DE60200872T2

DE60200872T2 - Brechbare Kupplungssysteme für die Fanwelle eines Turbotriebwerks

Info

Publication number: DE60200872T2
Application number: DE60200872T
Authority: DE
Inventors: Gael Bouchy; Jean Joseph Bertrand Heurtel; Pierre Pandelakis; Patrick Morel; Jean Eric Masson; Bien-Aime Rakotodrainibe; Daniel Martin; Henry Souyeaux
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: EP1308602A1; CA2473088A1; US7237959B2; FR2832195A1; US20050117828A1; EP1308602B1; FR2832195B1; WO2003038241A1; DE60200872D1; CA2473088C; RU2303704C2; RU2004123972A

Description

Diese Erfindung betrifft einen Wellenträger, der bei Auftreten einer Unwucht bricht.
Insbesondere betrifft sie eine Anordnung einer Drehwelle, auf der an einem Ende ein Ausrüstungsteil sitzt und die sich von diesem Ausrüstungsteil nach hinten erstreckt, wobei die Welle von einem ersten Lager hinter dem Ausrüstungsteil und von einem zweiten Lager hinter dem ersten Lager gehalten wird, wobei das erste Lager von einem Gehäuse gehalten wird, das die Welle umgibt und sich hinter dem ersten Lager bis zu einem Statoraufbau erstreckt, an dem das Gehäuse mit Schrauben angeflanscht ist, die parallel zur Welle verlaufen und unter Zug schmelzbar sind.
Eine solche Anordnung ist in FR 2 752 024 beschrieben. Bei dem Ausrüstungsteil handelt es sich beispielsweise um ein Turbotriebwerkgebläse, das von der Welle einer Niederdruckturbine getrieben wird.
Wenn eine Schaufel des Gebläses bricht, wirkt eine starke Unwucht auf die Tragwelle des Gebläses, was zyklische Belastungen und Vibrationen hervorruft, die das erste Stützlager der Welle an die feststehenden Teile der Maschine überträgt, was mit großen Risiken von Beschädigungen verbunden ist. Bei einer starken Unwucht, die beispielsweise auf Grund des Bruchs einer Gebläseschaufel auftritt, bewirkt das Brechen der unter Zug schmelzbaren Schrauben ein Ablösen des Gehäuses nach einer begrenzten Anzahl von Umdrehungen der Welle.
Sobald sich das Gehäuse ablöst, hält das erste Lager das Gebläse nicht mehr, und die Gebläsewelle wird nur noch von dem zweiten Lager gehalten, das seinerseits beginnt, die Vibrationen über seinen Träger an den Statoraufbau zu übertragen.
In FR 2 752 024 ist eine Ausführungsart vorgesehen, bei der der ringförmige Träger des zweiten Lagers mit dem Traggehäuse des ersten Lagers verbunden ist. Bei einem Brechen der unter Zug schmelzbaren Schrauben beginnt das vordere Ende des Strangs der Niederdruckwelle zu schwimmen und kann ziemlich stark in radialer Richtung schwingen und sich möglicherweise an dem Strang der Hochdruckwelle reiben, die koaxial mit ihr verläuft und mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit dreht, was Beschädigungen an beiden Wellensträngen zur Folge haben kann.
Ferner ist in FR 2 752 024 eine Begrenzung der Ausschläge des Strangs der Niederdruckwelle nach dem Brechen der unter Zug schmelzbaren Schrauben vorgesehen, indem an dem Stator eine Rippe um das Gehäuse herum angebracht wird, um dessen Bewegung zu begrenzen, oder eine weitere Rippe am Stator befestigt wird, die in Kufen endet, die sich hinter dem zweiten Lager befinden und um den Strang der Niederdruckwelle herum in geringem Abstand zu diesem angeordnet sind. Wenn der Ausschlag der Niederdruckwelle von den Kufen der anderen Rippe begrenzt wird, die sich in geringem Abstand zu der Welle befinden, reiben sich offensichtlich die Niederdruckwelle und die Kufen aneinander, wodurch die Niederdruckwelle beschädigt werden kann.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Wellen-Vorrichtung vorzuschlagen, wie eingangs definiert, mit der die oben genannten Nachteile beseitigt werden können.
Darüber hinaus ist aus der US-A-6098399 ein Lager bekannt, das mit radialem Spiel in einer Bohrung eines mit dem Statoraufbau fest verbundenen, ringförmigen Trägers angeordnet ist und an diesen ringförmigen Träger mit Schrauben angeflanscht ist, die parallel zur Welle verlaufen und unter Scherbeanspruchung schmelzbar sind, wodurch das zweite Lager in der Lage ist, im Falle eines Brechens dieser Schrauben an diesem ringförmigen Träger in Anlage zu kommen, wobei
das radiale Spiel dergestalt eingestellt ist, dass Reibungen zwischen der Welle und anderen feststehenden oder bewegbaren Elementen vermieden werden, und
das zweite Lager einen Außenring aufweist, der einen radialen, ringförmigen Flansch aufweist, der nach außen gerichtet ist und durch die schmelzbaren Schrauben in Anlage an einer Seitenfläche des ringförmigen Trägers gehalten wird, und
der Außenring durch mehrere parallel zur Welle verlaufende Zapfen in der Bohrung des ringförmigen Trägers zentriert gehalten wird, wobei diese Zapfen so ausgelegt sind, dass sie beim Sich Ablösen des Lagers abgeschert werden.
Gemäß der Erfindung sind diese Zapfen vorzugsweise an dem ringförmigen Träger vorgesehen und erstrecken sich an der Umfangslinie des Flanschs.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung sind Mittel zur Verhinderung der Drehbewegung des Außenrings bei einem Sich Ablösen des zweiten Lagers vorgesehen.
Vorteilhafterweise bestehen die Mittel zur Verhinderung der Drehbewegung des Außenrings mindestens aus einem Bolzen und vorzugsweise aus drei Bolzen, die in dem ringförmigen Träger verankert sind und mit Spiel durch eine Öffnung in dem Flansch verlaufen.
Äußerst vorteilhafterweise weist der Bolzen einen Bolzenkopf auf, der sich in Anlage an der Außenseite des Flanschs befindet, um ein axiales Verschieben des zweiten Lagers im Falle des Sich Ablösens dieses zweiten Lagers zu verhindern.
Auf diese Weise kommt der Außenring im Falle eines Ablösens in Anlage an der Umfangslinie der Bohrung und wird an einer Drehbewegung durch die Bolzen gehindert, die ferner den Außenring des zweiten Lagers axial blockieren.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 die Erfindung in einer allgemeinen Ansicht zeigt,
2 den Einbau des hinteren Lagers der Welle in vergrößertem Maßstab zeigt,
3 den Außenring gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Vorderansicht zeigt, und
4 ebenfalls in vergrößertem Maßstab den Einbau des hinteren Lagers der Welle in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV von 3 zeigt.
In 1 ist das vordere Ende einer Welle 1 einer Niederdruckturbine eines Zweikreis-TL-Triebwerks mit der Achse X dargestellt, das von einem vorderen Lager 2 und einem hinteren Lager 3 gehalten wird. Diese Welle 1 hält freitragend vor dem vorderen Lager 2 ein Gebläse mit der Achse X, das in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, und wird hinten von einem dritten Lager gehalten, das in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
Das vordere Lager 2 wird von einem Gehäuse 4 gehalten, das die Welle 1 umgibt und sich hinter dem vorderen Lager 2 bis zu einem Statoraufbau 5 erstreckt, an dem es durch eine Vielzahl von Schrauben 6 angeflanscht ist, die parallel zur Achse X verlaufen und unter Zug schmelzbar sind. Diese Schrauben 6 weisen einen mittleren Abschnitt mit kleinerem Querschnitt auf, der bricht, wenn das vordere Lager 2 bei einer Unwucht auf Grund des Bruchs oder der starken Verformung einer Gebläseschaufel zyklischen Belastungen ausgesetzt wird.
Das hintere Lager 3 ist in einer Bohrung 7 mit der Achse X eines starren Trägers 8 angeordnet, der an dem Statoraufbau 5 befestigt oder in den Statoraufbau 5 eingebaut ist, und ist an diesem Träger 8 mittels Schrauben 9 mit der Achse X angeflanscht, die unter Scherbelastung brechen können, wenn das hintere Lager 3 starken zyklischen Belastungen ausgesetzt wird.
Wie in 2 dargestellt, ist der Durchmesser der Bohrung 7 größer als der Außendurchmesser des äußeren Umfangselements 10 des hinteren Lagers 3, und dieses äußere Umfangselement 10 weist einen radialen, ringförmigen Flansch 11 auf, der nach außen gerichtet ist und sich mittels Schrauben 9 in Anlage an der Seitenfläche des Trägers 8 befindet.
So besteht zwischen der Außenumfangswand 10 und der radial inneren Wand 12 des Trägers 8, die die Bohrung 7 umgrenzt, ein radiales Spiel J.
Bei einem Bruch der Schrauben 9 durch Scherbelastung wird der radiale Ausschlag des hinteren Lagers 3 durch das radiale Spiel J begrenzt, wobei die Außenumfangswand 10 des hinteren Lagers 3 sich dann in Anlage an der radial inneren Wand 12 des Trägers 8 befindet.
Wenn das Gebläse eine starke Unwucht erzeugt, unterliegt das vordere Lager 2 zyklischen Belastungen, die durch axiale Kräfte kompensiert werden, die auf die unter Zug schmelzbaren Schrauben 6 einwirken, die nach wenigen Umdrehungen der Welle 1 eine nach der anderen brechen. Das Lager 2 hält dann das Gebläse nicht mehr, und das hintere Lager 3 unterliegt dann seinerseits zyklischen Belastungen, die den Bruch durch Scherbelastung der unter Scherbelastung schmelzbaren Schrauben 9 bewirken können. Das hintere Lager 3 jedoch wird in radialer Anlage an der radial inneren Wand 12 des Trägers 8 gehalten.
Das Spiel J ist dergestalt eingestellt, dass die Welle 1 der Niederdruckturbine nicht an feststehenden oder bewegbaren Elementen des Turbotriebwerks und insbesondere an der Hochdruckwelle reibt, die die Hochdruckturbine mit dem Hochdruckkompressor verbindet, der sich koaxial und außerhalb der Niederdruck-Welle 1 erstreckt und mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit dreht.
Das Spiel J wird beispielsweise auf 4 mm und vorzugsweise auf 3 mm eingestellt, um die Möglichkeit eines Kontakts zwischen den Wellen bei hohen Drehzahlen des Turbotriebwerks stark einzuschränken und die Kräfte bei niedrigen Drehzahlen zu verringern.
Wie in 3 dargestellt, weist der radiale, ringförmige Flansch 11 des Umfangselements 10, der in Wirklichkeit den Außenring des Wälzlagers des zweiten Lagers 3 bildet, als Durchlass für die schmelzbaren Schrauben 9 eine Vielzahl von Bohrungen 20 auf, beispielsweise 12 an der Zahl. Der Flansch 11 weist ferner drei durchgehende Öffnungen 21 auf, die vorzugsweise rund sind und gleichmäßig um die Achse X der Welle verteilt angeordnet sind. Diese Öffnungen 21 sind dazu vorgesehen, mit einem geeigneten Spiel Bolzen 22 aufzunehmen, die in dem ringförmigen Träger 8 verankert sind, wie in 4 gezeigt, um die Drehbewegung des Außenrings 10 im Falle des Sich Ablösens des zweiten Lagers 3 zu verhindern und dabei zu ermöglichen, dass der Außenring 10 an der radial inneren Wand 12 des Trägers 8 in Anlage kommt. Jeder Bolzen 22 weist an seinem freien Ende einen Bolzenkopf 23 auf, der sich in leichter Anlage an der äußeren Vorderseite des ringförmigen Flanschs 11 befindet, um die axiale Verschiebung des zweiten Lagers 3 zu verhindern und dabei den radialen Ausschlag dieses zweiten Lagers 3 zu ermöglichen.
Mit der Bezugszahl 25 wird ein fest mit dem ringförmigen Träger 8 verbundener Zapfen bezeichnet, der sich an der Umfangslinie des Flanschs 11 erstreckt. Vorzugsweise weist der ringförmige Träger 8 drei Zapfen 25 auf, die gleichmäßig auf der Umfangslinie des Flanschs verteilt angeordnet sind und dazu bestimmt sind, den Außenring 10 beim Einbau in der Bohrung 7 zu zentrieren. Diese Zapfen sind dergestalt ausgelegt, dass sie bei einer vorhandenen Unwucht nach dem Abscheren der schmelzbaren Schrauben 9 abgeschert werden.

Claims

Anordnung einer Drehwelle, auf der an einem Ende ein Ausrüstungsteil sitzt und die sich von diesem Ausrüstungsteil nach hinten erstreckt, wobei die Welle (1) von einem ersten Lager (2) hinter dem Ausrüstungsteil und von einem zweiten Lager (3) hinter dem ersten Lager (2) gehalten wird, wobei das erste Lager (2) von einem Gehäuse (4) gehalten wird, das die Welle (1) umgibt und sich hinter dem ersten Lager (2) bis zu einem Statoraufbau (5) erstreckt, an dem das Gehäuse (4) mit Schrauben (6) angeflanscht ist, die parallel zur Welle (1) verlaufen und unter Zug schmelzbar sind, wobei das zweite Lager (3) mit radialem Spiel (J) in einer Bohrung (7) eines mit dem Statoraufbau (5) fest verbundenen, ringförmigen Trägers (8) angeordnet ist und an diesen ringförmigen Träger (8) mit Schrauben (9) angeflanscht ist, die parallel zur Welle (1) verlaufen und unter Scherbeanspruchung schmelzbar sind, wodurch das zweite Lager (3) in der Lage ist, im Falle eines Brechens dieser Schrauben (9) an diesem ringförmigen Träger (8) in Anlage zu kommen, und das zweite Lager (3) einen Außenring (10) aufweist, der einen radialen, ringförmigen Flansch (11) aufweist, der nach außen gerichtet ist und durch die schmelzbaren Schrauben (9) in Anlage an einer Seitenfläche des ringförmigen Trägers (8) gehalten wird, und der Außenring (10) durch mehrere parallel zur Welle (1) verlaufende Zapfen (25) in der Bohrung (7) des ringförmigen Trägers (8) zentriert gehalten wird, wobei diese Zapfen so ausgelegt sind, dass sie beim Sich Ablösen des zweiten Lagers abgeschert werden, und diese Zapfen an dem ringförmigen Träger (8) vorgesehen sind und sich an der Umfangslinie des Flanschs (11) erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Träger (8) drei Zapfen aufweist, die gleichmäßig auf der Umfangslinie des Flanschs verteilt angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verhinderung der Drehbewegung des Außenrings (10) bei einem Sich Ablösen des zweiten Lagers (3) vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verhinderung der Drehbewegung des Außenrings (10) bei einem Sich Ablösen mindestens aus einem Bolzen (22), der in dem ringförmigen Träger (8) verankert ist und mit Spiel durch eine Öffnung (21) in dem Flansch (11) verlaufen, bestehen.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (22) einen Bolzenkopf (23) aufweist, der sich in Anlage an der Außenseite des Flanschs (11) befindet, um ein axiales Verschieben des zweiten Lagers (3) im Falle des Sich Ablösens dieses zweiten Lagers zu verhindern.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei Bolzen (22) aufweist, die gleichmäßig um die Achse der Bohrung (7) verteilt angeordnet sind.