Beschreibung

Wellen in einer Turbomaschine, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, dienen der Leistungsübertragung, z. B. von der Turbine zum Kompressor. Bei modernen Flugzeugtriebwerken sind die Wellen häufig als mehrwellige Hohlwellen ausgebildet, z. B. mit zwei Wellen oder drei Wellen. Um die Wellen, z. B. die Verdichterwelle oder die Turbinenwelle, teilbar auszubilden, werden Verbindungsmittel verwendet, wie z. B. eine Stirnzahnkupplung (Curvic Couplings). Dabei werden Stirnflächen der zu verbindenden Wellen (oder auch daran angeordneter Scheiben) mit einer radialen Verzahnung versehen und durch axiale Verschraubungen verspannt. Die Verzahnung ist spielfrei ausgebildet. Diese Art der Verbindung überträgt kraftschlüssig Drehmomente und ist für wechselnde Belastungen - wie sie z. B. in Flugzeugtriebwerken vorkommen - geeignet. Ferner erlaubt diese Stirnverzahnung eine Zentrierung der verbundenen Bauteile.

Bei einwelligen Turbomaschinen werden die Wellensegmente häufig mit einem zentralen Zuganker verspannt, wie dies in der US-A 5,628,621 , JP 5001567 A und der JP 57168004 A beschrieben ist. Bei mehrwelligen Turbomaschinen, werden meist zwei der koaxial zueinander angeordneten Wellen über Schrauben-Mutter-Verbindungen am Umfang der Wellen verbunden. Dabei erfolgt eine Verspannung durch Durchgangslöcher in der Stirnverzahnung hindurch.

Es besteht die Aufgabe, Wellenanordnungen zu schaffen, die effizient montierbar sind.

Wenn eine Wellenordnung einer Turbomaschine einen im Wesentlichen als Hülse ausgebildeten Zuganker zur axialen Verspannung einer Stirnverzahnung aufweist, werden zwei Teile einer ersten Hohlwelle miteinander verbunden, wobei die zwei Teile der ersten Hohlwelle konzentrisch außerhalb oder innerhalb des Zugankers angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der hülsenförmige Zuganker innerhalb der Hohlwellenteile angeordnet sein kann oder außerhalb um den Zuganker herum. Durch die konzentrische Anordnung fallen die Drehachsen von Zuganker und den Teilen der ersten Hohlwelle zusammen. Ferner umgeben die Teile der ersten Hohlwelle eine zweite Hohlwelle konzentrisch.

Vorteilhafterweise umgeben die zwei Teile der ersten Hohlwelle den Zuganker radial mindestens teilweise. Der rohrförmige oder hohlwellenartige Zuganker erlaubt die Verspannung auch über eine längere Distanz, ohne dass viel radialer Bauraum benötigt wird. Ein dafür verwendetes Verspannungsmittel ist für Montagewerkzeuge leicht zugänglich.

In einer weiteren Ausführungsform umgeben zwei Teile der ersten Hohlwelle den Zuganker radial mindestens teilweise. Der Zuganker ist somit innerhalb der ersten Hohlwelle angeordnet.

Mit Vorteil weist der Zuganker eine erste Gewindeverbindung zur Verbindung mit einem ersten Teil der ersten Hohlwelle und ein mit der ersten Gewindeverbindung verbundenes axiales Verspannungselement, insbesondere eine Mutter, auf. Der Zuganker kann für die Verbindung auch eine formschlüssige Verbindung, insbesondere einen Bajonettverschluss, aufweisen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die axiale Verspannung durch den Zuganker auch weitere Wellenelemente der Wellenanordnung, insbesondere ein Zahnrad, ein Kegelrad, eine Verdrehsicherung und/oder ein Wälzlager erfassen. Dadurch kann mit einem Mittel, nämlich dem Zuganker, platzsparend eine Wellenanordnung geschaffen werden. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn eine Ausführungsform einen Zuganker mit einer hydraulischen Dichtung aufweist. Auch diese Integration erlaubt platzsparende Bauweisen. Mit Vorteil weist die hydraulische Dichtung eine Nut mit einem radial nach außen zeigende Boden auf, wobei in der Nut mindestens ein Fluidleitelement angeordnet ist, das im Betrieb in ein sich durch die Fliehkraft bildendes Ölreservoir an der radial äußeren Seite der Nut eintaucht.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das axiale Verspannungselement und/oder ein Zahnrad, insbesondere ein Kegelrad, durch eine Verdrehsicherung formschlüssig mit dem Zuganker verbindbar ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Verdrehsicherung die erste Gewindeverbindung über den Zuganker sichert, wobei die erste Gewindeverbindung axial von dem Ort der Verdrehsicherung beabstandet ist. Durch das Zusammenwirken von Zuganker und Verdrehsicherung kann ein Gewinde gesichert werden, das konstruktiv einen deutlichen Abstand von der axialen Position der Verdrehsicherung aufweist.

Die Aufgabe wird auch durch eine Turbomaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sie als Flugzeugtriebwerk mit einem Mehrwellenverdichter ausgebildet ist, wobei die zwei Teile der ersten Hohlwelle Teile einer Hochdruckwelle sind und die zweite Hohlwelle Teil einer Niederdruckwelle ist.

Im Zusammenhang mit den Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Wellenanordnung mit einem Zuganker; Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform einer Wellenanordnung mit einem Zuganker in einem Flugzeugtriebwerk;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer ersten Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;

Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker au ßerhalb einer ersten Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk; Fig. 5 eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer ersten Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk; Fig. 6 eine Schnittansicht durch eine fünfte Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer ersten Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;

Fig. 7 eine Schnittansicht durch eine sechste Ausführungsform der Wellenanordnung mit einem Zuganker innerhalb einer ersten Hohlwelle in einem Flugzeugtriebwerk;

Fig. 8 eine Schnittansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 7 mit einer Verdrehsicherung;

Fig. 9 in schematischer Weise ein Flugzeugtriebwerk mit einer Ausführungsform einer Wellenanordnung.

In Fig. 1 ist in einer Prinzipskizze eine Ausführungsform einer Wellenanordnung dargestellt. Die Wellenanordnung weist zwei Teile auf, die jeweils als erste Hohlwelle 3, 4 ausgebildet sind. Die beiden Teile der ersten Hohlwelle 3, 4 sind über eine Stirnradverzahnung 2 miteinander axial verbunden. Die beiden Teile 3, 4 der ersten Hohlwelle sind hier nur als ein Ausschnitt angegeben; die erste Hohlwelle kann noch weitere Teile aufweisen.

Eine solche Wellenanordnung wird z. B. in Turbomaschinen, wie Flugzeugtriebwerken (siehe Fig. 9) verwendet. Die beiden Teile 3, 4 der ersten Hohlwelle können dabei z. B Teile einer Hochdruckwelle einer Mehrwellenturbine mit zwei oder drei Wellen sein.

Um eine axiale Verspannung A, in Fig. 1 durch einen Pfeil dargestellt, zu verwirklichen, weist der erste Teil 3 der ersten Hohlwelle an seiner Innenseite ein Gewinde 12A auf, in das ein erstes Außengewinde 12B eines Zugankers 1 eingeschraubt ist. Zusammen bilden das Innengewinde 12A und das Au ßengewinde 12B eine erste Gewindeverbindung 12.

Der Zuganker 1 ist hier im Wesentlichen als Hülse ausgebildet, d. h. ein hohles oder rohrförmiges Bauteil. Der Zuganker 1 umgibt hier konzentrisch die beiden Teile der ersten Hohlwelle 3, 4, d. h. die axialen Drehachsen von Zuganker und der ersten Hohlwelle 3, 4 fallen zusammen. Am anderen Ende des Zugankers 1 , d. h. am Ende, das von der ersten Gewindeverbindung 12 beabstandet ist, weist der Zuganker 1 an seiner Außenseite ein zweites Außengewinde 13A auf, auf das eine Mutter 5 als Verspannungselement mit einem Innengewinde 13B aufgeschraubt ist. Das zweite Außengewinde 13A und das Innengewinde 13B der Mutter 5 bilden eine zweite Gewindeverbindung 13.

Durch ein Anziehen der Mutter 5 auf den Zuganker 1 wird eine Verspannung A in Richtung auf die Stirnverzahnung 2 erreicht, so dass die beiden Teile der ersten Hohlwelle 3, 4 miteinander verbunden werden.

Durch diese Art der Verspannung ist es möglich, die beiden Teile 3, 4 sicher miteinander zu verbinden, ohne dass an der Stirnverzahnung 2 selbst besondere Sicherungselemente, wie z. B. Schrauben, angeordnet werden müssen. Diese Schrauben müssten für eine Montage von außen zugänglich sein, was zusätzlichen radialen und/oder axialen Bauraum erfordern würde.

Die hier darstellte Ausführungsform kann axial so dicht an die Stirnverzahnung 2 gerückt werden, wie das gewünscht wird. Die Länge des Zugankers 1 als Designparameter erlaubt hier eine erhebliche Flexibilisierung.

Die darstellte Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zu verstehen, da z. B. der Zuganker 1 anders dimensioniert werden kann, insbesondere kann die Anordnung der Gewindeverbindungen 12, 13 in alternativen Ausführungsformen anders gestaltet werden. Auch können als Verspannungselemente 5 andere Maschinenelemente statt einer Mutter verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Mehrwellen-Turbomaschine, nämlich eines Flugzeugtriebwerkes, dargestellt. Das erste Teil 3 und das zweite Teil 4 einer ersten Hohlwelle sind hier Teile einer Hochdruckwelle eines Verdichters, wobei die Teile 3, 4 der ersten Hohlwelle über eine Stirnverzahnung 2 axial verbunden sind.

Außen auf dem zweiten Teil 4 der ersten Hohlwelle ist ein Wälzlager 7 angeordnet, das hier als Kugellager ausgebildet ist. An der Stirnseite des zweiten Teils 4 der ersten Hohlwelle ist ferner ein Zahnrad 6 angeordnet, das hier als Kegelrad ausgebildet ist. Der hülsenförmige Zuganker 1 ist über die erste Gewindeverbindung 12 mit dem ersten Teil 3 de ersten Hohlwelle verbunden. Die zweite Gewindeverbindung 13 wird über eine Mutter 5 hergestellt. Der zentrale Zuganker 1 wird in den ersten Teil 3 der ersten Hohlwelle eingeschraubt. Die Mutter 5 wird mit einem hohen Drehmoment angezogen und verspannt so axial die beiden Teile 3, 4 der Hohlwelle (Pfeil A).

Alternativ kann die Verbindung zwischen Zuganker 1 und dem ersten Teil der ersten Hohlwelle 3 auch über eine formschlüssige Verbindung, z. B. eine Bajonettverbindung, hergestellt werden.

Dabei werden auch noch die weiteren Wellenelemente der Wellenanordnung, nämlich das Zahnrad 6 und das Wälzlager 7, axial verspannt.

Die Mutter 5 ist in der dargestellten Ausführungsform mit einer Verdrehsicherung 1 1 gekoppelt, die über segmentierte Einkerbungen verfügt. Die Verdrehsicherung 1 1 greift mit segmentierten Einkerbungen in axialen Nuten der Welle (hier nicht dargestellt) ein, wobei dann eine formschlüssige Verbindung mit der Mutter 5 erfolgt. Im Ergebnis wird die Mutter 5 aber auch die erste Gewindeverbindung 12 am gegenüberliegenden Ende durch die Verdrehsicherung 1 1 gesichert, da eine formschlüssige Verbindung über den Zuganker 1 hergestellt wird. Dies wird im Zusammenhang mit der Fig. 8 dargestellt.

Die Verdrehsicherung 1 1 wird bei der Montage nach rechts verschoben, die formschlüssig sowohl in die Unterseite des Zahnrades 6 als auch in den Zuganker 1 eingreift. Damit wird eine Verdrehung von Zahnrad 6 und Zuganker 1 verhindert. Die erste Gewindeverbindung 12 kann nunmehr nicht mehr gelöst werden.

Des Weiteren weist der Zuganker 1 noch eine hydraulische Dichtung 8 auf, deren Außenteil in der darstellten Ausführungsform nicht einstückig mit der Hülse des Zugankers 1 gebildet ist. In alternativen Ausführungsformen ist die hydraulische Dichtung 8 einstückig mit der Hülse ausgebildet.

Die hydraulische Dichtung 8 weist eine rotationssymmetrische Nut 9 auf. In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, dass sich im Betrieb aufgrund der Fliehkraft Öl am radial äußeren Teil der Nut 9 ansammelt, d. h., es bildet sich in der Nut 9 ein ringförmiges Ölreservoir 20. Ein scheibenförmiges Fluidleitelement 10 taucht in dieses Ölreservoir 20 ein, so dass keine luftführende Verbindung zwischen dem Welleninnenraum und dem Wellenaußenraum besteht. In der dargestellten Ausführungsform ist die hydraulische Dichtung 8 mit dem Zuganker 1 gekoppelt und au ßerhalb der Verspannung 5 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann die hydraulische Dichtung 8 auch an anderen Stellen der Wellenanordnung angeordnet sein.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, die einen ähnlichen Aufbau wie die Ausführungsform in Fig. 2 aufweist. Der Ausschnitt der Wellenanordnung in den Fig. 3 bis 7 ist jedoch kleiner gewählt als in Fig. 2. Auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein Zuganker 1 im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet. Der Zuganker 1 ist durch eine erste Gewindeverbindung 12, die hier ein Au ßengewinde des Zugankers 1 aufweist, mit dem ersten der Teil der ersten Hohlwelle 3 verbunden. Das erste Teil der ersten Hohlwelle 3 ist über die Stirnverzahnung 2 mit dem zweiten Teil der ersten Hohlwelle 4 verbunden. Gemeinsam bilden die Teile der ersten Hohlwelle 3, 4 einen Teil der Hochdruckwelle. Die Niederdruckwelle weist eine zweite Hohlwelle 14 auf, die von der ersten Hohlwelle 3, 4 konzentrisch umgeben ist. Die gleichsinnigen Drehrichtungen der ersten Hohlwelle 3, 4 und der zweiten Hohlwelle 14 sind durch Pfeile angedeutet.

Auf dem zweiten Teil der ersten Hohlwelle 4 ist das Wälzlager 7, hier ein Kugellager, auf einem Lagersitz angeordnet. Das Wälzlager 7 wird durch das Verspannungselement 5 axial auf dem zweiten Teil der ersten Hohlwelle 4 fixiert. Gleichzeitig verspannt das Verspannungselement 5 den Zuganker 1 gegenüber dem ersten Teil der ersten Hohlwelle 3. Das Verspannungselement 5 ist über die zweite Gewindeverbindung 13 mit dem zweiten Teil der ersten Hohlwelle 4 verbunden.

In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der im Unterschied zur Ausführungsform, z. B. gemäß Fig. 3, der Zuganker 1 hülsenförmig ausgebildet ist, die erste Gewindeverbindung 12 aber so ausgebildet ist, dass das Gewinde am Zuganker 1 als Innengewinde ausgebildet ist.

Die Verspannung des Zugankers 1 zur Verbindung der Teile der ersten Hohlwellen 3, 4 erfolgt ähnlich zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 oder 3; auch hier liegt eine konzentrische Anordnung des Zugankers 1 relativ zu den ersten Hohlwellen 3, 4, 14 vor. Allerdings ist hier kein Verspannungselement 5 vorgesehen, sondern eine zweite Gewindeverbindung 13, die am Wälzlager 7 ausgebildet ist. Im Übrigen kann auf die Beschreibung der Fig. 2 oder 3 Bezug genommen werden. Fig. 5 ist eine Fortbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 2 oder 3. Wieder ist der hülsenförmige Zuganker 1 innen, konzentrisch in Teilen der ersten Hohlwelle 3, 4 angeordnet. Der Zuganker 1 ist auch konzentrisch zur zweiten Hohlwelle 14. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Fig. 2, wobei hier zwischen Wälzlager 7 und Verspannungselement 5 noch ein Ritzel, nämlich ein Kegelrad 6, angeordnet ist. Die Kegelverzahnung 15 ist in Form einer Hülse axial auf den zweiten Teil der Hohlwelle 4 aufgesteckt. Das Verspannungselement 5 drückt axial über den inneren Lagersitz des Wälzlagers auf die Stirnverzahnung 2 am anderen Ende des zweiten Teils der Hohlwelle 4. Das Verspannungselement 5 ist über die zweite Gewindeverbindung 13 mit dem zweiten Teil der Hohlwelle 4 verbunden. Das Kegelrad 6 kann dann mit hier nicht dargestellten Zahnrädern kämmen. Im Übrigen kann auf die Beschreibung der Fig. 2 bis 4 Bezug genommen werden.

In Fig. 6 ist eine alternative Ausführungsform zur Ausführungsform in Fig. 5 dargestellt. Dabei ist am zweiten Teil der Hohlwelle 4 noch eine hydraulische Dichtung 8 angeordnet, die hier nur schematisch dargestellt ist. Die Funktion der hydraulischen Dichtung 8 ist im Zusammenhang mit der Fig. 2 bereits beschrieben worden.

In Fig. 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform in Abwandlung der Ausführungsformen gemäß Fig. 6 dargestellt. Zwischen dem Kegelrad 6 und dem Verspannungsring 5 ist eine Verdrehsicherung 1 1 angeordnet, die eine Öffnung 15 aufweist. Die Öffnung 15 dient dem Öldurchlass, so dass Öl in den Raum zwischen Zuganker 1 und der inneren ersten Hohlwelle 3, 4 zu Schmierzwecken gelangen kann. In dem Wälzlager 7 sind dementsprechend Schmierkanäle 16 angedeutet.

In Fig. 8 ist anhand der Fig. 7 die Wirkung der Verdrehsicherung im Zusammenhang mit dem Zuganker dargestellt. Dabei ist dargestellt, dass die Mutter 5 über Einkerbungen verfügt, in die Segmente der Wellensicherung 1 1 eingreifen können. In Fig. 8 ist ein solches Segment 17 verformt dargestellt, wie es in eine Einkerbung der Mutter 5 eingreift. Durch die Verspannung des Zugankers 1 (siehe gestrichelte Linien in der Fig. 8) über die Mutter 5 und die Verdrehsicherung der Mutter 5 werden nicht nur die zweite Gewindeverbindung 13, sondern auch die erste Gewindeverbindung 12 gegen ein Verdrehen gesichert. Grundsätzlich ist es möglich, die Verdrehsicherung 1 1 auch anders als hier mittels verformter Segmente zu erreichen.

In Fig. 9 ist in einer Schnittansicht ein Flugzeugtriebwerk dargestellt, bei dem eine Ausführungsform der Wellenanordnung mit zwei Hohlwellen 3, 4, 14 angeordnet ist. Der Zuganker 1 verspannt den ersten Teil einer ersten Hohlwelle 3 mit einem zweiten Teil einer ersten Hohlwelle 4, die gemäß der Ausführungsform der Fig. 9 eine Hochdruckwelle bilden. Die Niederdruckwelle weist eine Hohlwelle 14 auf und wird von der ersten Hohlwelle 3, 4 konzentrisch umgeben.

Der Zuganker 1 ist bei dieser Anordnung konzentrisch innerhalb der ersten Hohlwelle 3, 4 angeordnet, d. h. der erste Teil der Hohlwelle 3 umgibt den Zuganker zumindest teilweise radial. Die ersten Hohlwelle 3, 4 verbinden den Hochdruckverdichter 30 und das Hochdruckteil 31 der Turbine. Die Strömungsrichtung F ist als Pfeil eingezeichnet.

Bezugszeichenliste

I Zuganker

2 Stirnverzahnung

3 erster Teil einer ersten Hohlwelle (Hochdruckwelle)

4 zweiter Teil einer ersten Hohlwelle (Hochdruckwelle)

5 Verspannungselement

6 Zahnrad (Kegelrad)

7 Wälzlager

8 hydraulische Dichtung

9 Nut

10 Fluidleitelement

I I Verdrehsicherung

12 erste Gewindeverbindung

12A Gewinde an Innenseite der ersten Hohlwelle

12B erste Au ßengewinde Zuganker

13 zweite Gewindeverbindung

13A Gewindemutter

13B zweites Au ßengewinde Zuganker

14 zweite Hohlwelle (Niederdruckwelle)

15 Öffnung in Verdrehsicherung

16 Schmierkanäle in Wälzlager

17 Segment an Verdrehsicherung

20 Ölreservoir in hydraulischer Dichtung

Hochdruckverdichter

Hochdruckteil der Turbine

Richtung der Verspannung

Strömungsrichtung