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Die
Erfindung betrifft Lager und insbesondere Lagerabstützstrukturen,
wie sie für
Turbinenmaschinen nützlich
sind.
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Gasturbinenmaschinen
des Typs, der zum Antreiben von Flugzeugen verwendet wird, haben
einen Rotor, der typischerweise einen Bläser mit einer Anordnung von
sich radial erstreckenden Bläserlaufschaufeln,
einen Verdichter, eine Turbine und eine Welle zum Übertragen
von Leistung und Drehbewegung von der Turbine auf den Verdichter
und den Bläser
aufweist. Der Rotor ist radial und in Längsrichtung an einem nicht
rotationsfähigen
Abstützrahmen durch
zwei oder mehr in Längsrichtung
beabstandete Lager abgestützt,
von denen jedes in einem abgedichteten Lagerkompartment eingeschlossen
ist. Unter normalen Betriebsbedingungen hat der Rotor einen Schwerpunkt,
der radial mit einer zentralen Achse der Maschine zusammenfällt, die
durch die Zentren der Lager geht. Der Rotor hat auch Grund-Eigenschwingungsfrequenzen,
die konstruktionsmäßig höher als
die maximale Rotationsfrequenz des Rotors sind. So hat, lediglich
als nicht-beschränkendes
Beispiel, eine Turbobläsermaschine
mit einer Reisedrehzahl von 2000 bis 2500 U/min und einer Drehzahl
bei vollem Schub/Abhebedrehzahl von etwa 3000 U/min Grund-Eigenfrequenzen,
die vorzugsweise mindestens etwa 10% höher sind als die Drehzahl bei
vollem Schub (z.B. etwa 3300 U/min oder 50,5 Hz).
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Während des
Maschinenbetriebs kann eine Bläserlaufschaufel
oder ein Bruchstück
davon von dem Rest des Bläsers
abgetrennt werden (ein sog. "Blade-off'- oder "Blade-out"-Vorfall), so dass
der Schwerpunkt des Bläsers
Massenschwerpunkt) von der zentralen Achse verlagert ist. Der Schwerpunkt des
gesamten Rotors wird in eine ähnliche
Radialrichtung verlagert, jedoch um einen geringeren Betrag. Mindestens
anfangs legen die Lager den Rotor radial fest, so dass er weiterhin
um die Zentralachse statt um eine Achse, welche durch die verlagerten Schwerpunkte
geht, rotiert. Das Rotieren des verlagerten Schwerpunkts um die
Zentralachse schafft eine Zwangsfunktion, die eine oder mehrere
Oszillationsmoden des Rotors anregen kann. Bei Rotationsdrehzahlen
deutlich unter der Resonanzfrequenz erzeugt die Unwucht einen lokalen
Druck auf die Lager generell in Phase mit dem verlagerten Schwerpunkt. Mit
der Annährung
an die Resonanz gibt es einen Nachlaufwinkel zwischen der Druckkraft
und der Rotation des Schwerpunkts. Bei Resonnanz ist dieser Winkel
etwa 90°.
Deutlich über
der Resonanz (über dem
Doppelten der Resonanzfrequenz) nähert sich der Nachlaufwinkel
180°. Trotz
der Tatsache, dass die Maschinendrehzahl und die Resonanzfrequenz einer
speziellen Mode möglicherweise
nicht exakt gleich sind, können
die Resonanzkräfte
extrem sein, wenn das Verhältnis
der Resonanzfrequenz zu der Eigenfrequenz in einem breiten Bereich
von zwischen etwa 0,5:1 bis annähernd
2:1 ist.
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Bei
einem Blade-off-Vorfall stellt die Maschine den Normalbetrieb ein
und erzeugt keine weitere Leistung. Es ist jedoch typischerweise
nicht wünschenswert,
das Rotieren des Rotors der Maschine anzuhalten. Wenn man das Rotieren
anhalten würde, würde die
angehaltene Maschine eine extreme Quelle für aerodynamischen Widerstand
bilden. Ein derartiger Widerstand wäre besonders signifikant bei
Flugzeugen mit zwei Triebwerken, bei denen die Triebwerke in Flächengondeln
montiert sind. Das ist eine übliche
Konstruktion für
viele Passagierflugzeuge. Somit würde bei einem derartigen Zwei-Mot-Flugzeug
die Kombination von Widerstand von dem angehaltenen Triebwerk und
dem Schub von dem verbleibenden Triebwerk ein übermäßiges Giermoment erzeugen,
welches durch die Ruder des Flugzeugs nicht leicht überwunden
werden kann. Folglich lässt man
das beschädigte
Triebwerk vorteilhafterweise in einem Prozess, der "windmilling" oder Freilaufen
genannt wird, angetrieben von der sich aus der Vorwärtsgeschwindigkeit
des Flugzeugs ergebenden Luftgeschwindigkeit rotieren. Ein freilaufendes
Triebwerk hat deutlich weniger aerodynamischen Widerstand als ein
komplett angehaltenes Triebwerk. Unter dem Extended Range Twin-Engine
Operations (ETOPS) Rating-System kann von bestimmten Flugzeugen
gefordert werden, dass sie mit einem freilaufenden Triebwerk für einen
Zeitraum von bis zu 180 Minuten arbeiten. Die möglicherweise schädigenden Unwuchtkräfte werden
von dem freilaufenden Rotor durch die Lager auf den Abstützrahmen übertragen. Um
im Freilaufzustand zu verbleiben, muss das Triebwerk einer Beschädigung,
beispielsweise einem Fest gehen der Lager, für mindestens die festgesetzte ETOPS-Zeitdauer
widerstehen. Das Triebwerk ist also vorzugsweise so konfiguriert,
dass es eine katastrophale Beschädigung
des Abstützrahmens,
welche ein Loslösen
des Triebwerks von dem Flugzeug zulassen oder die Fläche beschädigen könnte, vermeidet.
Ein Weg ist es, die Lager und den Abstützrahmen stark genug zu machen,
um den Anfangsunwuchtkräften
zu widerstehen, bis das Triebwerk sicher heruntergefahren werden
kann und seine Freilaufdrehzahl erreichen kann. Leider fügt ein derartiges
Verstärken
der Lager und des Abstützrahmens unerwünschtes
Gewicht und Volumen dem Triebwerk und dem Flugzeug hinzu.
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Ein
möglicher
Weg zum Minimieren des Gewichts und Volumens der Lager und des Abstützrahmens
und dennoch zum Schützen
der Lager vor Festgehen ist es, den Rotor an dem Rahmen mit einer
Abstützanordnung
abzustützen,
welche die Fähigkeit
hat, den Rotor radial festzulegen, die abrupt locker wird (oder
vollständig
ausfällt),
wenn sie einer Radialkraft über
einem vorbestimmten Wert ausgesetzt wird. Sobald die Fähigkeit
zum radialen Festlegen nachgelassen hat, ist der Rotor frei, um
eine Rotationsachse zu rotieren, die durch seinen verlagerten Schwerpunkt
geht oder zumindest näher
bei ihm ist. In der Folge ist die Übertragung von Unwuchtskräften auf
den Abstützrahmen
minimiert, so dass sein Gewicht und sein Volumen entsprechend verringert
sein können.
In der Praxis wird das erzielt, indem man das Lager, welches am
nächsten
bei dem Triebwerkbläser
ist, freibrechbar montiert. Wenn die durch das Lager übertragene
Radialkraft einen Schwellenwert überschreitet,
entkoppelt das Lager mindestens radial entweder von dem Rotor oder
dem Abstützrahmen
und reduziert so den Widerstand gegen eine lokale radiale Verlagerung
des Rotors von der Triebwerkachse wenigstens in einem breiteren
Bereich. Beispielsweise kann das Freibrechen (Freigeben) des Rotorabstützsystems
eine radiale Exkursion von bis zu einem Inch (25 mm) erlauben, während vor dem
Freibrechen eine Radialbewegung auf deutlich unter 2,5 mm (1/10
Inch) relativ zu der Triebwerkachse eingeschränkt ist. Eine breite Vielzahl
von Strukturen kann dieses Ziel erreichen. Als nicht beschränkende Beispiele
kann man derartige freibrechbar montierte Lager überlicherweise an Triebwerken
wie beispielsweise dem PW305 von Pratt & Whitney Canada Inc. dem TRENT 500
und RB211 von Rolls- Royce
plc. sehen. Andere Konfigurationen sind auch möglich, beispielsweise die in
dem US-Patent Nr. 5 791 789 gezeigten.
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Unmittelbar
beim Auftreten des Blade-off-Vorfalls dreht das Triebwerk bei einer
Anfangsbetriebsdrehzahl (beispielsweise seiner Reisedrehzahl), die
in der Nähe
von den, aber typischerweise niedriger als die Grund-Eigenfrequenzen
des Triebwerks ist, wie vorangehend beschrieben (nämlich der "fan bounce"-Frequenz). Ohne ein Freibrechen des Rotorabstützsystems
würde der
Rotor durch einen Prozess des Herunterlaufens (spool-down process) gehen,
bevor er in einen Dauerzustand gelangt, bei dem der Phasenwinkel
zwischen den Unwuchtkräften
und der Rotorverlagerung annähernd
null ist, wenn die Triebwerkdrehzahl von der Reisedrehzahl auf die
Freilaufdrehzahl abfällt.
Jedoch können
die Unwuchtkräfte
am Anfang des Herunterlaufens in Anbetracht der relativ hohen Anfangsdrehzahl
(z.B. einer Reisedrehzahl von 2000 bis 2500 U/min) übermäßig sein,
da derartige Kräfte
proportional zum Quadrat der Drehzahl sind.
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Es
ist bekannt, freibrechbare Rotorabstützsysteme zu verwenden, um
das Übertragen
der Kräfte
bei hoher Drehzahl von der Welle auf die Abstützstruktur zu verwenden. Folglich
wird eine freibrechbare Befestigung/Abstützung (nachfolgend "Lagerabstützung") vorgesehen, welche
das Lager entweder mit der Welle oder der nicht-rotierenden Abstützstruktur
koppelt. Die Schwellen-Stärke der
freibrechbaren Lagerabstützung
kann eingestellt sein, dass sie frei bricht (frei gibt) während der
anfänglichen Transientenreaktion.
Beim Freigeben fällt
die Eigenfrequenz des Rotors dramatisch. Beispielsweise kann sie
auf irgendwo zwischen etwa 1/5 und 1/2 der anfänglichen Eigenfrequenz des
Rotors fallen. Somit wird es beim Freigeben eine zweite Transientenreaktion
geben, wenn der Rotor von den Zuständen, die zu der anfänglichen
Eigenfrequenz gehören,
auf die übergeht,
die zu der verringerten Eigenfrequenz gehören. Am Beginn dieser zweiten
Transientenreaktion wird das Verhältnis der Triebwerksdrehzahl
zu der reduzierten Eigenfrequenz deutlich über 2:1 liegen (ein Zustand,
der zu einem Phasenwinkel zwischen den Unwuchtkräften und der Verformung von
etwa 180° gehört). Während des
zweiten Transienten läuft das
Triebwerk herunter auf eine Reise-Freilauf-Triebwerkdrehzahl (z.B.
etwa 700 U/min).
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Anschließend wird,
wenn das Flugzeug zum Landen langsamer wird, die Freilaufdrehzahl ähnlich langsamer
werden (beispielsweise auf etwa 300 U/min). Während einer von diesen Abfallstufen
kann der Rotor durch die reduzierte Eigenfrequenz gehen (bei der
der Phasenwinkel 90° ist)
und einen Phasenwinkel nahe null erreichen. Das Triebwerk ist weiterhin
signifikanter radialer Verlagerung des Rotors und einem zugehörigen Verbiegen
der Welle ausgesetzt.
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Jedoch
können
bei der verringerten Eigenfrequenz die Unwuchtkräfte selbst nahe bei Resonanz
tolerabel sein, wenn das Triebwerk ausreichend robust konstruiert
ist und wenn längerer
Betrieb in der Nähe
der Resonanz vermieden ist.
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Die
Unwuchtkräfte
und die Verlagerungen während
der verschiedenen Transientenübergänge und
danach können
das Triebwerk und das Flugzeug weiterhin einer übermäßigen Belastung und einer übermäßigen "mitfühlenden" Schwingung (sympathetic
vibration) aussetzen.
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Somit
erkennt man, dass lediglich ein Nachlassen der radialen Festlegung
eines Rotors kein vollständig
befriedigendes Mittel zum Bewältigen
eines Rotors mit Unwucht ist.
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DE-A-2
157 514 beschreibt ein Lagersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1. Andere Systeme sind in DE-A-19 605 971 und EP-A-0 874 137 beschrieben.
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Die
Erfindung liefert ein Lagersystem nach Anspruch 1. Vorzugsweise
bleibt die Welle in Längsrichtung
festgelegt. Die Freigabe kann erzielt werden durch ein Brechen oder
ein plastisches Nachgeben eines Elements der Kopplung. Das innere
Lagerelement kann ein innerer Laufring sein, und das äußere Lagerelement
kann ein äußerer Laufring
sein, der mit dem inneren Laufring durch Wälzelemente in Wälzeingriff
mit den Lageroberflächen
des inneren und des äußeren Laufrings
gekoppelt ist und umfangsmäßig um die
Lagerachse angeordnet ist. Die Wälzelemente
können
kugelförmig
sein.
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Das
erste von innerem und äußerem Lagerelement
kann das innere Element sein, und die Kopplung kann ein Basiselement
und ein mit dem Lager zusammenwirkendes Element sein. Das Basiselement
kann an dem Wellenelement befestigt sein und eine doppelt konvexe äußere Oberflächen haben. Das
mit dem Lager zusammenwirkende Element kann an dem inneren Element
befestigt sein und kann eine doppelt konkave innere Oberfläche haben, welche
die doppelt konvexe äußere Oberfläche kontaktiert.
Die Kopplung kann durch einen Vorsprung von dem Basiselement oder
dem mit dem Lager zusammenwirkenden Element gebildet sein, der in
einer Ausnehmung des anderen gefangen ist. Der Vorsprung kann abgeschert
werden, um eine Freigabe von der Anfangssteifheit auf die verringerte
Steifheit zu liefern. Sowohl das Basiselement als auch das mit dem
Lager zusammenwirkende Element kann eine zweiteilige Anordnung sein.
Der doppelt konvexe äußere Oberflächenbereich
und der doppelt konkave innere Oberflächenbereich können Kugeloberflächen mit
einem gemeinsamen Mittelpunkt sein.
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Das
Erste von innerem und äußerem Lagerelement
kann das äußere Element
sein, und die Kopplung kann ein mit dem Lager zusammenwirkendes
Element und einen festen Teil aufweisen. Das mit dem Lager zusammenwirkende
Element kann an dem äußeren Element
befestigt sein und kann einen doppelt konvexen äußeren Oberflächenbereich
haben. Der feste Teil kann einen doppelt konkaven inneren Oberflächenbereich
haben, der den doppelt konvexen äußeren Oberflächenbereich
berührt.
Der feste Teil kann einen ersten (hinteren) Bereich, der einstückig mit
dem äußeren Element
gebildet ist und einem zweiten (vorderen) Bereich, der daran befestigt
ist, haben. Ein Übergang
des ersten und des zweiten Bereichs kann zwischen erstem und zweitem Oberflächenbereich
des doppelt konkaven inneren Oberflächenbereichs angeordnet sein.
Eine Ausnehmung zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenbereich
kann normal einen radial nach außen gerichteten Vorsprung von
dem mit dem Lager zusammenwirkenden Element aufnehmen. Der Vorsprung
kann mindestens teilweise abgeschert werden, um die Freigabe von
der Anfangssteifheit auf die verringerte Steifheit zu schaffen.
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Das
Erste von dem inneren und dem äußeren Lagerelement
kann das innere Element sein, und die Kupplung kann ein Basiselement
und ein mit dem Lager zusammenwirkendes Element aufweisen. Das Basiselement
kann an dem Wellenelement befestigt sein und hat einen äußeren Oberflächenbereich.
Das mit dem Lager zusammenwirkende Element kann an dem inneren Element
befestigt sein und kann einen inneren Oberflächenbereich haben, der den äußeren Oberflächenbereich
berührt
und in Längsrichtung konvex
und quer konkav ist.
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In
dem freigegebenen Zustand ist das Rotieren der Wellenachse festgelegt,
um innerhalb von 3° parallel
zu der Achse des äußeren Elements
zu bleiben. In dem freigegebenen Zustand kann die Wellenachse mindestens
1° weg von
der Parallelen zu der Achse des äußeren Elements
rotieren. In dem freigegebenen Zustand beschränkt die Kopplung eine Relativbewegung
der Achse des äußeren Elements
und der Wellenachse auf eine Rotation um einen Mittelpunkt des Lagersystems
und verhindert so eine lokale radiale Verlagerung der Welle relativ
zu dem äußeren Element.
Das Lagersystem kann in einer Turbinenmaschine verwendet werden,
bei der das Wellenelement eine Rotorwelle bei einer Turbinenmaschine und
das äußere Element
eine nicht-rotierende Struktur der Maschine ist. Die Maschine kann
mindestens ein zusätzliches
Lagersystem aufweisen, welches rotationsfähig die Rotorwelle mit der
Struktur koppelt. Ein derartiges zusätzliches Lagersystem kann dem Lagersystem
benachbart sein und kann ein freibrechbares Lagersystem sein, welches
normal eine lokale radiale Verlagerung der Rotorwelle relativ zur
Struktur einschränkt
und, wenn es eine Radialkraft über
einem vordefinierten Schwellenwert erfährt, freigibt, um eine abnormale
lokale radiale Abweichung der Welle aufzunehmen.
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Die
Details von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung
werden nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung und
die begleitenden Zeichnungen erläutert,
für die gilt:
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1 ist
ein Teillängsschnitt
eines Lagersystems gemäß der Erfindung
in einem blockierten Zustand.
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2 ist
ein Teillängsschnitt
des in einem freigegebenen Zustand gezeigten Lagersystems von 1.
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3 ist
ein Teillängsschnitt
einer Turbinenmaschine, welches ein Lagersystem gemäß der Erfindung
inkorporiert.
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4 ist
ein Teillängsschnitt
des Triebwerks von 3 mit einem Rotor in einem Abweichzustand.
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5 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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6 ist
ein Teillängsschnitt
des Lagersystems von 5 in einem freigegebenen Zustand.
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7 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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8 ist
ein Teillängsschnitt
eines Lagersystems von 7 in einem freigegebenen Zustand.
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9 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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10 ist
ein Teillängsschnitt
des Lagersystems von 9 in einem freigegebenen Zustand.
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11 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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12 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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13 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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14 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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15 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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16 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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17 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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18 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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19 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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20 ist
ein Teillängsschnitt
eines alternativen Lagersystems gemäß der Erfindung in einem blockierten
Zustand.
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Gleiche
Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen
bezeichnen gleiche Elemente.
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Lagersystems 20 gemäß der Erfindung. In einer beispielhaften
und besonders bevorzugten Anwendung wird das Lagersystem 20 in
einer Turbinenmaschine verwendet, um eine Maschinenrotorwelle 22 in
einer nicht-rotierenden Abstützstruktur 24 radial und
in Längsrichtung
festzuhalten und es dabei der Welle 22 zu erlauben, um
eine zentrale Achse 500 der Maschine, die normalerweise
mit einer zentralen Achse oder Mittellinie 502 der Welle 22 zusammenfällt, zu
rotieren. Die zentrale Achse 500 der Maschine ist auch
eine Lagerachse. Zur Einfachheit ist in allen Figuren außer 2 die
Ansicht an einer Seite der zentralen Achse 500 weggeschnitten.
Man versteht, dass das Wellenlager 25 und viele andere
Elemente die in Achse 500 umschließen. Ein äußerer Lagerlaufring 26 ist
sicher von der Abstützstruktur 24 gehalten.
Ein innerer Lagerlaufring 28, der konzentrisch in dem äußeren Laufring 26 ist
und damit über eine
sich umfangsmäßig erstreckende
Anordnung von Kugeln 30 zusammenwirkt, ist normal in einem ersten
Element oder einem mit dem Lager zusammenwirkenden Element 32 gehalten,
welches aus einem Vorderteil und einem Hinterteil 32A und 32B gebildet
ist, die an einer Transversal-Zentralebene 506 des Lagers
zusammenkommen. Das mit dem Lager zusammenwirkende Element 32 hat
einen doppelt konkaven inneren Oberflächenbereich 34, der
vorzugsweise kugelförmig
ist und einen Krümmundmittelpunkt 508 an
dem Schnittpunkt der Ebene 506 und der Achse 500 hat.
Der doppelt konkave innere Oberflächenbereich 34 existiert
entlang in Längsrichtung außenseitigen
Bereichen der Teile 32A und 32B. Ein ringförmiger Vorsprung 36 ragt
radial von dem Oberflächenbereich 34 nach
innen und überspannt
die Zentralebene 506. Ein zweites Element oder Basiselement 40 umgibt
die Welle 22 und ist mit dieser in Eingriff und ist auch
aus einem ersten und einem zweiten Teil 40A und 40B gebildet.
Das Basiselement 40 hat einen doppelt konvexen äußeren Oberflächenbereich 42 entlang
in Längsrichtung
außenseitigen
Bereichen der Teile 40A und 40B. Der Oberflächenbereich 42 hat
vorteilhafterweise die gleiche Krümmung wie der Oberflächenbereich 34 des
mit dem Lager zusammenwirkenden Elements 32. Entlang der
Zentralebene 506 weist das Basiselement 42 eine
radial nach innen gerichtete Ausnehmung 46 auf, welche
den Vorsprung 36 aufnimmt. Die Teile 40A und 40B können aneinander
befestigt sein, beispielsweise durch Schweißen oder vorzugsweise unter
Longitudinaldruck zwischen einem vorderen und einem hinteren Teil
oder Element 48A und 48B aus einem Stapel 48 von
Abstandelementen, Lagern und anderen Elementen entlang der Welle 22 gehalten sein. Übt man ein
Zapfendrehmoment oder Zapfenmoment auf das Lagersystem aus (i.e.
ein Drehmoment zwischen der Abstützstruktur 24 und
der Welle 22 um eine Achse 504 ("Zapfenachse") quer zu der Maschinenachse 500),
so ist ein Rotieren der Wellenachse 502 relativ zur Maschinenachse 500 eingeschränkt, da
das Ineinanderpassen des Vorsprungs 36 und der Ausnehmung 46 ein
Rotieren des mit dem Lager zusammenwirkenden Elements 32 relativ
zu dem Basiselement 40 um Achsen quer zur Maschinenachse 500 verhindert.
Das Drehmoment wird jedoch auf den Vorsprung 36 übertragen.
Wenn das Zapfenmoment ansteigt, wird es schließlich ein Schwellenniveau erreichen,
was eine Realtivdrehung des mit dem Lager zusammenwirkenden Elements und
des Basiselements über
eine plastische Verformung bewirkt, was schließlich einen großen Teil
des Vorsprungs von dem Rest des mit dem Lager zusammenwirkenden
Elements 32 abscheren lassen kann. Der Betrag, um den der
Vorsprung entlang der Zapfenachse 504 verlagert werden
kann, ist relativ gering, und er nimmt auf ein Maximum von 90° gegenüber der
Zapfenachse 504 zu. In dem sich ergebenden freigegebenen
Zustand kann das Zapfenmoment die Wellenachse 502 aus dem
parallelen Zustand zu der Maschinenachse 500 um einen Winkel θ rotieren, wie
in 2 gezeigt. Der Winkel θ ist begrenzt. Beispielsweise
können,
wie in 2 gezeigt ist, in dem freigegebenen Zustand die
vordere und die hintere ringförmige
Oberfläche 50A und 50B des
mit dem Lager zusammenwirkenden Elements 32 in teilweisen Kontakt
mit einer entsprechenden vorderen und hinteren Oberfläche 52A und 52B der
Stapelbereiche 48A und 48B an diametral gegenüber liegenden
Positionen kommen, um den Winkel θ auf innerhalb eines Maximalwerts
zu beschränken.
Beispielsweise müssen
die Wellenachse und die Maschinenachse bei Normalbetrieb nicht um
mehr als etwa 1/10° oder breiter
1/5° von
parallel abweichen. Um einen Bläser-Blade-out-Vorfall
aufzunehmen, kann in der Nähe
des Lagers 25 ein Winkel θ von zwischen etwa einem halben
Grad und 3 Grad vorteilhafterweise vorgesehen sein. Somit kann die
Struktur vorzugsweise eine Grenze für den maximal zulässigen Winkel θ in einem
beispielhaften Bereich von bis zu drei Grad vorsehen (obwohl ein
geringerer Wert, beispielsweise ein Grad, auf bestimmte Situationen
anwendbar sein kann). Folglich kann das System eine sehr geringe
Winkelabweichung (z.B. bis zu etwa ein Zehntel oder ein Fünftel Grad)
(entweder über
Spiel oder über
elastische Verformung) aufnehmen, wobei eine weitere Abweichung
mit einer unelastischen Verformung bis zum maximal beschränkten Wert
einhergeht.
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Das
Freigeben bewirkt einen drastischen Abfall in der Zapfensteifheit.
Obwohl eine relativ geringe Freigabe von 50% möglicherweise nützlich ist,
ist eine größere Freigabe
von mindestens etwa 80% erwünscht.
In der Praxis kann die Freigabe annähernd vollständig sein,
wobei ein anfängliches
Abscheren den Vorsprung in Bereichen, die diametral entgegenliegenden
Stellen benachbart sind, trennt und eine anschließende Transientenbewegung
den Rest abschert, wenn die momentane Zapfenachse relativ zu der
Welle dreht. Vorzugsweise erreicht das System nach einem kurzen
Transientenübergang
ein synchrones Drehen, bei dem wenig Relativbewegung und somit Verschleiß zwischen
den Oberflächen 34 und 32 ist.
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In
dem freigegebenen Zustand erlaubt es das Lagersystem 20 der
Welle 22, weiter um die Maschinenachse 500 zu
rotieren und hält
dabei lokal die Welle radial entlang der Maschinenachse und verhindert
eine lokale radiale Verlagerung. Die Welle ist auch in Längsrichtung
gehalten. Außerdem
erlaubt ein verschiebliches Zusammenwirken des Oberflächenbereichs 34 entlang
dem Oberflächenbereich 42 eine
Variation in dem Winkel θ und
erlaubt so effektiv unter Transientenzuständen ein Rotieren der Welle um
Achsen, die geringfügig
außer
Ausrichtung mit der Maschinenachse 500 sind, bis ein synchrones Drehen
erreicht wird und optional in einem Dauerzustand während eines
vorgeschriebenen Intervalls zwischen der Freigabe und einem Punkt,
an dem die Relativrotation der Welle zu der Abstützstruktur beendet werden kann.
Zu diesem Zweck können
die Eigenschaften des mit der Welle zusammenwirkenden Elements und
des Basiselements so gewählt
sein, dass sie eine ausreichende Verschleißbeständigkeit entlang der Oberflächenbereiche 34 und 42 schaffen. Während Normalbetrieb
wird im wesentlichen kein Verschleiß der Oberflächen 34 und 42 stattfinden,
da das mit dem Lager zusammenwirkende Element 32 und das
Basiselement 40 relativ zueinander in einer unbeweglichen
Relation blockiert sind. Somit ist dieses Blockieren besonders vorteilhaft,
verglichen mit der Verwendung eines nicht-blockierenden selbst-zentrierenden
Lagers, da Letzteres während Normalbetrieb
einen Verschleiß erfahren
würde und erhöhte Haltbarkeit
und Gewicht fordern würde.
Ein derartiges nicht-blockierendes Lager kann einen geringeren Abfall
in der Wellen-Eigenfrequenz relativ zu den Lagern der vorliegenden
Erfindung erzeugen und würde
deshalb eine steifere Welle erfordern.
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3 zeigt
das Lagersystem 20, das als das Lager Nummer zwei in einem
Flugzeug-Gasturbinentriebwerk 60 installiert ist. Die Welle 22 ist
die Welle des Triebwerkrotors 62, und die Abstützstruktur 24 ist eine
nicht-rotierende Struktur in der Triebwerkgondel. Der Rotor 62 erstreckt
sich normal entlang der Achse 500 von einem vorderen Ende 64 zu
einem hinteren Ende 66. Dem vorderen Ende benachbart weist
der Rotor einen Bläser 68 mit
einer Anordnung von Bläserlaufschaufeln
auf, die von einer Nabe radial nach außen ragen. Der Rotor weist
auch zusätzliche
Komponenten, beispielsweise einen Verdichter und eine Turbine (die
in der schematischen Ansicht der 3 nicht
gezeigt sind) auf. Der Rotor ist von der Abstützstruktur 24 über eine
Mehrzahl von in Längsrichtung beabstandeten
Lagern abgestützt.
Der gezeigte Rotor ist beispielhaft für ein Rotorsystem mit drei
Lagern ("three-bearing" Rotorsystem). Das
Lager weist entlang der Achse 500 von vorne nach hinten
ein erstes Lager 70, welches dem Bläser 68 am nächsten ist, das
Kugellager 25 und ein drittes Lager 72, welches dem
hinteren Ende der Welle am nächsten
ist, auf. In einem typischen Triebwerk sind wahrscheinlich ein oder
mehrere zusätzliche
Lager zwischen dem Kugellager 25 und dem dritten Lager 72 angeordnet. Beispielsweise
wird, wo es zwei solche zusätzliche Lager
gibt, das erste Lager 70 als das Lager Nummer eins bezeichnet,
das Kugellager 25 als das Lager Nummer zwei bezeichnet
und das dritte Lager 72 als das Lager Nummer fünf bezeichnet.
In dem gezeigten Beispiel sind das erste und das dritte Lager Lager vom
Kugellagertyp, die für
den Rotor eine radiale Abstützung,
aber keine Abstützung
in Längsrichtung
liefern. Das Kugellager 25 liefert sowohl eine radiale Abstützung als
auch eine Abstützung
in Längsrichtung.
Um das erste Lager 70 freibrechbar zu montieren, ist sein
innerer Laufring 74 zusammenwirkend mit einer Hülse 76,
die einstückig
mit einer vorderen Nabenscheibe 78 der Welle 22 gebildet
ist und von dort nach hinten ragt. Eine ringförmige Ausnehmung 80,
die innerhalb von der äußeren Oberfläche der Hülse 76 verläuft, schafft
eine Schwächungszone von
bevorzugter Nachgiebigkeit. Unter normalen Betriebsbedingungen wird
das Zusammenwirken zwischen der Hülse 76 und dem inneren
Laufring durch die Wälzelemente 82 und
von dort zu dem äußeren Laufring 84 übertragen,
der wiederum eine derartige Kraft auf die Abstützstruktur 24 überträgt. Das
beschränkt
eine Radialbewegung der Welle 22 in der Nähe des ersten
Lagers 70. Wenn die Radialkraft, die durch das erste Lager 70 übertragen
wird, einen Schwellenwert überschreitet,
gibt es eine unelastische Verformung der Hülse 76 an der Nachgiebigkeitszone/Ausnehmung 80.
Die Verformung kann ein plastisches Nachgeben sein, oder sie kann
ein Brechen sein. Die Verformung verringert oder eliminiert die
Tendenz des ersten Lagers 70, einer lokalen radialen Verlagerung
der Welle 22 entgegenzuwirken.
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Wenn
das Triebwerk 60 unter normalen Reisebedingungen arbeitet,
werden die Unwuchtkräfte, die
mit einem Blade-off-Vorfall einhergehen, die Schwellenwertkraft überschreiten
und ein Freibrechen der ersten Lagerabstützung induzieren, eine radiale
Exkursion des Zentrums der Nabe und der Welle 22 in der
Nähe des
ersten Lagers 70 (4) erlauben.
Die radiale Exkursion biegt die Welle 22. Wäre das Kugellager 25 starr
montiert, würde
ein derartiges Biegen in großem
Maße auf
die Länge
der Wellen vor dem Lager 25 beschränkt sein und würde zum Übertragen
eines signifikanten Zapfendrehmoments durch das Lager 25 führen. Wenn
jedoch das auf das Kugellager 25 durch ein Biegen des vorderen
Bereichs der Welle übertragene
Zapfenmoment das Schwellendrehmoment erreicht, setzt es das Kugellager 25 aus
dem blockierten Zustand frei und erlaubt es der Wellenachse 502,
lokal aus dem Parallelzustand zu der Maschinenachse 500 zu
rotieren. Das Kugellager 25 hält weiterhin lokal die Welle 22 in
der Abstützstruktur 24 sowohl
radial als auch in Längsrichtung,
es verschafft der Welle jedoch einen begrenzten orientierungsmäßigen Freiheitsgrad
rechtwinklig zur Maschinenachse. Bei dem so freigegebenen Lagersystem 20 erfährt das
Kugellager 25 nicht länger
irgendein signifikantes Zapfendrehmoment, welches ansonsten bewirken
könnte,
dass es während
eines längeren
Freilauf-Intervalls versagt. Wenn das Lagersystem freigegeben ist,
kann der Welle erlaubt sein, eine Verformung (elastisch oder unelastisch)
aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise wird in dem verformten Zustand
der verlagerte Schwerpunkt des Bläsers relativ nahe an die Maschinenachse 500 gebracht.
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5 zeigt
ein alternatives Lagersystem 100. Elemente des Lagersystems 100,
die ähnlich denen
des Lagersystems 20 sein können, sind mit gleichen Bezugszeichen
gezeigt. Ein mit dem Lager zusammenwirkendes Element 102 ist
aus einem Vorderteil und einem Hinterteil 102A und 102B gebildet. Das
mit dem Lager zusammenwirkende Element 102 hat einen zentralen
ringförmigen
radial nach innen gerichteten Vorsprung 104, der in Längsrichtung
relativ schmal ist und eine innere Oberfläche 106 hat, die in
Längsrichtung
konvex und in Transversalrichtung konkav ist. Jedes Teil 102A und 102B hat
eine in Längsrichtung
nach außen
ragende Hülse 108 mit
einem dünnen,
langen Querschnitt und einem außenseitigen
Ende 110, welches mit der benachbarten Wandoberfläche 52A bzw. 52B zusammenwirkt.
Ein Basiselement 112 umgibt die Welle 22 und wirkt
mit dieser zusammen. Das Basiselement 112 überspannt
die Strecke zwischen den Wandoberflächen 52A und 52B und überträgt den Großteil der
kompressiven Stapelkraft. Das Basiselement 112 hat eine
zylinderförmige äußere Oberfläche 114 in
Kontakt mit der inneren Oberfläche 106 des
mit dem Lager zusammenwirkenden Element 102. Wenn das Zapfendrehmoment
den Schwellenwert erreicht, wird sich die Hülse 108 unelastisch
verformen (6), wobei jede Hülse ihre
maximale Verformung diametral gegenüberliegend zu der der anderen
Hülse hat. An
der Umfangsstelle, wo eine der Hülsen 108 komprimiert
und unelastisch zusammengedrückt
wird, wird die andere weg von ihrer zugehörigen Wandoberfläche 52A oder 52b gezogen.
Das mit dem Lager zusammenwirkende Element 102 wird ein
wenig auf seinem Vorsprung 104 schwenken. Die Oberfläche 106 wird
ein wenig entlang der Oberfläche 114 gleiten,
und der Vorsprung 104 und/oder das Basiselement 112 kann
ein wenig verformt werden, um die Änderung der Ausrichtung des
mit dem Lager zusammenwirkenden Elements 102 aufzunehmen.
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7 zeigt
ein anderes alternatives Lagersystem 120 in einem blockierten
Anfangszustand. Ein mit dem Lager zusammenwirkendes Element 122 hat
eine innere Oberfläche 124,
die in Längsrichtung
konvex und in Querrichtung konkav ist und mit einem äußeren Oberflächenbereich 126 eines
Basiselements 128 zusammenwirkt. An der vorderen und der
hinteren Extremposition hat das mit dem Lager zusammenwirkende Element 122 ringförmige Ringbereiche 130A und 130B.
Zwischen jedem ringförmigen
Ringbereich 130A und 130B und dem Zentralbereich
des mit dem Lager zusammenwirkenden Elements befindet sich eine
Nachgiebigkeitszone 132 mit reduzierter Dicke. Wenn das
Zapfenmoment, welches das Lager erfährt, den Schwellenwert erreicht, kommt
es zu einer unelastischen Verformung an den Nachgiebigkeitszonen 132 (8)
und erlaubt es dem Zentralbereich, in einer ähnlichen Weise wie bei dem
mit dem Lager zusammenwirkenden Element 102 des Lagersystems 100 von 5 zu
schwenken. Eine Abschlusswand eines jeden Ringbereichs 130A und 130B kann
lokal außer
Kontakt mit seiner zugehörigen
Wandoberfläche 52A und 52B dem
umfangsmäßigen Bereich
benachbart, wo das Schwenken der Zentralbereiche einen derartigen
Zentralbereich radial nach außen
an der Nachgiebigkeitszone zieht, kommen.
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9 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform
des Lagersystems 140, bei dem die winkelmäßig freigebbare
Befestigung das Lager mit der Abstützstruktur 24' statt mit der
Welle 22 koppelt. Der innere Laufring 142 des
Kugellagers 144 ist haltbar an der Welle 22 zwischen
einem vorderen und einem hinteren Stapelbereich 48A' und 48B' befestigt.
Das mit dem Lager zusammenwirkende Element 146, welches
ein vorderes und ein hinteres Teil 146A und 146B hat,
fängt sicher
den äußeren Laufring 148. Das
mit dem Lager zusammenwirkende Element 146 hat einen doppelt
konvexen äußeren Oberflächenbereich 150 entlang
in Längsrichtung
außen
liegenden Extrembereichen der Teile 146A und 146B.
Ein ringförmiger
Vorsprung 152 ragt von dem äußeren Oberflächenbereich 150 radial
nach außen.
Ein Passelement für
das mit dem Lager zusammenwirkende Element ist durch die Kombination
eines vorderen Bereichs 160 der Abstützstruktur 24' und eines ringförmigen Klemmelements 162 an
dem vorderen Bereich 160 beispielsweise mit Schrauben befestigt.
Die Kombination des vorderen Bereichs 160 und des Klemmelements 162 hat
einen doppelt konkaven Oberflächenbereich 164 an
entgegengesetzten Seiten einer Ausnehmung 166 an deren Übergang.
Die Ausnehmung 166 fängt
den Vorsprung 152, um das mit dem Lager zusammenwirkende
Element 146 normal an der Abstützstruktur 24' zu blockieren,
um so ein Rotieren der Wellenachse 502 weg von der Maschinenachse 500 zu
verhindern. Wird das Schwellenwert-Zapfendrehmoment ausgeübt, wird
der Vorsprung 152 von dem Rest des mit dem Lager zusammenwirkenden
Elements 146 (10) abgeschert und erlaubt es
den Oberflächenbereichen 164 und 150,
aneinander zu gleiten und schafft ein Rotieren der Wellenachse und
seiner Achse aus dem Parallelzustand zu der Maschinenachse. Somit
bleibt die Lagerachse zusammenfallend mit der Wellenachse und nicht
mit der Maschinenachse.
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11 ist
eine Teildarstellung eines weiteren alternativen Lagersystems 200,
bei der ein ringförmiger
Abscherkeil 202 separat von dem entsprechenden mit dem
Lager zusammenwirkenden Element und dem Basiselement gebildet ist
und normal in Ausnehmungen eines jeden aufgenommen ist. Wenn das
Zapfenmoment den Schwellenwert erreicht, wird der Keil abgeschert
und erlaubt es dem mit dem Lager zusammenwirkenden Element, entlang
dem Basiselement zu gleiten.
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12 zeigt
ein weiteres alternatives Lagersystem 220, bei dem ein
mit dem Lager zusammenwirkendes Element und ein Basiselement normal
relativ zueinander über
ein vorderes und ein hinteres Klemmelement 224A und 224B relativ
zueinander festgelegt sind, wobei ein Innenbereich eines jeden Klemmelements
mit dem Basiselement zusammenwirkt und ein äußerer Bereich eines jeden Klemmelements
mit dem mit dem Lager zusammenwirkenden Element zusammenwirkt. Eine
unelastische Verformung der Klemmelemente 224A und 224B an
deren äußeren Extrembereichen
liefert die Freigabe von dem Widerstand gegen eine Zapfenbewegung.
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13 zeigt
ein weiteres Lagersystem 240, bei dem die äußeren Extrembereiche
von Klemmelementen 242 von dem Rest der Klemmelemente abgeschert
werden, um eine Zapfenbewegungsfreigabe zu liefern.
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14 zeigt
ein alternatives Lagersystem 260, bei dem äußere Flügel 262 des
mit dem Lager zusammenwirkenden Elements unelastisch in Längsrichtung
nach innen verformt werden, um eine Zapfenbewegungsfreigabe zu liefern.
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15 zeigt
ein weiteres alternatives Lagersystem 280, bei dem das
Basiselement eine äußere kugelförmige Oberfläche hat
und das mit dem Lager zusammenwirkende Element an einem Ende an
der Welle befestigt ist, während
das andere Ende frei ist. Eine einem Übergang 282 benachbarte
plastische Verformung zwischen einem Hauptteil des mit dem Lager
zusammenwirkenden Elements und dem an der Welle befestigten Teil
erlaubt es dem Hauptteil, entlang der äußeren Oberfläche des
Basiselements zu gleiten, wenn die Zapfenbewegung den Schwellenwert
erreicht.
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16 zeigt
ein weiteres alternatives Lagersystem 300, bei dem das
mit dem Lager zusammenwirkende Element erste Nachgiebigkeitselemente 302 aufweist,
die mit benachbarten Stapelbereichen an einer radial relativ außenseitigen
Stelle zusammenwirken, und zweite Nachgiebigkeitselemente 304 aufweist,
die in Längsrichtung
außerhalb
von dem zentralen Vorsprung mit einem Basiselement zusammenwirken.
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17 zeigt
ein weiteres alternatives Lagersystem 320, bei dem die
Nachgiebigkeitselemente 322 an Elementen des Stapels statt
an dem mit dem Lager zusammenwirkenden Element gebildet sind. Optional
können
die flachen Oberflächen
des mit dem Lager zusammenwirkenden Elements, die mit den Passflächen des
Stapels zusammenwirken, durch Abrunden nachgeben.
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18 zeigt
ein anderes alternatives Lagersystem 340, bei dem die unelastische
Verformung an in Längsrichtung
außenseitigen
Stegen 342 erfolgt, die von dem mit dem Lager zusammenwirkenden Element
an entgegengesetzten Seiten des Basiselements nach innen ragen.
Das kann optional durch Nachgiebigkeitselemente 344, die
als zerdrückbare Längsvorsprünge von
dem Stapel gebildet sind, unterstützt oder ersetzt werden.
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19 zeigt
ein weiteres alternatives Lagersystem 360, bei dem jedes
Teil des mit dem Lager zusammenwirkenden Elements einen inneren
Bereich 364 hat, der mindestens teilweise zwischen dem
inneren Lagerlaufring und dem Basiselement angeordnet ist, und ein äußeres Element 366 hat,
welches zwischen dem Basiselement und dem benachbarten Stapelbereich
festgelegt ist. Das innere und das äußere Element sind über einen
dünnen
ringförmigen Steg 368 verbunden,
der ein ringförmiges
inneres Kompartment zwischen dem inneren und dem äußeren Bereich
begrenzt und sich plastisch verformt, um die Zapfensteifheitsfreigabe
zu liefern.
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20 zeigt
ein alternatives Lagersystem 380, bei dem jedes der zwei
Teile des mit dem Lager zusammenwirkenden Elements mit einem generell nach
innen gerichteten Vorsprung 382 gebildet ist, der mit dem
Basiselement an einer Stelle, die in Längsrichtung von der Lagermittelebene
beabstandet ist, zusammenwirkt. Die Freigabe wird durch eine Verformung
von ringförmigen
Hülsen 384 geschaffen.
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Eine
oder mehrere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurden beschrieben. Dennoch wird man
verstehen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne
von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die
Prinzipien der Erfindung in einer breiten Vielzahl von Konfigurationen
implementiert werden. Verschiedene Aspekte von verschiedenen gezeigten
Komponenten können
mit anderen gezeigten Komponenten kombiniert werden, beispielsweise durch
das Integrieren von Merkmalen der Lagerabstützungen mit den Laufringen
oder mit den zwei Elementen (z.B. der gezeigten Rotorwelle und dem
Abstützrahmen),
deren Relativrotation zueinander das Lager erlaubt. Obwohl auf Kugellager
angewandt, kann die Erfindung mit anderen Lagerkonstruktionen verwendet
werden, einschließlich
anderen Wälzelementlagern,
beispielsweise solchen, die zylinderförmige Wälzelemente verwenden. Folglich
sind andere Ausführungsformen
in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche.