DE4429640A1 - Lageranordnung für rotierende Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Lageranordnungen für rotie­ rende Wellen und insbesondere solche Anordnungen, die eine schmelzbare oder brechbare Vorrichtung zum Abstützen von Wellen aufweisen, die während des Betriebes sehr hohen radialen Belastungen ausgesetzt werden können.

Ein Beispiel für eine derartige Lageranordnung ist in US-A-3395857 zur Abstützung einer Kompressor- und Turbinen-Antriebswelle in einem Gasturbinentriebwerk be­ schrieben. Die brechbare Vorrichtung ist so ausgebildet, daß sie im Falle des Verlustes beispielsweise einer Turbinen­ schaufel anspricht, um eine radiale Bewegung der Antriebs­ welle in der Weise zu ermöglichen, daß das Auftreten hoher radialer Belastungen verhindert wird, die zu einer Unter­ brechung der Triebwerksbefestigung mit der Flugzeugzelle führen können. Bei dieser bekannten Anordnung dienen eine Vielzahl von brechbaren Schraubbolzen dazu, einen radialen Flansch eines äußeren Lagergehäuses an einer Traganordnung mit aufeinanderliegenden Oberflächen in Anlage festzu­ klemmen. Die brechbaren Schraubbolzen sind so ausgelegt, daß sie bei einer vorbestimmten Belastung abscheren; während dies exakt vorhergesagt werden kann, ist die Reibbelastung zwischen den aufeinanderliegenden Oberflächen unbekannt, was es extrem schwierig macht, die Belastung exakt vorherzusagen, bei der ein Abscheren der Schraubbolzen tatsächlich auftritt. Infolgedessen besteht die Gefahr, daß die bekannte Anordnung im Betrieb nicht vorhersagbar und unzuverlässig arbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lageranordnung zu schaffen, die diese Probleme löst.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Lageranord­ nung zur Lagerung einer um eine Rotationsachse umlaufenden Welle gelöst, die einen inneren Laufring auf der Welle, einen äußeren Laufring, der in einem Lagergehäuse mit einem radial verlaufenden Flanschteil abgestützt ist, und einer Mehrzahl von brechbaren Bolzen, die konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sind und den Flanschteil mit einer Traganordnung befestigen, erreicht, wobei jeder brechbare Bolzen mindestens einen brechbaren Teil aufweist, der zwischen in axialem Abstand voneinander angeordneten radialen Flanschen befestigt ist und in Eingriff mit dem Flanschteil sowie der Traganord­ nung gebracht werden kann, und wobei das Flanschteil des Lagergehäuses axial von der Traganordnung versetzt angeordnet ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das brechbare Teil einen länglichen Teil mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen, der dich zwischen den radialen Flanschen erstreckt und parallel zur Rotationsachse der Welle verläuft. Der brechbare Teil kann mit einer in Umfangsrichtung angeordneten Schernut oder einer axialen Bohrung versehen sein, die sich von einem Ende des brechbaren Schraubbolzens aus und über etwa die gesamte Länge des brechbaren Teiles erstreckt.

Bei einer anderen Ausführungsform kann der brechbare Teil ringförmige Scherhalsteile aufweisen, die zwischen radial inneren und äußeren Flanschteilen der axial im Abstand versetzten radialen Flansche angeordnet sind. Eine Ringfläche des äußeren ringförmigen Flanschteiles erstreckt sich vorzugsweise in axialer Richtung über die Ringfläche des inneren ringförmigen Flanschteiles hinaus, so daß während des normalen Betriebes ein axialer Abstand zwischen den radialen Flächen der inneren Flanschteile und benachbarten Flächen des Lagergehäuses und der Traganordnung besteht.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich­ nung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teilschnittseitenansicht einer Lageranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilendansicht in Richtung des Pfeiles A der Fig. 1.

Fig. 3 eine Teilschnittseitenansicht eines Teiles der Anordnung nach Fig. 1 in einer abgeänderten Ausfüh­ rung, und

Fig. 4 eine Teilschnittseitenansicht eines Teiles der Anordnung nach Fig. 1 in einer weiteren Abänderung.

Nach den Fig. 1 und 2 steht eine Antriebswelle 11 aus einem nicht dargestellten Gasturbinentriebwerk vor, das im Betrieb die Antriebswelle um die Rotationsachse 12 dreht. Ein radialer Flansch 13 am Ende der Antriebswelle 11 ist mit einer Nabe 14 verschraubt, die eine Anzahl von radial verlaufenden Lüfterschaufeln (nicht dargestellt) aufnimmt.

Die Antriebswelle 11 wird von einer Lageranordnung 15 mit einem inneren Laufring 16 aufgenommen, der auf der Antriebs­ welle 11 über eine Schraubmutter 18 festgeklemmt ist. Ein äußerer Laufring 19 nimmt ein Kugellager 17 auf und ist in einem ringförmigen Lagergehäuse 20 abgestützt, das acht radial verlaufende Flanschteile 21 besitzt, die in gleichem Abstand um den Umfang versetzt angeordnet sind (es ist nur ein Flanschteil dargestellt). Jedes Flanschteil 21 ist mit einer starren Traganordnung 22 über brechbare Schraubbolzen 23 verbunden, die in Kreisform um die Drehachse 12 angeordnet sind.

Jeder der brechbaren Schraubbolzen 23 weist ein zentrisches, längliches brechbares Teil 24 auf, das einen kreisförmigen Querschnitt hat und das zwischen axial beabstandeten radialen Flanschen 25 und 26 zur jeweiligen Befestigung mit den Flanschteilen 21 des Lagertraggehäuses 20 und der Traganord­ nung 22 verläuft. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erstreckt sich eine axiale Bohrung 37 von einem Ende des brechbaren Bolzens 23 durch und über die Länge des zentri­ schen brechbaren Teiles 24 hinaus.

Jeder Flansch 26 ist durch einen vorstehenden Zentrierzapfen 27 gesichert, der in eine zugehörige Öffnung 28 in der Traganordnung 22 eingesetzt und durch drei parallele Schraub­ bolzen 43 befestigt ist, die in rechtwinklig zueinander stehenden Ebenen (s. Fig. 2) angeordnet sind, so daß sie während des Betriebes Biegebeanspruchungen in einer beliebi­ gen Richtung widerstehen.

Ein Drehzapfen 29, der vom Flansch 25 vorsteht, ist in einer zugehörigen Öffnung 30 im Flanschteil 21 angeordnet und über eine Mutter 31 befestigt, die auf eine Schraubgewindespindel 32 aufgeschraubt ist. Der Flansch 25 weist einen nach innen gerichteten Schenkel 33 auf, der eine innere, gerundete Oberfläche 34 besitzt, die konzentrisch zur Rotationsachse ausgebildet ist und gegen eine äußere Fläche 35 eines Lippenteiles 36 auf den Lagertraggehäuse 20 anliegt. Dieses Widerlager wirkt den Drehmomentbelastungen entgegen, die sich aufgrund des Festziehens der Schraubenmutter 31 ergeben, und verhindert, daß die Drehmomentbelastungen in den länglichen brechbaren Teil 24 übertragen werden.

Der längliche brechbare Teil 24 eines jeden brechbaren Schraubbolzens 23 ist im normalen Betrieb so angeordnet, daß er parallel zur Rotationsachse 12 liegt, und die im Abstand voneinander angeordneten Flansche 25 und 26 dienen dazu, die Flanschteile 21 des Lagergehäuses 20 und das Traggestell 22 axial im Abstand zueinander zu halten. Der längliche brech­ bare Teil 24 eines jeden brechbaren Schraubbolzens 23 ist so ausgelegt, daß er bei einer vorbestimmten radialen Belastung bricht, und die axiale Bohrung 37, die sich durch die gesamte Länge des Teiles 24 in der Ausführungsform nach Fig. 1 erstreckt, stellt sicher, daß in einer bestimmten Anlage der brechbare Teil 24 bei der gegebenen radialen Belastung bricht, jedoch eine ausreichende Festigkeit hat, um normale Betriebsbelastungen aufzunehmen. Hierzu ist die Länge des brechbaren Teiles 24 so ausgelegt, daß eine Biegung auftreten kann (in Fällen, die noch beschrieben werden), bevor ein Bruch eintritt, wodurch die tatsächliche Bruchbelastung etwas höher gesetzt werden kann als dies sonst erforderlich wäre, wobei wiederum eine höhere Festigkeit in dem brechbaren Teil 24 zur Aufnahme normaler Betriebsbelastungen zulässig ist.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Modifikation hat der brechba­ re Schraubbolzen 23 keine zentrische Bohrung, und der brechbare Teil 24 ist mit einer Umfangsschernut 44 versehen, um einen unmittelbaren Scherfehler anstelle eines Biegefeh­ lers der Ausführungsform nach Fig. 1 zu beschleunigen.

Bei der weiteren Modifikation nach Fig. 3 weist jeder brechbare Schraubbolzen 23 zwei ringförmige brechbare Scherhalsteile 24 auf, die zwischen radial inneren und äußeren ringförmigen Flanschteilen 25a und 25b sowie 26a und 26b der axial voneinander versetzten Flansche 25 und 26 angeordnet sind. Ringförmige Flächen 25c und 26c der äußeren ringförmigen Flanschteile 25b und 26b erstrecken sich in axialer Richtung über ringförmige Flächen 25d und 26d der inneren ringförmigen Flanschteile 25a und 26a hinaus, so daß ringförmige axiale Abstände 38 und 39 zwischen den inneren ringförmigen Flächen 25d und 26d und benachbarten Flächen des Flanschteiles 21 des Lagergehäuses 20 und der Traganordnung 22 festgelegt werden.

Bei dieser Ausführungsform sind die Oberflächen der Zentrier­ zapfen 27 und 29 in radialer Richtung von den Innenflächen 28 und 30 im Flanschteil 21 und der Traganordnung 22 im Abstand versetzt, und die radiale Lage wird durch externe Durchmesser 40 auf äußeren Flanschteilen 25b und 26b erzielt, die in zugehörigen Aussparungen 41 und 42 im Flanschteil 21 und in der Traganordnung 22 angeordnet sind. Der Zentrierzapfen 27 ist bei dieser Ausführungsform durch einen Schraubgewindeteil verlängert, auf den eine Mutter aufgeschraubt wird, um den brechbaren Schraubbolzen 23 mit der Traganordnung 22 zu befestigen.

Im normalen Betrieb nimmt die Lageranordnung 15 die Welle 11 und das mit der Nabe 14 drehbar um die Achse 12 angeordnete Gebläse der starren Traganordnung 22 auf.

Wenn das Gebläse beschädigt wird, beispielsweise sich eine Lüfterschaufel gelöst hat, läuft das Gebläse unabgeglichen und es treten sehr hohe radiale Belastungen am Ende der Antriebswelle 11 auf. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bewirken die radialen Belastungen Beanspruchungen in den brechbaren Teilen 24 der brechbaren Schraubbolzen 23, und wenn die Belastung die vorbestimmte Belastung übersteigt, übersteigt die auftretende Beanspruchung die Materialfestig­ keit und es tritt ein Nachgeben der brechbaren Teile 24 und ein sich in wenigen Zyklen anschließender Bruch auf. Dieser Bruch setzt das äußere Lagergehäuse 20 aus der Einspannung frei, so daß radiale Bewegungen des Endes der Antriebswelle 11 ermöglicht werden, wodurch das Auftreten hoher radialer Belastungen in der Befestigung aufgrund eines Ungleichge­ wichts verhindert und damit die Befestigung des Triebwerks mit der Flugzeugzelle unbeschadet aufrechterhalten wird.

Im Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 4 stellt die Umfangsschernut 44 einen Scherbruch des brechbaren Teiles 24 sicher, sobald die radiale Belastung die vorbestimmte Last übersteigt, derart, daß die induzierte Scherbeanspruchung die Materialscherfestigkeit übersteigt, damit eine radiale Bewegung des Endes der Antriebswelle 11 ermöglicht wird.

In ähnlicher Weise führt bei der Ausführungsform nach Fig. 3 eine zu hohe radiale Belastung zu einem unmittelbaren Bruch der beiden brechbaren Scherhalsteile 24, damit eine Trennung und Freigabe der äußeren Flanschteile 25b und 26b ermöglicht wird, um das äußere Lagergehäuse 20 aus der radialen Einspan­ nung zu befreien. Bei dieser Ausführungsform ist eine begrenzte axiale Einspannung des Flanschteiles 21 von der Traganordnung 22 aufgrund der axialen Abstände 38 und 39 vorgesehen, die ein Anschlagen im Falle eines Bruches der brechbaren Teile 24 zwischen radialen Flächen 25d und 26d, sowie zugewandten Flächen des Flanschteiles 21 und der Traganordnung 22 ermöglichen.

Die Lageranordnung 15 nach der Erfindung stützt sich aus­ schließlich auf die exakt vorhersagbare Prüfspannung der brechbaren Teile 24 der brechbaren Bolzen 23, wodurch einwandfrei vorhersagbare und exakte Bruchcharakteristiken gewährleistet sind. Mit der Erfindung entfällt das unbekannte und nicht vorhersagbare Element aus der bekannten Anordnung und es ergibt sich eine Lageranordnung, die die vorerwähnten Probleme entsprechender bekannter Ausführungen vermeidet.

Vorstehend wurden verschiedene Ausführungsformen beschrieben und dargestellt; es gibt jedoch eine Reihe von Modifikationen im Rahmen vorliegender Erfindung. Beispielsweise variieren Querschnittsform und Größe des brechbaren Teils 24 der brechbaren Schraubbolzen 23 je nach den entsprechenden Anwendungsfällen, wie auch die Anzahl von brechbaren Schraub­ bolzen, die bei den verschiedenen Anwendungsfällen verwendet werden. Zur Befestigung der brechbaren Bolzen 23 zwischen dem Lagergehäuse 20 und der Traganordnung 22 können beliebige Befestigungsvorrichtungen verwendet werden, und die individu­ ellen Flanschteile 21 können als einzelner kontinuierlicher Flansch ausgebildet sein. Der innere Laufring 16 des Kugel­ lagers 17 kann einteilig mit der Welle 11 geformt sein, und es kann eine beliebige Art von Lager verwendet werden. Die Lageranordnung nach der Erfindung wurde in Verbindung mit dem Einbau in ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, sie kann jedoch auch zur Lagerung einer rotierenden Welle für andere spezielle Anwendungsfälle eingesetzt werden, bei denen die Welle hohen radialen Belastungen ausgesetzt ist.

Claims (6)

1. Lageranordnung (15) zur Lagerung einer Welle (11), die um eine Rotationsachse (12) rotiert, mit einem inneren Laufring (16) auf der Welle, einem äußeren, in einem Lagergehäuse (20) mit einem radial verlaufenden Flansch­ teil (21) abgestützten Laufring (19), und einer Mehrzahl von brechbaren, konzentrisch zur Rotationsachse angeord­ neten und den Flanschteil mit einer Traganordnung (22) befestigenden Bolzen (23), bei der jeder brechbare Bolzen mindestens ein brechbares Teil (24) aufweist, das zwischen axial im Abstand voneinander versetzten radialen Flanschen (25, 26) angeordnet ist, die in Eingriff mit dem Flanschteil (21) sowie der Traganordnung (22) gebracht werden können, wobei das Flanschteil (21) des Lagergehäuses axial von der Traganordnung (22) versetzt angeordnet ist.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der brechbare Teil ein längliches Teil (24) mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, das sich zwischen den radialen Flanschen und etwa parallel zur Rotationsachse der Welle erstreckt.

3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das brechbare Teil (24) mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Schernut (44) versehen ist.

4. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder brechbare Schraubbolzen eine axiale Bohrung (37) aufweist, die von einem Ende ausgeht und sich durch im wesentlichen die ganze Länge des brechbaren Teiles erstreckt.

5. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das brechbare Teil ringförmige Abscherhalsteile aufweist, die zwischen radial inneren und äußeren Flanschteilen (25a, 25b, 26a, 26b) der axial versetzten Flansche (25, 26) angeordnet sind.

6. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringfläche (25c, 26c) des äußeren Flanschteiles (25b, 26b) sich in axialer Richtung über eine radiale Fläche (25d, 26d) der inneren Flanschteile (25a, 26a) erstreckt, damit während des normalen Betriebes ein axialer Abstand (38, 39) zwischen den radialen Flächen der inneren Flanschteile und benachbarten Flächen des Lagergehäuseflansches (21) und der Traganordnung (22) erzielt wird.