DE60300450T2

DE60300450T2 - Ölfilmgedämpftes Wälzlager

Info

Publication number: DE60300450T2
Application number: DE60300450T
Authority: DE
Inventors: Guy Dusserre-Telmon; Daniel Plona
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: CA2442949A1; RU2003129170A; UA81393C2; EP1406026A1; FR2845138A1; CA2442949C; EP1406026B1; US6872003B2; DE60300450D1; RU2319870C2; FR2845138B1; JP2004270922A; US20040062460A1; JP3984210B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, das mit einem unter Druck stehenden Ölfilm vom Typ „squeeze film" versehen und dazu bestimmt ist, insbesondere auf dem Gebiet der Aeronautik verwendet zu werden.
Wälzlager werden häufig auf dem Gebiet der Aeronautik verwendet. In der Tat umfaßt eine aeronautische Turbomaschine Wälzlager zum Drehlagern einer ersten Welle gegenüber einer zweiten Welle, die zur ersten koaxial ist. Zum Beispiel können solche Lager zwischen den Wellen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine der Turbomaschine angeordnet sein. Diese Wälzlager bestehen im wesentlichen aus Kugeln oder Rollen, die in den Laufbahnen gehalten werden, die durch Außen- und Innenringe gebildet sind. Im allgemeinen werden Kugelwälzlager verwendet, um axialen Lasten standzuhalten, und Rollenwälzlager, um radialen Lasten der Turbomaschine standzuhalten.
Um eine zufriedenstellende Funktionsweise der Wälzlager dieses Typs zu erhalten, ist es notwendig, einerseits die Schmierung und Kühlung der Wälzlager und andererseits die Dämpfung der Vibrationen der Wellen und der Wälzlager sicherzustellen.
In an sich bekannter Weise werden die Schmierung und Abkühlung der Wälzlager dadurch ausgeführt, daß Öl zwischen die Ringe des Wälzlagers eingespritzt wird. Genauer gesagt wird Öl zwischen die Ringe des Wälzlagers mit Hilfe eines Ölversorgungskreises zugeführt, der mit einer oder mehreren Öffnungen verbunden ist, die im Innenring des Lagers ausgebildet sind. Das Öl wird dann zum Äußeren des Lagers hin gedrängt oder zentrifugiert, wobei durch kalorischen Transfer die von den Wälzlagern erzeugte Wärme evakuiert wird. Außerdem ist – um die Vibrationen, die durch die erhöhte Drehung der Wellen der Turbomaschine, die durch die Lager gestützt werden, erzeugt wird, zu verringern – unter Druck stehendes Öl zwischen dem Außenring und einem Strukturteil des Lagers über dieselbe Versorgungsleitung einschließt. Das unter Druck stehende Öl, das auf diese Weise auf der Kontaktfläche zwischen dem Außenring und dem Strukturteil des Lagers in Form eines Ölfilms vorhanden ist, kann die Rolle eines Vibrationsdämpfers übernehmen. Zwei ringförmige Dichtungen, die zwischen dem Außenring und dem Strukturteil des Lagers angeordnet sind, begrenzen den Ölfilm seitlich.
Ein Problem bei der Versorgung des Films, der den Vibrationsdämpfer bildet, mit unter Druck stehendem Ölfilm taucht auf, wenn es sich um ein Wälzlager handelt, das zwischen zwei Drehwellen angeordnet ist, zum Beispiel zwischen den Wellen der Niederdruckturbine und der Hochdruckturbine einer Turbomaschine. In der Tat ist es in einer solchen Situation schwierig, den Ölfilm mittels eines klassischen Versorgungskreises auf praktische Weise zu versorgen. Insbesondere erweist sich die Anordnung im Bereich der betroffenen Welle einer Versorgungsleitung, die Rückgewinnungsschächte, Versorgungsleitungen und eine Pumpe umfaßt, als schwer durchführbar.
In Bezug auf dieses Problem schlägt die US-Patentschrift 4,693,616 eine Lösung vor, die darin besteht, Druck, der durch die zentrifugale Belastung des Schmieröls des Wälzlagers erzeugt wird, für die Versorgung des Dämpfungsölfilms zu verwenden. Zu diesem Zweck wird eine Öffnung, die im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Außenring und dem Strukturteil des Lagers mündet, in dem Außenring ausgebildet. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft, die durch die Drehung der Wellen erzeugt wird, dringt das Öl, das zwischen die Ringe des Wälzlagers eingespritzt wird, dann über diese Öffnung in den Raum ein, welcher zwischen dem Außenring und dem Strukturteil gebildet ist, um den Ölfilm zu bilden.
Dennoch ermöglicht die in der genannten Patentschrift beschriebene Lösung nicht, im Inneren des Ölfilms einen ausreichend hohen Druck zu erzeugen, was zu Problemen beim Auffüllen führt und das Auftreten von Kavitationserscheinungen innerhalb des Ölfilms begünstigt. Diese Probleme beeinträchtigen die Leistung der Turbinen der Turbomaschine.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Bereitstellung eines Wälzlagers für Turbomaschinen, deren Ausführung es erlaubt, einerseits die Schmierung und die Kühlung des Wälzlagers und andererseits die Dämpfung der Vibrationen durch einen Ölfilm zu gewährleisten, wobei ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um die Nachteile des Stands der Technik zu mildern.
Zu diesem Zweck ist ein Turbomaschinenwälzlager vorgesehen, das eine erste Welle gegenüber einer zweiten Welle drehlagert und eine Vielzahl von Wälzkörpern, die zwischen einem an der zweiten Wellen angebrachten, ringförmigen Innenring und einem an der ersten Welle angebrachten, ringförmigen Außenring eingefügt sind, wobei eine Innenfläche des Außenrings und eine Außenfläche des Innenrings zwischen sich einen ringförmigen Raum definieren, einen Ölfilm, der im Bereich einer ringförmigen Kontaktfläche zwischen dem Außenring und der ersten Welle gebildet und seitlich durch wenigstens zwei ringförmige Dichtungen begrenzt ist, wenigstens eine den Innenring durchquerende Leitung, wobei die Leitung mit einem Ölversorgungskreis in Verbindung steht und im Bereich einer Innenlaufbahn der Wälzkörper mündet, um deren Schmierung sicherzustellen, und wenigstens eine zusätzliche Leitung, welche den Innenring durchquert, wobei die zusätzliche Leitung mit dem Ölversorgungskreis in Verbindung steht und außerhalb der Innenlaufbahn mündet, um unter der Wirkung der durch die Rotation der zweiten Welle erzeugten Zentrifugalkraft den Ölfilm durch den genannten Außenring mit Öl zu versorgen, umfaßt, wobei das Lager dadurch gekennzeichnet ist, daß der Außenring eine ringförmige Schulter aufweist, die radial zum Inneren des ringförmigen Raums hin vorspringt, wobei die Schulter wenigsten einen Kanal aufweist, der sich im wesentlichen gegenüber der zusätzlichen Leitung öffnet und im Bereich des Ölfilms mündet.
Das Vorhandensein eines Kanals, der in der Schulter des Außenrings ausgebildet ist, ermöglicht die Erzeugung von erhöhtem Druck im Inneren des Ölfilms und somit eine Verbesserung seines Auffüllens und eine Begrenzung der Kavitationserscheinungen. Vorzugsweise weist die ringförmige Schulter eine radiale Höhe auf, die wenigstens zweimal größer als eine radiale Höhe des ringförmigen Außenrings ist.
Der Ölversorgungskreis weist wenigstens einen Hohlraum auf, der in der zweiten Welle im Bereich einer ringförmigen Kontaktfläche mit dem Innenring ausgebildet ist, wobei der Hohlraum mittels einer Spritzdüse mit Öl versorgt wird und wobei die Leitung sich in den Hohlraum öffnet. Ferner weist der Ölversorgungskreis einen zusätzlichen Hohlraum auf, der in der zweiten Welle im Bereich seiner ringförmigen Kontaktfläche mit dem Innenring ausgebildet ist, wobei der zusätzliche Hohlraum aus dem Hohlraum, mit dem er in Verbindung steht, mit Öl versorgt wird und wobei die zusätzliche Leitung sich in den einen zusätzlichen Hohlraum öffnet.
Vorteilhafterweise mündet der Kanal der ringförmigen Schulter im Bereich des Ölfilms mittels einer Homogenisierungsnut, die im Außenring im Bereich seiner ringförmigen Kontaktfläche mit der ersten Welle ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, welche – ohne jeglichen einschränkenden Charakter – ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen und in welchen:
1 eine schematische Längsschnittansicht des Abschnitts einer Turbomaschine ist, welcher ein Wälzlager gemäß der Erfindung aufweist, und
2 eine Graphik ist, welche eine Druckkurve für ein Wälzlager des bekannten Stands der Technik und eine Druckkurve für ein Wälzlager gemäß der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform
1 stellt einen Abschnitt einer Turbomaschine in Längsschnittansicht dar, welcher ein Wälzlager gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Das Wälzlager 2 ist zwischen einer ersten Welle 4, die der Lagerzapfen des Wellenstrangs des Hochdruckkörpers der Turbomaschine ist, und einer zweiten Welle 6, die der Lagerzapfen des Wellenstrangs des Niederdruckkörpers ist, angeordnet. Die erste Welle 4 ist an der Hochdruckturbine 8 der Turbomaschine mit Hilfe eines Bügels 9 befestigt. Ein anderes Wälzlager 10 ist ebenfalls in 1 dargestellt. Dieses Lager, welches die zweite Welle 6 gegenüber einem Gehäuse 11 der Turbomaschine drehlagert, stellt keine Aufgabe der vorliegenden Erfindung dar und wird daher nicht im Detail beschrieben.
Das Wälzlager 2 besteht aus einer Vielzahl von Rollen 12, die zwischen den Innenflächen eines ringförmigen Innenrings 14 und eines ringförmigen Außenrings 16 eingefügt sind, die Laufbahnen bilden. Der Innenring 14 ist auf der zweiten Welle 6 angebracht. Ebenso ist die erste Welle 4 mechanisch auf einer Außenfläche des Außenrings 16 befestigt.
Um die Belastungen, die von der zweiten Welle 6 zur ersten Welle 4 hin übertragen werden, zu dämpfen, ist das Wälzlager mit einem Ölfilm 18 versehen. Dieser Ölfilm, der als Vibrationsdämpfer dient, ist im Bereich der ringförmigen Kontaktfläche zwischen der ersten Welle 4 und der Außenfläche des Außenrings 16 ausgebildet. Er wird seitlich durch zwei Dichtungen 20, 22 begrenzt, die in zwei Nuten angeordnet sind, die in dem Außenring auf seiner Kontaktfläche mit der ersten Welle 4 ausgebildet sind.
Das für die Schmierung und die Kühlung der Rollen 12 erforderliche Öl wird über eine Düse 24 zugeführt, welche Öl in einen Zirkulationskreis spritzt. Dieser Ölzirkulationskreis weist eine Sammelnut 26 auf, die in einer Wand 27 eines Ölverteilers ausgebildet ist. Diese Nut ermöglicht die Versorgung der zwei Wälzlager 2 und 10, die in 1 dargestellt sind, mit Schmieröl. Was das Wälzlager 2 betrifft, das Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ist ein Durchgang 28, welcher mit der ersten Sammelnut 26 verbunden ist, in der zweiten Welle 6 ausgebildet und mündet im Bereich eines ersten Hohlraums 30, der in der zweiten Welle angeordnet ist, auf seiner ringförmigen Kontaktfläche mit dem Innenring 14. Dieser erste Hohlraum 30 steht weiter stromabwärts in der Ölzirkulationsrichtung mit einem zweiten Hohlraum 32 in Verbindung, der ebenfalls in der zweiten Welle auf seiner ringförmigen Kontaktfläche mit dem Innenring ausgebildet ist. Eine oder mehrere Versorgungsleitungen 34, welche den Innenring 14 des Lagers durchqueren, öffnen sich in den zweiten Hohlraum 32 und münden im Bereich der Innenlaufbahn der Rollen 12. Diese Leitungen (in 1 sind zwei solcher Leitungen dargestellt) ermöglichen somit, die Lagerrollen 2 mit Schmier- und Kühlungsöl zu versorgen.
Ferner ist ein dritter offener Hohlraum 36 für die Aufnahme von Öl vorgesehen, von dem ausgehend Öl zum Ölfilm 18 befördert wird. Dieser dritte Hohlraum 36 ist stromabwärts von dem zweiten Hohlraum 32 in der Zirkulationsrichtung des Öls im Bereich der ringförmigen Kontaktfläche zwischen der zweiten Welle 6 und dem Innenring 14 angeordnet. Eine zusätzliche Leitung 38, welche den Innenring durchquert, öffnet sich in diesen dritten Hohlraum 36 und mündet außerhalb der Innenlaufbahn der Rollen 12. In 1 ist eine einzige zusätzliche Leitung 38 dargestellt. Es können auch weitere Durchgänge im Innenring bereitgestellt werden, um das Öl zum Ölfilm hin zu transportieren.
Gemäß der Erfindung weist der Außenring 16 des Wälzlagers wenigstens einen Kanal 40 zur Versorgung des Films 18 mit Öl auf. Dieser Kanal, der den Außenring 16 durchquert, öffnet sich im wesentlichen gegenüber der zusätzlichen Leitung 38, die im Innenring ausgebildet ist und mündet zwischen den zwei Dichtungen 20, 22 im Bereich der ringförmigen Kontaktfläche zwischen dem Außenring und der ersten Welle 4. Genauer gesagt weist der Außenring 16 im Bereich seines Endes gegenüber der zusätzlichen Leitung 38 eine ringförmige Schulter 42 auf, welche radial zum ringförmigen Raum vorspringt, welcher zwischen den zwei Lagerringen definiert ist. Die Schulter 42 weist eine radiale Höhe auf, die ausreichend ist, damit sich der Versorgungskanal 40, der in dieser Schulter angeordnet ist, gegenüber der zusätzlichen Leitung 38 öffnet. In der Tat schwankt bei gleichen Drehgeschwindigkeiten der zweiten Welle der Druck, der im Inneren des Films erzeugt wird, in Abhängigkeit von dem Abstand, welcher die zusätzliche Leitung und das stromaufwärts angeordnete Ende des Kanals trennt. Somit ist – um im Inneren des Ölfilms einen Druck zu erzeugen, der ausreichend hoch für einen partiellen Betriebsbereich der Turbomaschine ist, das heißt in der Größenordnung von 6 bar im Vergleich zu 2 bar für ein gedämpftes Wälzlager des bekannten Stands der Technik – die Lasthöhe h (die durch die radiale Höhe der Schulter 42 definiert wird) vorteilhafter Weise wenigstens zweimal – und vorzugsweise dreimal – höher als die Lasthöhe eines gedämpften Wälzlagers des bekannten Stands der Technik (die durch die radiale Höhe des Außenrings des Lagers definiert wird).
Gemäß einer vorteilhaften Eigenschaft der Erfindung mündet der Versorgungskanal 40 im Bereich des Ölfilms mittels einer Homogenisierungsnut 44, die im Außenring ausgebildet ist, im Bereich seiner ringförmigen Kontaktfläche mit der ersten Welle, um die Verteilung des Öls im gesamten ringförmigen Raum, der durch die zwei Dichtungen 20, 22 begrenzt wird, zu erleichtern.
Nun wird die Funktionsweise des Lagers gemäß der Erfindung und insbesondere die Ölzirkulation beschrieben, die dazu bestimmt ist, die Rollen zu schmieren und zu kühlen und den Ölfilm zu versorgen.
Das Öl wird über die Düse 24 im Bereich der Sammelnut 26 eingespritzt. Es durchquert danach den Durchgang 28, der in der zweiten Welle 6 angeordnet ist, bevor es in den ersten Hohlraum 30 und danach in den zweiten Hohlraum 32 eindringt. In diesem Bereich wird das Öl entlang zweier getrennter Kreise verteilt:

– einerseits durchquert das Öl durch die Wirkung der Zentrifugalkraft, die durch die Drehung der zweiten Welle erzeugt wird, den Innenring 14 über die Leitung oder Leitungen 34, um die Kühlung und Schmierung der Rollen 12 sicherzustellen, und
– andererseits gelangt das Öl in den dritten Hohlraum 36, durchquert den Innenring über die zusätzliche Leitung 38 und dringt – stets aufgrund der Zentrifugalwirkung – in den Versorgungskanal 40 ein, der in der Schulter 42 des Außenrings angeordnet ist, um den Ölfilm 18 mit unter Druck stehendem Öl zu versorgen, wodurch die Dämpfung der Vibrationen gewährleistet wird.

Das Vorhandensein der Schulter 42 des Außenrings, die radial zum ringförmigen Raum vorspringt, der zwischen den zwei Ringen definiert ist, ermöglicht es, im Inneren des Ölfilms 18 einen deutlich höheren Druck zu erhalten als den Druck, der durch ein gedämpftes Wälzlager des bekannten Stands der Technik erhalten wird. In 2 ist dieser deutliche Unterschied anschaulich dargestellt. In dieser Figur stellen die Kurven 100 und 102 den Öldruck dar, der im Inneren des Ölfilms in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der zweiten Welle (welche dem Lagerzapfen des Wellenstrangs des Niederdruckkörpers der Turbomaschine entspricht) für ein Wälzlager des bekannten Stands der Technik bzw. für ein Wälzlager gemäß der Erfindung erzeugt wird. Somit ermöglicht bei einer Drehgeschwindigkeit der zweiten Welle in der Größenordnung von beispielsweise 10.000 Umdrehungen/Minute ein klassisches Wälzlager das Erhalten eines Drucks im Inneren des Ölfilms von ungefähr 3 bar, während bei derselben Geschwindigkeit das Lager gemäß der Erfindung einen Druck von ungefähr 8 bar erzeugt. Ein solcher Druck im Ölfilm begrenzt Kavitationserscheinungen und ermöglicht somit das Erhalten einer wesentlich wirksameren Dämpfung von Vibrationen als dies mit einem klassischen gedämpften Wälzlager möglich ist.

Claims

Turbomaschinenwälzlager, das eine erste Welle (4) gegenüber einer zweiten Welle (6) drehlagert und folgendes umfaßt: eine Vielzahl von Wälzkörpern (12), die zwischen einem an der zweiten Welle angebrachten, ringförmigen Innenring (14) und einem an der ersten Welle angebrachten, ringförmigen Außenring (16) eingefügt sind, wobei eine Innenfläche des Außenrings und eine Außenfläche des Innenrings zwischen sich einen ringförmigen Raum definieren, einen Ölfilm (18), der im Bereich einer ringförmigen Kontaktfläche zwischen dem Außenring und der ersten Welle gebildet und seitlich durch wenigstens zwei ringförmige Dichtungen (20, 22) begrenzt ist, wenigstens eine den Innenring durchquerende Leitung (34), wobei die genannte Leitung mit einem Ölversorgungskreis in Verbindung steht und im Bereich einer Innenlaufbahn der Wälzkörper mündet, um deren Schmierung sicherzustellen, und wenigstens eine zusätzliche Leitung (38), welche den Innenring durchquert, wobei die genannte zusätzliche Leitung mit dem Ölversorgungskreis in Verbindung steht und außerhalb der Innenlaufbahn mündet, um unter der Wirkung der durch die Rotation der zweiten Welle erzeugten Zentrifugalkraft den Ölfilm durch den genannten Außenring mit Öl zu versorgen, wobei das Lager dadurch gekennzeichnet ist, daß der Außenring eine ringförmige Schulter (42) aufweist, die radial zum Inneren des ringförmigen Raums hin vorspringt, wobei die Schulter wenigstens einen Kanal (40) aufweist, der sich im Wesentlichen gegenüber der zusätzlichen Leitung öffnet und im Bereich des Ölfilms mündet.
Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Schulter (42) eine radiale Höhe aufweist, die wenigstens zweimal größer ist als eine radiale Höhe des ringförmigen Außenrings (16).
Lager nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölversorgungskreis wenigstens einen Hohlraum (30, 32) aufweist, der in der zweiten Welle (6) im Bereich einer ringförmigen Kontaktfläche mit dem Innenring (14) ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Hohlraum mittels einer Spritzdüse (24) mit Öl versorgt wird und wobei die wenigstens eine Leitung sich in den wenigstens einen Hohlraum öffnet.
Lager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölversorgungskreis außerdem einen zusätzlichen Hohlraum (36) aufweist, der in der zweiten Welle (6) im Bereich seiner ringförmigen Kontaktfläche mit dem Innenring (14) ausgebildet ist, wobei der zusätzliche Hohlraum aus dem wenigstens einen Hohlraum (30, 32), mit dem er in Verbindung steht, mit Öl versorgt wird und wobei die wenigstens eine zusätzliche Leitung sich in den wenigstens einen zusätzlichen Hohlraum öffnet.
Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kanal (40) der ringförmigen Schulter (42) über eine Homogenisierungsnut (44), die in dem Außenring (16) im Bereich seiner ringförmigen Kontaktfläche mit der ersten Welle (4) ausgebildet ist, im Bereich des Ölfilms (18) mündet.
Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (4) ein Lagerzapfen des Wellenstrangs des Hochdruckkörpers der Turbomaschine ist und daß die zweite Welle (6) ein Lagerzapfen des Wellenstrangs des Niederdruckkörpers der Turbomaschine ist, wobei die Wälzkörper (12) Rollen sind.