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Diese
Erfindung betrifft das Problem der Unversehrtheit von TL-Triebwerken
nach einer Havarie des Gebläses.
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TL-Triebwerke
weisen einen Motor auf, der ein Gebläse mit großem Durchmesser antreibt, das vor
dem Motor angeordnet ist. Die Schaufelblätter des Gebläses können infolge
des Einsaugens von Fremdkörpern
beschädigt
werden. Im Allgemeinen ist das Gebläse ausreichend robust, um den
Einwirkungen solcher eingesaugter Fremdkörper ohne allzu großen Schaden
standzuhalten, und kann mit eventuell verringerter Wirksamkeit den
Betrieb fortsetzen.
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Unter
gewissen Umständen
jedoch kann das Gebläse
so weit beschädigt
werden, dass es Stücke von
einem oder mehreren Schaufelblättern
verliert. Dabei entsteht eine starke Unwucht, so dass der Motor
abgeschaltet werden muss, um die Gefahr für das Flugzeug zu verringern.
Diese durch den Verlust von Schaufelblättern entstandene Unwucht schafft
jedoch extrem starke zyklische Belastungen, denen der Aufbau wenigstens
während
des Herunterfahrens des Motors bis zur Eigendrehung des Gebläses standhalten
muss. Die Geschwindigkeit der Eigendrehung ist die Drehgeschwindigkeit
des Motors im Nicht-Betrieb-Zustand, die durch dessen Fortbewegungsgeschwindigkeit
durch die Atmosphäre
entsteht.
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Eine übliche Weise,
die zyklischen Belastungen, denen der Aufbau standhalten muss, zu
beseitigen, besteht darin, die Drehwelle des Gebläses von dem
Tragaufbau im Bereich des vorderen Lagers der Welle zu trennen.
Dies wird gewöhnlich
dadurch erreicht, dass zwischen dem Lager und dem Tragaufbau des
Lagers Sicherungselemente vorgesehen werden, die brechen, sobald
die radialen Kräfte,
denen das Lager standhalten soll, einen vorbestimmten Wert überschreiten.
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Die
Welle des Gebläses
kann sich dann radial bis zu einem gewissen Grad frei verschieben
und sich um die Längssymmetrieachse
des Motors drehen, und das Gebläse
beginnt, sich um eine Drehachse zu drehen, die im Wesentlichen nahe
bei ihrem neuen Schwerpunkt verläuft.
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Jedoch
können
unter bestimmten Umständen
die Schwingungen, die sich bei der bei Eigendrehungs-Geschwindigkeit
noch bestehenden Unwucht ergeben, immer noch sehr stark sein. Dies
ist der Eigenschwingungsfrequenz des Gebläses sowie der Verringerung
der radialen Steife des Stützlagers
geschuldet. So sind bei bestimmten Ausführungen der Wellenhalterung
Mittel vorgesehen, um eine gewisse Steife des Lagers zu erhalten,
ja sogar die Achse der Welle im Wesentlichen wieder koaxial zur
Achse des Motors auszurichten.
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In
EP 0 874 137 ist vorgesehen,
zwischen dem Außenring
des Lagers und dem Tragaufbau ein Stützelement anzuordnen, das normalerweise
radial durch Sicherungselemente blockiert wird und das nach Brechen
der Sicherungselemente in einer ringförmigen Aussparung gleiten kann.
Dieses Element kommt dann in Anlage an einem Dämpfer, der die Tendenz hat,
es in die Ausgangsstellung zurück
zu befördern.
Die ringförmige
Aussparung besteht in der Form einer hohlen Kappe, die von zwei
kugelförmigen,
konzentrischen Wänden
umgrenzt ist, an denen die Oberflächen des Stützelements reiben, was eine Ungenauigkeit
bei der erneuten Zentrierung mit sich bringt.
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In
US 6 009 701 wird ebenfalls
ein Stützlager einer
Gebläsewelle
beschrieben, dessen Außenring mittels
Sicherungselementen radial an dem festen Aufbau befestigt ist, um
die Welle im Falle des Brechens der Sicherungselemente von dem festen
Aufbau freizusetzen. Um den Außenring
herum erstreckt sich ein spiralförmiger
offener Ring, der mit einer konischen Wand, die mit dem festen Aufbau
fest verbunden ist, zusammen wirken kann. Diese konische Wand weist
eine spiralförmige
innere Auskehlung auf, die es ermöglicht, den spiralförmigen Ring
aus einer Extremstellung, in der der mögliche Ausschlag der Welle
maximal ist, zu einer anderen Extremstellung hin zu verschieben,
in der die Achse der Welle wieder koaxial zur Achse des Motors verläuft, und zwar
infolge der Drehung der Welle um die Motorachse während des
Absenkens der Drehzahl des Gebläses
von ihrer Betriebsgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit der Eigendrehung.
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Es
ist zu bemerken, dass in all diesen Schriften die Sicherungselemente
zwischen dem Außenring
des Lagers und dem festen Aufbau des Motors angeordnet sind. Nach
dem Brechen der Sicherungselemente wird also das Lager gegenüber der
Geometrieachse des Motors dezentriert. Nun wird das vordere Lager
des Gebläses
durch fest mit dem festen Aufbau verbundene Düsen mit Öl versorgt. Diese Düsen können bei
dem axialen Verschieben des Lagers beschädigt werden, und in
US 5 733 050 wird dies ausdrücklich vorgesehen.
Das kann auf Grund der fehlenden Schmierung bei der Eigendrehungsdrehzahl
zu Beschädigungen
des Lagers führen,
falls diese Drehzahl während
eines langen Zeitraums aufrecht erhalten wird.
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Die
Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, nach dem Abkoppeln eine
präzise
Rezentrierung der Welle zu gewährleisten.
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Die
zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Unversehrtheit der
Schmiereinrichtungen nach dem Abkoppeln zu bewahren.
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Die
Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung zum radialen Halten des
vorderen Teils einer Antriebswelle eines Gebläses eines TL-Triebwerks mit der
Längsachse
X, wobei die Geometrieachse dieser Welle normalerweise koaxial zu
dieser Längsachse
X verläuft,
wobei diese Vorrichtung eine feststehende ringförmige Halterung, die um diese
Welle herum ausgeführt
ist, ein Stützlager,
das zwischen dieser Welle und dieser Halterung angeordnet ist und
einen drehfesten Außenring
und einen mit dieser Welle drehbaren Innenring enthält, ferner
Sicherungsmittel, die radial zwischen dem einer dieser Ringe und
dem angrenzenden Teil der aus dieser Welle und dieser Halterung
gebildeten Gesamtanordnung angeordnet sind und dazu gedacht sind,
bei Auftreten einer radialen Last mit einer Stärke, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet,
zu brechen, um diese Welle von dieser Halterung zu befreien, sowie
Mittel zum Nachzentrieren der Geometrieachse der Welle auf der Längsachse
des TL-Triebwerks
nach dem Bruch dieser Sicherungsmittel aufweist.
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Diese
Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmittel
in radialer Richtung zwei segmentierte ringförmige Flügel oder Zapfen umfassen, die
jeweils in den radial äußeren Bereichen
des Innenrings vorgesehen sind und sich axial nach außen erstrecken,
wobei die Enden dieser Flügel
oder Zapfen normalerweise am Außenumfang von
zwei ringförmigen
Schalen festgehalten werden, die axial voneinander beabstandet sind
und drehfest mit der Welle verbunden sind, wobei sich der radial innere
Bereich des Innenrings radial in Abstand von der Welle befindet,
um den Ausschlag der Welle bei einem Brechen dieser Flügel oder
Zapfen zu ermöglichen,
und dadurch, dass die Mittel zum Nachzentrieren der Geometrieachse
der Welle auf der Längsachse
des TL-Triebwerks zwei Gruppen von Kugeln umfassen, die jeweils
zwischen einer axialen Seite des Innenrings und der angrenzenden
Schale angeordnet sind, wobei sich jede Kugel normalerweise in Anlage
an den Böden
von zwei Wannen befindet, die einander gegenüber ausgeführt sind, die eine in der angrenzenden
Schale und die andere in der angrenzenden Vorderseite des Innenrings,
sowie elastische Mittel umfassen, die diese Schalen auf einander
drücken,
um die Kugeln zu den Böden
dieser Wannen zurückzuführen.
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Auf
diese Weise ist im Normalbetrieb, wenn die von dem Lager aufgenommenen
radialen Belastungen unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegen,
der Innenring fest mit Schalen verbunden, und die Kugeln sind auf
dem Boden der Wannen angeordnet. Wenn infolge einer Havarie des
Gebläses durch
die Unwucht radiale Belastungen in einer Stärke, die mindestens dem vorbestimmten
Schwellenwert entspricht, entstehen, brechen die Flügel oder Zapfen
des Innenrings, und die Welle kann sich gegenüber der Geometrieachse des
Turbotriebwerks, die auch die Geometrieachse des Innenrings ist,
verschieben. Die Kugeln bewegen sich die Schrägen der Schalen hinauf und
drücken
diese auseinander, was die Kräfte,
die von den elastischen Mitteln ausgeübt werden, erhöht, bis
hin zu einem neu gewonnenen Gleichgewicht des Rotors. Indem die
radiale Kraft mit der Drehgeschwindigkeit abnimmt, wird die Welle durch
die Kugeln bei einer sehr geringen Reibungskraft wieder zentriert.
Während
des Zeitraums, in dem die Schalen gegenüber dem Innenring dezentriert
sind, rollen die Kugeln auf den Wänden der beiden gegenüberliegenden
Wannen mit einer sehr geringen Reibungskraft um den Mittelpunkt
dieser Wannen herum.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
es also, die Folgeschäden
an Motor und Aufbau des Flugzeugs während der Eigendrehungsphase, die
auf ein Entkoppeln folgt, zu begrenzen. Es ist ferner zu bemerken,
dass die radiale Verschiebung der Welle durch den Kontakt zwischen
der Welle und dem Innenring begrenzt ist.
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Von
großem
Vorteil ist es, dass jede Wanne um eine Achse umlaufend ausgeführt ist,
die normalerweise parallel zur Längsachse
X verläuft.
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Vorzugsweise
befinden sich die elastischen Mittel in Anlage an der axial äußeren Seite
der einen Schale, wobei die andere Schale zur Welle axial feststehend
ausgeführt
ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor, die als Beispiel dient und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, wobei
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1 eine
Gesamtansicht der Erfindung im Normalbetrieb zeigt,
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2 in
einer ähnlichen
Darstellung wie 1 die Vorrichtung nach dem Entkoppeln
zeigt,
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3a, 3b und 3c drei
Beispiele von Schalen in Schnitten durch eine axiale Ebene, die
durch den Mittelpunkt einer Wanne verläuft, zeigen,
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4a das
Diagramm der Verschiebung der Welle in Abhängigkeit von der radialen Kraft
bei konischen Wannen gemäß der von 3a zeigt,
und
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4b das
Diagramm der Verschiebung der Welle in Abhängigkeit von der radialen Kraft
bei Wannen gemäß der von 3b zeigt.
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1 zeigt
den vorderen Teil 1 einer Antriebswelle 2 der
Nabe 3 eines Gebläses
eines Turbotriebwerks mit einer Längsachse X. Die Welle 2 wird durch
eine Niederdruckturbine, die in den Zeichnungen nicht dargestellt
ist, in Drehbewegung angetrieben.
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Dieser
vordere Teil 1 wird radial von einer feststehenden ringförmigen Halterung 4 des
Aufbaus des Turbotriebwerks mittels eines Lagers 5 gehalten, das
Kugeln 6 enthält,
die in Hohlräumen
eines Käfigs 7 angeordnet
sind, welcher zwischen einem Außenring 8 und
einem Innenring 9 angeordnet ist.
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Die
feststehende ringförmige
Halterung 4, die koaxial zur Längsachse X verläuft, umgibt
den vordere Teil 1 der Welle 2, und der Außenring 8 ist mittels
Schrauben und Muttern 10 an der ringförmigen Halterung 4 angeflanscht.
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Unter
normalen Betriebsbedingungen fällt die
Geometrieachse 11 der Welle 2 mit der Längsachse
X des Turbotriebwerks zusammen.
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Wie
in 1 deutlich zu sehen, ist die radial innere Seite 12 des
Innenrings 9 von der Außenseite 1a der Welle 2 um
eine Strecke oder ein Spiel J beabstandet, und der radial äußere Bereich 13 des
Innenrings 9 weist zwei ringförmige Flügel oder Zapfen 14a und 14b auf,
die sich von dem Innenring 9 axial nach außen erstrecken,
wobei sich der Flügel 14a zum
vorderen Bereich des Turbotriebwerks hin erstreckt, und der Flügel 14b sich
nach hinten erstreckt.
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Das
vordere Ende des Flügels
oder Zapfens 14a wird in einer Rille 15a festgehalten,
die am Außenwnfang
einer ersten ringförmigen
Schale 16a ausgeführt
ist, die drehfest mit der Welle 2 verbunden ist und deren
Vorderseite sich in Anlage an dem Endflansch 17 des vorderen
Teils 1 der Welle 2 befindet, an dem die Nabe 3 des
Gebläses
mit Schrauben und Muttern 18 befestigt ist.
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Desgleichen
wird das hintere Ende des Flügels 14b in
einer Rille 15b festgehalten, die am Außenumfang einer zweiten ringförmigen Schale 16b ausgeführt ist,
die drehfest mit der Welle 2 verbunden ist.
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Elastische
Beilagen 20 sind zwischen der hinteren Seite der zweiten
Schale 16b und einem ringförmigen Anschlag 21 mit
der Achse 11 angeordnet, welcher die Welle 2 umgibt
und axial an dieser befestigt ist. Die elastischen Beilagen 20 drücken die zweite
Schale 16b beständig
in Richtung der ersten Schale 16a, die axial zur Welle 2 feststehend
ist. Die zweite Schale 16b dagegen ist an der Welle 2 dergestalt
angebracht, dass sie sich axial verschieben kann.
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Die
axiale Länge
der Flügel
oder Zapfen 14a und 14b ist dergestalt, dass sich
ringförmige
Zwischenräume 22a und 22b zwischen
der hinteren Seite 23a der ersten Schale 16a und
der vorderen Seite 24a des Innenrings 9 bzw. zwischen
der hinteren Seite 24b des Innenrings 9 und der
vorderen Seite 23b der zweiten Schale 16b befinden.
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Die
hintere Seite 23a der ersten Schale 16a und die
Vorderseite 24a des Innenrings 9 weisen jeweils
eine Vielzahl von Wannen auf die um eine parallel zur Längsachse
X verlaufende Achse 30 umlaufend ausgeführt sind, die an der ersten
Schale 16a die Bezugszahl 25 haben und an dem
Innenring 9 die Bezugszahl 26 haben und sich unter
normalen Betriebsbedingungen, wie in 1 gezeigt,
einander gegenüber
liegen.
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Jedes
Paar Wannen 25 und 26 nimmt eine Kugel 28a auf,
die unter normalen Betriebsbedingungen auf der den beiden Wannen 25 und 26 gemeinsamen
Achse 30 zentriert ist und sich in Anlage auf dem Boden
dieser beiden Wannen 25 und 26 befindet.
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Die
hintere Seite 24b des Innenrings 9 und die vordere
Seite 23b der zweiten Schale 16b weisen ebenfalls
eine Vielzahl von Wannen 25 und 26 mit der Achse 30 auf,
wobei Kugeln 28b in Anlage an den Böden dieser Wannen festgehalten
werden.
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Der
Durchmesser der Kugeln 28a und 28b ist Funktion
der Länge
der Flügel
oder Zapfen 14a und 14b und wird dergestalt berechnet,
dass die Kugeln 28a und 28b unter normalen Betriebsbedingungen des
Turbotriebwerks in ihren jeweiligen Wannen aufgenommen sind und
dass die Enden der Flügel
oder Zapfen 14a und 14b in den Rillen 15a und 15b der Schalen 16a und 16b festgehalten
werden.
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Die
Flügel
oder Zapfen 14a und 14b ermöglichen das Zentrieren des
Innenrings 9 auf den Schalen 16a und 16b.
Die Dicke dieser Flügel
oder Zapfen 14a und 14b wird dergestalt berechnet,
dass die Flügel 14a und 14b die
radialen Belastungen der Welle 2 auf den Innenring 9 übertragen,
wenn die Höhe
dieser Belastungen unter einem vorbestimmten Schwellenwert Fm liegt.
Wenn die von der Welle 2 übertragenen radialen Belastungen
gleich Fm oder höher
als Fm sind, brechen die Flügel
oder Zapfen 14a und 14b, und der vordere Teil 1 der
Welle 2 wird radial gegenüber der Längsachse X des Innenrings 9 freigesetzt.
Mit anderen Worten: Die Geometrieachse 11 der Welle 2 wird
von der Längsachse
X um eine Strecke verschoben, die höchstens gleich dem Spiel J zwischen
der inneren Seite 12 des Innenrings 9 und der
Außenseite der
Welle 2 ist, wie in 2 dargestellt.
Dies kann im Falle einer starken Unwucht infolge des Brechens einer
Gebläseschaufel
geschehen.
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Beim
radialen Verschieben der Welle 2 gegenüber dem Innenring 9 entfernen
sich die Kugeln 28a und 28b von den Böden ihrer
jeweiligen Wannen 25 und 26 und beginnen ohne
allzu starke Reibung auf den Wänden
dieser Wannen zu rollen. Dabei wird die zweite Schale 16b von
der ersten Schale 16a weggedrückt und bewirkt, dass die elastischen
Beilagen 20 gequetscht werden.
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Die
von den elastischen Beilagen 20 ausgeübte axiale Kraft wird von den
axialen Komponenten der Kräfte
kompensiert, die von den Kugeln 28a und 28b auf
die Wände
der Wannen 25 und 26 ausgeübt werden. Die von den Kugeln 28a und 28b auf
die Wände 25 und 26 ausgeübten Kräfte haben
eine radiale Resultierende, die der radialen Belastung F der Welle 2 entgegenwirkt.
Diese radiale Belastung ist Funktion der Unwucht und der Drehgeschwindigkeit der
Welle. Sobald die Treibstoffzufuhr für den Motor des Turbotriebwerks
abgeschaltet wird, sinkt die Drehzahl des Gebläses bis zur Eigendrehzahl ab, und
die von den elastischen Beilagen 20 ausgeübten axialen
Kräfte
haben die Tendenz, die Kugeln 28a und 28b zum
Boden ihrer Wannen 25 und 26 zurückzuführen.
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In 3a ist
eine Wanne 25 mit konischer Form dargestellt, die in einer
Schale 16a oder 16b ausgeführt ist, und 4a zeigt
das Diagramm der Verschiebung d im Verhältnis zu der radialen Kraft
F, die von der Welle 2 in Drehbewegung ausgeübt wird. Solange
die Flügel
oder Zapfen 14a und 14b fest mit dem Innenring 9 verbunden
sind und die Kraft F geringer ist als Fm, ist diese Verschiebung
gleich 0, wie in dem Segment 0A dargestellt. Sobald die Kraft F
an Fm herankommt oder diese überschreitet,
brechen die Flügel
oder Zapfen 14a und 14b, und die Welle 2 verschiebt
sich um eine Strecke d, die gewöhnlich geringer
ist als J. Wenn der Wert J erreicht ist, befindet sich die Welle 2 in
Anlage an der Innenseite 12 des Innenrings 9.
Die anfängliche
Verschiebung ist in dem Segment AB dargestellt. Sobald sich die
radiale Kraft infolge der Verringerung der Drehgeschwindigkeit der
Welle 2 verringert, ist die Strecke d proportional zur
Kraft F, was in dem Segment B0 dargestellt ist.
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In 3b ist
eine bikonisch geformte Wanne 25 dargestellt, die in einer
Schale 16a oder 16b ausgeführt ist. Solange die radiale
Kraft F geringer ist als Fm und die Flügel oder Zapfen 14a und 14b fest
mit dem Innenring 9 verbunden sind, ist die Verschiebung
d gleich Null. Wenn die radiale Kraft F gleich Fm ist, brechen die
Flügel
oder Zapfen 14a und 14b, und die Geometrieachse 11 Welle 2 verschiebt
sich um eine Strecke d von der Längsachse
X. Diese Verschiebung ist in dem Segment AB in 4b dargestellt.
Die Kugeln 28a und 28b werden dann an dem äußeren Konus 31b der
Wanne 25 positioniert, und bei der Verringerung der radialen
Kraft F nähern
sich die Kugeln dem inneren Konus 31a. Dies ist in 4b mit
dem Segment BC dargestellt. Wenn die Kugeln 28a und 28b auf
der Wand des inneren Konus 31a rollen, ist das Verhältnis zwischen
der Verschiebung und der radialen Kraft F in 4b mit
dem Segment CO dargestellt.
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3c zeigt
eine Wanne 25, deren Krümmungsradius
anwächst,
bis ein Abstand zur Achse 30 entsteht. Das ermöglicht es,
die Festigkeit des Lagers 5 nach dem Bruch der Flügel oder
Zapfen 14a und 14b zu regeln.
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Die
Wanne 26, die mit der Wanne 25 verbunden ist,
ist vorzugsweise eine identische Wanne wie diese Wanne 25.
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Die
Bezugszahl 32, die in den 1 und 2 zu
sehen ist, bezeichnet eine Düse,
die durch eine mit dem festen Aufbau des Turbotriebwerks fest verbundene
Leitung 33 mit Öl
gespeist wird und zur Schmierung des Lagers 5 dient. Dadurch,
dass das Lager 5 gegenüber
dem festen Aufbau radial arretiert ist, gewährleisten die Düsen 32 auch
nach dem Entkoppeln eine vollkommene Schmierung des Lagers 5.