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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere
das Bereitstellen eines Befestigungs-Abstützsystems für ein an einem Getriebe der
Maschine angebrachtes Anbauteil, welches einen Schaden an dem Anbauteil
und dem Getriebe im Falle eines ernsten Rotor-Unwuchtzustands, beispielsweise
einem Bläserlaufschaufelverlust,
minimiert.
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Moderne
Gasturbinen-Flugzeugtriebwerke haben Getriebe, die an deren Außengehäusen befestigt
sind. Das Hauptgetriebe ist generell unter dem Kern- oder Bläsergehäuse der
Maschine positioniert und verwendet Leistung von der Maschine, um
die Haupt-Anbauteile anzutreiben, die für die Funktionen der Maschine
benötigt
werden, beispielsweise Generatoren für Elektrizität, Pumpen
zum Zirkulieren von Fluiden und Wärmetauscher zum Kühlen von Öl oder zum
Erwärmen
von Brennstoff. Die Anbauteile sind häufig an dem Getriebe befestigt.
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Das
Hauptgetriebe von modernen Turbobläsermaschinen, beispielsweise
dem Modell PW4000, welches von der Pratt & Whitney Division der United Technologies
Corporation hergestellt wird, ist in der Maschinenkernverkleidung
befestigt und von einem Winkelgetriebe durch eine Königswelle
von dem Hochdruckverdichter angetrieben. Das Hauptgetriebe treibt
die Brennstoffpumpe, die Ölsumpfpumpe den
elektrischen Generator für
die elektronische Maschinensteuerung, den externen Entöler, die
Hydaulikpumpe und den antriebsintegrierten Generator (integrated
drive generator, für
die Flugzeugelektrizität).
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Verschiedene
Befestigungsanordnungen werden verwendet, um derartige Anbauteile
des Getriebes an dem Getriebegehäuse
zu befestigen. Die Anbauteile, wie beispielsweise die Brennstoffpumpe, sind
häufig
fest mit dem Getriebe mit einer Reihe von Schrauben an einem Befestigungsflansch
an der Seite des Getriebes verbunden.
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Ein
Problem, welches durch das Befestigen des Getriebes an dem Maschinengehäuse verursacht
ist, ist, dass das Getriebe und die zugehörigen, befestigten Anbauteile
hohen Belastungen ausgesetzt sind, die durch Rotorunwuchten ver ursacht sind.
Heftige Rotorunwucht kann in einer Maschine insbesondere nachdem
eine Bläserlaufschaufel
von der Rotoranordnung wegbricht, auftreten. Eine Ursache von Bläserlaufschaufelverlust
ist der Zusammenstoß mit
Fremdkörpern,
beispielsweise Vögeln,
Hagelkörnern
oder anderen Gegenständen,
die gelegentlich in die Maschine aufgenommen werden. Die gelöste Bläserlaufschaufel
wird nach außen
geworfen und geht durch das Bläsergehäuse, wird
jedoch typischerweise von den Textilwindungen in der Bläserrückhaltegehäuseanordnung
gefangen. Laufschaufelverlust erzeugt eine Unwucht in dem Rotor und
bewirkt ein Verformen der Rotorwelle radial nach außen. Je
mehr sich der Rotor verformt, umso größer ist die radiale Belastung
auf die Rotorlagerabstützungen.
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Die
Rotorunwuchtlasten werden von den Lagerabstützungen auf das Maschinengehäuse und schließlich auf
das an dem Maschinengehäuse
befestigte Getriebe übertragen.
Das Getriebe wird zu einer Bewegung mit der Maschine gezwungen,
da das Getriebe an dem Maschinengehäuse befestigt ist. Wiederum
werden Belastungen von dem Getriebe auf die an dem Getriebe befestigten
Anbauteile übertragen.
An der Zwischenfläche
von Anbauteil und Getriebe wirkt das Anbauteil infolge seiner relativ
hohen Masse den auf die Zwischenfläche von dem Getriebe aufgebrachten
Lasten entgegen. Die Reaktion, statt der Übertragung dieser Belastungen
durch die Zwischenfläche,
führt zu
hohen Zwischenflächenspannungen,
die Rissbildung an der Zwischenfläche verursachen können. Die
Rissbildungen können
sich ausbreiten und das Freiwerden des Anbauteils selbst von dem
Getriebe infolge der Separation an der Befestigungs-Zwischenfläche von
Getriebegehäuse und
des Anbauteil verursachen.
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Außerdem kann,
wenn ein Brennstoff führendes
Anbauteil von dem Getriebe wegbricht oder weggerissen wird, verspritzter
Brennstoff ein Feuer verursachen. Insbesondere können die an dem Getriebe befestigte
Brennstoffpumpe und die Brennstoffzumesseinheit, wenn sie gebrochen
sind, Brennstoff freisetzen und derartige Feuerbedingungen verursachen.
Die Rissbildung kann an dem Befestigungsflansch der Brennstoffpumpe
beginnen, was übermäßige Verformungen
in der Zwischenfläche
zwischen dem Getriebe und der befestigten Brennstoffpumpe erzeugen
kann, die wiederum Brennstoffleitungen brechen könnten und in unerwünschter
Weise Brennstoff freisetzen könnten.
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Folglich
wurden Getriebegehäuse
und Anbauteilbefestigungen dicker gemacht, die Befestigungspunkte
stärker
gemacht, und andere Festigkeits- und Haltbarkeitsanforderungen wurden
erhöht. Jedoch
haben diese Lösungen
des Stands der Technik zu substanziell schwererer Hardware geführt, was
wiederum dazu geführt
hat, dass Getriebebefestigungslasten zugenommen haben. Andererseits
ist die Effizienz der Maschinen durch solche schwerere Hardware
negativ beeinträchtigt.
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US-A-4
543 785 beschreibt eine Gasturbinenmaschine mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Somit
ist die Herausforderung für
moderne Gasturbinenmaschinen während
heftiger Rotorunwuchtereignisse das Begrenzen von Beschädigung an
den Anbauteilbefestigungen, dem Getriebe und dem Anbauteil selbst.
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Ein
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Befestigungsanordnung für ein
Getriebeanbauteil, welche die den Zwischenflächenspannungen zwischen dem
Anbauteil und dem Getriebe minimiert, die während eines heftigen Rotorunwuchtereignisses,
beispielsweise eines Bläserlaufschaufelverlustzustands,
erfahren werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Gasturbinenmaschinen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Somit
isoliert gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vorrichtung zum Befestigen eines Getriebeanbauteils
für eine
Gasturbinenmaschine im Wesentlichen das Anbauteil gegen direkte
mechanische Belastung von dem Maschinengehäuse während normaler Maschinenbetriebsbedingungen
und koppelt das Anbauteil an das Maschinengehäuse während hoher Rotorunwuchtbedingungen,
um Zwischenflächenbelastungen
zwischen dem Getriebe und dem Anbauteil zu minimieren. Durch das
Koppeln des Anbauteils an das Maschinengehäuse während eines heftigen Rotorunwuchtzustands
werden das Getriebe und das Anbauteil im Wesentlichen im Einklang
verlagert (schwingen gemeinsam), und so werden Zwischenflächenbelastungen
(-spannungen) dazwischen minimiert, die ansonsten eine Rissbildung
an der Zwischenfläche
verursachen würden, wenn
ihnen die Masse des Anbauteils entgegenwirken würde.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
weist die Vorrichtung eine Befestigungsplatte mit Befestigungspunkten
für Verbindungselemente
auf, die sich zu Halterungen erstrecken und daran angebracht sind,
die an dem Maschinengehäuse
befestigt sind. Die Halterungen nehmen ein Biegen und Torsionsverformungen
des Maschinengehäuses
und des Anbauteils auf und isolieren so das Anbauteil während normalen
Maschinenbetriebs gegen das Maschinengehäuse. Die Platte hat eine Geometrie
und eine Dicke, die ausreichend sind, um die Belastungen zwischen
den Verbindungselementen und dem Anbauteil während eines heftigen Rotorunwuchtzustands zu
tragen. Ein Silentblock und eine Büchse sind an der Zwischenfläche zwischen
den Verbindungselementen und der Platte angeordnet, welche die Wechselwirkung
der Verbindungselemente mit dem Anbauteil während normalem Maschinenbetrieb
dämpfen.
Während
eines heftigen Rotorunwuchtereignisses wird der Silentblock zusammengedrückt und
kollabiert, um das Äquivalent
zu einer harten Kopplung zwischen dem Anbauteil und der Maschine
zu schaffen.
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Ein
Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist das Minimieren von Beschädigung an
den Anbauteilen und dem Getriebegehäuse während heftiger Rotorunwuchtbedingungen,
beispielsweise in dem Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts. Die
Befestigung für
Getriebeanbauteile der vorliegenden Erfindung liefert eine akzeptable
Einrichtung zum Minieren von Spannungen an der Zwischenfläche von
Getriebe und Anbauteilen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist deren Fähigkeit,
eine geeignete Befestigungsstruktur für das an dem Getriebe angebrachte
Anbauteil sowohl während
normaler Betriebsbedingungen als auch während eines heftigen Rotorunwuchtereignisses
zu schaffen. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit und sind die
Kosten der Herstellung und des Inkorporierens der Befestigung der
vorliegenden Erfindung in die Befestigungsanordnung des Stands der
Technik. Die Einfachheit der Struktur der Befestigung und die Verwendung
von wirtschaftlichen und leicht verfügbaren Materialien erlaubt
kosteneffiziente Herstellungsverfahren. Die Befestigung der vorliegenden
Erfindung benötigt
keine periodische Wartung und ist somit kosteneffektiv in Maschinen
des Stands der Technik zu inkorporieren. Das Getriebegehäuse kann
leichter gemacht werden, da die Festigkeit des daran angebrachten Anbauteils
und des Getriebegehäuses
wegen der vorliegenden Erfindung nicht erhöht werden müssen.
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In
der Folge ist die Verwendung der Anbauteilbefestigung der vorliegenden
Erfindung vorteilhaft für
die Effizienz der Maschine.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer typischen Axialströmungs-Turbobläsermaschine,
die ein Getriebe in einer befestigten Position an dem Außengehäuse der
Maschine zeigt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Gasturbinenmaschine von 1 mit
einer vergrößerten,
auseinander gezogenen Ansicht des Getriebes und der Befestigung
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die Details der Befestigung der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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4 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht, welche die Verbindung
zwischen einem der Verbindungselemente und der Platte der Befestigung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 beweist
als ihre Hauptkomponenten einen Bläserabschnitt 12, einen
Verdichtungsabschnitt 14, einen Verbrennungsabschnitt 16 und
einen Turbinenabschnitt 18 auf. Der Verdichtungsabschnitt
und der Turbinenabschnitt enthalten jeweils eine oder mehrere Stufen
von Verdichter und Turbine (nicht gezeigt), die um eine zentrale
Rotationsachse 20 rotieren. Die Hauptkomponenten sind von
einem im Wesentlichen zylinderförmigen
Außengehäuse 22 umgeben,
welches als eine Hauptstrukturabstützung für die Maschine dient. Das Außengehäuse ist
normalerweise aus einzelnen Gehäuseabschnitten
wie den Gehäuseabschnitten 24 und 26 aufgebaut,
die an Schraubflanschen, beispielsweise Flansch 30, miteinander
verbunden sind. Ein Getriebe 40 ist an dem Außengehäuse 22 befestigt.
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Es
wird auf 2 Bezug genommen. Das Getriebe 40 ist
an dem Außengehäuse mit
einem Positionierelement 42 und seitlichen Hänge-Verbindungselementen 44 befestigt.
Das Positionierelement 42 behält die Ausrichtung des Getriebege häuses zu
dem Maschinengehäuse
bei. Die Mehrzahl von Hänge-Verbindungselementen 44 positioniert und
stabilisiert das Getriebe bezüglich
des Maschinengehäuses.
Das Getriebe ist auch mit der T-förmigen Befestigung 48 axial
vor dem Positionierelement 42 und den Hänge-Verbindungselementen 44 an
der Maschine angebracht. Ein an dem Getriebe befestigtes Anbauteil,
beispielsweise die Brennstoffpumpe 50, ist an dem Getriebe
unter Verwendung einer Reihe von Schrauben an einem Flansch 52 an
der Stirnseite des Getriebes befestigt.
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Es
wird auf die 3 und 4 Bezug
genommen. Die Befestigung 60 für die an dem Getriebe befestigten
Anbauteile weist eine Befestigungsplatte 62 mit Befestigungspunkten
für ein
erstes Verbindungselement 64 und ein zweites Verbindungselement 66 auf.
Das erste Verbindungselement 64 und das zweite Verbindungselement 66 sind
generell orthogonal zueinander. Die Verbindungselemente erstrecken
sich zu und sind angebracht an einer ersten und einer zweiten Halterung 68, 70,
die fest (hard mounted) an dem Maschinengehäuse befestigt sind. Für das Modell
PW4000 hat die Befestigungsplatte 62 etwa ein Viertel Inch
(1/4'') oder 0,006 m Dicke. Die
Platte ist aus AMS 5525, Revision G (Stahl) gebildet, um maximale
Festigkeit zu liefern und dabei die Fehlanpassung der Wärmeausdehnung
zu dem Anbauteil, zu dem es passt, welches typischerweise aus Aluminium
hergestellt ist, zu reduzieren. Die Platte hat eine Geometrie und
eine Dicke, die ausreichend sind, um Belastungen zwischen den Verbindungselementen
und dem Anbauteil während
eines heftigen Rotorunwuchtereignisses zu tragen. Außerdem schafft
die Geometrie der Platte eine gleichförmige Belastungsverteilung
von der Platte auf die Verbindungspunkte zu den Anbauteilen, insbesondere der
Brennstoffpumpe. Die Platte ist an dem Anbauteil mit Schrauben 72 oder
Stummeln befestigt.
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Das
erste Verbindungselement 64 und das zweite Verbindungselement 66 sind
aus AMS 5663, Revision J (Nickellegierung) gebildet, um ausreichende
Festigkeit zum Tragen der mit einem heftigen Rotorunwuchtzustand
einhergehenden Belastungen zu liefern. Die Verbindungselemente sind
unter Verwendung einer Gewindestange und einer Öffnung wie bei einer Spannschraubenanordnung
einstellbar, um eine einfache Installation zu erlauben, um normale
Montage und Herstellungstoleranzen aufzunehmen.
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Silentblöcke 74,
die aus Silikonkautschuk bzw. -gummi hergestellt sind, sind in Buchsen 76 aufgenommen,
die aus AMS 5663, Revision J (Nickellegierung) hergestellt sind,
die wiederum in Öffnungen 77 in
der Platte 62 aufgenommen sind. Ein Gabelkopf 78 am
Ende eines jeden Verbindungselements ist schwenkbar an der Platte
an der Öffnung 77 mittels einer
in der Buchse 76 aufgenommenen und in passende Öffnungen
in dem Gabelkopf geschraubten Schraube 79 angebracht. Die
Silentblöcke
dämpfen Schwingungen
zwischen dem Anbauteil und den Verbindungselementen während normalen
Maschinenbetriebs. Unter heftigen Rotorunwuchtbelastungen werden
die Silentblöcke
komprimiert und kollabieren zu einem Zustand minimaler Elastizität und schaffen so
etwas, was im Wesentlichen eine harte Kopplung zwischen dem Anbauteil
und dem Maschinengehäuse
ist. Die Silentblöcke
der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise aus einem Elastomer
hergestellt. Man sollte verstehen, dass Silent Blöcke aus Nicht-Elastomermaterial
für Hochtemperaturanwendungen
verwendet werden können.
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Die
erste Halterung 68 schließt das Befestigungsabstützsystem
an dem Maschinengehäuse
an der Stelle des Hochdruckverdichters an und ist aus AMS 5663,
Revision J (Nickellegierung) hergestellt. Die zweite Halterung 70 schließt das Befestigungsabstützsystem
an dem Maschinengehäuse
an der Stelle des Hochdruckverdichters an und ist aus AMS 6532,
Revision A (Stahl) hergestellt, um Steifheits- und Lastanforderungen
zu erfüllen.
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Während normalen
Maschinenbetriebs werden Trägheitsbelastungen,
die mit der Maschinenverlagerung einhergehen, die von den Maschinenlagerabstützungen
und dem Bläsergehäuse herrühren, durch
den die Getriebe-Gehäusebefestigungen
an die Getriebeanbauteile, beispielsweise die Brennstoffpumpe, übertragen.
Die Getriebe-Anbauteilbefestigung der vorliegenden Erfindung isoliert
das Anbauteil im Wesentlichen gegen eine direkte mechanische Belastung
von dem Maschinengehäuse
während
normaler Maschinenbetriebzustände.
Die Halterungen der vorliegenden Erfindung nehmen Biegen und Torsionsverlagerungen
des Maschinengehäuses und
des Anbauteils auf und isolieren so das Anbauteil während normalen
Maschinenbetriebs gegen das Maschinengehäuse. Die Silientblöcke und
Buchsen der vorliegenden Erfindung dämpfen die Wechselwirkung der
Verbindungselemente mit dem Anbauteil.
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Während eines
harschen Rotorunwuchtzustands koppelt die Befestigung 60 der
vorliegenden Erfindung das Anbauteil 50 an das Maschinengehäuse 22,
um Zwischenflächenbelastungen
zwischen dem Getriebe und dem Anbauteil zu minimieren. Heftige Maschinengehäuseverformungen
werden durch die Verbindungselemente übertragen, und die Silentblöcke 74 werden
komprimiert und kollabieren infolge des Aufbringens derart hoher
Verformungsbelastungen. Das Kollabieren der Silentblöcke schafft
im Wesentlichen eine harte Kopplung zwischen dem Getriebe und dem
Maschinengehäuse.
Durch das Koppeln des Anbauteils an das Maschinengehäuse in einer
derartigen Weise schwingen das Anbauteil und das Getriebe miteinander.
In der Folge reagiert die Masse des Anbauteils nicht auf die Belastung
des Anbauteils durch die auf das Anbauteil durch das Getriebe übertragenen
Belastungen (arbeitet nicht dagegen). Deshalb sind die Zwischenflächenspannungen
zwischen dem Anbauteil und dem Getriebe minimiert, und die Zwischenfläche ist
während
eines heftigen Rotorunwuchtereignisses nicht beeinträchtigt.
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Ein
Hauptvorteil der Getriebeanbauteilbefestigung der vorliegenden Erfindung
ist das Minimieren von Schaden an der Zwischenfläche zwischen dem Anbauteil
und dem Getriebe in dem Fall von großen Rotorunwuchten, beispielsweise
eines Bläserlaufschaufelverlusts.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist deren Fähigkeit,
eine geeignete Befestigung für
das Getriebe-befestigte Anbauteil sowohl während Normalbtriebs als auch
während
eines heftigen Rotorunwuchtereignisses zu schaffen. Ein weiterer
Vorteil sind die Einfachheit und die Kosten der Herstellung und
des Inkorporierens der Befestigung der vorliegenden Erfindung. Die
Einfachheit der Struktur und die Verwendung von wirtschaftlichen Materialien
erlauben kosteneffektive Herstellungsverfahren. Außerdem können Getriebe
und Anbauteile des Stands der Technik auf kosteneffiziente Weise
zum Beinhalten der Anbauteilbefestigung nachgerüstet werden. Durch das Inkorporieren
der Getriebebefestigungen der vorliegenden Erfindung limitieren aktuelle
Maschinen eine Beschädigung
an dem Getriebe-befestigten Anbauteilen während heftiger Rotorunwuchtereignisse.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollten Fachleute verstehen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
beanspruchten Erfindung abzuweichen. Wie vorangehend be schrieben,
wurden die Bauteile der Befestigung der vorliegenden Erfindung,
wie beispielsweise die Halterungen, Verbindungselemente, Silenblöcke und
Buchsen als aus bestimmten Materialien hergestellt beschrieben.
man sollte verstehen, dass jegliches Material ausreichender Festigkeit, Steifigkeit
und Temperatureignung die vorangehend erwähnten Materialien ersetzen
kann.