DE4011377A1 - Gasturbinentriebwerksrotor und dafuer vorgesehener traegheitsdaempfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb­ werke und betrifft insbesondere einen verbesserten Gastur­ binentriebwerksrotor, der einen Trägheitsdämpfer zum Dämp­ fen von ausgewählten Schwingungen aufweist, die von einem Teil des Rotors auf einen anderen Teil desselben übertragen werden.

Gasturbinentriebwerke haben einen Rotor, der in einem Sta­ tor drehbar befestigt ist. Der Rotor hat üblicherweise meh­ rere in gegenseitigem axialen Abstand auf einer Hauptrotor­ welle befestigte Kränze von gegenseitigen Umfangsabstand aufweisenden Laufschaufeln. In der Verdichterstufe des Ro­ tors nehmen die Laufschaufeln jedes Kranzes in ihrer Größe in der Strömungsrichtung zunehmend ab, das heißt die Lauf­ schaufeln jedes Kranzes sind kleiner als die Laufschaufeln des unmittelbar benachbarten stromaufwärtigen Kranzes.

Ein Kegelrad ist üblicherweise auf der Hauptrotorwelle be­ festigt und ist mit einem zugeordneten Hilfskegelrad, das an dem distalen Ende einer Hilfswelle angeordnet ist, in ständigem Eingriff. Diese Hilfswelle wird üblicherweise als Zapfwelle bezeichnet, deren Längsachse häufig so angeordnet ist, daß sie zu der Achse der Hauptwelle rechtwinkelig oder zumindest schräg ist. Ein Anlasser ist mit der Hilfswelle gekuppelt. Daher bewirkt zum Beispiel während des Anlassens des Triebwerks der Anlasser, daß die Hilfswelle mit bis zu etwa 7000 U/min in Drehung versetzt wird. Diese Bewegung wird über das Hilfs- und das Hauptwellenkegelrad übertra­ gen, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Nachdem das Triebwerk angelassen worden ist, wird durch die Antriebs­ drehung der Hauptwelle die Hilfswelle drehangetrieben. In dieser Betriebsart ist der Anlasser üblicherweise abge­ schaltet, und ein Wechselstromgenerator, der mit der Welle verbunden ist, gibt elektrischen Strom an das System ab, von dem das Triebwerk ein Teil ist. Die Hilfswelle bleibt also mit der Hauptrotorwelle während des gesamten Betriebs­ drehzahlbereiches der Hauptwelle, der sich üblicherweise bis zu etwa 46 000 U/min erstreckt, mechanisch gekuppelt.

In manchen Triebwerkskonfigurationen ist an Deh­ nungsmeßstreifen beobachtet worden, daß die Laufschaufeln der fünften Verdichterstufe übermäßigen Schwingungsbe­ anspruchungen bei oder nahe einer Resonanzfrequenz während des Triebwerksanlaufes ausgesetzt waren. Es wurde festge­ stellt, daß die Beanspruchung dieser Laufschaufeln aufgrund von Resonanzfrequenzen anscheinend in einer Beziehung zu der Anzahl der Zähne des Rotorkegelrads stand. Insbesondere wurde beobachtet, daß die Laufschaufeln der fünften Stufe mit "38/U" (d.h. mit dem Achtunddreißigfachen der Rotordrehzahl) angeregt wurden, das heißt mit einer Zahl, die mit der Anzahl der Zähne des Rotorkegelrads überein­ stimmte. Aus dieser Beobachtung wurde geschlossen, daß die Schwingungsanregung der Laufschaufeln der fünften Stufe ei­ ner Quelle von Schwingungen, die von dem Hilfskegelrad auf das Rotorkegelrad und durch Torsionsschwingungen der Rotor­ welle auf die fünfte Stufe des Verdichters übertragen wur­ den, zuzuschreiben war.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gasturbinentriebwerksrotor zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein Rotor geschaffen wer­ den, bei dem ein besonderer Kranz von Laufschaufeln nicht durch Einwirkung einer Quelle von Schwingungen auf einen besonderen Teil des Rotors schwingungsmäßig angeregt wird.

Ferner soll durch die Erfindung ein verbesserter Trägheits­ dämpfer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk ge­ schaffen werden, der in der Lage ist, die Schwingungen zu dämpfen, die von einem ersten Teil des Rotors auf einen an­ deren Teil desselben übertragen werden.

Außerdem soll durch die Erfindung ein verbesserter Träg­ heitsdämpfer geschaffen werden, der in der Lage ist, ausge­ wählte Schwingungen zu dämpfen, die sonst von einem Rotor­ kegelrad auf den Laufschaufelkranz der fünften Stufe über­ tragen werden würden.

Schließlich soll durch die Erfindung ein verbesserter Träg­ heitsdämpfer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, der leicht in die vorhandene Triebwerks­ konfiguration eingebaut und innerhalb der gegebenen räumli­ chen Grenzen bei minimaler Modifizierung von vorhandenen Teilen und Komponenten darin untergebracht werden kann.

Ein verbesserter Gasturbinentriebwerksrotor mit einem darin verwendbaren verbesserten Trägheitsdämpfer wird durch die Erfindung geschaffen. Der verbesserte Dämpfer ist an dem Rotor so befestigbar, daß er eine vorbestimmte Kraft auf eine Auflagefläche ausübt, die an dem Rotor vorgesehen ist, und auf eine weitere Auflagefläche, die an dem Kegelrad vorgesehen ist. Die Größe dieser Vorbelastungskraft, das polare Trägheitsmoment des Dämpfers und der Reibungskoeffi­ zient zwischen dem Dämpfer und den beiden Auflageflächen werden so gewählt, daß die Schwingungsanregung, die über das Kegelrad übertragen wird, wirksam gedämpft wird und daß kein anderer Teil des Rotors (z.B. die Laufschaufeln der fünften Stufe) bei oder nahe einer Resonanzfrequenz schwin­ gungsmäßig angeregt wird, alles mit dem Ziel, für diese Laufschaufeln eine bevorzugte Dauerschwingfestigkeit für hochfrequent auftretende Lastspiele zu erzielen. Gleichzei­ tig kann dieser Trägheitsdämpfer ohne weiteres in einen vorhandenen Triebwerksentwurf und eine vorhandene Trieb­ werkskonfiguration bei einem Minimum an Modifizierung von anderen Teilen eingebaut werden. Die wirksame Dämpfung wird daher mit minimalen Kosten und minimalem Aufwand erreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat der verbesserte Dämpfer die Form eines zylindrischen Rohres. Die entgegen­ gesetzten Stirnflächen dieses Rohres liegen an entgegenge­ setzten und zugewandten Auflageflächen an dem Rotor und dem Kegelrad an. Das Rohr hat wenigstens zwei axialen Abstand aufweisende Reihen von gegenseitigen Umfangsabstand aufwei­ senden Schlitzen. Die Schlitze jeder Reihe sind durch steg­ artige Unterbrechungen getrennt, und die Unterbrechungen der verschiedenen Reihen sind in bezug aufeinander umfangs­ mäßig versetzt. Der Dämpfer ist somit axial biegsam und wird um eine vorbestimmte Strecke axial zusammengedrückt, damit er die gewünschte Vorbelastungskraft auf die Auflage­ flächen ausübt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines vorderen Teils eines verbesserten Gasturbinentrieb­ werks, wobei ein Teil des äußeren Gehäuses weggebrochen worden ist, um den vorderen Teil des Rotors darin freizulegen, wobei diese An­ sicht außerdem den Anlasser in ge­ genüber dem Statorgehäuse ausein­ andergezogener Darstellung zeigt,

Fig. 2 eine Teillängsschnittansicht des verbesserten Triebwerks, die das Kegelrad und das Hilfskegelrad in gegenseitigem Eingriff und den be­ triebsmäßig zwischen einer Mutter und dem Rotorkegelrad angeordneten verbesserten Dämpfer zeigt,

Fig. 3 eine perspektivische Einzelansicht des verbesserten Dämpfers,

Fig. 4 eine Vertikallängsschnittansicht des verbesserten Dämpfers nach der Linie 4-4 in Fig. 3, und

Fig. 5 eine Vertikalquerschnittansicht des verbesserten Dämpfers insge­ samt nach der Linie 5-5 in Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein Teil eines verbesserten Gasturbinentrieb­ werks gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung insgesamt mit 10 bezeichnet.

Das Triebwerk 10 weist, wie dargestellt, einen langge­ streckten Stator 11 und darin einen Rotor 12 auf. Der Sta­ tor hat ein äußeres Gehäuse 13 und ein inneres Gehäuse 14, die zwischen sich einen ringförmigen Strömungsweg begren­ zen, der sich von einem vordersten Einlaß 15 zu einem Ver­ dichterzwischenteil erstreckt, der insgesamt mit 16 be­ zeichnet ist. Mehrere sich radial erstreckende und gegen­ seitigen Umfangsabstand aufweisende Leitschaufeln 18 ver­ binden das innere und das äußere Gehäuse des Stators in der Nähe des Einlasses.

Der Rotor 12 hat, wie dargestellt, eine Hauptwelle 19, die an dem Stator an einem vorderen Ende mittels eines vorderen Lagers 21 drehbar gelagert ist, wobei ein hinteres Ende der Welle 19 mit einer Hochdruckturbine (nicht dargestellt) ge­ eignet verbunden ist, die die Welle 19 antreibt. Koaxial innerhalb der Welle 19 ist eine Abtriebswelle 17 an einem vorderen Ende durch ein vorderes Lager 20 gelagert, wobei ein hinteres Ende der Welle 17 mit einer Niederdruckturbine (nicht dargestellt) verbunden ist, die die Welle 17 an­ treibt, beispielsweise zum Antreiben eines Propellers oder Hubschrauberrotors. Der äußere Laufring des vorderen Lagers 20 ist an dem inneren Gehäuse 14 durch mehrere gegenseiti­ gen Umfangsabstand aufweisende, sich radial erstreckende Streben 22 befestigt. Der äußere Laufring des Lagers 21 ist am Rand des hinteren Endteils des inneren Gehäuses 14 ge­ eignet befestigt.

Der Verdichterteil 16 weist fünf in axialem Abstand ange­ ordnete Kränze von gegenseitigen Umfangsabstand aufweisen­ den Laufschaufeln auf, die sich von der Hauptwelle 19 nach außen in den ringförmigen Durchlaß erstrecken, der zwischen der Scheibe, in welcher die Füße der Laufschaufeln befe­ stigt sind, und dem äußeren Gehäuse 13 gebildet ist. Die fünf Kränze von Laufschaufeln sind mit 16 A, 16 B, 16 C, 16 D bzw. 16 E bezeichnet. Stromaufwärts jedes Laufschaufelkran­ zes befindet sich ein Kranz von Leitschaufeln, wobei jede Leitschaufel-/Laufschaufelkranz-Kombination als eine "Stufe" bezeichnet wird. Die körperliche Größe der Lauf­ schaufeln in jedem Kranz nimmt in der Strömungsrichtung durch das Triebwerk zunehmend ab, das heißt die Laufschau­ feln 16 A der ersten Stufe sind größer als die Laufschaufeln 16 B der zweiten Stufe, die größer sind als die Laufschau­ feln 16 C der dritten Stufe, usw. Ein Kreiselverdichter 23 ist ebenfalls auf der Hauptwelle 19 hinterhalb des Lauf­ schaufelkranzes der fünften Stufe befestigt.

Ein nach vorn weisendes Kegelrad, das insgesamt mit 24 be­ zeichnet ist, ist auf der Hauptrotorwelle unmittelbar vor­ derhalb des Lagers 21 befestigt. Dieses Kegelrad 24 ist in ständigem Eingriff mit einem Hilfsritzel oder Hilfskegelrad 25, das an dem Rand des inneren Endteils einer Hilfs- oder Zapfwelle 26 befestigt ist. Ein Anlassermotor 28, der in auseinandergezogener Darstellung bezüglich des Triebwerks dargestellt ist, ist normalerweise an dem Stator befestigt und in lösbarem Eingriff mit der Hilfswelle 26. Während des Triebwerksanlassens wird der Anlasser 28 betätigt, um die Hauptwelle 19 relativ zu dem Stator in Drehung zu verset­ zen. Nachdem das Triebwerk jedoch angelassen worden ist, wird der Anlasser 28 abgekuppelt. Weitere stromabwärtige Teile des verbesserten Triebwerks, wie zum Beispiel die Brennkammer und die Hoch- sowie die Niederdruckturbine sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.

Die vorstehend beschriebenen Teile des Triebwerks sind her­ kömmlich. Im Gebrauch wurde jedoch beobachtet, daß die Laufschaufeln 16 E der fünften Stufe eine reduzierte Dauer­ schwingfestigkeit für hochfrequent auftretende Lastspiele aufwiesen, und zwar wegen einer anscheinenden Resonanz der­ selben bei oder nahe einer besonderen Rotordrehzahl. Insbe­ sondere wurde beobachtet, daß diese Resonanz während des Anlassens bei Rotordrehzahlen von bis zu etwa 7000 U/min für die Rotorwelle 19 auftraten. Da der Drehzahlbereich des Rotors von null bis etwa 46 000 U/min reicht, durchlief der Rotor jedesmal dann, wenn das Triebwerk angelassen wurde, eine Resonanz hervorrufende Drehzahl. Dehnungsmeßstreifen wurden dann an den Laufschaufeln der fünften Stufe ange­ bracht, um zu versuchen, die Quelle der Schwingungen zu identifizieren, durch die diese Laufschaufeln angeregt wur­ den. Bei dem Analysieren der Daten, die diese Dehnungsmeß­ streifen lieferten, wurde festgestellt, daß die Laufschau­ felbeanspruchungen bei oder nahe der kritischen Rotordreh­ zahl (d.h. bei etwa 7000 U/min) eine Frequenz von 38/Umdrehung hatten. Da das Kegelrad 24 achtunddreißig Zähne hatte, ließ sich schließen, daß das Hilfszahnrad 25 Schwingungen auf das Kegelrad 24 übertrug, die die Lauf­ schaufeln der fünften Stufe veranlaßten, bei oder nahe ei­ ner Resonanzfrequenz zu schwingen. Demgemäß wurde der ver­ besserte Dämpfer, der in Fig. 1 insgesamt mit 29 bezeichnet ist, so entworfen und ausgebildet, daß er an dem Rotor 12 mit einem Minimum an Modifizierungen der übrigen vorhan­ denen Triebwerkskonstruktion befestigbar war.

Fig. 2 zeigt den betreffenden Teil des Triebwerks, der wie­ der die Hauptrotorwelle 19, das Lager 21, das Kegelrad 24, den Dämpfer 29, eine Mutter 30, die Hilfswelle 26 und das Ritzel 25 umfaßt. Die übrige Triebwerkskonstruktion, die für das Verständnis des verbesserten Dämpfers nicht wesent­ lich ist, ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber wegge­ lassen worden.

Die Hilfs- oder Zapfwelle 26 ist um eine Achse y-y drehbar, die zu einer Rotorlängsmittelachse x-x rechtwinkelig ist, und hat einen unteren Endteil, der fest mit dem Ritzel 25 verbunden ist. Die Hilfswelle 26 ist in einem Lager 31 drehbar gelagert, dessen äußerer Laufring an dem Stator 11 des Triebwerks befestigt ist. Das Ritzel 25 ist mit seinen abwärts und nach außen weisenden Zähnen in ständigem Ein­ griff mit den aufwärts und nach links weisenden Zähnen des Kegelrads 24 angeordnet.

Der dargestellte Teil der Welle 19 ist ein rohrförmiges Teil, der längs der horizontalen Achse x-x langgestreckt ist, und hat eine äußere Oberfläche, die in dem betreffen­ den Teil nacheinander umfaßt: eine nach außen weisende ho­ rizontale zylindrische Oberfläche 32, einen mit Außenge­ winde versehenen Teil 33, eine nach links weisende ringför­ mige vertikale Oberfläche 34, eine nach außen weisende ho­ rizontale zylindrische Oberfläche 35, eine nach außen wei­ sende Oberfläche 36, die Keilzähne bildet, und eine nach außen weisende horizontale zylindrische Oberfläche 38, eine nach links weisende ringförmige vertikale Oberfläche 39 und eine nach außen weisende horizontale zylindrische Oberflä­ che 40, die sich rechts davon fortsetzt. Die übrigen Ein­ zelheiten der Welle 19 sind für ein grundlegendes Verständ­ nis der Erfindung unwesentlich und sind daher nicht darge­ stellt worden. Die Rotorwelle ist um die Achse x-x mit Drehzahlen von null bis etwa 46 000 U/min drehbar.

Das Lager 21 hat einen herkömmlichen Aufbau und ist so an­ geordnet, daß es die Welle 19 umgibt, so daß die ringför­ mige vertikale rechte Stirnfläche 42 seines inneren Lauf­ ringes 43 an der Wellenoberfläche 39 anliegt. Die nach in­ nen weisende horizontale zylindrische Oberfläche 44 des in­ neren Laufringes ist in engem Abstand auf dem rechten Wan­ dendteil der Oberfläche 38 angeordnet.

Das Kegelrad 24 ist als ein speziell ausgebildetes Teil dargestellt, welches die Welle 19 umgibt und mit seiner ringförmigen vertikalen rechten Stirnfläche 45 an der lin­ ken Stirnfläche 46 des Lagerinnenlaufrings anliegt. Das Ke­ gelrad 24 ist mit seinen aufwärts und nach links weisenden Zähnen 48 in Eingriff mit den abwärts und nach rechts wei­ senden Zähnen 49 des Hilfszahnrads 25. Das Kegelrad 24 hat eine äußere ringförmige Oberfläche, die in Reihe hinterein­ ander aufweist: eine aufwärts und nach rechts weisende ke­ gelstumpfförmige Oberfläche 50, eine weitere aufwärts und nach rechts weisende kegelstumpfförmige Oberfläche 51 und eine auswärts weisende horizontale zylindrische Oberfläche 52, die sich von da aus nach rechts fortsetzt und sich an die rechte Stirnfläche 45 anschließt. Die verschiedenen Teile der äußeren Oberfläche zwischen den Oberflächen 50, 51 und 51, 52 sind wie dargestellt in gleichmäßigem konti­ nuierlichen Übergang. Die innere Oberfläche des Kegelrads 24 umfaßt in Reihe hintereinander: eine einwärts und nach links weisende kegelstumpfförmige Oberfläche 53, die sich von den Zähnen 48 aus nach rechts und einwärts erstreckt, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Oberfläche 54, eine nach rechts weisende ringförmige vertikale Ober­ fläche 55, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Oberfläche 56, eine nach links weisende ringförmige verti­ kale Oberfläche 58, eine einwärts weisende horizontale zy­ lindrische Oberfläche 59 und eine einwärts weisende Ober­ fläche 60, die Keilzähne bildet, sowie eine einwärts wei­ sende horizontale zylindrische Oberfläche 61, die sich von da aus nach rechts fortsetzt und an die rechte Stirnfläche 42 anschließt. Das Kegelrad 24 ist mit der Welle 19 durch eine Keilnutverzahnung verbunden, welche durch die ineinan­ dergreifenden Keilzähne der Oberflächen 36 und 60 gebildet ist. Das Kegelrad 24 wird daher über die Welle 19 geschoben und relativ zu dieser nach rechts bewegt, bis die rechte Stirnfläche 45 des Kegelrads an der linken Stirnfläche 46 des inneren Laufringes 43 des Lagers 21 anliegt.

Die Mutter 30 ist als ein speziell ausgebildetes ringförmi­ ges Teil dargestellt, das eine ringförmige vertikale linke Stirnfläche 63, eine ringförmige vertikale rechte Stirnflä­ che 64 und eine abgestufte äußere Oberfläche hat, die in Reihe hintereinander umfaßt: eine vieleckige Oberfläche 65, eine nach rechts weisende ringförmige vertikale Auflageflä­ che 66 und eine nach außen weisende horizontale zylindri­ sche Oberfläche 68, die sich von da aus nach rechts fort­ setzt und an die rechte Stirnfläche 64 anschließt. Die in­ nere Oberfläche der Mutter hat, wie dargestellt, einen mit Innengewinde versehenen Teil 69, der sich von der linken Stirnfläche 63 aus nach rechts erstreckt, und eine nach rechts und einwärts weisende kegelstumpfförmige Oberfläche 70, die sich von da aus fortsetzt und an die rechte Stirn­ fläche 64 anschließt. Die Mutter 30 wird auf das Gewinde 33 der Welle 19 aufgeschraubt und wahlweise so angezogen, bis die rechte Stirnfläche 64 der Mutter an dem Innenrandend­ teil der Kegelradauflagefläche 58 anliegt.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2-5 ist der Dämpfer 29 ein horizontal langgestrecktes, zylindrisches Rohr, das auf Druck beansprucht zwischen dem Kegelrad 24 und der Mutter 30 angeordnet ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 hat der Dämpfer 29 eine ringförmige vertikale linke Stirnfläche 71, eine ringförmige vertikale Stirnfläche 72, eine horizontale zylindrische äußere Oberfläche 73 und eine horizontale zy­ lindrische innere Oberfläche 74. Der Innenrand der linken Stirnfläche 71 des Dämpfers ist so angeordnet, daß er die Mutterauflagefläche 66 erfaßt. Die rechte Stirnfläche 72 des Dämpfers ist so angeordnet, daß sie die Kegelradaufla­ gefläche 58 erfaßt. Die innere Oberfläche 74 des Dämpfers hat Abstand von der Mutteroberfläche 68, um ein maximales diametrales Spiel von bis zu etwa 0,05 mm (0,002 Zoll) zu erzeugen und unerwünschte Unwucht aufgrund einer Versetzung des Dämpfers 29 zu verhindern. Ein minimales diametrales Spiel von etwa 0,01 mm (0,0005 Zoll) wird bevorzugt, um ein Klemmen des Dämpfers 29 zu verhindern und eine unbehinderte Umfangsbewegung zu gestatten.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3-5 ist die bevorzugte Ausführungsform des Dämpfers 29 mit zwei axialen Abstand voneinander aufweisenden Reihen von gegenseitigen Umfangs­ abstand aufweisenden Durchgangsschlitzen versehen, wobei drei derartige Schlitze in jeder Reihe vorgesehen sind. Die beiden Reihen sind vorzugsweise in dem zentralen Teil des Dämpfers vorgesehen, wobei die Schlitze der linken Reihe links von dem axialen Mittelpunkt des Dämpfers und die Schlitze der rechten Reihe rechts von diesem Mittelpunkt angeordnet sind. Daher sind in der bevorzugten Ausführungs­ form die linke und die rechte Reihe von Schlitzen um diesen Mittelpunkt zentriert. Die Schlitze der linken Reihe sind mit 75 bezeichnet, und die Stege oder Unterbrechungen zwi­ schen ihnen sind mit 76 bezeichnet. Ebenso sind die Schlitze der rechten Reihe mit 78 bezeichnet, und die Stege oder Unterbrechungen zwischen ihnen sind mit 79 bezeichnet. Die Schlitze jeder Reihe nehmen Bogenstrecken von etwa 110° ein, wobei die unterbrechenden Stegteile Bogenstrecken von etwa 10° einnehmen. Die Schlitze und die Stege der beiden Reihen sind gleichbemessen und -aufgeteilt, aber umfangsmä­ ßig in bezug aufeinander versetzt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Bei Bedarf können diese Schlitze durch herkömmliche maschinelle Bearbeitung mittels elektrischer Entladung her­ gestellt werden. Der Zweck dieser Reihen von Schlitzen ist es, den Dämpfer für eine Zusammendrückung in axialer Rich­ tung biegsam zu machen. Daher hat der Dämpfer in axialer Richtung eine relativ niedrige Federkonstante.

Der Dämpfer ist an dem Rotor gemäß der Darstellung in Fig. 2 so befestigt, daß seine rechte Stirnfläche 72 die Kegel­ radauflagefläche 58 und seine linke Stirnfläche 71 die an­ grenzende Mutterauflagefläche 66 berührt. Der Dämpfer ist so ausgebildet, daß er eine besondere axiale Länge im un­ komprimierten Zustand hat, und die Mutter ist so ausgebil­ det, daß sie eine vorbestimmte kürzere axiale Abmessung zwischen ihrer rechten Stirnfläche 64 und ihrer Auflageflä­ che 66 hat. Wenn die Mutter auf den Rotor so aufgeschraubt wird, daß die Mutterstirnfläche die Kegelradoberfläche 58 fest berührt, wird daher der Dämpfer um eine bekannte Strecke axial zusammengedrückt (d.h. um die Differenz zwi­ schen der unkomprimierten freien axialen Länge des Dämpfers und dem axialen Abstand zwischen der Mutterauflagefläche 66 und der Mutterstirnfläche 64). Die Federkonstante des Dämp­ fers bewirkt, gekoppelt mit ihrer axialen Zusammendrückung um ein bekanntes Ausmaß, das die linke und die rechte Stirnfläche des Dämpfers eine bekannte Vorbelastungskraft jeweils auf die Mutter- und auf die Kegelradauflagefläche 66 bzw. 58 ausüben. In einer besonderen Ausführungsform ist der Dämpfer so ausgebildet, daß die Vorbelastungskraft etwa 44,5 N (zehn Pfund) beträgt. Die Vorbelastungskraft wird so gewählt, daß sich für jeden Verwendungszweck die maximale Dämpfung ergibt.

Weiter ist der Dämpfer 29 so ausgebildet und bemessen, daß die Größe dieser Vorbelastungskraft, der Koeffizient der Reibung zwischen den Dämpferstirnflächen und den diesen zu­ gewandten Auflageflächen und das polare Trägheitsmoment des Dämpfers so sind, daß die beiden Stirnflächen 71 und 72 des Dämpfers 29 relativ zu den Auflageflächen 58 und 66 "rutschen" oder schlüpfen, wenn der Rotor durch das Kegel­ rad 24 während des Anlassens torsionsmäßig angeregt wird, um dadurch die Schwingungen zu dämpfen, die von dem Kegel­ rad über die Welle oder eine andere Schwingungen übertra­ gende Vorrichtung auf den anregbaren Rotorteil, wie zum Beispiel die Laufschaufeln des fünften Kranzes, übertragen werden.

Der verbesserte Rotor 12 gemäß der exemplarischen, bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet den Dämpfer 29, der durch Reibung Schwingungsanregungsenergie ver­ braucht und auf vorbestimmte Weise mit ausreichender axi­ aler Biegsamkeit versehen ist, um den Dämpfer 29 praktisch einsetzbar zu machen, ohne die bauliche Festigkeit zu be­ einträchtigen, wenn er mit einer hohen Drehzahl von bis zu etwa 46 000 U/min betrieben wird.

Die Dämpfung wird erreicht durch Auswählen des polaren Trägheitsmoments des Dämpfers 29 und die Reibungskraft zwi­ schen dem Dämpfer 29 und den Auflageflächen 58 und 66, so daß zwischen ihnen ein gewollter relativer Torsionsschlupf vorhanden ist, wenn das Kegelrad 24 bei einer vorbestimmten Frequenz schwingungsmäßig angeregt wird, wie beispielsweise der, die aufgrund der 38/U-Anregung des Kegelrads 24 auf­ tritt.

In einem solchen Anregungszustand werden das Kegelrad 24, die Welle 19 und die Mutter 30 torsionsmäßig vibrieren oder schwingen, und der Dämpfer 29 wird bestrebt sein, sich die­ ser Vibration aufgrund seines polaren Trägheitsmoments zu widersetzen. Wenn die Reibungskräfte zwischen dem Dämpfer 29 und den Auflageflächen 58 und 66 relativ niedrig sind, wird der Dämpfer 29 bestrebt sein, auf der Nenndrehzahl der Welle 19 zu bleiben und nicht der Schwingungsbewegung des Kegelrads 24 zu folgen. Wenn die Reibungskräfte relativ hoch sind, wird der Dämpfer 29 dem Kegelrad 24 folgen oder mit diesem schwingen, so daß keine effektive Dämpfung er­ folgt. Wenn ein mäßiges Ausmaß an Reibung vorhanden ist, wird diese Reibung Torsionsschwingungsenergie aufgrund des Torsionsschlupfes zwischen dem Dämpfer 29 und den Auflage­ flächen 58 und 66 verbrauchen.

Demgemäß wird für die Wahl des polaren Trägheitsmoments und die axiale Vorbelastung des Dämpfers 29 ein Kompromiß ge­ troffen, um sicherzustellen, daß der Widerstand gegen Tor­ sionskräfte aufgrund des polaren Trägheitsmoments größer wird als die Reibungskräfte aufgrund der axialen Vorbela­ stung des Dämpfers 29 in dem vorbestimmten Zustand, der die Torsionsanregung verursacht. In einem solchen Zustand ist der Kontakt zwischen dem Dämpfer 29 und den Auflageflächen 58 und 66 so, daß er Torsionsschlupf gestattet, durch den Anregungsenergie reibungsmäßig verbraucht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform hatte das polare Träg­ heitsmoment einen Wert von 44×10^-6 Nms² (3.9×(10)^-4 Zoll-Pfund-Sekunde²), und die axiale Vorbelastungskraft be­ trug etwa 44,5 N (10 Pfund).

Ein genauer Wert der axialen Vorbelastung ist an dem Dämp­ fer 29 erforderlich, um Schlupf des Dämpfers 29 bei einem vorbestimmten Wert der Torsionsschwingung zu gewährleisten. Der Dämpfer 29 könnte zwar undurchlöchert sein, er wäre je­ doch axial relativ steif und die Abmessungstoleranzen des Dämpfers 29 relativ zu den Auflageflächen 58 und 66, welche erforderlich sind, um eine vorbestimmte axiale Vorbelastung zu gewährleisten, würden sehr klein und nicht praktisch sein. Die axiale Vorbelastung könnte auch durch die Verwen­ dung einer zusätzlichen Federvorspanneinrichtung erzeugt werden, wäre aber dann relativ komplexer und müßte bei den relativ hohen Drehzahlen zusätzlich effektiv sein.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die Schlitze 75 und 78 vorgesehen, um ein Teil zu schaffen (d.h. den Dämp­ fer 29), der nicht nur für eine Reibungsdämpfung sorgt, sondern auch von sich aus eine relative axiale Biegsamkeit aufgrund der Schlitze 75 und 78 aufweist. Die axiale Biegsamkeit gestattet eine ausreichende axiale Zusammen­ drückung des Dämpfers 29 zwischen den Auflageflächen, um ein genaues und relativ geringes Ausmaß der axialen Vorbe­ lastungskraft zu gewährleisten. Zum Beispiel wurde die axiale Vorbelastungskraft von 44,5 N (10 Pfund) in der be­ vorzugten Ausführungsform durch axiales Zusammendrücken des Dämpfers 29 zwischen den Auflageflächen 58 und 66 um eine Strecke von 0,25 mm (0,010 Zoll) erzielt.

Da die Schlitze 75 und 78 in der Umfangsrichtung ausgerich­ tet sind, werden unerwünschte Beanspruchungen in dem Dämp­ fer unter den hohen Zentrifugalbelastungen, die bei den ho­ hen Drehzahlen von bis zu etwa 46 000 U/min auftreten, nicht erzeugt. Der Dämpfer 29 behält eine ausreichende bauliche Festigkeit und hält eine konstante Vorbelastung bei allen Drehzahlen aufrecht.

Für den verbesserten Triebwerksrotor und den Dämpfer gibt es viele Änderungs- und Modifizierungsmöglichkeiten. Zum Beispiel kann der Dämpfer mit mehr als zwei axialen Abstand aufweisenden Reihen von Umfangsabstand aufweisenden Schlit­ zen bei Bedarf versehen werden, und diese brauchen nicht notwendigerweise in bezug auf den axialen Mittelpunkt des Dämpfers symmetrisch angeordnet zu sein. Die Schlitze in je­ der Reihe können durch Sägen oder auf andere Weise herge­ stellt werden, je nach Bedarf. Verschiedene Distanzstücke (nicht dargestellt) könnten zwischen dem Kegelrad 24 und dem inneren Laufring 43 des Lagers und/oder zwischen dem inneren Laufring 43 und der Welle 19 vorgesehen werden. Die aneinander anliegenden Oberflächen des Dämpfers, der Mutter und des Kegelrads (d.h. die Oberflächen 66, 71 und die Oberflächen 72, 58) können eine geeignete Oberflächenbe­ schaffenheit aufweisen (d.h. poliert, aufgerauht usw. sein), so daß ein gewählter Reibungskoeffizient zwischen ihnen festgelegt ist.

Claims (20)

1. Gasturbinentriebwerk mit einem Rotor (12), der in ei­ nem Stator (11) drehbar befestigt ist, wobei ein erster Teil (16 E) des Rotors (12) schwingungsmäßig anregbar ist, indem eine Quelle von Schwingungen mit einer besonderen Frequenz auf einen zweiten Teil (24) des Rotors (12) ein­ wirkt, gekennzeichnet durch einen Trägheitsdämpfer (29), der auf dem Rotor (12) derart befestigt ist, daß er eine vorbestimmte Kraft auf den zweiten Teil (24) des Rotors (12) ausübt, wobei das polare Trägheitsmoment des Dämpfers (29) und die Größe der vorbestimmten Kraft gemeinsam so ge­ wählt werden, daß die Torsionsschwingungen, welche von dem zweiten Teil (24) des Rotors (12) bei der Frequenz auf den ersten Teil (16 E) des Rotors (12) übertragen werden, wirk­ sam gedämpft werden.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (12) mehrere Kränze (16 A-16 E) von gegenseitigen Umfangsabstand aufweisenden Laufschaufeln hat und daß der erste Teil des Rotors (12) einer (16 E) der Laufschaufelkränze ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (12) wenigstens fünf Laufschaufel­ kränze (16 A-16 E) hat, wobei die Größe der Laufschaufeln in jedem Kranz in Richtung weg von dem ersten Kranz zunehmend abnimmt, und daß der erste Teil des Rotors (12) der fünfte Kranz (16 E) ist.

4. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des Rotors (12) ein Kegelrad (24) ist.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es eine Hilfswelle (26) hat, die längs einer Achse langgestreckt ist, welche schräg zu der Drehachse des Rotors (12) ist, und daß das Kegelrad (24) drehfest mit der Hilfswelle (26) verbunden ist.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelrad (24) eine Auflagefläche (58) hat und daß der Dämpfer (29) eine erste Oberfläche (72) hat, die so angeordnet ist, daß sie die Kegelradaufla­ gefläche derart reibungsmäßig erfaßt, daß zwischen ihnen lösbarer Kontakt geschaffen wird.

7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Mutter (30), die auf den Rotor (12) aufge­ schraubt ist, wobei die Mutter (30) eine Auflagefläche (66) hat, die so angeordnet ist, daß sie der Kegelradauflageflä­ che (58) zugewandt ist, und daß der Dämpfer (29) eine zweite Oberfläche (71) hat, die so angeordnet ist, daß sie die Mutterauflagefläche (66) derart reibungsmäßig erfaßt, daß zwischen ihnen lösbarer Kontakt geschaffen wird.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dämpfer (29) ein zylindrisches Rohr ist, das druckbeansprucht zwischen den Auflageflächen (58, 66) der Mutter (30) und des Kegelrads (24) gehalten wird.

9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (29) axial biegsam ist und eine un­ verformte axiale Länge hat und daß die Mutter (30) eine Endfläche (64) hat, die so angeordnet ist, daß sie einen Teil des Kegelrads (24) erfaßt, um zu bewirken, daß die Ke­ gelrad- und die Mutterauflagefläche (58, 66) um eine vorbe­ stimmte Strecke voneinander entfernt sind und der Dämpfer (29) eine vorbestimmte Kraft auf die Mutter- und die Kegel­ radauflagefläche (58, 66) ausübt.

10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (29) wenigstens zwei axialen Abstand voneinander aufweisende Reihen von gegenseitigen Umfangsab­ stand aufweisenden Schlitzen (75, 78) hat.

11. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlitze (75, 78) jeder Reihe in bezug auf die Schlitze jeder benachbarten Reihe umfangsmäßig ver­ setzt sind.

12. Trägheitsdämpfer zur Befestigung auf dem Rotor (12) eines Gasturbinentriebwerks (10), um die Schwingungsanre­ gung eines ersten Teils (16 E) desselben zu dämpfen, die der Einwirkung einer Quelle von Schwingungen mit einer besonde­ ren Frequenz auf einen zweiten Teil (24) desselben zuzu­ schreiben ist, wobei die Rotorbaugruppe (12) eine erste Auflagefläche (58) hat, die an dem zweiten Teil (24) des Rotors (12) angeordnet ist, und eine zweite Auflagefläche (66), die mit Abstand von der ersten Auflagefläche (58) an­ geordnet ist, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Rohr (29), das so ausgebildet ist, daß es axial biegsam ist und zwischen der ersten und der zweiten Auflagefläche (58, 66) axial zusam­ mendrückbar ist, wobei das Rohr so ausgebildet und bemessen ist, daß das polare Trägheitsmoment des Rohres (29) und die Kraft, die durch das Rohr jeweils auf die Auflageflächen (58, 66) ausgeübt wird, die Schwingungen des ersten Teils (16 E) des Rotors (12), die der Quelle von Schwingungen mit der Frequenz zuzuschreiben sind, welche auf den zweiten Teil (24) des Rotors (12) einwirkt, wirksam durch Reibung gedämpft werden.

13. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (29) mehrere Reihen von gegenseiti­ gen Umfangsabstand aufweisenden Schlitzen (75, 78) hat.

14. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (29) zwei Reihen von Schlitzen (75, 78) hat.

15. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Reihen auf einer Seite des axialen Mittelpunktes des Rohres (29) und die andere Reihe auf der anderen Seite des axialen Mittelpunktes angeordnet ist.

16. Trägheitsdämpfer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Unterbrechungen zwischen den Schlit­ zen (75, 78) einer der Reihen in bezug auf die Unterbre­ chungen zwischen den Schlitzen der anderen Reihe umfangsmä­ ßig versetzt sind.

17. Gasturbinentriebwerksrotor, gekennzeichnet durch:
eine Welle (19), die ein Kegelrad (24) und mehrere Kränze von gegenseitigen Umfangsabstand aufweisenden Laufschaufeln (16 A-16 E) aufweist, wobei das Kegelrad (24) eine erste Auf­ lagefläche (58) hat und wobei die Laufschaufeln (16 E) eines der Kränze durch Einwirkung einer Quelle von Schwingungen mit einer besonderen Frequenz auf das Kegelrad (24) schwin­ gungsmäßig anregbar sind;
eine Mutter (30), die auf der Welle (19) befestigt ist und eine zweite Auflagefläche (66) hat, die mit Abstand von der ersten Auflagefläche (58) angeordnet ist; und
einen Trägheitsdämpfer (29), der eine Stirnfläche (72) hat, die so angeordnet ist, daß sie in Reibberührung mit der er­ sten Auflagefläche (58) kommt, und eine zweite Stirnfläche (71), die so angeordnet ist, daß sie in Reibberührung mit der zweiten Auflagefläche (66) kommt, wobei der Dämpfer eine axiale Federkonstante hat und zwischen den Auflageflä­ chen (58, 66) zusammendrückbar ist, so daß der Dämpfer (29) eine vorbestimmte Kraft auf jede Auflagefläche (58, 66) ausüben wird, wobei der Dämpfer (29) so ausgebildet und be­ messen ist, daß das polare Trägheitsmoment des Dämpfers, die Koeffizienten der Reibung zwischen den Stirnflächen (71, 72) und den Auflageflächen (58, 66) und die Größe der vorbestimmten Kraft die Schwingungen, welche über das Ke­ gelrad (24) von der Schwingungsquelle aus mit der besonde­ ren Frequenz auf das Kegelrad (24) übertragen werden, wirk­ sam dämpfen werden.

18. Gasturbinentriebwerksrotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (29) ein zylindrisches Rohr ist, das eine einwärts weisende zylindrische Oberfläche mit Abstand von einem nahegelegenen Teil des Rotors (12) hat.

19. Gasturbinentriebwerksrotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (29) wenigstens zwei axialen Abstand voneinander aufweisende Reihen von gegenseitigen Umfangsabstand aufweisenden Schlitzen (75, 78) hat.

20. Gasturbinentriebwerksrotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (75, 78) jeder Reihe in bezug auf die Schlitze einer benachbarten Reihe umfangsmä­ ßig versetzt sind.