DE69919954T2

DE69919954T2 - Rotorbaugruppe und Haltevorrichtung dafür

Info

Publication number: DE69919954T2
Application number: DE69919954T
Authority: DE
Inventors: John Sharp
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: EP0994266B1; EP0994266A3; DE69919954D1; US6249070B1; EP0994266A2; GB9822638D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine umlaufende Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie durch die EP-A-512 516 bekannt ist.
Es ist übliche Praxis, umlaufende Bauteile wie beispielsweise Wellen an beabstandeten Stellen durch Kugel- oder Rollenlager abzustützen. Dies erfordert jedoch den Einsatz einer Schmierung mit der sich daraus ergebenden Notwendigkeit für komplizierte Strömungswege und Dichtungen. Es ist bekannt, ein einziges Bauteil zum Zwecke der Drehung im Raum durch Einsatz des Stator- und Rotorprinzips abzustützen. Drahtgewickelte Statorpole umgeben eine magnetisch durchlässige Komponente, und durch Hindurchleiten elektrischer Ströme durch die Drähte werden elektromagnetische Kräfte erzeugt, welche die Komponente veranlassen, sich in eine Position im Raum zu bewegen, die gleichen Abstand von den Endflächen der Pole hat. Die Komponente wird dann durch andere Kraftorgane gedreht, um die Notwendigkeit für eine Schmierung entfällt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer drehbaren Baugruppe, bei welcher eine Komponente durch eine andere durch andere Mittel als feste geschmierte Lager abgestützt wird.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Baugruppe drehbare Komponenten, die eine relative Drehbewegung ausführen können und die elektrische Statormittel zum elektromagnetischen drehbaren Abstützen der genannten Komponenten aufweist, wobei eine der genannten Komponenten ein schwach oder nicht magnetisch durchlässiges Einsatzteil aufweist und elektrische Statormittel mit Bezug dazu positioniert sind, um elektromagnetischen Fluß durch das genannte Einsatzteil zum Abstützen der anderen Komponente hindurchzuleiten.
Die Erfindung wird nunmehr beispielshalber und mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 eine schematische Ansicht von zwei drehenden Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Arbeitsumgebung, nämlich in einem Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk,
2 eine alternative Anordnung von umlaufenden Wellen und Statoren gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine alternative Form eines schwach oder nicht magnetisch durchlässigen Wellenteils gegenüber denen nach den 1 und 2.
Gemäß 1 weist ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk 10 eine Hochdruckturbinenstufe 12 auf, die über eine Hohlwelle 14 mit einem Hochdruckverdichterabschnitt 16 in bekannter Weise verbunden ist. Das Triebwerk 10 weist außerdem eine Frontgebläsestufe 18 auf, die über eine weitere Hohlwelle 20 mit einer Niederdruckturbinenstufe 22 verbunden ist, ebenfalls in bekannter Weise. Während des Betriebs des Triebwerks 10 laufen die Wellen 14 und 20 koaxial miteinander um.
Um die gewünschte Drehung zu erreichen, ist die Welle 14 von elektrischen Statormechanismen 24 und 26 umgeben, die axial mit Bezug auf die Welle 14 voneinander beabstandet sind. Während des Betriebs des Triebwerks 10 wirkt die Welle 14 als der Rotor einer Stator/Rotor-Anordnung. Vor dem Anfahren des Triebwerks 10 wird ein elektrischer Strom von einer Stromquelle (nicht dargestellt) am Triebwerk 10 an die Drahtwindungen von kreisförmigen Anordnungen von Polen 28 und 30 an den Statoren 24 bzw. 26 angelegt, um so eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, die auf die Welle 14 wirkt und bewirkt, dass sie eine räumliche Position einnimmt, in welcher ihre Längsachse mit der gewünschten Drehachse 32 zusammenfällt.
Die Welle 20 ist ebenfalls durch Statoren 34, 36 an ihren jeweiligen Enden drehbar abgestützt, die gleichzeitig wie die Statoren 24, 26 elektrisch aktiviert werden. Daher wird die Welle 20 ebenfalls zum Einnehmen einer mit der Drehachse 32 koaxialen Position veranlasst.
Die Welle 20 ist länger als die Welle 14, und ein weiterer Stator 38 ist um ihre Längenmitte außerhalb der Welle 14 angeordnet, der gleichzeitig mit den Statoren 24, 26, 34 und 36 aktiviert wird. Damit beim Erregen der Polwicklungen des Stators 38 die resultierende elektromagnetische Kraft auf die Welle 20 wirken kann, ist ein kurzes Materialstück 40 mit sehr niedrigen oder vorzugsweise keinen magnetischen Durchlässigkeitseigenschaften in die Welle 14 eingesetzt, durch welche die Kräfte hindurchpassieren können, um wie vorstehend beschrieben auf die Welle 20 einwirken und diese zentrieren zu können.
Außer durchlässig für elektromagnetische Kräfte zu sein, muß das Einsatzteil 40 auch für die Umgebung geeignete Eigenschaften besitzen, in welcher es arbeiten muß. Wo diese Umgebung die Konstruktion und der Betrieb eines Gasturbinentriebwerks ist, wie im vorliegenden Beispiel, ist eine geeignete Legierung eine solche mit 6 % Mn, 16 % Ni, und Rest Stahl.
Der Wellenteil 40 kann durch ein geeignetes Verfahren verbunden sein, z.B. Schmelzbindung, Schweißen oder durch Versehen der Teile mit Flanschen, über welche sie zusammengeschraubt werden können, wie in 3, die später in dieser Beschreibung noch beschrieben wird. Gemäß 2a ist ein Stab 32 an jedem Ende geerdet und trägt an seiner Mitte einen Stator 44. Die Pole 46 des Stators 44 sind mit gleichen Winkelabständen um den Stab 42 beabstandet, so dass ihre Endextremitäten der Innenwandfläche einer Welle 47 zugewandt sind, durch welche der Stab 42 hindurch verläuft. Die Welle 47 ist innerhalb einer weiteren Welle 48 für eine Drehung zusammen mit dieser in koaxialer Anordnung verschachtelt. Die Welle 47 weist einen Teil 50 auf, der eine niedrige oder vorzugsweise keine elektromagnetische Durchlässigkeit hat, und der Stator 44 fluchtet damit, so dass elektromagnetische Kräfte, wenn sie an den Statorpolen 46 erzeugt werden, hindurchpassieren können und bewirken, dass die Welle 48 eine mit der Welle 47 koaxiale Position einnimmt. Die beiden Wellen 47, 48 können dann durch irgendwelche geeigneten Mittel gedreht werden, welche die umlaufenden Teile eines Gasturbinentriebwerks umfassen könnten. Um eine axiale Koinzidenz über die gesamte Länge der Wellenanordnung sicherzustellen, sind natürlich mindestens zwei weitere Statoren 44 erforderlich (aber nicht dargestellt), nämlich einer nahe jedem Ende der Welle 47, wo diese noch durch die Welle 48 überdeckt ist.
Gemäß 3 ist eine äußere Welle 54 aus magnetisch durchlässigen Materialteilen 54a, 54b und einem niedrig oder vorzugsweise nicht magnetisch durchlässigen Materialteil 54c aufgebaut. Alle diese Teile haben jeweils Flansche 56, 58, 60 und 62, mittels welcher sie durch Verschrauben verbunden werden können. Der Teil 54c hat weitere Flanschen 64, 66, weil er aus zwei Stücken aufgebaut ist, so dass er über einer Manschette 68 auf einer inneren Welle 70 zusammengebaut werden kann, die vollständig aus magnetisch durchlässigem Material hergestellt ist.
Ein Stator mit 6 Polgruppen ist zwischen den Flanschen 58 und 60 positioniert, wobei ihre Polendextremitäten entsprechenden Flächen des Wellenteils 54c benachbart sind. Pole 72, 74 sind mit ihren Achsen unter 90 Grad zur gemeinsamen Drehachse 32 der Wellen 54 und 70 orientiert. Wenn ihre Wicklungen erregt werden, gelangt die resultierende elektromagnetische Kraft durch den magnetisch schwach durchlässigen Teil 54c und wirkt auf die innere Welle 70. Was die äußere Welle 54 betrifft, wird danach eine gleichzeitige Drehung der Wellen durch andere Mittel bewirkt.
In manchen Betriebsumgebungen wie beispielsweise Gasturbinentriebwerken werden auf die zugeordneten Wellen axial gerichtete Kräfte übertragen, denen entgegengewirkt werden muß, um unter anderem ein Reiben zwischen der umlaufenden und der feststehenden Konstruktion zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Zu diesem Zweck können Pole 76, 78, 80 und 82, deren Achsen parallel zu den Wellenachsen verlaufen, in geeigneter Folge beaufschlagt werden, um einer solchen relativen oder gleichzeitigen Bewegung der Wellen 54 und 70 entgegenzuwirken. Wenn also die Welle 54 sich in der Ansicht nach 3 nach rechts bewegt, werden die Pole 82 aktiviert, so dass eine elektromagnetische Kraft durch den Flansch 60 gelangt und auf den Flansch 62 der äußeren Welle 54 wirkt, welche die Welle 54 zurück in ihre Ursprungsposition zieht.
Sollte die innere Welle 70 sich in der Ansicht nach 3 nach rechts bewegen, werden die Pole 78 erregt, um eine Kraft zu erzeugen, die durch den gegenüberliegenden Wandteil des schwach oder nicht magnetisch durchlässigen Wellenteils 54c gelangt und die innere Welle 70 zurück in ihre Ursprungsposition zieht. Einer Bewegung einer der Wellen 74, 70 nach links würde in der gleichen Weise durch Aktivieren einer oder beider Gruppen der Pole 76 und 78 nach Bedarf entgegengewirkt.
Signalerzeugungsmittel (nicht dargestellt) zum Bewirken der gewünschten Wellenzentrierung und Axialverschiebung könnten in der einfachsten Form Kapazitätssonden sein. Beim Auftreten einer Wellenbewegung würden diese Kapazitätssonden ein proportional zur Größe der Wellenbewegung variables Signal abgeben, und diese Signale könnten zur Aktivierung der geeigneten Statorpole zum Rückstellen der Bewegung ausgenützt werden.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf verschachtelte umlaufende Wellen beschrieben worden ist, ist für den Fachmann klar, dass sie in gleicher Weise auf irgendeine Baugruppe anwendbar ist, in welcher eine umlaufende Komponente von einer anderen abgestützt wird.

Claims

Baugruppe, die drehbare Komponenten (14, 20; 70, 54) umfaßt, die eine relative Drehbewegung ausführen können, und die elektrische Statormittel (24, 26, 34, 36, 38; 72, 74, 76, 78, 80, 82) zum elektromagnetischen drehbaren Abstützen der genannten Komponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der genannten Komponenten (14; 54) einen schwach oder nicht magnetisch durchlässigen Einsatzteil (40; 50; 54c) aufweist und elektrische Statormittel (38; 78, 80) mit Bezug dazu positioniert sind, um elektromagnetischen Fluß durch das genannte Einsatzteil zum Abstützen der anderen Komponente (20; 70) hindurchzuleiten.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (40) durch Schmelzschweißen mit der zugehörigen Komponente (14) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (54c) über Flansche mit der zugeordneten Komponente (54) verbunden ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (40; 54c) aus einer Legierung gebildet ist, die aus 6% Mn, 16% Ni, und im übrigen aus Stahl besteht.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Wellen (14, 20; 70, 54) sind.
Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (14, 20; 70, 54) koaxial sind.
Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Welle (14, 54) das Einsatzteil (40, 54c) aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Welle (47) das Einsatzteil (50) aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10), das eine Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, die zwischen der Turbinenstufe (12) und der Verdichter- (16) und/oder Gebläsestufe (18) geschaltet ist.