DE1049156B - Gasgekuehlte Lageranordnung fuer eine Turbineneinheit - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine gasgekühlte Lageranordnung für eine Turbineneinheit mit einer Welle, einem auf der Welle angeordneten Turbinenläufer und einer Abgasleitung für den Turbinenläufer, wobei die Lageranordnung die Lager zur drehbaren Lagerung der Welle, ein diese Lager umgebendes und tragendes Gehäuse und Mittel zur Abstützung dieses Gehäuses aufweist.

Zur Kühlung von Lageranordnungen der obigen Art wurde bisher Außenluft, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen Gebläses, benutzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Anordnung, die ohne zusätzliche Einrichtungen ausreichend gekühlt wird und durch konstruktive und betriebliche Vereinfachung der zugehörigen Turbineneinheit Verbilligung und erhöhte Wirtschaftlichkeit ermöglicht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die gesamte Lageranordnung in der Abgasleitung in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Turbinenläuferabgas angeordnet ist, wobei der Turbinenläufer dieses Abgas mit einer Temperatur liefert, die niedriger als die normale Betriebstemperatur der Lager ist. Die Lageranordnung weist mit dem Gehäuse verbundene Mittel zur Abdichtung der Lager gegen die Abgasleitung auf. Die Abdichtungsmittel können aus einem Verschluß für das eine Ende des Gehäuses und einem Abdichtungsteil am anderen Ende des Gehäuses bestehen, der Laufsitz mit dem Turbinenläufer hat. Das Turbinenläuferabgas wird vorzugsweise derart in die Abgasleitung geführt, daß es die Turbine radial nach innen in Richtung auf die Welle durchströmt.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform als Beispiel dargestellt.

Fig. 1 ist eine Rückansicht in Richtung des Turbinenausstoßendes der Kühleinheit;

Fig. 2 ist ein Schnit nach der Linie 2-2 der Fig. 1.

In einer Kühleinrichtung, die zum Konditionieren der Luft in Luftfahrzeugen benutzt wird, hat sich infolge der hohen Temperatur der durch die Einheit verlaufenden Luft und infolge der hohen Drehzahl in der Nähe von 60 000 U/min die Schwierigkeit ergeben, die Lager der Turbinengebläseeinheit in geeigneter Weise zu schmieren. Diese Lager haben sich gelegentlich auf eine derart hohe Temperatur erwärmt, daß das zum Schmieren der Wälzlager verwendete öl in solchem Maße gekocht oder karbonisiert wurde, daß es seine Schmierfähigkeit verlor.

In Flugzeugklimaanlagen wird Luft aus einem Düsenmotorkompressor zuerst an einen Wärmeaustauscher geführt, wo eine gewisse Wärme entnommen wird, und wird dann durch eine Turbine geführt, wo infolge der von der Turbine aufgenommenen Energie die Lufttemperatur weiter vermindert wird.

Gasgekühlte Lageranordnung
für eine Turbineneinheit

Anmelder:
United Aircraft Corporation,
EastHartford_r Conn. (V.St.A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke₁ Berlin-Friedenau_l
und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,
Pienzenauerstr. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 29. Dezember 1954

William Edgar Diefenderfer,
Wethersfield₁ Conn. (V.St.A.),
ist als Erfinder genannt worden

Die Turbine treibt ein Gebläse, das Luft durch den Wärmeaustauscher drückt, und schafft ein Mittel zum Belasten der Turbine. Ein leichteres Verständnis der Anlage kann erzielt werden, wenn bei der Erklärung der Arbeitsweise Temperatur- und Druckwerte benutzt werden. Es wird bemerkt, daß diese Werte nur zur Erklärung dienen sollen und die Erfindung nicht auf diese Werte oder Bereiche begrenzt ist.

Wenn der Kompressor Luft bei 371° C und bei 4,2 kg/cm² liefert, kann die Temperatur auf 93° C und der Druck auf 3,85 kg/cm² beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher herabgesetzt werden. Die Luft kann dann durch die Turbine geschickt werden, wo die Temperatur von 93 auf —17,8° C und der Druck auf 0,7 kg/cm² reduziert werden kann. Es ist somit erkennbar, daß der Turbinenauslaß bei einer niedrigen Temperatur erfolgt, die nahe —17,8° C liegen kann.

Die Erfindung betrifft eine Turbineneinheit, in der diese verhältnismäßig kalte Luft verwendet werden kann, um eine Überhitzung der Turbinenlager zu verhindern.

Die in der Zeichnung dargestellte Turbineneinheit 10 hat ein dreiteiliges Gehäuse, das aus einem Turbineneinlaß- und -auslaßgehäuse 12, einem Turbinen·· düsentragteil 14 und einem Gebläseeinlaß- und -auslaß-

809 730/133

Claims (1)

gehäuse 16 besteht. Ein Gebläse 18 ist auf einer Welle 20 mit dieser drehbar im Gehäuse 16 angeordnet und pumpt bei Drehung Luft von dem Einlaß 22 durch den Auslaß 24 und verbraucht somit Energie, welche der Turbinenläufer 26 zu leisten hat. Der Turbinenläufer 26 ist auch auf der Welle 20 angrenzend an das Gebläse 18 angeordnet, wobei ein Teil 28 des Düsengehäuses 14 das Gebläse 18 von dem Turbinenläufer 26 trennt und isoliert. Luft aus dem Düsenmotor wird in den Turbineneinlaß 30 eingeleitet und wird, nachdem sie durch die Düse 32 und radial nach innen durch die Turbinenschaufeln 34 verlaufen ist, durch einen ringförmigen Kanal 36 in Längsrichtung mit Bezug auf die Welle 20 zu dem Auslaß 37 geführt, von wo sie durch eine beliebige geeignete Regeloder Mischvorrichtung zu dem zu erwärmenden oder zu kühlenden Teil des Flugzeuges verläuft. Radial nach innen von dem zylindrischen Teil 38 des Gehäuses 12 treten drei Stege oder Rippen 40, 42 und 44 vor, die einen zylindrischen Teil 48 tragen, der konzentrisch, aber in Abstand zu dem Gehäuse 38 verläuft, so daß der ringförmige Kanal 36 zwischen dem Gehäuse 38 und dem Zylinder 48 gebildet wird. Der Kanal 36 dient als Leitung oder Durchgang für die von dem Turbinenläufer 26 ausgestoßene Luft. Eine Lagermuffe 46 ist auf der Innenfläche des Zylinders 48 abgestützt und trägt Wälzlager 52, 54, in denen die Welle 20 drehbar gelagert ist, auf der das Gebläse 18 und der Turbinenläufer 26 angebracht sind. Die inneren Laufringe der Lager 52 und 54 sind auf der Welle 20 durch Muttern 58 und 56 festgespannt, und die Lage der äußeren Laufringe ist durch einen insgesamt mit 60 bezeichneten Lagervorbelastungsmechanismus bestimmt, der aus einem mit der Lagermuffe 46 vernieteten Ring oder eine Hülse 61 und gegen die äußeren Laufringe der Lager 52, 54 durch Federdruck gedrückte Hülsen 65 und 63 besteht. Die Hülsen 63 und 65 sind angrenzend an dieLager geschlitzt, so daß Öl, ausgehend von dem öler 84, die Lager erreichen kann. Die Lagermuffe 46 und der darin getragene Mechanismus werden in einer Richtung durch Hoch-Ieistungs-Bellvillefedern 62 federbelastet, die zwischen dem mit dem Gehäuse 38 einstückigen Zylinder 48 und einem Flansch 64 auf der Muffe 46 wirken. Eine Mutter 66, die auf das dem Flansch 64 entgegengesetzte Ende der Muffe46 geschraubt ist, stößt gegen den Zylinder 48 und wird dazu verwendet, die Feder 62 zusammenzudrücken, um die Muffe 46 und den Turbinenläufer 26 mit dem gewünschten Spiel im Gehäuse 12 anzuordnen. Eine Dichtung 68 mit einer Mutter 66 dichtet das Ende der Lagermuffe 46 angrenzend an den Turbinenauslaß 37 ab. Eine Dichtung 70 mit einem kleinen Spiel von 0,025 oder 0,05 mm oder ohne Spiel gegen den Turbinenläufer 26 dichtet das entgegengesetzte oder Turbinenende der Lagermuffe 46 ab, wobei die Lager 52, 54 auf diese Weise im wesentlichen abgedichtet werden, da als einzige kleine Öffnung gegebenenfalls nur der Spielraum von 0,025 oder 0,05 mm zu dem Turbinenläufer 26 vorhanden ist. Da dies die einzige Öffnung ist, entsteht keine Luftströmung durch die Lager, und Luft, Feuchtigkeit oder Schmutz haben nur geringe oder gar keine Tendenz, in oder durch die Lager 52, 54 zu verlaufen. Der Ring72 ist an dem Flansch64 befestigt und wirkt als Führungsteil für die von der Turbine zu dem Auslaß 37 verlaufende Luft. Die durch den ringförmigen Kanal 36 und über den Zylinder 48 verlaufende Kühlluft, die beispielsweise eine Temperatur von —17,8 bis —3,9° C haben kann, kühlt den Zylinder 48, der seinerseits die Lagermuffe 46 und die daran angebrachte Hülse 61 und somit die äußeren Laufringe der Lager 52, 54 kühlt, so daß die Lagertemperatur auf einer so niedrigen Betriebstemperatur gehalten wird, daß eine geeignete Schmierung mög-Hch ist. Die von dem Gebläse 18 bewegte Luft kann eine Temperatur von 66 bis 233° C und die der Turbinendüse 32 zugeführte Luft kann eine Temperatur von 121° C haben, so daß der Turbinenläufer 26 und das ίο Gebläse 18 die Welle 20 zu erwärmen suchen und diese entlang der Welle 20 verlaufende Wärme die Lager 52 und 54 zu erwärmen bestrebt ist. Außerdem ist natürlich eine gewisse Reibungswärme in den Lagern 52 und 54 vorhanden, die bei dieser hohen Drehzahl von angenähert 60 000 U/min arbeiten. Infolge der über die Hülse 48 verlaufenden kalten Luft wird jede durch die Welle 20 und durch die Reibung der Lager eingeführte Wärme durch die Hülsen 61 und 46, den Zylinder 48 und die Mutter 66 mit einer so ausreichenden Geschwindigkeit zerstreut, daß die Lager auf einer Temperatur innerhalb eines Schmierbereiches gehalten werden. Es wurde gefunden, daß die Temperatur des vorderen Lagers 52 auf angenähert 43° C und des hinteren Lagers 54 auf etwa 26,7° C in einer typischen Anlage gehalten werden kann. Bei den auf diesen Temperaturen gehaltenen Lagern ist die bisher festgestellte Störung des Versagens der Schmierung vollständig beseitigt worden. Es ist auch gefunden worden, daß bei den im wesentliehen abgedichteten Lagern, wie oben beschrieben wurde, keine Luft durch die Lager strömt, um das Schmiermittel wegzuwaschen, und Staub und Fremdteilchen keinen Weg in die Lager finden, so daß sich erfahrungsgemäß ein langer störungsfreier Betrieb ergeben hat. Labyrinthdichtungen werden bei 73 angrenzend an den Turbinenläuferumfang und bei 74 an der Läufernabe verwendet, um Luftdurchgang oder Wärmeübertragung zwischen dem Gebläse und der Turbine zu vermindern und den Wirkungsgrad der Gebläse-Turbinen-Kombination zu verbessern. Andere Dichtungen sind bei 76 und 78 vorgesehen, um ein luftdichtes Gehäuse auszubilden. Ein Schraubbolzen 80 ist durch die Rippe 44 in einen Schlitz in der Lagermuffe 46 geschraubt, um diese gegen Drehung festzuhalten, während die Mutter 66 zur Lageeinstellung des Turbinenläufers 26 gedreht wird. Die Abschnitte 12,14 und 16 des Gehäuses können durch ein beliebiges geeignetes Mittel, z. B. Schrauben 82, verbunden werden. Es kann ein geeignetes beliebiges Mittel verwendet werden, um eine begrenzte Ölmenge an die Lager 52, 54 zwecks Schmierung zu liefern. Das öl kann durch ausgebohrte Löcher in einer der Rippen 40, 42 von einem Ölbehälter 84 zu einer an die Lager angrenzenden Stelle geleitet werden, wobei geeignete Schmierlöcher in dem Zylinder 48 und in der Lagermuffe 46 vorgesehen sind. Patentansprüche:

1. Gasgekühlte Lageranordnung für eine Turbineneinheit mit einer Welle, einem auf der Welle angeordneten Turbinenläufer und einer Abgasleitung für den Turbinenläufer, wobei die Lageranordnung die Lager zur drehbaren Lagerung der Welle, ein diese Lager umgebendes und tragendes Gehäuse und Mittel zur Abstützung dieses Gehäuses aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Lageranordnung in der Abgasleitung in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Turbinenläuferabgas angeordnet ist, wobei der Turbinenläufer