DE3643094A1 - Vorrichtung zur lagerung von bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ihr technisches Anwendungsgebiet liegt vor allem bei thermischen Turbomaschinen, wo sie hohen Belastungen aus­ gesetzt sind.

Insbesondere bei Temperaturen, die höher liegen als 700°C können die meisten bekannten Lagerwerkstoffe nicht mehr eingesetzt werden. Man hat deshalb bereits versucht, an­ stelle bisheriger metallischer Werkstoffe nichtmetallische Werkstoffe, insbesondere Keramikwerkstoffe, einzusetzen. Da bei diesen Werkstoffen eine Schmierung, insbesondere mittels Schmieröl im allgemeinen nicht mehr möglich ist, muß man versuchen, mittels Gas eine Schmier- und Lager­ wirkung zu erzeugen.

Keramische Werkstoffe sind jedoch spröde und temperatur­ schockempfindlich. Aus diesem Grunde und aus Gründen der Bearbeitungsgenauigkeit sollte ein Lagerkörper aus Kera­ mikmaterial eine möglichst einfache geometrische Form auf­ weisen. Beim Einsatz von keramischen Lagerkörpern besteht die zusätzliche Schwierigkeit, daß im Einbau zwischen metallischen Teilen Spalte und Pressungen durch Wärme­ dehnung entstehen können. Solche gilt es zu vermeiden.

Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik wie er in den deutschen Offenlegungsschriften 19 26 338, 19 31 044 und 20 64 318 enthalten ist. Die dort beschrie­ benen Lagerungen betreffen ebenfalls abdichtbare schwenk­ bare Leitschaufeln von thermischen Turbomaschinen, wobei ein als verstellbarer Hebel ausgebildeter Schaft in einer Büchse eines Lagerträgers gelagert ist und diese Büchse aus keramischem Werkstoff besteht. Es hat sich herausge­ stellt, daß Kugel- oder Rollenlager und Gleitbeläge auf Wellen bei Temperaturen über 700°C nicht mehr einsetzbar sind. Bei Gleitlagern ist die Abstimmung der unterschied­ lichen Wärmedehnungen von Schaft/ Lagerträger infolge unterschiedlicher Werkstoffe äußerst schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung für die aufgezeigten Probleme zu finden, die die unterschiedli­ chen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ebenso berücksichtigt wie die Eigenheiten der Keramikwerkstoffe, insbesondere ihre Empfindlichkeit ge­ gen Bruch, Temperaturschock usw.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die keramische Büchse bei der neuen Lagerung den Lagerträger nach dem Einsetzen so umgibt, daß im wesentlichen ring­ förmige Kanäle in einer Welle und Lagerträger konzentrisch zueinander angeordnet sind und sowohl die Lagerbüchse als auch die Welle mit Kühlluft umspülbar ist.

Ausgestaltungen dieser Erfindung sind in Unteransprüchen enthalten.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind wie folgt: Durch die intensive Kühlmöglichkeit, die sowohl für die keramische Büchse als auch die Welle selbst gilt, ist die Lagerung in thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere beim Anfahren, nicht mehr so hohen Belastungen ausgesetzt. Der Temperaturanstieg wird verlangsamt und insgesamt ver­ gleichmäßigt, ein Temperaturschock vermieden, dadurch, daß die Kühlluft in besonders effektiver Weise zu- und abführbar ist. Durch zusätzliche Spülluft werden die Lagerstellen gegen Eindringen von Schmutzpartikeln von außen geschützt, d.h. abgedichtet. Ferner führt diese Spülluft Abrieb und Wärme nach außen ab,und es kann sich zwischen Büchse und Welle ein Gaskissen ausbilden. Beson­ ders dadurch, daß die Lagerbüchse gegen einen einseitigen Anschlag in Achsrichtung des Schaftes anliegt, insbeson­ dere angepreßt ist, kann sich in dieser Richtung nach der anderen Seite der Lagerkörper und seine Teile frei ausdehnen. Hierdurch werden Spalte oder hohe Flächenpres­ sung insbesondere bei Kontraktion vermeidbar. Allgemein sind dadurch engere Pressungen möglich. Im Betrieb wird eine lose Lagerbüchse durch federnde Elemente am Drehen gehindert. Diese Federelemente können zusätzlich als Dichtelemente ausgebildet und in Ringnuten untergebracht sein. Sie dienen gewünschtenfalls als Rutschkupplung, die eine Sicherheit bildet gegen Festfressen der Welle oder Blockieren der Büchse.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung.

In dem Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Lagerung des Schaftes einer Leitschaufel einer thermischen Strö­ mungsmaschine sind die Hauptteile Schaufel 1, Welle oder Schaft 2, keramische Lagerbüchse 3 und äußere Lager­ körper oder Hülse 4. Ersichtlich ist zwischen Turbinen­ schaufel und Welle oder Schaft ein Bund mit einer Anlage­ fläche oder Anschlag 5 vorgesehen, an den sich die Kera­ mikbüchse 3 anlegt, derart, daß Dehnungen unter Wärmeein­ fluß in Achsrichtung in der Zeichnung nach oben erfolgen können. Dies bedeutet, die Anlagefläche 5 bietet einen immer definierten Anschlag und geringe Toleranzen trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Metall und Keramik und zwangsläufig entstehender Spalte. Die Welle oder der Schaft 2 ist aus Stahl oder einer Stahllegierung oder einer Nickelbasislegierung hergestellt. Als Keramik dient für die Büchse eine vorzugsweise dichtgesinterte Aluminium­ oxydkeramik, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Silicium­ karbid o.ä. In der gleichen Bezugshöhe der unteren Anla­ gefläche befindet sich eine Dichtung 6, die als geteilter Ring aus Metall ausgeführt ist und die Keramikbüchse ge­ genüber der Hülse bzw. dem metallischen Gehäuse abdichtet.

Die gleiche Dichtung ist nochmals am oberen Ende der La­ gerbüchse vorgesehen. Es kann aber auch dieser Dichtring nicht nur zum Abdichten der Kühlluft nach außen dienen, sondern zugleich die Funktion einer Sicherung der Keramik­ büchse gegen Mitdrehen über Reibschluß übernehmen. Der Ring wäre sodann gleichzeitig als Rutschkupplung aus­ gebildet, wenn sich eine Welle festfrißt, die Sicherung kann auch als Verdrehsicherung ausgebildet sein, insbe­ sondere als geteilte Metalldichtung wegen der Montage in Ringnut. Die Formen, die hierfür gewählt werden können, sind vielfältig, insbesondere W, O, U, V o.ä. Auch soge­ nannte Friktionsringe oder Wellfedern sind anwendbar.

Die Turbinenschaufel wird im vorliegenden Fall angenom­ men als diejenige mit der höchsten Temperatur in einem Gasturbinentriebwerk, d.h. dessen erster Stufe in einem mehrstufigen Triebwerk in einem Leitschaufelgitter. Die heißen Triebwerkgase haben eine Temperatur von etwa 1200° bis 1400°C und kommen in der Zeichnung von links unten und strömen nach rechts in Pfeilrichtung. Deshalb muß der Schaufelwerkstoff und der Wellenwerkstoff geeig­ net hoch warmfest sein. Die Welle 2 wird innen gekühlt durch Kühlluft, die z.B. aus einem Verdichter entnommen wird und anschließend die Turbinenschaufel selbst kühlt. Die Kühllüft wird in der Zeichnung links mitte eingeführt durch eine Bohrung 7 in der Hülse oder dem Gehäuse 4 und eine Bohrung 8 in der Keramikbüchse 3. Selbstverständlich können über den Umfang verteilt mehrere Zuluftbohrungen angeordnet werden. Diese Kühlluft umströmt dann eine Nut 9 der Welle 2, die als Ringnut ausgebildet ist und über kleinere Querbohrungen 10 mit einer durchgehenden axialen Zentralbohrung 11 verbunden sind. Dadurch wird im Betrieb eine intensive Kühlung der Keramikbüchse erreicht, die die Keramikbüchse innen und außen durch die Nut 12 im Gehäuse 4 oder Hülse umströmt, dann strömt diese in die Welle in Pfeilrichtung entlang der Achse 11. Dadurch wird die Sperrluft vermindert und Verschmutzung von außen ver­ hindert. Es entsteht ein Luftlagereffekt, der die Reibung vermindert und die Lebensdauer erhöht und beim Start ge­ schieht das Anwärmen erst allmählich, d.h. die Thermo­ schockbelastung wird verringert. Das Umspülen der Keramik­ buchse mit Luft hat außerdem den Vorteil, daß Abrieb nach außen gespült wird und die Welle ebenso wie die Lager­ sitze intensiv gekühlt werden. Dadurch wird ein engerer Lagersitz möglich, da die Temperaturdifferenz geringer wird. Dadurch wird die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen Keramik und Stahl kompensiert. Zusätzlich ent­ steht ein Spülluftstrom entlang der Welle vom Zentrum des Lagers nach außen, der Schmutzpartikel oder Ruß oder ähnliches von der Lagerstellen wegspült. Die Spülluft unterstützt die Abdichtwirkung. Ferner hat die Spülluft den Effekt, daß sie Wärme an den Reib- bzw. Gleitflächen des Lagers abführt und dadurch Abrieb nach außen bläst. Der Luftlagereffekt trägt die Welle in ihrer Büchse, d.h. er läßt ein Gaskissen entstehen, das sich möglichst gleichmäßig über den Umfang der Welle verteilt und gerade an den engsten Toleranzen und Gleitflächen seine besondere Wirkung entfalten kann.

Am oberen Ende ist zwischen Keramikbüchse und Gehäuse bzw. Hülse noch eine Druckfeder 13 aus hochwarmfestem Werkstoff eingelegt, die die Keramikbüchse immer an den definierten Anschlag 5 andrückt. Diese wird vorgespannt von einer Mutter 14, die die Druckfeder nach Anziehen flachdrückt, so daß sich diese bei Erwärmung dehnt und der äußere Lagerträger oder das Gehäuse 4 z.B. aus Stahl mehr ausdehnt als die Lagerbüchse aus Keramik. Den sich bildenden Spalt gleicht die Feder 13 aus. Die Lagerbüch­ se wird immer gegen den unteren Anschlag 5 angedrückt.

Am oberen Ende der Welle ist noch ersichtlich eine Hülse 15 für den Anlenkhebel 16, der auf einem Konus 17 vorge­ spannt, spielfrei und formschlüssig die Verstellung ins­ besondere das Verschwenken der Leitschaufel 1 über die Welle 2 von außen her bewerkstelligt.

Abwandlungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels kön­ nen selbstverständlich vorgenommen werden ohne hierdurch den Namen der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Lagerung von Bauteilen insbesondere zur Gleitlagerung schwenkbarer Leitschaufeln von ther­ mischen Turbomaschinen, wobei ein als verstellbarer Hebel ausgebildeter Schaft in einer Büchse eines Lager­ trägers gelagert ist und diese Büchse aus keramischem Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerträger (4) die keramische Büchse (3) so umgibt, daß im wesentlichen ringförmige Kanäle (9, 12) in einer Welle (2) (Schaft) und einem Lagerträger(n) konzentrisch zueinander angeordnet sind und sowohl die Lagerbüchse (3) als auch die Welle (2) (Schaft) mit Kühlluft umspülbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlluftkanäle (7, 8, 10) sowohl im Lagerträger (4) als auch in der Welle (2), über deren Länge gesehen, in einem Zentralbereich angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Welle (2) von außen Kühlluft (7) zuführbar und zentral abführbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) in ihrem der Turbinenschaufel (1) benachbarten Teil als hohle, von Kühlluft (b.11) durchströmbare Welle aus­ gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die engen Spalte zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbüchse (3) und dem Außen­ durchmesser der Welle (2) von Spülluft durchströmt werden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Spalt zwischen der Lagerbüchse (3) und der gekühlten Welle (2) ein Gas­ kissen (Squezzefilm) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Lager­ büchse (3) nach außen hin (16) abgedichtet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse (3) gegen einen (inneren) Anschlag (5) in Achsrichtung des Schaftes (2) angepreßt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsmäßigen Spalte zwischen Lagerbüchse (3) und Lagerträger (4) durch Metall­ federringe überbrückt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Federringe als Verdrehsicherung ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Rutschkupplung ausgebildet sind.