DE2543258A1

DE2543258A1 - Vorrichtung zur lagerung einer ueberkritisch laufenden welle in einer hohlwelle

Info

Publication number: DE2543258A1
Application number: DE19752543258
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Hagemeister
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1975-09-27
Filing date: 1975-09-27
Publication date: 1977-03-31

Description

Vorrichtung zur Lagerung einer überkritisch
laufenden Welle in einer Hohlwelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lagerung einerüberkritisch laufenden Welle in einer Hohlwelle.
Bei Zweiwellengasturbinen ist es bekannt, die Radscheiben von Gaserzeuger und Nutzturbine an den einen Enden zweier koaxial ineinander angeordneter Wellen zu lagern, wobei die Wellen an ihren anderen Enden mit den Abtriebsritzeln versehen sind. Die äußere Hohlwelle gehört zur Nutzturbine und entsprechend die innere Welle zum Gaserzeuger.
Aus mechanischen und konstruktiven Gründen ist es dabei wünschenswert, die Bohrung der Hohlwelle der Nutzturbine möglichst klein zu halten. Der mechanische Grund ist, daß mit steigendem Bohrungsdurchmesser die Tangentialspannungen in der Welle steigen.
Der konstruktive Grund ist, daß die Wälzlager des Nutzturbinenrohrs einen möglichst kleinen Durchmesser haben sollten, um den Kennwert D x n der Lager klein zu halten, wobei D der Lageraußendurchmesser und n die Drehzahl sind.
Der kleinste Durchmesser für ein vorgegebenes Drehmoment läßt sich mit einer Vollwelle darstellen, die aber andererseits gegenüber einer Hohlwelle mit gleicher Torsionsfestigkeit den Nachteil des größeren Gewichtes und damit der niedrigeren kritischen Drehzahl hat.
Um bei einer Zweiwellengasturbine der eingangs genannten Art mit einer kleinen Bohrung der Hohlwelle auskommen zu können, muß die innere Welle eine Vollwelle sein, die Jedoch mit Rücksicht auf die überlicherweise geforderten Drehzahlen meist im überkritischen Bereich dreht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schafen, die ohne ihrerseits einen großen Durchmesser zu bewirken oder einen großen Bauaufwand zu bedingen, das Durchfahren der kritischen Drehzahl für die innere Welle ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zum Durchfahren der kritischen Drehzahl der inneren, als Vollwelle ausgebildete Welle zwischen Vollwelle und Hohlwelle ein hydraulisches Dämpfungslager vorgesehen ist, dessen Druckmittel nahe dem einen Ende der Wellen in den Ringspalt zwischen beiden Wellen eingebracht und über diesen Ringspalt dem Lager zugeführt wird und nach dem Durchtritt durch das Lager vor den beiden anderen Wellenenden, insbesondere vor Gaserzeuger und Nutzturbine, über einen als Ringkammer ausgebildeten Sammelraum nach außen abgeführt wird.
Mit dieser Lösung ist ein einfaches Fesselungslager offenbart, durch das die innere Welle zuverlässig kritische Drehzahlen 1. und 2. Ordnung durchfahren kann.
Vorteilharterweise sollte das Lager an der Stelle des größten zu erwartenden Schwingungsausschlages angeordnet sein. Für die Dämpfung der kritischen Drehzahl 1. Ordnung ist dies die Mitte der Welle. Für die optimale Dämpfung der kritischen Drehzahl 1. und 2. Ordnung wären zwei Dämpfungslager etwa Jeweils auf 1/3 Teilung der Länge der Welle anzuordnen. Zur Dämpfung genügt Jedoch an dieser Stelle nicht allein ein Anschlag, der die Schwingungsamplitude begrenzt, sondern es muß vielmehr eine Reaktionskraft während des gesamten Schwingweges der Schwingungsbewegung entgegengerichtet sein und die erforderliche Dämpfungsarbeit aufbringen. Dies gelingt mit der Erfindung, weil in dem Dämpfungslager ein geschlossener Ölfilm vorhanden ist. Dieser Ölfilm dient dabei selbstverständlich auch als Schmierfilm für die gegeneinander mit unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten gleitenden Oberflächen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, wobei Fig. 1 und Fig. 2 je ein Ausführungsbeispiel darstellen.
Durch die Bohrung eines Nutzturbinenrotors mit dem Turbinenrad 3 und der angeschweißten oder angeschmiedeten Welle 4 ist eine Vollwelle 1 geführt, die Leistung von einem von dem Nutzturbinenrotor 3, 4 unabhangig rotierenden Turbinenrad 2 zu einem Abtriebsritzel 7 überträgt.
An der Stelle 8 wird Öl zugeführt. Die Abdichtung an der Ö1-zuführung 8 erfolgt durch Schwimmringdichtungen 9 oder andere geeignete Dichtungen. Das Öl fließt von der Zuführung 8 nach links durch den Ringspalt zwischen der Hohlwelle 4 und der Vollwelle 1 zum Dämpfungslager 10. Es tritt hier in den Dämpfungsspalt ein, der für die Öldurchflutung als Drosselspalt wirkt. Das Jenseits des Lagers austretende Öl muß in den ölablaufraum des Triebwerkes zurückgeführt werden und darf keinesfalls in den Raum zwischen den beiden Turbinenscheiben 2 und 3 gelangen. Zu diesem Zweck ist die Hohlwelle 4 mit einer ringförmigen Fangnut 11 versehen. Der aus dem Spalt des Dämpfungslagers 10 austretende ölringstrahl wird durch die auf ihn wirkenden Fliehkräfte konisch aufgeweitet, löst sich dabei von der Vollwelle 1 ab und legt sich an die Oberfläche der Fangnut 11 an, in der sich also das Öl sammelt. Aus der Fangnut wird das Öl durch die Bohrungen 12 radial nach außen gefördert.
Aus dem Raum zwischen den Turbinenrädern 2 und 3 dringen Gase in den Ringspalt zwischen der Hohlwelle 4 und der Vollwelle 1 ein.
Der Durchtritt dieser Gase in die Ölfangnut 11 wird durch die Dichtung 13 getrennt. Im Beispiel ist dies eine Kolbenringdichtung.
Das Ö1 wird aus den Bohrungen 12 in einen zwischen der Hohlwelle 4 und deren Lagerbüchse 6 befindlichen Ringraum 14 gespritzt. Die Lagerbüchse 6 hat eine Stufe 13. Dadurch wird bewirkt, daß das Ö1 sich im Ringraum 14 von den mitgeführten Gasen trennt. Das 1 wir durch die Bohrungen 16 in den Ö1-ablaufraum gespritzt oder gelangt durch dæ Bohrungen 17 in das Lager 18, um dieses zu schmieren. Die abgeschiedenen Gase gelangen durch den Ringraumteil 15 zu Bohrungen 19 und treten durch diese in den Ölablaufraum aus.
Die einwandfreie Abführung des Öles ist nur dann gewährleistet, wenn die Hohlwelle 4 rotiert. Es sind aber Betriebszustände denkbar, bei denen die Turbine 3 stillsteht und die Turbine 2 und mit ihr die Vollwelle 1 rotiert. In diesem Falle werden in die zylindrische Oberfläche der Lagerstelle auf der Welle 1 eingeschnittene Spiralnuten 20 als Ölrückfördergewinde wirksam, wodurch die Öldurchflutung des Dämpfungslagers stark gedrosselt oder ganz unterbunden wird. Mit steigender Drehzahl der Hohlwelle 4 verliert das Rückfördergewinde an Wirkung und die Ö1-durchströmung nimmt zu. Das Rückfördergewinde wird nicht über die ganze Länge der zylindrischen Lagerstelle geführt, damit entstehen auf beiden Seiten die Drosselspalte zur Drosselung der Öldurchströmung.
Inbeiden Beispielen gemäß Fig. 1, 2 sind die bisher beschriebenen Bauteile und Wirkungen die gleichen. Der Rotor mit der Hohlwelle 4 hat in beiden Fällen eine angeschweißte oder angeschmiedete Turbinenscheibe 3. Auf ihm sind die Labyrinthträger 5, die Wellenbüchse 6 mit dem turbinenseitigen Lager 18, die Lager 21 und das Abtriebsritzel 22 aufgezogen. Die Vollwelle 1 ist in beiden Fällen innerhalb der Hohlwelle 4 mit der Dichtung 13 und dem Dämpfungslager 10 versehen.
Die beiden Beispiele unterscheiden sich bezüglich des seitlichen Anschlusses der Vollwelle.
Im Beispiel gemäß Fig. 1 trägt die Vollwelle am rechten Ende eine Mitnehmerverzahnung, die in das entsprechende Gegenprofil des Ritzels 7 eingreift. Diese Verzahnung gleicht Fluchtungsfehler zwischen der Vollwelle 1 und der Lagerung des Ritzels 7 aus. Sie wird von der Ölzuführung 8 her mit Öl versorgt. Die Leckage durch den Abschlußring 24 sorgt für eine Durchflutung der Zahnkupplung mit Schmiermittel. Die Vollwelle 1 ist direkt an das Turbinenrad 2 angesetzt (z.B. angeschweißt). Fluchtungsfehler zwischen der Achse des Turbinenrades 2 und der Lagerung des Ritzels 7 müssen durch elastische Verformungen der Vollwelle ausgeglichen werden. Die axiale Lage der Vollwelle 1 wird durch das Axiallager des Rotors 2 festgelegt. Wärmedehnungen der Vollwelle 1 werden dadurch ausgeglichen, daß das Ritzel 7 in Zylinderrollenlagern gelagert ist und sich daher axial beliebig auf die Länge der Vollwelle 1 einstellen kann.
Im Beispiel gemäß Fig. 2 ist die Vollwelle 1 an beiden Enden durch eine flexible Membrane 25 angeschlossen. Durch diese Membranen wird ein weitgehend reaktionsfreier Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen der Achse des Turbinenrades 2 und der Achse des Ritzels 7 gewährleistet. In diesem Falle ist ein zweites Dämpfungslager 26 zwischen der Hohlwelle 27 und der Vollwelle 1 angeordnet. Der Ölaustritt aus dem Ringraum zwischen der Hohlwelle 27 und der Vollwelle 1 wird durch die O-Ring-Dichtung 28 gelindert.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprtiche 1. Vorrichtung zur Lagerung einer überkritisch laufenden Welle in einer Hohlwelle, insbesondere für ein Zweiwellengasturbinentriebwerk, dessen Nutzturbine auf dem einen'Ende der Hohlwelle, dessen Gas erzeuger auf dem entsprechenden Ende der in der Hohlwelle gelagerten Welle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durchfahren der kritischen Drehzahl der inneren, als Vollwelle ausgebildete Welle zwischen Vollwelle und Hohlwelle ein hydraulisches Dämpfungslager vorgesehen ist, dessen Druckmittel nahe dem einen Ende der Wellen in den Ringspalt zwischen beiden Wellen eingebracht und über diesen Ringspalt dem Lager zugeführt wird und nach dem Durchtritt durch das Lager vor den beiden anderen Wellenenden, insbesondere vor Gaserzeuger und Nutzturbine, über einen als Ringkammer ausgebildeten Sammelraum nach außen abgeführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Dämpfungslager ein Bund der Vollwelle (1) ist, in dem ein den Durchgang des hydraulischen Druckmittels drosselnder Kanal wendelförmig eingeschnitten ist, dessen Querschnitt von einem Innenbund der Hohlwelle geschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (11) unmittelbar zwischen dem Dämpfungslager (10) und einer nach den Wellenenden mit Gaserzeuger und Nutzturbine hin wirkenden Dichtung (13) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang vom Dämpfungslager (10) zur Ringkammer (11) den ringförmig aus dem Lager austretenden Druckmittelstrahl aufweitet und an die Außenkontur der Ringkammer anlegt, von wo aus das Druckmittel mit Radialbohrungen (12) entnommen und dem Druckmittelablaufraum des Triebwerkes zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (13) am Ende der Ringkammer (11) gas- und flüssigkeitsundurchlässig ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialbohrungen (12) in einem Ringraum (6a) zwischen der Hohlwelle (4) und deren Lagerbüchse (6) münden, der mit einer Stufe (13) zum Entmischen von hydraulischem Druckmittel und mitgeführten Gasen versehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Druckmittel Öl ist, das nach dem Durchströmen des Dämpfungslagers (10) der Schmierung von Wellenlagern (18) dient.
8. Vorrichtung nac-h Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betriebszustand der stillstehende Vollwelle (1) und der rotierenden Hohlwelle (4) der wendelförmige Kanal des Dämpfungslagers (10) als Rückfördergewinde ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der wendeförmige Kanal des Dämpfungslagers (10)-nurim mittleren Bereich als Rückfördergewinde ausgebildet ist.

lo. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei axial nachgiebiger Lagerung der Vollwelle (1) in beiden Richtungen, z.B. durch ihren Anschluß an einer Membrane (25) an beiden Enden, axial gegeneinander versetzt zwei Dämpfungslager (10, 26) vorgesehen sind.