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Dokumentenidentifikation DE69721755T2 25.03.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000892186
Titel Hybrides Hochgeschwindigkeits- Hochtemperatur- Axial- Magnet- Lager
Anmelder Rolls-Royce Corp., Indianapolis, Ind., US;
Allison Advanced Development Co., Inc., Indianapolis, Ind., US
Erfinder Henry, Mark S., Indianapolis, Indiana 46260, US;
King, Brian P., Greenwood, Indiana 46142, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69721755
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.07.1997
EP-Aktenzeichen 973053564
EP-Offenlegungsdatum 20.01.1999
EP date of grant 07.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.03.2004
IPC-Hauptklasse F16C 39/06

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Endung bezieht sich allgemein auf den Entwurf und Bau einer magnetischen Axiallageranordnung zum Tragen einer drehbaren Welle bei axial wirkenden Kräften innerhalb eines rotierenden Hochgeschwindigkeitsapparates.

Ein Beispiel eines Gasturbinenmotors, der ein magnetisches Axiallager umfaßt, um die Axiallast einer rotierenden Welle auszugleichen, und der die Merkmale des vorkennzeichnenden Bereichs des Patentanspruchs 1 hat, ist in dem UK-Patent GB 2298901 beschrieben.

Es ist gut bekannt, daß in einem Gasturbinenmotor ein Kompressor und eine Turbine integriert sind, die Komponenten haben, die mit extrem hohen Geschwindigkeiten in einer Hochtemperaturumgebung rotieren. Eine Komponente ist dabei eine Rotorscheibe, die eine Reihe von Luftflügeln trägt, die verwendet werden, um die Gasströmung in dem Motor zu beeinflussen. Die rotierenden Komponenten wirken gewöhnlich mit einer drehbaren Welle zusammen und werden von Radial- und Axiallagern getragen, die signifikanten dynamischen und statischen Belastungen in einer aggressiven Umgebung widerstehen müssen. Während des Betriebs des Gasturbinenmotors werden die Lager Kräften unterworfen, die umfassen: Stoßbelastungen - wie bei Landungen; Manöverbelastungen - die mit einer plötzlichen Änderung der Richtung verbunden sind, und Zentrifugalkräfte, die mit den rotierenden Komponenten verbunden sind.

Da die Motorenkonstrukteure den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung von Gasturbinenmotoren weiter erhöhen, ist die Verwendung von magnetischen Lagern zum Tragen und Steuern des Rotors und der drehbaren Welle wünschenswert. Die Integration von magnetischen Lagern in den Motor würde ermöglichen, daß die Rotorwelle von magnetischen Kräften getragen wird, und Reibungskräfte, zusammen mit mechanischer Abnutzung, und das Schmiersystem wegfallen.

Ein magnetisches Axiallager umfaßt ein Magnetfeld und eine drehbare Schubscheibe, auf die das Magnetfeld wirkt. Die Verwendung von magnetischen Lagern bei Fluggewicht-Gasturbinenmotoren erfordert eine Kompaktheit des Lagerentwurfs, die letzten Endes ein geringeres Gewicht bedeutet. Die bisherigen Konstrukteure von Gasturbinenmotoren haben Materialien für die rotierende Schubscheibe verwendet, bei denen sich ein Verlust von mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen ergibt. Dieser Verlust von mechanischen Eigenschaften begrenzt die maximale Rotationsgeschwindigkeit, bei der die Schubrotorscheibe betrieben werden kann, wodurch die maximale Rotationsgeschwindigkeit der Motorkomponenten tatsächlich begrenzt wird.

Obwohl die bisherigen Techniken, bei denen magnetische Axiallager verwendet werden, Schritte in die richtige Richtung sind, besteht weiterhin ein Bedürfnis nach zusätzlichen Verbesserungen. Die vorliegende Erfindung befriedigt dieses Bedürfnis auf eine neuartige und nicht offensichtliche Weise.

Gemäß der vorliegenden Endung wird ein Gasturbinenmotor verwirklicht, aufweisend einen innerhalb des Motors gelegenen, magnetischen Axiallagenotor, wobei der magnetische Axiallagenotor ein drehbares, magnetisch anziehbares Element aufweist, und gekennzeichnet durch einen Verbundring mit hoher Festigkeit, der in der Umfangsrichtung um das magnetisch anziehbare Element positioniert ist, um nicht-magnetischen Kräften zu widerstehen, die auf das magnetisch anziehbare Element einwirken.

Verwandte Ziele und Vorteile der vorliegenden Endung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs, an das ein Gasturbinenmotor angekoppelt ist.

Die 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Gasturbinenmotors der 1.

Die 3a ist eine Meridianebenen-Schnittansicht des Kompressors, die einen Bereich des Gasturbinenmotors der 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.

Die 3b ist eine Meridianebenen-Schnittansicht des Kompressors, die einen Bereich des Gasturbinenmotors der 2 gemäß einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung aufweist.

Die 4 ist eine veranschaulichende Ansicht einer Turbine, die einen Bereich des Gasturbinenmotors der 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.

Die 5 ist eine vergrößerte partielle Schnittansicht des magnetischen Axiallagerrotors der 3a.

Die 6 ist eine vergrößerte partielle Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des magnetischen Axiallagerrotors der vorliegenden Endung.

Die 7 ist eine vergrößerte seitliche Schnittansicht des Hilfsaxiallagers, die einen Bereich des Lagersystems der 3a aufweist.

Die 7a ist eine seitliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des Hilfsaxiallagers.

Die 8 ist eine vergrößerte seitliche Schnittansicht des Hilfsradiallagers, die einen Bereich des Lagersystems der 3a aufweist.

Die 9 ist eine veranschaulichende Stirnansicht, die die nachgiebigen Verbindungselemente wiedergibt, die die Hilfslager zwischen der Rotorwelle und dem Motorgehäuse positionieren.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Um das Verständnis der Prinzipien der Endung zu erleichtern, wird nun auf die in den Zeichnungen veranschaulichte Ausführungsform Bezug genommen, und es wird eine spezifische Sprache verwendet, um diese Ausführungsform zu beschreiben. Es gilt jedoch als vereinbart, daß dadurch keine Begrenzung des Geltungsbereichs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Veränderungen und weitere Modifikationen bei der dargestellten Vorrichtung, und solche weiteren Anwendungen der hier veranschaulichten Prinzipien der Erfindung als normale Ereignisse bei einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, angesehen werden.

In den 1 und 2, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Flugzeug 10 dargestellt, das einen Flugzeug-Flugantriebsmotor 11 hat. Dabei gilt als vereinbart, daß ein Flugzeug ein Oberbegriff sein soll, der Hubschrauber, Erdkampfflugzeuge, Schulflugzeuge, Fernlenkgeschosse und andere verwandte Apparate umfaßt. Bei der bevorzugten Ausführungsform definiert der Flugantriebsmotor 11 einen Gasturbinenmotor, bei dem ein Kompressor 12, ein Combustor 13 und eine Leistungsturbine 14 integriert sind. Gasturbinenmotoren sind eine Form von Hochgeschwindigkeits-Rotationsmaschinen. Bei der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise die Turbine eine Rotationsgeschwindigkeit von mehr als zwölftausend Umdrehungen pro Minute, und der Kompressor eine Rotationsgeschwindigkeit von mehr als zwölftausend Umdrehungen pro Minute. Hier werden jedoch andere Rotationsgeschwindigkeiten in Erwägung gezogen. Es ist wichtig, zu erkennen, daß es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, um die Komponenten miteinander zu verbinden. Zusätzliche Kompressoren und Turbinen könnten hinzugefügt werden, mit Zwischenkühlern zwischen den Kompressoren, und Wiedererhitzungs-Verbrennungskammern könnten zwischen den Turbinen hinzugefügt werden. Weiterhin sind Gasturbinenmotoren ebenfalls für industrielle Anwendungen geeignet. Historisch gesehen gibt es häufige Anwendungen von industriellen Gasturbinenmotoren, wie Pumpanlagen für Gas- und Ölübertragungsleitungen, Stromerzeugung und Schiffsantrieb.

In der 3a, auf die nun Bezug genommen wird, ist der Axialströmungskompressor 12 veranschaulicht, der ein mechanisches Gehäuse 15 und eine Vielzahl von Luftflügel (Schaufel)-Reihen hat, die auf einer drehbaren zentralen Welle 16 fest angebracht sind, um ein Fluid unter Druck zu setzen. Die Reihen von Luftflügeln 19 umfassen eine Spitze 19a, die in einem gewissen radialen Abstand von dem Gehäuse 15 gehalten wird, um einen Zwischenraum dazwischen zu haben. Die Luftflügel 19 sind dabei mit einem Rotor 22 fest gekoppelt, der sich relativ zu dem Gehäuse 15 dreht, wenn die Welle 16 durch die Kraft der Turbine 14 gedreht wird. Eine Vielzahl von entsprechenden stationären Luftflügelreihen 20 (Statoren) ist mit dem Kompressorgehäuse 15 gekoppelt. Die Strömung von kompressiblem Fluid durch einen Durchgang 21 in dem Kompressorgehäuse 15 wird von den Reihen von Luftflügeln beeinflußt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das kompressible Fluid Luft. Die Flügelreihen sind dabei im allgemeinen so entworfen, daß sie sich als Diffusoren verhalten, mit einer entsprechenden Zunahme des statischen Drucks von dem stromaufwärts gelegenen Gebiet bis zu dem stromabwärts gelegenen Gebiet.

Die zentrale Welle 16 wird dabei normalerweise von einem aktiven elektromagnetischen Lagersystem getragen. In der 4, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Schema einer Turbine wiedergegeben, die eine drehbare Welle hat, die getragen wird von einem magnetischen Lagersystem und einem Hilfslagersystem, das im wesentlichen identisch mit dem für den Kompressor in der 3a wiedergegebenen System ist. Es gibt als vereinbart, daß die hier wiedergegebenen Lagersysteme für sowohl Turbinen, als auch Kompressoren in dem Gasturbinenmotor in gleicher Weise verwendbar sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das magnetische Lagersystem ein Fünfachsensystem. Die Verwendung von magnetischen Lagern anstelle von herkömmlichen Ölschmierungslagern ermöglicht, das Motorschmierungssystem wegzulassen, was eine wesentliche Systemgewichtsreduzierung, reduzierte Wirbelstromverluste, eine Vereinfachung des Motorentwurfs und infolge Wegfalls der Lagerabnutzung eine verbesserte Motorzuverlässigkeit zur Folge hat. Weiterhin ist die Verwendung von magnetischen Lagern anstelle von herkömmlichen Ölschmierungslagern gut für die Umwelt, da die Handhabung, die Lagerung und die Beseitigung von synthetischen Ölen wegfallen.

Ein magnetisches Lagersystem kann als ein integrierter Aktuator für ein Hochgeschwindigkeitsteil einer Turbomaschinenanlage dienen. Eine von solchen Anwendungen ergibt sich bei einem Kompressor, bei dem der Aktuator verwendet wird, um eine aktive Kompressorstabilitätssteuerung und eine aktive Kompressorspitzen-Zwischenraumsteuerung zu erhalten, und außerdem für die aktive Steuerung der dynamischen Rotorinstabilitäten mittels einer Dämpfung verwendet wird. Magnetische Lagersysteme sind gut geeignet für die Anwendung dieser aktiven Steuertechniken zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Betriebsfähigkeit bei Gasturbinenmotoren, wie in GB-A-2298901 beschrieben ist.

Bei einer Form der vorliegenden Erfindung umfaßt das magnetische Lagersystem ein erstes aktives magnetisches Radiallager 25, das an einem Ende der Welle 16 angeordnet ist, und ein zweites magnetisches Radiallager 27, das an dem anderen Ende der Welle 16 angeordnet ist. Die magnetischen Lager der vorliegenden Erfindung sind aktive elektromagnetische Lager. Ein aktives elektromagnetisches Axiallager 26 ist so angeordnet, daß es auf die Welle 16 wirkt und der axialen Schubbelastung entgegenwirkt. Das aktive elektromagnetische Axiallager 26 umfaßt einen mit der Welle 16 gekoppelten, hybriden Hochgeschwindigkeits-Hochtemperatur-Schubscheibenrotor 26a und einen mit dem mechanischen Gehäuse 15 gekoppelten Stator 26b. Der hybride Schubscheibenrotor 26a ist dabei in einem gewissen axialen Abstand von dem Rotor 22 angeordnet. Der Stator umfaßt einen Metallkern und eine mit einer Stromversorgung verbundene Drahtwicklung. Wenn das elektromagnetische Axiallager 26 eingeschaltet wird, ruft die Stromversorgung einen Strom in der Wicklung hervor, der das Magnetfeld erzeugt, das wiederum den Schubscheibenrotor 26a erfaßt. Die aktiven elektromagnetischen Lager 25, 26 und 27 haben die Fähigkeit, sich an eine Änderung der Anforderungen für das Rotorsystem anzupassen, die Motorbedingungen zu diagnostizieren, den Flügelspitzen-Zwischenraum zu minimieren, und weiter die Stabilitätssteuerung auszuführen. Die elektromagnetischen Lager 25, 26 und 27 sind mit einem Controller 200 verbunden, der die Funktionalität hat, die notwendig ist, um die magnetischen Lager zu steuern.

In der 5, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform des mit der drehbaren Welle 16 gekoppelten, elektromagnetischen Schubscheibenrotors 26a wiedergegeben. Der elektromagnetische Schubscheibenrotor 26a ist dabei ein im wesentlichen ringförmiges Ringelement, das auf die Welle 16 aufgepreßt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist dabei der elektromagnetische Schubscheibenrotor symmetrisch zu der axialen Mittellinie X. Der elektromagnetische Schubscheibenrotor 26a hat dabei zwei Bereiche, die aus verschiedenen Materialien gebildet sind: einem magnetisch ansprechenden/anziehenden Bereich 500, und einem hochfesten Tragbereich 501. Wenn der magnetisch ansprechende Bereich 500 dem Magnetfeld unterworfen wird, wird er zu dem Stator 26b hin angezogen. Der hochfeste Tragbereich 501 gibt dabei der Rotorscheibe 26a die mechanische Festigkeit, damit sie den auf die Scheibe 26a einwirkenden, nicht-magnetischen Kräften wiedersteht. Weiterhin ist dabei der hochfeste Tragbereich 501 aus einem Material gebildet, das eine geringere magnetische Permeabilität als der magnetisch ansprechende/anziehbare Bereich 500 hat.

Der hochfeste Tragbereich 501 besteht aus einem Verbundmaterial, genauer gesagt, einem Materialsystem mit einer hohen spezifischen Festigkeit. Bei einer noch mehr bevorzugten Ausführungsform ist der hochfeste Tragbereich 501 ein Metall-Matrixverbundstoff (MMV) mit hoher spezifischer Festigkeit, der eine Vielzahl von Fasern 502 aufweist, die sich in der Umfangsrichtung um den hochfesten Tragbereich erstrecken. Es gilt als vereinbart, daß die Menge, die Größe und der Abstand der hier wiedergegebenen Fasern 502 nur zur Veranschaulichung dienen, und keine Begrenzung für die Menge, die Größe oder den Abstand der Fasern darstellen sollen. Die sich in der Unfangsrichtung erstreckenden Fasern 502 sind sowohl in der axialen, als auch der radialen Richtung in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet.

Bei einer am meisten bevorzugten Ausführungsform bestehen die Fasern 502 aus einer Siliziumkarbidzusammensetzung, und sie werden durch eine Titanlegierung 503 zusammengehalten. Weiterhin bildet die Titanlegierung 503 eine äußere Bedeckung für die Siliziumkarbidfasern 502 und die Titanlegierung, die den hochfesten Tragbereich 501 aufweist.

Um den hochfesten Tragbereich 501 herzustellen, wird eine Vielzahl von sich in der Umfangsrichtung erstreckenden Siliziumkarbidfasern 502 angeordnet, die durch eine Titanlegierungsfolie getrennt sind. Das Netz aus Siliziurnkarbidfasern 502 und Titanlegierungsfolie wird dann isostatisch heißgepreßt, um den hochfesten Tragbereich 501 herzustellen. Der hochfeste Metall-Matrixverbundstoff-Tragbereich 501 ist dabei äußerst widerstandsfähig gegen Druckbelastungen und die damit verbundene Druckspannung. Es gilt als vereinbart, daß der Prozeß zum Herstellen eines Metall-Matrixverbundstoff-Teils Fachleuten auf diesem Gebiet im allgemeinen gut bekannt ist. Weiterhin ist bei alternativen Formen der vorliegenden Erfindung der hochfeste Tragbereich 501 aus anderen Materialsystem mit hoher spezifischer Festigkeit gebaut, die organische Matrixverbundstoffe (OMV) und Keramik-Matrixverbundstoffe (KMV) einschließen.

Der hochfeste Tragbereich 501 ist dabei mit der Umfangsoberfläche 506 des magnetisch ansprechenden/anziehbaren Bereichs 500 verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der hochfeste Tragbereich 501 auf den magnetisch ansprechenden/anziehbaren Bereich 500 aufgepreßt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für den Metall-Matrixverbundstoff liegt in dem Bereich von ungefähr 2,22-3,33 × 10–6 cm/cm pro Grad Celsius (4–6 × 10–6 in/in pro Grad Fahrenheit).

Der magnetisch ansprechende/anziehbare Bereich 500 ist dabei aus einem stark magnetisch ansprechenden/anziehbaren Material gebildet. Genauer gesagt, das für den magnetisch ansprechenden Bereich verwendete Material ist ein magnetisches Material mit hoher Permeabilität. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist das Material ein unter der Handelsbezeichnung HIPERCO 27 verkauftes Kobalt-Eisen. Das Material hat dabei einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 3,33 × 10–6 cm/cm pro Grad Celsius (6,0 × 10–6 in/in pro Grad Fahrenheit). Es gilt als vereinbart, daß andere Materialien hier in Erwägung gezogen werden, sofern sie ähnliche Eigenschaften wie das obige Material, wie gute magnetische Eigenschaften bei hohen Temperaturen haben.

Bei einer Form der vorliegenden Erfindung bildet dabei der magnetisch ansprechende Bereich 500 eine einheitliche feste Scheibe, die eine axiale Breite hat, die der axialen Breite des hochfesten Tragbereichs 501 entspricht. Die nicht-magnetischen Kräfte, die auf den ansprechenden Bereich 500 wirken, werden auf den hochfesten Tragbereich 501 übertragen, so daß er druckbelastet wird. Weiterhin ist dabei die Scheibe 26a bei gleichbleibenden Temperaturen von bis zu ungefähr 650 Grad Celsius (1200 Grad Fahrenheit) betriebsfähig. Bei einer alternativen Form der vorliegenden Erfindung ist dabei der magnetisch ansprechende Bereich eine laminierte Struktur.

In der 6, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine alternative Ausführungsform der Magnetlager-Schubscheibe 600 wiedergegeben. Die Scheibe 600 ist dabei im wesentlichen der Rotorscheibe 26a ähnlich, wobei sich die hauptsächlichen Unterschiede auf geometrische Unterschiede beziehen. Die Magnetlager-Schubscheibe 600 hat dabei einen magnetisch ansprechenden/anziehbaren Bereich 601 und einen hochfesten Bereich 602. Weiterhin ist dabei der hochfeste Bereich 602 ein ringförmiger Ring, der um den Umfang des magnetisch ansprechenden/anziehbaren Bereichs 601 herum angebracht ist. Es gilt als vereinbart, daß andere geometrische Konfigurationen hier in Erwägung gezogen werden, sofern die zwischen den aneinanderstoßenden Bereichen übertragene Last im wesentlichen eine Druckkraft ist.

Jedes der aktiven elektromagnetischen Radiallager 25 und 27 umfaßt einen Stator 25a, 27a und einen Rotor 25b, 27b. Der nominale Zwischenraum (Luftspalt) zwischen dem Stator und dem Rotor der magnetischen Radiallager liegt in dem Bereich von ungefähr 0,254–0,305 mm (0,010–0,012 inches). Es gilt jedoch als vereinbart, daß dieser Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator der magnetischen Radiallager sich ändert, wenn die magnetischen Lager ausfallen oder wenn sich eine Spitzenbelastung ergibt. Weiterhin treten die Luftspaltänderungen auch während der aktiven Regelung des Magnetlagersystems auf.

Bei einer Ausführungsform beträgt die maximale statische Last, die jedes der magnetischen Radiallager 25 und 27 tragen kann, ungefähr 500 Pfund. Zusätzlich beträgt die maximale dynamische Last, die jedes der magnetischen Radiallager 25 und 27 tragen kann, ungefähr 500 Pfund. Es gilt als vereinbart, daß andere Lagertraglasten hier in Erwägung gezogen werden; diese Lasten sind dabei von dem für die Lager verfügbaren Raum, der Lagergröße, dem Lagermaterial und anderen Eigenschaften des Lagers abhängig.

Flugzeug-Gasturbinenmotoren werden einem großen Bereich von dynamischen und statischen Belastungen unterworfen. Einige dieser Lasten, besonders Manövrier- und Landelasten, können ziemlich schwer sein, und in der Größe bis zu der ungefähr zwanzigfachen Erdanziehungskraft reichen. Bei einer Ausführungsform wird ein leichtes Hochtemperatur-Kombinationslager verwendet, um die auf die Welle 16 wirkende Last zu teilen. Die Hilfslagereinheiten 30 und 31 laufen mit der Wellengeschwindigkeit der jeweiligen Komponente des Gasturbinenmotors, und sie teilen die Last mit dem Magnetlagersystem, wenn erforderlich.

In der 7, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine vergrößerte seitliche Schnittansicht der Hilfslagereinheit 30 wiedergegeben, die ein mit einem trockenen Feststoff geschmiertes Lager vom Rollelementtyp ist. Andere Schmiersysteme werden hier jedoch auch in Erwägung gezogen. Das Lager 33 weist einen Bereich der Lagereinheit 30 auf und hat einen mit dem Gehäuse 15 gekoppelten, äußeren Laufring 32, und ist bei einer Ausführungsform ein Kugellager. Der innere Laufring 34 des Lagers 33 ist dabei mit der drehbaren Welle 16 gekoppelt. Ein nachgiebiges Verbindungselement 35 koppelt den äußeren Laufring 32 mit dem Gehäuse 15, und ein zweites nachgiebiges Verbindungselement 36 koppelt den inneren Laufring 34 mit der Welle 16. Die nachgiebigen Verbindungselemente 35 und 36 dienen zur weichen Anbringung des Lagers 33 der Hilfslagereinheit 30 zwischen der drehbaren Welle 16 und dem Gehäuse 15. Die leichte Belastung des äußeren Laufrings des Lagen 33 ermöglicht, daß der innere Laufring 34 und die Vielzahl von rollenden Kugeln sich mir der Rotorwelle 16 kontinuierlich drehen.

Die nachgiebigen Verbindungselemente 35 und 36 sind elastisch genug, um zu ermöglichen, daß die Welle 16 ihr eigenes dynamisches Zentrum sucht, aber steif genug, um die radiale und axiale Bewegung der Welle zu begrenzen. Die nachgiebigen Verbindungselemente 35a geben jeweils eine leichte Vorlast auf die Welle, und bei einer Ausführungsform beträgt die Vorlast ungefähr 50 Pfund. Die nachgiebigen Verbindungselemente 35a sind Federn, die eine Federkonstante von ungefähr 8750 N/cm (5000 lbs/in) haben. Es gilt als vereinbart, daß die Lagervorlast auf der Welle wie erforderlich eingestellt werden kann, um die Rotordynamik des Systems abzustimmen.

In der 9, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Stirnansicht einer Ausführungsform des Lagers 33 wiedergegeben, das zwischen der drehbaren Welle 16 und dem mechanischen Gehäuse 15 weich angebracht ist. Die nachgiebigen Verbindungselemente 35 und 36 sind Federn, genauer gesagt, das nachgiebige Verbindungselement 35 ist eine Blattfeder, und das nachgiebige Verbindungselement 36 ist eine kontinuierliche Feder. Bei einer Form beträgt die Federkonstante für das nachgiebige Verbindungselement 35 ungefähr 175000 N/cm (100000 lbs/in), und für das nachgiebige Verbindungselement 36 ungefähr 87500 N/cm (50000 lbs/in). Es gilt als vereinbart, daß die nachgiebigen Verbindungselemente hier nicht auf Federn begrenzt sein sollen, und daß die geeigneten Federkonstanten von den Parametern des speziellen Systems abhängig sind.

Die weiche Anbringung des Lagers 33 zwischen dem Gehäuse 15 und der Welle 16 ermöglicht einen im wesentlichen stabilen Übergang von der völlig magnetischen Lagerung der Rotorwelle 16 nach einer physisch berührenden, mechanisch unterstützten Lagerung der Welle. Die Hilfslagereinheit 30 teilt dabei die Last mit den magnetischen Kräften des magnetischen Lagers, um die Welle 16 zu tragen. Während die Welle 16 normalerweise durch die Magnetkraft des Magnetlagers getragen wird und um ihre Mittellinie rotiert, geben die Hilfslagereinheiten 30 und 31 eine leichte Last auf die Welle, und sie rotieren mit der Wellengeschwindigkeit. Bei dem Ausfall eines Magnetlagers und/oder dem Beginn eines Manövers oder einer anderen Tätigkeit, die eine Spitzenlast erzeugt, teilen sich die Hilfslagereinheiten 30 und 31 die auf die Welle 16 einwirkende Last. Weiterhin ergeben die Hilfslagereinheiten eine statische Lagerung für die Welle 16, wenn die Welle stationär ist.

Bei der radialen Verschiebung der Welle 16 um ungefähr fünf bis sieben Tausendstel eines Zolls erreicht das nachgiebige Verbindungselement 35 den tiefsten Punkt, und der äußere Laufring 32 wird mit dem Gehäuse 15 hart gekoppelt. Die Kompression des nachgiebigen Verbindungselements 35 ermöglicht die kontinuierliche Übertragung der Lagerung von dem Magnetlagersystem auf die Hilfslagereinheiten 30 und 31, und wenn erforderlich tragen die Hilfslagereinheiten die ganze Wellenlast, um den Flug zu Ende führen zu können. Die weiche Kopplung der Hilfseinheiten 30 und 31 mit der Welle 16 ermöglicht die Aufnahme der beträchtlichen Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Welle 16 und dem inneren Laufringen.

Bei einer Ausführungsform umfaßt die Hilfslagereinheit 30 zwei Winkelkontakt-Kugellager 33 und 37. Das zweite Kugellager 37 ist dabei im wesentlichen auf die gleiche Weise wie das erste Kugellager 33 angebracht. Es gilt als vereinbart, daß die zwei Kugellager 33 und 37 im wesentlichen identisch sind, und hier werden gleiche Kennziffern verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Das zweite Kugellager 37 ist dabei bei seinem inneren Laufring 34 über ein nachgiebiges Verbindungselement 36 auf der Welle 16 angebracht, und sein äußerer Laufring 32 ist über ein nachgiebiges Verbindungselement 35 mit dem Gehäuse 15 gekoppelt. Eines der Kugellager hat dabei einen großen Kontaktwinkel, um auf die größere Schublast zu reagieren, und das andere Lager hat einen kleinen Kontaktwinkel, um auf umgekehrte Schublasten und entsprechende radiale Lasten zu reagieren. Die Hilfslagereinheit 30 nimmt die Vorbelastung auf und begrenzt die axiale und radiale Bewegung der Welle 16, um einen Kontakt mit dem Magneüagersystem zu verhindern.

In der 7a, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine alternative Ausführungsform 130 der Hilfslagereinheit wiedergegeben. Die Hilfslagereinheit 130 ist entworfen und gebaut, um eine Hilfsaxiallagerung und eine Hilfsradiallagerung für die Welle 16 zu erhalten. Die Hilfslagereinheit 130 ist im wesentlichen ähnlich gebaut wie die Hilfslagereinheit 30, aber umfaßt nur ein Rollagerelement vom Kugeltyp. Das Lagerelement 133 ist dabei ein Element vom Kugeltyp, bei dem die Kugeln zwischen einem inneren Laufring 135 und einem äußeren Laufring 134 rollten. Die Hilfslagereinheit 130 ist dabei auf der Welle 16 und dem Gehäuse 15 weich angebracht, im wesentlichen die gleiche Weise wie die Lagereinheit 30.

Die bei den Hilfslagereinheiten verwendeten Lager sind Rollelemenüager vom Kugeltyp. Bei einer Form der vorliegenden Erfindung sind die Lager keramische Lager (aus Siliziumnitrid), die einen keramischen inneren Laufring, einen keramischen äußeren Laufring und keramische Kugel-Rollelemente haben. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Lagereinheiten hybride Lager, die einen inneren und äußeren Laufring aus einer Stahllegierung und ein keramisches Rollelement haben. Die Lagereinheiten 30 und 130 und ihre zugehörigen Komponenten werden mit einem trockenen Feststoff geschmiert.

An dem anderen Ende der Welle 16 ist die Hilfslagereinheit 31 positioniert, um die Last mit dem magnetischen Radiallager 27 zu teilen. Bei der einen Ausführungsform ist die Hilfslagereinheit 31 ein radiales Rollelementlager. In der 8, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine vergrößerte partielle Schnittansicht der radialen Rollenlagereinheit 31 wiedergegeben. Das Rollelement 40 weist dabei ein zylindrisches Lagerelement auf, um die von der Welle 16 übertragene, radiale Last, die von dem Magneüagersystem nicht getragen wird, zu tragen. Das zylindrische Rollenlager 40 rollt zwischen einem mit der Welle 16 gekoppelten, inneren Laufring 41 und einem mit dem Gehäuse 15 gekoppelten, äußeren Laufring 42. Die Hilfslagereinheit 31 ist dabei zwischen der Welle 16 und dem Gehäuse 15 über nachgiebige Verbindungselemente 43 und 44 angebracht. Die nachgiebigen Verbindungselemente 43 und 44 sind ausgelegt, um die Lager im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Lagereinheiten 30 und 130 zwischen der Welle 16 und dem Gehäuse 15 weich anzubringen.

Die bei den Hilfslagereinheiten 31 verwendeten Lager sind Rollelemenüager vom Rollentyp. Bei einer Form der vorliegenden Erfindung sind die Lager keransche Lager (aus Siliziumnitrid), die einen keramischen inneren Laufring, einen keramischen äußeren Laufing und keramische Rollen-Rollelemente haben. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Endung umfassen die Lagereinheiten hybride Lager, die einen inneren und äußeren Laufring aus einer Stahllegierung und ein keramisches Rollelement haben. Die Lagereinheit 31 und ihre zugehörigen Komponenten werden durch einen trockenen Feststoff geschmiert.

In der 3b, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine weitere Ausführungsform des Kombinationslagersystems wiedergegeben. Das Kombinationslagersystem ist im wesentlichen idenüsch mit dem System der 3a, aber weist eine wesentliche Änderung auf, die sich auf die Versetzung der Hilfslagereinheit 30 bezieht, die nicht mehr in dem Magneüager 25 untergebracht ist, sondern in einem gewissen Abstand davon angeordnet ist. Die Hilfslagereinheit 30 wurde axial versetzt, um die Rotordynamik des Gasturbinenmotors zu optimieren. Es gibt als vereinbart, daß die Position der Kombinationslagerkomponenten das Abstimmen der kritischen Geschwindigkeiten des Motorrotors ermöglicht.

Obwohl die Endung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben wurde, soll sie dadurch nur veranschaulicht und nicht prinzipiell begrenzt werden, wobei als vereinbart gilt, daß nur die bevorzugte Ausführungsform wiedergegeben wurde und beschrieben wurde, und alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Geltungsbereichs der Patentansprüche liegen, geschützt werden sollen.


Anspruch[de]
  1. Gasturbinenmotor, aufweisend einen innerhalb des Motors gelegenen, magnetischen Axiallagerrotor (26a; 600), wobei der magnetische Axiallagenotor (26a; 600) ein drehbares, magnetisch anziehbares Element (500; 601) aufweist, und gekennzeichnet durch einen Verbundring (501; 602) mit hoher Festigkeit, der in der Umfangsrichtung um das magnetisch anziehbare Element (500; 601) positioniert ist, um nicht-magnetischen Kräften zu widerstehen, die auf das magnetisch anziehbare Element (500; 601) einwirken.
  2. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Verbundring (501; 602) aus einem Materialsystem mit hoher spezifischer Festigkeit gebildet ist.
  3. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Verbundring aus einem Metall-Matrixverbundstoff einem Keramik-Matrixverbundstoff oder einem organischen Matrixverbundstoff besteht.
  4. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Verbundring (501; 602) eine Vielzahl von Fasern (502) umfaßt, die von einem metallischen Material (503) umgeben sind.
  5. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Verbundring (501; 602) eine Vielzahl von Fasern (502) umfaßt, die sich in der Umfangsrichtung um den Ring erstrecken.
  6. Gasturbinenmotor von Anspruch 5, wobei die sich in der Umfangsrichtung erstreckenden Fasern (502) Siliziumkarbid-Fasern sind.
  7. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Verbundring (501; 602) aus Titan (503) und Siliziumkarbid (502) besteht.
  8. Gasturbinenmotor von Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Fasern (502) durch Titan (503) zusammengehalten wird.
  9. Gasturbinenmotor von Anspruch 8, wobei der Verbundring (501; 602) aus einer Vielzahl von Siliziumkarbid-Fasern (502) und einem Titan-Matrixmaterial (503) gebildet ist, und wobei weiterhin die Vielzahl von Fasern (502) und das Titan-Matrixmaterial (503) isostatisch warmgepreßt sind.
  10. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des magnetisch anziehbaren Elements (500; 601) ebensogroß wie, oder größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundrings (501; 602) ist.
  11. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei die magnetische Permeabilität des Verbundrings (501; 602) kleiner als die magnetische Permeabilität des magnetisch anziehbaren Elements (500; 601) ist.
  12. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei der Verbundring (501; 602) auf das magnetisch anziehbare Element (500; 601) aufgepreßt ist.
  13. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, wobei die nicht-magnetischen Kräfte, die auf das magnetisch anziehbare Element (500; 601) einwirken, auf den Verbundring (501; 602) übertragen werden, so daß mindestens ein Bereich des Rings einer Druckbelastung unterworfen wird.
  14. Gasturbinenmotor von Anspruch 1, der weiterhin ein Gehäuse (15) und eine darin drehbare Welle (16) aufweist; und bei dem das magnetisch anziehbare Element (500; 601) mit der Welle (16) gekoppelt ist.
  15. Gasturbinenmotor von Anspruch 14, der weiterhin einen mit dem mechanischen Gehäuse (15) gekoppelten Stator (26b) umfaßt, von dem ein Magnetfeld ausgeht, um den magnetisch anziehbaren Axiallagenotor (26a; 600) einzuschließen, und wobei der Stator (26b) und der Rotor (26a; 600) ein magnetisches Axiallager definieren, und der weiterhin einen Controller (200) umfaßt, um das magnetische Axiallager aktiv zu steuern.
  16. Gasturbinenmotor von Anspruch 15, wobei die Welle (16) eine Vielzahl von damit gekoppelten Luftflügeln (19) hat.
  17. Gasturbinenmotor von Anspruch 16, wobei der Rotor (26a; 600) bis zu ungefähr 649°C (1200 Grad Fahrenheit) betriebsfähig ist.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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