DE60120755T2

DE60120755T2 - Rotorwellenlagerung

Info

Publication number: DE60120755T2
Application number: DE60120755T
Authority: DE
Inventors: Lazar Longueuil MITROVIC
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: EP1598268A1; CA2436344C; CA2436344A1; EP1598268B1; DE60135508D1; EP1343979B1; JP3866658B2; JP2006300339A; US6394387B1; WO2002052165A3; WO2002052165A2; EP1343979A2; DE60120755D1; JP2004523699A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen für Hubschrauberrotoren geeigneten Fluiddämpfer und insbesondere einen Fluiddämpfer, welcher die Radialbewegung eines Lagers, welches eine Rotorwelle abstützt, absorbiert.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Über die Jahre hinweg wurden verschiedene Anordnungen zum Abstützen einer und zum Übertragen von Drehmoment auf eine Rotorwelle vorgeschlagen.
Beispielsweise ist ein Hubschraubermast typischerweise von einem Triebwerk über eine separate Rotorübertragungsanordnung angetrieben, welche an der Hubschrauberzelle mit einer relativ komplexen, gelenkigen, flexiblen Befestigungsstruktur angebracht ist. Die Befestigungsstruktur muss ausgelegt sein, die Übertragung der Flugbelastung und der dynamischen Belastungen des Rotors auf die Zelle zu kontrollieren. Es wäre vorteilhaft, eine neue Anordung zu haben, bei der die Übertragung in das Triebwerk integriert ist und über eine einfache Befestigungsstruktur an der Zelle befestigt ist, die daran angepasst ist, Zellenvibrationen zu verringern.
Bei bestimmten Anwendungen, bei denen ein Rotor einer radialen Exkursion, beispielsweise durch Schwingung ausgesetzt ist, wurde vorgeschlagen, Quetschfilmlagerungsdämpfer zu verwenden, um eine gewisse Radialbewegung aufzunehmen, die durch die Rotordynamik bei hohen Drehzahlen verursacht ist. Typischerweise wird ein Dämpfungsfluid, beispielsweise Öl, in eine Ringkammer eingebracht, welche das den Rotor abstützende Lager umgibt. Eine Radialbewegung des Lagers zusammen mit dem Rotor relativ zur Ringkammer erzeugt hydrodynamische Kräfte, die entgegengesetzt zur Radialbewegung des Lagers sind. Die in dem Öl auftretende Scherwirkung dämpft effektiv die Radialbewegung.
Obwohl derartige Quetschfilmlager effizient zum Dämpfen von Schwingungen hoher Frequenz und niedriger Energie sind, hat man herausgefunden, dass es ein Bedürfnis für einen neuen Fluiddämpfer gibt, der daran angepasst ist, Rotorschwingungen niedrigerer Frequenz und höherer Energie aufzunehmen.
Man hat auch herausgefunden, dass es ein Bedürfnis für eine neue Übertragungsanordnung gibt, welche daran angepasst ist, eine Radialbewegung einer Rotorwelle zuzulassen und dabei die Drehmomentübertragung darauf sicherzustellen.
In GB-A-133 04 84 beschreibt Lager zum Abstützen schwerer rotationsfähiger Maschinenelemente.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue Fluiddämpfungs-Lagervorrichtung bereitzustellen, welche eine verbesserte Dämpfungskapazität liefert.
Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fluiddämpfer zum Absorbieren von Radialbewegung eines eine Rotorwelle abstützenden Lagers gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem so generell die Art der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen, und für die gilt:
1 ist eine Schnittansicht einer Hubschrauber-Rotorabstütz- und -antriebs-Anordnung;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Unterteils der Hubschrauber-Rotorabstützungs- und -antriebs-Anordnung von 1; und
3 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 3-3 in 2 genommen ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Hauptrotorwellen-Abstützungs- und -antriebsanordnung 10, die zur Verwendung in einer integrierten Hubschrauberübertragungseinrichtung geeignet ist, wobei das Triebwerk und das Getriebe des Hubschraubers modular zu einer einzigen Einheit zusammengebaut sind, welche fest an der Hubschrauberzelle angebracht ist, wie in der US-Patentanmeldung mit der Serial Number 09/409,991 beschrieben ist, die am 30. September 1999 eingereicht wurde und später als US 6 364 249 veröffentlicht wurde.
Die Abstütz- und -antriebsanordnung 10 weist generell ein oberes Schubwälzlager 11, ein sphärisches Schubwälzlager 12 und ein unteres Wälzlager 14 auf, welche kooperieren, um einen Hubschrauberrotor 16, der durch eine stationäre Gehäuseanordnung 18, die starr an der (nicht gezeigten) Hubschrauberzelle befestigt ist, nach oben ragt, abzustützen.
Das obere Schubwälzlager 11 ist auf dem Rotor 16 mit einer Presspassung befestigt. Ein Balg 20 ist an seinen entgegengesetzten Enden an dem Lager 11 und einer Abdeckung 22 befestigt, die oben an der Gehäuseanordnung 18 um den Rotor 16 gepasst ist. Der Balg 20 und die Abdeckung 22 sind miteinander verschweißt und tragen ein Karbonflächendichtungselement. Der Balg 20 und die Abdeckung 22 können mit der Gehäuseanordnung 18 verschraubt sein. Ein Spiralhaltering 24 ist an dem Rotor 16 über der Abdeckung 22 angebracht, um als ein Anschlag zu wirken.
Das sphärische Schubwälzlager 22 ist durch das obere Schubwälzlager 11 und einen Satz von Bellevillescheibenfedern 26 vorbelastet. Das sphärische Schubwälzlager 12 weist einen inneren Laufring 28, der an dem Rotor 16 zur Bewegung mit diesem angebracht ist, einen äußeren Laufring 30 zum Zusammenwirken mit einer komplementären Anlagestruktur 29, die an der Gehäuseanordnung 18 be festigt ist, und eine Anzahl von sphärischen Wälzelementen 32 auf, die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 28 und 30 angebracht sind. Der äußere Laufring 30 und die Anlagestruktur 29 kooperieren, um ein axiales Entfernen des Rotors 16 während des Betriebs des Hubschraubers zu verhindern.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist ein Fluidlagerdämpfer 34 um das untere Wälzlager 14 vorgesehen, um Schwingungen infolge der Rotordynamik aufzunehmen und zu absorbieren.
Der Fluidlagerdämpfer 34 weist eine flexible Abstützung 36 auf, die an dem Gehäuse 18 befestigt ist und eine axiale Zylinderwand 38 zum Abstützen des Rollenlagers 14 hat. Die flexible Abstützung 36 hat eine vorbestimmte Steifigkeit, um die Lagerkonzentrität beizubehalten und es dabei dem Lager 14 zu erlauben, sich zusammen mit dem Rotor 16 in Radialrichtung um eine zentrale Achse A des Rotors 16 in einer Umlaufbewegung zu bewegen.
Die Zylinderwand 38 der flexiblen Abstützung 36 ist in einen stationären Zylinderring 40 gepasst, der eine Anzahl von verbundenen Ölzylindern 42 aufweist. Der Ring 40 wirkt als ein Anschlag, der die Auslenkung der flexiblen Abstützung 36 begrenzt. Der Ring 40 ist wiederum eng in eine Zylinderabstützung 44 eingepasst und von dieser abgestützt, die an dem stationären Gehäuse 18 befestigt ist.
Wie in der 3 gezeigt, weist jeder Ölzylinder 42 eine Kammer 46, die in einer äußeren Ringfläche 48 des Rings 40 definiert ist, und einen Kolben 50, der in der Kammer 46 zu Bewegung in einer Radialrichtung relativ zur Mittelachse A des Rotors 16 verschieblich angebracht ist, auf. Die Kammern 46 haben jeweils ein erstes und ein zweites entgegengesetztes Ende 52 und 54. Das erste Ende 52 einer jeden Kammer 46 ist von einer inneren Zylinderoberfläche 56 der Abstützung 44 verschlossen. Jeder Kolben 50 weist eine Kolbenstange 58 auf, die aus der zugehörigen Kammer 46 durch deren zweites Ende 54 nach außen ragt. Die Kolbenstangen 58 erstrecken sich radial einwärts des Rings 40 zum Zusammenwirken mit einer äußeren Zylinderoberfläche 60 der flexiblen Abstützung 36 und erlauben es so jedem Kolben 50 von der flexiblen Abstützung 36 gegen das Dämpferfluid d.h. das Öl, gedrückt zu werden, um einer Radialbewegung des Lagers 14 und des Rotors 16 entgegenzuwirken.
Fluidpassagen 62 sind zwischen den Kammern vorgesehen, um die Ölzylinder 42 in Fluidströmungsverbindung zu verbinden. Jede Passage 62 ist von der inneren Zylinderoberfläche 56 der Abstützung 44 und einer in der äußeren Oberfläche 48 des Rings 40 definierten Nut 64 gebildet. Die Verbindungspassagen 62 müssen nicht notwendigerweise die gleiche Größe besitzen. Jedoch haben die Passagen 62 alle einen Fluideinlass 66 und einen Fluidauslass 68. Die Fluidauslässe 68 sind an den ersten Enden 52 der Kammern 46 vorgesehen, während die Fluideinlässe 66 mit einem Abstand von diesen ersten Enden 62 angeordnet sind, um von den Kolben 50 blockiert zu werden, wenn diese unter Lagerungslasten in die Kammern 46 gedrückt werden. Diese Anordnung der Fluidpassagen 62 stellt sicher, dass das Öl im Wesentlichen sukzessive durch jede Kammer 46 in einer vorbestimmten Richtung beginnend von einer der Kammern 46, in welche der zugehörige Kolben 50 gedrückt wird, strömt. Außerdem ist die Ölströmung durch das Positionieren der Fluideinlässe 66 an der Seite der Kammern 46, die zu der Rotationsrichtung des Rotors korrespondiert, in der gleichen Richtung wie die Wellenrotation.
Die Ölströmung wird durch eine Anzahl von Zuführöffnungen 70 reguliert, die in der Abstützung 44 definiert sind und mit den Passagen 62 kommunizieren. Ein Ölausbluten erfolgt durch den Spalt zwischen den Kolben 50 und den Kammern 46.
Der Fluidlagerdämpfer 36 arbeitet ähnlich einem konventionellen Quetschfilmdämpfer, bei dem ein Ölfilm unter der Wirkung von Lagerbelastungen und Rotieren des Rotors gequetscht (geschert) wird, was zu einer Energieabsorption führt. Jedoch ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Ölfilm durch die Zylinder 42 ersetzt, wo das Quetschen von Öl wesentlich mehr Widerstand erzeugt, was zu den viel höheren Belastungen und der höheren Schwingungsenergie passt.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Man kann erkennen, dass ein Kegelrad 76, welches einen Teil einer Antriebsanordnung 72 bildet, in kämmendem Eingriff mit einem Untersetzungskegelrad 80 zum Übertragen der von dem Hubschraubertriebwerk (nicht gezeigt) erzeugten mechanischen Leistung auf den Rotor 16 ist. Das Kegelrad 76 ist durch geeignete Lager 78 relativ zu der Gehäusean ordnung 18 gelagert. Das Untersetzungskegelrad 80 ist mit einem zentralen Rohrbereich 74 versehen, der um den Rotor 16 über Anti-Friktions-Lager 82 und 84 angebracht ist, die jeweils an der Gehäuseanordnung 18 bzw. der Abstützung 44 mittels geeigneter Mittel befestigt sind.
Eine Sonnenradstruktur 86 ist um den Rotor 16 angeordnet und an einem unteren Endbereich davon an einer inneren Oberfläche des zentralen Rohrbereichs 74 des Kegelrads 80 durch eine freie Verzahnung gekoppelt. Die Sonnenradstruktur 86 kämmt mit einem Planetenrad 88, welches auch mit einem festen Innenringrad 90 kämmt, das konzentrisch um das Sonnenrad 86 angeordnet ist und an dem Gehäuse 18 wie bei 92 befestigt ist. Das Planetenrad 88 ist von einem Planetenträger 94 getragen, der arbeitsfähig mit dem Rotor 16 über eine flexible freie Verzahnungskopplung 96 verbunden ist, die ausgelegt ist, die höchste Fehlausrichtungsfähigkeit zu haben.
Die flexible freie Verzahnungskopplung 96 ist in der Form von zwei axial beabstandeten Scheibenelementen 98 und 100 vorgesehen, die um den Rotor 16 gepasst sind und miteinander über einen Zylindersteg 102 verbunden sind, der an einem Innendurchmesser der Scheibenelemente 96 und 100 vorgesehen ist, um eine Membranstruktur mit einer niedrigen Biegesteifigkeit zu bilden, um es den Scheibenelementen 98 und 100 zu erlauben, relativ zueinander zu biegen, um ein Kippen des Rotors 16 während dem Betrieb zu kompensieren.
Die Scheibenelemente 98 und 100 sind jeweils an deren Umfang mit einer ersten und einer zweiten Serie umfangsmäßig verteilter Zähne 104 und 106 versehen. Die erste und die zweite Serie von Zähnen 104 und 106 bilden jeweils erste bzw. zweite Verzahnungen. Die erste Serie von Zähnen 104 ist in kämmendem Eingriff mit einer korrespondierenden Serie von umfangsmäßig verteilten Zähnen 108, die an einer Innenringoberfläche des Planetenträgers 94 vorgesehen sind. Ähnlich ist die zweite Serie von Zähnen 106 in kämmendem Eingriff mit einer korrespondierenden Serie von umfangsmäßig verteilten Zähnen 110, die an einer Innenringoberfläche eines Scheibenelements 112 vorgesehen sind, das mit dem Rotor 16 verbunden ist. Die flexible freie Verzahnungskopplung 96 ist frei um den Rotor 16 zwischen dem Planetenträger 94 und dem Scheibenelement 112 gepasst, um ein Drehmoment dazwischen zu übertragen und dabei eine begrenzte Winkelrelativbewegung zwischen dem Planetenträger 94 und dem Scheibenelement 112 und somit dem Rotor 16 zuzulassen.
Das Scheibenelement 112 ist mit einer inneren Serie umfangsmäßig verteilter Zähne 14 zum kämmenden Eingriff mit korrespondierenden axial ragenden Zähnen 116 versehen, die an dem Rotor 16 vorgesehen sind, und erlauben so das Übertragen eines Drehmoments von dem Scheibenelement 112 auf den Rotor 16. Man versteht, dass die Scheibe 112 an dem Rotor 16 mit einer festen Verzahnung oder anders angebracht sein könnte.
Wie man in der 1 erkennt, ist der äußere Laufring 30 des sphärischen Wälzlagers 12 auf eine imaginäre Kugel angeordnet, die einen Mittelpunkt hat, der zu der Schnittstelle der Mittelachse A des Hubschrauberrotors und einer Symmetrieebene P der freien Verzahnungskopplung 96 korrespondiert, wo die radiale Auslenkung des Rotors 16 und dadurch der radiale Versatz der freien Verzahnungskopplung 96 minimal sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext eines Hubschrauberrotors beschrieben wurde, versteht man, dass sie ebenso zum Abstützen und Antreiben von Rotorwellen bei anderen Anwendungen verwendet werden könnte.

Claims

Fluiddämpfer zum Absorbieren von Radialbewegung eines Lagers (14), welches eine Rotorwelle abstützt, wobei der Dämpfer eine Serie von umfangsmäßig verteilten Fluid enthaltenden Zylindern (42) aufweist, die daran angepasst sind, konzentrisch um das Lager (14) platziert zu sein, wobei jeder der Fluidzylinder (42) relativ zu dem Lager (14) radial orientiert ist und eine Kammer (46) definiert, in der ein Kolben (50) gegen ein Dämpfungsfluid verschiebbar verlagerbar ist, um einer Radialbewegung des Lagers entgegenzuwirken, wobei die Kammern (46) in Fluidströmungsverbindung. verbunden sind, und dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (46) in einer Schlaufenkonfiguration durch Fluidpassagen (62), die sich zwischen den Kammern (46) erstrecken, seriell verbunden sind, wobei die Fluidpassagen (62) angeordnet sind, dass das Dämpfungsfluid sukzessive durch jede Kammer in einer vorbestimmten Richtung strömt, die von einer der Kammern beginnt, in die der zugehörige Kolben (50) gedrückt wird.
Dämpfer nach Anspruch 1, wobei die Fluidpassagen (62) entsprechende Fluideinlässe (66) und Fluidauslässe (68) haben, wobei die Fluideinlässe derart positioniert sind, dass sie von den Kolben (50) blockiert werden, wenn sie in die Kammern bis zu einer vorbestimmten Eindringtiefe gedrückt sind.
Dämpfer nach Anspruch 2, wobei jeder Kolben (50) eine Kolbenstange (58) hat, die aus dem ersten Ende (54) einer korrespondierenden Kammer (46) entgegengesetzt einem zweiten Ende (52) davon nach außen ragt, und wobei die Fluidauslässe (68) an dem Niveau der zweiten Enden (52) der Kammern positioniert sind.
Dämpfer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammern (46) in einem stationären Ringelement (40) definiert sind und wobei jeder Kolben (50) eine Kolbenstange (58) aufweist, die radial einwärts von dem stationären Ringele ment (40) ragt, um so in Reaktion auf eine Radialbewegung des Lagers (14) individuell betätigbar zu sein.
Dämpfer nach Anspruch 4, wobei das stationäre Ringelement (40) in eine Zylinderabstützung (44) gepasst ist, die eine Innenoberfläche hat, die eng eine Außenoberfläche des stationären Ringelements (40) einschließt, um jede der Kammern (46) zu verschließen.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend eine Abstützung (44), die daran angepasst ist, das Lager konzentrisch in der Reihe von umfangsmäßig verteilten Fluidzylindern (42) abzustützen und dabei eine begrenzte Radialbewegung des Lagers (14) unter Lagerbelastungen zuzulassen.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zylinder (42) an einem Ring (40) vorgesehen sind und wobei der Kolben (50) eine Kolbenstange (58) aufweist, die radial einwärts von dem Ring (40) ragt, um es den Zylindern (42) zu erlauben, individuell von den Lagern (14) in Reaktion auf eine Radialbewegung davon betätigt zu werden.