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Die Erfindung betrifft eine Einstellvorrichtung zur Einstellung der Axiallast in einem Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Einstellverfahren für die Axiallast auf ein Wälzlager in einem Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Wälzlager in Flugzeugtriebwerken werden erheblichen Belastungen ausgesetzt, insbesondere auch Axiallasten, die durch axiale Kräfte an Verdichterstufen und / oder Turbinenstufen hervorgerufen werden. Eine Einstellung auf einen bestimmten Wert der Axiallasten führt dazu, dass die Lebensdauer der Wälzlager erhöht wird. Durch den Einsatz von Getrieben im Wellenstrang der Flugzeugtriebwerke, den sogenannten power gearboxes in Turbofantriebwerken, wird die Bedeutung der Wälzlager und die Einstellbarkeit der relevanten Axiallast noch erhöht werden.
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Daher besteht die Aufgabe, Einstellvorrichtungen und Einstellverfahren für die Einstellung der Axiallast in einem Flugzeugtriebwerk bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei wird mindestens ein Stellmittel für die Axiallast eingesetzt, das in Abhängigkeit von einem Betriebsdruck, insbesondere aus einer Kammer eines Verdichters, arbeitet.
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Dabei weist die Einstellvorrichtung ein Datenverarbeitungsmittel mit einem Rechenmodell für die Berechnung der Axiallast in Abhängigkeit von an einem Wälzlager gewonnenen Messdaten für die Verformung, insbesondere der Amplitude eines Überrollsignals, die Temperatur und / oder der Überrollfrequenz auf, wobei der Ausgangswert des Rechenmodells eine Stellgröße, insbesondere die Größe einer Ventilöffnung und / oder eines Drucks repräsentiert, mit der die Axiallast auf das mindestens eine Wälzlager auf einen Sollwert einstellbar ist. Beim Überrollen der Sensorposition werden die Amplitude und die Frequenz der Verformung gemessen. Mit diesen beiden Eingangsgrößen und der gemessenen Axiallast werden die Koeffizienten einer Funktion (z.B. Polynom) über eine least-square Schätzung (Fehlerquadratminimierung) geschätzt. Daraus wird eine Funktion gebildet, die eine Bestimmung der Axiallast mit diesen beiden Eingangsgrößen zulassen. Des Weiteren wird eine Drehzahl des Flugzeugtriebwerks erfasst.
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Das Rechenmodell (z.B. ein Schätzmodell) kann insbesondere zeitlich getrennt (d.h. offline) von eigentlichen Einsatz der Einstellvorrichtung gewonnen werden. So ist es möglich, dass z.B. anhand von Messungen und Parameteruntersuchungen an einem identischen oder ähnlichen Wälzlager das Rechenmodell bestimmt wird, das dann in Form von Software und / oder Hardware mit Einstellvorrichtung gekoppelt wird.
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Die Ausgangsgrößen des Rechenmodells liefert die Axialkraft. Dies ist der Istwert eines Regelkreises. Der Sollwert bei der Auslegung des Lagers wird bestimmt. Die Regeldifferenz zwischen Soll- und Istwert bestimmt über einen Regelalgorithmus die Stellgröße.
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Der Ausgangswert des Rechenmodells repräsentiert eine Stellgröße. Die Stellgröße insbesondere die Größe einer Ventilöffnung und / oder eines Drucks sein, mit der die Axiallast auf das mindestens eine Wälzlager auf einen Sollwert einstellbar ist. Mittels des Rechnermodells ist ein z.B. Steuerdruck als Stellgröße berechenbar, mit dem die Axiallast auf das Wälzlager auf einen Sollwert (Nominalwert der Lagerlast) einstellbar ist.
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Der Regler mit dem Rechenmodell stellt somit mittelbar einen funktionalen Zusammenhang zwischen den Messgrößen Verformung und Überrollfrequenz und der Stellgröße her, mit der die Axialkraft im Flugzeugtriebwerk einstellbar ist.
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Dabei kann das Rechenmodell in einer Ausführungsform ein parametrisiertes Modell, einen funktionalen Zusammenhang und / oder eine z.B. Lookup-Tabelle aufweisen. Alle diese Möglichkeiten können effizient als Software und / oder Hardware implementiert werden.
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In einer Ausführungsform ist ein repräsentativer Wert für die Verformung und Überrollhäufigkeit des mindestens einen Wälzlagers die Amplitude der Verformung, die sich aus einem Überrollsignal ergibt. Die Erfassung des repräsentativen Wertes für die Verformung des mindestens einen Wälzlagers kann in einer Ausführungsform ein piezoelektrisches, ein piezoresistives Element und / oder einen Beschleunigungssensor aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Einstellvorrichtung auch in einem geschlossenen Regelkreis verwendet werden, bei dem die Messdaten für die Verformung, die Temperatur und / oder die Überrollfrequenz an dem Wälzlager messbar sind, an dem die Axiallast einstellbar ist. Das Datenverarbeitungsmittel und das Rechenmodell befinden sich dann im geschlossenen Regelkreis.
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Somit kann mittels einiger Eingangsgrößen die Stellgröße bestimmt werden, mit der eine Axiallast an einem Wälzlager gezielt einstellbar ist. Wenn z.B. die Axiallast eingestellt werden soll, so kann der Steuerdruck gezielt so gewählt werden, dass er die anderen axialen Komponenten möglichst weit kompensiert. Dies kann auch in Form einer Regelung passieren, so dass diese Art der Axialkrafteinstellung kontinuierlich erfolgt.
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Dabei kann das Wälzlager als ein Kugellager oder Schrägkugellager ausgebildet sein. Typischerweise ist es möglich, dass in Ausführungsformen das Wälzlager an einer Welle für eine Fanstufe (z.B. in einem Turbofan-Triebwerk) und / oder einer Welle für einen Verdichter des Flugzeugtriebwerkes angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Drucksteuerungsmittel mindestens einen pneumatischen Zylinder, mit dem eine axiale Kraft auf eine Welle aufbringbar ist. Der pneumatische Zylinder dient somit als Stellglied zur Einstellung der Axiallast. Auch umfasst in einer Ausführungsform das Drucksteuerungsmittel Wellendichtungen, insbesondere Labyrinthdichtungen und / oder Bürstendichtungen. Damit kann ein gezieltes Nachführen von Luft zur Einstellung des Steuerdrucks bewirkt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann in einer Ausführungsform das Drucksteuerungsmittel in Abhängigkeit von einer am Wälzlager ermittelten Verformung automatisch eine Umschaltung von einem Betriebszustand auf einen anderen vornehmen. Damit kann z.B. in einem Schadensfall eine automatische Anpassung der axialen Belastung vorgenommen werden, indem z.B. bei einem Schrägkugellager von einer zerstörten Paarung in einer Lastumkehr auf eine noch nicht geschädigte Paarung der Lagerlaufflächen umgeschaltet wird.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Ausführungsformen der Verfahren und Vorrichtungen werden anhand von Figuren beschrieben. Dabei zeigt
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1 ein Flugzeugtriebwerk mit einem Getriebe zwischen einer Turbinenstufe und einer Fanstufe und einer Steuerung;
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2 ein Flugzeugtriebwerk mit einem Getriebe zwischen einer Turbinenstufe und einer Fanstufe und einer Regelung;
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3 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Lagerung einer Welle mit einer Drucksteuerungsvorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung eines Flugzeugtriebwerkes mit einer Getriebevorrichtung und einer Drucksteuerungsvorrichtung;
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5 eine beispielhafte Darstellung für ein Rechenmodell zur Bestimmung der Axiallast.
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In 1 ist ein Flugzeugtriebwerk 100 in Turbofan-Bauweise mit einer Drehachse 11 schematisch dargestellt, wobei hier eine Getriebevorrichtung 14 (power gearbox) zwischen einem Niederdruckverdichter 15 und einer Fanstufe 13 angeordnet ist.
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Das Flugzeugtriebwerk 100 weist in axialer Strömungsrichtung einen Lufteinlauf 12, die Fanstufe 13 (die hier als Teil des Niederdruckverdichters 15 aufgefasst wird), die Getriebevorrichtung 14, einen Hochdruckverdichter 16, eine Brennkammer 17, eine Hochdruckturbine 18, eine Niederdruckturbine 19 und einen Auslass 20 auf. Ein Gehäuse 21 (Nacelle) umschließt das Flugzeugtriebwerk 100 in Teilen und definiert den Lufteinlauf 12.
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Das Flugzeugtriebwerk 100 arbeitet in grundsätzlich bekannter Weise, so dass in den Lufteinlauf 12 eintretende Luft durch die Fanstufe 13 beschleunigt wird, wobei zwei Luftströme erzeugt werden: Ein erster Luftstrom wird in den Niederdruckverdichter 13 innerhalb des Kerntriebwerks geführt. Ein zweiter Luftstrom wird durch einen Nebenstromkanal 22 geführt, um den Hauptanteil des Schubes zu erzeugen. Die Luft, die nicht durch den Nebenstromkanal 22 geführt wird, fließt durch das Kerntriebwerk.
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Die Niederdruck- und Hochdruckverdichter 15, 16 im Kerntriebwerk komprimieren den dortigen Luftstrom, der für die Verbrennung in die Brennkammer 17 geführt wird.
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Die entstehenden heißen Verbrennungsprodukte entspannen sich in den Hochdruck- und Niederdruckturbinen 18, 19 und treiben diese an. Anschließend treten die Verbrennungsprodukte durch den Luftauslass 20 aus und stellen einen weiteren Schubanteil zur Verfügung.
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Die Hochdruckturbine 18 treibt über eine Hochdruckwelle 24 den Hochdruckverdichter 16 an. Die Niederdruckturbine 19 treibt über eine Niederdruckwelle 23 den Niederdruckverdichter 15 mit der Fanstufe 13 an. Somit liegt hier ein Zweiwellen-System vor.
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Die Fanstufe 13 ist drehbar mit der Niederdruckwelle 23 über die Getriebevorrichtung 14 verbunden.
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Die Getriebevorrichtung 14 ist ein Reduktionsgetriebe, mit dem die Drehzahl der Fanstufe 13 relativ zur Niederdruckturbine 19 und dem Niederdruckverdichter 15 reduziert werden kann. Eine solche Anordnung ermöglicht eine höhere Drehzahl und eine effizientere Niederdruckturbine 19 und eine langsamer drehende Fanstufe 13, mit der ein höheres Nebenstromverhältnis erreichbar ist.
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Durch die Entkopplung der Drehzahlen ist es möglich, die Drehzahlen der Fanstufe 13 und der Niederdruckturbine 19 unabhängig voneinander zu optimieren, auch wenn dabei durch die Getriebevorrichtung 14 ein zusätzliches Gewicht eingeführt wird.
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Somit liegen bei dem hier schematisch dargestellten Flugzeugtriebwerk 100 zwei Wellen 23, 24 und eine Fanstufe 13 vor, die jeweils mit unterschiedlichen Drehzahlen ni arbeiten.
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Das in 1 dargestellte Flugzeugtriebwerk 100 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Andere Flugzeugtriebwerke 100 weisen z.B. ein Dreiwellen-System auf oder weisen eine andere Ausgestaltung der Verdichter 15, 16 oder Turbinen 18, 19 auf. Grundsätzlich kann ein Flugzeugtriebwerk auch ohne Fanstufe 13 als Turbojet-Triebwerk ausgebildet sein.
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In Verbindung mit dem Zweiwellen-System ist in 1 beispielhaft ein Wälzlager 1 als Festlager dargestellt, das den Hochdruckverdichter 16 gegenüber der Hochdruckwelle 24 lagert. Das Wälzlager 1 ist hier als Schrägkugellager ausgebildet. Schrägkugellager sind grundsätzlich in der Lage, sowohl große axiale als auch radiale Kräfte aufzunehmen, wobei die Einstellung der axialen Lasten sich u.a. positiv auf die Lebensdauer des Wälzlagers 1 auswirkt.
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Im Folgenden soll die resultierenden Axiallast A betrachtet werden, die auf das Wälzlager 1 einwirkt (siehe 1 und 2). Im Folgenden wird vor allem auf 3 Bezug genommen, bei der ein Wälzlager 1 einer Niederdruckwelle 23 vergrößert dargestellt ist.
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Der Axialkraftausgleich am Wälzlager 1 wird insbesondere notwendig, da Verdichter 15, 16, und Turbinen 18, 19, die jeweils auf einer gemeinsamen Welle 23, 24 gelagert sind, unterschiedlich große Axialkräfte hervorrufen, die zudem auch noch in entgegengesetzte Richtungen weisen (Verdichter 15, 16 leiten eine Kraft nach vorne ein, Turbinen 18, 19 eine Kraft nach hinten), so dass immer eine – in der Regel nach vorne gerichtete – resultierende Axialkraft A verbleibt, die u.a. vom Wälzlager 1 aufgenommen werden muss. Der Betrag dieser resultierenden Axialkraft A ist im Übrigen nicht konstant, sondern ändert sich mit dem Betriebszustand.
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Neben den durch Verdichter 15, 16 und Turbinen 18, 19 erzeugten Axialkräften, werden Axiallastkomponenten durch unterschiedliche Luftdrücke und Luftströme (z.B. Sperrluft zum Abdichten ölgeschmierter Lager) bewirkt, die an Rotorscheiben der Verdichter 15, 16 und Turbinen 18, 19 anliegen.
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In den 1 und 2 werden Ausführungsformen dargestellt, bei denen eine Steuerung (1) oder eine Regelung zur Einstellung der Axiallast A verwendet werden.
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Bei der Steuerung gemäß 1 wird ein Datenverarbeitungsmittel 30 mit einem Rechenmodell 31 für die Berechnung der Axiallast A in Abhängigkeit von an einem Wälzlager gewonnenen Messdaten für die Verformung, insbesondere der Amplitude eines Überrollsignals (siehe z.B. 5), die Temperatur und / oder der Überrollfrequenz verwendet. Eingangswerte für das Rechenmodell 31 können auch die Drehzahl, die Flughöhe und / oder die Geschwindigkeit sein.
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Der Ausgangswert des Datenverarbeitungsmittels 30 ist eine Stellgröße (d.h. ein Steuersignal), hier ein Steuerdruck, der z.B. über eine 1 und 2 nicht dargestellte Ventileinrichtung aufgegeben wird. Konstruktive Ausführungen zur Stellmittelen sind in 3 und 4 dargestellt.
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Mit der Stellgröße, die insbesondere die Größe einer Ventilöffnung und / oder einen Druck repräsentiert, ist die Axiallast A auf das mindestens eine Wälzlager 1 auf einen Sollwert einstellbar.
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In 2 ist ein analoges Einstellmittel mit einem geschlossenen Regelkreis dargestellt, wobei grundsätzlich auf die Beschreibung der 1 Bezug genommen werden kann.
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Zur Einstellung auf einen Sollwert der Axiallast A an einem der Wälzlager 1, weist die Ausführungsform mit dem geschlossenen Regelkreis ein Mittel zur Erfassung (insbesondere Messung) eines repräsentativen Wertes für eine Verformung d des Wälzlagers 1 auf. Ein solcher repräsentativer Wert für die Verformung d kann z.B. aus der Amplitude des Überrollsignals des Wälzlagers 1 gewonnen werden. Je größer die Amplitude des Überrollsignals, desto größer ist die Verformung d. Die Amplitude kann z.B. durch ein piezoelektrisches Element oder einen Beschleunigungssensor aufgenommen werden, die an dem Wälzlager 1 angeordnet sind.
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Des Weiteren wird ein Mittel 60 zur Erfassung (insbesondre Messung) einer Drehzahl n des Flugzeugtriebwerks 100 vorgesehen. Dabei kann es sich z.B. um die Drehzahl n1 der Niederdruckwelle 23 handeln.
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In einem Flugzeugtriebwerk ohne Reduktionsgetriebe findet über den Schaft eine axiale Lastbalance zwischen Fan und Turbine stat. Verwendet man ein Reduktionsgetriebe, dann ist diese axiale Lastbalance „aufgebrochen“. Deshalb sind zwischen dem Reduktionsgetriebe und der Turbine große axiale Kräfte aufzunehmen.
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Die Werte für die Verformung d und die Drehzahl n liefern Eingangswerte für ein Rechnermodell 31 in einem Datenverarbeitungsmittel 30, das als Mikrorechner z.B. im Triebwerk 100 angeordnet ist. Des Weiteren verwendet das Rechnermodell 31 im Datenverarbeitungsmittel 30 mindestens einen Wert für einen pneumatischen Druck p1, p2 im Inneren des Flugzeugtriebwerkes 100.
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In 5 ist beispielhaft ein Rechenmodell 31 dargestellt, bei dem aus zwei Eingangsgrößen (Käfigfrequenz und Amplitudengröße) eine Axialkraft (d.h. als geschätzte Axialkraft) berechenbar ist.
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Das Rechnermodell 31 kann aus diesen Werten die resultierende Axiallast A auf das Wälzlager 1 berechnen. Dabei berechnet es auch einen Steuerdruck pcontrol, der im Inneren des Flugzeugtriebwerkes 100 so eingestellt werden kann, dass die Axiallast A auf das Wälzlager 1 einem vorgegebenen Sollwert entspricht oder im Rahmen einer Optimierungsrechnung eingestellt wird.
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In 3 ist dargestellt, dass das Datenverarbeitungsmittel 30 die Eingangswerte für die Verformung d, die Drehzahl n und Drücke p1, p2 erhält. Daraus berechnet das Rechnermodell den Steuerdruck pcontrol, mit dem z.B. die Axialkraft A eingestellt werden kann.
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Mit Bezug auf die 2 kann der Steuerdruck pcontrol durch eine Drucksteuerungsvorrichtung 40 (Hier nur schematisch dargestellt.) gezielt im Rahmen einer Regelung auf der stromabwärts liegenden Seite einer Rotorscheibe 25 aufgebaut werden, d.h. gesenkt werden, um der stromaufwärts gerichteten Axialkraft A entgegenzuwirken. Hier würde der Druck p2 entsprechend gesenkt werden. Die Einstellung von Drücken im Inneren von Flugzeugtriebwerken 100 zur Einflusseinnahme auf die Axiallasten A ist grundsätzlich bekannt. Hier ist wesentlich, dass unterschiedliche Daten, wie z.B. die Verformung d und die Drehzahl in einem Rechnermodell verwendet werden, um die Stellgröße pcontrol zu bestimmen.
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In 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Wälzlager 1 im Zusammenhang mit einer Getriebevorrichtung 14 (siehe 1 und 2 und die betreffende Beschreibung) dargestellt ist. Bei einer solchen Ausführungsform sind die Fanstufe 13 und die hier symbolisch dargestellten Turbinen 18, 19 nicht mehr direkt miteinander verbunden. Deshalb müssen hohe axiale Kräfte A an den Wälzlagern 1 aufgefangen werden.
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In 4 weist die Drucksteuervorrichtung 40 einen pneumatischen Zylinder 41 auf, dessen Zylinder 41 fest mit einer Niederdruckwelle 23 verbunden ist. In dem Zylinder wird ein abgeschlossener Druckraum 43 durch den zum Zylinder passenden beweglichen Kolben 42 gebildet. Der berechnete Wert für den Steuerdruck pcontrol kann nun dazu verwendet werden, den Druck im Druckraum 43 so einzustellen, dass die Axialkraft A auf das Lager z.B. kleiner wird. Somit erfolgt eine geregelte Einstellung der resultierenden Axialkraft A über die Lasterkennung (d.h. die Verformung d) am Wälzlager 1.
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Die Einstellbarkeit der Axiallast A kann aber auch in einem anderen Zusammenhang verwendet werden.
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Die erfasste Verformung d an den Wälzlagern 1 kann in an sich bekannter Weise Auskunft über Schäden an den Wälzlagern 1 geben. Wenn z.B. in einem zweireihigen Schrägkugellager 1 auf Grund einer ermittelten Verformung d ein Schaden detektiert werden kann, dann kann die auf das Wälzlager 1 einwirkende Axiallast A so angepasst werden, dass zumindest ein kurzzeitiger Betrieb des Flugzeugtriebwerks 100 möglich ist. Auch kann durch die Drucksteuerungsvorrichtung 40 eine fail-safe Einstellung vorgenommen werden, so dass automatisch eine axiale Belastung eingestellt wird, die z.B. für Reiseflug typisch ist.
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In 5 ist ein funktioneller Zusammenhang dargestellt, der so und ggf. mit anderen Zusammenhängen Teil eines Rechenmodells 31 sein kann. Hier ist die Abhängigkeit der Axialkraft von der Amplitudengröße des Überrollsignals (gemessen in V) und der Käfigfrequenz (gemessen in Hz) dargestellt. Mit jeweils steigender Amplitudengröße und Käfigfrequenz nimmt die Axialkraft zu.
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Solche Zusammenhänge können vorab gemessen werden und dann geeignet aufbereitet, z.B. als Wertetabelle, im Rechenmodell 31 hinterlegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 11
- Drehachse des Flugzeugtriebwerkes
- 12
- Lufteinlass
- 13
- Fanstufe
- 14
- Getriebevorrichtung
- 15
- Niederdruckverdichter
- 16
- Hochdruckverdichter
- 17
- Brennkammer
- 18
- Hochdruckturbine
- 19
- Niederdruckturbine
- 20
- Auslass
- 21
- Gehäuse
- 22
- Nebenstromkanal
- 23
- Niederdruckwelle
- 24
- Hochdruckwelle
- 25
- Rotorscheibe
- 30
- Datenverarbeitungsmittel
- 31
- Rechenmodell
- 40
- Drucksteuerungsvorrichtung
- 41
- pneumatischer Zylinder
- 42
- Kolben des pneumatischen Zylinders
- 43
- Druckraum
- 50
- Mittel zur Erfassung einer Verformung des Wälzlagers
- 60
- Mittel zur Erfassung einer Drehzahl des Flugzeugtriebwerkes
- 100
- Flugzeugtriebwerk
- d
- Verformung des Wälzlagers
- ni
- Drehzahl einer Welle i (hier i = 1, 2, 3) im Flugzeugtriebwerk
- p
- pneumatischer Druck im Flugzeugtriebwerk