DE60316320T2

DE60316320T2 - Integrierte öltransferhülse und lager

Info

Publication number: DE60316320T2
Application number: DE60316320T
Authority: DE
Inventors: Gilles Montreal BEAUVAIS; David St. Basile Le Grand BROUILLET; Pierre Contrecoeur GAUVIN; Alain A. Brossard LEWIS
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: US20040037483A1; CA2494737C; EP1543250A1; US6758598B2; DE60316320D1; WO2004018886A1; CA2494737A1; EP1543250B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Gasturbinenmaschinen-Untersetzungsgetriebe und betrifft im Spezielleren eine Anordnung mit Wälzlager und Öltransferhülse in integrierter Ausbildung zur Verwendung bei einem Gasturbinenmaschinen-Untersetzungsgetriebe.
Hintergrund der Erfindung
Untersetzungsgetriebe von Gasturbinenmaschinen, insbesondere solchen bei propellergetriebenen Kunstflugmaschinen, sind beachtlichen, während des Fluges auftretenden Belastungen ausgesetzt, die zu beträchtlichem Biegen von allen Drehwellen innerhalb des Getriebes führen. Da solche Getriebe Zahnräder enthalten, die sich mit extrem hohen Drehzahlen drehen, ist eine konstante Zufuhr von Öl zum Kühlen und Schmieren der Komponenten erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, rotierenden Zahnrädern Öl über Wege zwischen konzentrischen rotierenden Teilen und inneren Ölzuführhohlräumen im Inneren der Wellen und der Planetenradträger zuzuführen. Diese Ölwege und Hohlräume können aufgrund des durch die Flugbelastung hervorgerufenen Siegens der Komponenten verengt werden, wobei dies zu einem verminderten Ölstrom zu den rotierenden Teilen führt.
Derzeit ist es bekannt, eine Öltransferhülse 52 zu verwenden, die die Verteilung von Öl innerhalb eines Getriebes 50 unterstützt, wie dies in 1 gezeigt ist. Eine derartige Hülse 52 erhält im Allgemeinen Öl von einer äußeren Kammer 54 und sorgt für die Verteilung des Öls zu inneren rotierenden Elementen, wie B. dem Planetenträger 56 und den Planetenrädern 58. Ein Ölfilm kann im Innendurchmesser der Öltransferhülse 52 gebildet werden, so dass z.B. ein Wellenlager zum Abstützen der inneren Drehwelle 60 des Planetenträgers 56 gebildet wird. Die internen Ölzuführräume 62 im Inneren der Welle 60, die durch das Wellen lager abgestützt ist, können durch Biegekräfte verengt werden, so dass sich eine verminderte Ölströmung zu den rotierenden Zahnrädern ergibt.
Weitere bekannte Lageranordnungen sind in der DE 3825456 A und der US 5076766 beschrieben.
Es besteht somit ein Bedarf für ein neuartiges Wellenlagerungselement, das das Biegen der Welle vermindert und die inneren Wellenhohlräume mit Öl versorgt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Lagerelements, das Wellenbiegung in einem Gasturbinentriebwerksgehäuse vermindert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Wälzlageranordnung, die in integraler Weise mit einer Fluidtransferhülse ausgebildet ist, die eine Schmierfluidverteilung vornehmen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung geschaffen, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist.
Vorzugsweise schafft die Anordnung der vorliegenden Erfindung sowohl einen direkten Wälzkontakt als auch eine hydrodynamische Abstützung für die Drehwelle.
Kurzbezeichnung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; darin zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Gasturbinenmaschinen-Planetengetriebes gemäß dem Stand der Technik mit einer Transferhülse;
2 eine Schnittdarstellung eines Gasturbinenmaschinen-Planetengetriebes mit einer Anordnung von Fluidtransferhülse und Wälzlager in integrierter Ausbildung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Perspektivansicht von Fluidtransferhülse und Wälzlager in der integrierten Ausbildung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a eine Schnittdarstellung von Fluidtransferhülse und Wälzlager in der integrierten Ausbildung gemäß 3;
4b eine vergrößerte Schnittdarstellung von Fluidtransferhülse und Wälzlager in der integrierten Ausbildung gemäß 4a bei Anbringung auf einer Welle; und
5 eine vergrößerte, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht der integrierten Anordnung von Fluidtransferhülse und Wälzlager des in 2 gezeigten Planetengetriebes.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Wie allgemein in 2 zu sehen ist, besitzt die erste Untersetzungsstufe eines Gasturbinenmaschinen-Untersetzungsgetriebes 11 mit einem Getriebegehäuse 13 eine drehbare Planetenträgerwelle 20 des Planetenträgers 15, Planetenräder 17, ein zentrales rotierendes Sonnenrad 19 sowie ein äußeres stationäres Hohlrad 29. Eine Fluidtransferhülsenanordnung 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt Lagerelemente 14, die zum Abstützen der Planetenträgerwelle 20 ausgebildet sind, und sorgt für die Verteilung von Schmierfluid zu den Wälzkörpern der Lagerelemente 14 sowie zu anderen rotierenden Teilen des Getriebes, wie z.B. den Planetenrädern.
Wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, besitzt die Fluidtransferhülsenanordnung 10 im Allgemeinen ein äußeres Hülsengehäuse 12, das ein zentrales ringförmiges Fluidplenum 22 bildet, und weist ein an jedem Ende des zylindrischen Hülsengehäuses angeordnetes Lagerelement 14 auf. Die Lagerelemente 14 besitzen keine inneren Lagerringe, und die äußeren Lagerringe 16 sind in integraler Weise mit dem Hülsengehäuse 12 ausgebildet. Bei den Lagerelementen handelt es sich vorzugsweise um Wälzlager, die eine Mehrzahl von zylindrischen Wälzkörpern 18 aufweisen, die dazu ausgebildet sind, in direkten Kontakt mit einer zentral verlaufenden Drehwelle, wie z.B. der Planetenträgerwelle 20, zu treten und diese abzustützen, wie dies bei der Gasturbinenmaschinenanwendung gezeigt ist, die in 4 detaillierter dargestellt ist und im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird.
Das Hülsengehäuse 12 weist eine Mehrzahl von radial verlaufenden Flanschen 30 auf, die umfangsmäßig um das eine Ende des Hülsengehäuses herum angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, die Fluidtransferhülsenanordnung 10 mit einem statischen Gehäuseelement in Eingriff zu bringen.
Wie unter Bezugnahme auf 4a gezeigt ist, besitzt der zentrale, radial zu innerst angeordnete ringförmige Bereich 38 des Hülsengehäuses, der die beiden Wälzlagerelemente 14 trennt und ein axial verlaufendes inneres Band bildet, das radial außenseitig davon partiell das Fluidplenum 22 bildet, eine Mehrzahl von Öffnungen 36, die sich radial durch den ringförmigen Wandbereich 38 hindurch erstrecken. Die Öffnungen 36 sind in den Zeichnungen als kreisförmige Öffnungen dargestellt, jedoch versteht es sich, dass auch Öffnungen mit jeder beliebigen anderen Formgebung in äquivalenter Weise verwendet werden könnten. Zum Sicherstellen einer umfangsmäßig gleichmäßigen Verteilung von Schmierfluid von der stationär angebrachten Fluidtransferhülse zu der inneren Drehwelle weisen die Öffnungen vorzugsweise eine gleichmäßig Beabstandung in Umfangsrichtung auf. Ferner kann die Anzahl von Öffnungen in Abhängigkeit von der Größe jeder Öffnung in äquivalenter Weise variiert werden. Beispielsweise könnte eine größere Anzahl von Öffnungen, die jedoch kleiner ausgebildet sind, verwendet werden und diese könnten in mehreren Reihen oder in einer anderen Konfiguration angeordnet werden, die für die beste Übertragung des Fluids zu der Welle ausgebildet ist. Wenn ein zusätzliches Verbindungselement zum Verbinden der beiden äußeren Lagerelemente 14 verwendet wird, könnte es sich in ähnlicher Weise bei der Mehrzahl der Öffnungen 36 in der Tat auch um einen einzelnen ringförmigen Schlitz handeln, der in dem zentralen Bereich 38 des Hülsengehäuses ausgebildet ist.
Wie am besten in 4b zu sehen ist, gewährleisten die Öffnungen 36 eine ausreichende Fluidströmungsverbindung zwischen dem Fluidplenum 22 und einem ringförmigen Fluidleckagefreiraum 34, der in exakter Weise zwischen der Innenumfangsfläche 26 des zentralen Bereichs 38 des Hülsengehäuses 12 und einer Außenumfangsfläche 21 einer Welle 20 gebildet ist, die sich durch diesen hindurch erstreckt. Der ringförmige Fluidleckagefreiraum 34, der in 4b lediglich zum einfacheren Verständnis übertrieben dargestellt ist, ist als Ergebnis davon gebildet, dass der Innendurchmesser 27 des zentralen Bereichs 38 des Hülsengehäuses geringfügig größer ist als der Außendurchmesser 23 der zentralen Welle 20. Dies eliminiert auch jegliches Risiko, dass das Hülsengehäuse an der Welle reibt, wenn die Lager hohen radial gerichteten Lasten oder Wellenfehlausrichtung standhalten müssen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise ein diametraler Freiraum von ca. 0,003 bis 0,004 inch (0,08 bis 0,1 mm) zwischen der Innenumfangsfläche 26 und der Welle 20 vorhanden, der den Fluidleckagefreiraum 34 bildet. Der innere Freiraum des Lagers, das Spiel zwischen der Welle 20, den Wälzkörpern 18 und dem äußeren ringförmigen Gehäuse 12 beträgt vorzugsweise 0,0005 bis 0,0015 inch (0,01 bis 0,04 mm).
Die Öffnungen 36 stellen sicher, dass Schmierfluid von der Fluidkammer 22 im Allgemeinen unter Druck in den dünnen ringförmigen Leckagefreiraum 34 zugeführt werden kann, so dass ein dünner Fluidfilm um die rotierende Welle im Inneren des zentralen Innenbereichs 38 des Hülsengehäuses erzeugt wird und dadurch ein zentraler hydrodynamisch geschmierter Bereich erzeugt wird, der zwischen den beiden äußeren Direktkontakt-Wälzkörperlagern 14 angeordnet ist, in ähnlicher Weise, wie dies bei einem standardmäßigen Wellenlager der Fall ist.
Der ringförmige Fluidleckagefreiraum ist axial offenendig ausgebildet, so dass kontinuierlich zugeführtes Fluid, das unter Druck axial nach vorne und hinten zugeführt wird, die Wälzkörper 18 der Gleitlager 14 schmiert, so dass der Lagerverschleiß beträchtlich vermindert ist. Der exakte Fluidleckagespalt 34 ist derart dimensioniert, dass ein angemessenes Schmieren der Wälzkörper 18 angrenzend an den zentralen ringförmigen Fluidleckagespalt an beiden Enden der Fluidtransferhülse gewährleistet ist und der Schmierfluiddruck in dem Fluidleckagefreiraum 34 derart aufrechterhalten bleibt, dass das Fluid von der stationären Hülse zu den rotierenden Teilen, wie z. B. der Planetenträgerwelle 20, und somit auch zu anderen rotierenden Elementen des Planetengetriebesystems transferiert wird.
Zwei O-Ringdichtungen 28 sind vorzugsweise teilweise innerhalb der Außenumfangsfläche 24 des Hülsengehäuses 12 beidseits des Fluidplenums 22 vorgesehen. Die Dichtungen 28 stellen sicher, dass Schmierfluid innerhalb des Fluidplenums 22 erhalten bleibt, wenn die Fluidtransferhülsenanordnung in einer Öffnung eines umgebenden Gehäuses angeordnet wird. Die einzigen Dichtungen, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, befinden sich somit lediglich an der Außenumfangsfläche 24 der Fluidtransferhülsenanordnung 10 insgesamt. Es sind keine Dichtungen zum Begrenzen der axialen Fluidleckage von der Lagerhülsenanordnung weg erforderlich, so dass jegliche Dichtungen eliminiert sind, die in kontinuierlichem Kontakt mit dem rotierenden Teil stehen müssen und dadurch übermäßigen vorzeitigen Verschleiß verursachen. Der kontrollierte Spalt des ringförmigen Fluidleckagefreiraums 34 begrenzt an sich das Ausströmen von Schmierfluid.
Wie unter Bezugnahme auf 5 zu sehen ist, besitzt das Gasturbinentriebwerks-Untersetzungsgetriebe 11 die Fluidtransferhülsenanordnung 10, die sich im Inneren des Untersetzungsgetriebegehäuses 13 befindet und in diesem über mit Gewinde versehene Befestigungselemente 32 festgehalten ist, die zum Befestigen der Mehrzahl von Hülsengehäuseflanschen 30 an dem Getriebegehäuse 13 verwendet werden. Dies verhindert jegliche axiale oder rotationsmäßige Bewegung der Fluidtransferhülse. Obwohl eine Mehrzahl von Hülsengehäuseflanschen 30 dargestellt und beschrieben worden ist, könnte ein einziger radial verlaufender Flansch mit in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Öffnungen in äquivalenter Weise verwendet werden. Die mehreren Lagerflansche 30 werden aus Gründen der Gewichtsreduzierung in bevorzugter Weise verwendet. Die Lagerflansche 30 gewährleisten auch eine orthogonale Anordnung der Wälzlagerelemente 14 in Bezug auf das Untersetzungsgetriebegehäuse 13. Die Wälzkörper 18 der Lagerelemente 14 befinden sich in direkter Wälzberührung mit der Außenumfangsfläche 21 der rotierenden Planetenträgerwelle 20, und aus diesem Grund müssen enge Toleranzen des Hülsengehäuses 12 und der Wälzkörper 18 gewährleistet sein. Es müssen geringe maximale innere radiale Freiräume der Wälzlager sowie eine geringe Exzentrizität in Bezug auf das Untersetzungsgetriebegehäuse aufrechterhalten werden, um eine gute Gesamtleistung zu gewährleisten. Die Dicke des Hülsengehäuses 12 angrenzend an die äußeren Lagerringe 16 der Lagerelemente 14 kann ebenfalls derart eingestellt werden, dass ein Erfüllen dieser engen erforderlichen Toleranzen gewährleistet ist. Indem nur ein Satz von Hülsengehäuseflanschen 30 vorhanden ist, der die gesamte integral ausgebildete Fluidtransferhülsen- und Lageranordnung abstützt, ist die Anhäufung von Exzentrizitäten weiter minimiert.
Der Planetenträger 15 weist im Allgemeinen Planetenräder 17 auf, die durch Wellenlager gelagert sind, denen Schmierfluid von dem ringförmigen Fluidleckagefreiraum 34 über interne Fluidpassagen 25 der Planetenwelle zugeführt wird. Eine Mehrzahl von Schlitzen oder Öffnungen 31 in der Welle 20 gestattet die Zufuhr von unter Druck stehendem Schmierfluid in dem ringförmigen Fluidleckagefreiraum 34 in die internen Passagen 25. Wie bei üblichen Planetengetriebezügen, die bei Gasturbinenmaschinen verwendet werden, werden die von dem Planetenträger 15 abgestützten Planetenräder 17 durch ein zentrales Sonnenrad 19 angetrieben, wobei sie in einem radial äußeren stationären Hohlrad 29 umlaufen, wodurch der Planetenträger 15 rotationsmäßig bewegt wird, dessen Welle 20 durch die Wälzlagerelemente 14 abgestützt ist, die in integraler Weise in der Fluidtransferhülsenanordnung 10 ausgebildet sind.

Claims

Anordnung mit einer integrierten Wälzlager- und Fluidtransferhülse (10) und mit einer drehbaren Welle (20), wobei die integrierte Wälzlager- und Fluidtransferhülse (10) zum Abstützen sowie zum Übertragen von Fluid zu der Welle (20) in einem Gasturbinenmaschinen-Untersetzungsgetriebe (11) ausgebildet ist, wobei die Anordnung Folgendes aufweist: eine Fluidtransferhülse mit einem Hülsengehäuse (12), in dem ein ringförmiges Fluidplenum (22) gebildet ist, das radial nach außen offen ist; und wenigstens zwei voneinander beabstandete Wälzlageranordnungen (14), von denen jede einen ringförmigen äußeren Lagerring (16) aufweist, der in integraler Weise mit dem Hülsengehäuse (12) ausgebildet ist, und von denen jede eine Mehrzahl von Wälzkörpern (18) aufweist, die durch den äußeren Lagerring abgestützt sind, wobei jede Wälzlageranordnung (14) innerhalb des Hülsengehäuses (12) angeordnet ist, und zwar je eine an einem der entgegengesetzten Enden von diesem; wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mehrzahl der Wälzkörper (18) in jeder Wälzlageranordnung einen ersten Innendurchmesser (23) bildet, der im Wesentlichen gleich einem Außendurchmesser (23) der von den Wälzkörperanordnungen (14) gelagerten Welle (20) ist; dass das Hülsengehäuse (12) eine sich axial erstreckende Innenumfangsfläche (26) zwischen den Wälzlageranordnungen (14) aufweist und einen zweiten Innendurchmesser (27) bildet, der größer ist als der erste Innendurchmesser (23), so dass ein ringförmiger Fluidleckagefreiraum (34) zwischen der Innenumfangsfläche (26) des Hülsengehäuses (12) und einer Außenumfangsfläche (21) der Welle (20) gebildet ist; und dass mindestens eine Öffnung (36) in dem Hülsengehäuse (12) gebildet ist, die eine Fluidströmung von dem ringförmigen Fluidplenum (22) zu dem Fluidleckagefreiraum (34) ermöglicht, so dass Fluid in dem Fluidleckagefreiraum (34) zu den Wälzkörpern (18) der Wälzlageranordnungen (14) und zu der Welle (20) transferiert werden kann.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Fluidtransferhülse Kühl- und Schmierfluid zu rotierenden Elementen des Getriebes (11) transferiert.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Getriebe (11) ein Planetengetriebe ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Welle (20) eine Erststufen-Planetenträgerwelle des Planetengetriebes ist.
Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei ein radial verlaufender Lagerflansch (30), der für die Befestigung an einem statischen Außengehäuse (13) ausgebildet ist, von dem Hülsengehäuse (12) wegragt, so dass die Fluidtransferhülse in dem Außengehäuse (13) axial festgelegt ist und in Bezug auf die Welle (20) rechtwinklig positioniert ist.
Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei Dichtungen (28) auf einer Außenumfangsfläche (24) des Hülsengehäuses (12) vorgesehen sind, die beidseits des ringförmigen Fluidplenums (22) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei es sich bei den Dichtungen (28) um O-Ringe handelt.