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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zusammenbau, welcher eine Welle
oder einen Wellen-Abschnitt, welcher um seine Achse drehbar montiert
ist, und ein Rollen-Lager, mittels dem sie gelagert ist, umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Montage eines
Lagers für
eine Turbinen-Welle in einem Gasturbinen-Triebwerk.
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In 1 ist
eine Teilansicht eines Gasturbinen-Triebwerks 1 dargestellt.
Der Hochdruck-Turbinen-Rotor 2 ist unmittelbar stromabwärts der
Verbrennungskammer 3 angeordnet, und wird durch Einwirkung
der Gase, welche aus ihr auf die auf der Scheibe 5 des
Rotors 2 montierten Schaufeln 4 entweichen, in
Rotation versetzt. Die Turbinen-Scheibe 5 ist mit einem
Drehzapfen 6 verbunden, welcher bezüglich der Strömungs-Richtung
der Gase stromabwärts
angeordnet ist. Am Ende des Drehzapfens 6 ist ein Lager
montiert, mittels dem der sich drehende Zusammenbau gelagert ist.
Hier ist nur der Innenring 8 des Lagers dargestellt. Der
Rotor 2 ist mit der stromaufwärtigen Seite einer Trommel 7 verbunden,
welche mit dem nicht dargestellten Hochdruck-Kompressor verbunden
ist, welcher seinerseits mittels eines stromaufwärtigen Lagers drehbar gelagert
ist. Dieser drehbare Zusammenbau, welcher den Hochdruck-Körper des
Triebwerks bildet, ist mittels dieser beiden Lager gegebenenfalls,
im Falle eines Triebwerks mit einfachem Körper, mittels der feststehenden
Konstruktion des Triebwerks, oder auch, im Falle eines Triebwerks
mit Doppel- oder Dreifach-Körper für unabhängige Stufen
niedrigen oder mittleren Drucks, mittels eines anderen drehbaren
Zusammenbaus gelagert.
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Bei
den derzeitigen Triebwerken wird der Innenring mit der Welle oder
dem Drehzapfen mittels Aufschrumpfens verbunden. Bei diesem Vorgang wird
der Ring durch Pressung auf der Welle oder dem Drehzapfen montiert.
Die Kupplung kann dann genauso gut den Rotations-Drehmomenten widerstehen,
welchen der Ring während
des Betriebs des Triebwerks unterworfen ist, wie den Achsen-Kräften. Eine
auf den Drehzapfen geschraubte, und bezüglich Drehung blockierte, stromabwärtige Mutter
9 verriegelt
den Ring
8 in Position, und garantiert die Kohäsion des
Zusammenbaus im Falle eines plötzlichen Klemm-Verlustes
desselben auf dem Drehzapfen, beispielsweise aufgrund einer Abnutzung
der im Kontakt befindlichen Flächen,
oder auch einer übermäßigen Erwärmung der
Komponenten. Um alle Pannen-Fälle
abzudecken, und einen Unfall zu vermeiden, hat man die Mutter überdimensioniert,
um dem Zusammenbau ein höheres
Festzieh-Drehmoment aufzwingen zu können. Diese Lösung weist
daher den Nachteil einer wesentlichen mechanischen Belastung der
Teile auf. Ein solcher Zusammenbau ist in dem Dokument
FR 2629537 offenbart.
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Die
Größe der Mutter
steht insbesondere mit der geforderten Belastung in Beziehung. Hieraus folgt
die Notwendigkeit, ein schweres und komplexes Werkzeug mit Kraft-Untersetzungs-Mitteln
vorzusehen und einzusetzen.
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Ferner
wäre es
für bestimmte
Anwendungen, insbesondere im Falle neuer, kompakterer, Triebwerke
wünschenswert,
den axialen Platzbedarf der die Turbine mit ihrem Lager tragenden
Welle zu reduzieren. Da die Position des Lagers ihrerseits in ihrer
Umgebung bezüglich
der anderen Komponenten des Triebwerks, wie der feststehenden Konstruktion,
vollständig
definiert ist, wäre
nur derjenige Teil, welcher die Mutter aufweist, dazu geeignet,
modifiziert zu werden. Allerdings ist es unter Berücksichtigung
der oben genannten Zwänge/Kräfte nicht
möglich,
die Größe der Mutter
zu reduzieren, ohne die mechanische Widerstandsfähigkeit der Montage zu reduzieren.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird zuerst vorgeschlagen, die Mutter zu eliminieren, und den Ring direkt
auf die Welle zu schweißen.
Zumindest für
bestimmte Triebwerke passt diese Lösung aufgrund der diese beiden
Komponenten bildenden verschiedenen Materialien, woraus sich Korrosions-Probleme ergeben,
und der Komplexität
der Vorgänge,
wenn es später
notwendig wäre,
auf das Teil einzuwirken, allerdings nicht.
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Das
Patent US-A-5,863,137 offenbart eine andere Kupplungs-Form gemäß des Stands
der Technik.
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Die
Anmelderin hat sich daher einen Modus zum Anbauen eines Rollen-Lager-Rings an die Welle,
an welcher er montiert ist, zum ersten Ziel gesetzt, welcher es
ermöglicht,
diese Nachteile zu überwinden,
wobei er die gleichen mechanischen Merkmale bietet, wie die von
einer Mutter gebotenen.
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Die
Anmelderin hat sich ferner die Realisierung eines Modus zum Anbau/Zusammenbau
eines Rollen-Lager-Rings an/auf einer Welle als weiters Ziel gesetzt,
wodurch gleichzeitig ein leichteres Montieren und Demontieren erreicht
wird.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem mit einem Zusammenbau gemäß Anspruch 1, welcher eine drehbare
Welle und ein Rollen-Lager umfasst, wobei das Lager einen mit der
Welle verbundenen, und für die
Roll-Organe des Lagers eine Roll-Bahn bildenden, Laufring aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ring bezüglich (einer) Drehung auf der
Welle mittels einer Kupplung immobilisiert ist, welche aus einer
Mehrzahl von Zähnen
auf der Welle gebildet wird, welche mit mit dem Laufring verbundenen
Zapfen zusammenwirken, wobei die Zapfen zwischen den Zähnen, und
in Axial-Richtung von einem Transversalring in Form eines Ring-Abschnitts
aufgenommen sind.
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Der
Begriff Welle bezeichnet eine Welle, einen Wellen- Abschnitt, einen
Drehzapfen, oder allgemeiner irgendein Teil, auf welchem ein Rollen-Lager montiert
ist. Während
im Falle einer Lager-Montage am Ende des Drehzapfens an der Seite
seines freien Endes die Mutter aufgrund der Montage-Kräfte im Andruck
gegen den Ring an seinem dem freien Ende des Drehzapfens nahen Rand
angeordnet werden muss, kann an der dem freien Ende entgegengesetzten
Seite eine (formschlüssig
anrückbare)
Klauen-Kupplung angebracht werden. Der zugehörige Drehzapfen-Abschnitt kann dann
gekürzt
werden. Andererseits kann vorteilhafter Weise das Mittel zum axialen
Zurückhalten
mit der (formschlüssig
anrückbaren)
Klauen-Kupplung assoziiert werden.
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Vorteilhafter
Weise wird die Kupplung von einer Mehrzahl von Zähnen beziehungsweise Zapfen gebildet,
welche entlang des Umfangs der Welle voneinander beabstandet sind.
Die Anzahl an Zähnen und
zugehörigen
Zapfen, sowie deren Größe, werden
durch die Umfangs-Lasten bestimmt, welche die Kupplung im Betrieb
des Triebwerks zu tragen hat. Um Unwuchten zu vermeiden, werden
vorteilhafter Weise die Elemente symmetrisch um die Wellen-Achse
angeordnet.
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Es
versteht sich, dass die Lösung
genauso gut auf die Montage eines Lager-Innenrings an der Außenfläche desselben, wie auf die
Montage eines Lager-Außenrings
auf eine Welle im Innern derselben, wenn sie hohl ist, anwendbar
ist.
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Das
Rollen-Lager kann irgendeines sein: mit Kugeln, Walzen, oder auf
andere Weise. In vereinfachter Weise umfasst ein Lager zumindest
zwei konzentrische Ringe: einen Innenring und einen Außenring,
zwischen welchen eine Mehrzahl von Roll-Organen, beispielsweise Walzen, angeordnet
sind, welche mittels eines Käfigs
untereinander auf Abstand gehalten werden. Die Ringe definieren
jeweils eine Roll-Bahn
für die
Roll-Organe.
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Gemäß eines
weiteren Merkmals ist der Transversalring aus einem elastischen
Material realisiert. Es nimmt bei radialer Ausdehnung eine erste Form
ein, wobei es die genannte axiale Rückhaltung zwischen der Welle
und dem Ring bildet, und eine radial zurückgezogene Form, in welcher
es das axiale Verschieben des Rings bezüglich der Welle ermöglicht.
Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
ist der Transversalring in Rückhalte-Position
derart angeordnet, dass er mit einem Zahn und zumindest einem Zapfen
gleichzeitig im Kontakt ist.
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Gemäß eines
anderen Merkmals umfasst die Welle einen zylindrischen Abschnitt,
welcher einen radial äußeren Anschlag
für das
freie Ende des oder der Zapfen bildet.
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Andere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
einer Ausführungsform
der Erfindung, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:
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1 im
Axial-Schnitt einen Teil eines Gasturbinen-Triebwerks darstellt,
welcher einen Turbinen-Rotor und den Drehzapfen mit einem montierten Lager-Ring
gemäß des Standes
der Technik zeigt,
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2 im
Axial-Schnitt einen Drehzapfen mit einem montierten Rollen-Lager-Innenring gemäß der Erfindung
zeigt,
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3 in
Perspektive eine Teilansicht des Innenrings von 2 zeigt,
welche die Zapfen im Detail wiedergibt,
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4 in
Perspektive den Drehzapfen aus 2 mit den
Zähnen
einer (formschlüssig
anrückbaren)
Klauen-Kupplung zeigt,
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5 das
Platzieren eines ringförmigen Transversalrings
auf den Drehzapfen von 4 zeigt;
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6 in
Perspektive den Ring auf dem Drehzapfen von 2 montiert
zeigt,
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7 ein
vergrößertes Detail
von 6 zeigt.
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In 2 ist
ein Drehzapfen 16 oder eine Turbinen-Welle zu sehen, welche
mit dem nicht dargestellten Turbinen-Rotor gemäß der Erfindung verbunden ist. 6 zeigt
partiell eine Darstellung der Anordnung von 2, perspektivisch
gesehen. Der Drehzapfen umfasst einen Flansch mit Durchstichen 161,
mittels welcher bei 161 der Turbinen-Rotor angeschraubt
werden wird. Man unterscheidet einen zylindrischen Abschnitt 163,
von gleicher Dreh-Achse wie die Welle, welcher mit Elementen wie
Lippen versehen ist, welche zusammen mit nicht dargestellten komplementären Elementen
eine Labyrinth-Dichtungs-Verbindung bilden. Der Drehzapfen umfasst außerdem einen
zylindrischen geraden Abschnitt 162 zur Montage eines Rollen-Lager- Innenrings 18. Der
Laufring 18 umfasst einen zylindrischen inneren Abschnitt 181,
welcher auf dem zylindrischen Abschnitt 162 des Drehzapfens
aufgeschrumpft ist. Der Ring umfasst eine äußere Roll-Bahn 182 für die Roll-Organe,
hier Walzen, welche, wie der Rest des Lagers, nicht dargestellt
sind. Links in der Figur ist der Ring entlang der gemeinsamen Achse
des Rings und der Welle mittels Zapfen 17 verlängert. Diese Zapfen 17 sind
in 3, welche eine partielle, perspektivische Ansicht
des Laufrings 18 ist, gut sichtbar. Jeder Zapfen weist
eine der Achse des Rings zugewandte, und diesen querende Innenrille 171 auf.
Die Zapfen sind hier auf dem gesamten Ring 17 mit einem
vorbestimmten Abstand unterteilt, welcher zur Breite der nachfolgend
beschriebenen Zähne
korrespondiert.
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Der
Laufring 18 ist mit der Fläche 172, welche transversal
zur Achse orientiert ist, gegen einen axialen Anschlag 167 im
Andruck, welcher in den zylindrischen Abschnitt 162 eingearbeitet
ist. Die Fläche 172 erscheint
klar in 4, welche das Ende des Drehzapfens
gemäß einer
perspektivischen Sicht isoliert zeigt. Radiale Zähne 164 sind an seinem/ihrem
Umfang angeordnet, wobei sie mit einem Abstand voneinander beabstandet
sind, welcher zur Breite der Zapfen 17 korrespondiert.
Daher sind in der Position von 2 die Zapfen 17 zwischen
den Zähnen 164 angeordnet,
wobei der Ring mit der Seite 172 gegen die Seite 167 drückt, welche
einen Anschlag bildet. Der Laufring 18 und der Drehzapfen 16 bilden
auf diese Weise eine (formschlüssig
anrückbare)
Klauen-Kupplung. Mittels dieser Kupplung wird der Ring bezüglich Drehung
stark immobilisiert, auch wenn das Festziehen des Rings auf der
Welle schwächer
wird.
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Die
Zähne sind
transversal zur Achse der Welle gerichtet, und weisen eine transversale
Rille 166 auf, welche zu derjenigen welche von derjenigen der
Seiten 165 abgewandt ist, radial offen ist. Wenn der Ring
gegen die Seite 167 drückt,
liegt die Rille 166 den Rillen 171 gegenüber, welche
in die Zapfen 17 eingearbeitet sind. Bei der Montage der 2 ist ein
zur Achse transversaler Ring 19 in der Kontinuität der Rillen 171 aufgenommen,
und bildet das axiale Rückhalte-Mittel.
Tatsächlich
ist seine Höhe
dazu ausreichend, in Eingriff gegen die Gesamtheit der Zähne 164 zu
gelangen, wenn sie in der Gesamtheit der Rillen 171 aufgenommen
ist. Wie in 2 zu sehen ist, verhindert er
jegliche Rückzieh-Bewegung des
Rings in der Figur nach rechts. In 7, welche ein
vergrößertes Detail
von 6 zeigt, ist der Transversalring 19 in
Verriegelungs-Position zu sehen. Dieser Transversalring hat hier
einen rechteckigen Querschnitt. Er erstreckt sich entlang des Umfangs. Er
bildet einen Ring mit einem fehlenden Abschnitt. Er ist elastisch,
bevorzugt aus Metall, und kann daher durch geeignete Mittel zurückgezogen
werden, um in der Rille 166 des Drehzapfens aufgenommen
zu werden. Wenn er sich in dieser letzten Position befindet, bildet
er keine Behinderung für
die Axialbewegung des Rings. Die Tiefe der Rille 166 ist
ausreichend, um den Transversalring aufzunehmen, und ihn bezüglich der
Zapfen des Rings vollständig
einzuziehen.
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Wie
auf den 2, 6 und 7 zu sehen
ist, ist der freie Abschnitt der Zapfen 17 in einer axial
stromabwärts
gewandten Rille im Eingriff, welche zwischen dem zylindrischen Abschnitt 163 und der
(Ober)fläche
des zylindrischen Abschnitts des Drehzapfens gebildet wird. Die
Zapfen 17 sind radial außen im Andruck gegen die Innenfläche dieses
zylindrischen Abschnitts 163. In der Maßgabe, dass der Zusammenbau
dazu in der Lage ist, sich mit sehr großen Rotations-Geschwindigkeiten
zu drehen, ermöglicht
der vom Element 163 gelieferte radiale Andruck es, die
Deformationen und die Kräfte
aufgrund der auf die Zapfen ausgeübten Zentrifugalkräfte zu reduzieren.
Daher wird die Widerstandsfähigkeit
der Teile wesentlich verstärkt.
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Bei
der Montage des Laufrings 18 auf dem Drehzapfen 16 wird
zuerst der Transversalring angebracht, indem er hinter die Zähne 164 geschoben wird,
wie in 5 dargestellt ist; er ist ausreichend elastisch,
um deformiert werden zu können.
Dann wird mittels eines geeigneten Werkzeugs der Transversalring
dazu gezwungen, sich in der Kehle 166 zusammenzuziehen.
Während
der Transversalring in dieser Position gehalten wird, wird der Ring
entlang des zylindrischen Abschnitts 162 verschoben, bis
die Seiten 172 des Rings in Andruck gegen die Fläche 167 gelangen.
Der Eingriff der Zapfen zwischen den Zähnen bildet eine (formschlüssig anrückbare)
Klauen-Kupplung. Dann wird der Transversalring wieder freigegeben,
welcher sich entspannt und in den Kehlen 171 aufgenommen
wird, wobei er den Laufring 18 axial verriegelt.
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Zur
Demontage ist eine ringförmige
Kerbe 20 vorgesehen, durch welche der Ring mittels eines
geeigneten Werkzeugs extrahiert werden kann. Es wird auch beobachtet,
dass man leicht ein Werkzeug zwischen die Zähne 164 einführen kann,
um den Transversalring 19 zurückzuziehen.
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Es
wurde die Montage eines inneren Laufrings eines Rollen-Lagers beschrieben.
Die Erfindung ist sinngemäß genauso
gut auf die Montage des äußeren Rings
eines Rollen-Lagers an der Innenfläche einer Welle oder einer
Gehäuse-Struktur anwendbar.
Ferner kann die (formschlüssig
anrückbare)
Klauen-Kupplung so realisiert sein, dass die Zähne und die Zapfen vertauscht
werden, wobei sich die ersteren auf dem Ring befinden, und die zweiten mit
der Welle verbunden sind.
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Insbesondere
ist die Erfindung nicht auf die Montage eines Rings auf einer Turbinen-Welle
begrenzt, sondern sie hat einen allgemeineren Gültigkeits-Bereich.