DE3126406A1

DE3126406A1 - "anordnung zur lagerung eines rotors eines gasturbinentriebwerks, die beim eintritt einer rotorunwucht einen inversionslauf des rotors ermoeglicht"

Info

Publication number: DE3126406A1
Application number: DE3126406A
Authority: DE
Inventors: Derek Aubrey Bristol Roberts; John Michael Treby
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-07-15
Filing date: 1981-07-04
Publication date: 1982-03-11
Also published as: FR2487004B1; FR2487004A1; DE3126406C2; GB2080486A; JPS6022164B2; JPS5751901A; GB2080486B; US4452567A

Description

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DIPL. ing. K. HOLZEE

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Augsburg, den 3. Juli 198I Anw.Aktenz.: R.1072

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Anordnung zur Lagerung eines Rotors eines Gasturbinentriebwerks, die' beim Eintritt einer Rotorunwucht einen Inversionslauf des Rotors ermöglicht

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Lagerung eines Rotors eines Gasturbinentriebwerks, welche beim Eintritt einer Rotorunwucht den Weiterlauf des Rotors in sogenannten Inversionszustand ermöglicht.

Eine Rotorunwucht, beispielsweise bei großen Gebläsen von Gasturbinentriebwerken, kann eintreten, wenn eine

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Gebläseschaufel sich bei laufendem Triebwerk ganz odei» teilweise vom Rotor löst, beispielsweise infolge eines Zusammenpralls mit einem in das Triebwerk gelangenden Vogel.

Der Bruch einer Schaufel hat zur Folge, daß eine starke Unwuchtkraft auf den Rotor einwirkt, die den Rotor zu einer präzessierenden Drehbewegung um seine ursprüngliche Drehachse herum veranlaßt. Nach einer begrenzten Anzahl von Umdrehungen in diesem stark instabilen Zustand geht der Rotor in den sogenannten Inversxonszustand über, d.h. er ändert seine Drehbewegung derart, daß seine neue Drehachse durch seinen neuen Schwerpunkt verläuft und er folglich wieder einen stabilen Drehbewegungszustand einnimmt.

Diese Inversion tritt aber nur dann auf, wenn der Rotor mit einer deutlich über seiner Eigenfrequenz liegenden Drehzahl umläuft. Der Rotor ist hinsichtlich seiner Konstruktions-Eigenfrequenz derart ausgelegt, daß seine Eigenfrequenz wesentlich höher als seine Drehzahl im normalen Triebwerkslauf, nämlich typischerweise etwa 30 % höher als die maximale Triebwerksdrehzahl liegt. Beim Bruch einer Schaufel ist es daher notwendig, die Eigenfrequenz des Rotors auf geeignete Weise derart herabzusetzen, daß der Rotor den Inversionszustand einnehmen kann.

In der Vergangenheit ist bereits eine Anzahl von Vorsehlägen, zur Beherrschung des unausgewuchteten Rotorlaufs und zur Ermöglichung des Inversionslaufs des Rotors gemacht worden. Bei zahlreichen dieser früheren Vorschläge wird der Rotor von seiner Antriebswelle über eine Abreißkupplung angetrieben, die beim überschreiten einer vorgegebenen Unwuchtgrenzkraft bricht, üblicherweise ist eine Hilfswelle vorgesehen, die nach dem Abreißen der Kupplung das Antriebsdrehmoment auf den Rotor überträgt. Diese Hilfswelle ist normalerweise gegenüber der Hauptwelle sehr biegeelastisch,' jedoch möglichst torsionssteif.

Problematisch ist bei einer derartigen Hilfswelle mit ihrer gegenüber der Hauptwelle unterschiedlichen Biege- und Torsionssteifigkeit jedoch, daß beim Bruch der Abreißkupplung das Antriebsdrehmoment plötzlich auf die Hilfswelle wirkt, was eine bleibende Verwindung oder gar ein Abscheren der Hilfswelle zur Folge haben kann oder in dem Augenblick, in welchem vor dem übergang in den Inversionslauf die Präzessionsbewegung des Rotors beginnt, einen heftigen Drehmomentstoß auf den Rotor verursachen kann. Dieser plötzlich auftretende Drehmomentstoß verstärkt die Unwuchtkräfte und kann weitere Schäden am Rotor und an der ihn umgebenden Konstruktion hervorrufen, indem die exzentrische Auslenkung des Rotors

verstärkt und möglicherweise ein Schleifen der Rotor^ schaufeln an der umgebenden Konstruktion hervorgerufen wird.

Außerdem bringt die Verwendung einer Abreißkupplung das Problem mit sich, daß diese Kupplung einerseits bei Überschreitung der vorgegebenen ünwuchtgrenzkraft brechen soll, andererseits aber auch plötzlichen Drehmomentschwankungen ohne Bruch standhalten soll, wie sie beispiels·"¹ weise durch einen Zusammenprall von Gebläseschaufeln mit einem eingesaugten Vogel ohne Schaufelbruch auftreten können. Es hat sich gezeigt, daß bei Abreißkupplungen mit Scher* stiften die auf die Scherstifte wirkenden Scherspannungen um mehr als 100 % über die im normalen Betrieb auftretenden Seherspannungen anwachsen können, wenn die Schaufelnmit einem größeren Vogel zusammenprallen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Lagerung eines Rotors der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf eine Bewältigung der mit einer Abreißkupplung und den schädlichen Auswirkungen des plötzlich auf die Hilfswelle übertragenen Antriebsdrehmoment verbundenen Probleme zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

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Vorzugsweise erfolgt die Festlegung der Hilfswelle in ihrem elastisch vorverwundenen Zustand mit Hilfe der Abreißkupplung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen

Fig. 1 schematisch ein Mantelgebläsetrieb

werk mit gemäß der Erfindung gelagertem Gebläserotor und

Fig. 2 die Lagerung des Gebläserotors in

ihren Einzelheiten zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Mantelgebläsetriebwerk 10 mit einem Frontgebläse 11, das in einem Gebläsekanal 12 umläuft. Der Gebläserotor 11 ist am vorderen Ende einer von einer Turbine angetriebenen Antriebswelle 13 angeordnet. Die Turbine 14 wird ihrerseits vom Abgasstrahl des Basistriebwerks 15 angetrieben. Das Basistriebwerk ist von herkömmlicher Konstruktion und umfaßt einen Verdichter 16, eine Brenneinrichtung 17 und eine Turbine 18.

Gemäß Pig. 2 ist die Antriebswelle 13 in zwei Hauptlagern' 19 und 20 gelagert, die ihrerseits in der feststehenden Konstruktion 21 des Triebwerksgehäuses abgestützt sirid. Das vordere Hauptlager 19 ist als Kugeldrucklager ausgebildet, während das hintere Hauptlager 20 ein Rollentraglager ist. Die in Fig. 2 nicht dargestellte Turbine 14 sitzt vorderhalb des hinteren Lagers 20 in herkömmlicher Weise auf dem hinteren Endteil der Antriebswelle 13.

Vorzugsweise ist die Hilfswelle 22 des dargestellten Ausführungsbexspiels in die Bohrung der hohlen Hauptwelle eingesetzt und mit ihrem hinteren Ende drehfest mit der Hauptwelle verbunden.

Der Gebläserotor 11 weist eine Vielzahl von Gebläseschaufeln 22 auf, die mit herkömmlichen Tannenbaumfüßen am Umfang der Rotornabe 23 montiert sind. An der Rotornabe sind zwei zylindrische Axialansätze 24 und 25 gebildet, die an ihrem Ende jeweils einen Radialflansch aufweisen.

Der Gebläserotor 11 ist über einen am Rohransatz 25 mittels Scherbolzen 27 angeschraubten Konusring 26 in vorderen Lagern 19 abgestützt. Die Scherbolzen 27 bilden zusammen eine Abreißkupplung, die so ausgelegt ist, daß sie bricht, wenn sie auf den Rotor 11 wirkenden Querkräfte einen

vorgegebenen Grenzwert überschreiten. Am vorder/en Rohransatz 24 der Rotornabe 23 ist ein weiterer Koriusring 28 angeschraubt, der innen mit einer Keilverzahnung 29 versehen ist.

Die Hilfswelle 30 ist mittels einer Keilverzahnung innerhalb der Bohrung der Hauptwelle 13 drehfest mit dieser verbunden und erstreckt sich über das vordere Lager 19 hinaus nach vorne, wo sie mit ihrem vorderen Ende mittels der Keilverzahnung 29 drehfest mit dem Konusring 28 gekuppelt und durch eine aufgeschraubte Mutter 32 in ihrer Lage gesichert ist. Die Hilfswelle 30 ist so torsionssteif, daß das von der Turbine 14 abgegebene Drehmoment über die auf den Gebläserotor 11 übertragen werden kann, wenn die Scherbolzen 27 brechen.

Im Zuge des Zusammenbaus der Anordnung wird die Hilfswelle 30 durch Drehen ihres vorderen Endes entgegen dem Drehsinn des Rotors 11 elastisch verwunden und durch die, die Abreißkupplung bildenden Querbolzen-27 in diesem elastisch vorverwundenen Zustand fixiert.

Die, wie bereits erwähnt, verhältnismäßig torsionssteife Hilfswelle 30 ist biegeelastischer als die Haupt-

welle 13 und stellt nach dem Bruch der Abreißkupplung eine Ersatzantriebsverbindung zur Drehmomentübertragung zwischen der Hauptwelle 13 und dem Rotor 11 her. Die Flexibilität der Hilfswelle 30 ermöglicht beim Eintritt einer Rotorunwucht einen Inversionslauf des Rotors, d.h. einen bezüglich der Hauptwelle 13 präzessierenden Rotorumlauf. Sobald die auf den Rotor wirkenden Querkräfte eine vorgegebene Größe überschreiten, beispielsweise durch völligen· oder teilweisen Abriß einer Gebläseschaufel, brechen die Scherbolzen 27» so daß nunmehr das Antriebsdrehmoment von der Hauptwelle 13 über die Hilfswelle 30 auf den Rotor übertragen wird. Dabei wird ein sonst auftretender heftiger Drehmomentstoß durch das Zurückfedern der Hilfswelie 30 aus ihrem elastisch vorverwundenen Zustand stark gedämpft,

Gewünsentenfalls können zwischen der Hauptwelle 13 und der Hilfswelle 30 flexible, elastische Polster (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um während der Inversion des Rotors Stöße aufzufangen und zu dämpfen.

Durch die Vorverwindung der Hilfswelle 30 in zum Drehsinn der Hauptwelle 13 entgegengesetzten Drehsinn befinden sich die Seherbolzen 27 bei ausgewuchtetem Rotorlauf ständig unter Spannung und stellen sicher, daß die

Keilverzahnungen 29 und 31 stets mit den gleichen, bei der Drehmomentübertragung wirksamen Planken miteinander in Anlage sind. Dadurch erhält man eine besser ausgewuchtete Gesamtanordnung. Außerdem spannt die Rückfederungskraft der Hilfswelle 30 die Scherbolzen auf etwa 100 % ihrer Konstruktionsfestigkeit vor, so daß bei laufendem Rotor die auf die Schaufeln wirkenden Gaskräfte diese Vorspannung auf beispielsweise 25 % der Konstruktionsfestigkeit reduzieren. Wenn die Schaufeln mit schwereren Objekten wie beispielsweise einem Vogel oder einem Eisbrocken oder dgl. zusammenprallen, die noch keinen Schaufelbruch und somit noch keine Rotorunwucht hervorrufen, wird die auf die Scherbolzen wirkende Vorspannung weiter reduziert und es entsteht eine im entgegengesetzten Richtungssinne wirkende Spannung von beispielsweise 75 % der Konstruktionsfestigkeit. Ist das mit den Schaufeln zusammenprallende Objekt so groß, daß eine oder mehrere Schaufeln teilweise oder ganz brechen, verlagert sich der Schwerpunkt des Rotors und die Scherbolzen 27 werden senkrecht zur Achse der Wellen 13 und 30 wirkenden Querkräften ausgesetzt, die den Bruch der Scherbolzen hervorrufen. Die Scherbolzen 27 sind so ausgelegt, daß sie bei Überschreitung einer vorgegebenen Grenzkraft abgeschert werden. Diese Grenzkraft muß im Hinblick auf das

von der Abreißkupplung zu übertragende Drehmoment, die Anzahl der Scherbolzen 27» das Maß des am Rotor noch tolerierbaren Schadens, bevor die Rotorunwucht zu groß wird, die Drehzahl des Rotors, das Maß der Vorverwindung der Hilfswelle 30 und die Torsionssteifigkeiten der Hilfswelle 30 und der Hauptwelle 13 gewählt werden. Diese Bemessung liegt im Bereich fachmännischen Könnens»

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dient die Abreißkupplung zur Festlegung der Hilfswelle 30 in ihrem vorverwundenem Zustand. Gewünschtensfalls kann hierzu aber ein von der Kupplung getrenntes Bauteil Anwendung finden. Beispielsweise kann zwischen dem vorderen Ende der Hilfswelle 30 und dem vorderen Konusring 28 konzentrisch ein Zwischenelement angeordnet sein, das innen eine mit der Keilverzahnung der Hilfswelle 30 zusammenwirkende Keilverzahnung und außen eine weitere, mit derjenigen des Konusringes 28 zusammenwirkende Keilverzahnung hat. In diesem EaIl kann die Vorverwindung der Hilfswelle durch gegenseitiges Verdrehen der beiden Keilverzahnungen erfolgen.

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Claims

Patentansprüche

( 1./Anordnung zur Lagerung eines Rotors eines Gasturbinentriebwerks, die bei Eintritt einer Rotorunwucht einen Inversionslauf des Rotors ermöglicht, mit einer radial starr gelagerten Antriebswelle und einer diese mit dem Rotor verbindenden Abreißkupplung, die bei Überschreitung einer vorgegebenen Unwuchtgrenzkraft bricht, und mit einer drehfest mit der Antriebswelle und dem Rotor verbundenen, ^v

relativ biegefähigen, jedoch torsionssteifen Hilfswelle, die £ beim Bruch der Abreißkupplung das Antriebsdrehmoirient von der Antriebswelle auf den Rotor weiterüberträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswelle (30) mit ihrem rotorseitigen Ende in entgegen dem Rotordrehsinn elastisch verwundenen Zustand vorgespannt ist und durch die Abreißkupplung (27) in diesem vorgespannten Zustand gehalten wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswelle (JO) in die Bohrung der hohlen Antriebswelle (13) hineinragt und innerhalb der Antriebswellenbohrung mit dieser drehfest gekuppelt ist.