstützen. Dies kann dadurch geschehen, daß ein allgemein mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnetes Lager zwischen die Niederdruckwelle und die Hochdruckwelle eingesetzt wird. Das Lager 32 liegt am Vorderende der Hochdruckwelle 20 und etwa in der Mitte der Niederdruckwelle 16, so daß die Welle 16 wirksam von der Welle 20 abgestützt und stabilisiert wird, wobei die Hochdruckwelle 20 ihrerseits von den Lagern 24 und 26 getragen wird.

Die Notwendigkeit eines solchen Lagers 32 wird offenbar, wenn man die beiden Betriebsbedingungen der Welle 16, nämlich im Ruhezustand und bei Drehung, betrachtet. Im Ruhezustand sackt die Welle unter ihrem Eigengewicht in der Mitte relativ zu den Enden durch, und wenn das Triebwerk über eine längere Zeitdauer steht, ohne daß sich die Welle dreht, führt dies zu einer geringen aber dynamisch schwerwiegenden dauerhaften Deformation

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der Welle. Wegen dieser Tendenz der Deformierung unter dem Eigengewicht und weil es nicht möglich ist» eine völlig gerade und rotationssymmetrisch gestaltete Welle herzustellen» sucht sich der Massenmittelpunkt jeder Welle oder jedes Wellenabschnitts von der Drehachse zu versetzen» die als Linie definiert ist, welche durch die Mittelpunkte der beiden Endlager hindurchläuft. Die Welle sucht sich dann exzentrisch zu drehen, wodurch das Phänomen erzeugt wird, welches in der Fachsprache als "Plattern" bezeichnet wird.

Das Flattern erzeugt eine Übermäßige Vibration und beschädigt mechanisch die Traglager.

Es ist ersichtlich, daß ein solches Zwischenlager 32 zur Verhinderung des Durchsackens der ruhenden Welle 16 beiträgt und ein Flattern verhindert, wenn die Welle 16 umläuft«

Leider reicht es nicht aus, ein einfaches Kugel- oder Rollenlager zwischen den Wellen 16 und 20 vorzusehen, deren innere und äußere Laufringe fest an der Welle 16 bzw. der Welle 20 montiert sind. Eine solche Anordnung wäre unzweckmäßig, weil eine relative Längsbewegung zwischen den Wellen stattfindet, da sie sich infolge Temperaturdifferenzen etwas in der Länge ausdehnen. Aerodynamische Belastungen der Turbinenschaufeln bzw. der Kompressor schaufeln werden auf die Wellen übertragen, und diese Kräfte suchen ebenfalls die Längen der Wellen zu ändern. Die Wellen können außerdem zwischen ihrem Vorderlager und ihrem Hinterlager ein wenig "nebengeschlossen" sein. Außerdem wird ein Lager, welches zwischen den beiden Wellen eingesetzt ist, leicht belastet, d.h. die Reaktionskräfte an den Berührungspunkten zwischen den Wälzkörpern und ihren.Laufringen ist gering und wenn eine genügend hohe Drehzahldifferenz zwischen den Wellen vorhanden 1st, findet ein Rutschen oder Gleiten der Wälzelemente an ihren Laufringen statt, was zu

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- 6 -einer mechanischen Beschädigung der Lager führt.

Um diese Probleme zu lösen, kann eine Lageranordnung gemäß der Erfindung benutzt werden. Das Lager 32 gemäß Figur 2 ist ein solches Lager und dieses ist in Figur 3 im einzelnen dargestellt.

Das Lager 32 besitzt zwei Kugelreihen, wobei die vordere Reihe 34- mit den größeren Kugeln die Hauptlagerbelastung trägt. Der äußere Laufring 36 des vorderen Lagers ist im Preßsitz in das erweiterte Ende 21 der Bohrung der Hochdruckwelle 20 eingesetzt. Der Laufring 36 wird außerdem durch einen Ring 38 und eine Ringmutter 40 verspannt. Der innere Laufring 42 ist an einem Tragring 44 befestigt, der mit Klauen 48 in in Längsrichtung verlaufende Keilnuten 46 der Niederdruckwelle 16 eingreift. Die Klauen 48 sind Teil einer radial vorstehender Rippe 47, die gegenüber dem Hülsenabschnitt 50 der Welle l6 gleitbar 1st. Demgemäß kann sich die Welle 16 frei relativ zu der Welle 20 und zu dem Träger 44 in Axialrichtung bewegen, jedoch muß sich der Laufring 42 mit der Welle l6 drehen.

Die hintere Reihe 52 mit kleineren Kugeln besitzt einen äußeren Laufring 5^* der durch eine oder mehrere Federn 56 axial auf den Laufring 36 hin vorgespannt ist. Die Feder kann beispielsweise als Tellerfeder ausgebildet sein, oder von gewellten Unterlegscheiben gebildet sein. Der äußere Laufring 54 kann axial frei in einem Gehäuse Innerhalb des erweiterten Abschnitts 21 der Hochdruckwelle 20 gleiten.

Der innere Laufring 58 der hinteren Kugelreihe 52 liegt benachbart zu dem inneren Laufring 42 der vorderen Kugelreihe und 1st durch den gleichen Tragring 44 fest verspannt.

Die Schmierung der beiden Lagerreihen 34 und 52 wird dadurch

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bewerkstelligt, daß öl aus einer Ringleitung 30 (Figur 2) durch ein Rohr 60 und die Düse 62 in den Kanal 64 gefördert wird, der durch die Dicke der Welle 20 hindurchführt. Infolge der Zentrifugalkräfte strömt das öl über den radial äußeren Teil des Kanals 64 und wird demgemäß nach axial verlaufenden Kanälen 66 an der radial inneren Seite der Laufringe 42 und 58 gefördert. Von dort strömt das öl durch Löcher 68 in den Laufringen, um die Lager 34 und 52 zusammen mit dem Lager- käfig 33 und 51 zu schmieren. Es sind Labyrinthdichtungen 69 zwischen den Fortsätzen des Tragringes 44 vorgesehen, und die Teile 38 und 70 laufen mit der Welle 20 um. Diese Dichtungen verhindern ein Eindringen von Luft über den Ringkanal zwischen den Wellen 16 und 20 nach dem Lager.

Im Betrieb wird die Kugelreihe 34 durch Übertragung der Vorlast, die auf dem Laufring 54 lastet, über die Kugelreihe 52 auf die inneren Laufringe 58 und 42 vorbelastet und dann wird die Kraft über die Kugelreihe 34 auf den festen äußeren Laufring 36 übertragen. Die Kugeln und Laufringe geben somit eine größere Lagerreaktionskraft und ein Gleiten der Kugeln wird im wesentlichen verhindert.

Patentansprüche: 509816/022 1 .

Claims

2U2123

- 8 Patentansprüche

Doppelkugellager mit zwei Kugelreihen zum Einbau zwischen einem ersten rotierenden Teil.und einem zweiten hierzu konzentrisch liegenden rotierenden Teil, wobei die beiden Teile einer axialen Relativbewegung gegeneinander unterworfen sind, wobei ein Laufring der ersten Kugelreihe fest auf dem ersten konzentrischen Teil angeordnet ist und der gegenüberliegende Laufring der ersten Kugelreihe und ein Laufring der zweiten Kugelreihe auf dem zweiten konzentrischen Teil gelagert sind, während der andere Laufring der zweiten Reihe auf dem ersten konzentrischen Teil begrenzt axial gleitbar gelagert ist und axial nach der ersten Kugelreihe hin vorbelastet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Laufringe(42,58),die auf dem zweiten konzentrischen Teil (16) gelagert sind, an einer gemeinsamen Zwischenbuchse (44) befestigt sind oder einen Teil derselben bilden, die auf dem zweiten konzentrischen Teil (16) gelagert ist, und Mittel (47)(48) aufweist, wodurch eine Relativdrehung verhindert, eine axiale Gleitbewegung jedoch ermöglicht wird.
2. Doppelkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Trägerhülse (44) axial verlaufende in radialer Richtung vorspringende Keilnuten oder Klauen (47,48) aufweist, die mit entsprechenden

■0-

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Keilnuten (46) des zweiten konzentrischen Teiles (16) in Eingriff stehen, um eine Mitnahme in Drehrichtung zu gewährleisten, während eine rela- ~ tive Axialbewegung nicht verhindert ist.

Doppelkugellager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlast auf den Laufring (54) der zweiten Kugelreihe über eine Feder (56) bewirkt wird, die von einer oder mehreren Tellerfedern gebildet ist, welche zwischen einem Anschlag auf dem ersten konzentrischen Teil (20) und dem Laufring (54) wirken.

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