DE60312293T2

DE60312293T2 - Lageranordnung für ein Torsionsrohr

Info

Publication number: DE60312293T2
Application number: DE60312293T
Authority: DE
Inventors: Julius Cincinnati Bathori; Sang Yeng West Chester Park; Mitchell Jay Lebanon Headley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: KR100814169B1; JP4398694B2; EP1428986B1; JP2004190660A; EP1428986A2; DE60312293D1; US20040115040A1; US6821084B2; SG121807A1; KR20040051489A; EP1428986A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Torsionsrohranordnung von verstellbaren Gasturbinentriebwerks-Leitschaufeln und insbesondere eine Torsionsrohranordnung mit verbesserter Lebensdauer des Lagers.
Leitschaufeln mit verstellbarer Neigung werden gewöhnlich in Verdichtern von Gasturbinentriebwerken verwendet. Die Leitschaufeln mit verstellbarer Neigung, oder einfacher verstellbare Statorleitschaufeln, werden in sich axial im Abstand zueinander befindenden Reihen innerhalb eines Verdichtergehäuses eines Triebwerks schwenkbar montiert. Jede der Leitschaufeln ist an einer Spindel drehbar gelagert, wobei sie zur Veränderung der Neigung der Leitschaufel eine sich in Bezug auf eine Triebwerksmittellinie radial erstreckende Achse aufweist. Hebel an den äußeren Enden der Spindel verschwenken gleichzeitig jede Leitschaufel in der Reihe. Die Hebel bilden einen Teil eines Winkelhebelmechanismus, der außerhalb des Verdichtergehäuses montiert ist. Einige Triebwerke beinhalten eine Torsionsrohranordnung, die den Winkelhebelmechanismus mit einem Stellglied einer verstellbaren Statorleitschaufel betriebsmäßig verbindet, das außerhalb eines das Verdichtergehäuse umgebenden Bläserkanals montiert ist. Die Torsionsrohranordnung beinhaltet ein längliches Torsionsrohr, das sich von dem Winkelhebelmechanismus aus durch ein Zugangsloch in dem Bläserkanal hindurch bis zu dem Stellglied erstreckt.
Im Betrieb dreht sich das längliche Torsionsrohr in dem Zugangsloch um eine Längsachse des Rohrs, die sich im Wesentlichen radial bezüglich der Triebwerksmittellinie von dem Winkelhebelmechanismus bis zu dem Stellglied erstreckt. Da das Verdichtergehäuse und der Bläserkanal bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, ändern sich im laufenden Triebwerksbetrieb die relativen axialen Positionen des Verdichtergehäuses und des Bläserkanals. Infolgedessen neigt sich das äußere Ende des Torsionsrohrs nach hinten, wenn sich das Triebwerk während eines Triebwerksbetriebs aufheizt. Somit muss das Torsionsrohr die Freiheit besitzen, sich in dem Zugangsloch zu neigen und zu drehen. Um diese Bewegung zu fördern, ist eine sphärische oder gewölbte Lageranordnung zwischen dem Torsionsrohr und dem Zugangsloch positioniert. Die Lageranordnung beinhaltet ein sphärisches oder gewölbtes Lager, das an dem Torsionsrohr montiert ist, und ein Gehäuse, das zur Aufnahme des über das Zugangsloch an dem Bläserkanal montierten Lagers angepasst ist.
GB 2 038 421 beschreibt ein Turbofan-Triebwerk bei dem der Winkel einer veränderlichen Leitschaufel mit Verschlussklappen in einem Bypasskanal in Abhängigkeit des Winkels von verstellbaren Verdichterleitschaufeln des Triebwerks verändert wird.
US 4 755 104 beschreibt ein Leitschaufelgestänge zur Steuerung einer inneren Komponente eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks.
Einige konventionelle Torsionsrohranordnungen von verstellbaren Statorleitschaufeln weisen Gehäuse auf, die geneigt sind, um im Betrieb dem errechneten Neigungswinkel des Torsionsrohrs zu entsprechen. 1 veranschaulicht einen Querschnitt einer Lageranordnung, die in einer solchen konventionellen Torsionsrohranordnung von verstell baren Statorleitschaufeln verwendet wird. Diese Lageranordnung enthält ein Gehäuse, das um einen Winkel von weniger als ungefähr vier Grad geneigt ist. Während eines stationären Triebwerksbetriebs jedoch neigen sich die Torsionsrohre in einigen Fällen nach hinten um so viel wie dreizehn Grad oder mehr. Die resultierende asymmetrische Belastung, die in der Lageranordnung während des Triebwerksbetriebs auftritt, wenn das Torsionsrohr unter einem Winkel in Bezug auf das Gehäuse angeordnet ist, hat manchmal zu verfrühtem Versagen der Lageranordnung geführt. Demgemäß existiert ein Bedarf nach einer Torsionsrohranordnung mit einem Lager, das sich zuverlässiger verhält und unter derartigen Betriebsbedingungen eine verbesserte Lebensdauer aufweist.
Kurz gesagt, enthält die vorliegende Erfindung ein Gasturbinentriebwerk, wie es in dem beigefügten Anspruch 1 beschrieben ist.
Ausführungsformen der Erfindung sind nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Querschnittssicht einer Lageranordnung nach dem Stand der Technik;
2 ein Ausschnitt eines Gasturbinentriebwerksteils unter Veranschaulichung einer Torsionsrohrlageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, in einer Schnittansicht;
3 eine Querschnittsansicht einer Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Draufsicht auf eine Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile überall in den verschiedenen Aussichten der Zeichnungen.
Bezug nehmend auf die Zeichnung und insbesondere 2 ist eine Torsionsrohranordnung zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Die Anordnung 20 erstreckt sich durch ein Zugangsloch 24 in einem Bläserkanal 26 eines Gasturbinentriebwerks (das allgemein mit 28 gekennzeichnet ist) und verbindet einen (allgemein mit 30 gekennzeichneten) Winkelhebel einer verstellbaren Statorleitschaufel, der innerhalb des Bläserkanals an dem (allgemein mit 32 gekennzeichneten) Stellglied positioniert ist, das außerhalb des Bläserkanals positioniert ist. Die Torsionsrohranordnung 20 überträgt Drehmoment von dem Stellglied 32 zu dem Winkelhebel 30, um die Neigung der Leitschaufeln zu verändern, die mit dem Winkelhebel verbunden sind. Die Leitschaufeln, die allgemein mit 34 gekennzeichnet sind, sind innerhalb eines Verdichtergehäuses 36 des Triebwerks 28 montiert. Die Leitschaufeln 34 leiten Luft, die durch einen Strömungspfad 38 eines Triebwerks 28 innerhalb des Verdichtergehäuses 36 hindurch strömt. Jede der Leitschaufeln 34 beinhaltet eine Spindel 40, die sich durch eine an dem Verdichtergehäuse 36 montierte Buchse 42 hindurch erstreckt. Ein Hebel 44, der einen Teil des Winkelhebels bildet, ist an einem äußeren Ende 46 jeder Spindel 40 montiert. Die Hebel 44 sorgen für die Hebelwirkung zur Verschwenkung der Leitschaufeln 34 um ihre jeweiligen Spindeln 40 herum, um ihre Neigung oder ihren Anstellwinkel in Bezug auf die Luft, die durch den Strömungspfad 38 des Triebwerks 28 strömt, zu verändern.
Wie darüber hinaus in 2 veranschaulicht, weist die Torsionsrohranordnung 20 ein konventionelles längliches Torsionsrohr auf, das allgemein mit 50 gekennzeichnet ist und das ein inneres Ende 52, das zur Verbindung mit dem Winkelhebel der verstellbaren Statorleitschaufel 30 angepasst ist, ein äußeres Ende 54, das zur Verbindung mit dem Stellglied bzw. Aktuator 32 der verstellbaren Leitschaufel eingerichtet ist, und eine virtuelle Längsachse 56 aufweist, die sich zwischen dem inneren und dem äußeren Ende erstreckt. Die Eigenschaften des Torsionsrohrs sind konventioneller Natur und sind nicht im Detail beschrieben. Ein Lager, das allgemein mit 60 gekennzeichnet ist, ist an dem Torsionsrohr montiert. Das Lager 60 weist eine sphärische oder gewölbte äußere Eingriffsfläche 62 und eine innere Bohrung 64 auf, die zur Aufnahme des Torsionsrohrs 50 angepasst ist. Obwohl das Lager 60 an dem Torsionsrohr 50 auf andere Arten montiert werden kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, ist in einer Ausführungsform die innere Bohrung 64 für eine enge Spielpassung mit dem Torsionsrohr bemessen, so dass sich das Lager und das Torsionsrohr als eine Einheit bewegen. Die Torsionsrohranordnung 20 beinhaltet auch ein Gehäuse, das allgemein mit 70 gekennzeichnet ist und das eine ringförmige Innenoberfläche 72 aufweist, die zur drehbaren Aufnahme der gewölbten äußeren Eingriffsoberfläche 62 des Lagers 60 angepasst ist. Wie in 3 veranschaulicht, weist die ringförmige Innenoberfläche 72 einen inneren Rand 74 und einen äußeren Rand 76 auf. Zusammen bilden das Lager 60 und das Gehäuse 70 eine allgemein mit 80 gekennzeichnete Lageranordnung zur Lagerung des Torsionsrohrs 50 in dem Zugangsloch 24 des Bläserkanals 26. Die Lageranordnung 80 ermöglicht dem Torsionsrohr 50, sich um seine Längsachse 56 zu drehen, um, wenn das Triebwerk 28 betrieben wird, die Leitschaufeln 34 zu verschwenken und sie innerhalb des Zugangslochs 24 des Bläserkanals 26 zur Kompensation der Unterschiede bei der Wärmeausdehnung zwischen dem Verdichtergehäuse 36 und dem Bläserkanal 26 zu neigen.
Wie in 3 veranschaulicht, weist das Gehäuse 70 einen Flansch 82 auf, der zur Montage des Gehäuses an dem Bläserkanal 26 angepasst ist, so dass die ringförmige Innenoberfläche 72 des Gehäuses mit dem Zugangsloch 24 in dem Bläserkanal ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform ist der Flansch 82 in einem Stück mit dem Gehäuse 70 ausgebildet. Wie in 4 veranschaulicht, beinhaltet der Flansch 82 mehrere Bohrungen 84 zur Befestigung des Gehäuses 70 an den Bläserkanal 26 mit Bolzen (nicht gezeigt) oder anderen Befestigungsmitteln. Wie in 3 gezeigt, weist das Gehäuse 70 ferner eine ringförmige gefalzte Oberfläche 86 auf, die mit dem Zugangsloch 24 an dem Bläserkanal 26 in Eingriff kommt, wenn der Flansch 82 montiert wird um die Lageranordnung 80 an dem Bläserkanal richtig zu positionieren. In einer Ausführungsform beinhaltet die ringförmige Innenoberfläche 72 des Gehäuses 70 einen ausgesparten Bereich 90 zur Aufnahme des Lagers 60 in dem Gehäuse 70. Der ausgesparte Bereich 90 zeigt nach innen, wenn der Flansch 82 des Gehäuses 70 an dem Bläserkanal 26 montiert ist, so dass das Lager 60 nach außen gegen einen ununterbrochenen Bereich 92 der Innenoberfläche 72 des Gehäuses drückt.
Wie für Fachleute ohne Weiteres verständlich, berühren die sphärische äußere Eingriffsoberfläche 62 des Lagers 60 und die ringförmige Innenoberfläche 72 des Gehäuses 70 einander entlang eines ringförmigen Kontaktbereichs (dessen äußere und innere Grenzen durch gestrichelte Linien 100 gekennzeichnet sind), der mittig auf einer zwischen dem inneren Rand 74 und dem äußeren Rand 76 der Innenoberfläche 72 liegenden Kontaktebene 102 angeordnet ist. Die Kontaktebene 102 ist in Bezug auf den Flansch 82 unter einem Winkel 104 von mehr als fünf Grad geneigt. Diese Anordnung bewirkt, dass sich die Torsionsrohrachse 56 unter einem Winkel 106 (2) von weniger als 85 Grad, gemessen von dem Flansch aus, erstreckt, wenn das Rohr 50 geneigt ist, so dass das Rohr in Bezug auf den inneren und den äußeren Rand 74, 76 der Innenoberfläche 72 des Gehäuses 70 zentriert ist. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel 104, um den die Kontaktebene 102 geneigt wird, mehr als zehn Grad, was einen Winkel 106 von weniger als ungefähr achtzig Grad ergibt. In einer anderen Ausführungsform beträgt der Winkel 104, um den die Kontaktebene 102 geneigt ist, ungefähr dreizehn Grad, was einen Winkel 106 von ungefähr 77 Grad ergibt. In einer noch weiteren Ausführungsform beträgt der Winkel 104 ungefähr 13,08 Grad. Wie für einen Fachmann ohne Weiteres verständlich, ist der Winkel 106 der optimale Winkel, unter dem bei einer Leistungseinstellung für einen stationären Betrieb des Triebwerks das Torsionsrohr 50 das Zugangsloch 24 durchsetzt. Wenn das Triebwerk z.B. ein Flugzeugtriebwerk ist, ist der Winkel 106 der Winkel, unter dem während eines stationären Flugbetriebs des Triebwerks das Torsionsrohr 50 durch das Zugangsloch 24 hindurch ragt. Ferner ist in einer Ausführungsform, während der stationären Leistungseinstellung des Triebwerks 28 das äußere Ende 54 des Torsionsrohrs 50 hinter dem inneren Ende 52 des Torsionsrohrs positioniert. Außerdem kann die Torsionsrohrachse 56 im Wesentlichen radial ausgerichtet sein, wenn das Triebwerk 28 kalt ist, um den Triebwerksaufbau zu verbessern. Fachleute werden verstehen, dass während zumindest einer Dauerleistungseinstellung des Triebwerks 28 (z.B. während eines stationären Flugbetriebs eines Flugzeugtriebwerks) die Winkel 104, 106 zur Folge haben, dass die Torsionsrohrachse 56 sich senkrecht zu dem Außenrand 76 der Innenoberfläche 72 des Gehäuses 70 erstreckt. Diese Anordnung bewirkt auch, dass eine hintere Seite 110 des Gehäuseflansches 82 außerhalb von dem äußeren Rand 76 der Innenoberfläche 72 des Gehäuses 70 positioniert ist, wenn der Flansch an dem Bläserkanal 26 montiert ist, und dass eine vordere Seite 112 des Gehäuseflansches innerhalb von zumindest einem Teil der Innenoberfläche des Gehäuses positioniert ist, wenn der Flansch an dem Bläserkanal montiert ist.
Jede der zuvor beschriebenen Komponenten der Torsionsrohranordnung 20 kann aus Materialien gestaltet sein, die konventionell zur Erzeugung von Torsionsrohranordnungen verwendet werden. Obwohl das Gehäuse 70 aus anderen Materialien hergestellt sein kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, ist in einer Ausführungsform das Gehäuse aus nichtrostendem Stahl hergestellt. Ein Teil der Innenoberfläche 72 des Gehäuses 70 (z.B. der gewölbte Bereich 90 der Innenoberfläche) kann zur Verminderung der Abnutzung mit einer Schutzbeschichtung und/oder einer reibungsreduzierenden Beschichtung überzogen sein. Obwohl das Lager 60 aus anderen Materialien hergestellt sein kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, ist das Lager in einer Ausführungsform aus nichtrostendem Stahl hergestellt.
Wie für Fachleute ohne Weiteres verständlich, arbeitet die Torsionsrohranordnung 20 in herkömmlicher Weise. Wenn das Stellglied 32 ausfährt und einfährt, dreht sich das Torsionsrohr um seine Längsachse 56 innerhalb des Zugangslochs 24 des Bläserkanals 26, um den Winkelhebel 30 anzutreiben und dadurch die Neigung der Statorleitschaufeln 34 innerhalb des Verdichtergehäuses 36 zu verändern. Darüber hinaus ermöglicht die Lageranordnung 80 dem Torsionsrohr, sich zu neigen, um die zwischen dem Verdichtergehäuse 36 und dem Bläserkanal 26 bestehenden Unterschiede hinsichtlich der Wärmeausdehnung auszugleichen. Die Torsionsrohranordnung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung weist während eines Triebwerksbetriebs eine verbesserte Lastverteilung an dem Lager 60 und dem Gehäuse 70 auf. Dies ergibt eine verbesserte Lebensdauer und ein verbessertes Verhalten der Lageranordnung 80, was folglich die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit der Torsionsrohranordnung 20 und des Gasturbinentriebwerks verbessert.
Wenn Elemente der vorliegenden Erfindung oder ihrer Ausführungsform(en) eingeführt worden sind, sollen die Artikel „ein", „eine", „der", „die" und „das" bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Begriffe „enthält", „beinhaltet" oder „aufweist" sind inklusiv gemeint und sollen bedeuten, dass es zusätzliche Elemente außer den aufgezählten Elementen geben kann.

Claims

Gasturbinentriebwerk (28) mit einem Verdichtergehäuse (36) und einer in dem Gasturbinentriebwerk (28) verwendeten Lagerbaugruppe (80) zum drehbaren Montieren eines Torsionsrohres (50) in einem sich durch einen Bläserkanal (26) des Triebwerks (28) erstreckenden Zugangsloch (24), wobei das Torsionsrohr (50) einen im Innern des Bläserkanals (26) positionierten und außerhalb des Verdichtergehäuses (36) montierten Winkelhebel (30) einer verstellbaren Leitschaufel mit einem außerhalb des Bläserkanals (26) positionierten Stellglied (32) verbindet, wobei die Lagerbaugruppe (80) Folgendes umfasst: ein zum Montieren an das Torsionsrohr (50) angepasstes Lager (60) mit einer gewölbten äußeren Eingriffsoberfläche (62); und ein Gehäuse (70), das einen Flansch (82) zum Montieren an dem Bläserkanal (26) neben dem Zugangsloch (24) und eine ringförmige Innenoberfläche (72) mit einem inneren Rand (74) und einem äußeren Rand (76) aufweist, wobei die Innenoberfläche (72) für die drehbare Aufnahme der gewölbten äußeren Eingriffsoberfläche (62) des Lagers (60) dimensioniert und geformt ist, so dass die gewölbte Eingriffsoberfläche (62) und die ringförmige Innenoberfläche (72) einander entlang eines ringförmigen Kontaktbereiches (100) berühren, der mittig auf einer zwischen dem inneren Rand (74) und dem äußeren Rand (76) der Innenoberfläche (72) liegenden Kontaktebene (102) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die Kontaktebene (102) in Bezug auf den Flansch (82) und die Oberfläche des Bläserkanals (26) geneigt ist, an welchem der Flansch (82) unter einem Winkel (104) von mehr als fünf Grad montiert ist, wobei die Lagerbaugruppe (80) ein Neigen des Torsionsrohres (50) gestattet, um während des Triebwerkbetriebs zwischen dem Verdichtergehäuse (36) und dem Bläserkanal (36) bestehende Unterschiede hinsichtlich der Wärmeausdehnung auszugleichen.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 1, wobei der Winkel (104), um den die Kontaktebene (102) geneigt wird, mehr als zehn Grad beträgt.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Innenoberfläche (72) des Gehäuses (70) einen ausgesparten Bereich (90) zum Aufnehmen des Lagers (60) in das Gehäuse (70) aufweist.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (70) eine gefalzte Oberfläche (86) aufweist, um beim Montieren des Flansches (82) an dem Bläserkanal (26) in das Zugangsloch (24) einzugreifen.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 1, wobei ein Bereich des Gehäuseflansches (82) außerhalb der Innenoberfläche (72) des Gehäuses (70) positioniert ist, wenn der Flansch (82) an dem Bläserkanal (26) montiert ist, und ein Bereich des Gehäuseflansches (82) innerhalb der Innenoberfläche (72) des Gehäuses (70) positioniert ist, wenn der Flansch (82) an dem Bläserkanal montiert ist.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 1, wobei die Längsachse (56) des Torsionsrohrs (50) unter einem ge genüber dem Flansch (82) gemessenen Winkel (106) von weniger als 85 Grad verläuft.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 6, wobei der Winkel (106), unter dem die Torsionsrohrachse (56) verläuft, weniger als ungefähr achtzig Grad beträgt.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 1, wobei die Torsionsrohrachse (56) während wenigstens einer gleich bleibenden Leistungsstufe des Triebwerks (28) senkrecht zu dem äußeren Rand der Innenoberfläche (72) des Gehäuses (70) verläuft.
Gasturbinentriebwerk (28) nach Anspruch 3, wobei der ausgesparte Bereich (90) nach innen zeigt, wenn der Flansch (82) des Gehäuses (70) an dem Bläserkanal (26) montiert ist.