DD284074A5 - System zur trennbaren verbindung eines rotorkoerpers mit der welle einer maschine - Google Patents

Abstract

System zur trennbaren Verbindung eines Rotorkoerpers mit der Welle einer Maschine, im speziellen Gasturbine und Rotationsschaftmaschine, bei dem die Verbindungsflaeche der Welle eine zylindrische Flaeche ist, die an ihrem gesamten Umfang mit laengsverlaufenden scharfkantigen Nuten von geringer Tiefe versehen ist, die gleichfoermig und gleich beabstandet verteilt sind, um einen genuteten zylindrischen Stumpf zu formen, wobei dessen Inneres ein kegelstumpffoermiges Bohrloch umfaszt, das mit einem zugehoerigen kegelstumpffoermigen Stecker kooperiert, der fest mit einem Ende einer Zugstange verbunden ist, um die zylindrische Verbindungsoberflaeche der Welle gegen die zylindrische Verbindungsoberflaeche des Rotorkoerpers mittels radialer UEberdeckung zu befestigen.{Rotorkoerper; Verbindung; Welle; Gasturbine; Rotationsschaftmaschine; Verbindungsflaeche, zylindrisch; Nuten, laengsverlaufend; Bohrloch, kegelstumpffoermig; Stecker; Zugstange}

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein System zur Verbindung eines Rotorkörpers mit einer rotierenden Welle» das wirtschaftlich funktionell und einfach herzustellen und zu kontrollieren ist und das die Übertragung hoher Drehmomente mit beträchtlicher Zuverlässigkeit erlaubt· Das System benötigt keine relative axiale Verschiebung zwischen den beiden zu verbindenden Körpern, ermöglicht exakte und optimale Zentrierung, die zwischen den beiden zu verbindenden Körpern erhalten und aufrechterhalten werden muß, so daß es nicht mehr notwendig ist, abschließendes Auswuchten zwischen den beiden verbundenen Körpern durohzuführen. Dies ergibt einfache Austauschbarkeit von gesondert ausgewuchteten Rotationskörpern und ermöglicht, daß das Verbindungesystem einfach und schnell unbegrenzt häufig zusammengefügt und getrennt werden kann, wobei die Vorrichtung leicht zugänglich ist. Das System ist deshalb insbesondere zur Anwendung in Rotationsmaschinen geeignet, speziell Gasturbinen und im Bereioh rotierender Schaftmaschinen·

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Wenn ein Körper rotieren soll, wie ein Verbindungselement, ein Laufrad oder insbesondere ein Scheibenrotor einer Gasturbine, wenn er an die Rotationswelle angebracht werden se so daß die Verbindung auf einfache Weise getrennt werden kann durch Zugang von einer vorgegebenen einfach erreichbaren Zone, wenn er perfekt zentriert werden soll, um nicht Urwuchten zu

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θrzeugen, und wenn er hohe Drehmomente übertragen soll, ist das einzig mögliche Verfahren naoh dem Stand der Technik, wenn aus offensichtlichen Gründen die bekannten Verbindungssysteme, die Keile oder genutete Steoksysterne verwenden, die die Welle schwächen und Unwuohten hervorrufen, ausgeschlossen werden sollen, ein verstärktes kegelstumpfförmigea Verbindungssystem zu verwenden, wie in der US-FS 4,516,906 beschrieben·

In diesem bekannten System wird das Drehmoment von der rotierenden Welle zu dem Rotorkörper duroh radiale Überdeokung zwischen zwei kegelstumpfförmigen Oberflächen auf den beiden zu verbindenden Körpern übertragen, wobei dies erreicht wird duroh axiale Bewegung der zwei kegelstumpfförmigen Oberflächen relativ zueinander· Im speziellen wird ein kegelstumpfförmiges Ende der Rotationswelle in einen zugehörigen kegelstumpfförmigen axialen Hohlraum in dem Rotationskörper eingefügt, indem sie duroh eine Zugstange befestigt ist, die in der hohlen Welle vorgesehen ist, um die beiden zu verbindenden Körper so zusammenzuziehen, daß die beiden kegelstumpfförmigen Oberflächen einander eingreifen und durchdringen, bis ausreichende radiale überdekkung zwischen ihnen erzeugt ist, um das geforderte Drehmoment durch Reibung zu übertragen.

Ein derartiges Verbindungssystem hat jedoch eine Anzahl von erheblichen Nachteilen, die oft Probleme erzeugen und die Anwendung beeinträchtigen.

Der gewichtigste Nachteil ist ohne Zweifel die Tatsache, daß der kegelstumpfförmige Hohlraum des Rotorkörpers und das kegelstumpfförmige Ende der Welle, wobei diese im allgemeinen das

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feste Element mit Axiallagern und Radiallagern ist, immer einer axialen Bewegung entgegen oder weg voneinander ausgesetzt ist· Die Bewegung kann, wenn große Dimensionen des Verbindungssysteme vorliegen, wie z· B, bei der leistungsübertragung zwisohen der Welle und einem Rotor in einer landgestützten Gasturbine, einige Millimeter betragen, wobei dies Anlaß zu ernsten Problemen wegen der Gefahr gibt, daß empfindliche Teile des Rotors, wie z. B* Blätter, die mit ihrem äußeren Ende nahe einer konischen Fläohe entlangstreiohen, einen Schaden erleiden oder die Dichtungen brechen«

Tatsächlich können diese Gefahren es in einigen Fällen unratsam machen, ein verstärktes kegeleturapfförmigee Verbindungssystem in Gasturbinen zu verwenden, trotz ihres unzuleugnenden Vorteils, daß die Wartung einer derartigen Turbine extrem leicht durchzuführen ist, indem es die Demontage von außerhalb der Maschine erlaubt· Ein weiterer Nachteil des bekannten Kupplungssystems ergibt sioh von der aktuellen kegelstumpfförmigen form der zu verbindenden Oberflächen, die schwierig zu formen und zu kontrollieren sind und keine optimale Zentrierung zwischen dem Rotorkörper und der Welle erlauben. Dies gibt in bekannter Weist Anlaß zu beträchtlichen Unwuohten im Zusammenbau derart, daß der Gebrauch eines verstärkten kegelstumpfförmigen Kupplungssystems unakzeptabel ist, ohne nachfolgende Wuohtung der verbundenen Welle und des Rotorkörpers· Das maoht schnelles Austauschen von Rotoren unmöglich, dio separat von der Welle gewuchtet wurden·

Ein weiterer Nachteil ist das nicht sehr große Drehmoment, das mit einem derartigen Verbindungssystem übertragen werden kann·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die aufgeführten Nachteile zur vermelden«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, das ein effektives und einfaches trennbares Verbinden eines Rotorkörpers mit einer hohlen Rotorwelle ermöglicht, ohne der Notwendigkeit von irgendwelchen relativen axialen Bewegung zwisohen den zu verbindenden Körpern, das sehr zuverlässig ist und deshalb fähig ist, große Drehmomente zu übertragen und das schließlich eine optimale Zentrierung zwisohen der Welle und dem Rotorkörper erlaubt, so daß der letztere auf einfache Weise mit einem anderen Rotorkörper ausgetauscht werden kann, ohne daß der verbundene Zusammenbau erneut ausgewuchtet werden muß«

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß für das Verbindungssystem keine kegelstumpfförmigen Flächen verwendet werden, sondern statt dessen zylindrische Flächen, die wie wohl bekannt, einfacher herzustellen und zu überprüfen sind· Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die zylindrischen Verbindungsflächen perfekt hergestellt und überprüft werden können, ist es nun möglich, immer die Konzentrizität oder die Zentrierung zwisohen der Welle und dem Rotorkörper optimal zu halten, mit minimaler Unwucht von vernaohlässigbarer Auswirkung.

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Ein Umstand, der, indem er einfachen, schnellen und wirtschaftlichen Austausch eines Rotorkörpers mit einem anderen Rotorkörper ermöglicht, der unabhängig und getrennt von der Welle ausgewuohtet wurde, ohne der Notwendigkeit einer abschließenden Wuchtung, ein extrem wichtiges Problem in der Serienproduktion löst und einen neuen Horizont für Rotationsmasohinen, insbesondere für Gasturbinen, eröffnet·

Die hohe Zuverlässigkeit des zu öffnenden Verbindungssystems ohne die Notwendigkeit einer axialen Verschiebung der zylindrischen Flächen wurde gemäß der Erfindung dadurch ermöglicht, daß auf der zylindrischen Verbindungsfläche der Welle, die einen Durohmesser und eine axiale Länge in derselben Größenordnung wie die zylindrische Fläche des Hohlraums in dem zu verbindenden Rotorkörper hat, jedoch mit ausreichender Toleranz, um eine freie Montage zu erlauben, mit Längsnuten von sehr geringer Tiefe versehen ist, die sioh in der Größenordnung von einigen Zehntelmillimetern liegen, und deren Zweck es ist, als Druckabbauschlitze, wie nachfolgend beschrieben, zu wirken. Diese flaohen Nuten erstrecken sich entlang der gesamten axialen Länge der zu verbindenden zylindrischen Fläche, haben soharfe Kanten, die sich im wesentlichen aus der mechanischen Bearbeitung ergeben, durch die sie hergestellt wurden, und gleichmäßig und leicht beabstandet um den Umfang der zylindrischen Fläche verteilt, um einen im wesentlichen genuteten zylindrischen Stumpf zu formen, bei dem die Nuten ungefähr die gleiche Länge haben wie die festen Bereiche, durch die sie getrennt sind« Experimentell wurde herausgefunden, daß man das optimale Ergebnis erhält, wenn 8 bis 12 längliche Nuten gleich beab-

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standet um den Umfang angeordnet sind» da eine größere Anzahl von notwendigerweise sohmäleren Nuten eine effektive Verbindung nicht ermöglichen würde, wohingegen eine geringere Anzahl von notwendigerweise weiteren Nuten zu Spannungen führen wUrde, die abnormal und zu hoch den zu verbindenden Rotorkörper belasten würden.

Da diese Nuten nur eine Druckabbaufunktion haben und ihr Zweok es ist, Eontakt und nachfolgend Druckübertragung zu verhindern, brauchen sie nicht enge Toleranzen erfüllen oder spezielle Oberflächen haben, was dazu führt, daß sie einfach und billig herzustellen sind, während ihre sehr geringe Tiefe keine Verringerung der mechanischen Festigkeit der Rotationswelle sicherstellt.

Innerhalb des genuteten zylindrischen Stumpfs der Rotationswelle ist ein kegelstumpfförmiges Bohrloch mit gleicher Länge wie die Länge des Stumpfes vorgesehen, wobei dessen größerer Durchmesser an dem freien Ende des Stumpfs liegt, und das Bohrloch mit einem zugeordneten kegelstumpfförmigen Stecker kooperiert, der sich in Form einer Zugstange erstreckt, und durch die gesamte Hohlwelle geht und der von dem entgegengesetzten Ende der Welle unter vorgegebener Last in einem einfach zugänglichen Bereich festgezogen werden kann von einer geeigneten Zylinderkolbeneinheit und dann in Position befestigt werden kann durch eine Befestigungsmutter, während die Zylinder· kolbeneinheit die Zugstange in Spannung unter der benötigten Last hält. In dieser Weise wird durch die Auswirkung der angelegten Last eine relative axiale Bewegung zwischen den kegel stumpf förmigen Oberflächen des Steckers und des Bohrlochs

erzeugt, die, bei gegenseitiger Beeinflussung, innerhalb des genuteten zylindrischen Stumpfs der Rotationswelle eine radiale Expansion dieses Stumpfs bedingen, die wiederum die Oberfläche des zylindrischen Sohrloohs in dem zu verbindenden Rotorkörper radial verdichtet, ohne, wie gewünscht, eine relative axiale Bewegung zwisohen der Welle und dem Rotorkörper zu erfordern.

Jedoch tritt die elastisohe radiale Verdichtung nur in den nicht abgenommenen Zonen auf, unter der Wirkung von längeverlaufenden ausgenommenen Nuten, die in der zylindrischen Verbindungsoberfläche der Rotationswelle vorgesehen sind· Daher wird ein Zustand geschaffen, in dem eine Schicht der radialen Verdichtung gleich beabstandete unverdientete Zonen beinhaltet, um einen derartigen Spannungszustand zu erzeugen, daß die nachfolgende elastische Deformation in Zusammenarbeit mit den Druckabbauzonen geschwollene oder expandierte Bereiche des zylindrischen Bohrlochs des Rotorkörpers erzeugt, die in die längsverlaufenden Nuten der Welle eindringen· Während der Drehmomentübertragung verhalten sich die geschwollenen Bereiche wie eine Serie von Mikrokeilen, die wie experimentelle Testes es bewiesen haben, eine zwei- bis dreimal größere Drehmomentübertragung als bei ainem normalen verstärkten kegelstumpfförmigen Verbindungssystem von gleicher Länge und gleichem DurchschnittsdurchmeoBer erlauben· Dies ermöglicht es, daß das Anwendungsfeld dieses Systems ebenso um solche Fälle erweitert wird, in denen das verstärkte kegelstumpfförmige Verbindungssystem nicht angewendet werden krinn, da es ungenügende Torsionsfestigkeit der Rotationswelle aufweist.

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Sa die geeohwollenen Bereiohe des Rotorkörpers und die radiale Expansion des genuteten Wellenstumpfs von elastischer Deformation erzeugt werden, ist es klar, daß wenn die auf den kegelstumpfförmigen Stecker durch die Zugstange angelegte Last für Demontagezwecke entfernt wird, die elastisohe Deformation versohwindet und der Rotorkörper auf einfaohe Weise ohne Festsitzen der Verbindung demontiert werden kann und eo eine Öffnung des Systems praktisch unbegrenzt wiederholt werdan kann«

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend im Detail anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellen, wobei nur technische und konstruktive Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen· In den Zeichnungen zeigen:

Pig. 1: einen teilweisen Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine, in dem ein zu öffnendes Verbindungssystem gemäß der Erfindung angewendet wird;

Pig. 2: eine Exploeionssicht eines vergrößerten zu öffnenden Verbindungssystems, das in Pig. 1 verwendet wird;

Pig. 3» einen Längsschnitt durch das 7-v öffnende Verbindungssystem von Pig. 2 im montierten Zustand;

Pig. 4: ein stark vergrößertes Detail des zu öffnenden Verbindung ssystems gemäß der Erfindung, in dem die Wirkung der elastischen radialen Expansion des Systems gezeigt wird;

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Mg. 5» einen teilweisen Längsschnitt duroh eine abgewandelte Ausbildung gemäß der Erfindung, wobei ein zu öffnendes Verbindungssystem zur Anwendung in einer Rotationssohaftmasohine gezeigt wird·

Pig. 1 zeigt ein Statorgehäuse 1 einer Leistungsstufe 2 einer Gasturbine, dessen Rotor 3 in der Figur aus zwei schaufslhaltenden Soheiben besteht und auskragend von der Leistungswelle 4 getragen ist duroh die Nabe 5 des Rotors 3» die ein zylindrisches axiales Bohrloch 6 (siehe besonders Fig« 2) hat, das die innere Verbindungsflache des Rotors darstellt, in die die korrespondierende Zylinderverbindungsfläohe 7 dqr Leistungswelle 4 eingefügt wird· Die Leistungswelle 4 ist hohl und hat zwei Endstücke 8 und 9» von denen das Endstüok 8 auch eine zylindrische Verbindungsflache 7 umfaßt und die durch eine zentrale Hülse 10 miteinander duroli eine Preßpassung verbunden sind· Die Welle ist drehbar gelagert durch zwei Stützlager 11 und 12 (siehe Fig. 1) und von einem Drucklager 13, das mit dem Druckring 14 des Endstücks 8 der Welle 4 zusammenwirkt, wobei diese Lager duroh den Aufbau 15 des Gasturbinengehäuseβ 16 gestützt werden.

Das Bohrloch 6 und die zylindrische Verbindungsfläche 7 haben dieselbe axiale Länge und annähernd gleiohe Durchmesser und ermöglichen es somit, daß die Fläche des Bohrlochs 6 über die Fläche 7 in einer einfachen und freien Weise montiert werden kann. Die letzte Verbindungsfläohe ist mit scharfkantigen Längsnuten 17 mit sehr geringer Tiefe versehen, die sich entlang der gesamten axialen Länge der Fläche 7 erstrecken« Die Nuten 17 sind gleichförmig und gleich beabsta*:det längs des

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Umfangs der zylindrisohen Verbindungsflöohe 7 verteilt und formen so im wesentlichen einen genuteten zylindrisohen Stumpf 18 und haben vorzugsweise eine Weite die gleioh der der festen Bereiche 19 ist, die sie voneinander trennen (siehe* besonders Fig· 2).

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung werden die Nutenabmessungen so gewählt, daß zwischen aoht und zwölf Nuten um den Stumpf 18 vorgesehen sind· Das axiale Bohrloch 20 innerhalb des genuteten zylindrisohen Stumpfs 18 hat eine kegelstumpfförmige Form mit dem größten Durohmesser an dem freien Ende 21 des Stumpfs 18 und kooperiert mit einem entsprechenden kegelstumpfförmigen Stecker 22, der fest mit einem Ende der Zugstange 23 verbunden ist, die sich durch das Innere der hohlen Leistungswelle 4 erstreckt, um die Fläche des Bohrlochs 6 und die zylindrische Verbindungsfläche 7 mittels radialer Uberdeokung unter einer vorbestimmten Last, die man hydraulisch durch eine Zylinderkolbeneinheit erhält, zusammenzuhalten« Die Last wird aufrechterhalten, indem eine Befestigungsmutter, die am anderen Gewindeende 23' der Zugstange 23 angebracht ist, mit der vorderen Kante 25 des Endstücks 9 der hohlen Leistungswelle 4 kooperiert· Die axiale Bewegung des Steckers 22, die von dem Spannen der Zugstange 23 verursacht wird, unterwirft den Stumpf 18 einer radialen elastischen Expansion, mit dem Ergebnij, daß die festen Bereiche 19 seiner Verbindungsfläche 7 die innere Fläche des zylindrisohen Bohrlochs 6 der Nabe 5 des Rotorkörpers 3 komprimieren. Die intermittierende elastische Komprimierung bedingt, daß sich die innere Fläche des Bohrlochs 6 in die Längsnuten 17 des Stumpfs 18 entspannt durch Anschwellungen 29, die sich wie Mikrokeile während der Drehmomentübertragung verhalten (siehe speziell Fig. 4).

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In der modifizierten Ausbildung gemäß Hg. 5, die im speziellen auf das Gebiet der rotierenden Sohaftmasohinen anwendbar ist» in welohem die zu übertragenden Drehmomente viel geringer sind, wird ein kegelstumpfförmiger Stecker

26 gebraucht, der es ermöglicht, daß die Zugstange 27 sich durch den hohlen Stecker 26 erstreckt, die durch eine Befestigungsmutter 24 gespannt wird, die von demselben Ende wie der Steoker angreift· Zu diesem Zweok hnt die Zugstange

27 ein Ende 23' mit einem Gewinde für die Mutter 24 und deren anderes Ende 28 hat ebenso ein Gewinde, so daß sie in die Rotationswelle 4* eingeschraubt werden kann, die hierbei nicht mehr hohl sein muß«

Claims (4)

Patentansprüche

1. System zur trennbaren Verbindung eines Rotorkörpers mit der Welle einer Masohine, mit einer Zugstange innerhalb der"hohlen Welle, um die Verbindungsflache der Welle gegenüber einer inneren Verbindungsfläohe eines axialen Hohlraums des Rotorkörpers mittels radialer Überdeokung unter einer vorgegebenen Last zu befestigen, die duroh eine hydraulische Zylinderkolbeneinheit und Befestigungsmutter erhalten wird, daduroh gekennzeichnet, daß die Verbindungsf läohen (6, 7) im wesentlichen zylindrisch sind und dieselbe axiale Länge und annähernd gleichen Durohmesser mit ausreichenden Toleranzen haben, die es erlauben, daß sie einfach aneinander axxial montiert werden können, wobei in der zylindrischen Verbindungsfläche·(7) der hohlen Welle (4) längsverlaufende scharfkantige Nuten (17) von sehr geringer Tiefe vorgesehen sind, die sich entlang der gesamten axialen Länge der Verbindungsfläche (7) erstrecken und gleich beabstandet um den Unfeng der Pläohe (7) verteilt sind, um im wesentlichen einen genuteten zylindrischen Stumpf (1H) zu fQimen, in dessen Innerem ein kegelstumpfförmiges Bohrloch (20) vorgesehen ist, dessen Länge gleich der Länge der zylindrischen Verbindungsfläohe (7) ist und dessen größerer Durohmesser sich an dem freien Ende (21) des Stumpfs (18) befindet, wobei das Bohrloch (20) mit einem entsprechenden kegel'stumpfförmigen Stecker (22) kooperiert, der mit einem Ende der Zugstange (23) fest verbunden ist·

2« System zur trennbaren Verbindung eines Rotorktrpers mit einer hohlen Welle einer Rotationsmaschine nach Anspruch 1,

daduroh gekennzeichnet, daß die Längenuten (17) eine Breite in der Größenordnung der Breite der festen Bereiche (19) haben, die die Nuten (17) voneinander trennen·

3· System zur trennbaren Verbindung eines Rotorkörpers mit einer hohlen Welle einer Rotationsmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Längsnuten (17)» die gleion beabstandet um den Umfang der zylindrischen Verbindungsfläohe (7) der hohlen Welle (4) angeordnet sind, Zwischen acht und zwölf beträgt.

4· System zur trennbaren Verbindung eines Rotorkörpers mit der Hohlwelle einer Rotationsmaschine naoh Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnuten (17) eine Tiefe in der Größenordnung von einem Zehntelmillimeter haben.

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen