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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zentrieren eines Rohrs oder
eines Teils im Innern einer hohlen Turbinen-Welle in einer Turbomaschine, wobei
dieses Rohr oder dieses Teil bei Rotation mit der Welle an seinen/ihren
Enden verbunden ist, wobei diese Vorrichtung umfasst: eine mit dem
Rohr oder dem Teil verbundene, und letzteres umgebende Hülse, einen
elastischen Ring, welcher zwischen der Hülse und der Welle zwischengelegt
ist, und Kufen-Paare aufweist, welche sich radial nach außen erstrecken,
und Mittel, um die Ausdehnung des Rings nach Zusammenbau zu ermöglichen,
damit sich die Kufen im Andruck gegen die Innen-Wand der Welle befinden
mögen.
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In
den Luftfahrt-Turbomaschinen ist koaxial im Innern der zentralen
hohlen Welle, welche die Niederdruck-Turbine mit dem Niederdruck-Kompressor und
gegebenenfalls mit dem Gebläse
verbindet, ein Rohr vorgesehen, welches erlaubt, Räume vor
und hinter Lagern, welche die Rotoren tragen, der freien Luft auszusetzen.
Dieses Rohr erlaubt die Evakuierung einer mit Öl versehener Luft-Menge.
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Dieses
Rohr erstreckt sich entlang der gesamten Länge der Turbinen-Welle, und
es umfasst an seinen Enden Andruck-Vorrichtungen, welche bei Rotation
mit dieser Welle verbunden sind. Dieses sehr lange Rohr hat eine
verhältnismäßig dünne Wand,
da es keinerlei Drehmoment überträgt. Sein transversales
Trägheitsmoment
ist daher reduziert. Wenn Unwuchten, wenn auch sehr schwache, existieren,
sind unter diesen Bedingungen diese Unwuchten nachteilig für das gute
Verhalten dieses Rohrs im Betrieb der Turbomaschine, und können dieses
Rohr biegende Schläge
aufrecht erhalten, welche es, sowie benachbarte Teile, beschädigen können.
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Um
solche Ereignisse zu vermeiden, ordnet man zwischen den zwei End-Andruck-Vorrichtungen des
Rohrs wenigstens eine Zentrier-Vorrichtung an, um die Mittel-Zone
des Rohrs im Innern der hohlen Welle zu haltern.
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Die 1 zeigt
eine Luftfahrt-Strahlturbine 1 mit Achse X, welche im Innern
der Niederdruck-Turbinen-Welle 2 ein Rohr 3 mit
Achse X umfasst. Dieses Rohr 3 erlaubt, Räume vor 4 und
hinter 5 einem vorderen Lager 6 und einem hinteren
Lager 7, welche die Rotoren tragen, der freien Luft auszusetzen.
Das Rohr 3 ist bei Rotation an seinen Enden mit der Niederdruck-Turbinen-Welle 2 verbunden.
Zwischen den Enden des Rohrs 3 sind zwei Zentrier-Vorrichtungen 8a, 8b vorgesehen,
um Teile des Rohrs 3 im Innern der Welle 2 koaxial
zu haltern, und daher das Biegen des Rohrs 3 zu vermeiden.
Die tatsächliche
Anordnung der Zentrier-Vorrichtungen 8a und 8b ist
auf den 2 und 3 gezeigt.
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Das
Rohr 3, mit dünner
Wand, umfasst einen ringförmigen
verstärkten
Abschnitt 3a, rings dessen eine Hülse 9 montiert ist,
welche an einem Ende 9a ein Außen-Gewinde 10, und am anderen
Ende 9b eine konische Umfangs-Wand 11 aufweist, welche in Verlängerung
des Gewinde 10 divergiert.
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Ein
geschlitzter elastischer Ring 12, dessen Innen-Wand gleichermaßen konisch
ist, ist von dem Gewinde-Ende 9a aus auf die Hülse 9 geschoben. Eine
Mutter 14, welche ein dem Gewinde 10 angepasstes
Innen-Gewinde umfasst, lässt
den Ring 12 auf der konischen Wand 11 fortschreiten,
was das Ausdehnen des Rings 12 hervorruft.
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Der
geschlitzte elastische Ring 12, welcher im Detail in 3 gezeigt
ist, weist eine Umfangs-Fläche
von im Wesentlichen viereckigem Querschnitt auf, mit gerundeten
Ecken 15, deren Krümmung
als Funktion des Innen-Durchmessers der
Welle 2 angepasst ist. Bei Ausdehnung des Ringes 12 kommen
die Ecken 15 gegen die Innenwand der Welle 2 zum
Andruck.
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Der
elastische Ring 12 weist somit vier steife Kufen von großem radialem
Querschnitt auf, welche nach außen
durch die Ecken 15 begrenzt werden, und paarweise durch Ring-Teile
von geringerem radialen Querschnitt verbunden sind.
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Der
elastische Ring 12 weist einen seitlichen Schlitz 16 auf
und verhält
sich wie die Gesamtanordnung zweier Balken, welche überhängend montiert sind,
und deren Übergang
in der Zone 17 dem Schlitz 16 diametral gegenüberliegt.
Die Länge
dieser Balken, die Werte des Biege-Moments und des Verbiegens sind
variabel, die Andruck-Kräfte
sind daher nicht die gleichen für
die vier Andruck-Punkte. Hieraus resultiert, dass die Kontakt-Beanspruchungen zwischen
dem elastischen Ring 12 und der Turbinen-Welle 2 ebenfalls
entlang der Andruck-Vorrichtungen
unterschiedlich sind.
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Es
kommt vor, dass diese Beanspruchungs-Werte unzulässig sind, und daher Spuren oder
Einprägungen
an der Innen-Bohrung der Turbinen-Welle 2 vorkommen können, was
sehr schwere Konsequenzen mit sich bringen kann, weil diese Welle 2 einem
beträchtlichen
Torsions-Dreh-Moment unterworfen ist.
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Der
Zweck der Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Haltern eines Rohrs
im Innern einer Welle vorzuschlagen, wie in der Einleitung erwähnt, welche vermeidet,
an der Bohrung der Welle Spuren zu hinterlassen.
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Der
Zweck wird gemäß der Erfindung
dadurch erreicht, dass die Kufen dünne, zylindrische und elastische
Wände umfassen,
welche in Ruhe einen Außen-Durchmesser
aufweisen, welcher vom Innen-Durchmesser der hohlen Welle leicht
verschieden ist, und welche nach Zusammenbau die Innen-Wand der
Welle berühren.
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Daher
ist der Radial-Schnitt der Kufen gemäß der Erfindung, bezüglich einer
Ebene, welche die Rotations-Achse
der Turbomaschine enthält, deutlich
gegenüber
demjenigen der Kufen gemäß des Standes
der Technik verkleinert. Diese Anordnung stellt das Verteilen der
Radial-Kräfte,
welche auf das Festzieh-Drehmoment zurückgehen, auf eine größere Fläche sicher,
und reduziert die Kontakt-Beanspruchungen zwischen den Kufen und
der Bohrung der Turbinen-Welle.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist der Ring ein geschlitzter elastischer Ring, und
die Mittel, um das Ausdehnen des Rings nach Zusammenbau zu ermöglichen,
umfassen ein männlich/weibliches
Kegel-System, welches
auf der Hülse
ausgebildet ist, und den Ring und eine Mutter, welche mittels Festziehens
auf der Hülse
das axiale Verschieben des Rings, seine radiale Ausdehnung und die
Verformung der dünnen
Wände der
Kufen sicherstellen.
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Gemäß einer
ersten Variante der ersten Ausführungsform
umfasst der geschlitzte Ring eine im Wesentlichen zylindrische Innenwand,
und jede Kufe ist mit ihrer axialen Mittel-Zone mittels einer Radial-Wand
mit dieser zylindrischen Innenwand verbunden, und weist eine flexible
Lippe an jeder Seite dieser Radial-Wand auf.
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In
dieser ersten Variante ist der Außen-Durchmesser der Kufen in
Ruhe größer als
der Innen-Durchmesser der Welle, und nimmt beim Zusammenbau ab.
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Gemäß einer
zweiten Variante umfasst der geschlitzte Ring mehrere zylindrische
Teile, welche sich mit den Kufen abwechseln, wobei die Enden jeder
Kufe jeweils in die beiden benachbarten zylindrischen Teile einmünden.
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In
dieser zweiten Variante ist der Außen-Durchmesser der Kufen in
Ruhe kleiner als der Innen-Durchmesser der Welle und nimmt beim
Zusammenbau zu.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung umfasst jede Kufe eine dünne zylindrische Wand, welche
in Ruhe einen Außen-Durchmesser aufweist,
welcher kleiner ist als der Innen-Durchmesser der Welle, und an
jedem Ende der dünnen
Wand einen Körper
in Sektor-Form, und die Körper
sind axial mittels zweier Federringe gehaltert, um einen Ring zu
bilden, welcher in Ruhe einen Innen-Durchmesser aufweist, welcher
kleiner ist als der Außen-Durchmesser
der Hülse.
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Gemäß einer
ersten Variante der zweiten Ausführungsform
umfasst die Hülse
einen Flansch zum axialen Haltern der Körper auf einem zylindrischen
Abschnitt der Hülse,
und die Körper
weisen an der Seite des Flansches eine Abschrägung auf, wodurch mittels Festziehens
einer Mutter auf der Hülse das
Ausdehnen des Rings und der Federringe bei der Montage des Rings
ermöglicht
wird.
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Vorteilhafter
Weise sind vier Kufen vorgesehen, welche rings der Rotations-Achse
der Turbomaschine regelmäßig verteilt
sind.
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Gemäß einer
weiteren Variante der zweiten Ausführungsform umfassen die Mittel,
welche das Ausdehnen des Rings bei der Montage ermöglichen, ein
männlich/weibliches
Kegel-System, welches auf der Hülse
und den Körpern
ausgebildet ist, und eine Mutter, welche mittels Festziehens auf
der Hülse
das axiale Verschieben der Körper,
die Radial-Ausdehnung der Körper
und der Federringe, und die Deformation der dünnen Wände der Kufen sicherstellt.
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Gemäß eines
weiteren vorteilhaften Merkmals der Erfindung weist, in Ruhe, der
Kreis, welcher der Gesamtanordnung der Kufen umschrieben ist, einen
Durchmesser auf, welcher leicht geringer ist als der Innen-Durchmesser
der Welle, um das Platzieren der Vorrichtung in der Bohrung der
Turbinen-Welle vor dem Montieren des Rohres zu ermöglichen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung kristallisieren sich bei der
Lektüre
der folgenden Beschreibung heraus, welche als Beispiel, und unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen angegeben wird, in welchen:
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1 ein
Schnitt einer Strahlturbine ist, welcher die Position der Vorrichtung
zum Zentrieren des Rohrs koaxial im Innern der Niederdruck-Turbinen-Welle
angeordnet zeigt;
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2 eine
Schnitt-Ansicht einer Zentrier-Vorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik ist;
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3 eine
Draufsicht des geschlitzten elastischen Ringes gemäß dem Stand
der Technik ist;
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4 eine
Frontal-Ansicht des geschlitzten elastischen Ringes gemäß einer
ersten Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5 gemäß einer
ersten Variante einer ersten Ausführungsform ein Schnitt entlang
einer durch die Rotations-Achse der Turbomaschine verlaufenden Radial-Ebene von der Zentrier-Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ist, wobei der geschlitzte Ring entlang der Linie V-V der 4 geschnitten
ist;
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6 die
Konfiguration einer Kufe gemäß der ersten
Variante vor dem Zusammenbau zeigt;
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7 die
Konfiguration einer Kufe nach dem Zusammenbau zeigt;
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8 eine
Frontal-Ansicht eines geschlitzten elastischen Rings gemäß einer
zweiten Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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9 ein
Schnitt entlang einer Axial-Ebene, welche durch die Rotations-Achse
der Turbomaschine verläuft,
von der Zentrier-Vorrichtung gemäß der Erfindung
gemäß der zweiten
Ausführungs-Variante ist,
wobei der geschlitzte Ring entlang der Linie IX-IX der 8 geschnitten
ist;
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10 den
Außen-Radius
der Kufe gemäß 8 vor
und nach Zusammenbau zeigt;
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11 eine
Frontal-Ansicht eines elastischen Ringes gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung ist, wobei dieser Ring vier unabhängige Kufen umfasst, welche
axial von zwei elastischen Federringen gehalten werden;
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12 ein
Schnitt entlang einer Axial-Ebene, welche durch die Rotations-Achse
der Turbo-Maschine verläuft,
von der Zentrier-Vorrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform
im zusammengebauten Zustand ist, wobei der Ring entlang der Linie XII-XII
der 11 geschnitten ist;
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13 im
Detail die Variation des Außen-Radius
der Kufen während
der Ausdehnung des Ringes gemäß 11 zeigt;
und
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14 ähnlich zu 12 ist,
und eine Ausführungs-Variante
des Systems zum Ausdehnen des Rings zeigt.
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Die 1 bis 3 wurden
in der Einleitung kommentiert, und bedürfen keiner zusätzlichen
Erklärungen.
Gemäß der Erfindung
umfasst das Rohr 3, wie im Stand der Technik, einen verstärkten ringförmigen Abschnitt,
welcher auf den 4 bis 14 nicht
gezeigt ist, rings dessen eine Hülse 9 montiert
ist, welche ein erstes Gewinde-Ende 9a, und in Verlängerung
des Gewinde-Endes 9a ein zweites Ende 9b aufweist,
welches dazu vorgesehen ist, einen expandierbaren Ring 20 aufzunehmen.
Der Ring 20 ist auf der Hülse 9 von einer Mutter 14 gehalten, welche
ein Innen-Gewinde umfasst, welches mit dem Gewinde des Endes 9a der
Hülse 9 zusammenwirkt. Der
Ring 20 ist zwischen der Hülse 9 und der Innenwand 21 der
Turbinen-Welle 2 zwischengelegt. In den 4 bis 14 ist
aus Gründen
der Deutlichkeit nur die Innenwand 21 der Turbinen-Welle 2 dargestellt.
Diese Innenwand 21 weist einen Radius E/2 in Höhe des Rings 20 auf
nach Einführen
der Zentrier-Vorrichtung
in die Bohrung der Turbinen-Welle 2 und Montage des Rohrs 3.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung weist der Ring 20, wie im eingangs beschriebenen
Stand der Technik, einen Schlitz 22 auf.
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Gemäß einer
ersten Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung, wie in den 4 bis 7 dargestellt,
umfasst der expandierbare Ring 20 eine im Wesentlichen
zylindrische Innen-Wand 23, welche nach Montage die Hülse 9 umgibt.
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Rings
der Innenwand 23 erstrecken sich in orthogonalen Ebenen,
welche sich entlang der Rotations-Achse X der Turbomaschine schneiden,
vier oder mehrere radiale Wände 24 radial
nach außen, welche
an ihren Enden 25 dünnwandige
und zylindrische Kufen tragen.
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Jede
Kufe 25 weist an jeder Seite der radialen Trage-Wand 24 eine
flexible Lippe 26a beziehungsweise 26b auf. Im
Ruhe-Zustand der Kufen 25, welcher in 6 gezeigt
ist, ist der Außen-Radius
R2 ihrer zylindrischen Wand leicht größer als der Innen-Radius E/2
der Turbinen-Welle.
In dieser Situation ist der Durchmesser des den vier Kufen umschriebenen
Kreises größer als
der Innen-Durchmesser
E der Turbinen-Welle.
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Beim
Zusammenbau werden die Enden der Lippen 26a und 26b im
Kontakt mit der Bohrung der Turbinen-Welle beim Festziehen der Mutter 14 gebogen.
In der in 7 gezeigten zusammengesetzten Konfiguration
wird der Außen-Radius der zylindrischen
Wand jeder Kufe 25 gleich dem Radius E/2 der Turbinen-Welle.
Jede Kufe 25 befindet sich daher auf ihrer gesamten Außenfläche im homogenen
Andruck gegen die Innen-Wand 21.
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Dank
eines männlich/weiblichen
Kegel-Systems, welches am Außen-Umfang
des Hülsen-Endes 9b und
am Innen-Umfang des Rings 20 ausgebildet ist, gleitet der
Ring 20 beim Festziehen der Mutter 14 auf dem
Ende 9b der Hülse 9,
und erfährt
eine radiale Expansion nach außen.
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Zum
Montieren der oben beschriebenen Zentrier-Vorrichtung in der Turbinen-Welle platziert man
den Ring 20 und die nicht festgezogene Mutter 14 auf
der Hülse 9.
Man platziert die Gesamtanordnung in der Turbinen-Welle. Man übt mittels
der Mutter 14 ein Festzieh-Drehmoment aus, damit die axialen
Mittel-Zonen der Kufen 25 unter einem Abstand E/2 von der
Achse X angeordnet seien, was die Lippen 26a und 26b sich
biegen lässt.
Anschließend wird
das Rohr montiert.
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Gemäß einer
zweiten Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung, welche in den 8 bis 10 gezeigt
ist, welche von der oben beschriebenen ersten Variante allein durch
die Geometrie des Rings 20 abweicht, sind die vier Kufen 25,
welche gegen die Innenwand 21 der Turbinen-Welle zum Andruck
gelangen, mittels dünner
zylindrischer Wände ausgebildet,
welche in Ruhe einen Rußen-Radius
R2 aufweisen, welcher kleiner ist als der Innen-Radius E/2 der Turbinen-Welle.
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Der
radial innere Teil des Rings 20 umfasst mehrere zylindrische
Teile 27, welche entlang des Umfangs voneinander mit Abstand
versehen sind, und sich mit den Kufen 25 abwechseln.
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Die
Enden 25a und 25b jeder Kufe 25 münden jeweils
in zwei benachbarte Teile 27 ein. In eines der Teile 27 ist
ein Schlitz 22 eingearbeitet.
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Die
Ausdehnung dieses Rings 20 auf der Hülse 9 mittels des
Kegel-Systems und Festziehens der Mutter 14 bringt eine
Erhöhung
des Radius des den vier Kufen 25 in Ruhe umschriebenen
Kreises mit sich.
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Die
Montage dieser zweiten Variante der Zentrier-Vorrichtung in der Turbinen-Welle ist
identisch zu derjenigen der oben beschriebenen ersten Variante.
Die Mittel-Zonen 28 der Kufen biegen sich beim Ausüben eines
Festzieh-Drehmoments mittels der Mutter 14, was zu einem
Ausdehnen des Radius R2 führt,
bis der Außen-Radius
der Kufen dem Radius E/2 der Turbinen-Welle gleich ist. Man montiert dann
das Rohr 3.
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Die
Flächen
zum Andruck der Kufen 25 gegen die Innen-Wand 21 der
Turbinen-Welle sind gegenüber
denen des eingangs beschriebenen Standes der Technik deutlich vergrößert, in
welchem die Kufen steife, un-deformierbare Blöcke sind, welche sich mit Verbindungs-Teilen
von stärker
reduziertem Querschnitt abwechseln.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung, welche in den 11 bis 14 dargestellt
ist, wird der elastische Ring 20 von vier unabhängigen identischen
Elementen 30 gebildet, welche mittels zweier ringförmiger Federringe 31 zusammengesetzt
sind.
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Jedes
Element 30 umfasst in seinem Mittel-Bereich eine Kufe 25,
welche von einer dünnen zylindrischen
Wand gebildet wird, deren Außen-Radius
R2 kleiner ist als der Radius E/2 der Turbinen-Welle. Die Enden 25a und 25b jeder
Kufe 25 münden
jeweils in zwei Körpern 31a und 31b ein,
welche die seitlichen und radial innenliegenden Partien eines Elements 30 bilden.
Die Blöcke 31a, 31b weisen
eine Kreis-Segment-Form auf.
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Jede
Gesamtanordnung 30 weist daher die Form eines Sektors auf,
welcher sich über
90° oder mehr
erstreckt. Die vier Elemente 30 sind mittels zweier Federringe 31 miteinander
verbunden, welche in Nuten aufgenommen sind, welche an der Außen-Umfangs-Wand
der Körper 31a und 31b eingearbeitet
sind, wobei eine der Nuten nahe der Vorder-Fläche
des Rings 20 und die andere nahe seiner Hinter-Fläche vorgesehen
ist.
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Zwischenräume 32 trennen
die von den Federringen 31 gehaltenen vier Elemente 30.
Diese Zwischenräume 32 vergrößern sich,
wenn der Ring 20 ausgedehnt wird.
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12 zeigt
eine Ausführungs-Variante
der Montage des oben beschriebenen Rings 20 auf der Hülse 9.
Diese letztere umfasst einen Flansch 33, welcher sich radial
nach außen
erstreckt, gegen welchen eine Frontal-Seite des Rings 20 zum
Andruck kommt. Der Ring 20 bedeckt einen zylindrischen
Abschnitt 34 der Hülse,
welcher einen Durchmesser aufweist, welcher größer ist als der Außen-Durchmesser des Gewinde-Endes 9a,
und größer ist
als der Innen-Durchmesser des Rings 20 vor seiner Montage
auf der Hülse 9.
Die Körper 31a und 31b weisen
an der Seite des Flansches 33 eine Abschrägung 35 auf,
welche das Ausdehnen des Rings 20 und der Federringe 31 erlaubt,
wenn der Ring infolge des Festziehens der Mutter 14 entlang
der zylindrischen Partie 34 aufsteigt.
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In
dieser Ruhe-Konfiguration weist der Kreis, welcher den vier Kufen 25 umschrieben
ist, einen Radius auf, welcher kleiner ist als der Innen-Radius
E/2 der Turbinen- Welle.
Wenn das Rohr in der Turbinen-Welle platziert sein wird, werden
die axialen Mittel-Zonen 28 der Kufen 25 gebogen
werden, und der Außen-Radius
der Kufen 25 wird im Wesentlichen gleich dem Innen-Radius
E/2 der Turbinen-Welle werden.
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Die 14 zeigt
eine andere Ausführungs-Variante
der Montage des Rings 20 auf der Hülse 9. Wie in der
ersten Ausführungsform
der Erfindung, umfassen die Hülse 9 und
die Körper 31a und 31b ein
männlich/weibliches
Kegel-System, welches
die Ausdehnung des Rings 20 und der Federringe 31 beim
Ausüben
eines Festzieh-Drehmoments auf die Mutter 14 erlaubt.
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Selbstverständlich kann
in allen oben beschriebenen Ausführungs-Formen
oder -Varianten eine Unterlegscheibe 36 zwischen dem Ring 20 und der
Mutter 14 zwischengelegt sein.
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In
der oben angegebenen Beschreibung sind vier Kufen 25 auf
jedem expandierbaren Ring 20 vorgesehen. Die Zahl der Kufen
kann selbstverständlich anders
sein, und bevorzugter Weise ist diese Anzahl gerade. Was vorwiegend
wichtig ist, ist, dass diese Kufen rings der Rotations-Achse X der Turbine
regelmäßig verteilt
seien.
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Da
die Kufen 25 von dünnen
und deformierbaren zylindrischen Wänden gebildet werden, sind die
Andruck-Flächen dieser
Kufen verhältnismäßig groß ("relativement élevées"), und die Kräfte werden auf
einer großen
Fläche
verteilt, ohne dass zwischen der Zentrier-Vorrichtung und der Bohrung
der Turbinen-Welle unzulässige
Kontakt-Beanspruchungen erzeugt
werden. Dies vermeidet Spuren an der Turbinen-Welle.
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Ferner
erlaubt die zweite Ausführungs-Form der
Erfindung aufgrund der Symmetrie ein besseres Verteilen der Kräfte auf
alle Kufen.