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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Entwurf und die Konstruktion
eines Kombinationslagersystems zum Lagern bzw. Haltern einer Rotorwelle
innerhalb eines Gasturbinenmotors. Insbesondere ist ein Hilfslager
mit einem aktiven elektromagnetischen Lager gekoppelt, um eine drehbare Welle
innerhalb des Gasturbinenmotors zu haltern. Obwohl die vorliegende
Erfindung zur Verwendung in einem Gasturbinenmotor entwickelt wurde,
können bestimmte
Anwendungen außerhalb
dieses Gebiets sein.
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Es
ist altbekannt, dass ein Gasturbinenmotor eine Kompressorkomponente
aufweisen muss, die einen gewissen Teil des Druckanstiegs oder den
gesamten Druckanstieg, der von dem Systemzyklus spezifiziert wird,
entwickelt. Der Kompressor wird durch eine Drehwelle angetrieben,
die mit einer Turbine verbunden ist. Turbinen sind altbekannt zum Umwandeln
einer thermischen Energie von einem Hochtemperaturgasflussstrom
in eine mechanische Energie. Während
Kompressoren und Turbinen sehr unterschiedliche Hochgeschwindigkeits-Drehmaschinen
sind, verwenden sie beide Reihen von Flügeln und Klingen, um den Fluidfluss
zu beeinflussen. Die Klingen- und Flügelreihen arbeiten oft in einem nicht
stetigen Fluss, bei dem sowohl die Geschwindigkeitsgröße als auch
die Richtung schwanken. Ferner können
einzelne Klingen Anhebe- und Mitnahmekräften ausgesetzt sein, sie können stehen
bleiben, sie erzeugen Grenzschichten, Wirbelströmungen, und unter bestimmten
Umständen
Stoßwellen.
Diese Hochgeschwindigkeits-Drehklingen sind mit einer Welle gekoppelt,
die innerhalb eines mechanischen Gehäuses eines Lagerungssystems
gehaltert bzw. gelagert ist. Das Lagersystem muss in der Lage sein starke
dynamische und statische Lasten innerhalb einer widrigen Umgebung
auszuhalten.
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Da
Motorkonstrukteure fortwährend
die Effizienz und den Leistungsausgang von Gasturbinenmotoren erhöhen, wird
die Anwendung von magnetischen Lagern zum Haltern bzw. Lagern und
Steuern des Rotors wünschenswert.
Die Integration von magnetischen Lagern in den Motor hinein würde ermöglichen,
dass die Rotorwelle durch magnetische Kräfte gehalten wird, wobei Reibungskräfte, zusammen
mit der mechanischen Abnutzung, und das Schmiersystem, beseitigt
werden. Jedoch erfordern magnetische Lager ein Reserve-Lagerungssystem
zum Lagern der Rotorwelle, wenn die magnetischen Kräfte kleiner
als für
die Halterung der Welle benötigt
sind oder wenn die magnetischen Lager Fehlfunktionen aufweisen.
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Ein
herkömmlicher
Typ von Reserve-Lager, welches mit magnetischen Lagern verwendet
wird, weist ein Rollelementlager auf, welches innerhalb des Motorgehäuses konzentrisch
mit der Mittellinie der Welle angebracht ist. Während eines normalen Betriebs
haltert das magnetische Lager die Welle derart, dass ein Freiraum
zwischen dem Reserve-Lager und der Welle vorhanden ist. Auf einen
Ausfall des magnetischen Lagers oder während Perioden einer hohen
Stoßlast
hin wird die Welle in einen Kontakt mit dem Reserve-Lager bewegt.
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Eine
Beschränkung
im Zusammenhang mit dem obigen Reserve-Lager ist, dass die Welle
durch einen Luftspalt gehen muss, um durch das Reserve-Lager gehaltert
zu werden. In einer Hochgeschwindigkeits-Dreheinrichtung wird dann,
wenn das magnetische Lager entfernt wird, die Welle radial in Richtung
auf den inneren Laufring des Reserve-Lagers hin beschleunigt, wobei
dort ein Aufschlag, ein Aufprall und ein Rollen alle auftreten.
Ferner wird der Übergang
von dem magnetischen Lager auf das Reserve-Lager durch die dynamischen
Eigenschaften im Zusammenhang damit, dass die Drehwelle an dem stationären Reserve-Lager
angreift, destabilisiert. Die Destabilisierung ist die Folge des „Totband" („Deadband") Effekts, der die
Aufschlagskräfte
umfasst, die erzeugt werden, wenn die nicht gehalterte Welle den
inneren Lagerlaufring des Lagers kontaktiert, und die Folge der
Rollreibung, die durch die Differenz in der Oberflächengeschwindigkeit
zwischen der Wellenoberfläche
und dem sich beschleunigenden inneren Lagerlaufring des Lagerelements
verursacht wird. Die Nicht-Linearität, die durch diesen „Totband" Effekt verursacht
wird, ist extrem destabilisierend und kann zu einem nicht stabilen
chaotischen Verhalten führen.
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Obwohl
die herkömmlichen
Techniken, die magnetische Lagersysteme mit Reserve-Lagern verwenden,
Schritte in der richtigen Richtung sind, bleibt noch die Notwendigkeit
für zusätzliche
Verbesserungen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Notwendigkeit in
einer neuartigen und nichtoffensichtlichen Weise.
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Ein
Lagersystem, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 umfasst,
ist in dem US Patent 5.021.697 offenbart.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Kombinationslager
für einen
Gasturbinenmotor bereitzustellen.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist ein Gasturbinenmotor vorgesehen,
der umfasst:
ein mechanisches Gehäuse;
eine Welle, die innerhalb
des Gehäuses
drehbar ist und eine Vielzahl von Tragflächen bzw. Flügeln, die damit
gekoppelt sind, aufweist;
ein elektromagnetisches Lagersystem
zum Haltern der Welle; und
wenigstens eine Zusatzrollelement-Lagereinheit,
die mit der Welle gekoppelt ist, um die Last auf der Welle zu teilen,
wobei die oder jede Rollelement-Lagereinheit ein erstes Rollelementlager
mit einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring und einer Vielzahl
von Rollelementen, die den inneren Laufring kontaktieren, einschließt;
dadurch
gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zusatzrollelement-Lagereinheit
weich an der Welle angebracht ist, wobei der innere Laufring, die
oder jede Rollelement-Lagereinheit eine erste nachgebende Schnittstelle,
die sich zwischen dem äußeren Laufring
und dem mechanischen Gehäuse
erstreckt, und eine zweite nachgebende Schnittstelle, die sich zwischen
dem inneren Laufring und der Welle erstreckt, einschließt, wobei
die nachgebenden Schnittstellen einen stabilen Übergang von einer vollständig magnetischen
Lagerungshalterung der Welle auf eine physikalisch kontaktierende
mechanisch unterstützte
Halterung der Welle durch die oder jede Rollelement-Lagereinheit
bereitstellen.
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Diesbezügliche Aufgaben
und Vorteile der Erfindung ergeben sich näher aus der folgenden Beschreibung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Flugzeugs mit einem Gasturbinenmotor,
der damit gekoppelt ist;
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2 eine
vergrößerte Seitenelevationsansicht
des Gasturbinenmotors der 1;
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3a eine
meridionale ebene Querschnittsansicht des Kompressors, umfassend
einen Abschnitt des Gasturbinenmotors der 2, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3b eine
meridionale ebene Querschnittsansicht des Kompressors, umfassend
einen Abschnitt des Gasturbinenmotors der 2, gemäß einer
anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
illustrative Ansicht einer Turbine, die einen Abschnitt des Gasturbinenmotors
der 2 umfasst, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
vergrößerte Seitenelevationsansicht
im Querschnitt des Hilfsdrucklagers, umfassend einen Abschnitt des
Lagersystems der 3a; und
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5a eine
Seitenelevationsansicht im Querschnitt von einer alternativen Ausführungsform des
Hilfs- bzw. Zusatzdrucklagers;
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6 eine
vergrößerte Seitenelevationsansicht
im Querschnitt des Zusatzradiallagers, umfassend einen Abschnitt
des Lagersystems der 3a;
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7 eine
illustrative Endansicht, die die nachgebenden Schnittstellen zeigt,
die die Hilfslager zwischen der Rotorwelle und dem Motorgehäuse positionieren.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Für die Zwecke
einer Unterstützung
eines Verständnisses
der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die Ausführungsform,
die in den Zeichnungen dargestellt ist, und eine spezifische Sprache
wird verwendet werden, um diese zu beschreiben. Es sei trotzdem
darauf hingewiesen, dass dadurch keine Beschränkung des Umfangs der Erfindung
beabsichtigt ist, wobei Änderungen
und weitere Modifikationen in der dargestellten Einrichtung, und derartige
weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie hier dargestellt,
so betrachtet werden, so wie sie normalerweise einem Durchschnittsfachmann
in dem technischen Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, erscheinen
würden.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 ist dort
ein Flugzeug 10 mit einem Flugzeug-Flugantriebsmotor 11 dargestellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein Flugzeug generisch ist und Helikopter, taktische
Kampfflugzeuge, Trainingsflugzeuge, Raketen und andere verwandte
Vorrichtungen einschließt.
In der bevorzugten Ausführungsform
definiert der Flugantriebsmotor 11 einen Gasturbinenmotor,
in dem ein Kompressor 12, eine Verbrennungseinheit 13 und
eine Kraftturbine 14 integriert ist. Es ist wichtig zu
realisieren, dass eine Vielfalt von Vorgehensweisen vorhanden sind,
mit denen die Komponenten zusammen verbunden werden können. Zusätzliche
Kompressoren und Turbinen könnten
mit Zwischenkühlern,
die eine Verbindung zwischen den Kompressoren herstellen, hinzugefügt werden
und Wiedererwärmungs-Verbrennungskammern
könnten zwischen
den Turbinen hinzugefügt
werden. Ferner ist der Gasturbinenmotor gleichermaßen geeignet, um
für eine
industrielle Anwendung verwendet zu werden. Historisch ist eine
weit verbreitete Anwendung von industriellen Gasturbinenmotoren
vorhanden gewesen, wie beispielsweise für Pumpgeräte für Gas- und Ölübertragungsleitungen, eine
Elektrizitätserzeugung,
und für
einen Schiffsantrieb.
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Unter
Bezugnahme auf 3a ist der Axialfluss-Kompressor 12 mit
einem mechanischen Gehäuse 15 und
einer Vielzahl von Flügelreihen
dargestellt, die fest an einer zentralen Welle 16 für eine Verdichtung
eines Fluids angebracht sind. Die Reihen bzw. Zeilen von Tragflügeln 19 weisen
eine Spitze 19a auf, die radial beabstandet von dem Gehäuse 15 erhalten
wird, um einen Zwischenraum dazwischen aufrecht zu erhalten. Die
drehbaren Tragflügel 19 sind
mit einem Rotor 22 gekoppelt und drehen sich relativ zu
dem Kompressorgehäuse 15,
wenn die Welle 16 durch eine Kraft, die auf die zentrale
Welle 16 von der Turbine 14 ausgeübt wird,
gedreht wird. Eine Vielzahl von entsprechend stationären Reihen (Statoren)
von Tragflügeln 20 sind
mit dem Kompressorgehäuse 15 gekoppelt.
Der Fluss des komprimierbaren Fluids durch einen Kanal 21 innerhalb
des Kompressorgehäuses 15 wird
durch den Rotor und die Stator-Flügelreihen beeinflusst. In der
bevorzugten Ausführungsform
ist das komprimierbare Fluid Luft. Die Klingen- bzw. Flügelreihen
sind allgemein konstruiert, um sich als Diffusoren zu verhalten,
mit einem entsprechenden Anstieg im statischen Druck von dem stromaufwärts liegenden
Bereich zu dem stromabwärts
liegenden Bereich.
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Die
zentrale Welle 16 wird normalerweise durch ein aktives
elektromagnetisches Lagerungssystem gehaltert. 4 ist
eine illustrative schematische Darstellung einer Turbine mit einer
drehbaren Welle, die durch ein elektromagnetisches Lagerungssystem
und ein Zusatzlagerungssystem, welches im Wesentlichen identisch
zu demjenigen ist, das für den
Kompressor in 3a aufgeführt wird, gehaltert wird. Es
sei darauf hingewiesen, dass die Lagerungssysteme, die hier aufgeführt sind,
gleichermaßen
auf sowohl Turbinen als auf Kompressoren innerhalb des Gasturbinenmotors
anwendbar sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist das elektromagnetische Lagerungssystem
ein System mit fünf
Achsen. Die Verwendung von elektromagnetischen Lagern anstelle von
herkömmlichen Ölschmierlagern
wird ermöglichen,
dass das Motorschmiersystem entfernt wird, was zu einer starken
Systemgewichtsverringerung, einem verringerten parasitären Verlust,
einer Vereinfachung der Motorkonstruktion und einer verbesserten
Motorzuverlässigkeit
durch die Beseitigung der Lagerungsabnützung führt. Ferner wird die Verwendung
von elektromagnetischen Lagern, anstelle von herkömmlichen Ölschmierlagern,
vorteilhaft für
die Umwelt sein, indem die Behandlung, die Speicherung und das Wegwerfen
von synthetischen Ölen
beseitigt wird.
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Ein
elektromagnetisches Lagerungssystem kann als ein integrierter Aktuator
für ein
Hochgeschwindigkeitsgerät
einer Turbomaschinerie dienen. Eine von derartigen Anwendungen ist
für einen
Kompressor, bei dem der Aktuator verwendet wird, um eine für den Kompressor
aktive Stabilitätssteuerung, eine
für den
Kompressor aktive Spitzenfreiraumsteuerung und die aktive Steuerung
von dynamischen Instabilitäten
des Rotors durch Bereitstellen einer Dämpfung zu erlauben. Elektromagnetische
Lagerungssysteme eignen sich gut für die Anwendung von diesen
aktiven Steuertechniken für
die Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Operabilität für Gasturbinenmotoren.
Eine erteilte U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer No. 08/396.014,
mit dem Titel MAGNETIC BEARINGS AS ACTUATION FOR ACTIVE COMPRESSOR
STABILITY CONTROL, die erteilt wurde und im gemeinschaftlichen Eigentum
ist, wird hier durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung.
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In
einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung umfasst das magnetische
Lagerungssystem ein erstes aktives elektromagnetisches Radiallager 25,
das an einem Ende der Welle 16 positioniert ist, und ein
zweites aktives elektromagnetisches Radiallager 27, welches
an dem anderen Ende der Welle 16 positioniert ist. Die
magnetischen Lager der vorliegenden Erfindung sind aktive elektromagnetische
Lager. Ein aktives elektromagnetisches Drucklager 26 ist
so positioniert, dass es auf die Welle 16 wirkt und einer
Drucklast entgegenwirkt. Ein aktives elektromagnetisches Drucklager 26 umfasst
eine Druckplatte 26a, die mit der Welle 16 gekoppelt
ist, und einen Stator 26b, der mit dem mechanischen Gehäuse 15 gekoppelt
ist. Die aktiven elektromagnetischen Lager 25, 26 und 27 weisen
die Möglichkeit
auf, sich an die Änderung
in den Anforderungen für
das Rotorsystem anzupassen, Motorbedingungen zu diagnostizieren, den
Flügelspitzen-Freiraum
zu minimieren und weiter eine Stabilitätssteuerung bereitzustellen.
Jedes der aktiven elektromagnetischen Radiallager 25 und 27 schließt Statoren
und Rotoren ein. Der nominelle Freiraum (Luftspalt) zwischen den
magnetischen Radiallager-Statoren und Rotoren ist in dem Bereich von
ungefähr
0,254 mm–0,305
mm (ungefähr 0,010–0,012 inch).
Jedoch sei darauf hingewiesen, dass der Freiraum zwischen den elektromagnetischen
Radiallager-Rotoren und den Statoren sich ändern wird, wenn die magnetischen
Lager ausfallen oder wenn eine Spitzenlast vorhanden ist. Ferner werden
die Luftspaltänderungen
auch während
einer aktiven Steuerung mit einer geschlossenen Schleife des elektromagnetischen
Lagerungssystems auftreten.
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In
einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist die maximale statische Last, die
jedes der elektromagnetischen Radiallager 25 und 27 tragen kann,
ungefähr
227 kg (ungefähr
500 Pfund). Zusätzlich
ist die maximale dynamische Last, die jedes der elektromagnetischen
Radiallager 25 und 27 tragen können, ungefähr 227 kg (ungefähr 500 Pfund).
Es sei darauf hingewiesen, dass andere Lagerungsstützlasten
hier in Erwägung
gezogen werden, die von dem für
die Lager verfügbaren
Platz, der Lagergröße, dem
Lagerungsmaterial und anderen Charakteristiken des Lagers abhängen. Die
elektromagnetischen Lager 25, 26, 27 sind
mit einem Controller 200 verbunden, der die Funktionalität bereitstellt,
die notwendig ist, um die elektromagnetischen Lager zu steuern.
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Es
ist altbekannt, dass Flugzeug-Gasturbinenmotoren einen breiten Bereich
von dynamischen und statischen Lasten ausgesetzt sind. Einige von diesen
Lasten, insbesondere Manöver-
und Landelasten, können
sehr extrem und in der Größenordnung
von bis zu 20 mal der Erdanziehungskraft sein. Die vorliegende Erfindung
erwägt
ein Leichtgewicht-Hochtemperatur-Kombinationslager, um die angewendete
Last, die auf die Welle 16 wirkt, gemeinsam zu teilen.
Zusatzlagereinheiten 30 und 31 laufen bei der
Wellengeschwindigkeit der jeweiligen Komponente des Gasturbinenmotors
und teilen die Last, wie mit den magnetischen Lagerungssystem benötigt.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist eine vergrößerte Seitenelevationsansicht
im Querschnitt der Zusatzlagereinheit 30 gezeigt. In der
bevorzugten Ausführungsform
ist die Zusatzlagereinheit 30 ein Lager des trockenen fest-geschmierten
Rollelement-Typs. Jedoch werden hier andere Schmierverfahren in
Erwägung
gezogen. Das Lager 33, das einen Abschnitt der Lagereinheit 30 umfasst
und einen äußeren Lagerlaufring 32,
der mit dem Gehäuse 15 gekoppelt ist,
aufweist, ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Kugellager.
Der innere Lagerungs-Laufring 34 des Lagers 33 ist
mit der drehbaren Welle 16 verbunden. Eine nachgebende
Schnittstelle 35 koppelt den äußeren Lagerungslaufring 32 mit
dem Gehäuse 15 und
eine zweite nachgebende Schnittstelle 36 koppelt den inneren
Lagerungs-Laufring 34 mit der Welle 16. Nachgebende
Schnittstellen 35 und 36 dienen dazu, um das Lager 33 der
Zusatzlagereinheit 30 zwischen der drehbaren Welle 16 und
dem Gehäuse 15 weich
anzubringen. Die leichte Belastung der äußeren Laufringe des Lagers 33 erlaubt,
dass sich der innere Lagerungs-Laufring 34 und die Rollkugeln kontinuierlich
mit der Rotorwelle 16 drehen.
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Die
nachgebenden Schnittstellen 35 und 36 sind elastisch
genug, um der Welle 16 zu erlauben ihre eigene dynamische
Mitte zu suchen, aber dennoch steif genug, um die radiale und axiale
Bewegung der Welle zu begrenzen. In der bevorzugten Ausführungsform
stellen die nachgebenden Schnittstellen 35a jeweils eine
leichte Vorlast an der Welle bereit, und in einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorlast ungefähr
22,7 kg (ungefähr
50 Pfund). Die nachgebenden Schnittstellen 35a in der bevorzugten Ausführungsform
sind Federn, die eine Federrate von ungefähr 892,8 kg/cm (ungefähr 5000
lbs/in) aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Lagervorlast
an der Welle die zum Abstimmen der dynamischen Eigenschaften des
Rotors des Systems eingestellt werden kann. Unter Bezugnahme auf 7 ist eine
Endansicht einer Ausführungsform
des Lagers 33 dargestellt, welches zwischen der drehbaren
Welle 16 und dem mechanischen Gehäuse 15 weich angebracht
ist. Nachgebende Schnittstellen 35 und 36 in einer
Ausführungsform
sind federnd. Insbesondere ist die nachgebende Schnittstelle 35 eine
Blattfeder und die nachgebende Schnittstelle 36 ist eine
kontinuierliche Wellenfeder. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Federrate für
die nachgebende Schnittstelle 35 ungefähr 17.857 kg/cm (ungefähr 100.000
lbs/in) und für
die nachgebende Schnittstelle 36 beträgt sie ungefähr 8.928
kg/cm (ungefähr 50.000
lbs/in). Es sei darauf hingewiesen, dass hier nicht beabsichtigt
ist, dass die nachgebenden Schnittstellen auf Federn beschränkt sind
und, dass die geeigneten Federraten von den bestimmten Systemparametern
abhängig
sind.
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Die
weiche Anbringung des Lagers 33 zwischen dem Gehäuse 15 und
der Welle 16 erlaubt einen im Wesentlichen stabilen Übergang
von der vollständig
magnetischen Lagerungshalterung der Rotorwelle 16 auf eine
physikalisch kontaktierende, mechanisch unterstützte Lagerung der Welle. Die
Zusatzlagereinheit 30, die die Last mit den magnetischen
Kräften
von dem elektromagnetischen Lager teilt, haltert die Welle 30.
Während
die Welle 16 normalerweise durch die magnetische Kraft
von dem elektromagnetischen Lager gehaltert wird und sich um ihre
Mittellinie dreht, stellen die Zusatzlagereinheiten 30 und 31 eine
leichte Last an der Welle bereit und drehen sich bei der Wellengeschwindigkeit.
Auf den Ausfall eines elektromagnetischen Lagers und/oder den Einsatz
eines Manövers
oder einer anderen Aktivität
hin, die eine Spitzenlast erzeugt, teilen die Zusatzlagereinheiten 30 und 31 sich
die Last an der Welle 16. Ferner stellen die Zusatzlagereinheiten eine
statische Halterung für
die Welle 16 bereit, wenn die Welle stationär ist. In
der bevorzugten Ausführungsform
Zusatzlagereinheit 30, auf die radiale Versetzung der Welle 16 um
ungefähr
fünf bis
sieben Tausendstel eines Inchs hin, bildet die nachgebende Schnittstelle 35 einen
Boden und der äußere Lagerungslaufring 32 wird
mit dem Gehäuse 15 hart
gekoppelt. Die Kompression der nachgebenden Schnittstelle 35 erlaubt
den fortgesetzten Transfer der Lagerungshalterung von dem elektromagnetischen
Lagerungssystem auf die Zusatzlagereinheiten 30 und 31,
und wenn notwendig tragen die Zusatzlagereinheiten die vollständige Wellenlast,
um zu ermöglichen,
dass die Flugmission beendet wird. Eine weiche Kopplung der Zusatzeinheiten 30 und 31 mit
der Welle 16 erlaubt die Aufnahme der beträchtlichen
Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
der Welle 16 und den inneren Lagerungs-Laufringen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Zusatzlagereinheit 30 zwei Winkelkontakt-Kugellager 33 und 37.
Das zweite Kugellager 37 ist im Wesentlichen identisch
zu dem ersten Kugellager 33 angebracht. Es sei darauf hingewiesen,
dass die zwei Kugellager 33 und 37 im Wesentlichen
identisch sind und gleiche Bezugszeichen hier verwendet werden,
um gleiche Elemente zu bezeichnen. Das zweite Kugellager 37 ist
an seinem inneren Lagerlaufring 34 über eine nachgebende Schnittstelle 36 an
der Welle 16 angebracht und sein äußerer Lagerlaufring 32 ist
mit dem Gehäuse 15 über eine
nachgebende Schnittstelle 35 gekoppelt. Eines der Kugellager
hat einen hohen Kontaktwinkel, um auf die größere Drucklast zu reagieren,
und das andere Lager hat einen niedrigen Kontaktwinkel, um auf umgekehrte
Drucklasten und entsprechende radiale Lasten zu reagieren. Die Zusatz-
bzw. Hilfslagereinheit 30 stellt eine Vorlast bereit und
begrenzt die axiale und radiale Bewegung der Welle 16,
um einen Kontakt mit dem elektromagnetischen Lagerungssystem zu
verhindern.
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Unter
Bezugnahme auf 5a ist eine alternative Ausführungsform 130 der
Zusatzlagereinheit dargestellt. Die Zusatzlagereinheit 130 ist
entworfen und konstruiert zum Bereitstellen einer Zusatzdruck- und Radiallagerungs-Halterung
für die
Welle 16. Die Zusatzlagereinheit 130 ist im Wesentlichen ähnlich zu
der Zusatzlagereinheit 30, schließt aber nur ein Rolllagerelement
des Kugeltyps ein. Das Lagerelement 133 ist ein Element
des Kugeltyps, wobei die Vielzahl von Kugeln zwischen einem inneren
Lagerlaufring 135 und einem äußeren Lagerlaufring 134 rollen.
Die Zusatzlagereinheit 130 ist weich an der Welle 16 und
dem Gehäuse 15 in
im Wesentlichen der gleichen Weise wie die Lagereinheit 30 angebracht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Zusatzlagereinheiten 30 und 130 dafür ausgelegt,
um Temperaturen von ungefähr
538°C (ungefähr 1.000°F) auszuhalten. Es
sei darauf hingewiesen, dass das Lager, das in den Zusatzlagereinheiten
verwendet wird, Rollelement-Lager des Kugeltyps sind. In einer Ausbildung der
vorliegenden Erfindung sind die Lager keramische Lager (Silikonnitrit)
mit einem keramischen inneren Lagerlaufring, einen keramischen äußeren Lagerlaufring,
und keramischen Rollkugelelementen. In einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen die Lagereinheiten hybride Lager mit
einem inneren und äußeren Lagerlaufring
aus einer Stahllegierung und einem keramischen Rollelement. Die
Lagereinheiten 30 und 130 und ihre diesbezüglichen
Komponenten, werden nicht extern geschmiert und sie weisen eine
trockene Festkörperschmierung
auf.
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An
dem anderen Ende der Welle 16 ist für eine Lastteilung mit dem
radialen elektromagnetischen Lager 27 eine Zusatzlagereinheit 31 positioniert.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Zusatzlagereinheit 31 ein radiales Rollelementlager. Unter
Bezugnahme auf 6 ist dort eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht
der bevorzugten Ausführungsform
der Radialrollen-Lagereinheit 31 gezeigt. Das Rollelement 40 umfasst
ein zylindrisches Lagerelement zum Stützen der radialen Last, die
von der Welle 16 übertragen
wird und die von dem magnetischen Lagerungssystem nicht getragen
wird. In der bevorzugten Ausführungsform
rollt das zylindrische Rollenlager 40 zwischen einem inneren
Lagerlaufring 41, der mit der Welle 16 gekoppelt
ist, und einem äußeren Lagerlaufring 42,
der mit dem Gehäuse 15 gekoppelt
ist. Die Zusatzlagereinheit 31 ist zwischen der Welle 16 und
dem Gehäuse 15 über nachgebende
Schnittstellen 43 und 44 angebracht. Die nachgebenden
Schnittstellen 43 und 44 sind konstruiert, um die
Lager zwischen der Welle 16 und dem Gehäuse 15 in einer Weise,
die im Wesentlichen identisch zu derjenigen für die Lagereinheiten 30 und 130 ist, weich
anzubringen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Zusatzlagereinheiten 31 dafür ausgelegt,
um Temperaturen von ungefähr
538°C (1.000°F) auszuhalten.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Lager, das in den Zusatzlagereinheiten
verwendet wird, Lager des Rollelement-Rollentyps sind. In einer Ausbildung
der vorliegenden Erfindung sind die Lager Keramiklager (Silikonnitrit)
mit einem keramischen inneren Lagerlaufring, einem keramischen äußeren Lagerlaufring,
und keramischen rollenden Rollelementen. In einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen die Lagereinheiten hybride Lager
mit einem inneren und äußeren Lagerlaufring
aus einer Stahllegierung und einem keramischen Rollelement. Die
Lagereinheit 31 und ihre diesbezüglichen Komponenten werden
nicht extern geschmiert und sie weisen eine trockene feste Schmierung
auf.
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Unter
Bezugnahme auf 3b ist eine andere Ausführungsform
des Kombinationslagerungssystems dargestellt. Das Kombinationslagerungssystem ist
im Wesentlichen identisch zu dem System der 3a, mit
einer wesentlichen Änderung,
die sich auf die Neuanordnung der Zusatzlagereinheit 30 bezieht,
und zwar davon, in das elektromagnetische Lager 25 gesteckt
zu sein, dazu, davon beabstandet zu sein. Die Zusatzlagereinheit 30 weist
einen axialen Versatz auf, um die dynamischen Eigenschaften des Rotors
des Gasturbinenmotors zu optimieren.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Position der Kombinationslagerkomponenten
die Abstimmung der kritischen Geschwindigkeiten des Motorrotors
ermöglichen
wird.
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Während die
Erfindung ausführlich
in den Zeichnungen und der voranstehenden Beschreibung dargestellt
und beschrieben worden ist, sollte diese als illustrativ und dem
Sinn nach nicht beschränkend angesehen
werden, wobei sich von selbst versteht, dass nur die bevorzugte
Ausführungsform
gezeigt und beschrieben worden ist.