DE602005003033T2 - Lagerträger mit doppelter Steifigkeit - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Lagerträger für Lager von Rotationsmotoren. Insbesondere betrifft sie Gasturbinenmotoren.
  • Derzeit ist die Lebensdauer von Motorwellenlagern, ob Wälzlager, Öl- oder Gaslager, und deren Konstruktionen stark durch die Vibrationseigenschaften der Gesamtheit des Motors bedingt: seines Rahmens, der Übertragungswelle, der Lager und ihrer Lagerträger.
  • Die Hauptursachen für Vibrationserregung liegen in der mechanischen Unwucht der Antriebswelle, die auf Grund von Ungenauigkeiten in der Herstellung immer vorhanden sind. Folglich liegen die Hauptvibrationsfrequenzen, der der gesamte Motor unterliegt, nahe bei der Drehfrequenz des Motors.
  • Je stärker das Vibrationsverhalten jedes der oben angesprochenen Teile dieser Gesamtheit ist, um so stärker werden die Lager und die Konstruktionselemente belastet, ermüden, und um so mehr wird ihre Lebensdauer dadurch verkürzt.
  • Zudem bringen diese Vibrationen sehr große Lärmbelästigungen mit sich.
  • Eines der Mittel, um die Amplitude dieser Vibrationen zu verringern, besteht darin, Lagerträger vorzusehen, die ausgeführt sind, um die Eigenfrequenz gegenüber der Drehfrequenz anzupassen. Beispielsweise sind die Lagerträger so aufgebaut, dass die Hauptresonanzfrequenz sehr weit von der Drehfrequenz entfernt ist, die der Betriebsdrehzahl des Motors entspricht.
  • In manchen Fällen jedoch kann ein Motor in unterschiedlichen Betriebsdrehzahlen verwendet werden, beispielsweise in zwei Betriebsdrehzahlen, mit niedriger Drehgeschwindigkeit und mit hoher Drehgeschwindigkeit.
  • Es konnten dabei verschiedene Lösungen vorgeschlagen werden.
  • In der Schrift US 5 433 584 zum Beispiel wird ein Lagerträger für zwei Lager beschrieben, die eine Welle an ihren beiden Enden halten, wobei der Lagerträger so ausgeführt ist, dass er an jedem der beiden Lager eine andere Steifigkeit aufweist, wobei durch die Kombination dieser beiden die Vibrationen bei der Normalbetriebsdrehzahl durch das eine dieser Lager begrenzt und eine unnormale Unwucht oder sonstiges unvorhergesehenes Ereignis dieser Art durch das andere eingegrenzt werden können.
  • Diese Lösung ist nicht zufriedenstellend, da das eine bzw. das andere der beiden Lager in Hinsicht auf das oben benannte Problem einem unnormalen Vibrationspegel ausgesetzt bleibt.
  • In den Schriften US 5 110 257 und FR 2 439 331 wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der eine Viskositäts-Dämpfung verwendet wird, wobei das Fluid in Abhängigkeit von der Drehzahl gesteuert wird, um die Dämpfung des Lagerträgers während des Betriebs des Motors zu modifizieren, also das Vibrationsverhalten der Gesamtheit an die gerade herrschende Betriebsdrehzahl anzupassen, so dass der oben genannte Mangel vermieden wird.
  • Diese Lösung ist kompliziert, da sie die Verwendung eines Fluids erfordert, für das eine spezielle hydraulische Gerätschaft vorgesehen werden muss, und zudem ist sie auf eine Viskositäts-Dämpfung beschränkt.
  • In WO 98/54443 A1 ist ein Lagerträger gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
  • Die Anmelderin schlägt gemäß dieser Erfindung einen Lagerträger für einen Rotationsmotor wie beispielsweise einem Gasturbinenmotor vor, dessen drehende Welle von mindestens einem Lager und einem Rahmen gehalten wird, wobei er in mindestens zwei unterschiedlichen Betriebsdrehzahlen arbeiten kann und mindestens eine mechanische Tragstruktur von geringer Steifigkeit und eine mechanische Tragstruktur von hoher Steifigkeit aufweist, die miteinander kombiniert sind, um das Lager gemäß der einen oder der anderen dieser Steifigkeiten zu stützen, wobei der Lagerträger dadurch gekennzeichnet ist, dass er in Abhängigkeit von der Drehzahl gesteuerte Betätigungsmittel umfasst, die so ausgeführt sind, dass die Tragstruktur von geringer Steifigkeit fest mit der Tragstruktur von hoher Steifigkeit verbunden ist, wenn der Motor mit einer Drehzahl läuft, die geringer ist als eine bestimmte Drehfrequenz, und diese Tragstruktur von der Tragstruktur von hoher Steifigkeit gelöst wird, wenn der Motor mit einer Drehzahl läuft, die höher ist als die Drehfrequenz.
  • Bei Verwendung von mechanischen Konstruktionen bzw. Strukturen vermeidet man hydraulische Gerätschaften irgendeiner Art, wobei die so hergestellten Steifigkeitskräfte den durch die Unwucht der Motorwelle ausgeübten Vibrationserregungskräften unmittelbar entgegenwirken können.
  • Die Tragstruktur von geringer Steifigkeit trägt das Lager, und die Tragstruktur von hoher Steifigkeit trägt die Tragstruktur von geringer Steifigkeit, wenn der Motor in einem der beiden Drehzahlbereichen arbeitet, beispielsweise die niedrigen Drehgeschwindigkeiten des Motors, um der Unwucht der Welle entgegenzuwirken.
  • Der Lagerträger ist so ausgeführt, dass die Tragstruktur von hoher Steifigkeit von der Tragstruktur von geringer Steifigkeit gelöst wird, wenn der Motor in dem anderen Drehzahlbereich läuft, beispielsweise bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Motors, wobei die Tragstruktur von geringer Steifigkeit die durch die Unwucht der Welle bewirkte Vibrationserregung filtert.
  • Vorteilhafterweise ist die Tragstruktur von geringer Steifigkeit in der Form eines Käfigs ausgebildet, um sie elastischer zu machen.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal weist der Lagerträger für Motoren, der in mindestens drei unterschiedlichen Betriebsdrehzahlen arbeiten kann, mindestens drei mechanische Tragstrukturen von unterschiedlichen Steifigkeiten auf, die miteinander kombiniert sind, um das Lager gemäß der einen oder anderen dieser Steifigkeiten zu stützen.
  • Die Erfindung betrifft ferner das Steuersystem zur Steuerung der Betätigungsmittel einer Struktur gegenüber der anderen, die diese Mittel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle oder vom Vibrationspegel über die Steuerungsrechner des Motors und/oder des Flugzeugs, an dem der Motor eingebaut ist, steuert.
  • Die Erfindung geht näher aus der folgenden Beschreibung des Lagerträgers in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie aus den beigefügten Zeichnungen hervor, wobei
  • 1 ein Frequenzdiagramm des Vibrationsverhaltens der Tragstruktur unter Einwirkung einer Vibrationserregung des Rotors des Motors zeigt,
  • 2A und 2B Längsschnitt- und Querschnitt-Ansichten des Lagers und seines Lagerträgers gemäß dieser Erfindung zeigen, wobei die Tragstrukturen fest miteinander verbunden sind, und
  • 3A und 3B Längsschnitt- und Querschnitt-Ansichten des Lagers und seines Lagerträgers gemäß dieser Erfindung zeigen, wobei die Tragstrukturen voneinander gelöst sind.
  • Es wird im Folgenden Bezug auf die 2A und 2B genommen, wobei jeweils eine einen Schnitt auf der Linie A bzw. B, die jeweils auf der anderen angezeigt ist, darstellt. Der Rotationsmotor weist einen Rahmen 10 und eine Welle 15 auf, die um die Achse 0 des Motors dreht, wenn dieser in Betrieb ist.
  • Die Welle wird von einem Lager 14, hier einem Kugellager, und einem Lagerträger des Lagers 14 gehalten, welcher sich aus zwei koaxialen Tragstrukturen bzw.- konstruktionen zusammensetzt, einer äußeren 11, die die andere, innere 12 umgibt. Beide haben eine zu dem Rahmen 10 hin prinzipiell konisch verlaufende Form. Die innere Tragstruktur 12 des Lagerträgers ist in der Nähe des Lagers 14 zylinderförmig, so dass die beiden Tragstrukturen in Höhe sowohl des Rahmens 10 als auch des Lagers 14 zusammenkommen, wie nachfolgend erläutert.
  • Die innere Tragstruktur 12 ist fest mit dem Rahmen 10 und dem Lager 14 verbunden. Sie ist feststehend, von geringer Steifigkeit oder elastisch.
  • Um sie noch elastischer zu machen, kann sie eventuell in der Form eines Käfigs 13 vorgesehen sein.
  • Die äußere Tragstruktur 11 ist deutlich steifer als die innere Tragstruktur und kann dazu an ihrer Innenfläche mit Rippen versehen sein. Die Rippen sind nicht dargestellt.
  • Die Vibrationsmerkmale dieser Tragstrukturen sind in dem Diagramm der Spektren ihrer frequenzabhängigen Reaktionen von 1 schematisch dargestellt. Sie resultieren aus ihren jeweiligen Steifigkeiten, und ihre Nutzung in der hier beschriebenen Vorrichtung wird weiter unten erläutert.
  • Diese letztere Tragstruktur 11 ist mit ihrem im Bereich des Rahmens 10 befindlichen Ende drehbar gleitend an diesem und an der elastischen Tragstruktur 12 angebracht. Sie kann in beiden Drehrichtungen um die Achse 0 drehen, und zwar unter der Einwirkung einer mechanischen Steuerung, die von Hand oder elektrisch durch herkömmliche geeignete Mittel (nicht dargestellt) erfolgt, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, beispielsweise einen Hebel, einen Elektromotor oder Hydraulik- oder Pneumatikzylinder.
  • An ihrem im Bereich des Lagers 14 befindlichen Ende kann die Tragstruktur 11 um die feststehende Tragstruktur 12 auf einem Bogen drehen, der durch radiale Zähne 16 begrenzt ist, hier vier an der Zahl, die mit dieser Tragstruktur 12 fest verbunden sind. Die Zähne 16 wirken mit vier Aufnahmen 17 zusammen, die an der Innenseite eines senkrecht auf der Drehachse stehenden Flanschs der Tragstruktur 11 ausgeführt sind. Die Aufnahmen weisen zwei Abschnitte 17A, 17B auf, deren Böden sich in unterschiedlichem Abstand zur Achse befinden.
  • In der Position, die in den 3A und 3B dargestellt ist, sind die Zähne 16 in den Abschnitten 17A mit einem radialen Spiel J zwischen ihrem Oberteil und dem Boden der Aufnahmen angeordnet. Dieses Spiel ist größer als die Wirkungen der Unwucht der sich drehenden Welle.
  • Die Abschnitte 17B der Aufnahmen haben einen geringeren Durchmesser. Die Zähne 16 können sich alle gleichzeitig ohne radiales Spiel in diese einsetzen, wobei sie sich so exakt an deren Formen anlegen.
  • Wenn sich die Zähne 16 in den Abschnitten 17B befinden, wie in den 2A und 2B dargestellt, sind die Tragstrukturen 11 und 12 im Bereich des Lagers fest miteinander verbunden. In den 3A und 3B hingegen sind diese Tragstrukturen in diesem Bereich voneinander gelöst.
  • Auf Grund ihrer unterschiedlichen Steifigkeiten haben die Tragstrukturen 11 und 12, bezugnehmend auf das Diagramm von 1, Vibrationsmerkmale dergestalt, dass ihre Reaktion auf eine Vibrationserregung, die durch das Drehen der Welle mit einer Frequenz f erzeugt wird, durch die Kurven S1, S2 für die elastische Tragstruktur und durch die Kurven R1, R2 für die steife Tragstruktur dargestellt werden kann.
  • Die durch diese beiden Kurven angezeigten Resonanzen MS und MR sind deutlich voneinander getrennt, und die beiden Kurven schneiden sich in einem Punkt MP, der einer Rotationsfrequenz fp entspricht und durch eine niedrige Amplitude der Vibrationsreaktion für beide Tragstrukturen zugleich gekennzeichnet ist. Unterhalb der Frequenz fp zeigt die steife Tragstruktur 11 keine bemerkenswerte Reaktion R1. Über dieser Frequenz filtert die elastische Tragstruktur die Erregungen der Welle 15 und liefert keine große Reaktion S2, während die Reaktionen S1 und R2 im Gegenteil stark sind.
  • Wenn die äußere Tragstruktur 11 durch die oben genannte Steuerung mechanisch in einer Drehbewegung gesteuert wird, um in einer ersten, in 3B dargestellten Richtung 22 zu drehen, stellt sich die Position der hohen Steifigkeit ein, die in den 2A und 2B dargestellt ist. So stützt die Tragstruktur 12 von geringer Steifigkeit das Lager 14, und die Tragstruktur 11 von hoher Steifigkeit stützt die Tragstruktur von geringer Steifigkeit.
  • In dieser Position sind die Tragstrukturen 11 und 12 vollkommen fest miteinander verbunden, und die steifere Tragstruktur verleiht der gesamten Lagerträgeranordnung ihre Steifigkeitsmerkmale mit einer Frequenzreaktion R1, nämlich die der äußeren Tragstruktur 11. Diese Position wird gesteuert, wenn der Motor mit einer niedrigen Drehzahl läuft, damit der Lagerträger den durch die Unwucht der drehenden Welle erzeugten Frequenzerregungen entgegenwirkt.
  • Wenn die äußere Tragstruktur 11 durch die oben genannte Steuerung mechanisch in einer Drehbewegung gesteuert wird, um in einer zweiten, in 2B dargestellten Richtung 21 zu drehen, stellt sich die Position der geringen Steifigkeit ein, die in den 3A und 3B dargestellt ist.
  • In dieser Position sind die Tragstrukturen 11 und 12 im Bereich des Lagers voneinander gelöst, und die elastischere Tragstruktur verleiht der gesamten Lagerträgeranordnung ihre Steifigkeitsmerkmale mit einer Frequenzreaktion S2, nämlich die der inneren Tragstruktur 12. Diese Position wird gesteuert, wenn der Motor mit einer hohen Drehzahl läuft, wobei der Lagerträger so die durch die Unwucht der drehenden Welle bewirkte Vibrationserregung filtert.
  • So wird, um die Vibrationsmerkmale des Lagerträgers insgesamt optimal anzupassen, die äußere Tragstruktur 11 in einer Drehbewegung in der zweiten Richtung 21 gesteuert, solange die Motordrehzahl geringer ist als die Drehfrequenz fp, und in der ersten Richtung 22, solange sie größer ist als diese Drehfrequenz.
  • Die Frequenzreaktion der Gesamtheit des Motors insgesamt ist durch die Frequenzkurve dargestellt, die sich aus den beiden Kurvenzweigen R1 und S2 zusammensetzt, deren gemeinsames Maximum durch den Schnittpunkt M der Kurven dargestellt ist, die die Frequenzreaktionen der beiden Tragstrukturen 11 und 12 ausdrücken, welche den Lagerträger des Motors bilden, wobei dieses Maximum deutlich geringer ist als die Maxima MS und MR der beiden Kurven, die die Frequenzreaktionen dieser beiden Tragstrukturen ausdrücken.

Claims (8)

  1. Lagerträger (11, 12) für ein Lager (14) in einem Rotationsmotor wie beispielsweise einem Gasturbinenmotor mit einer drehenden Welle (15), die von mindestens einem Lager (14) und einem Rahmen (10) gehalten wird, wobei er in mindestens zwei unterschiedlichen Betriebsdrehzahlen arbeiten kann und mindestens eine mechanische Tragstruktur (12) von geringer Steifigkeit und eine mechanische Tragstruktur (11) von hoher Steifigkeit aufweist, die miteinander kombiniert sind, um das Lager (14) gemäß der einen oder der anderen Steifigkeit zu stützen, dadurch gekennzeichnet, dass er in Abhängigkeit von der Drehzahl gesteuerte Betätigungsmittel umfasst, die so ausgeführt sind, dass die Tragstruktur (12) von geringer Steifigkeit fest mit der Tragstruktur (11) von hoher Steifigkeit verbunden ist, wenn der Motor mit einer Drehzahl (I) läuft, die geringer ist als eine bestimmte Drehfrequenz (fp), und diese Tragstruktur (12) von der Tragstruktur (11) von hoher Steifigkeit gelöst wird, wenn der Motor mit einer Drehzahl (f) läuft, die höher ist als die Drehfrequenz (fp).
  2. Lagerträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (12) von geringer Steifigkeit radiale Zähne (16) aufweist und die Tragstruktur (11) von hoher Steifigkeit Aufnahmen (17) aufweist, die mit den Zähnen (16) zusammenwirken.
  3. Lagerträger nach Anspruch 2, bei dem die Aufnahmen (17) Abschnitte (17B) aufweisen, die mit den Zähnen (16) zusammenwirken, um die Tragstrukturen (11) und (12) fest miteinander zu verbinden.
  4. Lagerträger nach Anspruch 3, bei dem die Aufnahmen (17) Abschnitte (17A) aufweisen, die mit den Zähnen (16) mit einem radialen Spiel (J) zusammenwirken, um die Tragstruktur (11) von hoher Steifigkeit von der Tragstruktur (12) von geringer Steifigkeit zu lösen, wobei das Spiel größer ist als die Wirkungen der Unwucht der sich drehenden Welle.
  5. Lagerträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (12) von geringer Steifigkeit in der Form eines Käfigs (13) ausgebildet ist.
  6. Lagerträger nach einem der vorherigen Ansprüche, für einen Motor, der in mindestens drei unterschiedlichen Betriebsdrehzahlen arbeiten kann und mindestens drei mechanische Tragstrukturen von unterschiedlichen Steifigkeiten aufweist, die miteinander kombiniert sind, um das Lager (14) gemäß der einen oder anderen dieser Steifigkeiten zu stützen.
  7. Lagerträger nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Steuersystem zur Steuerung der Betätigungsmittel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle oder vom Vibrationspegel über die Steuerungsrechner des Motors und/oder des Flugzeugs, an dem der Motor eingebaut ist.
  8. Gasturbinenmotor, der einen Lagerträger nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
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