DE2912725C2 - Lagerspannvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Lagerspannvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerspannvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Lagerspannvorrichtung ist aus der GB-PS 8 08 410 bekannt.
Es ist bekannt, bei Maschinen mit mittels einem Wälzlager gelagerter Welle einen der Lagerringe, der sich mit der Welle drehen soll, mittels eines Preßsitzes auf der Welle zu befestigen. Beim Auftreten eines Lagerschadens bewirkt die von dem defekten Lager erzeugte Wärme ein Ausdehnen des Lagerrings, wodurch sich der Lagerring relativ zur Welle drehen kann. Eine derartige Relativdrehung zwischen Lagerring und Welle kann zu einem tatsächlichen Bruch der Welle führen, wodurch eine Beschädigung oder Funktionsstörung der Maschine auftreten kann.
Bisher wurde dieses Problem durch festes Verspannen des Lagerrings mit der Welle gelöst. Beispielsweise lag bei einer Gasturbine mit einer mittels Wälzlager gelagerten Turbinenwelle eine End- oder Seitenfläche des Lagerrings an einer Schulter der Turbinenwelle an. Die andere End- oder Seitenfläche stand mit einem festen, zylindrischen Bauteil in Eingriff, dessen andere End- oder Seitenfläche wiederum mit einer Schulter auf der Kompressorwelle in Eingriff stand. Auf eine auf der Kompressorwelle angeordnete Kontermutter wurde zum Aufbringen einer ersten Spannkraft zwischen Turbinen- und Kompressorwelle ein Drehmoment ausgeübt. Die Spannkraft verlief dabei durch die Turbinenwelle, den Lagerring, das feste, zylindrische Bauteil und die Kompressorwelle, wodurch der Lagerring mit der Turbinenwelle so verspannt wurde, daß eine Relativdrehung zwischen Welle und Lagerring im Fall eines Lagerschadens verhindert wurde.
Die oben beschriebene Anordnung verhinderte zwar wirkungsvoll bei einem Lagerschaden eine Relativdrehung zwischen Lagerring und Welle, machte jedoch infolge der Anzahl der Berührungspunkte auf dem oben beschriebenen Weg zum Ausüben der erforderlichen Spannkraft ein genaues Ausrichten von Kompressor- und Turbinenwelle schwierig. Durch die Schwierigkeiten beim Ausrichten ergaben sich bei der Maschine Vibrationsprobleme.
Die US-PS 40 46 430 beschreibt für ein Lager, das zwischen zwei koaxialen Wellen angebracht ist, einen viskosen Dämpfer, der durch eine parallel dazu angebrachte Feder stabilisiert ist, um die Eigenfrequenz von einer der Wellen zu erhöhen. Diese Feder ist flexibel in radialer Richtung und steif in axialer Richtung.
Ferner beschreibt die US-PS 39 09 085 eine Lageranordnung für zwei konzentrische Wellen, die in axialer Richtung relativ zueinander bewegbar sind. Die Lageranordnung enthält zwei Kugellager, deren äußere Laufringe an der Innenseite der äußeren Welle durch scheibenförmige Federelemente gegeneinander vorgespannt sind, um axial verschiebbar zu sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lagerspannvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die wirkungsvoll eine Relativdrehung zwischen einer der Wellen der Gasturbine und dem Lagerring des Turbinenwellenlagers verhindert, ohne daß die Spannkraft zwischen Turbinen- und Kompressorwelle beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Weg der Spannkraft zwischen der Turbinenwelle und der Kompressorwelle nur durch einen Berührungspunkt geht. Dadurch werden die bei bekannten Einrichtungen auftretenden Schwierigkeiten beim Ausrichten und die Vibrationsprobleme vermieden. Trotzdem wird eine relative Drehung zwischen der Turbinen- und der Kompressorwelle wirksam verhindert, denn aufgrund der Spannkraft wird das rohrförmige, axial elastische Bauteil axial zusammengedrückt, um eine ausreichende Axialkraft auf den Lagerring auszuüben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 1; und
Fig. 3 eine sehr stark vergrößerte Ansicht der Kompressoraustrittsdichtung der in Fig. 1 gezeigten Gasturbine.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte, bekannte Gasturbine 10 umfaßt einen Kompressor 12, einen Brennkammerabschnitt 16 und eine Turbine 18. Die Turbine 18 weist eine zylindrische Turbinenwelle 20 auf, die antriebsmäßig mit einer runden Kompressorwelle 14 zum Antrieb des Kompressors 12 verbunden ist und die Kompressorwelle teilweise umgibt.
Die Lagerspannvorrichtung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zum Verspannen von Lagerringen mit verschiedenen Wellen der Maschine verwendet werden. Wie man beispielsweise am besten in Fig. 2 sieht, ist die Turbinenwelle 20 drehbar in einem runden Wälzlager 22 gelagert. Das Lager 22 enthält einen inneren Lagerring 24, der an der Turbinenwelle 20 befestigt ist und sich mit ihr dreht. Der innere Lagerring 24 hat einen inneren Durchmesser, der ein wenig kleiner als der äußere Durchmesser der Turbinenwelle 20 ist. Die Befestigung des inneren Lagerrings 24 auf der Turbinenwelle 20 wird durch Erwärmen des inneren Lagerrings 24 bis zu einem Grad, bei dem der innere Durchmesser größer als der äußere Durchmesser der Turbinenwelle 20 ist, erreicht. Der innere Lagerring 24 wird dann auf die Turbinenwelle 20 aufgeschoben und abgekühlt, wodurch er um die Turbinenwelle 20 schrumpft und einen festen Preßsitz ausbildet.
Unter normalen Betriebsbedingungen ist der oben beschriebene Preßsitz ausreichend, um den inneren Lagerring 24 auf der Turbinenwelle 20 zu halten. Im Fall eines Lagerschadens jedoch kann die durch das beschädigte Lager erzeugte Wärme den inneren Lagerring 24 erwärmen und ausdehnen, wodurch sich der innere Lagerring 24 von der Turbinenwelle 20 löst und sich relativ zu ihr dreht. Eine derartige relative Drehung des Lagerrings kann möglicherweise zu einem Bruch der Turbinenwelle 20 und zu einer Beschädigung der Turbine führen.
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein axial federndes Bauteil 26 vorgesehen, das in diesem Ausführungsbeispiel aus einem elastischen rohrförmigen Teil besteht, das zum Aufbringen einer axialen Kraft auf den inneren Lagerring 24 zur Verhinderung einer relativen Drehung des Lagerrings 24 zur Turbinenwelle 20 dient. Axial soll in diesem Zusammenhang die Richtung längs der Achse Y-Y in der Zeichnung bedeuten. In diesem Ausführungsbeispiel ist das elastische Bauteil 26 als hinterer Teil der Kompressor-Austrittsdichtung 28 ausgebildet. In diesem Zusammenhang soll "hinterer Teil" die Richtung nach rechts längs der Achse Y-Y in der Zeichnung bedeuten. Das elastische Bauteil 26 besteht, wie man am besten aus Fig. 3 sieht, aus drei Reihen länglicher, im Abstand angeordneter, kreisbogenförmiger Schlitze 30, die in den hinteren Teil der Kompressor-Austrittsdichtung 28 zur Ausbildung von zwei Reihen Stegen 32, die beim Aufbringen einer axialen Kraft elastisch sind, eingefräst sind. Durch das Einbeziehen des federnden Bauteils 26 in einen Teil der bestehenden Kompressor-Austrittsdichtung, wird eine Relativdrehung zwischen einer der Wellen und dem Lagerring ohne Steigerung des Gesamtgewichts oder Verlängerung der Zusammenbauzeit der Turbine verhindert. Weiter sind die Kosten für den Einbau aufgrund der Einfachheit der Ausbildung des elastischen Bauteils als Teil der bestehenden Dichtung minimal.
Eine erste End- oder Seitenfläche 34 des inneren Lagerrings 24 steht mit einer kreisförmigen Schulter 36 auf der Außenseite der zylindrischen Turbinenwelle 20 in Eingriff. Die zweite End- oder Seitenfläche 38 des inneren Lagerrings 24 steht mit einer End- oder Seitenfläche 40 der Kompressor-Austrittsdichtung 28 in Eingriff, die das rohrförmige, elastische Bauteil 26 beinhaltet. Eine Schulter 42 der Kompressor-Austrittsdichtung 28 steht mit einer ringförmigen Schulter 44 auf der Kompressorwelle 14 in Eingriff. Der Abschnitt der Kompressor-Austrittsdichtung 28 zwischen der Schulter 42 und der Endfläche 40 ist ein wenig länger als der Abstand zwischen der zweiten Endfläche 38 des inneren Lagerrings 24 und der ringförmigen Schulter 44 auf der Kompressorwelle 14, so daß beim Zusammenbau das elastische Bauteil 26 zum Aufbringen einer axialen Kraft auf den inneren Lagerring 24 zusammengedrückt wird.
Eine schulterartige End- oder Seitenfläche 46 der Turbinenwelle 20 steht mit einer ringförmigen Schulter 48 auf der Kompressorwelle 14 in Eingriff. An einem Ende 50 der Kompressorwelle 14 ist eine Spanneinrichtung 52 vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel als Kontermutter ausgebildet ist, die mit einer ringförmigen Schulter 54 auf der Innenseite der zylindrischen Turbinenwelle 20 in Eingriff steht.
Der Zusammenbau wird durch Anziehen der Kontermutter 52 erreicht, wodurch die Turbinenwelle 20 nach links gedrückt und die Kompressorwelle 14 nach rechts gedrückt wird. Dies hat zum Ergebnis, daß das Ende 46 der Turbinenwelle 20 gegen die Schulter 48 der Kompressorwelle 14 gedrückt wird. Weiteres Anziehen der Kontermutter erzeugt eine Spannkraft zwischen der Turbinenwelle 20 und der Kompressorwelle 14, wodurch eine dauernde Berührung zwischen den beiden Wellen geschaffen wird. Das weitere Anziehen der Kontermutter führt weiter dazu, daß die Schulter 36 auf der Turbinenwelle 20 den inneren Lagerring 24 nach links gegen die Endfläche 40 des elastischen Bauteils 26 drückt. Die Schulter 44 auf der Kompressorwelle 14 drückt entsprechend die Schulter 42 der Kompressor-Austrittsdichtung 28 nach rechts. Dies führt dazu, daß das rohrförmige elastische Bauteil 26 axial zusammengedrückt wird, wodurch eine axiale Kraft auf den inneren Lagerring 24 ausgeübt wird, die den Lagerring gegen die Schulter 36 auf der Turbinenwelle 20 drückt. Die axiale Kraft ist ausreichend, um den inneren Lagerring 24 in bezug auf die Turbinenwelle 20 unabhängig von einer Ausdehnung des inneren Lagerrings 24 infolge eines möglichen Schadens des Lagers 22 festzuhalten.

Claims (5)

1. Lagerspannvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit Verdichter- und Turbinenwelle, enthaltend:
  • - wenigstens zwei axial fluchtende Wellen (14, 20), von denen eine Welle (14, 20) teilweise in die andere Welle (20, 14) eingeführt ist und die eine Welle gegen die andere Welle in axialer Richtung an Schultern (46, 48) anliegt,
  • - eine Lageranordnung (22), die eine Welle für eine Rotation haltert und einen an der Welle befestigten inneren Lagerring (24) aufweist, der an einer Schulter (36) der anderen Welle anliegt,
  • - eine Spanneinrichtung (52) zum Ausüben einer axialen Verbindungskraft zwischen den beiden Wellen (14, 20) über Schultern (48, 54),
    gekennzeichnet durch
  • - ein rohrförmiges, axial elastisches Bauteil (26), das die zwei Wellen (14, 20) umgibt und zwischen dem inneren Lagerring (24) und einer Schulter (42, 44) einer der Wellen (14, 20) axial vorgespannt ist.
2. Lagerspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Welle (14) die Verdichterwelle und die andere Welle (20) die Turbinenwelle ist.
3. Lagerspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige elastische Bauteil (26) ein Biegeteil ist, das mehrere im Abstand angeordnete, bogenförmige Umfangsöffnungen (30) aufweist.
4. Lagerspannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (30) drei Reihen von langgestreckten, im Abstand angeordneten bogenförmigen Schlitzen aufweisen, die zwei Reihen von Stegen (32) bilden, die sich bei axialer Belastung biegen.
5. Lagerspannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Bauteil (26) als hinterer Teil der Verdichteraustrittsdichtung (28) ausgebildet ist.
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