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Dokumentenidentifikation DE69730781T2 29.09.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000816654
Titel Lagerkombination für eine Gasturbine
Anmelder Rolls-Royce Corp., Indianapolis, Ind., US;
Iannello, Victor, Roanoke, Va., US
Erfinder Henry, Mark S., Indianapolis, Indiana 46260, US;
Iannello, Victor, Roanoke, Virginia 24018, US;
Pfaffenberger, Eugene E., Indianapolis, Indiana 46240, US;
Burns, Donald W., Danville, Indiana 46122, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69730781
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.06.1997
EP-Aktenzeichen 973045370
EP-Offenlegungsdatum 07.01.1998
EP date of grant 22.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.09.2005
IPC-Hauptklasse F02C 7/06
IPC-Nebenklasse F16C 27/04   F16C 39/06   F01D 25/16   F16C 17/20   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Entwurf und die Konstruktion eines Kombinationslagersystems zum Lagern bzw. Haltern einer Rotorwelle innerhalb eines Gasturbinenmotors. Insbesondere ist ein Hilfslager mit einem aktiven elektromagnetischen Lager gekoppelt, um eine drehbare Welle innerhalb des Gasturbinenmotors zu haltern. Obwohl die vorliegende Erfindung zur Verwendung in einem Gasturbinenmotor entwickelt wurde, können bestimmte Anwendungen außerhalb dieses Gebiets sein.

Es ist altbekannt, dass ein Gasturbinenmotor eine Kompressorkomponente aufweisen muss, die einen gewissen Teil des Druckanstiegs oder den gesamten Druckanstieg, der von dem Systemzyklus spezifiziert wird, entwickelt. Der Kompressor wird durch eine Drehwelle angetrieben, die mit einer Turbine verbunden ist. Turbinen sind altbekannt zum Umwandeln einer thermischen Energie von einem Hochtemperaturgasflussstrom in eine mechanische Energie. Während Kompressoren und Turbinen sehr unterschiedliche Hochgeschwindigkeits-Drehmaschinen sind, verwenden sie beide Reihen von Flügeln und Klingen, um den Fluidfluss zu beeinflussen. Die Klingen- und Flügelreihen arbeiten oft in einem nicht stetigen Fluss, bei dem sowohl die Geschwindigkeitsgröße als auch die Richtung schwanken. Ferner können einzelne Klingen Anhebe- und Mitnahmekräften ausgesetzt sein, sie können stehen bleiben, sie erzeugen Grenzschichten, Wirbelströmungen, und unter bestimmten Umständen Stoßwellen. Diese Hochgeschwindigkeits-Drehklingen sind mit einer Welle gekoppelt, die innerhalb eines mechanischen Gehäuses eines Lagerungssystems gehaltert bzw. gelagert ist. Das Lagersystem muss in der Lage sein starke dynamische und statische Lasten innerhalb einer widrigen Umgebung auszuhalten.

Da Motorkonstrukteure fortwährend die Effizienz und den Leistungsausgang von Gasturbinenmotoren erhöhen, wird die Anwendung von magnetischen Lagern zum Haltern bzw. Lagern und Steuern des Rotors wünschenswert. Die Integration von magnetischen Lagern in den Motor hinein würde ermöglichen, dass die Rotorwelle durch magnetische Kräfte gehalten wird, wobei Reibungskräfte, zusammen mit der mechanischen Abnutzung, und das Schmiersystem, beseitigt werden. Jedoch erfordern magnetische Lager ein Reserve-Lagerungssystem zum Lagern der Rotorwelle, wenn die magnetischen Kräfte kleiner als für die Halterung der Welle benötigt sind oder wenn die magnetischen Lager Fehlfunktionen aufweisen.

Ein herkömmlicher Typ von Reserve-Lager, welches mit magnetischen Lagern verwendet wird, weist ein Rollelementlager auf, welches innerhalb des Motorgehäuses konzentrisch mit der Mittellinie der Welle angebracht ist. Während eines normalen Betriebs haltert das magnetische Lager die Welle derart, dass ein Freiraum zwischen dem Reserve-Lager und der Welle vorhanden ist. Auf einen Ausfall des magnetischen Lagers oder während Perioden einer hohen Stoßlast hin wird die Welle in einen Kontakt mit dem Reserve-Lager bewegt.

Eine Beschränkung im Zusammenhang mit dem obigen Reserve-Lager ist, dass die Welle durch einen Luftspalt gehen muss, um durch das Reserve-Lager gehaltert zu werden. In einer Hochgeschwindigkeits-Dreheinrichtung wird dann, wenn das magnetische Lager entfernt wird, die Welle radial in Richtung auf den inneren Laufring des Reserve-Lagers hin beschleunigt, wobei dort ein Aufschlag, ein Aufprall und ein Rollen alle auftreten. Ferner wird der Übergang von dem magnetischen Lager auf das Reserve-Lager durch die dynamischen Eigenschaften im Zusammenhang damit, dass die Drehwelle an dem stationären Reserve-Lager angreift, destabilisiert. Die Destabilisierung ist die Folge des „Totband" („Deadband") Effekts, der die Aufschlagskräfte umfasst, die erzeugt werden, wenn die nicht gehalterte Welle den inneren Lagerlaufring des Lagers kontaktiert, und die Folge der Rollreibung, die durch die Differenz in der Oberflächengeschwindigkeit zwischen der Wellenoberfläche und dem sich beschleunigenden inneren Lagerlaufring des Lagerelements verursacht wird. Die Nicht-Linearität, die durch diesen „Totband" Effekt verursacht wird, ist extrem destabilisierend und kann zu einem nicht stabilen chaotischen Verhalten führen.

Obwohl die herkömmlichen Techniken, die magnetische Lagersysteme mit Reserve-Lagern verwenden, Schritte in der richtigen Richtung sind, bleibt noch die Notwendigkeit für zusätzliche Verbesserungen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Notwendigkeit in einer neuartigen und nichtoffensichtlichen Weise.

Ein Lagersystem, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 umfasst, ist in dem US Patent 5.021.697 offenbart.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Kombinationslager für einen Gasturbinenmotor bereitzustellen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Gasturbinenmotor vorgesehen, der umfasst:

ein mechanisches Gehäuse;

eine Welle, die innerhalb des Gehäuses drehbar ist und eine Vielzahl von Tragflächen bzw. Flügeln, die damit gekoppelt sind, aufweist;

ein elektromagnetisches Lagersystem zum Haltern der Welle; und

wenigstens eine Zusatzrollelement-Lagereinheit, die mit der Welle gekoppelt ist, um die Last auf der Welle zu teilen, wobei die oder jede Rollelement-Lagereinheit ein erstes Rollelementlager mit einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring und einer Vielzahl von Rollelementen, die den inneren Laufring kontaktieren, einschließt;

dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zusatzrollelement-Lagereinheit weich an der Welle angebracht ist, wobei der innere Laufring, die oder jede Rollelement-Lagereinheit eine erste nachgebende Schnittstelle, die sich zwischen dem äußeren Laufring und dem mechanischen Gehäuse erstreckt, und eine zweite nachgebende Schnittstelle, die sich zwischen dem inneren Laufring und der Welle erstreckt, einschließt, wobei die nachgebenden Schnittstellen einen stabilen Übergang von einer vollständig magnetischen Lagerungshalterung der Welle auf eine physikalisch kontaktierende mechanisch unterstützte Halterung der Welle durch die oder jede Rollelement-Lagereinheit bereitstellen.

Diesbezügliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich näher aus der folgenden Beschreibung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs mit einem Gasturbinenmotor, der damit gekoppelt ist;

2 eine vergrößerte Seitenelevationsansicht des Gasturbinenmotors der 1;

3a eine meridionale ebene Querschnittsansicht des Kompressors, umfassend einen Abschnitt des Gasturbinenmotors der 2, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

3b eine meridionale ebene Querschnittsansicht des Kompressors, umfassend einen Abschnitt des Gasturbinenmotors der 2, gemäß einer anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung;

4 eine illustrative Ansicht einer Turbine, die einen Abschnitt des Gasturbinenmotors der 2 umfasst, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5 eine vergrößerte Seitenelevationsansicht im Querschnitt des Hilfsdrucklagers, umfassend einen Abschnitt des Lagersystems der 3a; und

5a eine Seitenelevationsansicht im Querschnitt von einer alternativen Ausführungsform des Hilfs- bzw. Zusatzdrucklagers;

6 eine vergrößerte Seitenelevationsansicht im Querschnitt des Zusatzradiallagers, umfassend einen Abschnitt des Lagersystems der 3a;

7 eine illustrative Endansicht, die die nachgebenden Schnittstellen zeigt, die die Hilfslager zwischen der Rotorwelle und dem Motorgehäuse positionieren.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Für die Zwecke einer Unterstützung eines Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die Ausführungsform, die in den Zeichnungen dargestellt ist, und eine spezifische Sprache wird verwendet werden, um diese zu beschreiben. Es sei trotzdem darauf hingewiesen, dass dadurch keine Beschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei Änderungen und weitere Modifikationen in der dargestellten Einrichtung, und derartige weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie hier dargestellt, so betrachtet werden, so wie sie normalerweise einem Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, erscheinen würden.

Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist dort ein Flugzeug 10 mit einem Flugzeug-Flugantriebsmotor 11 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Flugzeug generisch ist und Helikopter, taktische Kampfflugzeuge, Trainingsflugzeuge, Raketen und andere verwandte Vorrichtungen einschließt. In der bevorzugten Ausführungsform definiert der Flugantriebsmotor 11 einen Gasturbinenmotor, in dem ein Kompressor 12, eine Verbrennungseinheit 13 und eine Kraftturbine 14 integriert ist. Es ist wichtig zu realisieren, dass eine Vielfalt von Vorgehensweisen vorhanden sind, mit denen die Komponenten zusammen verbunden werden können. Zusätzliche Kompressoren und Turbinen könnten mit Zwischenkühlern, die eine Verbindung zwischen den Kompressoren herstellen, hinzugefügt werden und Wiedererwärmungs-Verbrennungskammern könnten zwischen den Turbinen hinzugefügt werden. Ferner ist der Gasturbinenmotor gleichermaßen geeignet, um für eine industrielle Anwendung verwendet zu werden. Historisch ist eine weit verbreitete Anwendung von industriellen Gasturbinenmotoren vorhanden gewesen, wie beispielsweise für Pumpgeräte für Gas- und Ölübertragungsleitungen, eine Elektrizitätserzeugung, und für einen Schiffsantrieb.

Unter Bezugnahme auf 3a ist der Axialfluss-Kompressor 12 mit einem mechanischen Gehäuse 15 und einer Vielzahl von Flügelreihen dargestellt, die fest an einer zentralen Welle 16 für eine Verdichtung eines Fluids angebracht sind. Die Reihen bzw. Zeilen von Tragflügeln 19 weisen eine Spitze 19a auf, die radial beabstandet von dem Gehäuse 15 erhalten wird, um einen Zwischenraum dazwischen aufrecht zu erhalten. Die drehbaren Tragflügel 19 sind mit einem Rotor 22 gekoppelt und drehen sich relativ zu dem Kompressorgehäuse 15, wenn die Welle 16 durch eine Kraft, die auf die zentrale Welle 16 von der Turbine 14 ausgeübt wird, gedreht wird. Eine Vielzahl von entsprechend stationären Reihen (Statoren) von Tragflügeln 20 sind mit dem Kompressorgehäuse 15 gekoppelt. Der Fluss des komprimierbaren Fluids durch einen Kanal 21 innerhalb des Kompressorgehäuses 15 wird durch den Rotor und die Stator-Flügelreihen beeinflusst. In der bevorzugten Ausführungsform ist das komprimierbare Fluid Luft. Die Klingen- bzw. Flügelreihen sind allgemein konstruiert, um sich als Diffusoren zu verhalten, mit einem entsprechenden Anstieg im statischen Druck von dem stromaufwärts liegenden Bereich zu dem stromabwärts liegenden Bereich.

Die zentrale Welle 16 wird normalerweise durch ein aktives elektromagnetisches Lagerungssystem gehaltert. 4 ist eine illustrative schematische Darstellung einer Turbine mit einer drehbaren Welle, die durch ein elektromagnetisches Lagerungssystem und ein Zusatzlagerungssystem, welches im Wesentlichen identisch zu demjenigen ist, das für den Kompressor in 3a aufgeführt wird, gehaltert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Lagerungssysteme, die hier aufgeführt sind, gleichermaßen auf sowohl Turbinen als auf Kompressoren innerhalb des Gasturbinenmotors anwendbar sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist das elektromagnetische Lagerungssystem ein System mit fünf Achsen. Die Verwendung von elektromagnetischen Lagern anstelle von herkömmlichen Ölschmierlagern wird ermöglichen, dass das Motorschmiersystem entfernt wird, was zu einer starken Systemgewichtsverringerung, einem verringerten parasitären Verlust, einer Vereinfachung der Motorkonstruktion und einer verbesserten Motorzuverlässigkeit durch die Beseitigung der Lagerungsabnützung führt. Ferner wird die Verwendung von elektromagnetischen Lagern, anstelle von herkömmlichen Ölschmierlagern, vorteilhaft für die Umwelt sein, indem die Behandlung, die Speicherung und das Wegwerfen von synthetischen Ölen beseitigt wird.

Ein elektromagnetisches Lagerungssystem kann als ein integrierter Aktuator für ein Hochgeschwindigkeitsgerät einer Turbomaschinerie dienen. Eine von derartigen Anwendungen ist für einen Kompressor, bei dem der Aktuator verwendet wird, um eine für den Kompressor aktive Stabilitätssteuerung, eine für den Kompressor aktive Spitzenfreiraumsteuerung und die aktive Steuerung von dynamischen Instabilitäten des Rotors durch Bereitstellen einer Dämpfung zu erlauben. Elektromagnetische Lagerungssysteme eignen sich gut für die Anwendung von diesen aktiven Steuertechniken für die Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Operabilität für Gasturbinenmotoren. Eine erteilte U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer No. 08/396.014, mit dem Titel MAGNETIC BEARINGS AS ACTUATION FOR ACTIVE COMPRESSOR STABILITY CONTROL, die erteilt wurde und im gemeinschaftlichen Eigentum ist, wird hier durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung.

In einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung umfasst das magnetische Lagerungssystem ein erstes aktives elektromagnetisches Radiallager 25, das an einem Ende der Welle 16 positioniert ist, und ein zweites aktives elektromagnetisches Radiallager 27, welches an dem anderen Ende der Welle 16 positioniert ist. Die magnetischen Lager der vorliegenden Erfindung sind aktive elektromagnetische Lager. Ein aktives elektromagnetisches Drucklager 26 ist so positioniert, dass es auf die Welle 16 wirkt und einer Drucklast entgegenwirkt. Ein aktives elektromagnetisches Drucklager 26 umfasst eine Druckplatte 26a, die mit der Welle 16 gekoppelt ist, und einen Stator 26b, der mit dem mechanischen Gehäuse 15 gekoppelt ist. Die aktiven elektromagnetischen Lager 25, 26 und 27 weisen die Möglichkeit auf, sich an die Änderung in den Anforderungen für das Rotorsystem anzupassen, Motorbedingungen zu diagnostizieren, den Flügelspitzen-Freiraum zu minimieren und weiter eine Stabilitätssteuerung bereitzustellen. Jedes der aktiven elektromagnetischen Radiallager 25 und 27 schließt Statoren und Rotoren ein. Der nominelle Freiraum (Luftspalt) zwischen den magnetischen Radiallager-Statoren und Rotoren ist in dem Bereich von ungefähr 0,254 mm–0,305 mm (ungefähr 0,010–0,012 inch). Jedoch sei darauf hingewiesen, dass der Freiraum zwischen den elektromagnetischen Radiallager-Rotoren und den Statoren sich ändern wird, wenn die magnetischen Lager ausfallen oder wenn eine Spitzenlast vorhanden ist. Ferner werden die Luftspaltänderungen auch während einer aktiven Steuerung mit einer geschlossenen Schleife des elektromagnetischen Lagerungssystems auftreten.

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die maximale statische Last, die jedes der elektromagnetischen Radiallager 25 und 27 tragen kann, ungefähr 227 kg (ungefähr 500 Pfund). Zusätzlich ist die maximale dynamische Last, die jedes der elektromagnetischen Radiallager 25 und 27 tragen können, ungefähr 227 kg (ungefähr 500 Pfund). Es sei darauf hingewiesen, dass andere Lagerungsstützlasten hier in Erwägung gezogen werden, die von dem für die Lager verfügbaren Platz, der Lagergröße, dem Lagerungsmaterial und anderen Charakteristiken des Lagers abhängen. Die elektromagnetischen Lager 25, 26, 27 sind mit einem Controller 200 verbunden, der die Funktionalität bereitstellt, die notwendig ist, um die elektromagnetischen Lager zu steuern.

Es ist altbekannt, dass Flugzeug-Gasturbinenmotoren einen breiten Bereich von dynamischen und statischen Lasten ausgesetzt sind. Einige von diesen Lasten, insbesondere Manöver- und Landelasten, können sehr extrem und in der Größenordnung von bis zu 20 mal der Erdanziehungskraft sein. Die vorliegende Erfindung erwägt ein Leichtgewicht-Hochtemperatur-Kombinationslager, um die angewendete Last, die auf die Welle 16 wirkt, gemeinsam zu teilen. Zusatzlagereinheiten 30 und 31 laufen bei der Wellengeschwindigkeit der jeweiligen Komponente des Gasturbinenmotors und teilen die Last, wie mit den magnetischen Lagerungssystem benötigt.

Unter Bezugnahme auf 5 ist eine vergrößerte Seitenelevationsansicht im Querschnitt der Zusatzlagereinheit 30 gezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Zusatzlagereinheit 30 ein Lager des trockenen fest-geschmierten Rollelement-Typs. Jedoch werden hier andere Schmierverfahren in Erwägung gezogen. Das Lager 33, das einen Abschnitt der Lagereinheit 30 umfasst und einen äußeren Lagerlaufring 32, der mit dem Gehäuse 15 gekoppelt ist, aufweist, ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Kugellager. Der innere Lagerungs-Laufring 34 des Lagers 33 ist mit der drehbaren Welle 16 verbunden. Eine nachgebende Schnittstelle 35 koppelt den äußeren Lagerungslaufring 32 mit dem Gehäuse 15 und eine zweite nachgebende Schnittstelle 36 koppelt den inneren Lagerungs-Laufring 34 mit der Welle 16. Nachgebende Schnittstellen 35 und 36 dienen dazu, um das Lager 33 der Zusatzlagereinheit 30 zwischen der drehbaren Welle 16 und dem Gehäuse 15 weich anzubringen. Die leichte Belastung der äußeren Laufringe des Lagers 33 erlaubt, dass sich der innere Lagerungs-Laufring 34 und die Rollkugeln kontinuierlich mit der Rotorwelle 16 drehen.

Die nachgebenden Schnittstellen 35 und 36 sind elastisch genug, um der Welle 16 zu erlauben ihre eigene dynamische Mitte zu suchen, aber dennoch steif genug, um die radiale und axiale Bewegung der Welle zu begrenzen. In der bevorzugten Ausführungsform stellen die nachgebenden Schnittstellen 35a jeweils eine leichte Vorlast an der Welle bereit, und in einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorlast ungefähr 22,7 kg (ungefähr 50 Pfund). Die nachgebenden Schnittstellen 35a in der bevorzugten Ausführungsform sind Federn, die eine Federrate von ungefähr 892,8 kg/cm (ungefähr 5000 lbs/in) aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Lagervorlast an der Welle die zum Abstimmen der dynamischen Eigenschaften des Rotors des Systems eingestellt werden kann. Unter Bezugnahme auf 7 ist eine Endansicht einer Ausführungsform des Lagers 33 dargestellt, welches zwischen der drehbaren Welle 16 und dem mechanischen Gehäuse 15 weich angebracht ist. Nachgebende Schnittstellen 35 und 36 in einer Ausführungsform sind federnd. Insbesondere ist die nachgebende Schnittstelle 35 eine Blattfeder und die nachgebende Schnittstelle 36 ist eine kontinuierliche Wellenfeder. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Federrate für die nachgebende Schnittstelle 35 ungefähr 17.857 kg/cm (ungefähr 100.000 lbs/in) und für die nachgebende Schnittstelle 36 beträgt sie ungefähr 8.928 kg/cm (ungefähr 50.000 lbs/in). Es sei darauf hingewiesen, dass hier nicht beabsichtigt ist, dass die nachgebenden Schnittstellen auf Federn beschränkt sind und, dass die geeigneten Federraten von den bestimmten Systemparametern abhängig sind.

Die weiche Anbringung des Lagers 33 zwischen dem Gehäuse 15 und der Welle 16 erlaubt einen im Wesentlichen stabilen Übergang von der vollständig magnetischen Lagerungshalterung der Rotorwelle 16 auf eine physikalisch kontaktierende, mechanisch unterstützte Lagerung der Welle. Die Zusatzlagereinheit 30, die die Last mit den magnetischen Kräften von dem elektromagnetischen Lager teilt, haltert die Welle 30. Während die Welle 16 normalerweise durch die magnetische Kraft von dem elektromagnetischen Lager gehaltert wird und sich um ihre Mittellinie dreht, stellen die Zusatzlagereinheiten 30 und 31 eine leichte Last an der Welle bereit und drehen sich bei der Wellengeschwindigkeit. Auf den Ausfall eines elektromagnetischen Lagers und/oder den Einsatz eines Manövers oder einer anderen Aktivität hin, die eine Spitzenlast erzeugt, teilen die Zusatzlagereinheiten 30 und 31 sich die Last an der Welle 16. Ferner stellen die Zusatzlagereinheiten eine statische Halterung für die Welle 16 bereit, wenn die Welle stationär ist. In der bevorzugten Ausführungsform Zusatzlagereinheit 30, auf die radiale Versetzung der Welle 16 um ungefähr fünf bis sieben Tausendstel eines Inchs hin, bildet die nachgebende Schnittstelle 35 einen Boden und der äußere Lagerungslaufring 32 wird mit dem Gehäuse 15 hart gekoppelt. Die Kompression der nachgebenden Schnittstelle 35 erlaubt den fortgesetzten Transfer der Lagerungshalterung von dem elektromagnetischen Lagerungssystem auf die Zusatzlagereinheiten 30 und 31, und wenn notwendig tragen die Zusatzlagereinheiten die vollständige Wellenlast, um zu ermöglichen, dass die Flugmission beendet wird. Eine weiche Kopplung der Zusatzeinheiten 30 und 31 mit der Welle 16 erlaubt die Aufnahme der beträchtlichen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Welle 16 und den inneren Lagerungs-Laufringen.

In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zusatzlagereinheit 30 zwei Winkelkontakt-Kugellager 33 und 37. Das zweite Kugellager 37 ist im Wesentlichen identisch zu dem ersten Kugellager 33 angebracht. Es sei darauf hingewiesen, dass die zwei Kugellager 33 und 37 im Wesentlichen identisch sind und gleiche Bezugszeichen hier verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Das zweite Kugellager 37 ist an seinem inneren Lagerlaufring 34 über eine nachgebende Schnittstelle 36 an der Welle 16 angebracht und sein äußerer Lagerlaufring 32 ist mit dem Gehäuse 15 über eine nachgebende Schnittstelle 35 gekoppelt. Eines der Kugellager hat einen hohen Kontaktwinkel, um auf die größere Drucklast zu reagieren, und das andere Lager hat einen niedrigen Kontaktwinkel, um auf umgekehrte Drucklasten und entsprechende radiale Lasten zu reagieren. Die Zusatz- bzw. Hilfslagereinheit 30 stellt eine Vorlast bereit und begrenzt die axiale und radiale Bewegung der Welle 16, um einen Kontakt mit dem elektromagnetischen Lagerungssystem zu verhindern.

Unter Bezugnahme auf 5a ist eine alternative Ausführungsform 130 der Zusatzlagereinheit dargestellt. Die Zusatzlagereinheit 130 ist entworfen und konstruiert zum Bereitstellen einer Zusatzdruck- und Radiallagerungs-Halterung für die Welle 16. Die Zusatzlagereinheit 130 ist im Wesentlichen ähnlich zu der Zusatzlagereinheit 30, schließt aber nur ein Rolllagerelement des Kugeltyps ein. Das Lagerelement 133 ist ein Element des Kugeltyps, wobei die Vielzahl von Kugeln zwischen einem inneren Lagerlaufring 135 und einem äußeren Lagerlaufring 134 rollen. Die Zusatzlagereinheit 130 ist weich an der Welle 16 und dem Gehäuse 15 in im Wesentlichen der gleichen Weise wie die Lagereinheit 30 angebracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Zusatzlagereinheiten 30 und 130 dafür ausgelegt, um Temperaturen von ungefähr 538°C (ungefähr 1.000°F) auszuhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass das Lager, das in den Zusatzlagereinheiten verwendet wird, Rollelement-Lager des Kugeltyps sind. In einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung sind die Lager keramische Lager (Silikonnitrit) mit einem keramischen inneren Lagerlaufring, einen keramischen äußeren Lagerlaufring, und keramischen Rollkugelelementen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Lagereinheiten hybride Lager mit einem inneren und äußeren Lagerlaufring aus einer Stahllegierung und einem keramischen Rollelement. Die Lagereinheiten 30 und 130 und ihre diesbezüglichen Komponenten, werden nicht extern geschmiert und sie weisen eine trockene Festkörperschmierung auf.

An dem anderen Ende der Welle 16 ist für eine Lastteilung mit dem radialen elektromagnetischen Lager 27 eine Zusatzlagereinheit 31 positioniert. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Zusatzlagereinheit 31 ein radiales Rollelementlager. Unter Bezugnahme auf 6 ist dort eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform der Radialrollen-Lagereinheit 31 gezeigt. Das Rollelement 40 umfasst ein zylindrisches Lagerelement zum Stützen der radialen Last, die von der Welle 16 übertragen wird und die von dem magnetischen Lagerungssystem nicht getragen wird. In der bevorzugten Ausführungsform rollt das zylindrische Rollenlager 40 zwischen einem inneren Lagerlaufring 41, der mit der Welle 16 gekoppelt ist, und einem äußeren Lagerlaufring 42, der mit dem Gehäuse 15 gekoppelt ist. Die Zusatzlagereinheit 31 ist zwischen der Welle 16 und dem Gehäuse 15 über nachgebende Schnittstellen 43 und 44 angebracht. Die nachgebenden Schnittstellen 43 und 44 sind konstruiert, um die Lager zwischen der Welle 16 und dem Gehäuse 15 in einer Weise, die im Wesentlichen identisch zu derjenigen für die Lagereinheiten 30 und 130 ist, weich anzubringen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Zusatzlagereinheiten 31 dafür ausgelegt, um Temperaturen von ungefähr 538°C (1.000°F) auszuhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass das Lager, das in den Zusatzlagereinheiten verwendet wird, Lager des Rollelement-Rollentyps sind. In einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung sind die Lager Keramiklager (Silikonnitrit) mit einem keramischen inneren Lagerlaufring, einem keramischen äußeren Lagerlaufring, und keramischen rollenden Rollelementen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Lagereinheiten hybride Lager mit einem inneren und äußeren Lagerlaufring aus einer Stahllegierung und einem keramischen Rollelement. Die Lagereinheit 31 und ihre diesbezüglichen Komponenten werden nicht extern geschmiert und sie weisen eine trockene feste Schmierung auf.

Unter Bezugnahme auf 3b ist eine andere Ausführungsform des Kombinationslagerungssystems dargestellt. Das Kombinationslagerungssystem ist im Wesentlichen identisch zu dem System der 3a, mit einer wesentlichen Änderung, die sich auf die Neuanordnung der Zusatzlagereinheit 30 bezieht, und zwar davon, in das elektromagnetische Lager 25 gesteckt zu sein, dazu, davon beabstandet zu sein. Die Zusatzlagereinheit 30 weist einen axialen Versatz auf, um die dynamischen Eigenschaften des Rotors des Gasturbinenmotors zu optimieren.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Position der Kombinationslagerkomponenten die Abstimmung der kritischen Geschwindigkeiten des Motorrotors ermöglichen wird.

Während die Erfindung ausführlich in den Zeichnungen und der voranstehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben worden ist, sollte diese als illustrativ und dem Sinn nach nicht beschränkend angesehen werden, wobei sich von selbst versteht, dass nur die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist.


Anspruch[de]
  1. Gasturbinenmotor, umfassend:

    ein mechanisches Gehäuse (15);

    eine Welle (16), die innerhalb des Gehäuses (15) drehbar ist und eine Vielzahl von damit gekoppelten Tragflügel (19) aufweist;

    ein elektromagnetisches Lagersystem (25, 26, 27) zum Haltern der Welle (16); und

    wenigstens eine Zusatzrollelementlagereinheit (30, 31), die mit der Welle (16) zum Teilen der Last der Welle (16) gekoppelt ist, wobei die oder jede Rollelementlagereinheit (30, 31) ein erstes Rollelementlager (33) mit einer inneren Laufbahn (34) und einer äußeren Laufbahn (32) und einer Vielzahl von Rollelementen, die die innere Laufbahn (34) kontaktieren, einschließt;

    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zusatzrollelementlagereinheit (30, 31) an der Welle (16) weich angebracht ist, wobei die oder jede Rollelementlagereinheit (30, 31) einen ersten nachgebenden Übergang (35), der sich zwischen der äußeren Laufbahn (32) und dem mechanischen Gehäuse (15) erstreckt, und einen zweiten nachgebenden Übergang (36), der sich zwischen der inneren Laufbahn (34) und der Welle (16) erstreckt, einschließt, wobei die nachgebenden Übergänge (35, 36) eine stabile Transition von einer vollständig magnetischen Lagerhalterung der Welle (16) auf eine physikalisch kontaktierende mechanisch unterstützte Halterung der Welle (16) durch die oder jede Rollelementlagereinheit (30, 31) bereitstellt.
  2. Gasturbinenmotor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten nachgebenden Übergänge (35, 36) Federn sind.
  3. Gasturbinenmotor nach Anspruch 2, wobei der erste nachgebende Übergang (35) eine Blattfeder ist und der zweite nachgebende Übergang (36) eine kontinuierliche Wellenfeder ist.
  4. Gasturbinenmotor nach Anspruch 3, wobei die Federrate für den ersten nachgebenden Übergang 17857 kg/cm (einhunderttausend Pfund/Inch) ist und die Federrate für den zweiten nachgebenden Übergang 8928 kg/cm (fünfzigtausend Pfund/Inch) ist.
  5. Gasturbinenmotor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der erste und zweite nachgebende Übergang (35, 36) deformierbar ist, um der Welle (16) zu ermöglichen ihr eigenes dynamisches Zentrum zu suchen, während die axiale und radiale Bewegung der Welle (16) begrenzt wird.
  6. Gasturbinenmotor nach Anspruch 5, wobei der erste nachgebende Übergang (35) am Boden ausläuft, um die äußere Laufbahn (32) mit dem Gehäuse (15) hart zu koppeln.
  7. Gasturbinenmotor nach Anspruch 6, wobei die radiale Verschiebung, die notwendig ist, um zu verursachen, dass der erste nachgebende Übergang (35) am Boden ausläuft, innerhalb eines Bereichs von 0,127 m–0,178 mm (0,005–0,007 Inch) ist.
  8. Gasturbinenmotor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die oder jede Zusatzrollelementlagereinheit (30, 31) ein zweites Rollelementlager (37) einschließt, wobei das zweite Rollelementlager (37) eine innere Laufbahn (34) und eine äußere Laufbahn (32) aufweist, und der ferner einen dritten und vierten nachgebenden Übergang (35, 36) für eine weiche Anbringung des zweiten Rollelementlagers (37) zwischen der Welle (16) und dem Gehäuse (15) einschließt, wobei der dritte nachgebende Übergang (35) die äußere Laufbahn (32) mit dem Gehäuse (15) koppelt und der vierte nachgebende Übergang (36) die innere Laufbahn (34) mit der Welle (16) koppelt.
  9. Gasturbinenmotor nach Anspruch 8, wobei der dritte und vierte nachgebende Übergang (35, 36) Federn sind.
  10. Gasturbinenmotor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das elektromagnetische Lagersystem ein Paar von beabstandeten elektromagnetischen radialen Lagern (25, 27) zum Haltern der Welle (16) einschließt und zwei der Zusatzrollelementlagereinheiten (30, 31) umfasst, wobei eine erste Zusatzrollelementlagereinheit (30) nahe zu einem des Paars von beabstandeten elektromagnetischen radialen Lagern (25, 27) angeordnet ist und eine zweite Zusatzrollelementlagereinheit (31) nahe zu dem anderen des Paars von beabstandeten elektromagnetischen Lagern (25, 27) angeordnet ist.
  11. Gasturbinenmotor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das oder jedes Rollelementlager (33, 37) ein Lager des Keramik-Kugel-Typs ist.
  12. Gasturbinenmotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das oder jedes Rollelementlager (32, 37) ein hybrides Lager ist.
  13. Gasturbinenmotor nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das oder jedes Rollelementlager in der Lage ist Temperaturen von 538°C (eintausend Grad Fahrenheit) auszuhalten.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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