EP4754405A1 - Lagerring mit integrierten kühlkanälen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lagerring (10) mit integrierten Kühlkanälen (11, 12, 13).

Description

Lagerring mit integrierten Kühlkanälen

Die Erfindung betrifft einen Lagerring mit integrierten Kühlkanälen.

Lagerringe in Flugtriebwerken sind generell hohen Überrollbelastungen und hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Dies gilt in besonderem Maße für Lagerringe in Hauptwellenlagerungen. Als Werkstoffe für derartige Lagerring werden überwiegend warmfeste durchhärtende oder einsatzgehärtete Stähle, wie beispielsweise M50 (AMS 6491 ), M50NiL (AMS 6278), RBD, Pyrowear 675 (AMS 5930) eingesetzt.

Die Wärmeableitung aus den Kontaktbereichen erfolgt durch einen kontinuierlichen Ölstrom. Dabei kann eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich eine Leistungssteigerung von Lagern bewirken, beispielsweise im Triebwerksbereich. Bekannt ist eine Wärmeableitung beispielsweise aus der EP 2 503 107 B1 , die eine Lageranordnung für eine Strömungsmaschine beschreibt, wobei ein Lagergehäuseteil mit einem Kühlmittelkanal und ein Lagergehäuseteil mit einem Schmiermittelkanal versehen sind, wobei der Kühlmittelkanal und der Schmiermittelkanal voneinander fluidisch getrennt sind. Konkret wird ein Materialverbund aus einem Lagergehäuse mit integrierten Kühlkanälen im Verbund mit einer Lagerschale beschrieben.

Da jedoch die Dauerfestigkeit der genannten warmfesten Stähle mit steigender Temperatur abnimmt und auch die Betriebstemperatur, unter der die zur Schmierung und Wärmeabfuhr verwendeten Öle eingesetzt werden können, begrenzt ist, kann mit den derzeit verwendeten Lagerwerkstoffen und Ölen eine höhere Temperatur im Kontaktbereich nicht zugelassen werden.

Grundsätzlich ist zwar beispielsweise auch in der EP 2 503 107 B1 eine Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich möglich. Die Kühlmöglichkeit ist jedoch begrenzt, da die vom Kühlmittel durchströmten Kanäle weiter als gewünscht von der Kontaktfläche entfernt sind, da die Lagerschale aus Festigkeitsgründen eine bestimmte Mindestdicke aufweisen muss. Darüberhinaus ist die Herstellung des beschriebenen Verbundes problematisch. Weiterhin wird durch das Einbringen der Kühlkanäle am Innendurchmesser des Innenrings oder am Außendurchmesser des Aussenrings die dort vorliegenden Passungsverhältnisse, beispielsweise im Hinblick auf Festigkeit und unterschiedliche Ausdehnung der Passungspartner, beeinflusst.

Die DE 10 2014 216 313 A1 beschreibt einen Lagerring mit nahe der Laufbahn integrierten innenliegenden Kanälen mit einer von einer Kreisform abweichenden Querschnittsform. Die Querschnittsform kann also der Lagerring-Form angepasst sein.

Die US 4 129 344 beschreibt einen Wälzlagerring, in dessen Laufbahn Nuten für den Schmiermitteltransport angeordnet sind, die schräg zur Lagerachse verlaufen.

In hochbelasteten Wälzlagern wie beispielsweise in Triebwerken von Flugzeugen, kommen hochbelastete Wälzlager zum Einsatz. Aufgabe der Erfindung ist es, die Abführung der Reibwärme aus dem Wälzkontakt weiter zu optimieren.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Lagerring gemäß Patentanspruch 1 .

Kerngedanke der Erfindung ist die Verzweigung einer Kühlkanalgeometrie innerhalb eines Lagerrings. Dabei baut Kühlfluid zunächst in einem umlaufenden Verteiler- Kanal einen gleichmäßigen Druck auf und strömt erst dann durch im Querschnitt kleinere, im Wesentlichen axial verlaufende Kanäle, die wiederum in einen umlaufenden Sammelkanal münden.

Der erfindungsgemäße Lagerring umfasst mindestens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Verteilerkanal, mindestens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Sammelkanal sowie mehrere Querkanäle, die jeweils den Verteilerkanal mit dem Sammelkanal verbinden. Dabei ist die Querschnittsfläche der Querkanäle geringer als die Querschnittsfläche des Verteilerkanals und die Querschnittsfläche des Sammelkanals.

Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Lagerring um einen Außenring, beispielsweise eines Triebwerks, beispielsweise eines Flugtriebwerks. In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens einer der Querkanäle einen gegenüber der axialen Richtung gewölbten Verlauf auf. Dadurch befindet sich ein derart gewölbter Querkanal über seinen gesamten Verlauf gleichbleibend nahe der Laufbahn des Lagerrings, so dass hindurchströmendes Kühlfluid noch effektiver Wärme aus der Laufbahn ableiten kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist mindestens einer der Querkanäle einen Verlauf aufweist, der von einer achsparallelen Orientierung abweicht. Dadurch ist die effektive Länge des Querkanals größer als der radiale Abstand zwischen Verteilerkanal und Sammelkanal. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeableitung, da das hindurchströmende Kühlfluid über einen längeren Zeitraum durch den Querkanal strömt.

Weiter bevorzugt weist mindestens einer der Querkanäle eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform auf und kann beispielsweise eine Kreisringabschnittsform aufweisen.

Besonders bevorzugt ist ein Querschnitt, der sich bogenförmig in ähnlicher Form wie die zu kühlende Laufbahn erstreckt, also gewissermaßen an die Laufbahnform angeschmiegt, beziehungsweise angepasst ist. Durch diese Formgebung erhöht sich der Wärmeübergang zwischen Kühlkanal und Laufbahn. Dadurch verbessert sich zwangsläufig auch die Beanspruchbarkeit des den erfindungsgemäßen Lagerring umfassenden Lagers im Hinblick auf Drehzahl, Lastfähigkeit und Temperaturbereich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Kanalquerschnitt über den Kanalverlauf hinweg variieren in Form und Flächenmaß, wodurch die Wärmeaustauschfläche, der Wärmeübergangskoeffizient und die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels beeinflusst werden kann. Diese gezielte Beeinflussung der Wärmeübertragung in Umfangsrichtung kann sich vorteilhaft für die Abfuhr der Verlustleistungen in der bei radial belasteten Wälzlagern ausgeprägten Lastzone in Umfangsrichtung auswirken. Darüber hinaus können durch in Umfangsrichtung veränderliche Querschnittsformen und Flächenmaße besondere Anforderungen an die Strukturfestigkeit der Ringe berücksichtigt werden. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Lagerrings kann mittels 3D-Druck erfolgen.

Durch die Kühlkanalgeometrie baut das eingebrachte Kühlfluid zunächst in dem umlaufenden Verteilerkanal einen gleichmäßigen Druck auf, bevor es dann durch die querschnittskleineren Querkanäle strömt und anschließend in den Sammelkanal fließt. Durch dieses Strömungsverhalten kann die erforderliche Pumpleistung und die erforderliche Kühlfluidmenge reduziert werden.

Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Lagerring 10, nämlich hier einen Außenring, mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Verteilerkanal 11 und einem in Umfangsrichtung verlaufenden Sammelkanal 12. Zwischen Verteilerkanal 11 und Sammelkanal 12 sind mehrere, diese verbindende Querkanäle 13 angeordnet, die einen deutlich geringeren Querschnitt als Verteilerkanal 11 und Sammelkanal 12 aufweisen.

In der Figur 1 verlaufen diese Querkanäle 13 in achsparalleler Richtung senkrecht zur Radialrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform, dargestellt in Figur 2, sind die Querkanäle gegenüber der Achsrichtung entsprechend der Kontur der Laufbahn 14 des Lagerrings 10 gewölbt.

In einer weiteren in Figur 3 dargestellten Ausführungsform weicht die Orientierung der Querkanäle von einer axialen Richtung ab. Dabei können die Querkanäle wie hier dargestellt eine konturnahe Wölbung aufweisen. Denkbar ist diese Orientierung jedoch auch bei in axialer Richtung nicht gewölbten Querkanälen (hier nicht dargestellt). Bezugszeichen Lagerring Verteilerkanal Sammelkanal Querkanal Laufbahn

Claims

Patentansprüche

1. Lagerring (10) umfassend mindestens einen in Umfangsrichtung beabstandet zu einer Laufbahn (14) des Lagerrings (10) verlaufenden Verteilerkanal (11 ), mindestens einen in Umfangsrichtung beabstandet zu der Laufbahn (14) verlaufenden Sammelkanal (12), mehrere beabstandet zu der Laufbahn (14) angeordnete Querkanäle (13), die jeweils den Verteilerkanal (11 ) mit dem Sammelkanal (12) verbinden, wobei die Querschnittsfläche der Querkanäle (13) geringer ist als die Querschnittsfläche des Verteilerkanals (11 ) und die Querschnittsfläche des Sammelkanals.

2. Lagerring (10) nach Anspruch 1 , wobei der Lagerring (10) ein Lager- Außenring ist.

3. Lagerring (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens einer der Querkanäle (13) einen gegenüber der axialen Richtung gewölbten Verlauf auf.

4. Lagerring (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens einer der Querkanäle (13) einen Verlauf aufweist, der von einer achsparallelen Orientierung abweicht.

5. Lagerring (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens einer der Querkanäle (13) eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform aufweist.

6. Lagerring (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsform mindestens eines der Querkanäle (13) entlang seines Verlaufs ändert.

7. Lager umfassend einen Lagerring (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Triebwerk umfassend ein Lager mit einem Lagerring (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.