DE972792C

DE972792C - Aus einer Antriebsmaschine und einer Arbeitsmaschine, insbesondere Turbomaschinen, bestehendes Maschinenaggregat

Info

Publication number: DE972792C
Application number: DEL5683D
Authority: DE
Inventors: Karl Dr-Ing Leist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1941-05-13
Filing date: 1941-05-13
Publication date: 1959-09-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aus einer Turboantriebsmaschine und einer Turboarbeitsmaschine, insbesondere einer z. B. axial beaufschlagten Gasturbine und einem Turbogebläse, z. B. Radialturbogebläse,bestehendes Maschinenaggregat, dessen Läufer voneinander getrennt, aber gleichachsig angeordnet sind. Die Erfindung erstrebt insbesondere kurze Baulänge derartiger Aggregate sowie eine betriebssichere und schwingungsfreie Lagerung ihrer umlaufenden Teile.

Dies ist insbesondere für sogenannte Turbolader von Flugmotoren erstrebenswert, da der für solche Aggregate vorgesehene Platz zwischen dem Motor und dem Brandschott im allgemeinen sehr klein ist und daher eine Ausnutzung des Raumes dringend geboten ist. Vor allem ist eine kurze Baulänge von Wichtigkeit, wenn zwei hinten am Motor befestigte Turboladeraggregate in Querrichtung des Flugzeugs unterhalb der Motorverkleidung angeordnet werden sollen.

Eine andere Schwierigkeit beim Bau von Abgasturboladern wie bei allen Strömungsmaschinen oder anderen Maschinenaggregaten liegt ferner in der Möglichkeit, daß die Betriebsdrehzahl sich der kritischen Drehzahl der umlaufenden Teile zu sehr nähert. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, daß die Welle der Maschine einen möglichst großen Durchmesser erhält, was jedoch bei großer Bau-

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länge und Lagerung der Welle im Gehäuse außer gewichtlichen Nachteilen vor allem große Lagerdurchmesser und damit bei Gleitlagern hohe Gleitgeschwindigkeiten, bei Kugellagern hohe Käfiggeschwindigkeiten zur Folge hat.

Die Erfindung beseitigt diese Übelstände durch die Kombination dreier für sich allein bereits bekannter Maßnahmen und besteht darin, daß das Aggregat an seinen beiden Enden mittels gesonderter Lagerböcke auf kleinem Zapfendurchmesser gelagert ist und daß die Lager unmittelbar neben oder in den Läufern angeordnet sind und beide Läufer durch ein Verbindungsstück verbunden sind, dessen Durchmesser mehr als das Dreifache des Durchmessers der Außenlagerzapfen beträgt. Besonders vorteilhaft ist es, das zwischen den beiden Läufern liegende Verbindungsstück hohl auszubilden.

Eine besonders kurze Baulänge ergibt sich, wenn Gasturbine und Turbolader einstufig ausgebildet sind. Gleichzeitig können deren Lager selbst und ihre Laufgeschwindigkeit sehr klein gehalten werden, weil die Lagerzapfen von der Übertragung von Drehmomenten weitgehend befreit sind und auf die kritische Drehzahl so gut wie keinen Einfluß haben.

Weitere Vorteile der Außenlagerung sind eine Verringerung der zusätzlichen Lagerkräfte bei auftretenden Kreiselmomenten, bessere Zugänglichkeit und Auswechselbarkeit der Lager, leichtere Kühlung der Zwischenwelle od. dgl. sowie der Lager, Schutz derselben vor heißem Frischgas, günstigere Schmierverhältnisse (z. B. von innen) usw.

Die Lagerböcke können erfindungsgemäß in Ausnehmungen der Läufer angeordnet sein: und zwar als vorzugsweise axial in diese Ausnehmungen hineinragende Lagerkörper. Eine solche Anordnung hat zugleich den Vorteil einer günstigen ölzuführung zu den Lagern. Das auf der Seite der Antriebsmaschine angeordnete Lager wird von kühlem Luftstrom umspült, und die von den heißen Gasen durchströmten Gehäuse oder Gehäuseteile sind nur mittelbar über den gekühlten Gehäusesektor mit dem zum Tragen der Maschine dienenden Gehäuse verbunden. Eine solche Anordnung schafft besonders günstige Kühlverhältnisse. Durch die Ausbildung der Lager als Schwenk- oder Kipplager können gegebenenfalls trotzdem noch auftretende kleine Verziehungen der Wellen oder Lagerarme oder auf Herstellungsungenauigkeiten zurückzuführende Spannungen unschädlich gemacht werden.

Es sind zwar bereits aus Abgasturbine und Aufladegebläse bestehende Aggregate bekannt, die auf kleinen äußeren Lagerzapfen gelagert sind und auch solche, deren Lager unmittelbar neben den Läufern angeordnet sind, doch fehlen bei den bekannten Anordnungen die weiteren wichtigen Merkmale der Erfindung, nämlich im ersten Fall ein möglichst kleiner Lager- und Läuferabstand sowie in beiden Fällen ein möglichst großer Durchmesser im mittleren Teil des Aggregats zwischen den beiden Läufern, welcher erst den wesentlichen Vorteil des Beherrschens der kritischen Drehzahl des Aggregates ermöglicht.

In den Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiele in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt. Die umlaufenden Teile des Maschinenaggregats bestehen aus dem Läufer α der Gasturbine, z. B. einer Abgasturbine, welche durch die Abgase einer Brennkraftmaschine, z. B. eines Flugmotors, betrieben wird, und dem Läufer b eines Radialturbogebläses. Beide Läufer sind in einem möglichst geringen axialen Abstand voneinander angeordnet und durch den trommeiförmigen Ansatz c des Laufers b auf großem Durchmesser fest miteinander verbunden. Der Ansatz könnte natürlich genauso auch aus einem Stück mit dem Läufer α bestehen bzw. angeschweißt sein. Zur Lagerung der umlaufenden Teile des Aggregats dienen die beiden Läger d und e mit den an den Läufern angeordneten Lagerzapfen/ und g. Die Lager sind als verschwenkbare Rollenlager ausgebildet, indem ein Lagerring eine ballige Fläche besitzt, die ein Verschwenken des Lagers zu Querachsen zuläßt. Das Lager d ist mittels Stegen h, das Lager e mittels eines oder mehrerer Arme i im Gehäuse k des Aggregats gelagert.

Die Turbine ist als teilbeaufschlagte Turbine ausgebildet. Nur ein Teil des Umfanges (in der Regel der größere Teil desselben) wird von den Abgasen über einen Rohrsektor oder über einzelne Rohrleitungen / beaufschlagt, wobei die Abgase nach Beaufschlagung der Schaufeln m durch eine Leitung η abgeführt werden. Der restliche Teil des Umfanges mit den Schufein 0 wird dagegen durch ein Kühlmittel, z. B. den Fahrwind, beaufschlagt, welches durch eine vom Gehäuse k gebildete Leitung ρ zugeleitet wird. Nach Beaufschlagung der Schaufeln 0 bespült das Kühlmittel die Lagerarme i und verteilt sich auf den Raum hinter der Turbine, so daß auch das Lager g selbst von dem Kühlmittel wirksam gekühlt wird.

Die Kühlluft kann auch durch besondere Kanäle oder Leitbleche so geführt werden, daß sie das Lager kühlend um- oder durchspült. Wie ersichtlich, sind die Läufer α und b nur so weit voneinander entfernt angeordnet, als es mit Rücksicht auf die Zuleitung I und p für die Turbine erforderlich ist. Die Lagerzapfen / und g haben im Vergleich zum Verbindungsteil nur einen äußerst geringen Durchmesser, welcher z. B. kleiner als ein Zehntel, möglichst jedoch kleiner als ein Fünf zehntel des Teilkreisdurchmessers des Turbinenrades ist, so daß sich geringste Umlaufgeschwindigkeiten der Lager mit praktisch völlig außerhalb der kritischen Drehzahlen liegenden Läufern verbinden lassen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Lager d in eine Ausnehmung q des Gebläseläufers b verlegt. Der Lagerzapfen Z₁ ist in diesem Falle fest angeordnet und wird z. B. durch einen Arm A₁ vom Gehäuse getragen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß, wie ohne weiteres ersichtlich ist, das Lager selbst die Einströmung der Luft in das Gebläse weniger als bei der Ausführung nach Fig. 1 behindert. Die Schmierölzuführung kann hierbei in

zweckmäßiger Weise durch den Arm U₁ und den Zapfen f_t erfolgen, da eine radial nach außen gerichtete Schmierölzufuhr sowohl für Gleitlager als auch für Wälzlager sehr günstig ist. Rückt man hierbei, wie in der Zeichnung dargestellt, das Lager mehr nach der Rückseite des Laderrades, so kann die Endnabe auf der Lufteintrittsseite sehr klein und damit der Eintrittsdurchmesser des Laderrades ebenfalls klein gehal- ten werden. Hierdurch wird jedoch die Ausführung des Laderrades als angenäherter Körper gleicher Festigkeit ohne Mittenbohrung gestört, der besonders hohe Umfangsgeschwindigkeit und Förderhöhen ermöglicht. Dieses läßt sich vermeiden, wenn man das Lager mehr nach der Eintrittsseite des Laderrades verrückt, wenn auch hierdurch die Eintrittsdurchmesser desselben etwas vergrößert werden.

Eine solche Lageranordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Das z. B. als Rollenlager ausgebildete und auf dem am Gehäuse befestigten Zapfen f₂ angeordnete Lager d₂ ist in diesem Falle in eine Ausnehmung r auf der Eintrittsseite des Lagerrades eingesetzt, welche möglichst nur so tief ist, als es für die Anordnung des Lagers gerade erforderlich ist.

Die Erfindung kann gegebenenfalls auch auf andere Maschinenaggregate angewendet werden. Beispielsweise kann die Gasturbine mit anderen Arbeitsmaschinen vereinigt werden, welche einen umlaufenden Maschinenteil besitzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Aus einer Turboantriebsmaschine und einer Turboarbeitsmaschine, insbesondere einer

z. B. axial beaufschlagten Gasturbine und einem Turbogebläse, z. B. Radialturbogebläse, bestehendes Maschinenaggregat, dessen Läufer voneinander getrennt, aber gleichachsig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggregat an seinen beiden Enden mittels gesonderter Lagerböcke auf kleinem Zapfendurchmesser gelagert ist und daß die Lager (d, e) unmittelbar neben oder in den Läufern (a, b) angeordnet sind und beide Läufer durch ein Verbindungsstück (c) verbunden sind, dessen Durchmesser mehr als das Dreifache des Durchmessers der Außenlagerzapfen beträgt.

2. Maschinenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (c) zwischen den Läufern hohl ausgebildet ist und zweckmäßig mit einem der beiden Läufer (a, b) aus einem Stück besteht.

3. Maschinenaggregat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden durch gesonderte Lagerböcke Qi₁, i) getragenen Endlager des Maschinenaggregats, mindestens jedoch das eine Lager, insbesondere das Lager (d_v d₂) auf der Seite eines Radialturbogebläses, in Ausnehmungen (q, r) der Läufer auf axial in die Ausnehmungen hineinragenden Lagerzapfen (Z₁, /₂) angeordnet sind.

4. Maschinenaggregat nach Anspruch 3 mit einem Radialturbogebläse, dadurch gekennzeichnet, daß das gebläseseitige Lager (d₂) in einer axialen nicht durchgehenden Ausnehmung

(r) auf der Eintrittsseite des im übrigen ohne Mittenbohrung ausgebildeten Gebläseläufers (b) angeordnet ist (Fig. 3).

5. Maschinenaggregat nach Anspruch 3 mit einem Radialturbogebläse, dadurch gekennzeichnet, daß das gebläseseitige Lager (^₁) in einem Hohlraum (q) auf der dem Lufteintritt entgegengesetzten Rückseite des Gebläseläufers (b) auf dem durch eine Axialbohrung des Läufers von der Eintrittsseite her hineinragenden Lagerzapfen (Z₁) gelagert ist, wobei der Außendurchmesser des Lagers (O₁) größer als der freie Innendurchmesser der Lufteintrittskanäle des Gebläseläufers (b) sein kann (Fig. 2).

6. Maschinenaggregat nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb der Läufer (a, b) angeordneten Lager des Aggregats als Schwenklager (d, e) ausgebildet sind.

7. Maschinenaggregat nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Seite der Antriebsmaschine angeordnete Lager bzw. dessen Tragarme von kühlenden Luftströmen umspült werden.

8. Maschinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7, go dessen Antriebsmaschine aus einer Gasturbine mit Teilbeaufschlagung durch ein Kühlmittel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom das Lager (e) des Turbinenläufers

(a) bzw. die Tragarme (i) des Lagers umspült, z. B. nach Durchtritt durch die Turbinenschaufeln (0) oder in Form eines vor den Turbinenschaufeln abgezweigten Kühlmittelstromes.

9. Maschinenaggregat nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Gasen durchströmten Gehäuse oder Gehäuseteil (/, n) nur mittelbar über den gekühlten Gehäusesektor mit dem zum Tragen der Maschine dienenden Gehäuse (k) verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 657136, 234899; schweizerische Patentschrift Nr. 188758;

A. Stodola: »Dampf und Gasturbine«, S.Auflage, Springer, Berlin, 1922, Kap. 138 und S. 1039;

J. J. HoIba: »Berechnungsverfahren zur Bestimmung der krit. Drehzahlen von geraden Wellen«, Springer, Wien, 1936, S. 50, 63;

Eck—Kearton: »Turbogebläse und Kompressoren«, Springer, Berlin, 1939, S. 134;

Zeitschrift des VDI, Bd. 74 (1930), Nr. 24, S. 813, 820, 821;

»Mechanical Engineering«, 1920, Nr. 7 S. 383.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen