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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Niederdruckturbinen
von in der Luftfahrt eingesetzten Turbomaschinen. Sie betrifft insbesondere
eine besondere Anordnung des Rotors der Niederdruckturbine an der
Niederdruckwelle, die ermöglicht,
deren Montage und Demontage zu erleichtern.
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Eine
in der Luftfahrt eingesetzte Turbomaschine ist typischerweise mit
einer Hochdruckturbine ausgestattet, die am Ausgang einer Brennkammer angeordnet
ist. Eine Niederdruckturbine ist stromabwärts der Hochdruckturbine in
Strömungsrichtung des
aus der Brennkammer austretenden Gasstroms angeordnet. Ein Gehäuse zum
Abführen
des Gasstroms ist stromabwärts
der Niederdruckturbine angeordnet. Auf diese Weise durchströmen die
aus der Brennkammer austretenden Gase die Hochdruck- und die Niederdruckturbine,
um diese drehanzutreiben, und werden im Bereich des Auslaßgehäuses abgeführt.
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Die
Niederdruckturbine der Turbomaschine besteht im wesentlichen aus
einem Rotor (Schaufeln und Scheiben), der an einem Niederdrucklagerzapfen
angebracht ist. Dieser Lagerzapfen ist mittels eines Systems aus
Rillen oder Nuten, das ermöglicht, die
Niederdruckwelle drehanzutreiben, an einer Niederdruckwelle der
Turbomaschine angeordnet. Ebenso umfaßt die Hochdruckturbine einen
Rotor (Schaufeln und Scheiben), der an einem Hochdrucklagerzapfen
angebracht ist. Ein Wälzlager,
das an dem Niederdrucklagerzapfen angeordnet ist, ermöglicht,
den Hochdrucklagerzapfen gegenüber
der Niederdruckwelle drehbar zu lagern.
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2 zeigt
teilweise eine bekannte Anordnung des Rotors einer Niederdruckturbine
an der Niederdruckwelle einer Turbomaschine. In dieser Figur ist
der Rotor 100 der Niederdruckturbine 102 an einem
Niederdrucklagerzapfen 104 befestigt. Dieser Niederdrucklagerzapfen 104 erstreckt
sich axial einerseits stromaufwärts
bis in den Bereich eines Rotors 106 der Hochdruckturbine 108 und
andererseits stromabwärts
bis in den Bereich eines Auslaßgehäuses 110 der
Turbomaschine. Der Rotor 106 der Hochdruckturbine 108 ist
seinerseits an einem Hochdrucklagerzapfen 112 befestigt,
der sich axial zum Niederdrucklagerzapfen 104 erstreckt.
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Eine
Niederdruckwelle 114 wird durch die Niederdruckturbine 102 mittels
Rillen oder Nuten 116, die an dem stromaufwärtigen Ende
des Niederdrucklagerzapfens 104 vorgesehen sind, drehangetrieben.
Ein erstes Wälzlager 118 ist
an dem stromabwärtigen
Ende des Niederdrucklagerzapfens 104 angebracht, um eine
Abstützung
und Zentrierung der Niederdruckturbine 102 in bezug auf
das Auslaßgehäuse 110 der
Turbomaschine zu gewährleisten.
Ein zweites Wälzlager 120 ist
ebenfalls an dem Niederdrucklagerzapfen 104 angebracht,
um den Hochdrucklagerzapfen 112 drehbar zu lagern. Dieses zweite
Lager ist zwischen dem ersten Lager 118 und den Rillen
oder Nuten 116 angeordnet. Darüber hinaus ist eine Dichtung 122 an
dem Niederdrucklagerzapfen 104 zwischen dem zweiten Lager 120 und
den Rillen 116 angebracht. Einem Flansch 124 zugeordnet
ermöglicht
diese Dichtung, eine Dichtigkeit zwischen einer Luftkammer 126a und
einer Ölkammer 126b zu
gewährleisten.
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Eine
solche Anordnung der Niederdruckturbine weist zahlreiche Nachteile
auf, insbesondere bei der Demontage der Niederdruckturbine.
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Im
Laufe eines Vorganges der (teilweisen oder vollständigen)
Demontage einer Turbomaschine, beispielsweise während der Phasen ihrer Wartung,
werden die verschiedenen Elemente typischerweise über die
Rückseite
der Turbomaschine, d.h. von stromaufwärts nach stromabwärts demontiert.
In diesem Fall, wenn es darum geht, die Niederdruckturbine zu demontieren,
ist es vor allem erforderlich, zunächst das Auslaßgehäuse zu demontieren.
Die Niederdruckturbine (Lagerzapfen und Rotor) wird dann ihrerseits
durch axiales Verschieben zur stromabwärtigen Seite der Turbomaschine
ausgebaut.
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Im
Falle der in 2 gezeigten Anordnung wirft
die Demontage der Niederdruckturbine 102 – sobald
das Auslaßgehäuse 110 entfernt
ist – Probleme auf.
Denn wenn der Niederdrucklagerzapfen 104 axial stromabwärts verschoben
wird, kommen das zweite Lager 120 und die Dichtung 122,
die von dem Niederdrucklagerzapfen getragen werden, von dem Hochdrucklagerzapfen 112 frei.
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Das
Entfernen des zweiten Wälzlagers 120 führt dann
dazu, daß die
Niederdruckwelle 114 gegenüber dem Hochdrucklagerzapfen 112 (und
folglich gegenüber
der Hochdruckturbine 108) dezentriert wird, so daß die Niederdruckwelle 114 nach
der Demontage der Niederdruckturbine 102 nicht mehr radial
gehalten wird. Des weiteren bewirkt das Entfernen der Dichtung 122,
daß die
Dichtigkeit zwischen der Luftkammer 126a und der Ölkammer 126b nicht mehr
gegeben ist, so daß sich
das Öl
in die Luftkammer ausbreitet, was Risiken eines Ölverlusts mit sich bringt.
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Eine
Niederdruckturbine nach dem Stand der Technik ist aus dem Dokument
FR 2633023 bekannt.
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Aufgabe und
Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, derartige
Nachteile dadurch zu beheben, daß eine neue Geometrie einer
Turbomaschinen-Niederdruckturbine
vorgeschlagen wird, die ermöglicht,
deren Demontage dadurch zu vereinfachen, daß vermieden wird, daß die Hochdruckturbine in
bezug auf die Niederdruckturbinenwelle dezentriert wird und daß die Dichtigkeit
zwischen der Ölkammer
und der Luftkammer unterbrochen wird.
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Zu
diesem Zweck ist eine Niederdruckturbine einer Turbomaschine vorgesehen,
wobei die Turbomaschine eine Hochdruckturbine, die stromaufwärts der
Niederdruckturbine in Strömungsrichtung eines
sie durchströmenden
Gasstroms angeordnet ist, sowie ein Auslaßgehäuse, das stromabwärts der Niederdruckturbine
in Strömungsrichtung
des Gasstroms angeordnet ist, umfaßt, wobei die Niederdruckturbine
einen Rotor, der an einem Niederdrucklagerzapfen befestigt ist,
sowie eine Niederdruckrotationswelle umfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Niederdruckturbine
ferner ein erstes Wälzlager,
das an der Niederdruckwelle angeordnet ist und einen Hochdrucklagerzapfen
trägt,
an dem ein Rotor der Hochdruckturbine befestigt ist, ein zweites
Wälzlager,
das an dem Niederdrucklagerzapfen stromabwärts des ersten Wälzlagers
angeordnet ist und das ermöglicht,
den Niederdrucklagerzapfen in bezug auf das Auslaßgehäuse zu zentrieren,
sowie ein System aus Rillen oder Nuten zum Antrieb der Niederdruckwelle
durch den Niederdrucklagerzapfen umfaßt, wobei das System aus Rillen
oder Nuten zwischen dem ersten und dem zweiten Wälzlager angeordnet ist.
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Da
das erste Wälzlager
an der Niederdruckwelle angeordnet ist, wird es bei der Demontage
des Niederdrucklagerzapfens nicht von dem Hochdrucklagerzapfen gelöst. Auf
diese Weise wird der Hochdrucklagerzapfen bei der Demontage der
Niederdruckturbine stets durch das erste Wälzlager gelagert, wodurch der
Niederdruckwelle ermöglicht
wird, in bezug auf die Hochdruckturbine zentriert zu bleiben. Die
Niederdruckwelle wird somit stets radial gehalten.
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Nach
einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung umfaßt die Niederdruckturbine ferner
eine Dichtung mit dem Hochdrucklagerzapfen, wobei diese Dichtung
an der Niederdruckwelle stromaufwärts des ersten Wälzlagers
angeordnet ist.
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Da
auch die Dichtung an der Niederdruckwelle der Turbine angeordnet
ist, wird sie somit bei der Demontage des Niederdrucklagerzapfens
ebenfalls nicht von dem Hochdrucklagerzapfen gelöst. So wird die Dichtung bei
der Demontage der Niederdruckturbine nicht entfernt, und folglich
wird die Dichtigkeit zwischen der Luftkammer und der Ölkammer nicht
unterbrochen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen,
die ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ohne jeden einschränkenden
Charakter zeigen. In den Figuren zeigen:
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1 eine
Längs-
und Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Niederdruckturbine; und
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2 eine
Längs-
und Teilschnittansicht einer Niederdruckturbine des Standes der
Technik.
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Detaillierte
Beschreibung einer Ausführungsform
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1 zeigt
eine Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Turbomaschinen-Niederdruckturbine.
Die dargestellte Turbomaschine ist mit einem Nachheizsystem (vom
Typ Nachverbrennung) ausgestattet. Jedoch könnte die vorliegende Erfindung auch
auf Turbomaschinen ohne Nachheizsystem angewandt werden.
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Im
allgemeinen, und wie an sich bekannt, umfaßt die Turbomaschine mit der
Längsachse
X-X insbesondere eine Hochdruckturbine 10, die am Ausgang
einer (nicht dargestellten) Brennkammer angeordnet ist. Eine Niederdruckturbine 12 ist
stromabwärts
der Hochdruckturbine 10 in Strömungsrichtung des aus der Brennkammer
austretenden Gasstroms angeordnet. Die Turbomaschine umfaßt auch
ein Auslaßgehäuse 14,
das stromabwärts
der Niederdruckturbine 12 angeordnet ist.
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Die
Niederdruckturbine 12 besteht im wesentlichen aus einer
Vielzahl von Laufschaufeln 16, die an einer Scheibe 18 angebracht
sind. Die Laufschaufeln 16 und die Scheibe 18 bilden
somit den Rotor der Niederdruckturbine. Die Scheibe 18 der Niederdruckturbine
ist ihrerseits an einem Niederdrucklagerzapfen 20 befestigt,
welcher dazu bestimmt ist, den Rotor der Turbine drehanzutreiben.
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In
gleichartiger Weise umfaßt
die Hochdruckturbine 10 eine Vielzahl von Laufschaufeln 22,
die an einer Scheibe 24 angebracht sind. Letztere ist an
einem Hochdrucklagerzapfen 26 befestigt, der sich entlang
der Längsachse
X-X der Turbomaschine von einem unteren Ende der Scheibe 24 der
Hochdruckturbine bis in den Bereich der Scheibe 18 der
Niederdruckturbine erstreckt.
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Durch
den Rotor der Niederdruckturbine 12 wird eine Niederdrucklängswelle 28,
deren stromabwärtiges
Ende 28a sich axial bis in den Bereich des Auslaßgehäuses 14 erstreckt,
drehangetrieben. Was den Rotor der Hochdruckturbine 10 anbelangt,
so wird durch diesen eine (in der Figur nicht dargestellte) Hochdruckwelle,
die zu der Niederdruckwelle 28 konzentrisch ist, drehangetrieben.
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Gemäß der Erfindung
ist ein erstes Zwischenwellen-Wälzlager 30 an
der Niederdruckwelle 28 angebracht, um den Hochdrucklagerzapfen 26 drehbar
zu lagern. Genauer gesagt ist dieses erste Wälzlager 30 an der
Niederdruckwelle an einem stromaufwärtigen Ende 20a des
Niederdrucklagerzapfens 20 angeordnet.
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Herkömmlicherweise
besteht das erste Lager 30 aus einer Vielzahl von Rollen 30a,
die zwischen einem an der Niederdruckwelle 28 angebrachten
Innenring 30b und einem mit dem Hochdrucklagerzapfen 26 fest
verbundenen Außenring 30c eingefügt. Zwischen
den Innen- und den Außenring kann Öl eingespritzt
werden, um das Lager zu schmieren und zu kühlen.
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Es
ist auch vorgesehen, ein zweites Wälzlager 32 am stromabwärtigen Ende 20b des
Niederdrucklagerzapfens 20 anzubringen. Diese zweite Lager 32 ermöglicht,
eine Abstützung
zu gewährleisten und
den Niederdrucklagerzapfen 20 gegenüber dem Auslaßgehäuse 14 zu
zentrieren.
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Ebenso
wie bei dem ersten Lager 30, umfaßt das zweite Wälzlager 32 eine
Vielzahl von Rollen 32a, die zwischen einem an dem stromabwärtigen Ende 20b des
Niederdrucklagerzapfens 20 angebrachten Innenring 32 und
einem Außenring 32c,
der mit einem an dem Auslaßgehäuse 14 befestigten Flansch 14a fest
verbunden ist, eingefügt
sind. Zwischen den Innen- und den Außenring des Lagers kann ebenfalls
Schmier- und Kühlöl eingespritzt
werden.
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Darüber hinaus
umfaßt
die Niederdruckturbine 12 ein Rillen- oder Nutensystem 34 für den Antrieb der
Niederdruckwelle 28 über
den Niederdruckrotor. Dieses System ist beispielsweise von komplementären Rillen
oder Nuten gebildet, die an der Niederdruckwelle 28 und
an dem Niederdrucklagerzapfen 20 eingearbeitet sind. Diese
Rillen oder Nuten sind axial zwischen dem ersten Wälzlager 30 und
dem zweiten Wälzlager 32 angeordnet.
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Nach
einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung umfaßt die Niederdruckturbine 12 ferner
eine Dichtung 36 mit dem Hochdrucklagerzapfen 26,
wobei diese Dichtung an der Niederdruckwelle 28 stromaufwärts des
ersten Wälzlagers 30 angeordnet ist.
Die Dichtung 36 kann beispielsweise aus Kohlenstoff gefertigt
sein.
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Einem
in Längsrichtung
zwischen dem Hochdrucklagerzapfen 26 und dem Niederdrucklagerzapfen 20 angeordneten
Flansch 38 zugeordnet ermöglicht diese Dichtung 36 somit,
eine Dichtigkeit zwischen einer stromaufwärtigen Luftkammer 40a und
einer stromabwärtigen Ölkammer 40b der
Turbomaschine sicherzustellen.
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Die
aus der Dichtung 36, dem ersten Wälzlager 30, dem Niederdrucklagerzapfen 20 und
dem zweiten Wälzlager 32 bestehende
Einheit ist mittels einer Mutter 42, die an dem stromabwärtigen Ende 28a der
Niederdruckwelle angezogen ist, in Längsrichtung blockiert an der
Niederdruckwelle 28 gehalten.
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Es
wird nun die Art und Weise beschrieben, auf welche die so beschriebene
Niederdruckturbine demontiert wird, beispielsweise im Zuge von an
dem Niederdruckrotor durchzuführenden
Wartungsarbeiten. Dieser Vorgang der Demontage erfolgt von der stromaufwärtigen zur
stromabwärtigen
Seite der Turbomaschine.
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Zunächst wird
das Auslaßgehäuse 14 demontiert,
indem man es soweit in Längsrichtung stromabwärts gleiten
läßt, bis
es aus der Turbomaschine herausgenommen wird. Im Anschluß daran wird
die am stromabwärtigen
Ende 28a der Niederdruckwelle 28 angezogene Mutter 42 abgenommen, und
das zweite Wälzlager 32 wird
von dem Niederdrucklagerzapfen 20 gelöst. Sind diese Elemente entfernt,
kann nun die Niederdruckturbine 12 entfernt werden. Dieser
Vorgang wird dadurch vollzogen, daß der Niederdrucklagerzapfen 20,
an dem der Niederdruckrotor (Laufschaufeln 16 und Scheibe 18)
befestigt ist, in Längsrichtung
stromabwärts
verschoben wird.
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Da
das erste Wälzlager 30 an
der Niederdruckwelle 28 stromaufwärts des Niederdrucklagerzapfens 20 angebracht
ist, wird dieses nicht von der Niederdruckwelle und von dem Hochdrucklagerzapfen 26 gelöst. Hieraus
ergibt sich, daß der Hochdrucklagerzapfen 26 über das
erste Wälzlager gelagert
bleibt und somit die Niederdruckwelle 28 – während der
Demontage der Niederdruckturbine – gegenüber der Hochdruckturbine 10 zentriert
bleibt. Die Demontage der Niederdruckturbine ist folglich vereinfacht.
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Da
ebenso die Dichtung 36 an der Niederdruckwelle 28 stromaufwärts des
ersten Wälzlagers 30 (und
demzufolge des Niederdrucklagerzapfens 20) angebracht ist,
wird auch diese nicht von der Niederdruckwelle 28 und von
dem Hochdrucklagerzapfen 26 gelöst und kann folglich immer
noch ihre Dichtfunktion erfüllen.
Auf diese Weise wird vermieden, daß sich das aus der Ölkammer 40b stammende Öl während der
Demontage der Niederdruckturbine in die Luftkammer 40a ausbreiten
kann.
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Zusätzlich zu
der Vereinfachung der Demontage der Niederdruckturbine ermöglicht die
vorliegende Erfindung – aus
den gleichen Gründen – eine Erleichterung
der Montage der Niederdruckturbine (beispielsweise nach den Wartungsarbeiten
am Rotor).
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Denn
da die Niederdruckwelle 28 bereits in bezug auf die Hochdruckturbine 10 zentriert
(und folglich radial gehalten) ist, ist es nun viel einfacher, die
Montage der Niederdruckturbine 12 vorzunehmen, ohne an
den Elementen der Hochdruckturbine eingreifen zu müssen. Für diesen
Arbeitsschritt wird die Niederdruckturbine 12 in die Fluchtlinie
der Hochdruckturbine 10 in einem gewissen Abstand von dieser
gebracht und wird die Turbine an die Niederdruckwelle 28 derart
angekoppelt, daß die
Rillen 34 der Turbine einwandfrei in die komplementären Rillen 34 der
Niederdruckwelle eingreifen. Die Niederdruckturbine 12 wird
nun in Längsrichtung
zur Hochdruckturbine 10 hin verschoben, bis das stromaufwärtige Ende 20a des
Niederdrucklagerzapfens 20 in Anschlag an dem Innenring 30b des
ersten Wälzlagers 30 ist.
Die Rollen 32a des zweiten Wälzlagers 32 sind somit
einwandfrei in den mit dem Flansch 14a des Auslaßgehäuses 14 fest
verbundenen Außenring 32c eingefügt, und
das Ganze wird durch die Mutter 42 blockiert.
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Die
Vereinfachung der Montage und der Demontage der Niederdruckturbine
gemäß der Erfindung
kommt vor allem durch eine Reduktion der Wartungskosten der Turbomaschine
zum Ausdruck.
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Schließlich weist
die Niederdruckturbine der vorliegenden Erfindung – im Vergleich
zu einer Niederdruckturbine des Standes der Technik – den Vorteil
auf, daß sie
eine geringere Masse besitzt, wodurch es möglich ist, die Gesamtmasse
der Turbomaschine zu verringern und die Herstellungskosten zu senken.