DE4011377C2 - - Google Patents
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
- F16C27/04—Ball or roller bearings, e.g. with resilient rolling bodies
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Trägheitsdämpfer zur
Befestigung auf dem Rotor eines Gasturbinentriebswerks gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger
Trägheitsdämpfer ist aus der DE-PS 6 73 060 bekannt.
Gasturbinentriebwerke haben einen Rotor, der in einem
Stator drehbar befestigt ist. Der Rotor hat üblicherweise
mehrere in gegenseitigem axialen Abstand auf einer
Hauptrotorwelle befestigte Kränze von gegenseitigen
Umfangsabstand aufweisenden Laufschaufeln. In der
Verdichterstufe des Rotors nehmen die Laufschaufeln jedes
Kranzes in ihrer Größe in der Strömungsrichtung zunehmend
ab, das heißt die Laufschaufeln jedes Kranzes sind kleiner als
die Laufschaufeln des unmittelbar benachbarten
stromaufwärtigen Kranzes.
Ein Kegelrad ist üblicherweise auf der Hauptrotorwelle
befestigt und ist mit einem zugeordneten Hilfskegelrad, das
an dem distalen Ende einer Hilfswelle angeordnet ist, in
ständigem Eingriff. Diese Hilfswelle wird üblicherweise als
Zapfwelle bezeichnet, deren Längsachse häufig so angeordnet
ist, daß sie zu der Achse der Hauptwelle rechtwinkelig oder
zumindest schräg ist. Ein Anlasser ist mit der Hilfswelle
gekuppelt. Daher bewirkt zum Beispiel während des Anlassens
des Triebwerks der Anlasser, daß die Hilfswelle mit bis zu
etwa 7000 U/min in Drehung versetzt wird. Diese Bewegung
wird über das Hilfs- und das Hauptwellenkegelrad
übertragen, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Nachdem
das Triebwerk angelassen worden ist, wird durch die
Antriebsdrehung der Hauptwelle die Hilfswelle
drehangetrieben. In dieser Betriebsart ist der Anlasser
üblicherweise abgeschaltet, und ein Wechselstromgenerator,
der mit der Welle verbunden ist, gibt elektrischen Strom an
das System ab, von dem das Triebwerk ein Teil ist. Die
Hilfswelle bleibt also mit der Hauptrotorwelle während des
gesamten Betriebsdrehzahlbereiches der Hauptwelle, der sich
üblicherweise bis zu etwa 46 000 U/min erstreckt,
mechanisch gekuppelt.
In manchen Triebwerkskonfigurationen ist an
Dehnungsmeßstreifen beobachtet worden, daß die
Laufschaufeln der fünften Verdichterstufe übermäßigen
Schwingungsbeanspruchungen bei oder nahe einer
Resonanzfrequenz während des Triebwerksanlaufes ausgesetzt
waren. Es wurde festgestellt, daß die Beanspruchung dieser
Laufschaufeln aufgrund von Resonanzfrequenzen anscheinend
in einer Beziehung zu der Anzahl der Zähne des
Rotorkegelrads stand. Insbesondere wurde beobachtet, daß
die Laufschaufeln der fünften Stufe mit "38/U" (d.h. mit
dem Achtunddreißigfachen der Rotordrehzahl) angeregt
wurden, das heißt mit einer Zahl, die mit der Anzahl der Zähne
des Rotorkegelrads übereinstimmte. Aus dieser Beobachtung
wurde geschlossen, daß die Schwingungsanregung der
Laufschaufeln der fünften Stufe einer Quelle von
Schwingungen, die von dem Hilfskegelrad auf das
Rotorkegelrad und durch Torsionsschwingungen der Rotorwelle
auf die fünfte Stufe des Verdichters übertragen wurden,
zuzuschreiben war.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen
Trägheitsdämpfer zur Verwendung in einem
Gasturbinentriebwerksrotor zu schaffen, der die Schwingungen
dämpfen kann, die von einem ersten Teil des Rotors auf
einen anderen Teil desselben übertragen werden, und der
leicht in die vorhandene Triebwerkskonfiguration eingebaut
und innerhalb der gegebenen räumlichen Grenzen bei
minimaler Modifizierung von vorhandenen Teilen und
Komponenten darin untergebracht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß bei dem als Dämpfer wirkenden
zylindrischen, geschlitzten Rohr die Größe der
Vorbelastungskraft, das polare Trägheitsmoment des Rohres
und der Reibungskoeffizient zwischen dem Rohr und den
beiden Auflageflächen so gewählt werden können, daß die
Schwingungsanregung, die über das Kegelrad übertragen wird,
wirksam gedämpft wird, und daß kein anderer Teil des Rotors
(z.B. die Laufschaufeln der fünften Stufe) bei oder nahe
einer Resonanzfrequenz schwingungsmäßig angeregt wird.
Dadurch wird für diese Laufschaufel eine bevorzugte
Dauerschwingfestigkeit für hochfrequente Lastspiele
erzielt. Gleichzeitig kann dieser Trägheitsdämpfer ohne
weiteres in einer vorhandenen Triebwerksentwurf und
eine vorhandene Triebwerkskonfiguration bei einem Minimum
an Modifizierung von anderen Teilen eingebaut werden. Die
wirksame Dämpfung wird daher mit minimalen Kosten und
minimalem Aufwand erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine perspektivische schematische
Ansicht eines vorderen Teils eines
Gasturbinentrieb
werks, wobei ein Teil des äußeren
Gehäuses weggebrochen worden ist,
um den vorderen Teil des Rotors
darin freizulegen, wobei diese An
sicht außerdem den Anlasser in ge
genüber dem Statorgehäuse ausein
andergezogener Darstellung zeigt,
Fig. 2 eine Teillängsschnittansicht des
Triebwerks, die das
Kegelrad und das Hilfskegelrad in
gegenseitigem Eingriff und das be
triebsmäßig zwischen einer Mutter
und dem Rotorkegelrad angeordneten
Dämpferrohr zeigt,
Fig. 3 eine perspektivische Einzelansicht
des Dämpferrohres,
Fig. 4 eine Vertikallängsschnittansicht
des Dämpferrohres entlang der
Linie 4-4 in Fig. 3, und
Fig. 5 eine Vertikalquerschnittansicht
des Dämpferrohres entlang
der Linie 5-5 in Fig. 4.
In Fig. 1 ist ein Teil eines Gasturbinentrieb
werks 10 gezeigt das
einen langge
streckten Stator 11 und darin einen Rotor 12 aufweist. Der Sta
tor 11 hat ein äußeres Gehäuse 13 und ein inneres Gehäuse 14,
die zwischen sich einen ringförmigen Strömungsweg begren
zen, der sich von einem vordersten Einlaß 15 zu einem Ver
dichterteil 16 erstreckt.
Mehrere sich radial erstreckende und gegen
seitigen Umfangsabstand aufweisende Leitschaufeln 18 ver
binden das innere und das äußere Gehäuse des Stators in der
Nähe des Einlasses.
Der Rotor 12 hat, wie dargestellt, eine Hauptwelle 19, die
an dem Stator an einem vorderen Ende mittels eines vorderen
Lagers 21 drehbar gelagert ist, wobei ein hinteres Ende der
Welle 19 mit einer Hochdruckturbine (nicht dargestellt) ge
eignet verbunden ist, die die Welle 19 antreibt. Koaxial
innerhalb der Welle 19 ist eine Abtriebswelle 17 an einem
vorderen Ende durch ein vorderes Lager 20 gelagert, wobei
ein hinteres Ende der Welle 17 mit einer Niederdruckturbine
(nicht dargestellt) verbunden ist, die die Welle 17 an
treibt, beispielsweise zum Antreiben eines Propellers oder
Hubschrauberrotors. Der äußere Laufring des vorderen Lagers
20 ist an dem inneren Gehäuse 14 durch mehrere gegenseiti
gen Umfangsabstand aufweisende, sich radial erstreckende
Streben 22 befestigt. Der äußere Laufring des Lagers 21 ist
am Rand des hinteren Endteils des inneren Gehäuses 14 ge
eignet befestigt.
Der Verdichterteil 16 weist fünf in axialem Abstand ange
ordnete Kränze von gegenseitigen Umfangsabstand aufweisen
den Laufschaufeln auf, die sich von der Hauptwelle 19 nach
außen in den ringförmigen Durchlaß erstrecken, der zwischen
der Scheibe, in welcher die Füße der Laufschaufeln befe
stigt sind, und dem äußeren Gehäuse 13 gebildet ist. Die
fünf Laufschaufelkränze sind mit 16A, 16B, 16C, 16D
bzw. 16E bezeichnet. Stromaufwärts jedes Laufschaufelkran
zes befindet sich ein Kranz von Leitschaufeln, wobei jede
Leitschaufel-/Laufschaufelkranz-Kombination als eine
"Stufe" bezeichnet wird. Die körperliche Größe der Lauf
schaufeln in jedem Kranz nimmt in der Strömungsrichtung
durch das Triebwerk zunehmend ab, das heißt die Laufschau
feln 16A der ersten Stufe sind größer als die Laufschaufeln
16B der zweiten Stufe, die größer sind als die Laufschau
feln 16C der dritten Stufe, usw. Ein Kreiselverdichter 23
ist ebenfalls auf der Hauptwelle 19 hinterhalb des Lauf
schaufelkranzes der fünften Stufe befestigt.
Ein nach vorn weisendes Kegelrad 24
ist auf der Hauptrotorwelle unmittelbar vor
dem Lager 21 befestigt. Dieses Kegelrad 24 ist in
ständigem Eingriff mit einem Hilfsritzel oder Hilfskegelrad
25, das an dem Rand des inneren Endteils einer Hilfs- oder
Zapfwelle 26 befestigt ist. Ein Anlassermotor 28, der in
auseinandergezogener Darstellung bezüglich des Triebwerks
dargestellt ist, ist normalerweise an dem Stator befestigt
und in lösbarem Eingriff mit der Hilfswelle 26. Während des
Triebwerksanlassens wird der Anlasser 28 betätigt, um die
Hauptwelle 19 relativ zu dem Stator in Drehung zu verset
zen. Nachdem das Triebwerk jedoch angelassen worden ist,
wird der Anlasser 28 abgekuppelt. Weitere stromabwärtige
Teile des verbesserten Triebwerks, wie zum Beispiel die
Brennkammer und die Hoch- sowie die Niederdruckturbine sind
der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.
Die vorstehend beschriebenen Teile des Triebwerks sind her
kömmlich. Im Gebrauch wurde jedoch beobachtet, daß die
Laufschaufeln 16E der fünften Stufe eine reduzierte Dauer
schwingfestigkeit für hochfrequente Lastspiele
aufwiesen, und zwar wegen einer anscheinenden Resonanz der
selben bei oder nahe einer besonderen Rotordrehzahl. Insbe
sondere wurde beobachtet, daß diese Resonanz während des
Anlassens bei Rotordrehzahlen von bis zu etwa 7000 U/min
für die Rotorwelle 19 auftraten. Da der Drehzahlbereich des
Rotors von null bis etwa 46 000 U/min reicht, durchlief der
Rotor jedesmal dann, wenn das Triebwerk angelassen wurde,
eine Resonanz hervorrufende Drehzahl. Dehnungsmeßstreifen
wurden dann an den Laufschaufeln der fünften Stufe ange
bracht, um zu versuchen, die Quelle der Schwingungen zu
identifizieren, durch die diese Laufschaufeln angeregt wur
den. Bei dem Analysieren der Daten, die diese Dehnungsmeß
streifen lieferten, wurde festgestellt, daß die Laufschau
felbeanspruchungen bei oder nahe der kritischen Rotordreh
zahl (d.h. bei etwa 7000 U/min) eine Frequenz von
38/Umdrehung hatten. Da das Kegelrad 24 achtunddreißig
Zähne hatte, ließ sich schließen, daß das Hilfszahnrad 25
Schwingungen auf das Kegelrad 24 übertrug, die die Lauf
schaufeln der fünften Stufe veranlaßten, bei oder nahe ei
ner Resonanzfrequenz zu schwingen. Demgemäß wurde ein als
Dämpfer wirkendes Rohr 29
so entworfen und ausgebildet, daß es an dem Rotor 12
mit einem Minimum an Modifizierungen der übrigen vorhan
denen Triebwerkskonstruktion befestigt werden kann.
Fig. 2 zeigt den betreffenden Teil des Triebwerks, der wie
der die Hauptrotorwelle 19, das Lager 21, das Kegelrad 24,
das Rohr 29, eine Mutter 30, die Hilfswelle 26 und das
Ritzel 25 umfaßt. Die übrige Triebwerkskonstruktion, die
für das Verständnis des verbesserten Dämpfers nicht wesent
lich ist, ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber wegge
lassen worden.
Die Hilfs- oder Zapfwelle 26 ist um eine Achse y-y drehbar,
die zu einer Rotorlängsmittelachse x-x rechtwinkelig ist,
und hat einen unteren Endteil, der fest mit dem Ritzel 25
verbunden ist. Die Hilfswelle 26 ist in einem Lager 31
drehbar gelagert, dessen äußerer Laufring an dem Stator 11
des Triebwerks befestigt ist. Das Ritzel 25 ist mit seinen
abwärts und nach außen weisenden Zähnen in ständigem Ein
griff mit den aufwärts und nach links weisenden Zähnen des
Kegelrads 24 angeordnet.
Der dargestellte Teil der Welle 19 ist ein rohrförmiges
Teil, der längs der horizontalen Achse x-x langgestreckt
ist, und hat eine äußere Oberfläche, die in dem betreffen
den Teil nacheinander umfaßt: eine nach außen weisende ho
rizontale zylindrische Oberfläche 32, einen mit Außenge
winde versehenen Teil 33, eine nach links weisende ringför
mige vertikale Oberfläche 34, eine nach außen weisende ho
rizontale zylindrische Oberfläche 35, eine nach außen wei
sende Oberfläche 36, die Keilzähne bildet, und eine nach
außen weisende horizontale zylindrische Oberfläche 38, eine
nach links weisende ringförmige vertikale Oberfläche 39 und
eine nach außen weisende horizontale zylindrische Oberflä
che 40, die sich rechts davon fortsetzt. Die übrigen Ein
zelheiten der Welle 19 sind für ein grundlegendes Verständ
nis der Erfindung unwesentlich und sind daher nicht darge
stellt worden. Die Rotorwelle ist um die Achse x-x mit
Drehzahlen von null bis etwa 46 000 U/min drehbar.
Das Lager 21 hat einen herkömmlichen Aufbau und ist so an
geordnet, daß es die Welle 19 umgibt, so daß die ringför
mige vertikale rechte Stirnfläche 42 seines inneren Lauf
ringes 43 an der Wellenoberfläche 39 anliegt. Die nach in
nen weisende horizontale zylindrische Oberfläche 44 des in
neren Laufringes ist in engem Abstand auf dem rechten Wan
dendteil der Oberfläche 38 angeordnet.
Das Kegelrad 24 ist als ein speziell ausgebildetes Teil
dargestellt, welches die Welle 19 umgibt und mit seiner
ringförmigen vertikalen rechten Stirnfläche 45 an der lin
ken Stirnfläche 46 des Lagerinnenlaufrings anliegt. Das Ke
gelrad 24 ist mit seinen aufwärts und nach links weisenden
Zähnen 48 in Eingriff mit den abwärts und nach rechts wei
senden Zähnen 49 des Hilfszahnrads 25. Das Kegelrad 24 hat
eine äußere ringförmige Oberfläche, die in Reihe hinterein
ander aufweist: eine aufwärts und nach rechts weisende ke
gelstumpfförmige Oberfläche 50, eine weitere aufwärts und
nach rechts weisende kegelstumpfförmige Oberfläche 51 und
eine auswärts weisende horizontale zylindrische Oberfläche
52, die sich von da aus nach rechts fortsetzt und sich an
die rechte Stirnfläche 45 anschließt. Die verschiedenen
Teile der äußeren Oberfläche zwischen den Oberflächen 50,
51 und 51, 52 sind wie dargestellt in gleichmäßigem konti
nuierlichen Übergang. Die innere Oberfläche des Kegelrads
24 umfaßt in Reihe hintereinander: eine einwärts und nach
links weisende kegelstumpfförmige Oberfläche 53, die sich
von den Zähnen 48 aus nach rechts und einwärts erstreckt,
eine einwärts weisende horizontale zylindrische Oberfläche
54, eine nach rechts weisende ringförmige vertikale Ober
fläche 55, eine einwärts weisende horizontale zylindrische
Oberfläche 56, eine nach links weisende ringförmige verti
kale Oberfläche 58, eine einwärts weisende horizontale zy
lindrische Oberfläche 59 und eine einwärts weisende Ober
fläche 60, die Keilzähne bildet, sowie eine einwärts wei
sende horizontale zylindrische Oberfläche 61, die sich von
da aus nach rechts fortsetzt und an die rechte Stirnfläche
42 anschließt. Das Kegelrad 24 ist mit der Welle 19 durch
eine Keilnutverzahnung verbunden, welche durch die ineinan
dergreifenden Keilzähne der Oberflächen 36 und 60 gebildet
ist. Das Kegelrad 24 wird daher über die Welle 19 geschoben
und relativ zu dieser nach rechts bewegt, bis die rechte
Stirnfläche 45 des Kegelrads an der linken Stirnfläche 46
des inneren Laufringes 43 des Lagers 21 anliegt.
Die Mutter 30 ist als ein speziell ausgebildetes ringförmi
ges Teil dargestellt, das eine ringförmige vertikale linke
Stirnfläche 63, eine ringförmige vertikale rechte Stirnflä
che 64 und eine abgestufte äußere Oberfläche hat, die in
Reihe hintereinander umfaßt: eine vieleckige Oberfläche 65,
eine nach rechts weisende ringförmige vertikale Auflageflä
che 66 und eine nach außen weisende horizontale zylindri
sche Oberfläche 68, die sich von da aus nach rechts fort
setzt und an die rechte Stirnfläche 64 anschließt. Die in
nere Oberfläche der Mutter hat, wie dargestellt, einen mit
Innengewinde versehenen Teil 69, der sich von der linken
Stirnfläche 63 aus nach rechts erstreckt, und eine nach
rechts und einwärts weisende kegelstumpfförmige Oberfläche
70, die sich von da aus fortsetzt und an die rechte Stirn
fläche 64 anschließt. Die Mutter 30 wird auf das Gewinde 33
der Welle 19 aufgeschraubt und wahlweise so angezogen, bis
die rechte Stirnfläche 64 der Mutter an dem Innenrandend
teil der Kegelradauflagefläche 58 anliegt.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 2-5 ist der Dämpfer
ein horizontal langgestrecktes, zylindrisches Rohr 29, das auf
Druck beansprucht zwischen dem Kegelrad 24 und der Mutter
30 angeordnet ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 hat das Rohr
29 eine ringförmige vertikale linke Stirnfläche 71,
eine ringförmige vertikale Stirnfläche 72, eine horizontale
zylindrische äußere Oberfläche 73 und eine horizontale zy
lindrische innere Oberfläche 74. Der Innenrand der linken
Stirnfläche 71 des Dämpferrohres ist so angeordnet, daß er die
Mutterauflagefläche 66 erfaßt. Die rechte Stirnfläche 72
des Dämpfers ist so angeordnet, daß sie die Kegelradaufla
gefläche 58 erfaßt. Die innere Oberfläche 74 des Dämpferrohres
hat Abstand von der Mutteroberfläche 68, um ein maximales
diametrales Spiel von bis zu etwa 0,05 mm zu
erzeugen und unerwünschte Unwucht aufgrund einer Versetzung
des Dämpfers zu verhindern. Ein minimales diametrales
Spiel von etwa 0,01 mm wird bevorzugt, um ein
Klemmen des Dämpfers zu verhindern und eine unbehinderte
Umfangsbewegung zu gestatten.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 3-5 ist die bevorzugte
Ausführungsform des als Dämpfer wirkenden Rohres 29 mit zwei axialen Abstand
voneinander aufweisenden Reihen von gegenseitigen Umfangs
abstand aufweisenden Durchgangsschlitzen versehen, wobei
drei derartige Schlitze in jeder Reihe vorgesehen sind. Die
beiden Reihen sind vorzugsweise in dem zentralen Teil des
Rohres 29 vorgesehen, wobei die Schlitze der linken Reihe
links von dem axialen Mittelpunkt des Rohres 29 und die
Schlitze der rechten Reihe rechts von diesem Mittelpunkt
angeordnet sind. Daher sind in der bevorzugten Ausführungs
form die linke und die rechte Reihe von Schlitzen um diesen
Mittelpunkt zentriert. Die Schlitze der linken Reihe sind
mit 75 bezeichnet, und die Stege zwi
schen ihnen sind mit 76 bezeichnet. Ebenso sind die
Schlitze der rechten Reihe mit 78 bezeichnet, und die Stege
zwischen ihnen sind mit 79 bezeichnet.
Die Schlitze jeder Reihe nehmen Bogenstrecken von etwa 110°
ein, wobei die unterbrechenden Stegteile Bogenstrecken von
etwa 10° einnehmen. Die Schlitze und die Stege der beiden
Reihen sind gleichbemessen und -aufgeteilt, aber in Umfangsrichtung
in bezug aufeinander versetzt, wie es in Fig. 5 gezeigt
ist. Bei Bedarf können diese Schlitze durch herkömmliche
maschinelle Bearbeitung mittels elektrischer Entladung her
gestellt werden. Der Zweck dieser Schlitzreihen ist
es, den Dämpfer für eine Zusammendrückung in axialer Rich
tung biegsam zu machen. Daher hat der Dämpfer in axialer
Richtung eine relativ niedrige Federkonstante.
Das Rohr 29 ist an dem Rotor gemäß der Darstellung in Fig.
2 so befestigt, daß seine rechte Stirnfläche 72 die Kegel
radauflagefläche 58 und seine linke Stirnfläche 71 die an
grenzende Mutterauflagefläche 66 berührt. Das Rohr 29 ist
so ausgebildet, daß es eine besondere axiale Länge im un
komprimierten Zustand hat, und die Mutter ist so ausgebil
det, daß sie eine vorbestimmte kürzere axiale Abmessung
zwischen ihrer rechten Stirnfläche 64 und ihrer Auflageflä
che 66 hat. Wenn die Mutter auf den Rotor so aufgeschraubt
wird, daß die Mutterstirnfläche die Kegelradoberfläche 58
fest berührt, wird daher das Rohr 29 um eine bekannte
Strecke axial zusammengedrückt (d.h. um die Differenz zwi
schen der freien axialen Länge des Rohres 29
und dem axialen Abstand zwischen der Mutterauflagefläche 66
und der Mutterstirnfläche 64). Die Federkonstante des Rohres 29
bewirkt in Verbindung mit dem axialen Zusammendrücken
um ein bekanntes Ausmaß, daß die linke und die rechte
Stirnfläche des Rohres 29 eine bekannte Vorbelastungskraft
jeweils auf die Mutter- und auf die Kegelradauflagefläche
66 bzw. 58 ausüben. In einem besonderen Ausführungsbeispiel ist
das Rohr 29 so ausgebildet, daß die Vorbelastungskraft etwa
44,5 N beträgt. Die Vorbelastungskraft wird so
gewählt, daß sich für jeden Verwendungszweck die maximale
Dämpfung ergibt.
Weiter ist das Rohr 29 so ausgebildet und bemessen, daß
die Größe dieser Vorbelastungskraft, der Koeffizient der
Reibung zwischen den Rohrstirnflächen und den diesen zu
gewandten Auflageflächen und das polare Trägheitsmoment des
Rohres 29 so sind, daß die beiden Stirnflächen 71 und 72
relativ zu den Auflageflächen 58 und 66
"rutschen" oder schlüpfen, wenn der Rotor durch das Kegel
rad 24 während des Anlassens torsionsmäßig angeregt wird,
um dadurch die Schwingungen zu dämpfen, die von dem Kegel
rad über die Welle oder eine andere Schwingungen übertra
gende Vorrichtung auf den anregbaren Rotorteil, wie zum
Beispiel die Laufschaufeln des fünften Kranzes, übertragen
werden.
Das als Dämpfer wirkende Rohr 29 gemäß bevor
zugten Ausführungsbeispielen der Erfindung verbraucht
durch Reibung Schwingungsanregungsenergie und ist
auf vorbestimmte Weise mit ausreichender axi
aler Biegsamkeit versehen, um das Rohr 29 praktisch
einsetzbar zu machen, ohne die bauliche Festigkeit zu be
einträchtigen, wenn es bei hohen Drehzahlen von bis zu
etwa 46 000 U/min eingesetzt wird.
Die Dämpfung wird erreicht durch Auswählen des polaren
Trägheitsmoments des Rohres 29 und die Reibungskraft zwi
schen dem Rohr 29 und den Auflageflächen 58 und 66, so
daß zwischen ihnen ein gewollter relativer Torsionsschlupf
vorhanden ist, wenn das Kegelrad 24 bei einer vorbestimmten
Frequenz schwingungsmäßig angeregt wird, wie beispielsweise
der, die aufgrund der 38/U-Anregung des Kegelrads 24 auf
tritt.
In einem solchen Anregungszustand werden das Kegelrad 24,
die Welle 19 und die Mutter 30 torsionsmäßig vibrieren oder
schwingen, und das Rohr 29 wird bestrebt sein, sich die
ser Vibration aufgrund seines polaren Trägheitsmoments zu
widersetzen. Wenn die Reibungskräfte zwischen dem Rohr
29 und den Auflageflächen 58 und 66 relativ niedrig sind,
wird das Rohr 29 bestrebt sein, auf der Nenndrehzahl der
Welle 19 zu bleiben und nicht der Schwingungsbewegung des
Kegelrads 24 zu folgen. Wenn die Reibungskräfte relativ
hoch sind, wird das Rohr 29 dem Kegelrad 24 folgen oder
mit diesem schwingen, so daß keine effektive Dämpfung er
folgt. Wenn ein mäßiges Ausmaß an Reibung vorhanden ist,
wird diese Reibung Torsionsschwingungsenergie aufgrund des
Torsionsschlupfes zwischen dem Rohr 29 und den Auflage
flächen 58 und 66 verbrauchen.
Demgemäß wird für die Wahl des polaren Trägheitsmoments und
die axiale Vorbelastung des Rohres 29 ein Kompromiß ge
troffen, um sicherzustellen, daß der Widerstand gegen Tor
sionskräfte aufgrund des polaren Trägheitsmoments größer
wird als die Reibungskräfte aufgrund der axialen Vorbela
stung des Rohres 29 in dem vorbestimmten Zustand, der die
Torsionsanregung verursacht. In einem solchen Zustand ist
der Kontakt zwischen dem Rohr 29 und den Auflageflächen
58 und 66 so, daß er Torsionsschlupf gestattet, durch den
Anregungsenergie reibungsmäßig verbraucht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform hatte das polare Träg
heitsmoment einen Wert von 44×10-6 Nms2
und die axiale Vorbelastungskraft be
trug etwa 44,5 N.
Ein genauer Wert der axialen Vorbelastung ist an dem Rohr
29 erforderlich, um Schlupf des Rohres 29 bei einem
vorbestimmten Wert der Torsionsschwingung zu gewährleisten.
Das Rohr 29 könnte zwar undurchlöchert sein, es wäre je
doch axial relativ steif und die Abmessungstoleranzen des
Rohres 29 relativ zu den Auflageflächen 58 und 66, welche
erforderlich sind, um eine vorbestimmte axiale Vorbelastung
zu gewährleisten, würden sehr klein und nicht praktisch
sein. Die axiale Vorbelastung könnte auch durch die Verwen
dung einer zusätzlichen Federvorspanneinrichtung erzeugt
werden, wäre aber dann relativ komplexer und müßte zusätzlich bei den
relativ hohen Drehzahlen wirksam sein.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schlitze 75
und 78 vorgesehen, um ein Teil zu schaffen (d.h. das Rohr
29), der nicht nur für eine Reibungsdämpfung sorgt,
sondern auch von sich aus eine relative axiale Biegsamkeit
aufgrund der Schlitze 75 und 78 aufweist. Die axiale
Biegsamkeit gestattet eine ausreichende axiale Zusammen
drückung des Rohres 29 zwischen den Auflageflächen, um
ein genaues und relativ geringes Ausmaß der axialen Vorbe
lastungskraft zu gewährleisten. Zum Beispiel wurde die
axiale Vorbelastungskraft von 44,5 N in dem be
vorzugten Ausführungsbeispiel durch axiales Zusammendrücken des
Rohres 29 zwischen den Auflageflächen 58 und 66 um eine
Strecke von 0,25 mm erzielt.
Da die Schlitze 75 und 78 in der Umfangsrichtung ausgerich
tet sind, werden unerwünschte Beanspruchungen in dem Dämp
fer unter den hohen Zentrifugalbelastungen, die bei den ho
hen Drehzahlen von bis zu etwa 46 000 U/min auftreten, nicht
erzeugt. Der Dämpfer behält eine ausreichende bauliche
Festigkeit und hält eine konstante Vorbelastung bei allen
Drehzahlen aufrecht.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Zum
Beispiel kann das Rohr 29 mit mehr als zwei axialen Abstand
aufweisenden Reihen von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Schlitzen
bei Bedarf versehen werden, und diese brauchen nicht
notwendigerweise in bezug auf den axialen Mittelpunkt des
Rohres 29 symmetrisch angeordnet zu sein. Die Schlitze in je
der Reihe können durch Sägen oder auf andere Weise herge
stellt werden, je nach Bedarf. Verschiedene Distanzstücke
(nicht dargestellt) könnten zwischen dem Kegelrad 24 und
dem inneren Laufring 43 des Lagers und/oder zwischen dem
inneren Laufring 43 und der Welle 19 vorgesehen werden. Die
aneinander anliegenden Oberflächen des Rohres 29, der Mutter
und des Kegelrads (d.h. die Oberflächen 66, 71 und die
Oberflächen 72, 58) können eine geeignete Oberflächenbe
schaffenheit aufweisen (d.h. poliert, aufgerauht usw.
sein), so daß ein gewählter Reibungskoeffizient zwischen
ihnen festgelegt ist.
Claims (5)
1. Trägheitsdämpfer zur Befestigung auf dem Rotor (12)
eines Gasturbinentriebwerks (10), um die
Schwingungsanregung eines ersten Teils (16E) desselben zu
dämpfen, die der Einwirkung einer Quelle von Schwingungen
mit einer besonderen Frequenz auf einen zweiten Teil (24)
desselben zuzuschreiben ist, wobei der Rotor (12) eine
erste Auflagefläche (58), die auf dem zweiten Teil (24) des
Rotors (12) angeordnet ist, und eine zweite Auflagefläche
(66) aufweist, die mit Abstand von der ersten Auflagefläche
(58) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch ein axial biegsames, zylindrisches
Rohr (29), das zwischen der ersten und der zweiten
Auflagefläche (58, 66) axial zusammendrückbar und so
bemessen ist, daß das polare Trägheitsmoment des Rohres
(29) und die Kraft, die durch das Rohr (29) jeweils auf die
Auflageflächen (58, 66) ausgeübt wird, die Schwingungen des
ersten Rotorteils (16E), die der Quelle von Schwingungen
mit der Frequenz zuzuschreiben sind, welche auf den zweiten
Rotorteil (24) einwirkt, durch Reibung gedämpft werden.
2. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (29) mehrere Reihen
von auf dem Umfang im Abstand angeordneten Schlitzen (75,
78) aufweist.
3. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (29) zwei Reihen von
Schlitzen (75, 78) aufweist.
4. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Reihen auf einer Seite
des axialen Mittelpunktes des Rohres (29) und die andere
Reihe auf der anderen Seite des axialen Mittelpunktes
angeordnet ist.
5. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (76) zwischen den
Schlitzen (75, 78) der einen Reihe n bezug auf die Stege
(79) zwischen den Schlitzen der anderen Reihe in
Umfangsrichtung versetzt sind.
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