DE3722276A1

DE3722276A1 - Lagertragvorrichtung

Info

Publication number: DE3722276A1
Application number: DE19873722276
Authority: DE
Inventors: Gabriel Lucian Suciu
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1987-07-06
Publication date: 1988-03-10
Also published as: US4687346A; GB2194602A; GB8716045D0; GB2194602B; FR2603352B1; FR2603352A1; JPS6362915A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagervorrichtung zum Lagern einer umlaufenden Welle in einer feststehenden Tragvorrichtung.

Lagertragvorrichtungen mit einem ringförmigen Öldämpfer zum Dämpfen von periodischer Radialbewegung werden bei Hochgeschwindigkeitswellen, beispielsweise in den Hauptlagern eines modernen Gasturbinentriebwerks, seit langem benutzt. Der ringförmige Öldämpfer ist üblicherweise mit einer elastischen mechanischen Zentriereinrichtung, z.B. mehreren Zentrierstangen, zum Tragen und Positionieren des Lagers innerhalb des ringförmigen Öldämpfers kombiniert.

Beispiele von solchen Vorrichtungen finden sich in den US-PS 44 29 923 und 44 53 783. Diese beiden US-Patentschriften zeigen zwei Konfigurationen zum elastischen Abstützen des äußeren Lagerlaufringes innerhalb eines ringförmigen Ölfilmdämpfers zum richtigen Abstützen einer mit hoher Drehzahl umlaufenden Welle, die wenigstens gelegentlich einer Drehunwucht oder anderen Einflüssen, die eine radiale Verlagerung erzeugen, ausgesetzt ist.

Ein weiteres Merkmal, das in den Zeichnungen der beiden vorgenannten US-Patentschriften dargestellt und bei Turbomaschinen notwendig ist, ist eine Wellendichtung zum Verhindern des Durchblasens des Arbeitsfluids durch die Lagerkammer. Diese Dichtfunktion wird durch die Zusammenwirkung einer sich radial erstreckenden Dichtfläche, welche um die Welle angeordnet und mit dieser drehbar ist, und eines nicht umlaufenden Dichtringes, der axial benachbart zu der Dichtfläche ist und gegen diese gedrückt wird, um die gewünschte Abdichtung zu bewirken, erfüllt.

Die bekannten Lagertragvorrichtungen arbeiten hinsichtlich des Dämpfens, Tragens und Dichtens der Lagervorrichtung zufriedenstellend. Die Konstrukteure moderner Gasturbinentriebwerke haben jedoch bei dem Bemühen, den Triebwerkswirkungsgrad und die Triebwerkszuverlässigkeit weiter zu steigern, danach getrachtet, die radiale Höhe der Lagertragvorrichtung zu reduzieren, um den Radius des Triebwerkszwischengehäuses zu minimieren, welches die radial innere Durchflußbarriere für den Triebwerksaxialverdichterabschnitt bildet. Eine solche Lagertragvorrichtung niedrigen Profils würde das Verhältnis der Naben- und Laufschaufelspitzenradien reduzieren und auf diese Weise sowohl den Triebwerksaußendurchmesser bei einem bestimmten Gasdurchflußquerschnitt reduzieren als auch die Kerntriebwerkswinkelgeschwindigkeit für eine bestimmte Laufschaufelspitzenumfangsgeschwindigkeit erhöhen.

Benötigt wird also eine Lagertragvorrichtung, die die notwendigen Trag-, Dämpfungs- und Dichtfunktionen in einer Konfiguration niedrigen radialen Profils erfüllt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagertragvorrichtung für eine umlaufende Welle in einem Gasturbinentriebwerk od.dgl. zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung eine Lagertragvorrichtung geschaffen werden, die im Vergleich zu bekannten Tragvorrichtungen eine geringere radiale Höhe hat.

Gemäß der Erfindung wird eine Lageranordnung mit reduzierter Höhe geschaffen durch wenigstens räumliches Integrieren der Zentrierstangen zum elastischen radialen Abstützen des äußeren Lagerlaufringes und der Dichtungsführungsstifte zum Abstützen des Wellendichtringes. In der bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens drei Führungsstifte für die Dichtungsringe umfangsmäßig zwischen mehreren sich axial erstreckenden Zentrierstangen angeordnet. Die Zentrierstangen sind jeweils zwischen einem äußeren Tragring, der um den äußeren Lagerlaufring angeordnet ist, und einer feststehenden Tragvorrichtung, wie beispielsweise einem Gasturbinentriebwerkszwischengehäuse, befestigt.

Durch radiales Überlappen des Führungsstift- und Zentrierstangenkreises reduziert die Lagertragvorrichtung nach der Erfindung die radiale Verlagerung der Lageranordnung im Vergleich zum Stand der Technik. Das reduzierte Lagerprofil führt zu einer vorteilhaften Verringerung des Radiusverhältnisses von Triebwerksnabe zu Spitze, zu reduzierter Laufschaufelspitzengeschwindigkeit bei einer bestimmten Triebwerksrotorwinkelgeschwindigkeit und zu einem reduzierten Triebwerksaußendurchmesser bei einem bestimmten Gasdurchflußquerschnitt.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Lageranordnung nach der Erfindung ist der Aufbau der Zentrierstangen und der Dichtungsführungsstifte integriert. Der Dichtring berührt verschiebbar wenigstens drei der Zentrierstangen und wird axial in dichte Berührung an eine entsprechende, sich radial erstreckende Dichtfläche gedrückt, welche um die Welle angeordnet und mit dieser drehbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittseitenansicht der bevorzugten Ausführungsform der Lagertragvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittseitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Lagertragvorrichtung nach der Erfindung, und

Fig 3 und 4 axiale Teilschnittansichten der bevorzugten bzw. der alternativen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Lagervorrichtung und der Lagertragvorrichtung nach der Erfindung. Eine Welle 2 dreht sich in einer ringförmigen Lagervorrichtung 4, die einen umlaufenden inneren Laufring 6 und einen nichtumlaufenden äußeren Laufring 8 hat. Der äußere Laufring 8 ist in einem Tragring 10 aufgenommen und durch eine Stopfbuchsenmutter 12 oder durch eine andere Befestigungseinrichtung befestigt.

Die Welle 2, die Lagervorrichtung 4 und der Tragring 10 sind in einer feststehenden Tragvorrichtung 14 angeordnet, bei der es sich um das Zwischengehäuse eines Gasturbinentriebwerks od. dgl. handelt. Ein ringförmiger Dämpfer 16 ist zwischen dem Tragring 10 und der feststehenden Tragvorrichtung 14 gebildet, um jede Radialbewegung der Welle 2 und des Lagers 4 auf an sich bekannte Weise zu dämpfen.

Der Tragring 10 und daher die Lagervorrichtung 4 sowie die Welle 2 sind innerhalb der feststehenden Tragvorrichtung 14 durch mehrere sich axial erstreckende Tragstangen 20, welche zwischen dem Tragring 10 und der feststehenden Tragvorrichtung 14 befestigt sind, elastisch gehalten.

Die Abdichtung zwischen der umlaufenden Welle 2 und der Tragvorrichtung 14 erfolgt durch einen ringförmigen, nicht umlaufenden Dichtring 28, der axial gegen eine sich radial erstreckende Dichtfläche 24 gedrückt wird, die mit der Welle 2 umläuft. Der Dichtring 28 berührt eine axiale Gleitdichtung 30 zum Aufnehmen jeder axialen Bewegung zwischen der Dichtfläche 24 und der feststehenden Tragvorrichtung 14. Der Dichtring 28 und ein integrales ringförmiges Dichtteil 22 werden durch eine Feder 32, die zwischen der feststehenden Tragvorrichtung 14 und dem Dichtring 28 zusammengedrückt ist, axial gegen die Dichtfläche 24 gedrückt.

Der Dichtring 28 ist durch kooperativen Eingriff mit wenigstens drei Führungsstiften 34 radial um die Welle 2 positioniert. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Führungsstifte 34 von den Zentrierstangen 20 getrennt und umfangsmäßig zwischen diesen angeordnet. Gemäß Fig. 1, in der die Zentrierstange 20 weggebrochen dargestellt ist, um den umfangsmäßig benachbarten Führungsstift 34 sichtbar zu machen, überlappt das radiale Band, welches durch den Kreis der Zentrierstangen 20 gebildet wird, das radiale Band, welches durch den Kreis der Führungsstifte 34 gebildet wird.

Fig. 3 zeigt deutlicher diese Überlappungsbeziehung zwischen dem Zentrierstangenkreis 36 und dem Führungsstiftkreis 38. Geometrische Überlegungen diktieren zwar ein Mindesterfordernis von drei Zentrierstangen zum Aufrechterhalten der Zentrierung des Tragringes 10 innerhalb der festen Tragvorrichtung 14, praktische Konstruktionsüberlegungen haben jedoch zu einem typischen Gasturbinentriebwerk geführt, bei dem zwanzig oder mehr Zentrierstangen gleichmäßig verteilt um die Welle 2 benutzt werden. Ebenso hat es sich als vorteilhaft erwiesen, vier Führungsstifte 34 statt des geometrischen Mindesterfordernisses von drei Führungsstiften zu benutzen, um eine Reserve für den Fall vorzusehen, daß ein Stift ausfallen oder beschädigt werden sollte.

Durch Überlappen des Zentrierstangenkreises 36 und des Führungsstiftkreises 38 reduziert die Erfindung das radiale Profil der gesamten Lageranordnung, welche die Lagervorrichtung 4, den Tragring 10, den Öldämpfer 16, die Zentrierstangen 20 und den Dichtring 22 sowie zugeordnete Teile beinhaltet. Bei den oben erläuterten bekannten Lagervorrichtungen, bei denen die Zentrierstangen und die Führungsstifte auf Kreisen angeordnet sind, welche radialen Abstand voneinander haben, ist es nicht möglich, den niedrigen Gesamtaufbau der Lagervorrichtung nach der Erfindung zu erzielen.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Lagervorrichtung nach der Erfindung, bei der die Führungsstifte 34 und die Zentrierstangen 20 beide körperlich und funktionell in eine kombinierte Vorrichtung 20′ integriert sind. In der alternativen Ausführungsform ist der Dichtring 28′ mit der integrierten Vorrichtung 20′ aus Führungsstiften und Zentrierstangen in Gleitberührung, um für die gewünschte radiale Abstützung zu sorgen. Eine zusammengedrückte Feder 32′ erzeugt die notwendige, axial gerichtete Druckkraft gegen den Dichtring 28′ zum Herstellen der dichten Berührung mit der entsprechenden Dichtfläche 24.

Fig. 4 zeigt einen axialen Querschnitt des Dichtringes 28′ und der integrierten Führungsstift-Zentrierstangen 20′ gemäß der alternativen Ausführungsform. Die Kreise, die durch diejenigen integrierten Stangen 20′, welche den Dichtungsträger 28′ tragen, und durch diejenigen Stangen 20′ gebildet werden, die nur zum Halten des Tragringes 10 dienen, sind identisch und mit der Bezugszahl 36′ bezeichnet. Die integrierte Vorrichtung gemäß der alternativen Ausführungsform ergibt eine einfachere, aber wirksame Anordnung sowohl zum elastischen Halten des Tragringes 10 als auch zum Erzielen der erforderlichen radialen Abstützung des Dichtringes 22 und der auf diesen ausgeübten axialen Druckkraft.

Sowohl in der bevorzugten als auch in der alternativen Ausführungsform sollten die Zentrierstangen 20, 20′ und die Führungsstifte 34 regelmäßig um die Welle 2 verteilt sein, um eine ausgeglichene und gleichmäßige Abstützung der entsprechenden Vorrichtungen zu erzielen. Weiter führt eine solche regelmäßige Verteilung dieser Teile zu einem integralen Verhältnis der Zahl der Zentrierstangen zu der Zahl der Führungsstifte (oder dem funktionellen Äquivalent desselben). In der bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, könnte daher eine Anordnung, die z.B. zwanzig gleichmäßig verteilte Zentrierstangen 20 hat, vier, fünf, zehn oder zwanzig gleichmäßig verteilte Führungsstifte 34 zwischen den Zentrierstangen 20 aufnehmen. Bei der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 4 würden wieder in einer Konfiguration mit insgesamt zwanzig Zentrierstangen 20, 20′ vier, fünf, zehn oder zwanzig derartige Stangen als integrierte Führungsstift-Zentrierstangen 20′ zum Abstützen des Dichtungsträgers 28′ dienen.

Claims

1. Lagertragvorrichtung,
mit einer feststehenden Tragvorrichtung (14),
mit einer drehbaren Welle (2), die in der feststehenden Tragvorrichtung (14) positioniert ist,
mit einem Lager (4) für die Welle (2), das einen nichtdrehbaren äußeren Laufring (8) hat,
mit einem Tragring (10) zum Aufnehmen des äußeren Laufringes (8),
mit einer Öldämpfungsvorrichtung (16), welche radial zwischen dem Tragring (10) und der feststehenden Tragvorrichtung (14) angeordnet ist,
mit einer sich radial erstreckenden Dichtfläche (24), die um die Welle (2) angeordnet und mit dieser drehbar ist,
mit einem Dichtring (28, 28′), der axial benachbart zu der ringförmigen Dichtfläche (24) angeordnet ist,
mit einer Einrichtung (32, 34; 20′, 32′) zum radialen Positionieren des Dichtringes (28; 28′) relativ zu der Dichtfläche (24), und
mit einer Einrichtung (20; 20′) zum elastischen Positionieren des Tragringes (10) relativ zu der feststehenden Tragvorrichtung (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtringpositioniereinrichtung (32, 34; 20′, 32′) einen entsprechenden radialen Verlagerungsbereich (38; 36′) bildet;
daß die Tragringpositioniereinrichtung (20; 20′) einen entsprechenden radialen Verlagerungsbereich (36; 36′) bildet; und
daß der radiale Dichtringbereich (38; 36′) den radialen Tragringbereich (36; 36′) überlappt.

2. Lagertragvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragringpositioniereinrichtung mehrere Zentrierstangen (20) aufweist, die gleichmäßig um die Welle (2) verteilt sind und sich axial zwischen dem Tragring (10) und der feststehenden Tragvorrichtung (14) erstrecken; und daß die Dichtringpositioniereinrichtung (32, 34) mehrere sich axial erstreckende Führungsstifte (34) aufweist, die zwischen den Zentrierstangen (20) umfangsmäßig angeordnet sind und sich axial von der feststehenden Tragvorrichtung (14) bis in Gleitberührung mit dem Dichtring (28) erstrecken.

3. Lagertragvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zentrierstangen (20) größer ist als die Anzahl der Führungsstifte (34), und daß das Zahlenverhältnis von Zentrierstangen (20) zu Führungsstiften (34) ganzzahlig ist.

4. Lagertragvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragringpositioniereinrichtung und die Dichtringpositioniereinrichtung integriert sind und mehrere integrierte Führungsstift-Zentrierstangen (20′) bilden, wobei sich jede integrierte Stange (20′) axial zwischen der feststehenden Tragvorrichtung (14) und dem Tragring (10) erstreckt und jeweils mit dem Dichtring (28′) in Gleitberührung ist.

5. Lagertragvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragringpositioniereinrichtung wenigstens drei Zentrierstangen (20) aufweist, die sich axial zwischen dem Tragring (10) und der feststehenden Tragvorrichtung (14) erstrecken, und daß von den Zentrierstangen (20) wenigstens drei mit einem Teil des Dichtringes (28) in Gleitberührung sind, um diesen radial abzustutzen.

6. Lagertragvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (32) zum axialen Andrücken des Dichtringes (28) an die drehbare Dichtfläche (24).

7. Lagertragvorrichtung für eine drehbare Welle, gekennzeichnet,
durch eine feststehende Tragvorrichtung (14);
durch eine Lagervorrichtung (4), die einen nichtdrehbaren äußeren Laufring (8) hat, für die Welle (2);
durch einen Tragring (10) zum Aufnehmen des äußeren Laufringes (8);
durch einen Öldämpfer (16), der radial zwischen der feststehenden Tragvorrichtung (14) und dem Tragring (10) angeordnet ist;
durch eine sich radial erstreckende Dichtfläche (24), die um die Welle (2) angeordnet und mit dieser drehbar ist;
durch einen Dichtring (28), der in axialer Dichtberührung mit der drehbaren Dichtfläche (24) ist;
durch mehrere sich axial erstreckende Zentrierstangen (20), die zwischen dem Tragring (10) und der feststehenden Tragvorrichtung (14) angeordnet sind, zum elastischen radialen Halten des äußeren Laufringes (8), der Lagervorrichtung (4) und der Welle (2);
durch wenigstens drei Führungsstifte (34), die sich axial von der Tragvorrichtung (14) aus erstrecken und zum radialen Abstützen des Dichtringes (28) in diesem verschiebbar aufgenommen sind; und
durch eine Einrichtung (32) zum axialen Drücken des Dichtringes (28) in Dichtberührung mit der Dichtfläche (24).

8. Lagertragvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierstangen (20) gleichmäßig umfangsmäßig um die Welle (2) verteilt sind,
daß die Führungsstifte (34) gleichmäßig umfangsmäßig um die Welle (2) verteilt sind, und
daß das Verhältnis der Anzahl von Zentrierstangen (20) zu der Anzahl von Führungsstiften (34) ganzzahlig ist.