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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Endung bezieht sich
allgemein auf den Entwurf und Bau einer magnetischen Axiallageranordnung
zum Tragen einer drehbaren Welle bei axial wirkenden Kräften innerhalb
eines rotierenden Hochgeschwindigkeitsapparates.
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Ein Beispiel eines Gasturbinenmotors,
der ein magnetisches Axiallager umfaßt, um die Axiallast einer
rotierenden Welle auszugleichen, und der die Merkmale des vorkennzeichnenden
Bereichs des Patentanspruchs 1 hat, ist in dem UK-Patent GB 2298901
beschrieben.
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Es ist gut bekannt, daß in einem
Gasturbinenmotor ein Kompressor und eine Turbine integriert sind,
die Komponenten haben, die mit extrem hohen Geschwindigkeiten in
einer Hochtemperaturumgebung rotieren. Eine Komponente ist dabei
eine Rotorscheibe, die eine Reihe von Luftflügeln trägt, die verwendet werden, um
die Gasströmung
in dem Motor zu beeinflussen. Die rotierenden Komponenten wirken
gewöhnlich
mit einer drehbaren Welle zusammen und werden von Radial- und Axiallagern
getragen, die signifikanten dynamischen und statischen Belastungen
in einer aggressiven Umgebung widerstehen müssen. Während des Betriebs des Gasturbinenmotors
werden die Lager Kräften
unterworfen, die umfassen: Stoßbelastungen
- wie bei Landungen; Manöverbelastungen
- die mit einer plötzlichen Änderung
der Richtung verbunden sind, und Zentrifugalkräfte, die mit den rotierenden
Komponenten verbunden sind.
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Da die Motorenkonstrukteure den Wirkungsgrad
und die Ausgangsleistung von Gasturbinenmotoren weiter erhöhen, ist
die Verwendung von magnetischen Lagern zum Tragen und Steuern des
Rotors und der drehbaren Welle wünschenswert.
Die Integration von magnetischen Lagern in den Motor würde ermöglichen,
daß die
Rotorwelle von magnetischen Kräften
getragen wird, und Reibungskräfte,
zusammen mit mechanischer Abnutzung, und das Schmiersystem wegfallen.
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Ein magnetisches Axiallager umfaßt ein Magnetfeld
und eine drehbare Schubscheibe, auf die das Magnetfeld wirkt. Die
Verwendung von magnetischen Lagern bei Fluggewicht-Gasturbinenmotoren erfordert
eine Kompaktheit des Lagerentwurfs, die letzten Endes ein geringeres
Gewicht bedeutet. Die bisherigen Konstrukteure von Gasturbinenmotoren haben
Materialien für
die rotierende Schubscheibe verwendet, bei denen sich ein Verlust
von mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen ergibt. Dieser
Verlust von mechanischen Eigenschaften begrenzt die maximale Rotationsgeschwindigkeit,
bei der die Schubrotorscheibe betrieben werden kann, wodurch die
maximale Rotationsgeschwindigkeit der Motorkomponenten tatsächlich begrenzt
wird.
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Obwohl die bisherigen Techniken,
bei denen magnetische Axiallager verwendet werden, Schritte in die
richtige Richtung sind, besteht weiterhin ein Bedürfnis nach
zusätzlichen
Verbesserungen. Die vorliegende Erfindung befriedigt dieses Bedürfnis auf eine
neuartige und nicht offensichtliche Weise.
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Gemäß der vorliegenden Endung wird
ein Gasturbinenmotor verwirklicht, aufweisend einen innerhalb des
Motors gelegenen, magnetischen Axiallagenotor, wobei der magnetische
Axiallagenotor ein drehbares, magnetisch anziehbares Element aufweist,
und gekennzeichnet durch einen Verbundring mit hoher Festigkeit,
der in der Umfangsrichtung um das magnetisch anziehbare Element
positioniert ist, um nicht-magnetischen Kräften zu widerstehen, die auf
das magnetisch anziehbare Element einwirken.
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Verwandte Ziele und Vorteile der
vorliegenden Endung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die 1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs, an das ein Gasturbinenmotor
angekoppelt ist.
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Die 2 ist
eine vergrößerte Seitenansicht des
Gasturbinenmotors der 1.
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Die 3a ist
eine Meridianebenen-Schnittansicht des Kompressors, die einen Bereich
des Gasturbinenmotors der 2 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Die 3b ist
eine Meridianebenen-Schnittansicht des Kompressors, die einen Bereich
des Gasturbinenmotors der 2 gemäß einer
weiteren Form der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Die 4 ist
eine veranschaulichende Ansicht einer Turbine, die einen Bereich
des Gasturbinenmotors der 2 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Die 5 ist
eine vergrößerte partielle Schnittansicht
des magnetischen Axiallagerrotors der 3a.
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Die 6 ist
eine vergrößerte partielle Schnittansicht
einer alternativen Ausführungsform des
magnetischen Axiallagerrotors der vorliegenden Endung.
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Die 7 ist
eine vergrößerte seitliche Schnittansicht
des Hilfsaxiallagers, die einen Bereich des Lagersystems der 3a aufweist.
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Die 7a ist
eine seitliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform
des Hilfsaxiallagers.
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Die 8 ist
eine vergrößerte seitliche Schnittansicht
des Hilfsradiallagers, die einen Bereich des Lagersystems der 3a aufweist.
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Die 9 ist
eine veranschaulichende Stirnansicht, die die nachgiebigen Verbindungselemente wiedergibt,
die die Hilfslager zwischen der Rotorwelle und dem Motorgehäuse positionieren.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Um das Verständnis der Prinzipien der Endung
zu erleichtern, wird nun auf die in den Zeichnungen veranschaulichte
Ausführungsform
Bezug genommen, und es wird eine spezifische Sprache verwendet,
um diese Ausführungsform
zu beschreiben. Es gilt jedoch als vereinbart, daß dadurch
keine Begrenzung des Geltungsbereichs der Erfindung beabsichtigt
ist, wobei solche Veränderungen
und weitere Modifikationen bei der dargestellten Vorrichtung, und solche
weiteren Anwendungen der hier veranschaulichten Prinzipien der Erfindung
als normale Ereignisse bei einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das
sich die Erfindung bezieht, angesehen werden.
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In den 1 und 2, auf die nun Bezug genommen
wird, ist ein Flugzeug 10 dargestellt, das einen Flugzeug-Flugantriebsmotor 11 hat.
Dabei gilt als vereinbart, daß ein
Flugzeug ein Oberbegriff sein soll, der Hubschrauber, Erdkampfflugzeuge,
Schulflugzeuge, Fernlenkgeschosse und andere verwandte Apparate
umfaßt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
definiert der Flugantriebsmotor 11 einen Gasturbinenmotor,
bei dem ein Kompressor 12, ein Combustor 13 und
eine Leistungsturbine 14 integriert sind. Gasturbinenmotoren
sind eine Form von Hochgeschwindigkeits-Rotationsmaschinen. Bei
der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise die Turbine eine Rotationsgeschwindigkeit
von mehr als zwölftausend
Umdrehungen pro Minute, und der Kompressor eine Rotationsgeschwindigkeit
von mehr als zwölftausend
Umdrehungen pro Minute. Hier werden jedoch andere Rotationsgeschwindigkeiten
in Erwägung
gezogen. Es ist wichtig, zu erkennen, daß es eine Vielzahl von Möglichkeiten
gibt, um die Komponenten miteinander zu verbinden. Zusätzliche
Kompressoren und Turbinen könnten
hinzugefügt
werden, mit Zwischenkühlern
zwischen den Kompressoren, und Wiedererhitzungs-Verbrennungskammern könnten zwischen
den Turbinen hinzugefügt
werden. Weiterhin sind Gasturbinenmotoren ebenfalls für industrielle
Anwendungen geeignet. Historisch gesehen gibt es häufige Anwendungen
von industriellen Gasturbinenmotoren, wie Pumpanlagen für Gas- und Ölübertragungsleitungen,
Stromerzeugung und Schiffsantrieb.
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In der 3a,
auf die nun Bezug genommen wird, ist der Axialströmungskompressor 12 veranschaulicht,
der ein mechanisches Gehäuse 15 und eine
Vielzahl von Luftflügel
(Schaufel)-Reihen hat, die auf einer drehbaren zentralen Welle 16 fest
angebracht sind, um ein Fluid unter Druck zu setzen. Die Reihen
von Luftflügeln 19 umfassen
eine Spitze 19a, die in einem gewissen radialen Abstand
von dem Gehäuse 15 gehalten
wird, um einen Zwischenraum dazwischen zu haben. Die Luftflügel 19 sind
dabei mit einem Rotor 22 fest gekoppelt, der sich relativ
zu dem Gehäuse 15 dreht,
wenn die Welle 16 durch die Kraft der Turbine 14 gedreht
wird. Eine Vielzahl von entsprechenden stationären Luftflügelreihen 20 (Statoren)
ist mit dem Kompressorgehäuse 15 gekoppelt. Die
Strömung
von kompressiblem Fluid durch einen Durchgang 21 in dem
Kompressorgehäuse 15 wird von
den Reihen von Luftflügeln
beeinflußt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist das kompressible Fluid Luft. Die Flügelreihen sind dabei im allgemeinen
so entworfen, daß sie
sich als Diffusoren verhalten, mit einer entsprechenden Zunahme
des statischen Drucks von dem stromaufwärts gelegenen Gebiet bis zu
dem stromabwärts
gelegenen Gebiet.
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Die zentrale Welle 16 wird
dabei normalerweise von einem aktiven elektromagnetischen Lagersystem
getragen. In der 4,
auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Schema einer Turbine wiedergegeben,
die eine drehbare Welle hat, die getragen wird von einem magnetischen
Lagersystem und einem Hilfslagersystem, das im wesentlichen identisch mit
dem für
den Kompressor in der 3a wiedergegebenen
System ist. Es gibt als vereinbart, daß die hier wiedergegebenen
Lagersysteme für
sowohl Turbinen, als auch Kompressoren in dem Gasturbinenmotor in
gleicher Weise verwendbar sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist das magnetische Lagersystem ein Fünfachsensystem. Die Verwendung von
magnetischen Lagern anstelle von herkömmlichen Ölschmierungslagern ermöglicht,
das Motorschmierungssystem wegzulassen, was eine wesentliche Systemgewichtsreduzierung,
reduzierte Wirbelstromverluste, eine Vereinfachung des Motorentwurfs
und infolge Wegfalls der Lagerabnutzung eine verbesserte Motorzuverlässigkeit
zur Folge hat. Weiterhin ist die Verwendung von magnetischen Lagern anstelle
von herkömmlichen Ölschmierungslagern gut
für die
Umwelt, da die Handhabung, die Lagerung und die Beseitigung von
synthetischen Ölen
wegfallen.
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Ein magnetisches Lagersystem kann
als ein integrierter Aktuator für
ein Hochgeschwindigkeitsteil einer Turbomaschinenanlage dienen.
Eine von solchen Anwendungen ergibt sich bei einem Kompressor, bei
dem der Aktuator verwendet wird, um eine aktive Kompressorstabilitätssteuerung
und eine aktive Kompressorspitzen-Zwischenraumsteuerung zu erhalten,
und außerdem
für die
aktive Steuerung der dynamischen Rotorinstabilitäten mittels einer Dämpfung verwendet
wird. Magnetische Lagersysteme sind gut geeignet für die Anwendung
dieser aktiven Steuertechniken zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit und
Betriebsfähigkeit
bei Gasturbinenmotoren, wie in GB-A-2298901 beschrieben ist.
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Bei einer Form der vorliegenden Erfindung umfaßt das magnetische
Lagersystem ein erstes aktives magnetisches Radiallager 25,
das an einem Ende der Welle 16 angeordnet ist, und ein
zweites magnetisches Radiallager 27, das an dem anderen Ende
der Welle 16 angeordnet ist. Die magnetischen Lager der
vorliegenden Erfindung sind aktive elektromagnetische Lager. Ein
aktives elektromagnetisches Axiallager 26 ist so angeordnet,
daß es
auf die Welle 16 wirkt und der axialen Schubbelastung entgegenwirkt.
Das aktive elektromagnetische Axiallager 26 umfaßt einen
mit der Welle 16 gekoppelten, hybriden Hochgeschwindigkeits-Hochtemperatur-Schubscheibenrotor 26a und
einen mit dem mechanischen Gehäuse 15 gekoppelten
Stator 26b. Der hybride Schubscheibenrotor 26a ist
dabei in einem gewissen axialen Abstand von dem Rotor 22 angeordnet.
Der Stator umfaßt
einen Metallkern und eine mit einer Stromversorgung verbundene Drahtwicklung.
Wenn das elektromagnetische Axiallager 26 eingeschaltet wird,
ruft die Stromversorgung einen Strom in der Wicklung hervor, der
das Magnetfeld erzeugt, das wiederum den Schubscheibenrotor 26a erfaßt. Die aktiven
elektromagnetischen Lager 25, 26 und 27 haben
die Fähigkeit,
sich an eine Änderung
der Anforderungen für
das Rotorsystem anzupassen, die Motorbedingungen zu diagnostizieren,
den Flügelspitzen-Zwischenraum
zu minimieren, und weiter die Stabilitätssteuerung auszuführen. Die
elektromagnetischen Lager 25, 26 und 27 sind
mit einem Controller 200 verbunden, der die Funktionalität hat, die
notwendig ist, um die magnetischen Lager zu steuern.
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In der 5,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Schnittansicht der bevorzugten
Ausführungsform
des mit der drehbaren Welle 16 gekoppelten, elektromagnetischen
Schubscheibenrotors 26a wiedergegeben. Der elektromagnetische
Schubscheibenrotor 26a ist dabei ein im wesentlichen ringförmiges Ringelement,
das auf die Welle 16 aufgepreßt ist. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
ist dabei der elektromagnetische Schubscheibenrotor symmetrisch
zu der axialen Mittellinie X. Der elektromagnetische Schubscheibenrotor 26a hat
dabei zwei Bereiche, die aus verschiedenen Materialien gebildet sind:
einem magnetisch ansprechenden/anziehenden Bereich 500,
und einem hochfesten Tragbereich 501. Wenn der magnetisch
ansprechende Bereich 500 dem Magnetfeld unterworfen wird,
wird er zu dem Stator 26b hin angezogen. Der hochfeste
Tragbereich 501 gibt dabei der Rotorscheibe 26a die
mechanische Festigkeit, damit sie den auf die Scheibe 26a einwirkenden,
nicht-magnetischen Kräften
wiedersteht. Weiterhin ist dabei der hochfeste Tragbereich 501 aus
einem Material gebildet, das eine geringere magnetische Permeabilität als der
magnetisch ansprechende/anziehbare Bereich 500 hat.
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Der hochfeste Tragbereich 501 besteht
aus einem Verbundmaterial, genauer gesagt, einem Materialsystem
mit einer hohen spezifischen Festigkeit. Bei einer noch mehr bevorzugten
Ausführungsform ist
der hochfeste Tragbereich 501 ein Metall-Matrixverbundstoff
(MMV) mit hoher spezifischer Festigkeit, der eine Vielzahl von Fasern 502 aufweist,
die sich in der Umfangsrichtung um den hochfesten Tragbereich erstrecken.
Es gilt als vereinbart, daß die
Menge, die Größe und der
Abstand der hier wiedergegebenen Fasern 502 nur zur Veranschaulichung
dienen, und keine Begrenzung für
die Menge, die Größe oder
den Abstand der Fasern darstellen sollen. Die sich in der Unfangsrichtung
erstreckenden Fasern 502 sind sowohl in der axialen, als
auch der radialen Richtung in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet.
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Bei einer am meisten bevorzugten
Ausführungsform
bestehen die Fasern 502 aus einer Siliziumkarbidzusammensetzung,
und sie werden durch eine Titanlegierung 503 zusammengehalten.
Weiterhin bildet die Titanlegierung 503 eine äußere Bedeckung
für die
Siliziumkarbidfasern 502 und die Titanlegierung, die den
hochfesten Tragbereich 501 aufweist.
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Um den hochfesten Tragbereich 501 herzustellen,
wird eine Vielzahl von sich in der Umfangsrichtung erstreckenden
Siliziumkarbidfasern 502 angeordnet, die durch eine Titanlegierungsfolie
getrennt sind. Das Netz aus Siliziurnkarbidfasern 502 und
Titanlegierungsfolie wird dann isostatisch heißgepreßt, um den hochfesten Tragbereich 501 herzustellen.
Der hochfeste Metall-Matrixverbundstoff-Tragbereich 501 ist dabei äußerst widerstandsfähig gegen
Druckbelastungen und die damit verbundene Druckspannung. Es gilt
als vereinbart, daß der Prozeß zum Herstellen
eines Metall-Matrixverbundstoff-Teils
Fachleuten auf diesem Gebiet im allgemeinen gut bekannt ist. Weiterhin
ist bei alternativen Formen der vorliegenden Erfindung der hochfeste
Tragbereich 501 aus anderen Materialsystem mit hoher spezifischer
Festigkeit gebaut, die organische Matrixverbundstoffe (OMV)
und Keramik-Matrixverbundstoffe
(KMV) einschließen.
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Der hochfeste Tragbereich 501 ist
dabei mit der Umfangsoberfläche 506 des
magnetisch ansprechenden/anziehbaren Bereichs 500 verbunden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist der hochfeste Tragbereich 501 auf den magnetisch ansprechenden/anziehbaren
Bereich 500 aufgepreßt.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient
für den
Metall-Matrixverbundstoff liegt in dem Bereich von ungefähr 2,22-3,33 × 10–6 cm/cm
pro Grad Celsius (4–6 × 10–6 in/in
pro Grad Fahrenheit).
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Der magnetisch ansprechende/anziehbare Bereich 500 ist
dabei aus einem stark magnetisch ansprechenden/anziehbaren Material
gebildet. Genauer gesagt, das für
den magnetisch ansprechenden Bereich verwendete Material ist ein
magnetisches Material mit hoher Permeabilität. Bei der am meisten bevorzugten
Ausführungsform
ist das Material ein unter der Handelsbezeichnung HIPERCO 27 verkauftes
Kobalt-Eisen. Das Material hat dabei einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von ungefähr
3,33 × 10–6 cm/cm
pro Grad Celsius (6,0 × 10–6 in/in
pro Grad Fahrenheit). Es gilt als vereinbart, daß andere Materialien hier in
Erwägung
gezogen werden, sofern sie ähnliche
Eigenschaften wie das obige Material, wie gute magnetische Eigenschaften
bei hohen Temperaturen haben.
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Bei einer Form der vorliegenden Erfindung bildet
dabei der magnetisch ansprechende Bereich 500 eine einheitliche
feste Scheibe, die eine axiale Breite hat, die der axialen Breite
des hochfesten Tragbereichs 501 entspricht. Die nicht-magnetischen Kräfte, die
auf den ansprechenden Bereich 500 wirken, werden auf den
hochfesten Tragbereich 501 übertragen, so daß er druckbelastet
wird. Weiterhin ist dabei die Scheibe 26a bei gleichbleibenden
Temperaturen von bis zu ungefähr
650 Grad Celsius (1200 Grad Fahrenheit) betriebsfähig. Bei
einer alternativen Form der vorliegenden Erfindung ist dabei der
magnetisch ansprechende Bereich eine laminierte Struktur.
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In der 6,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine alternative Ausführungsform
der Magnetlager-Schubscheibe 600 wiedergegeben. Die Scheibe 600 ist
dabei im wesentlichen der Rotorscheibe 26a ähnlich,
wobei sich die hauptsächlichen Unterschiede
auf geometrische Unterschiede beziehen. Die Magnetlager-Schubscheibe 600 hat
dabei einen magnetisch ansprechenden/anziehbaren Bereich 601 und
einen hochfesten Bereich 602. Weiterhin ist dabei der hochfeste
Bereich 602 ein ringförmiger
Ring, der um den Umfang des magnetisch ansprechenden/anziehbaren
Bereichs 601 herum angebracht ist. Es gilt als vereinbart,
daß andere
geometrische Konfigurationen hier in Erwägung gezogen werden, sofern
die zwischen den aneinanderstoßenden
Bereichen übertragene
Last im wesentlichen eine Druckkraft ist.
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Jedes der aktiven elektromagnetischen
Radiallager 25 und 27 umfaßt einen Stator 25a, 27a und einen
Rotor 25b, 27b. Der nominale Zwischenraum (Luftspalt)
zwischen dem Stator und dem Rotor der magnetischen Radiallager liegt
in dem Bereich von ungefähr
0,254–0,305
mm (0,010–0,012
inches). Es gilt jedoch als vereinbart, daß dieser Zwischenraum zwischen
dem Rotor und dem Stator der magnetischen Radiallager sich ändert, wenn
die magnetischen Lager ausfallen oder wenn sich eine Spitzenbelastung
ergibt. Weiterhin treten die Luftspaltänderungen auch während der
aktiven Regelung des Magnetlagersystems auf.
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Bei einer Ausführungsform beträgt die maximale
statische Last, die jedes der magnetischen Radiallager 25 und 27 tragen
kann, ungefähr 500 Pfund. Zusätzlich beträgt die maximale
dynamische Last, die jedes der magnetischen Radiallager 25 und 27 tragen
kann, ungefähr
500 Pfund. Es gilt als vereinbart, daß andere Lagertraglasten hier
in Erwägung gezogen
werden; diese Lasten sind dabei von dem für die Lager verfügbaren Raum,
der Lagergröße, dem
Lagermaterial und anderen Eigenschaften des Lagers abhängig.
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Flugzeug-Gasturbinenmotoren werden
einem großen
Bereich von dynamischen und statischen Belastungen unterworfen.
Einige dieser Lasten, besonders Manövrier- und Landelasten, können ziemlich
schwer sein, und in der Größe bis zu
der ungefähr
zwanzigfachen Erdanziehungskraft reichen. Bei einer Ausführungsform
wird ein leichtes Hochtemperatur-Kombinationslager verwendet, um
die auf die Welle 16 wirkende Last zu teilen. Die Hilfslagereinheiten 30 und 31 laufen
mit der Wellengeschwindigkeit der jeweiligen Komponente des Gasturbinenmotors,
und sie teilen die Last mit dem Magnetlagersystem, wenn erforderlich.
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In der 7,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine vergrößerte seitliche Schnittansicht
der Hilfslagereinheit 30 wiedergegeben, die ein mit einem
trockenen Feststoff geschmiertes Lager vom Rollelementtyp ist. Andere
Schmiersysteme werden hier jedoch auch in Erwägung gezogen. Das Lager 33 weist
einen Bereich der Lagereinheit 30 auf und hat einen mit
dem Gehäuse 15 gekoppelten, äußeren Laufring 32,
und ist bei einer Ausführungsform
ein Kugellager. Der innere Laufring 34 des Lagers 33 ist dabei
mit der drehbaren Welle 16 gekoppelt. Ein nachgiebiges
Verbindungselement 35 koppelt den äußeren Laufring 32 mit
dem Gehäuse 15,
und ein zweites nachgiebiges Verbindungselement 36 koppelt
den inneren Laufring 34 mit der Welle 16. Die nachgiebigen
Verbindungselemente 35 und 36 dienen zur weichen
Anbringung des Lagers 33 der Hilfslagereinheit 30 zwischen
der drehbaren Welle 16 und dem Gehäuse 15. Die leichte
Belastung des äußeren Laufrings
des Lagen 33 ermöglicht,
daß der
innere Laufring 34 und die Vielzahl von rollenden Kugeln sich
mir der Rotorwelle 16 kontinuierlich drehen.
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Die nachgiebigen Verbindungselemente 35 und 36 sind
elastisch genug, um zu ermöglichen,
daß die
Welle 16 ihr eigenes dynamisches Zentrum sucht, aber steif
genug, um die radiale und axiale Bewegung der Welle zu begrenzen.
Die nachgiebigen Verbindungselemente 35a geben jeweils
eine leichte Vorlast auf die Welle, und bei einer Ausführungsform beträgt die Vorlast
ungefähr 50 Pfund.
Die nachgiebigen Verbindungselemente 35a sind Federn, die
eine Federkonstante von ungefähr
8750 N/cm (5000 lbs/in) haben. Es gilt als vereinbart, daß die Lagervorlast
auf der Welle wie erforderlich eingestellt werden kann, um die Rotordynamik
des Systems abzustimmen.
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In der 9,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Stirnansicht einer Ausführungsform
des Lagers 33 wiedergegeben, das zwischen der drehbaren
Welle 16 und dem mechanischen Gehäuse 15 weich angebracht
ist. Die nachgiebigen Verbindungselemente 35 und 36 sind
Federn, genauer gesagt, das nachgiebige Verbindungselement 35 ist
eine Blattfeder, und das nachgiebige Verbindungselement 36 ist
eine kontinuierliche Feder. Bei einer Form beträgt die Federkonstante für das nachgiebige
Verbindungselement 35 ungefähr 175000 N/cm (100000 lbs/in),
und für
das nachgiebige Verbindungselement 36 ungefähr 87500
N/cm (50000 lbs/in). Es gilt als vereinbart, daß die nachgiebigen Verbindungselemente
hier nicht auf Federn begrenzt sein sollen, und daß die geeigneten
Federkonstanten von den Parametern des speziellen Systems abhängig sind.
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Die weiche Anbringung des Lagers 33 zwischen
dem Gehäuse 15 und
der Welle 16 ermöglicht einen
im wesentlichen stabilen Übergang
von der völlig
magnetischen Lagerung der Rotorwelle 16 nach einer physisch
berührenden,
mechanisch unterstützten
Lagerung der Welle. Die Hilfslagereinheit 30 teilt dabei
die Last mit den magnetischen Kräften
des magnetischen Lagers, um die Welle 16 zu tragen. Während die
Welle 16 normalerweise durch die Magnetkraft des Magnetlagers
getragen wird und um ihre Mittellinie rotiert, geben die Hilfslagereinheiten 30 und 31 eine
leichte Last auf die Welle, und sie rotieren mit der Wellengeschwindigkeit.
Bei dem Ausfall eines Magnetlagers und/oder dem Beginn eines Manövers oder
einer anderen Tätigkeit,
die eine Spitzenlast erzeugt, teilen sich die Hilfslagereinheiten 30 und 31 die
auf die Welle 16 einwirkende Last. Weiterhin ergeben die
Hilfslagereinheiten eine statische Lagerung für die Welle 16, wenn
die Welle stationär
ist.
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Bei der radialen Verschiebung der
Welle 16 um ungefähr
fünf bis
sieben Tausendstel eines Zolls erreicht das nachgiebige Verbindungselement 35 den
tiefsten Punkt, und der äußere Laufring 32 wird mit
dem Gehäuse 15 hart
gekoppelt. Die Kompression des nachgiebigen Verbindungselements 35 ermöglicht die
kontinuierliche Übertragung
der Lagerung von dem Magnetlagersystem auf die Hilfslagereinheiten 30 und 31,
und wenn erforderlich tragen die Hilfslagereinheiten die ganze Wellenlast,
um den Flug zu Ende führen
zu können.
Die weiche Kopplung der Hilfseinheiten 30 und 31 mit
der Welle 16 ermöglicht
die Aufnahme der beträchtlichen
Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Welle 16 und dem inneren Laufringen.
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Bei einer Ausführungsform umfaßt die Hilfslagereinheit 30 zwei
Winkelkontakt-Kugellager 33 und 37. Das zweite
Kugellager 37 ist dabei im wesentlichen auf die gleiche
Weise wie das erste Kugellager 33 angebracht. Es gilt als
vereinbart, daß die zwei
Kugellager 33 und 37 im wesentlichen identisch sind,
und hier werden gleiche Kennziffern verwendet, um gleiche Elemente
zu bezeichnen. Das zweite Kugellager 37 ist dabei bei seinem
inneren Laufring 34 über
ein nachgiebiges Verbindungselement 36 auf der Welle 16 angebracht,
und sein äußerer Laufring 32 ist über ein
nachgiebiges Verbindungselement 35 mit dem Gehäuse 15 gekoppelt.
Eines der Kugellager hat dabei einen großen Kontaktwinkel, um auf die größere Schublast
zu reagieren, und das andere Lager hat einen kleinen Kontaktwinkel,
um auf umgekehrte Schublasten und entsprechende radiale Lasten zu
reagieren. Die Hilfslagereinheit 30 nimmt die Vorbelastung
auf und begrenzt die axiale und radiale Bewegung der Welle 16,
um einen Kontakt mit dem Magneüagersystem
zu verhindern.
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In der 7a,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine alternative Ausführungsform 130 der Hilfslagereinheit
wiedergegeben. Die Hilfslagereinheit 130 ist entworfen
und gebaut, um eine Hilfsaxiallagerung und eine Hilfsradiallagerung
für die
Welle 16 zu erhalten. Die Hilfslagereinheit 130 ist
im wesentlichen ähnlich
gebaut wie die Hilfslagereinheit 30, aber umfaßt nur ein
Rollagerelement vom Kugeltyp. Das Lagerelement 133 ist
dabei ein Element vom Kugeltyp, bei dem die Kugeln zwischen einem
inneren Laufring 135 und einem äußeren Laufring 134 rollten.
Die Hilfslagereinheit 130 ist dabei auf der Welle 16 und
dem Gehäuse 15 weich
angebracht, im wesentlichen die gleiche Weise wie die Lagereinheit 30.
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Die bei den Hilfslagereinheiten verwendeten Lager
sind Rollelemenüager
vom Kugeltyp. Bei einer Form der vorliegenden Erfindung sind die
Lager keramische Lager (aus Siliziumnitrid), die einen keramischen
inneren Laufring, einen keramischen äußeren Laufring und keramische
Kugel-Rollelemente haben. Bei einer weiteren Ausführungsform
sind die Lagereinheiten hybride Lager, die einen inneren und äußeren Laufring
aus einer Stahllegierung und ein keramisches Rollelement haben.
Die Lagereinheiten 30 und 130 und ihre zugehörigen Komponenten
werden mit einem trockenen Feststoff geschmiert.
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An dem anderen Ende der Welle 16 ist
die Hilfslagereinheit 31 positioniert, um die Last mit
dem magnetischen Radiallager 27 zu teilen. Bei der einen Ausführungsform
ist die Hilfslagereinheit 31 ein radiales Rollelementlager.
In der 8, auf die nun
Bezug genommen wird, ist eine vergrößerte partielle Schnittansicht
der radialen Rollenlagereinheit 31 wiedergegeben. Das Rollelement 40 weist
dabei ein zylindrisches Lagerelement auf, um die von der Welle 16 übertragene,
radiale Last, die von dem Magneüagersystem
nicht getragen wird, zu tragen. Das zylindrische Rollenlager 40 rollt
zwischen einem mit der Welle 16 gekoppelten, inneren Laufring 41 und
einem mit dem Gehäuse 15 gekoppelten, äußeren Laufring 42.
Die Hilfslagereinheit 31 ist dabei zwischen der Welle 16 und
dem Gehäuse 15 über nachgiebige Verbindungselemente 43 und 44 angebracht.
Die nachgiebigen Verbindungselemente 43 und 44 sind ausgelegt,
um die Lager im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Lagereinheiten 30 und 130 zwischen
der Welle 16 und dem Gehäuse 15 weich anzubringen.
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Die bei den Hilfslagereinheiten 31 verwendeten
Lager sind Rollelemenüager
vom Rollentyp. Bei einer Form der vorliegenden Erfindung sind die
Lager keransche Lager (aus Siliziumnitrid), die einen keramischen
inneren Laufring, einen keramischen äußeren Laufing und keramische
Rollen-Rollelemente haben. Bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Endung umfassen die Lagereinheiten hybride Lager,
die einen inneren und äußeren Laufring aus
einer Stahllegierung und ein keramisches Rollelement haben. Die
Lagereinheit 31 und ihre zugehörigen Komponenten werden durch
einen trockenen Feststoff geschmiert.
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In der 3b,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine weitere Ausführungsform
des Kombinationslagersystems wiedergegeben. Das Kombinationslagersystem
ist im wesentlichen idenüsch
mit dem System der 3a,
aber weist eine wesentliche Änderung
auf, die sich auf die Versetzung der Hilfslagereinheit 30 bezieht,
die nicht mehr in dem Magneüager 25 untergebracht
ist, sondern in einem gewissen Abstand davon angeordnet ist. Die
Hilfslagereinheit 30 wurde axial versetzt, um die Rotordynamik des
Gasturbinenmotors zu optimieren. Es gibt als vereinbart, daß die Position
der Kombinationslagerkomponenten das Abstimmen der kritischen Geschwindigkeiten
des Motorrotors ermöglicht.
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Obwohl die Endung in den Zeichnungen
und der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben
wurde, soll sie dadurch nur veranschaulicht und nicht prinzipiell
begrenzt werden, wobei als vereinbart gilt, daß nur die bevorzugte Ausführungsform
wiedergegeben wurde und beschrieben wurde, und alle Änderungen
und Modifikationen, die innerhalb des Geltungsbereichs der Patentansprüche liegen,
geschützt
werden sollen.