DE2753610C2 - In einen mit unter- und überkritischer Drehzahl laufenden Rotor einbaubare selbsttätige Auswuchtvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in einen mit unter- und überkritischer Drehzahl laufenden Rotor einbaubare

ίο selbsttätige Auswuchtvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Auswuchtvorrichtung ist aus der DE-OS 26 54 148 für die Welle eines Fahrzeugantriebs bekannt In der hohl ausgebildeten Welle sitzt ein Gehäuse mit einem zentralen Zapfen. Um diesen Zapfen sind zwei Büchsen verdrehbar angeordnet An jeder der Büchsen ist ein federförmiges elastisches Element befestigt, das an seinem freien Ende eine Auswuchtmasse trägt Bei Erreichen des Drehzahlbereichs, in welchem die hohle Welle ihre Eigenfrequenz erreicht, sind aufgrund der Zentrifugalkraft die elastischen Elemente soweit gedehnt, daß die Auswuchtmassen in den Stellungen, die sie aufgrund von vorhandenen Unwuchten eingenommen haben, mit der an der Innenwand der Hohlwelle festgelegten Gehäusewand in Kontakt kommen und in dieser Stellung mit Hilfe eines Klebemittels oder eines Nut-Keileingriffs permanent festgelegt werden. Wenn sich die hohle Welle mit den derart fixierten Auswuchtmassen im überkritischen Drehzahlbereich dreht, bleibt die vorgenommene Lagefixierung erhalten. Wenn nun an der hohlen Welle im überkritischen Drehzahlbereich plötzlich Unwuchten auftreten, sind die Ausgleichsmassen für einen Ausgleich solcher Unwuchten nicht verwendbar, da sie in ihrer Lage fixiert sind.

Derartige Unwuchten bei überkritischen Drehzahlen stellen sich jedoch beispielsweise durch Korrosion bei Rotoren von Flugzeugstrahltriebwerken ein, die /u Schaufelbrüchen und letztendlich zur Zerstörung des Triebwerks führen können, wenn nicht umgehend Gcgenmaßnahmen zur Auswuchtung vorgenommen werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Auswuchtvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß zwar bei unterkritischen Drehzahlen und der kritischen Drehzahl die Auswuchtmassen in ihrer Auswuchtstellung für diesen Zustand fixierbar sind, diese Festlegung jedoch im Bereich der überkritischen Drehzahl aufgehoben wird.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Paso tentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen dieser Lösung.

Die erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung hat den Vorteil, daß bei einem plötzlichen Auftreten von Unwuchten im Bereich überkritischer Drehzahlen an einem Rotor, beispielsweise aufgrund eines Schaufelbruchs in einem Strahltriebwerk, ein sofortiger automatischer Ausgleich der dadurch bedingten Unwuchten erreicht werden kann, so daß die Gefahr einer stärkeren oder vollständigen Zerstörung des Aggregats verhindert wird, während bei Erreichen und Unterschreiten der kritischen Drehzahl die Auswuchtmassen dann in den Positionen, die sie bei der kritischen Drehzahl eingenommen haben, festgelegt sind, um bei der unterkritisehen Drehzahl eine Steigerung der Unwucht zu vermeiden, die sich einstellen würde, wenn sich die Auswuchtmassen in diesem Bereich selbsttätig weiter verstellen könnten.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 im Querschnitt einen Rotor mit einer ersten Ausführungsform der Auswuchtvorrichtung,

F i g. 2 den Schnitt 8-8 von F i g. 1,

F i g. 3 im Querschnitt eine zweite Ausführungsform der Auswuchtvorrichtung,

F i g. 4 den Schnitt 10-10 von Fig. 3,

F i g. 5 im Querschnitt eine dritte Ausführungsform der Auswuchtvorrichtung,

F i g. 6 den Schnitt 12-12 von F i g. 5 und

F i g. 7 im Axialschnitt eine Modifizierung der Auswuchtvorrichtung von F i g. 3.

Der in F i g. 1 und 2 gezeigte Rotor 32 dreht sich in Lagern 34. die in einem Lagerbock 36 sitzen, der zu einem Gehäuse 38 gehört, das den Rotor umgibt Die Auswuchtvorrichtung hat ein ringförmiges Gehäuse 42, das am Rotor 32 durch Klemmbüchsen 44 oder durch andere geeignete Einrichtungen gehalten ist und sich mit dem Rotor dreht Das Gehäuse 42 hat einen Ring 48, der auf der einen Stirnseite 50 des Gehäuses 42 (F i g. 2} offen ist, auf der gegenüberliegenden Seite 52 und an seiner inneren und äußeren gekrümmten Begrenzung 54 bzw. 56 geschlossen ist In dem Ring sind zwei identische Rollenkäfige 60 und 62 vorgesehen, die in dem Ring durch einen geeigneten Haltering 64 gehalten werden. Die Rollenkäfige 60 und 62 haben Rollen 68, die sich um die Achse des Rotors 32 frei bewegen können. Die Rollenkäfige 60 und 62 und die Rollen 68 wirken als Auswuchtmassen. Die Rollen übertragen die Zentrifugalkräfte der Käfige und der Rollen, wenn sich der Rotor 32 dreht, auf die äußere zylindrische Oberfläche 56 des Rings 48. Jeder Rollenkäfig 60 und 62 ist ein Block mit einem Paar von Ausnehmungen 72 und 74, von denen jede eine Rolle 68 aufnimmt. Jede Rolle ist drehbar an einem käfigfesten Zapfen 76 gehalten. Jeder Rollenkäfig 60 und 62 hat eine innere gekrümmte Fläche 78 und eine Ausnehmung 80 darin, die einen Bremsblock 82 aufweist, der eine gekrümmte Oberfläche mit Zähnen 86 für den Eingriff mit Zähnen 88 aufweist die sich längs der inneren gekrümmten Fläche 54 des Rings im Gehäuse 42 erstrecken. Die Zähne 86 werden durch Schraubcndruckfedem 92 in die Eingriffsstellung mit den Zähnen 88 gedruckt Die Federn 92 sind so ausgelegt, daß sie mit einer solchen Kraft wirken, daß das Ineinandergreifen der Zähne solange aufrechterhalten wird, bis die Rotordrehzahl die kritische Drehzahl überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Zentrifugalkraft auf die Bremsblöcke 82 größer als die Federkraft, so daß der Eingriff der Zähne 86 und 88 gelöst wird. Dadurch können sich die Rollenkäfige 60 in Umfangsrichtung in dem Ring des Gehäuses 42 bewegen und eine Auswuchtung des Rotors 32 in der Ebene der Einrichtung, wie vorstehend beschrieben, bewirken. Wenn die Drehzahi des Rotors 32 unter die kritische Drehzahl absinkt, drücken die Federn 92 die Bremsblöcke 82 nach innen, überwinden die Zentrifugalkraft und bringen die Zähne 86 mit den Zähnen 88 in Eingriff, wodurch die Rollenkäfige 60 und 62 in ihrer Stellung arretiert werden, so daß sie als Auswuchtung des Rotors 32, wenn dieser sich mit einer unterkritischen Drehzahl dreht, und nicht als Rotorunwucht wirken, wie dies der Fall wäre, wenn sie frei blieben.

Die Verwendung einer gesonderten Kupplung an jedem Rollenkäfig erfordert, daß die Federn und die Massen sorgfältig ausgelegt und eingestellt werden, so daß die beiden Rollenkäfige gleichzeitig freigegeben und wieder eingekuppelt werden. Um eine derartige sorgfältige Einstellung zu vermeiden, können die Rollenkäfige so angeordnet werden, daß sich keiner bewegen kann, wenn nicht beide für eine Bewegung frei sind, wie dies bei der alternativen Auswuchtvorrichtung 102 (Fig. 3 und 4) gezeigt ist Die Auswuchtvorrichtung 102 hat einen Rotor 104, der in Lagern 106 in einem an einem Gehäuse 110 angeformten Lagerblock 108 gelagert ist Das Lager 106 wird im Lagerbock mittels eines Halterings 112 gehalten. Auf die Welle 104 ist mittels Klemmbüchsen 118 und 120 ein Gehäuse 116 aufgekeilt das sich mit der Welle 104 dreht Das Gehäuse 116 enthält einen Ring 124, der an der einen Seite 126, wie dies aus F i g. 4 zu ersehen ist, offen ist. In dem Ring befinden sich zwei U-förmige Rollenkäfige 130 und 132, die innerhalb einer Ringplatte 134 liegen, die nach innen durch eine Tellerfeder 136 vorgespannt ist Die Platte 134 hat eine Ringnut 137, die teleskopartig über einen Ringabschnitt

138 des Gehäuses 116 geschoben ist und Dichtungsringe

139 und 140 aufweist, die als Abdichtung zwischen der Platte 134 und dem Abschnitt 138 dienen. Jeder Rollenkäfig 132 bzw. 134 hat eine gekrümmte Innenfläche 141.

Jeder der Rollenkäfige 130 und 132 ist mit einem Paar von Rollen 142 versehen, von denen jede mittels einer Welle 144 am Käfig befestigt ist Auf jeder Seite der Rollenkäfige 130 und 132 sind zwei flache Ringe 146 und 148 angeordnet Der Ring 146 ist durch Verschweißen am Rollenkäfig 130 befestigt, nicht jedoch am Rollenkäfig 132. Der Ring 148 ist durch Schweißen am Rollenkäfig 132 befestigt, nicht jedoch am Rollenkäfig 130. Die von der Feder 136 auf die Platte 134 ausgeübte Kraft wird an jedem der Ringe 130 und 132 durch Übertragung über den Ring 146, dann über die Rollenkäfige und anschließend über den Ring 148 an der angrenzenden Wand des Rings 124 abgestützt. Somit kann sich kein Rollenkäfig aufgrund der Reibung zwischen der Feder 136 und der Büchse 118 bewegen, bis beide Rollenkäfige und Ringe freigegeben sind.

Wie aus Fig.4 zu ersehen ist, hat das Gehäuse 116 einen Rand 152 in der Nähe seines Innendurchmessers, wodurch eine Umfangsrinne 154 gebildet wird, die einen Ölstrahl aus einer öffnung 156 in einem Rohr 158 aufnehmen kann, das dazu verwendet wird, um öl für die Lager 106 über die öffnungen 160 zuzuführen. Das öl aus der öffnung 156 wird in der Rinne 154 aufgefangen, wenn sich die Welle dreht. Das Öl wird unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in Kanäle 164, 166 und 176 sowie in einen Raum 168 zwischen dem Gehäuse 116 und der Platte 134 geführt.

Ein den Durchlaß im Kanal 176 steuerndes Ventil 174 ist an einem Arm 178 angelenkt, der seinerseits an einem Zapfen 180 in einer Halterung 181 angelenkt ist und eine Masse 182 trägt Eine in der Halterung 181 sitzende Blattfeder 186 wirkt der Zentrifugalkraft auf die Masse 182 entgegen. Bei Rotordrehzahlen unter der kritischen Drehzahl wird durch die Blattfeder 186 das Ventil 174 offengehalten, so daß öl vom Kanal 176 in das Gehäuse 116 strömen kann.

Wenn die Wellendrehzahl steigt, nimmt die Zentrifugalkraft auf die Masse 182 zu. Wenn die kritische Drehzahl überschritten wird, wird die Kraft der Blattfeder 186 überwunden, so daß das Ventil 174 schließt, öl aus der Öffnung 156 füllt dann die Kanäle 164 und 166 sowie den Raum 168. Aufgrund der auf das Öl im Kanal 164 ausgeübten Zentrifugalkraft wird in dem Raum 168 ein Druck erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Öldruck im Raum 168 größer als die Kraft der Tellerfeder 136, wodurch die Platte 134 vom Ring 146 wegbewegt wird. Daraufhin sind die Käfige 130 und 132 für eine Bewe-

gung frei und können die Stellung einnehmen, in der sie einer Unwucht im Rotor 104 entgegenwirken. Soweit der Hydraulikdruck nur beim Schließen des Ventils 174 ausgeübt wird, ist der genaue Wert des Hydraulikdrucks von geringer Bedeutung, wenn er nicht größer wird als die Kraft der Feder 136. Der genaue Wert der Kraft der Feder 136 ist solange nicht wesentlich, wie er ausreicht, um eine Bewegung der Käfige 130 und 132 zu verhindern, wenn das Ventil 174 offen ist. Somit sind die einzigen empfindlichen Teile des Systems das Ventil 174, die Masse bzw. das Gewicht 182 und die Feder 186.

Bei der in F i g. 5 und 6 gezeigten Ausführungsform wird die Zentrifugalkraft dazu verwendet, den Kupplungsmechanismus zu betätigen. An einer Welle 192 ist mittels Kiemmbüchsen 194 und 196 (F i g. 6) ein Gehäuse 190 starr festgelegt. Das Gehäuse 190 hat einen Ring 200 an seiner einen Seite 202, in welchem zwei U-förmige Rollenkäfige 204 angeordnet sind, von denen jeder zwei Rollen 206 hält, die auf einer Welle 208 drehbar sind und durch die Zentrifugalkraft gegen die Außenfläche 210 des Rings 200 gedrückt werden. Mit einem geringen Spiel bezüglich der Innenfläche 218 des Rings 200 sind zwei Ringe 214 und 216 angeordnet, einer auf der Rückseite und der andere auf der Vorderseite bezüglich eines jeden Rollenkäfigs 204, wobei der Ring 216 an dem linken Rollenkäfig 204 und der Ring 214 an dem rechten Rollenkäfig 204 von F i g. 5 befestigt sind. Die Rollenkäfige 204 und die Ringe 214 bzw. 216 werden durch eine Platte 220 an Ort und Stelle gehalten, die gegen die Käfige und die Ringe durch eine Tellerfeder 222 gedrückt wird. Die Platte 220 hat mit Schlitzen versehene Vorsprünge 224, in denen Massen 226 angeordnet sind. Die Massen 226 sind an Zapfen 228 angelenkt, die in den Vorsprüngen 224 befestigt sind. Die Massen 226 haben weiterhin einen Abschnitt 230, der am Gehäuse 180 anliegen kann. Die Massen 226 sind bezüglich der 2Iapfen 228 so ausgerichtet, daß sie durch die Zentrifugalkraft im Uhrzeigersinn, wie dies in F i g. 6 zu ersehen ist, gedrückt werden, wobei der Abschnitt 230 am Gehäuse 190 anliegt Die Reaktion aus dieser Belastung wird über den Zapfen 228 auf die Platte 220 übertragen, von der aus die Reaktion auf die Feder 222 wirkt, wodurch die Kraft aufgehoben wird, welche die Platte 220 auf die Rollenkäfige 204 und die Ringe 214 und 216 ausübt Die Feder 222 übt eine Kraft aus, welche die Platte 220, die Rollenkäfige 204 und die Ringe 214 und 216 gegeneinander arretiert hält, bis die Zentrifugalkraft, die auf die Massen 226 bei einer gerade über der kritischen Drehzahl liegenden Drehzahl wirkt, die Platte 220 in F i g. 5 nach vorn drückt, so daß die Rollenkäfige 204 sich in eine Auswuchtstellung bewegen können, in der sie gehalten werden, wenn der Rotor 192 auf die kritische Drehzahl zurückgeht, wobei die Feder 222 die Platte 220 wieder in die Arretierstellung drückt

Wie in Fig.7 gezeigt ist, kann das außenliegende Ventil 174 der Einrichtung 102 von F i g. 3 und 4 durch eine innenliegende Ventilanordnung ersetzt werden. Die Platte 134 wird durch eine Platte 240 ersetzt, die an dem Ring 146 anliegt und eine Ringnut 241 aufweist, die teleskopartig über den Ringabschnitt 138 des Gehäuses 116 ragt Dichtungsringe 242 und 244 sorgen zusammen mit Stützdichtungsringen 246 bzw. 248 für eine Abdichtung zwischen der Platte 240 und dem Ringabschnitt 138. An der Platte 240 ist durch Schrauben 254 eine Abdeckplatte 252 befestigt und liegt an einem Dichtungsring 256 an. Eine Tellerfeder 260 drückt die Abdeckplatte 252 und die Platte 240 nach innen in F i g. 7. Ein Anschlag 262 begrenzt die Bewegung dieser Platten nach außen.

Ein Federstahlband 266 hat einen Finger 268, der in einem Schlitz 270 in der Platte 240 zusammen mit einem Finger 272 an der Abdeckplatte 252 aufgenommen ist.

Das Band 266 liegt an einem Vorsprung 274 an der Abdeckplatte 252 angrenzend an einen Finger 276 an, der in einer öffnung 278 in der Platte 240 und parallel zur Achse des Rotors 204 sitzt. Das Ende des Fingers 276 trägt ein Ventil 280, das mit einem Ventilsitz 284 in

der Platte 240 so zusammenwirkt, daß der Durchgang durch den Kanal 286 gesteuert wird, der die Atmosphäre mit einer öffnung 278 und einem Raum 288 zwischen den Platten 240 und 252 verbindet, in dem sich das Federstahlband 266 befindet. Der Kanal 290 verbindet den Raum 288 mit einem Kanal 292, der in Verbindung mit dem Kanal 166 steht.

Wenn die Wellendrehzahl steigt, drückt die Zentrifugalkraft den Finger 276 nach außen. Wenn die kritische Drehzahl überschritten wird, wird das Ventil 280 auf den Sitz 284 gedrückt, wodurch der ölstrom durch den Kanal 286 blockiert wird. Durch die Kanäle 166, 292 und 290 zugeführtes öl füllt den Raum 288 mit öl. Durch die Wirkung der Zentrifugalkraft auf das öl im Kanal 164 wird im Raum 288 ein Druck erzeugt, der die Kraft der Tellerfeder 260 überwiegt und die Platte 240 von dem Ring 146 wegbewegt, wodurch die Käfige 130 und 132

sich frei bewegen können und einer Unwucht im Rotor 104 entgegenwirken.

Bei jeder der vorstehend beschriebenen Anordnun-

gen werden wenigstens zwei Auswuchtvorrichtungen verwendet, von denen jeweils eine an jeder stirnseitigen Lagerung des Rotors angeordnet ist. Wenn die Massenänderung nahe bei einem Lager an einer Stirnseite des Rotors eintritt, kann auch eine Auswuchteinrichtung in der Nähe der Stirnseite genügen. Dies ist der Fall bei Turbinenwellen bestimmter Flugzeuge, bei denen sich die Schaufelscheiben nahe bei einem der Lager befinden. Eine Änderung der Auswuchtung infolge des Verlustes oder der Beschädigung einer Schaufel kann mit Hilfe einer einzigen Auswuchtvorrichtung kompensiert werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. In einen mit unter- und überkritischer Drehzahl laufenden Rotor einbaubare selbsttätige Auswuchtvorrichtung mit einem rotorfesten Gehäuse, in welchem ein Paar von Auswuchtmassen diametral zur Rotorachse gegenüberliegend und um die Rotorachse relativ zum Gehäuse bewegbar angeordnet ist, und mit einer selbsttätig drehzahlabhängig wirkenden Kupplung zur betriebsabhängigen Festlegung der Auswuchtmassen im Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswuchtmassen Rollenkäfige (60, 62; 130,132; 204) mit Rollen (68; 142; 206) sind, die durch wenigstens eine Feder (92; 136; 222; 260) in den mit dem Gehäuse (42; 116; 190) gekuppelten Zustand vorgespannt sind, solange der Rotor (32; 104; 192) mit einer unterkritischen Drehzahl umläuft, während die Federvorspannung unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft bei überkritischer Drehzahl aufgehoben und der Kupplungszustand gelöst wird, so daß sich die Auswuchtmassen in ihre jeweiligen Auswuchtstellungen bewegen können.

2. Auswuchtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rollenkäfig (60,62) rotorseitig einen Bremsblock (82) aufweist, der Zähne (86) für den Eingriff mit Zähnen (88) an einem gehäuseseitigen Innenring (54) aufweist und der gegen den Innenring (54) durch Schraubendruckfedern (92) vorgespannt ist, die bei Übergang der Drehzahl in den überkritischen Drehzahlbereich für ein Lösen des Eingriffs der Zähne (86,88) aufgrund der Zentrifugalkraft am Bremsblock (82) zusammengepreßt werden.

3. Auswuchtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rollenkäfig (130, 132, 204) im Gehäuse (116, 190) durch die axiale Wirkung einer den Rotor (104,102) umschließenden Tellerfeder (136, 206, 222) in den mit dem Gehäuse (116, 190) gekuppelten Zustand gepreßt ist, der durch mechanische Umsetzung (226, 228) oder hydraulische Umsetzung (174,168; 280,288) bei Übergang in den überkritischen Bereich aufgehoben wird, so daß die Rollenkäfige (120,132) sich in ihre jeweiligen Auswuchtstellungen bewegen können.

4. Auswuchtvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft beim Übergang in den überkritischen Drehzahlbereich einen Kanal (176, 286) für den Durchfluß eines Hydraulikfluids schließendes Ventil (174,280), so daß ein sich in einer Kammer (168,226) aufbauender hydraulischer Gegendruck den Kupplungsdruck der Tellerfeder (136,260) überwindet.

5. Auswuchtvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zwischen der Tellerfeder (222) und den Rollenkäfigen (204) sitzende Platte (220) mit radialen Vorsprüngen (224), die Schlitze aufweisen, in denen an einem Zapfen (228) Massen (226) verschwenkbar gelagert sind, die bei Übergang in den überkritischen Drehzahlbereich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft am Gehäuse (190) axial angreifen und die Platte (220) gegen die Tellerfeder (222) zur Aufhebung ihrer Kupplungsvorspannung drücken.

6. Auswuchtvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß anliegend an jede axiale Stirnfläche der Rollenkäfige (130, 132; 204) jeweils ein Ring (146, 148; 214, 216) angeordnet ist, von denen der eine (146,216) mit dem einen Rollenkäfig (130; 204) und der andere (148; 214) mit dem anderen Rollenkäfig (132,204) verbunden ist