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Die vorliegende Erfindung betrifft
Gasturbinenmaschinen und insbesondere das Bereitstellen einer Befestigungsanordnung
für ein
Getriebe der Maschine, um eine Beschädigung des Getriebes im Falle
des Zustands einer starken Rotorunwucht, beispielsweise bei einem
Bläserlaufschaufelverlust,
zu minimieren.
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Moderne Flugzeug-Gasturbinenmaschinen-Triebwerke
haben ein Getriebe, welches an deren äußeren Gehäuseelementen angebracht ist.
Das Getriebe ist generell unter dem Kern oder dem Bläsergehäuse der
Maschine positioniert und nutzt die Leistung von der Maschine zum
Antreiben der Hauptaggregate, die für den Maschinenbetrieb benötigt werden,
beispielsweise Generatoren für
die Elektrizität,
Pumpen zum Zirkulieren von Fluiden und Wärmetauscher zum Kühlen von Öl oder zum
Erwärmen
von Brennstoff. Die Aggregate werden häufig an dem Getriebe angebracht.
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Das Hauptgetriebe von modernen Turbobläsermaschinen,
beispielsweise das Modell PW4000, welches von der Division Pratt & Whitney von United Technologies
Corporation hergestellt wird, ist in der Maschinenkernverkleidung
angebracht und von einem Winkelgetriebe über eine Welle (towershaft)
von dem Hochdruckverdichter angetrieben. Verschiedene Bauteile sind
an dem Getriebe angebracht. Das Hauptgetriebe treibt die Brennstoffpumpe,
die Rückförderpumpe,
den elektrischen Generator für
die elektronische Maschinensteuerung, den externen Entöler, die
Hydraulikpumpe und den Integrated Drive Generator (IDG – zum Erzeugen
von Elektrizität) an.
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Verschiedene Befestigungsanordnungen werden
verwendet, um das Getriebe an dem Außengehäuse anzubringen. Das Getriebe
ist häufig
mit dem Maschinengehäuse
an zwei oder mehreren Stellen entlang der Länge des Getriebes verbunden. Beispielsweise
kann eine vordere V-fönmige
Verbindung verwendet werden, um den Vorderbereich des Getriebes
an der Maschine zu befestigen. Eine Mehrzahl von Seitenaufhängungen
kann an beiden Seiten des Getriebegehäuses verwendet werden, um das Getriebe
zu stabilisieren. Ferner kann ein Positionierelement ebenfalls verwendet
werden, um eine Ausrichtung des Getriebes relativ zu dem Maschinengehäuse zu liefern
und eine unerwünschte
Bewegung des Getriebes relativ zu der Maschine zu verhindern. Damit
kann das Getriebe an der Maschine mittels einer festen Verbindung,
d.h. einer Verbindung, die im wesentlichen unflexibel und unbeweglich
ist, so dass Gehäuseverformungen
auf das Getriebe übertragen werden,
verbunden sein. Diese Anordnung mit fester Befestigung bringt auf
die Befestigungselemente und auf das Getriebe selbst unerwünschte Lasten
auf.
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Ein Problem, das durch derartige
Anordnungen zum Befestigen des Getriebes an dem Maschinengehäuse verursacht
wird, ist, dass das Getriebe hohen Belastungen ausgesetzt wird,
die durch Rotorunwucht verursacht werden. In einer Maschine kann
es zu einer kräftigen
Rotorunwucht kommen, insbesondere wenn eine Bläserlaufschaufel von der Rotoranordnung
wegbricht. Eine Ursache für
einen Bläserlaufschaufelverlust
ist ein Aufprall eines Fremdkörpers,
beispielsweise Vögel,
Hagelkörner oder
andere Gegenstände,
die gelegentlich in die Maschine eingesaugt werden. Die losgelöste Bläserlaufschaufel
wird nach außen
geschleudert und tritt durch das Bläsergehäuse, wird jedoch typischerweise
von Textilwicklungen in der Bläser-Rückhaltegehäuseanordnung
gefangen. Ein Laufschaufelverlust führt zu einer Unwucht in dem
Rotor und bewirkt, dass die Rotorwelle radial nach außen verformt
wird. Je mehr sich der Rotor verformt, um so größer ist die radiale Belastung
auf die Rotorlagerabstützungen.
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Die Rotorunwuchtbelastungen werden
von den Lagerabstützungen
auf die Maschinengehäuseelemente
und schließlich
auf das an dem Maschinengehäuse
befestigte Getriebe übertragen.
Das Getriebe ist gezwungen, sich mit der Maschine zu bewegen, da
das Getriebe an den Maschinengehäuseelementen
befestigt ist. Laufschaufelverlust-Belastungen wurden traditionell
hinsichtlich der strukturellen Konstruktion des Getriebes unterschätzt. Wenn die
auf das Getriebe übertragenen
Schwindungsbelastungen hoch sind, ist es möglich, dass das Getriebe die
Unwuchtbelastungen nicht aushält,
und das kann zu ei nem Versagen des Getriebegehäuses selbst und häufig dem
Ablösen
der Aggregate selbst von dem Getriebe führen.
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Wenn das Getriebegehäuse bricht,
kann Öl von
innerhalb des Getriebes über
die heißen
Gehäuseelemente
der Maschine spritzen und sich sofort entzünden, und ein Feuer verursachen.
Das Freisetzen von Öl
von innerhalb des Getriebes schädigt
potenziell auch die internen Bauteile des Getriebes, da sie ohne
Schmierung arbeiten müssen.
Wenn ein Brennstoff enthaltendes Aggregat von dem Getriebe wegbricht
oder weggerissen wird, kann verspritzter Brennstoff ein Feuer verursachen.
Wenn der Generator weggerissen wird, wird ein sehr großes Bauteil frei,
das möglicherweise
durch die Maschinenverkleidung hindurch brechen kann und schließlich eine Steuerfläche des
Flugzeugs treffen kann.
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Folglich wurden Getriebegehäuse dicker ausgebildet,
wurden die Befestigungspunkte kräftiger ausgebildet,
und andere Festigkeits- und Haltbarkeitsanforderungen wurden erhöht. Jedoch
haben diese Lösungen
des Stands der Technik zu deutlich schwereren Bauteilen geführt, was
wiederum dazu geführt
hat, dass die Getriebebefestigungskräfte zugenommen haben. Andererseits
ist die Effizienz der Maschinen durch derartige schwerere Bauteile
negativ beeinträchtigt.
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US
5 474 258 beschreibt eine Befestigungsanordnung zum Anbringen
einer Gasturbinenmaschine an eine Maschinenpylon. Sie weist eine
Platte mit zwei entgegengesetzt ragenden Stummelzapfen und einem
dritten Stummelzapfen auf, der als Ausfallsicherheit vorgesehen
ist.
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Es ist auch bekannt, eine Befestigungsanordnung
mit einer gewissen Flexibilität
oder Beweglichkeit zu verwenden, um Energie zu absorbieren und so
Maschinengehäuseverformungen
und -verbiegungen von dem Getriebe abhält. Jedoch beeinträchtigen
die flexiblen Befestigungsanordnungen des Stands der Technik die
Lebensdauer der Bauelemente negativ, da die Elastomermaterialien,
die zum Einbringen der gewünschten
Flexibilität
verwendet werden, hart werden, wenn sie zyklisch in einer Hochtemperaturumgebung
eingesetzt werden.
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Somit ist die Herausforderung für moderne Gasturbinenmaschinen
während
eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls
die Begrenzung der Beschädigung
an den Getriebebefestigungen und des Getriebes selbst.
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Ein Hauptvorteil der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung einer Getriebebefestigungsanordnung,
welche das Getriebe gegen die unerwünschten Auswirkungen von Maschinengehäuseverformungen
und -verbiegungen schützt,
die während
Rotorunwuchtvorfällen
wie einem Zustand eines Bläserlaufschaufelverlusts
auftreten.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
wobei ein Positionierelement für
eine Getriebebefestigung für
eine Gasturbinenmaschine eine Befestigungsplatte aufweist mit einem
ersten Stummelzapfen, der in eine Aufnahme in dem Getriebe ragt,
einem zweiten Stummelzapfen, der in eine Aufnahme in dem Maschinengehäuse ragt,
und einer lastempfindlichen Einrichtung in einem der Stummelzapfen
derart, dass während
eines starken Rotorunwuchtzustands die lastempfindliche Einrichtung nachgibt,
um das Getriebe teilweise von dem Maschinengehäuse zu entkoppeln, um eine
durch hohe Verformungskräfte
verursachte Beschädigung
zu minimieren.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein Positionierelement für ein Getriebe
einer Gasturbinenmaschine mit einem Maschinengehäuse auf:
eine Befestigungsplatte,
die an dem Getriebe oder dem Maschinengehäuse befestigt ist, wobei die
Befestigungsplatte einen Stummelzapfen aufweist, der von der Platte
weg ragt und von dem Getriebe aufgenommen ist,
einen zweiten
Stummelzapfen, der von der Platte weg ragt und von dem Maschinengehäuse aufgenommen
ist, wobei das Positionierelement ferner ein zerbrechliches Element
aufweist, welches unter einer vorbestimmten Belastung bricht, um
teilweise das Getriebe von dem Gehäuse zu entkoppeln.
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Ein Hauptvorteil der vorliegenden
Erfindung ist das Minimieren einer Beschädigung an dem Getriebegehäuse und
an Aggregaten während
Zuständen
mit einer hohen Rotorunwucht, beispielsweise im Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts.
Das Positionierelement der vorliegenden Erfindung schafft ein akzeptables
Mittel zum Kontrollieren der auf das Getriebe übertragenen Belastungen. Ein
weiterer Vorteil der Getriebebefestigung der vorliegenden Erfindung ist
ihre Fähigkeit,
eine geeignete Positionierstruktur für das Getriebe während normaler
Betriebsbedingungen zu schaffen. Das Positionierelement für eine Getriebebefestigung
der vorliegenden Erfindung schafft eine korrekte Ausrichtung der
Getriebeantriebssysteme und eine minimale Relativbewegung zwischen
Maschine und Getriebe. Ein weiterer Vorteil sind die Einfachheit
und die Kosten der Herstellung der Positionierelemente der vorliegenden
Erfindung und das Realisieren davon bei einem Getriebe des Stands
der Technik. Die Einfachheit der Struktur der Getriebe-Positionierelemente
und die Verwendung von wirtschaftlichen und leicht verfügbaren Materialien
erlauben kosteneffiziente Herstellungsverfahren. Außerdem können Getriebe
des Stands der Technik auf eine kosteneffektive Weise nachgerüstet werden, da
die vorliegende Erfindung in die Einhüllende von Getrieben des Stands
der Technik passt. Die Befestigungsanordnung der vorliegenden Erfindung
erfordert keine regelmäßige Wartung
und kann somit kosteneffizient in Maschinen des Stands der Technik
realisiert werden. Das Getriebegehäuse kann leichter ausgeführt werden,
da die Festigkeit des Getriebegehäuses infolge der vorliegenden
Erfindung nicht erhöht
werden muss. In der Folge ist die Verwendung der Befestigungsanordnung
der vorliegenden Erfindung vorteilhaft für die Effizienz der Maschine.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, für
die gilt: Die vorgenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten
Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich,
für die
gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer typischen Axialströmungs-Turbobläsermaschine,
die ein an dem Außengehäuse der
Maschine angebrachtes Getriebe zeigt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Gasturbinenmaschine von 1 mit einer vergrößerten,
auseinander gezogenen Ansicht des Getriebes.
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3 ist
eine Ansicht, die ein Positionierelement des Stands der Technik
für das
Getriebegehäuse
zeigt.
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4 ist
eine schematische Ansicht, zum Teil im Schnitt, die eine beispielhafte
Ausführungsform
des Positionierelements der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
eine schematische Ansicht, zum Teil im Schnitt, die eine zweite
beispielhafte Ausführungsform
des Positionierelements der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 weist
als seine Hauptbauteile einen Bläserabschnitt 12,
einen Verdichterabschnitt 14, einen Verbrennungsabschnitt 16 und
einen Turbinenabschnitt 18 auf. Der Verdichter- und der
Turbinenabschnitt weisen jeweils eine oder mehrere Stufen eines
Verdichters und einer Turbine (nicht gezeigt) auf, die um eine zentrale
Rotationsachse 20 rotieren. Die Hauptbauteile sind von
einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse 22 umgeben, welches
als eine Hauptstrukturabstützung
für die
Maschine dient. Das Außengehäuse ist
normalerweise aus einzelnen Gehäuseabschnitten
gebildet, wie beispielsweise die Gehäuseabschnitte 24 und 26,
die miteinander an verschraubten Flanschen, beispielsweise Flansch 30,
verbunden sind. Ein Getriebe 40 ist an dem Abschnitt 22 des
Außengehäuses angebracht.
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Es wird auf die 2 und 3 Bezug
genommen. Das Getriebe 40 ist an dem Außengehäuse mittels eines Positionierelements 42 und
seitlichen Aufhängungen 44 befestigt.
Das Getriebe ist auch an der Maschine mit der V-förmigen Verbindung
48 axial vor dem Positionierelement 42 und den Aufhängungen 44 angebracht.
Die Befestigungen können
harte Befestigungen sein, die das Getriebe 40 mit dem Maschinengehäuse mittels
im wesentlichen unflexibler, unbeweglicher Verbindungen, die Gehäuseverformungen
und -verbiegungen auf das Getriebe übertragen, verbinden. Während eines
Laufschaufelverlust-Vorfalls
können
die durch die Maschine übertragenen
Kräfte
extrem hoch sein. Es ist häufig
sehr schwierig, die strukturelle Integrität des Getriebes beizubehalten,
dessen Hülle
und Gehäuse
häufig aus
leichten, aber wenig festen Materialien, beispielsweise Aluminium,
hergestellt sind. Beim Stand der Technik wurde das Problem des Aushaltens
hoher Kräfte
gelöst
durch Reduzieren der Blattverlust-Belastungen oder durch Verfestigen
des Aggregate-Gehäuses,
was das Maschinengewicht substanziell erhöht, oder durch Verwenden flexibler
Befestigungsanordnungen, die infolge der Exposition der flexiblen
Materialien einer Umgebung hoher Temperatur eine eingeschränkte Lebensdauer
haben.
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Es wird auf die 4 Bezug genommen. Eine bevorzugte Ausführungsform
des Positionierelements 60 für eine Getriebebefestigung
der vorliegenden Erfindung behält
die Ausrichtung des Getriebes an dem Maschinengehäuse bei.
Das Positionierelement 60 hat eine mit dem Getriebe durch
Schrauben 64 verschraubte Platte 62. Ein erster
Stummelzapfen 66 ist integral mit der Platte 62 oder
fest daran durch Schweißen
oder Hartlöten
verbunden und ist in einer Aufnahme 68 in dem Getriebe 40 aufgenommen.
Ein zweiter Stummelzapfen 70 ist in einer Aufnehmung 72 in
dem Maschinengehäuse 22 aufgenommen.
Der Stummelzapfen 70 weist eine Kammer 74 auf,
die von einer becherförmigen
Struktur mit Seitenwand und Oberseitendeckel definiert ist, die
mit einem Elastomer 76 gefüllt ist. Die becherförmige Kammer 74 ist
am Boden durch eine zerbrechliche Membran 80 verschlossen.
Der Stummelzapfen 70 ist mit der Platte 62 mit
einem Ausleger 84 verbunden, der wie der Stummelzapfen 66 mit
der Platte 62 integral oder durch Schweißen oder
Löten fest
daran angebracht ist. Diese Membran 80 ist lastempfindlich
und kann aus einer Legierung auf Nickelbasis oder aus rostfreiem
Stahl hergestellt sein. Die Membrandicke kann im Bereich von 0,05
bis 0,1 Inch (1,27 bis 2,54 mm) sein. Die Membran ist so bemessen,
dass sie bei einem geeigneten Scherlastzustand abschert, der geringer
ist als das Niveau einer zerstörerischen
Belastung des Getriebes. Die Belastungen variieren basierend auf
dem speziellen Maschinentyp, und somit unterscheidet sich die Membranbemessung
für spezielle
Maschinen. Sie kann so bemessen sein, dass sie innerhalb eines Bereichs
von 50 bis 75% der Last abschert, die sonst für das Getriebe zerstörerisch
wäre.
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Während
des Betriebs erfahren, wenn die Maschine eine kräftige Rotorunwucht erfährt, beispielsweise
während
eines Zustands eines Bläserlaufschaufelverlusts,
das Maschinengehäuse 22,
das Getriebe 40 und wiederum die Membran 80 in
dem Stummelzapfen hohe Scherkräfte.
In der Folge der Scherbelastung schert die Membran 80 ab,
wenn der Ausleger 84 des Stummelzapfens 70 die
Membran zerreißt.
Wenn die Membran zerrissen ist, kann der Ausleger 84 sich
in der mit dem Elastomer 76 gefüllten Kammer 74 bewegen.
Das Elastomer 76 gibt nach, um eine gewisse Bewegung des
Auslegers zu erlauben, was das Getriebe zum Teil von dem Maschinengehäuse entkoppelt.
Das teilweise Entkoppeln verhindert, dass der wesentliche Teil der
Belastungen von dem Maschinengehäuse
auf das Getriebe übertragen
wird. Ein Teil der auf das Getriebe übertragenen Belastungen wird
von dem Elastomer aufgenommen, was einen Abstützmechanismus mit einer niedrigen
Federrate liefert und eine adäquate Befestigungsabstützung bei
erhöhter
Isolation des Getriebes von dem Maschinengehäuse erlaubt.
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Es wird auf die 5 Bezug genommen. Eine zweite Ausführungsform
des Positionierelements der vorliegenden Erfindung weist einen Stummelzapfen 70 auf,
der eine dünne
zerbrechliche Wand 90 aufweist und einen inneren Mittelbereich oder
Ausleger 92, der integral mit der Platte 62 ist oder
an dieser fest durch Schweißen
oder Löten
angebracht ist. Die abscherbare Wand 90 gibt nach, wenn
eine Scherbelastung auf diese aufgebracht wird, beispielsweise bei
einem Vorfall eines Bläserlaufschaufelverlusts.
Die Wand ist so bemessen, dass sie bei einem passenden Belastungsniveau
abschert. Die Belastungen variieren basierend auf dem Maschinentyp,
und somit unterscheidet sich die Bemessung der abscherbaren Wand
für verschiedene Maschinen.
Die Wand kann derart bemessen sein, dass sie in einem Bereich von
etwa 50 bis 75% der Belastung abschert, die sonst für das Getriebe schädlich wäre. Sobald
die dünne
Wand 90 abschert, kann sich der Ausleger 92 frei
in dem zur Verfügung stehenden
Spalt oder Freiraum 94 bewegen, der durch die abgescherten
Wände verbleibt.
Der Spalt 94 entkoppelt zum Teil die Anbringung des Getriebes an
dem Maschinengehäuse.
Eine Isolation des Getriebes ist geschaffen durch die verringerte
Festlegung des Getriebes.
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Ähnlich
zu den Vorfällen,
die vorangehend mit Bezugnahme auf die eine Membran 80 aufweisende
Ausführungsform
während
des Maschinenbetriebs beschrieben wurden, wenn die Maschine kräftige Rotorunwuchtbelastungen
erfährt,
wie beispielsweise während
eines Bläserlaufschaufelverlust-Vorfalls,
erfahren das Maschinengehäuse,
das Getriebe und wiederum die abscherbare Wand 90 eine
kräftige Scherbelastung.
Die Wand schert ab, und der Ausleger 92 des Stummelzapfens 70 kann
dann eine gewisse Bewegung infolge des Spalts 94 ausführen, was
teilweise das Getriebe von der Maschine entkoppelt. Das teilweise
Entkoppeln verhindert, dass der wesentliche Teil der Belastungen
von dem Maschinengehäuse
auf das Getriebe übertragen
wird. Ein Teil der Kräfte,
die auf das Getriebe übertragen
werden, wird durch die Bewegung des Auslegers aufgenommen. Die vorliegende
Erfindung behält
somit die erforderliche Befestigungsabstützung bei, besitzt jedoch eine
größere Fähigkeit
für Verformung.
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Ein Hauptvorteil des Getriebe-Positionierelements
der vorliegenden Erfindung ist ein Minimieren einer Beschädigung an
dem Getriebe, was somit zu einem haltbaren Getriebe im Fall einer
kräftigen
Rotorunwucht, beispielsweise bei einem Bläserlaufschaufelverlust, führt. Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre Fähigkeit,
eine geeignete Positionierung des Getriebes sowohl während des Normalbetriebs
als auch für
den Fall eines Bläserlaufschaufelverlusts
zu schaffen. Das Positionierelement der vorliegenden Erfindung schafft
eine korrekte Ausrichtung des Getriebeantriebssystems und minimale
Bewegung an der Zwischenfläche
zwischen Maschine und Getriebe. Ein weiterer Vorteil sind die Einfachheit
und die Kosten des Herstellens und des Inkorpo rierens der vorliegenden
Erfindung. Die Einfachheit der Struktur und die Verwendung von wirtschaftlichen
Materialien erlauben kosteneffiziente Herstellungsverfahren. Außerdem können momentane
Getriebe des Stands der Technik auf eine kosteneffiziente Weise
nachgerüstet
werden, damit sie das Getriebe-Positionierelement aufweisen. Die
vorliegende Erfindung passt in die Einhüllende von Getrieben des Stands
der Technik. Durch das Inkorporieren des Getriebe-Positionierelements
der vorliegenden Erfindung ist bei aktuellen Maschinen eine Beschädigung an
dem Getriebegehäuse
in Fällen kräftiger Rotorunwucht
beschränkt.
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Das Positionierelement für eine Getriebebefestigung
der vorliegenden Erfindung kann auf eine Vielzahl von Wegen realisiert
werden. Das Positionierelement der vorliegenden Erfindung wurde
in zwei Ausführungsformen
beschrieben – eine
mit einer abscherbaren Membran und eine andere mit einer abscherbaren
Wand. Diese Ausführungsformen sind
lediglich beispielhaft. Andere Materialien können verwendet werden, um die
verringerte Steifigkeit für die
Befestigung des Positionierelements zu schaffen, beispielsweise
irgendein weicheres Material, verglichen mit dem Maschinengehäuse und
dem Getriebegehäuse
oder eine Wabenmaterialstruktur. Andere Konfigurationen der vorliegenden
Erfindung können im
Licht der hier gegebenen Lehren verwendet werden, beispielsweise
können
im Fall der Ausführungsform
mit abscherbarer Wand die Luftspalte mit einem Elastomermaterial
oder einem Wabenmaterial gefüllt sein.
Außerdem
wurden die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung so beschrieben, dass die lastempfindliche
Einrichtung in dem Stummelzapfen angeordnet ist, der in dem Maschinengehäuse aufgenommen
ist. Man sollte jedoch verstehen, dass der Stummelzapfen, der in
dem Getriebe aufgenommen ist, alternativ die lastempfindliche Einrichtung
aufweisen kann.
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Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme
auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann erkennen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
beanspruchten Erfindung abzuweichen.