DE3126406C2 - "Anordnung zur Lagerung eines Rotors eines Gasturbinentriebwerks, die beim Eintritt einer Rotorunwucht einen Inversionslauf des Rotors ermöglicht" - Google Patents
"Anordnung zur Lagerung eines Rotors eines Gasturbinentriebwerks, die beim Eintritt einer Rotorunwucht einen Inversionslauf des Rotors ermöglicht"Info
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Description
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, k.jin eintreten, wenn
eine Gebläseschaufel sich bei laufendem Triebwerk ganz oder 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 Inversionszustand 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
Vorschlägen zur Beherrschung des unausgewuchteten Rotorlaufs und zur Ermöglichung des Inversionslaufs
des Rotors gemacht worden. Bei zahlreichen dieser früheren Vorschläge wird der Rotor von seiner
Anmebswelle 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
(DE-OS 26 55 648).
Problematisch ist bei einer derartigen Hilfswelle mit ihrer gegenüber der Hauptwelle unterschiedlichen
ίο Biege- und Torsionssteifigkeit jedoch, daß beifii 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 Präzessionsbewejung
des Rotors beginnt, einen heftigen Drehmomentstoß auf den Rotor verursachen kann. Dieser plötzlich
auftretende Drehmomentstoß verstärkt die Unwuchtkräfte und kann weitere Schaden am Rotor und an der
ihn umgebenden Konstruktion hervorrufen, indem die exzentrische Auslenkung des Rotors verstärkt und
möglicherweise ein Schleifen, der Rotorschaufeln an der umgebenden Konstruktion hervorgerufen wird.
Außerdem bringt die Verwendung einer Abreißkupplung das Problem mit sich, daß diese Kupplung
einerseits bei Überschreitung der vorgegebenen Unwuchtgrenzkraft brechen soll, andererseits aber auch
plötzlichen Drehmcmentschwankungen ohne Bruch standhalten soll, wie sie beispielsweise durch einen
Zusammenprall von Gebläseschaufeln mit einem eingesaugten Vogel ohne Schaufelbruch auftreten können. Es
hat sich gezeigt, daß bei Abreißkupplungen mit Scherstiften die auf die Scherstifte wirkenden Scherspannungen
um mehr als 100% über die im normalen
J5 Betrieb auftretenden Scherspannungen anwachsen
können, wenn die Schaufeln mit 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.
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 Zeichnungen mehr im einzelnen
beschrieben, in welchen
Fig. I schematisch ein Mantelgebläsetriebwerk mit gemäß der Erfindung gelagertem Gebläserotor und
Fig. 2 die Lagerung des Gebläserotors in ihren Einzelheiten zeigt.
F i g. 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 14 angetriebenen Antriebswelle 13
angeordnet. Die Turbine 14 wird ihrerseits vom Abgasstrahl des Basistriebwerks 15 angelrieben. Das
Basistriebwerk ist von herkömmlicher Konstruktion und umfaßt einen Verdichter 16, eine Brenneinrichtung
17 und eine Turbine 18.
Gemäß F i g. 2 ist die Antriebswelle 13 in zwei
Hauptlagern 19 und 20 gelagert, die ihrerseits in der
feststehenden Konstruktion 21 des Triehwerksgehäuses
abgestützt sind. 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 Ausführungsbeispiels in die Bohrung der hohlen
Hauptwelle 13 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 23 sind zwei
zylindrische Axialansätze 24 und 25 gebildet, die an ihrem Ende jeweils einen Radip.lflansch aufweisen.
Der Gebläserotor 11 ist über einen am Rohransatz 25
mittels Schtrbolzen 27 angeschraubten Konusring 26 in
vorderen Lagern 19 abgestützt Die Scherbolzen 27 bilden zusammen eine Abreißkupplung, die so ausgelegt
ist. daß sie bricht, wenn die auf den Roter 11 wirkenden
Querkräfte einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten. Am vorderen Rohransatz 24 der Rotornabe 23 ist
ein weiterer Konusring 28 angeschraubt, der imwn mit
einer Keilverzahnung 29 versehen ist.
Die Hilfswelle 30 ist mittels einer Keilverzahnung 31 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 sie 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
Hauptwelle 13 und stellt nach dem Bruch der Abreißkupplung eine Ersatzantriebferbindung zur
Drehmomentübertragung zwischen der Hauptwelle 13 und dem Rotor 11 her. Die Flexibilität der Hilfsweile 30
ermöglicht beim Eintritt einer Rotorunwucht einen Inversionslauf des Rotorr. 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 Schertolzen 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 Dreh.Tiomentstoß durch
das Zurückfedern der Hilfswelle 30 aus ihrem elastisch vorverwundenen Zustand stark gedämpft.
Gewünschtenfalls 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 Scherbolzen 27 bei ausgewuchtetem Rotorlauf ständig unter Spannung und stellen
sicher, daß die Keilverzahnungen 29 und 31 stets mit den gleichen, bei der Drehmomentübertragung wirksamen
Flanken 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 Konstrukticnsfestigkeit reduzieren. Wenn die Schaufeln mit schwereren
Objekten wie beispielsweise einem Vogel oder einem Eisbrocken oder dgl. zusammenpraller., iiie noch keinen
Schaufelbruch und somit noch keine R-ncu'unwucht
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 iviaß der Vorverwindung der Hilfswelle 30 und die Torsionssteifigkeiten
der Hilfswelle 30 und der Hauptwelle 13 gewä'nlt werden. Diese Bemessung liegt im Bereich
fachmännischen Könnens.
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dient die Abreißkupplung zur Festlegung der Hilfswelle 30 in
ihrem vorverwundendem Zustand. Gewünschtenfalls kann hierzu aber ein von der Kupplung getrenntes
Bauteil Anwendung finden. Beispielsweise kann zwisehen dem vorderen Ende der Hilfswelle 30 und dem
vorderen Konusring 28 konzentrisch ein Zwischenelement angeordnet sdn, das innen eine mit der
Keilverzahnung der Hilfswelle 30 zusammenwirkende Keilverzahnung und außer eine weitere, mit derjenigen
des Kc.iiisringes 28 zusammenv/irkende Keilverzahnung
hat. In diesem Fall kann die Vorverwindung der Hilfswelle durch gegenseitiges Verdrehen oer beiden
Keilverzahnungen erfolgen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
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, relativ biegefähigen, jedoch torsionssteifen Hilfswelle, die beim Bruch der Abreißkupplung
das Antriebsdrehmoment 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. Anordiiing nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daBdäe Hilfswelle (30) in die Bohrung der
hohlen Antriebswelle (13) hineinragt und innerhalb der Antriebswellenbohrung mit dieser drehfest
gekuppelt ist.
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