DE60125882T2

DE60125882T2 - Gebläse-Entkopplungssicherung

Info

Publication number: DE60125882T2
Application number: DE60125882T
Authority: DE
Inventors: John Andrew Wahoo Kastl; Randy Marinus Sharonville Vondrell; Christopher Charles Hamilton Glynn
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: DE60125882D1; EP1199441B1; JP2002322997A; JP4101496B2; US6402469B1; EP1199441A3; EP1199441A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und im Speziellen auf Turbofantriebwerke.
Ein Gasturbinentriebwerk enthält ein Gebläse (Fan), um Umgebungsluft unter Druck zu setzen, um eine Antriebskraft zum Antrieb eines fliegenden Flugzeugs zu erzeugen, wobei der Fan durch ein Haupttriebwerk angetrieben wird. Stromabwärts des Fans ist ein mehrstufiger axialer Verdichter angeordnet, der einen Teil der Gebläseluft unter Druck setzt, die dann mit einem Treibstoff in einer Brennkammer vermischt wird, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die stromab durch Turbinenstufen strömen, die den Gasen Energie entnehmen. Eine Hochdruckturbine treibt den Verdichter an, indem sie eine sich zwischen ihnen befindende Welle rotieren lässt. Und eine Niederdruckturbine treibt den Fan an, indem sie eine sich zwischen ihnen befindende Fanwelle dreht.
Die Fanwelle wird in einem Lager in der Nähe des Fans gestützt, wobei das Lager wiederum durch eine Lagerbefestigung gehaltert ist, die mit einem ortsfesten Fanrahmen fest verbunden ist. Im normalen Betrieb rotiert der Fan dynamisch ausgewuchtet, und das Fanlager erhält eine konzentrische Ausrichtung des Fans innerhalb eines umgebenden Fangehäuses aufrecht und leitet Betriebslasten in das Fangehäuse ab.
Der Fan enthält eine Reihe großer Rotorfanschaufeln, die sich radial nach außen von einer stützenden Rotorscheibe aus erstrecken und einer Fremdkörperbeschädigung ausgesetzt sind. Z.B. kann ein großer Vogel von dem Triebwerk eingefangen werden und auf eine oder mehrere Fanschaufeln auftreffen, wobei er an ihnen einen merklichen Schaden, einschließlich ihres Loslösens von der stützenden Fanscheibe, verursachen kann. Entsprechend wird eine merkliche Rotationsunwuchtlast in dem beschädigten Fan erzeugt, wobei diese Unwuchtlast geeignet durch das Fanlager, seine Befestigung und den Fanrahmen aufgenommen werden muss.
Um der Möglichkeit einer solch großen anormalen Unwuchtlast Rechnung zu tragen, können die verschiedenen Tragkomponenten für den Fan für eine hierfür erforderliche zusätzliche Festigkeit bemessen werden. Die stärkeren Tragkomponenten erhöhen jedoch in unerwünschter Weise das Gewicht des Triebwerks und vermindern die Gesamteffizienz des Triebwerks, wenn dieses im normalen Betrieb ohne wesentliche Rotorunwuchten betrieben wird.
Eine weitere Lösung für große Unwuchtlasten stellt die Einführung einer Lagerbefestigung dar, die im Unwuchtfall absichtlich bricht, um den Fan von der Lagerbefestigung abzukoppeln. In diesem Falle wird der Fan durch seine relativ flexible Fanwelle getragen, die die für den Fan kritische Geschwindigkeit weit unter ihre maximale Betriebsgeschwindigkeit reduziert. Der Fan arbeitet entsprechend dynamisch überkritisch, um die Umlaufbahn der Fanscheibe und die von ihr verursachte Unwuchtbelastungen zu reduzieren. Die Fangeschwindigkeit wird dann reduziert und durchläuft die für den Fan kritische Geschwindigkeit bei einem relativ niedrigen Wert bei schneller Geschwindigkeitsabnahme, wobei entsprechend hiervon herrührende Spitzenlasten reduziert sind.
Der versteifte Aufbau des Lagerbefestigung ist ausreichend fest, um irgendwelche strukturellen Ausfälle von dieser zu verhindern. Durch das weichere Gestalten des strukturellen Lastpfads zur Einführung eines absichtlichen Ausfalls bei anormalen Fanbelastungen werden die Komponenten des Lastpfads jedoch einer unerwünschten Beschädigung durch Ermüdung ausgesetzt, die ihre Lebensdauer nachhaltig reduzieren könnte.
Die Möglichkeit zur Einbringung einer entkoppelnden Lagerbefestigung ist durch die jeweilige Bauart der Lagerbefestigung und den verfügbaren Raum begrenzt. Da die Lagerbefestigung radial innen von den Fanschaufeln platziert ist, gibt es wenig verfügbaren Raum zur Einführung entkoppelnder Merkmale, ohne den Gesamtdurchmesser des Fans in unerwünschter Weise zu erhöhen. Und der Entkoppelungsaufbau sollte eine minimale Veränderlichkeit zwischen seiner maximalen Belastungsfähigkeit vor dem Entkopplungsausfall und der minimalen Belastungsfähigkeit im normalen Betrieb aufweisen, ohne dass sich die Lebensdauer begrenzenden Ermüdungsbeschädigungen häufen.
US 6,082,959 beschreibt eine Vorrichtung zur Lagerung einer Rotationswelle innerhalb eines Gasturbinentriebwerks während eines Zustands mit hoher Rotorunwucht, wobei die Vorrichtung ein erstes Lager und einen festen Stützrahmen enthält.
FR-A-2 752 024 beschreibt eine umlaufende Welle, die an einem Ende eine schwere Vorrichtung trägt und sich hinter die Vorrichtung erstreckt, wobei sie durch ein erstes Lager hinter der Vorrichtung gelagert ist. Dieses Lager ist von einem die Welle umgebendes Gehäuse getragen und erstreckt sich bis zu einem Stator.
Demgemäß ist es erwünscht, ein verbessertes Fanentkopplungssystem mit minimaler Veränderlichkeit zwischen einer maximalen Belastungsfähigkeit und einer minimalen Belastungsfähigkeit ohne eine die Lebensdauer begrenzende Ermüdungsbeschädigung zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Fanentkopplungssicherung geschaffen, die einen Ring enthält, der eine Reihe von Sicherungsbohrungen oder -löchern aufweist, die in Umfangsrichtung durch Sicherungsbänder zueinander im Abstand angeordnet sind, die so dimensioniert sind, dass sie beim Aufnehmen anormaler Radiallasten von dem Fan unter Scherkräften versagen.
Die Erfindung ist nun detaillierter anhand eines Beispiels unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht eines Fanabschnitts eines Turbofangasturbinentriebwerks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des in 1 veranschaulichten Fanlagers, das durch eine Fanentkopplungssicherung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehaltert ist;
3 eine isometrische Ansicht eines isoliert dargestellten Teils der in 2 veranschaulichten ringförmigen Sicherung;
4 eine vergrößerte Schnittansicht der in 2 dargestellten Fanentkopplungssicherung;
5 eine radial nach innen gerichtete Ansicht eines Teils der in 3 veranschaulichten Fanentkopplungssicherung;
6 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht durch eine der Sicherungsbänder der in 5 veranschaulichten und entlang der Linien 6-6 aufgeschnittenen Sicherung.
In 1 ist der vordere Teil oder Abschnitt eines Turbofangasturbinentriebwerks 10 veranschaulicht, der für den Antrieb eines Flugzeugs während des Flugs konstruiert ist. Das Triebwerk ist um eine Längsachse oder axiale Mittelachse achsensymmetrisch und enthält einen Bläser bzw. Fan 12, der konzentrisch in einem umgebenden Fangehäuse 14 montiert ist.
Der Fan 12 enthält eine Reihe von relativ großen Rotorfanschaufeln 16, die sich radial nach außen von einer stützenden Rotorscheibe 18 aus erstrecken. Die Scheibe wiederum ist geeignet mit einer Fanwelle 20 verbunden.
In der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist stromab von dem Fan ein Niederdruck- oder Hilfsverdichter (Booster-Verdichter) 22 angeordnet, der gewöhnlich mit der Fanwelle zur anfänglichen Verdichtung eines geringeren Anteils der Umgebungsluft 24 verbunden ist. Der Fan selbst setzt die Luft während des Betriebs unter Druck, wobei deren äußerer Anteil aus dem Triebwerk ausgestoßen wird, um eine Vortriebskraft zu erzeugen.
Der innere Teil der Luft aus dem Fan wird durch den Booster-Verdichter und wiederum zu einem mehrstufigen Axialverdichter 26 geleitet, dessen Vorderteil gezeigt ist und der die Luft weiter komprimiert, die dann mit einem Treibstoff vermischt und in einer Brennkammer (nicht gezeigt) zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase gezündet wird, die stromab durch Turbinenstufen (nicht gezeigt) strömen, die den Gasen Energie entziehen, um sowohl den Fan als auch den Verdichter im Betrieb anzutreiben.
Der Verdichter 26 ist durch eine Hochdruckturbine (nicht gezeigt) durch Drehung einer entsprechenden, sich dazwischen befindenden Welle angetrieben. Und eine Niederdruckturbine (nicht gezeigt) treibt den Fan 12 durch Drehung der sich zwischen ihnen befindenden Fanwelle 20 an.
Der Fan 12 ist während des Betriebs durch ein konventionelles Fan- oder Vorderlager 28 drehbar gelagert, das eine beliebige herkömmliche Form aufweisen kann und typischerweise die Verbindung zwischen der Fanscheibe 18 und der Fanwelle 20 umgibt. Das Lager 28 ist wiederum durch einen Lagerträger bzw. eine Lagerbefestigung 30 gehaltert, die wiederum fest mit einem ringförmigen Fanrahmen 32 verbunden ist, der stromab von dieser angeordnet ist. Der Fanrahmen enthält mehrere radiale Streben, die das Fangehäuse und an ihren äußeren Enden eine Gondel stützen. Die inneren Enden der Fanstreben sind mit einem gemeinsamen Nabe verbunden, die zusätzlich die Fanwelle an zusätzlichen Lagern in einer konventionellen Weise stützt.
Während eines normalen Betriebs rotiert der Fan dynamisch ausgewuchtet und wird von der Fanwelle 20 mit geeigneter Betriebsgeschwindigkeit angetrieben, um die Umgebungsluft 24 unter Druck zu setzen und einen Antriebsschub zu erzeugen. Die verschiedenen aerodynamischen, zentrifugalen und Schwingungsbelastungen, denen der Fan ausgesetzt ist, werden durch das vordere Lager 28 in den Fanrahmen 32 abgeführt. Die Lageraufnahme 30 und der Fanrahmen 32 sind geeignet bemessen, um diese normalen Betriebslasten aufzunehmen, ohne dass sich die Lebensdauer begrenzenden Ermüdungsbeschädigungen anhäufen.
Jedoch kann, z.B. im Falle einer Fremdkörperbeschädigung, die aufgrund eines Aufpralls eines großen Vogels auf eine der Fanschaufeln 16 entstehen könnte, ein Teil der oder die gesamte Fanschaufel abgebrochen werden, wie in 1 veranschaulicht, und entsprechend in das umgebende Fangehäuse, in dem sie geeignet untergebracht ist, freigesetzt werden. Der freigesetzte Teil der Fanschaufel wird aufgrund zentrifugaler Kräfte radial nach außen getrieben, wobei der Fan dann mit einer radial nach innen, entgegengesetzt gerichteten resultierenden Unwuchtkraft oder -last F, unwuchtig wird. Die Unwuchtkraft muss geeignet aufgenommen werden, um Folgeschäden an anderen Komponenten des Triebwerks in der Zeit, die benötigt wird, um den Betrieb des beschädigten Triebwerks einzustellen, zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fanentkopplungssystem 34 in dem Fan eingesetzt, um automatisch den Fan 12 von seiner Lagerbefestigung 30 bei einer anormalen Rotorunwucht zu entkoppeln, wie sie z.B. auf einen großen Vogelschlag oder ein Fanschaufelausfallereignis zurückzuführen ist, bei welchem eine merklich große Unwuchtkraft F erzeugt wird.
Der beschädigte Fan 12 selbst leitet die radiale Unwuchtkraft F im Falle eines anormalen Betriebs ein, wobei die Unwuchtkraft um die Triebwerksmittellinie rotiert, wenn das Triebwerk abgeschaltet wird. Entsprechend bleibt der unausgewuchtete Fan 12 mit der Fanwelle 20 verbunden und führt die Unwuchtbelastungen zu dieser ab.
Die Unwuchtlasten werden wiederum auf das Fanlager 28 übertragen, das das vordere Ende der Fanwelle 20 drehbar lagert.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Fanentkopplungssicherung 36 zur Halterung des Lagers 28 an der Lagerbefestigung 30 eingesetzt, die wiederum fest miteinander verbunden sind, um normale Lagerlasten auf den Fanrahmen 32 zu übertragen.
Die Fanentkopplungssicherung 36 ist in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform in 2 und ausschnittsweise losgelöst in 3. veranschaulicht. Die Fanentkopplungssicherung ist speziell zur Ableitung normaler Betriebslasten von dem Fan durch das Vorderlager 28 in die Lagerbefestigung 30 und dann in den Fanrahmen hinein, konstruiert. Während eines anormalen Betriebs des Fans, in dem eine anormale Fanunwuchtlast F vom vorbestimmten Wert erzeugt wird, wird die Sicherung 36 jedoch brechen, um den Fan und sein Lager 28 von der Lagerbefestigung 30 zu entkoppeln und somit eine uneingeschränkte Rotation des Fans ermöglichen, wobei die restliche Stütze von der Fanwelle 20 bereitgestellt wird.
Auf diese Weise wird die für den Fan kritische Geschwindigkeit weit unter die maximale Betriebsgeschwindigkeit des Fans fallen, so dass die Umlaufbahn des Fans und der Rotorwelle und dadurch herbeigeführte radiale Lasten während eines anormalen Betriebs reduziert werden. Das betroffene Triebwerk wird abgeschaltet, und die Fangeschwindigkeit fällt mit relativ schneller Verzögerung ab, wobei sie die untere kritische Geschwindigkeit des Fans bei reduzierten Spitzenbelastungen unterschreitet.
Wie in 2 und 3 gezeigt, enthält die Sicherung 36 einen Zentralring 38, der im Ganzen, integral mit einem ringförmigen vorderen Radialflansch 40 an seinem vorderen Ende und einem integralen ringförmigen hinteren Radialflansch 42 an seinem hinteren Ende, vorzugsweise in einer einteiligen oder Einheitsbauweise verbunden ist. Wie in 2 dargestellt, kann das Lager 28 irgendeine konventionelle Form aufweisen und enthält einen ringförmigen äußeren Laufring 28a, einen ringförmigen inneren Laufring 28b und geeignete Lagerelemente 28c zwischen diesen. Der innere Laufring ist geeignet an der Verbindung von einem Montageflansch für die Rotorscheibe 18 mit der Fanwelle 20 montiert. Und der äußere Laufring 28a enthält einen Sitz, in dem der vordere Sicherungsflansch 40 mit einer Reihe axialer Befestigungsmitteln in Form von Schraubenbolzen und mit diesen zusammenwirkenden Muttern fest montiert ist.
In ähnlicher Weise ist der hintere Sicherungsflansch 42 fest in einem komplementären Sitz montiert, der in dem vorderen Ende der Lagerbefestigung 30 ausgebildet und an dieser mittels einer Reihe von zusätzlichen Befestigungsmitteln in Form von Schraubenbolzen und mit diesen zusammenwirkenden Muttern fest montiert ist. Auf diese Weise wird ein direkter Lastpfad von der Fanscheibe 18 und der Welle 20 radial nach außen durch das Lager 28 und durch die Sicherung 38 hindurch zur Übertragung aller normalen Lasten während des Betriebs zu der Lagerbefestigung 30 und wiederum zu dem Fanrahmen hin gebildet.
Die Entkopplungssicherung 36 ist in größeren Einzelheiten in 4 und 5 veranschaulicht. Der Sicherungsring 38 enthält eine Reihe von Sicherungsbohrungen bzw. -löchern 44, die sich radial durch den Ring 38 hindurch erstrecken und in Umfangsrichtung durch dazwischen angeordnete, sich axial erstreckende Sicherungsverbindungen oder -bänder 46 voneinander getrennt sind. Die Bänder 46 sind vorzugsweise bemessen und konstruiert, um bei Aufnahme einer von dem Fan herrührenden vorbestimmten anormalen radialen Last, wie sie z.B. bei einer Beschädigung durch Fremdkörper auftritt, unter Scherkräften zu versagen bzw. auszufallen.
Beispielsweise kann eine der Fanschaufeln bei einer Fremdkörperbeschädigung verbogen oder teilweise abgeworfen werden und die Unwuchtkraft F einleiten. Ein geeigneter Wert der Unwuchtkraft F kann für jede Entwurfsanwendung ausgewählt und für die Bemessung der Sicherungsbänder 46 verwendet werden, so dass sie unter Scherkräften brechen, wenn die Unwuchtlasten durch den Lastpfad, der das Fanlager 28, die Sicherung 36 und die Lagerbefestigung 30 enthält, übertragen werden.
Der in 4 dargestellte Sicherungsring 38 ist vorzugsweise zylindrisch und enthält einen in Umfangsrichtung kontinuierlichen, ringförmigen vorderen Bereich 38a, der an einem Ende mit dem vorderen Flansch 40 integral verbunden ist. Der Ring enthält ferner auch einen in Umfangsrichtung kontinuierlichen, ringförmigen hinteren Bereich 38b, der mit dem hinteren Flansch 42 integral verbunden ist. Ferner sind der vordere und der hintere Bereich 38a, b durch einen zentralen Bereich integral miteinander verbunden, der durch eine Reihe von sich axial erstreckenden Sicherungsbändern 46 definiert ist, die durch die jeweiligen Sicherungsbohrungen 44 voneinander getrennt sind.
Der Ring 38, einschließlich des vorderen- und des hinteren Flansches 40, 42 ist vorzugsweise eine einstückige oder Einheitskomponente, die vollständig den vorderen und den hinteren Bereich 38a, b und die sich zwischen ihnen erstreckenden Bänder 46 enthält. Der vordere und der hintere Ringbereich sind vorzugsweise ohne Löcher ausgebildet, während der Zentralbereich zwischen ihnen mit den Sicherungslöchern 44 versehen ist. Und der Ring weist zwischen den beiden Endflanschen vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante radiale Dicke A auf, bis auf eine örtlich begrenzte Verdünnung in einer ausgenommen wenn sie stellenweise in einer weiter unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Bänder.
Der einheitliche, zylindrische Aufbau der Sicherung 36, die in 4 veranschaulicht ist, kann durch herkömmliches Schmieden eines hochfesten Metalls geschaffen und maschinell in die gewünschte dargestellte Gestalt bearbeitet werden. Auf diese Weise bildet die Sicherung 36 selbst einen relativ festen oder steifen dreidimensionalen Ring, der eine beträchtliche Festigkeit aufweist, um während des Betriebs sowohl radiale Biegeals auch Scherlasten zwischen seinen beiden gegenüber liegenden Flanschen aufzunehmen. Während des normalen Betriebs werden normale Lasten von dem rotierenden Fan durch die Sicherung 36 zu der Lagerbefestigung ohne die Lebensdauer begrenzenden Ermüdungsbeschädigungen geleitet. Sowohl radiale Biegelasten als auch Scherlasten werden durch die zylindrische Sicherung 36 schnell abgeführt.
Im Falle einer Fremdkörperbeschädigung, bei der die Unwuchtkraft F einen vorbestimmten Wert überschreitet, sind die Sicherungsbänder 46 aber so konstruiert, dass sie vorzugsweise nur unter Scherbelastung brechen, um die Verbindung von dem Vorderflansch 40 und dem Vorderbereich 38a zu dem Hinterflansch 42 und dem Hinterbereich 38b zur Entkopplung des Fans von der Lagerbefestigung zu trennen.
Wie in 5 gezeigt, sind die Bänder 46 vorzugsweise in der Mitte des Rings 38, im Wesentlichen in der Mitte zwischen dessen vorderen und dessen hinteren Bereich 38a, b positioniert, um aufgrund von Biegemomenten darin hervorgerufene Biegekräfte zu minimieren. In 5 ist eine Darstellung der Biegekräfte schematisch veranschaulicht, in der der Unwuchtkraft F über die axiale Ausdehnung des Sicherungsrings 38 zwischen den zwei Endflanschen 40, 42 hinweg eine Reaktionskraft entgegenwirkt. Eine entsprechende Darstellung der konstanten Scherkraft S ist ebenfalls veranschaulicht.
Wenn die radial gerichtete Unwuchtkraft von dem Vorderflansch 40 zu dem Hinterflansch übertragen wird, wird eine dieser entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft erzeugt, die ein entsprechendes Biegemoment zwischen ihnen erzeugt. Die entsprechenden Biegekräfte wechseln die Richtung an einem Wendepunkt, der vorzugsweise in der axialen Mitte der Bänder 46 liegt, um Biegelasten an diesen zu beseitigen, während gleichzeitig im Wesentlichen lediglich eine Scherbelastung in der Mitte der Bänder auftritt.
Bei dieser Ausgestaltung, können die Bänder 46 speziell bemessen und konstruiert sein, um zur Verwirklichung der erwünschten Sicherungsfunktion lediglich unter einer Scherbelastung zu brechen. Auf diese Weise wird eine minimale Schwankungsbreite zwischen der maximalen Belastung, die die Sicherung übertragen kann, bevor sie bricht, und der minimalen Belastung, die sie ohne die Lebensdauer begrenzende Ermüdungsschäden aufnehmen kann, erhalten.
Wie in 5 dargestellt, definiert die Form der Sicherungsbohrungen 44 die entsprechende Seitengestalt der dazwischen befindlichen Sicherungsbänder 46. Vorzugsweise sind die Sicherungsbohrungen 44 bogenförmig oder im Wesentlichen halbkreisförmig an gegenüber liegenden Seiten der jeweiligen Bänder 46, die entsprechende zentrale Mittelstücke aufweisen, die in Umfangsrichtung relativ schmal sind. Die axiale Gestalt der Bänder 46 ähnelt der historischen Sanduhr. Auf diese Weise weisen die einzelnen Bänder jeweils ein schmales Mittelstück auf, an dem die Scherkräfte eine konzentrierte Belastung hervorrufen, so dass an diesen unter anormalen Unwuchtlasten ein Versagen bzw. Bruch sichergestellt ist. Die identisch konfigurierten mehreren Bänder und Mittelstücke verringern die Schwenkungsbreite der Lasten, die erforderlich sind, um den gewünschten Sicherungsbruch um den Umfang der Sicherung herum herbeizuführen.
Wie in 4 dargestellt, enthält jedes Band 46 vorzugsweise zumindest eine Kerbe 48 an seinem entsprechenden Mittelstück, um dort lokal die Querschnittsfläche zusätzlich zu verringern. Die bogenförmige Krümmung der Sicherungsbohrung 44 in 5 führt das schmale Mittelstück an den Umfangsseiten der Bänder herbei, während die in 4 dargestellten Kerben 48 entsprechende schmale Mittelstücke entweder an der radial äußeren oder der radial inneren Oberfläche der Bänder oder an beiden hervorrufen.
In der in 4 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform, sind die Kerben bogenförmig, bspw. als Kreisabschnitte ausgebildet und sowohl an der radial äußeren als auch an der radial inneren Oberfläche eines jeden Bandes 46 angeordnet, so dass das axiale Zentrum eines jeden Bandes ein schmales Mittelstück sowohl in der axialen als auch in der radialen Richtung aufweist.
Auf diese Weise können präzise platzierte Spannungskonzentrationen bewusst im Zentrum eines jeden Bandes eingeführt werden, um dort ein Scherversagen bei Scherbelastungsniveaus sicherzustellen, die der vorbestimmten anormalen Unwuchtlast F entsprechen. Spannungskonzentrationen sind in Lastaufnahmeelementen gewöhnlich nicht erwünscht und werden normalerweise in einer guten ingenieurmäßigen Ausführung vermieden.
Durch die spezielle Herbeiführung örtlich begrenzter Spannungskonzentrationen ausschließlich in der Mitte der entsprechenden Bänder 46 kann ein spezieller und präziser Scherbruch auf diesen Ort beschränkt werden, ohne anderweitig die beträchtliche Lastaufnahmekapazität der Sicherung 36 zu beeinträchtigen. Wie oben angedeutet, weist die Sicherung 36 eine relativ konstante radiale Dicke auf und ist relativ fest und steif, um Biege- und Scherkräfte im normalen Betrieb aufzunehmen.
Die in der Mitte des Bandes 46 herbeigeführte Spannungskonzentration entspricht den niedrigen Biegekräften, die an seinem entsprechenden Wendepunkt aufgenommen werden und beeinträchtigt deshalb nicht die Biegelastaufnahmefähigkeit der Sicherung, wobei die Spannungskonzentration wenig oder keine Auswirkung auf Biegekräfte aufweist. Die Spannungskonzentration ist vorrangig auf Scherlasten begrenzt und stellt ein beabsichtigtes Versagen bei einer speziellen Scherkraft sicher, die deutlich über normalen Scherkräften liegt, die im normalen Betrieb der Sicherung aufgenommen werden.
Wie in 5 dargestellt, sind die Sicherungsbohrungen 44 in Umfangsrichtung vorzugsweise oval an dem Umfang zwischen benachbarten Bändern 46. Die ovalen Bohrungen in dieser Ausrichtung begrenzen die axiale Länge der einzelnen Bänder 46, während sie die axiale Länge der vorderen und der hinteren Ringbereiche 38a, b maximieren. Dies erhöht die gesamte Steifheit und Festigkeit der Sicherung bei gleichzeitiger örtlicher Einführung der gewünschten Sicherungsbänder 46.
In der in 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform weisen die ovalen Sicherungsbohrungen 44 halbkreisförmige, in Umfangsrichtung einander gegenüber liegende Enden, die die in Umfangsrichtung angeordneten Seiten der Bänder 46 definieren, und in Umfangsrichtung gerade, axial einander gegenüber liegende Enden auf, die gemeinsam eine im Wesentlichen längliche oder rennbahn förmige Gestalt bilden. Die rennbahnförmigen Bohrungen 44 rufen axial kürzere Bänder als bei kreisförmigen Sicherungsbohrungen hervor, wobei die zur Übertragung von Scherkräften verfügbare Querschnittsfläche gleich bleibt.
Die axial kürzeren Bänder der rennbahnförmigen Bohrungen erhöhen jedoch merklich die Schersteifigkeit, zusätzlich zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Sicherung. Die resultierende Sicherung behält die beträchtliche Steifigkeit und Festigkeit bei, um im normalen Betrieb ohne Versagen oder einen die Lebensdauer begrenzenden Ermüdungsschaden Lasten zu übertragen und zwar bei gleichzeitiger Sicherstellung eines präziseren Scherversagens, wenn dieser im Falle einer anormalen Fremdkörperbeschädigung beabsichtigt ist.
Auf diese Weise findet zur Optimierung der mechanischen Festigkeit für den normalen Betrieb bei gleichzeitiger Ermöglichung eines beabsichtigten Scherbruchs bei der vorbestimmten anormalen Unwuchtlast ein Maximum an Entkopplung der Biegelasten von Scherlasten an dem schmalen Mittelstück eines jeden Bandes statt.
Die Querschnittsgestalt eines jeden Bandes 46 kann wie gewünscht gewählt werden, um einen Scherbruch unter anormalen Belastungen sicherzustellen, während gleichzeitig die Festigkeit der Sicherung im normalen Betrieb und die normale Lastaufnahmefähigkeit bei beträchtlicher Ermüdungsfestigkeit auf ein Maximum erhöht werden. Das Querschnittsprofil der Sicherungsbänder sollte unabhängig von der Drehstellung des Bandes um den Umfang der ringförmigen Sicherung herum symmetrisch sein.
Wie in 1 und 3 dargestellt, rotiert die Unwuchtkraft F notwendigerweise um die Triebwerksmittellinie herum, bis der Fan zum Stillstand kommt. Da die Sicherung 36 einen dreidimensionalen Ring bildet, werden maximale Scherkräfte in dem Ring 90° von der Richtung der rotierenden Unwuchtkraft F beabstandet erzeugt. Wenn z.B. die Unwuchtkraft F radial nach unten ungefähr in der 6-Uhr-Position gerichtet ist, wie in 3 veranschaulicht, treten die maximalen Scherkräfte an der 3-Uhr- und der 9-Uhr-Position an den Seiten der Sicherung 36 auf.
Dies ist schematisch in 5 veranschaulicht, wo die radiale Unwuchtkraft F ein Biegemoment zwischen den beiden Tragflanschen 40, 42 herbeiführt, wobei die Biegebelastungen einen Wendepunkt mit einer Nullbiegekraft im Zentrum der Bänder 46 aufweisen. Die Scherlasten S weisen jedoch einen konstanten Wert in der axialen Richtung der Sicherung, einschließlich der Bänder 46, auf.
Wie in 6 gezeigt, weist jedes der Bänder 46 vorzugsweise einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt in der Mitte zwischen den Kerben und den seitlichen Mittelstücken auf, um eine einheitliche Anwendung der Scherlastkräfte sicherzustellen, wenn die Unwuchtkraft um die Sicherung herum rotiert. In der Praxis werden die Sicherungsbänder 46, die 90° von der Richtung der rotierenden Unwuchtkraft beabstandet positioniert sind, zuerst versagen, und dann werden nach Art eines Reißverschlusses die nachfolgenden Bänder aufeinander folgend, entsprechend der Rotationsrichtung der rotierenden Unwuchtkraft brechen, bis sämtliche Bänder versagt haben und nach dem Unwuchtfall der vordere von dem hinteren Bereich getrennt worden ist.
Entsprechend sind Sicherungsbänder mit rechteckiger Gestalt angesichts ihrer erhöhten Scherfestigkeit entlang der Hauptachse des Rechtecks nicht bevorzugt, was wiederum unerwünscht die Uneinheitlichkeit der zur Abtrennung der einzelnen Bänder erforderlichen Scherbruchlast erhöhen würde. Bänder mit kreisförmigem Profil sind jedoch wünschenswert, aber bei der maschinellen Herstellung eines anfänglich geschmiedeten Sicherungsringes schwer zu erzeugen. Alternativ kann, wenn es die Entwurfslasten erlauben, ein Gießen des Sicherungsrings mit kreisförmig oder sonstigen kompliziert geformten Sicherungsbändern praktisch durchführbar sein.
Ein besonderer Vorteil der in 2 dargestellten Sicherung 36 ist ihre kompakte Größe und relativ einfache Form eines zylindrischen Rings, der einen gesamten Außendurchmesser und einen gesamten Innendurchmesser aufweist. Der Sicherungsring erfordert deshalb wenig radialen Raum für seinen Einsatz, da er sich primär in axialer Richtung erstreckt.
Entsprechend hat die zylindrische Sicherung 36 einen besonderen Vorteil in Verbindung mit dem Lagerträger bzw. der Lagerbefestigung 30 in Form eines konischen Gehäuses, dessen Durchmesser hinter der Sicherung 36 vergrößert ist. Die Lagerbefestigung 30 weist aufgrund ihres konischen Aufbaus eine erhöhte Steifigkeit und Festigkeit auf, reduziert jedoch entsprechend den verfügbaren radialen Hüllraum, in dem sowohl das Lager 28 als auch die Sicherung 36 an seinem vorderen Ende montiert werden sollen.
Da sich die Sicherung 36 mit einem gemeinsamen nominellen Durchmesser in erster Linie lediglich in der axialen Richtung erstreckt, kann sie rasch an dem vorderen Ende der konischen Lagerbefestigung 30 fest angebracht werden, wobei das vordere Ende der Sicherung mit dem äußeren Laufring des Lagers fest verbunden ist. In diesem Aufbau erfordert die Sicherung 36 zu ihrer Einführung gemeinsam mit der konischen Lagerbefestigung 30 keine Erhöhung des radialen Raums und kann deshalb in Nachrüstanwendungen bei minimalen Entwurfsänderungen verwendet werden.
Z.B. enthält ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk, das sich seit vielen Jahren im kommerziellen Einsatz in diesem Land befindet, ein zylindrisches vorderes Gehäuse oder einen Ring zur Verbindung eines Fanlagers mit einer konischen Lagerbefestigung, die den in 2 veranschaulichten ähnlich sind. Dieses vordere Gehäuse enthält, wie die in 2 veranschaulichte Sicherung, einen vorderen und einen hinteren Montageflansch mit einem dazwischen liegenden zylindrischen Ring konstanter Dicke.
Dieses vordere Gehäuse enthält jedoch eine Reihe von hindurchführenden kreisförmigen radialen Bohrungen, die deutlich voneinander beabstandet angeordnet sind, um im Betrieb Durchgänge für Luft und Öl bereitzustellen. Die kreisförmigen Bohrungen weisen Durchmesser von ca. 19 mm und einen Bohrungsabstand von ca. 5 cm auf. Dieses vordere Gehäuse ist speziell bemessen und konstruiert, um sowohl normale als auch anormale Lagerlasten ohne Ausfall aufzunehmen. Und der gesamte Lastpfad, einschließlich dieses vorderen Gehäuses, ist ebenso bemessen, um normale und anormale Lasten aufzunehmen, was eine ausreichende Festigkeit und eine entsprechende Erhöhung seines Gewichts erfordert.
Im Gegensatz dazu, kann das vordere Gehäuse ohne weiteres mit der speziell entworfenen Sicherung gemäß der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden, um zur Erzielung vieler der oben beschriebenen Vorteile ein beabsichtigtes Versagen oder einen Sollbruch der Sicherung zur Entkopplung des Fans von der Lagerbefestigung herbeizuführen. Die Anzahl von Löchern bzw. Bohrungen würde geeignet erhöht und die Bohrungen würden bemessen und gestaltet werden, um axiale Bänder, die zu dem beabsichtigten Sicherungsversagen unter der gewünschten Scherbelastung entsprechend bemessen und konstruiert sind, auszubilden.
In der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand in Umfangsrichtung der Sicherungsbohrungen 44 zueinander geringer als die zweifache Umfangslänge von diesen, und das resultierende Sicherungsband 46 ist in Umfangsrichtung schmäler als die Sicherungsbohrungen. Gemeinsam bewirken die eng im Abstand zueinander positionierten zahlreichen Bänder eine beträchtliche Steifigkeit und Festigkeit in der Sicherung, um alle normalen Lasten ohne Anhäufung von Ermüdungsschäden aufzunehmen. Die rotierende Unwuchtlast während eines anormalen Betriebs lässt jedoch ein Scherversagen in einem oder mehreren örtlich begrenzten Sicherungsbändern aus, die dann in einer dominoartigen Aufeinanderfolge brechen.
In abgewandelten Ausgestaltungen des nachrüstbaren Triebwerks kann der gesamte Lastpfad für das vordere Lager wegen der reduzierten Festigkeit, die mit der Einführung der Sicherung einhergeht, umkonstruiert werden, um unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer akzeptablen Funktionsweise während eines anormalen Betriebs das Gesamtgewicht des Triebwerks entsprechend zu reduzieren.
Wie oben angedeutet, weist die einheitliche Sicherung 36 einen relativ einfachen Aufbau auf und ist kompakt und verwendet mehrere, gleichmäßig verteilte Bänder, die speziell konstruiert sind, um bei einer vorgegebenen konstruktionsabhängigen Last unter Scherkräften zu versagen. Der Ring ist axial kurz und an beiden Enden strukturell steif und stellt eine in Umfangsrichtung gleichmäßige Verteilung der Belastung zwischen Bändern sicher, wenn die radiale Unwuchtlast auf das vordere Ende der Sicherung angewandt wird, während das hintere Ende der Sicherung durch eine Lagerbefestigung gehaltert ist.
Die speziell konstruierten Mittelstücke der Bänder haben wesentlich schmälere Querschnittsflächen als ihre axial gegenüber liegenden Bereiche, an welchen die Spitzenscherspannung liegt, um den Ort des Sollbruchs sicherzustellen, um Schwankungen der Scherbruchlasten zu reduzieren.
Die Querschnittsbereiche der Bänder sind vorzugsweise quadratisch oder können rund sein, können jedoch auch irgendeine geometrische Gestalt aufweisen, die es ermöglicht, dass die Spitzenbereichslast konstant bleibt, wenn die Scherlastrichtung rotiert. Diese Eigenschaft ermöglicht fast gleichmäßige Spitzenlasten in Umfangsrichtung um den Ring herum in jedem Band, wodurch, wenn einmal die materialbedingte Fließspannung an der Spitzenlaststelle erreicht ist, die Lastenumlagerung minimiert wird.
Die Bänder und ihre bevorzugten Mittelstücke sind in Axialrichtung zentral platziert, um sicherzustellen, dass die Lasten, die durch sie aufgenommen werden, im Wesentlichen lediglich Scherlasten sind, mit wenigen oder keinen Biegelasten. Die Bänder nehmen die Unwuchtscherbelastung auf, was dazu führt, dass eine Spitzenlast in der Mitte der Bänderquerschnittsfläche auftritt und auf diese Weise die Ermüdungsfähigkeit des Bereichs für eine gegebene Lastaufnahmefähigkeit maximiert wird. Dies minimiert auch die Lastvariabilität von dem Lebensdauerermüdungspunkt bis zum ultimativen Versagenspunkt des Rings.
Um weiter die Ermüdungslebensdauer der Sicherung zu erhöhen, können die in 6 veranschaulichten einzelnen Bänder 46 konventionell behandelt werden, um zur Herbeiführung einer verbleibenden Druckbelastungsoberflächenschicht 50 die Oberflächenschicht um jedes Band plastisch zu komprimieren. Es kann herkömmliches Kugelstrahlen oder Laserschockverdichten vorteilhaft verwendet werden, um zur Erhöhung der Ermüdungslebensdauer der Sicherung eine druckfeste Oberflächenschicht 50 zu erzielen.
Obwohl die Sicherung 36 vorstehend in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform als ein gesonderter, einheitlicher zylindrischer Ring beschrieben ist, der fest mit dem äußeren Lagerlaufring an einem Ende verbunden ist und fest mit dem vorderen Ende der Lagerbefestigung 30 verbunden ist, kann die Sicherung in einem Stück in einem dieser beiden Elemente ausgebildet sein.

Claims

Bläser-Entkopplungssicherung (36), die Folgendes umfasst: einen Ring (38), der eine Reihe von Sicherungsbohrungen (44) aufweist, die in Umfangsrichtung durch Sicherungsbänder (46) voneinander beabstandet sind, die so dimensioniert sind, dass sie beim Aufnehmen einer vordefinierten anormalen Radiallast von einem Bläser (12) unter Scherkräften versagen; wobei der Ring zylindrisch ist und einen ringförmigen vorderen Abschnitt (38a) aufweist, der mit einem ringförmigen hinteren Abschnitt (38b) durch die zum Aufnehmen der dazwischen auftretenden Biege- und Scherkräfte dienenden Bänder (46) in Achsrichtung verbunden ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Bänder mittig zwischen dem vorderen und dem hinteren Abschnitt (38a, 38b) angeordnet sind, um Biegekräfte in den Bändern zu minimieren.
Sicherung (36) nach Anspruch 1, wobei der Ring (38) eine einheitliche Komponente ist, die den vorderen Abschnitt (38a) und den hinteren Abschnitt (38b) sowie die zwischen diesen befindlichen Bänder (46) vollständig enthält, und wobei der vordere und der hintere Abschnitt unperforiert sind.
Sicherung nach Anspruch 1, wobei die Bohrungen (44) an den Bändern (46) bogenförmig ausgebildet sind und die Bänder (46) entsprechend schmale Mittelstücke aufweisen.
Sicherung nach Anspruch 3, wobei die Bänder (46) entsprechende Kerben (48) an den Mittelstücken aufweisen, um dort die Querschnittsfläche zu verringern.
Sicherung nach Anspruch 4, wobei die Kerben (48) bogenförmig und in radialen Außen- und Innenflächen der Bänder (46) angeordnet sind.
Sicherung nach Anspruch 4, wobei die Sicherungsbohrungen (44) oval in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Bändern (46) angeordnet sind.
Sicherung nach Anspruch 6, wobei die ovalen Sicherungsbohrungen (44) sich gegenüberliegende halbkreisförmige Enden in Umfangsrichtung und sich axial gegenüberliegende gerade Enden in Umfangsrichtung aufweisen.
Sicherung nach Anspruch 4, wobei die Bänder (46) in der Mitte der Kerben (48) und der Mittelstücke einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen.
Sicherung nach Anspruch 4, ferner umfassend einen vollständig mit dem vorderen Abschnitt (38a) verbundenen, ringförmigen vorderen Flansch (40) und einen vollständig mit dem hinteren Abschnitt (38b) verbundenen, ringförmigen hinteren Flansch (42) zum Montieren der Si cherung zwischen einem Lager (28) und einer Lagerbefestigung (30).
Sicherung nach Anspruch 9, wobei in Kombination mit dem von dem vorderen Flansch (40) fixierten Lager (28) die Lagerbefestigung (30) an dem hinteren Flansch (42) befestigt ist und der Bläser (12) von dem Lager (28) drehbar gelagert wird.
Sicherung nach Anspruch 10, wobei die Lagerbefestigung (30) konisch ist und ihr Durchmesser hinter der Sicherung (36) zunimmt.
Fan-Entkopplungssystem (34), das gemäß Anspruch 1 eine Fan-Entkopplungssicherung (36) aufweist, die ferner Folgendes umfasst: einen an eine Fan-Welle (20) montierten Fan (16); ein Lager (28) zur drehbaren Lagerung der Fan-Welle; die das Lager tragende Fan-Entkopplungssicherung (36), die ferner die ovalen Sicherungsbohrungen (44) umfasst, die in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Bändern angeordnet sind und sich gegenüberliegende halbkreisförmige Enden in Umfangsrichtung sowie sich axial gegenüberliegende gerade Enden in Umfangsrichtung aufweisen; und eine zur Halterung des Lagers und der Fan-Welle an der Sicherung befestigte Lagerbefestigung (30).