DE3014134C2

DE3014134C2 -

Info

Publication number: DE3014134C2
Application number: DE19803014134
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8060 Dachau De Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1980-04-12
Filing date: 1980-04-12
Publication date: 1988-04-14
Also published as: DE3014134A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Beseitigung von Rotorunwuchten bei Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, bei der mit Kompensationsunwuchtmassen versehene, in einer Wuchtebene nebeneinander angeordnete ringscheibenartige Bauteile relativ zueinander sowie koaxial zur Rotorlängsachse verdrehbar und in einer die Rotorunwucht gemeinsam kompensierenden Stellung am Rotor festlegbar sind, nach Patent 29 31 193.

Durch Materialungleichmäßigkeiten im Gefüge, Bearbeitungsungenauigkeiten innerhalb der Toleranzen, Setzerscheinungen bei gefügten Bauteilen usw. ist es selten möglich, den Massenschwerpunkt rotierender Teile auf der Rotationsachse zu plazieren. Damit entstehen Unwuchten für den Rotor, die aus dem Produkt der Masse des rotierenden Teiles mal dem Abstand des tatsächlichen Schwerpunktes zur Rotationsachse gebildet werden. Die Größe und Lage der Unwucht wird auf speziellen Maschinen ermittelt.

Bei schnellaufenden Rotoren bzw. großen rotierenden Massen ist es nötig, diese Unwucht aus Gründen der Bauteilbeanspruchung (somit der Lebensdauer) sowie u. a. aus Schwingungsgründen auf ein Minimum zu reduzieren. Dies geschieht grundsätzlich durch Materialentnahme an der Stelle der Unwucht bzw. durch Hinzufügen von Material an der der Unwucht gegenüberliegenden Seite des Rotorbauteils. Dieses wiederum kann an jedem einzelnen Bauteil eines z. B. zusammengeschraubten Rotors separat und/oder am fertigen Rotorverband - je nach Notwendigkeit - geschehen.

Die Materialentnahme zur Unwuchtbeseitigung kann z. B. durch Abschleifen an den Rotorscheiben speziell hierfür vorgesehener Wuchtbunde oder durch Bohrungen in den Radscheiben erfolgen.

Materialanhäufungen zur Unwuchtbeseitigung können z. B. erzielt werden durch:

- Verschraubung von Wuchtgewichten mit seitlich an den Laufrädern angeordneten Bunden,
- Einsetzen von Wuchtgewichten in vorgefertigte seitliche Umfangsnuten der Laufräder mit daran anschließender Verstemmung der Gewichte sowie durch
- Einbringung von Wuchtgewichten in Schaufelumfangsnuten zwischen jeweils zwei oder mehreren Schaufeln bzw. Schaufelfüßen.

Die geschilderten Materialentnahmeverfahren haben u. a. den Nachteil begrenzter Materialverfügbarkeit bei mehreren Auswuchtvorgängen (mehrere Demontagen des Rotorverbandes), d. h. bei Rotoren schnelläufiger Maschinen, deren Bauzustand mehrfach geändert werden muß, z. B. bei Experimental- oder Prototypmaschinen, ist häufig nach einer bestimmten Zahl von Aufbauten die notwendige Läuferwuchtung nicht mehr oder nur zum Teil durchführbar, da der zur Wuchtung vorgesehene Anteil der Rotormasse an den speziell hierfür vorgesehenen Wuchtbunden bereits bei vorausgegangenen Wuchtvorgängen abgetragen wurde.

Im Falle z. B. im Radnabenbereich angeordneter Bohrungen besteht weiterhin die Gefahr von unzulässigen Spannungskonzentrationen.

Bei den geschilderten Materialanhäufungsverfahren - hier verschraubte Wuchtgewichte - besteht in erster Linie die Gefahr des Lösens der Wuchtgewichte, welche nur durch sorgfältigste Dimensionierung, Fertigung und Montage reduziert werden kann.

Eine komplizierte, zeitintensive Montage wird als hauptsächlicher Mangel für die zwischen zwei oder mehreren Schaufeln in einer Schaufelumfangsnut zu plazierenden Wuchtgewichte angesehen, während ein wesentlicher Mangel für die Anordnung in seitlichen Umfangsnuten zu verstemmenden Wuchtgewichten in der zeitlich begrenzten Verwendbarkeit der Aufnahmenut und damit des Rades wegen plastischer Verformung der Nutränder gesehen wird.

Aufgabengemäß soll mithin beim eingangs erwähnten Hauptpatent eine Einrichtung geschaffen werden, mit der auf verhältnismäßig einfache Weise Rotorunwuchten optimal kompensiert werden können, ohne an den funktionellen Hauptbauteilen des Rotors (Radscheiben, Wellenabschnitte) unmittelbar örtliche Materialanhäufungen oder -verminderungen vornehmen zu müssen.

Die eingangs schon umrissene Lösung gemäß der Erfindung des Hauptpatents sieht allerdings ausschließlich zwei bzw. paarweise nebeneinander sowie relativ zueinander um die Rotorlängsachse verdrehbar angeordnete ringscheibenartige Bauteile vor.

Nachteilig an dieser Lösung ist die Tatsache, daß die zur Kompensation der Rotorunwucht erzeugte Zusatzunwucht aufgrund der bekannten Gesetze der Vektoraddition der Funktion

folgt wie dies im Rahmen der Beispielsbeschreibung zur vorliegenden Erfindung in bezug auf die praktischen Auswirkungen näher verdeutlicht ist. Aus der zuvor angegebenen Funktion folgt also, daß die Kompensation verhältnismäßig kleiner Rotorunwuchten - was insbesondere bei gebauten Rotoren mit vorgewuchteten Einzelelementen der Regelfall ist - mit einem sehr feinfühligen Einstellvorgang verbunden ist. Es sind also insbesondere im Falle verhältnismäßig geringer zu kompensierender Unwuchten kleine Winkeländerungen mit großen Unwuchtänderungen verknüpft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die insbesondere mit Rücksicht auf die Kompensation verhältnismäßig kleiner Rotorunwuchten einen weitaus weniger empfindlichen Einstellvorgang ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Im Wege der verhältnismäßig "grob" wählbaren Einstellung des ringförmigen Bauteils mit der größten Kompensationswuchtmasse kann dann die genannte resultierende Unwucht U _R über die beiden übrigen Bauteile verhältnismäßig leicht kompensiert werden, ohne damit rechnen zu müssen, daß schon vergleichsweise kleine Änderungen der Bauteilverdrehwinkel mit vergleichsweise großen bzw. sprunghaften Unwuchtänderungen verknüpft sind. Oder - anders ausgedrückt - selbst bei Änderung der Bauteilverdrehwinkel bis zu 60° sind die betreffenden Unwuchtveränderungen noch vergleichsweise gering zu veranschlagen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Bauteil mit der größten Kompensationsunwuchtmasse Bestandteil eines Sicherungstopfes sein, mit dem die Einrichtung in Umfangs- und Axialrichtung am Rotor vergleichsweise einfach gesichert werden kann.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, welches den verhältnismäßig feinfühligen Einstellvorgang im Hinblick auf die Kompensation kleiner Rotorunwuchten in bezug auf die Lösung nach dem Hauptpatent erläutert,

Fig. 2 ein die Erfindung veranschaulichendes Vektordiagramm,

Fig. 3 ein den Erfindungsgegenstand im Hinblick auf einen weitaus weniger sensiblen Einstellvorgang für die Kompensation relativ kleiner Rotorunwuchten erläuterndes Diagramm und

Fig. 4 die erfindungsgemäße Einrichtung am Radialverdichterlaufrad eines Gasturbinentriebwerkes.

Im Hinblick auf die eingangs bereits erörterte Lösung nach dem Hauptpatent erläutert das Diagramm nach Fig. 1 die Beziehung:

Hierbei wird davon ausgegangen, daß in der betreffenden Wuchtebene des Rotors zwei mit definierter Unwucht versehene scheibenartige Bauteile durch umfangsseitiges Verdrehen und Wieder-Festlegen eine vorhandene Rotorunwucht zu Null kompensieren sollen. Auf der Abszisse der Fig. 1 ist der Einstellwinkel ϕ aufgetragen, der bei entsprechender Einstellung der beiden mit den Unwuchten versehenen Scheiben zwischen den betreffenden beiden Unwuchtvektoren U₂, U₃ dieser beiden Scheiben liegt. An der Ordinate zu Fig. 1 sind U _eff (Rotorunwucht in der betreffenden Wuchtebene)/U _max (maximal kompensierbare Unwucht durch die beiden Scheiben) aufgetragen.

In Fig. 1 erläutert somit die Kurve K den Verlauf des sich als Funktion der betreffenden Rotorunwucht U _eff/U _max verändernden Einstellwinkels ϕ zwischen den beiden Unwuchtvektoren U₂, U₃.

Anhand des Diagramms nach Fig. 1 zeigt es sich, daß bei der Lösung nach dem Hauptpatent die Kompensation verhältnismäßig kleiner Rotorunwuchten mit einem äußerst feinfühligen Einstellvorgang verbunden ist, wonach bereits verhältnismäßig kleine Änderungen des Einstellwinkels ϕ mit verhältnismäßig großen Unwuchtänderungen verknüpft sind.

Die Fig. 2, 3 und 4 veranschaulichen die erfindungsgemäße Einrichtung, mit der auf verhältnismäßig einfache Weise vorrangig relativ kleine Rotorunwuchten mit einem weitaus weniger sensiblen Einstellvorgang kompensiert werden können sollen.

Fig. 4 erläutert hierzu z. B. die Anordnung und den Aufbau der Einrichtung an einem Radialverdichterlaufrad 1 eines Gasturbinentriebwerkes, wobei mit 2 ein Wellenabschnitt des Gaserzeugerrotors bezeichnet ist, der mit einer in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Verdichterantriebsturbine gekoppelt ist. Die Einrichtung zur Kompensation einer auftretenden Rotorunwucht besteht der Reihe nach - von links nach rechts - aus drei ringscheibenartigen Bauteilen 3, 4 und 5 mit jeweils zugehörigen Kompensationsunwuchtmassen 6, 7 und 8. Die ringscheibenartigen Bauteile 3, 4 und 5 sind hierbei ferner an einem axial vorspringenden Rotorfortsatz 9 des Radialverdichterlaufrades 1 angeordnet. Das mit der Kompensationsunwuchtmasse 8 versehene ringscheibenartige Bauteil 5 ist hierbei ferner gleichzeitig als Sicherungstopf ausgebildet, der mit einem axial vorstehenden, verformbaren Außenrand 9′ versehen ist. Dieser Außenrand 9′ wird in umfangsseitig gleichförmig verteilte Ausnehmungen 10 einer auf den Rotorfortsatz 9 aufgeschraubten Mutter 11 eingebogen, nachdem die letztere zuvor fest gegen das Bauteil 5, und damit gegen das Radialverdichterlaufrad 1 angezogen worden ist. Auf diese Weise wird die Einrichtung axial sowie umfangsseitig am Radialverdichterlaufrad 1 gesichert.

Bei der Einrichtung weisen die einen beiden ringscheibenartigen Bauteile 3, 4 je 25%, das als Sicherungstopf ausgebildete Bauteil 5 hingegen 50% der je Wuchtebene maximal kompensierbaren Rotorunwucht auf.

Fig. 2 verkörpert nun ein anhand der Einrichtung nach Fig. 4 in die Zeichenebene projiziertes Vektordiagramm. In diesem Diagramm bedeuten:

U₁= Unwuchtvektor des ringscheibenartigen Bauteils 5 mit 50% Kompensationsunwucht; U₂, U₃= Unwuchtvektoren der ringscheibenartigen Bauteile 3, 4 mit je 25% Kompensationsunwucht; U _eff= Rotorunwucht in der betreffenden Wuchtebene; U _R= resultierende Unwucht aus Rotorunwucht und Unwucht des Bauteils 5 mit 50% Kompensationsunwucht.

Gemäß Fig. 2 ist also das mit der größten Kompensationsunwuchtmasse 8 versehene Bauteil 5 in der Weise umfangsseitig am Rotor bzw. am Laufrad 1 festgelegt, daß der Unwuchtvektor U₁ dieses Bauteils 5 etwa entgegengesetzt zur Richtung des Unwuchtvektors U _eff des Rotors verläuft, dabei soll ferner die aus der Rotorunwucht U _eff sowie aus der Unwucht U₁ des Bauteils 5 mit der größten Kompensationsunwuchtmasse 8 resultierende Unwucht U _R mit den beiden übrigen, die jeweils geringere Unwucht (Vektoren U₂, U₃) enthaltenden Bauteilen 3, 4 ausgeglichen sein.

Dadurch, daß die resultierende Unwucht U _R im Regelfall relativ groß ausfallen wird, kann der Ausgleich derselben anhand der beiden ringscheibenartigen Bauteile 3, 4 mit je 25% Kompensationsunwucht in einem Bereich erfolgen, in dem auch noch vergleichsweise große Einstellwinkel nur kleine Änderungen der effektiven Kompensationsunwucht ergeben.

In Verbindung mit Fig. 2 und 3 ergibt sich nach den Gesetzen der Vektoraddition folgende Beziehung zwischen Kompensationsunwucht und dem Winkel ϕ zwischen den Unwuchtvektoren U₂, U₃ der ringscheibenartigen Bauteile 3, 4 mit je 25% Kompensationsunwucht:

Unter Beiziehung der erfindungsgemäßen technischen Lehre nach Patentanspruch 1 sowie unter Verwendung der Nomenklatur gemäß Fig. 1 ergibt der Verlauf der Kurve K′ (Fig. 3) für den sich als Funktion der betreffenden Rotorunwucht U _eff/U _max verändernden Einstellwinkel ϕ zwischen den beiden Unwuchtvektoren U₂, U₃ der beiden Bauteile 3, 4, daß selbst aus Änderungen des Einstellwinkels ϕ bis 60° oder gar darüber verhältnismäßig geringe Unwuchtänderungen resultieren, wodurch ein mit weitaus geringerer Sensibilität verknüpfter Einstellvorgang für die Rotorunwuchtkompensation erreicht wird.

Im übrigen kann ferner mindestens eines der genannten ringscheibenartigen Bauteile der Einrichtung als Dichtkörper zwischen Rotor und Stator der betreffenden Strömungsmaschine, z. B. als Layrinthdichtung, ausgebildet sein.

Ferner können die ringscheibenartigen Bauteile als Loch-, Nocken- oder Exzenterscheiben ausgebildet sein.

Claims

1. Einrichtung zur Beseitigung von Rotorunwuchten bei Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, bei der mit Kompensationsunwuchtmassen versehene, in einer Wuchtebene nebeneinander angeordnete ringscheibenartige Bauteile relativ zueinander sowie koaxial zur Rotorlängsachse verdrehbar und in einer die Rotorunwucht gemeinsam kompensierenden Stellung am Rotor festlegbar sind, nach Patent 29 31 193, dadurch gekennzeichnet, daß pro Wuchtebene drei ringscheibenartige Bauteile (3, 4, 5) vorgesehen sind, von denen das eine (5) 50% und die beiden anderen (3, 4) je 25% der in der Wuchtebene maximal kompensierbaren Rotorunwucht aufweisen und daß die drei ringscheibenartigen Bauteile (3, 4, 5) derart am Rotor festgelegt sind, daß der Unwuchtvektor (U₁) des mit der größten Kompensationsunwuchtmasse (8) versehenen Bauteils (5) etwa entgegengesetzt zur Richtung des Unwuchtvektors (U _eff) des Rotors verläuft und daß die aus der Rotorunwucht (U _eff) sowie aus der Unwucht (U₁) des Bauteils (5) mit der größten Kompensationsunwuchtmasse (8) resultierende Unwucht (U _R) durch die Unwuchten der beiden übrigen Bauteile (3, 4) ausgeglichen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (5) mit der größten Kompensationsunwuchtmasse (8) Bestandteil eines Sicherungstopfes ist.