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Rotorkörper-Welle-Verbindung für Rotoren von Gasturbinentriebwerken
Die Erfindung betrifft eine Rotorkörper-Welle-Verbindung zur Rotoren von Gasturbinentriebwerken,
mit einer der Rotorkörper auf der Welle halternden Verbindungskonstruktion, die
eine die Drehbewegung zwischen diesen beiden Teilen übertragende Triebverbindung
aufweist.
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Eine der Hauptschwierigkeiten, denen der Konstrukteur von solchen
Rotorkörp er -Welle-Verbindungen und von dazugehörigen Lagern ständig begegnet,
insbesondere wenn es sich um große Gebläserotoren handelt, ist die Ausbildung einer
ausreichend robusten Konstruktion zur Halterung des Rotors für den Fall, daß im
Betrieb des Triebwerks beispielsweise durch das Loslösen bzw. den Bruch einer Schaufel
eine Unwucht auftritt Ublicherweise wird dieses Problem dadurch berücksichtigt,
daß eine entsprechend stabile Halterung und Lagerung der Rotorteile bzw, des Rotors
vorgesehen wird, die weit größeren Querkräften widerstehen kann, als sie im normalen
Betrieb auftreten, Daraus ergibt sich jedoch eine Konstruktion, die viel schwerer
ist, als eigentlich wünschenswert wäre, was sich insbesondere bei Flugzeug-Gasturbinentriebwerken
als schwerwiegender Nachteil auswirkt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rotorkörper-Welle-Verbindung
zu schaffen, die eine leichtere Ausbildung des Rotors und der Rotor lagerung zuläßt
und trotzdem eine möglicherweise im Betrieb des Triebwerks auftretende Unwucht unter
Aufrechterhaltung der Triebverbindung zwischen Welle und Rotorkörper mindestens
solange verkraften kann, bis das Triebwerk sicher auslauren kann,
Zur
Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Rotorkörper-Welle-Verbindung gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die Triebverbindung so bemessen ist, daß sie, falls
die auf den Rotorkörper wirkenden Querkräfte eine vorgegebene Größe überschreiten,
bricht, und daß die Rotorkörper-Welle-Verbindung außerdem eine in Querrichtung flexible,
eine Torsionssteife Hilfstriebverbindung enthaltende Hilfsverbindungskonstruktion
aufweist, welche Rotorkörper und Welle nach einem Bruch der erstgenannten Triebverbindung
querbeweglich und drehfest miteinander verbindet, Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
wird also nach einem Bruch der Triebverbindung noch weiterhin eine- sichere Halteurng
und treibende Verbindung zwischen der Welle und dem Rotorkörper aufrechterhalten,
wobei jedoch der Rotorkörper zum Ausgleich der Unwucht relativ zur Welle querbeweglich
geführt ist, Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher es sich beim Rotor
um das Gebläse eines Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerks handelt, weist die Verbindung
skonstruktion einen mit der Welle verbundenen Ring auf, auf welchem die Gebläsescheibe
mittels einer kranzförmigen Anordnung von Zapfen, Bolzen oder dergleichen
befestigt
ist, welch letztere die Triebverbindung bilden und so bemessen sind, daß sie brechen,
wenn die auf den Rotorkörper wirkenden Querkräfte die vorgegebene Größe überschreiten.
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Die Hilfsverbindungskonstruktion kann mindestens eine kranzförmige
Anordnung von axial verlaufenden, in Querrichtung flexiblen Streben aufweisen, welche
den Rotorkörper und die Welle miteinander verbinden, Diese Streben können zwei Antriebsringe
so miteinander verbinden, daß eine zylindrische Konstruktion mit ausreichender Torsionssteifigkeit
gebildet ist, Ist jedoch die geforderte Querflexibilität so groß daß die Streben
für sich allein nicht die erwünschte Torsionssteifigkeit herstellen können, so kann
die Hilfsverbindungskonstruktion eine gesonderte Hilfstriebverbindung zwischen der
Welle und dem Rotorkörper aufweisen, die zwar in Querrichtung flexibel, jedoch torsionssteif
ist, Diese Hilfstriebverbindung kann beispielsweise ein zylindrischer Balg sein
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist eine die Welle mit dem Rotorkorper
verbindende Hilfswelle vorgesehens welche sowohl die Drehsteifigkeit für den Antrieb
des Rotork6rpers als auch die Querflexibilität besitzt. Diese hohle Hilfswelle kann
stulpenartig ausgebildet
und mehrfach gekröpft sein, um die erforderliche
Flexibilität zu erreichen, Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform wird
die Querflexibilität durch eine zwischen dem Rotorkörper und der Welle angeordnete
Feder hergestellt, und es sind Hilfswellen mit kugeligen Endanschlüssen vorgesehen,
um die Triebverbindung herzustellen und die Axialschübe aufzunehmen.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit
Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, In den Zeichnungen stellen
dar: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerks
mit aufgebrochenem Gehäuse, Fig, 2 einen vergrößerten Axialschnitt zwischen der
Rotorkörper-Welle-Verbindung des Gebläses des in Fig. 1 gezeigten Triebwerks,
Fig,
3 eine Rotorkörper-Welle-Verbindung bei einem praktisch ausgeführten Triebwerk,
und Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Rotorkörper-Welle-Verbindung, Fig. 1
zeigt ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk 10, das, strömungstechnisch hintereinander
geschaltet, ein Gebläse 12, einen Niederdruckverdichter 13, einen Hochdruckverdichter
14 eine Brenneinrichtung 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Niederdruckturbine 17
und eine Abgasdüse 18 aufweist, Die Verdichter 13 und 14 und die Turbinen 16 und
17 sind auf einer nicht dargestellten, gemeinsamen Welle angeordnet, Das Gebläse
wird über eine Hauptwelle 19 angetrieben, und die Verbindung zwischen dem Gebläserad
und der Hauptwelle ist bei 9 dargestellt, Gemäß Fig. 2 sind zwei Halteringe 20 auf
der Hauptwelle 19 angeordnet, die beide durch Keilverzahnung drehfest mit der Welle
verbunden sind, Eine nicht gezeigte, herkömmliche Fixierung legt die beiden Halteringe
20 axial fest, Die beiden Halteringe 20 bilden zwischen sich eine Ringnut 21, welche
einen Ringflansch 22 des Gebläserades aufnimmt,
Die Haupttriebverbindung
zwischen der Hauptwelle 19 und der Gebläseradscheibe 23, die hier den Rotorkörper
bildet, umfaßt eine kranzförmige Anordnung von abscherbaren Zapfen bzw. Bolzen 24,
die durch die beiden Halteringe 20 und den Ringflansch 22 hindurchgesteckt sind
und so die Gebläseradscheibe radial festlegen und drehfest mit den Halteringen verbinden.
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Selbstverständlich können auch auf andere Weise ausgebildete zerstörbare
Verbindungselemente zur Herstellung der Haupttriebverbindung anstelle der dargestellten
Bolzen 24 Anwendung finden, Im normalen Betrieb wird die Gebläseradscheibe 23 über
die Halteringe 20» die kranzartige Bolzenanordnung 24 und den Ringflansch 22 angetrieben
und auf der Welle gehalten. Die, die Triebverbindung herstellenden Bolzen 24 sind
jedoch so bemessen, daß sie, wenn eine ausreichend große Unwucht in der Gebläseradscheibe
23 auftritt, brechen, wonach die Halterung und der Antrieb des Gebläserades von
der nachstehend im einzelnen beschriebenen Hilf sverbindungskonstruktion übernommen
werden.
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Die Hilfsverbindungskonstruktion weist zwei koaxiale, kranzförmige
Anordnungen von axial verlaufenden
Streben 25 und 26 auf. Die Streben
25 verbinden einen Flansch der Gebläseradscheibe 23 mit einem Zwischenring 27 und
die Streben 26 verbinden diesen Zwischenring 27 mit dem hinteren Haltering 20. Die
Wirkungsweise dieser Anordnung besteht darin, daß sie eine Querflexibilität erzeugt,
die der bei einer einfachen Strebenanordnung, bei welcher die Strebenlänge die Summe
der Längen der Streben 25 und 26 beträgt, erhältlichen Querflexibilität äquivalent
ist.
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Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel reicht die Drehsteifigkeit
der Streben 25 und 26 und des Zwischenringes 27 nicht zur Ubertragung des erf orderlichen
Drehmoments von den Halteringen 20 auf die Gebläseradscheibe 23 aus, weshalb ein
zylindrischer Balg 31 zur Drehmomentübertragung vorgesehen ist0 Dieser Balg ist
infolge seiner ziehharmonikaartigen Form in Querrichtung ebenfalls flexibel so daß
die relativen Querbewegungen zwischen der Welle und dem Gebläserad die Drehmoment-Übertragung
zwischen diesen Teilen nach dem Bruch der Haupttriebverbindung nicht beeinträchtigen.
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Die Länge und die Flexibilität der Streben 25 und 26 sind so bereehnets
daß bei den beispielsweise durch Verlust einer Gebläseschaufel im Triebwerksbetrieb
verursachten
unwuchtbedingten Fliehkraftwirkungen der Radialversatz
der Gebläseradscheibe aufgenommen werden kann, was die Übertragung übermäßig großer
Querkräfte auf das Wellenlager 30 und folglich auf die das Lager haltende Statorkonstruktion
verhindert.
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Das Triebwerk kann daher einer Beschädigung durch Fremdkörper standhalten,
die so groß ist, daß eine Gebläseschaufel zerstört wird, und kann ohne weitere Zerstörung
während der zum Auslaufen benötigten verhältnismäßig kurzen Zeitspanne weiterlaufen,
Die Fig. 3 und 4 zeigen wie die erfindungsgemäße Konstruktion bei praktisch ausgeführten
Triebwerken Anwendung finden kann.
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In Fig. 3 ist ein Gebläselaufrad 123 gezeigt, das an seinem Umfang
eine Vielzahl von Gebläseschaufeln 112 trägt. Das Gebläse wird normalerweise von
der Triebwerkshauptwelle 119 über einen Antriebskonus 120 angetrieben, der über
eine zerstörbare Verbindung 124 mit einem wellenstumpfförmigen Ansatz 121 der Gebläseradscheibe
verbunden ist, Diese zerstörbare Verbindung 124 nLmwaß eine Vielzahl von Zapfen
bzw. Bolzen 131, die durch aneirnder an1iegede Flansche des Antriebskonus 120 und
des
Ansatzes 121 hindurchgesteckt sind. Diese Bolzen 131 sind so bemessen, daß sie breichen,
wenn eine einen vorgegebenen Wert übersteigende Querkraft auf die Verbindung wirkt.
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Die Hauptwelle 119 ist in einem vorderen Wellenlager 130 gelagert,
das seinerseits von der Statorkonstruktion 132 stromab des Gebläses gehalten wird,
so daß also das Gebläse fliegend angeordnet ist, Bei dieser Ausführungsform weist
die Hilfsverbindungskonstruktion eine Hilfsantriebswelle 125 auf, die ausreichend
lang list, um die erforderliche Querflexibilität herzustellen, die jedoch auch ausreichend
torsionssteif ist, um nach einem Bruch der zerstörbaren Haupttriebverbindung die
Kraftübertragung von der Welle auf das Gebläserad zu übernehmen. Die Hilfswelle
125 ist mittels einer Keilverzahnung 134 mit ihrem einen Ende mit dem Antriebskonus
120 verbunden und wird durch eine Mutter 135 axial fixiert. An ihrem anderen Ende
ist die Hilfswelle 125 mittels einer Keilverzahnung 136 mit einem weiteren Antriebskonus
137 verbundend der seinerseits über eine Flanschverbindung 138 mit einem zweiten
wellenstumpfförmigen Ansatz 139 der Gebläseradscheibe 123 verbunden ist.
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Eine weitere Mutter 140 fixiert den weiteren Antriebskonus 137 auf
der Hilfswelle 125.
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Es ist erkennbar, daß die Hilfswelle 125, um bei kompakter Ausbildung
der Hilfsverbindungskonstruktion die erforderliche Querflexibilität herzustellen,
stulpenartig durch zwei koaxiale Rohre gebildet ist, wodurch die Hilfswellenlänge
halbiert ist0 Dieses Merkmal ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, sondern die
Hilfswelle kann auch als einfaches zylindrisches Teil ausgebildet sein und sich
über eine ausreichende Länge nach hinten erstrecken, um die erforderliche Flexibilität
herzustellen.
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Die eben beschriebene Anordnung arbeitet ebenso wie die Anordnung
nach Fig, 2, so daß beim Auftreten einer übermäßig großen Unwucht beispielsweise
infolge des Verlusts einer Gebläseschaufel die zerstörbare Haupttriebverbindung
bricht und das Gebläserad danach von der Hilfsverbindungskonstruktion gehalten und
angetrieben wirdç Eine gewisse Dämpfung der nunmehr exzentrischen Bewegung des Gebläselaufrads
kann durch Herstellen einer Reibung zwischen den Flanschen der Verbindung 124 erzielt
werden, jedoch sollte diese Reibung nicht so groß sein, daß die Gegenbewegung des
Gebläserads verhindert wird, so daß es um eine veränderte Achse rotiert,
Fig
4 zeigt eine ähnliche Konstruktion wie Fig. 3> und es sind zur Bezeichnung gleicher
Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig, 3 verwendet.
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Bei dieser Anordnung weist die Hilfsverbindungskonstruktion eine
Federwelle 150 auf, die torsionssteif und mit einem Ende mit der Hauptwelle 119
und dem anderen Ende mit dem weiteren Antriebskonus 137 jeweils über kurze gewölbte
Keilverzahnungen 151 und 152 verbunden ist, Zur Aufnahme des auf das Gebläse wirkenden
Axialschubs im Falle des Einsatzes der Hilfsverbindungskonstruktion weist diese
außerdem ein axial steifes Rohr 153 auf, das an seinen beiden Enden kugelige Lagerflächen
aufweist, die in entsprechend kugelig geformten Aussparungen 154 und 155 der Hauptwelle
119 und des weiteren Antriebskonus 137 sitzens Sowohl die Federwelle 150 als auch
das Rohr 153 sind deshalb bei einer exzentrischen Drehung des Gebläserades auslenkbar.
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Zur Herstellung der querflexiblen Halterung des Gebläserads sind
zwischen dem Antriebskonus 120 und der Gebläseradscheibe 123 Pederelemente .156
angeordnet, Diese zur Hilfsverbindunskontruktion gehörenden Federelemente können
jede geeignte Form haben, beispielsweise, wie dargestellte
als
Schraubenfedern ausgebildet und in ineinandergreifenden Federgehäuseteilen 157 und
158 am Antriebskonus 120 und an der Gebläseradscheibe angeordnet sein. Es ist also
ersichtlich, daß nach dem Verlust einer Gebläseschaufel das Gebläselaufrad von der
zur Wirkung kommenden Hilfsverbindungskonstruktion weiter angetrieben und so gehalten
wird, daß es seine Gegenbewegung ausführen kann, Eine gewisse Dämpfung der Querbewegung
kann an den Seitenwänden der Federgehäuseteile 157 und 158 auftreten.
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Selbstverständlich können auch weiter abgewandelte Ausführungsformen
der oben erläuterten Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung Anwendung finden.