NL8901814A - Verbeterd systeem voor het losneembaar koppelen van een rotorlichaam met de as van roterende machines, in het bijzonder gasturbines en roterende schachtmechanismen. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Verbeterd systeem voor het losneembaar koppelen van een rotorlichaam met de as van roterende machines, in het bijzonder gasturbines en roterende schacht-mechanismen.

Deze uitvinding heeft betrekking op het systeem voor het koppelen van een rotorlichaam met een roterende as, welk systeem economisch, doelmatig en eenvoudig op een juiste wijze te vervaardigen en te controleren is, en dat het i overbrengen van hoge koppels mogelijk maakt met een aanzienlijke betrouwbaarheid, geen enkele relatieve axiale verplaatsing tussen de twee te koppelen lichamen vereist, een exacte en optimale te verkrijgen en te handhaven centrering mogelijk maakt tussen de twee gekoppelde lichamen, zodat het niet langer noodzakelijk is een definitieve balancering van de twee gecombineerde lichamen uit te voeren, hetgeen aldus resulteert in een eenvoudige onderlinge uitwisselbaarheid van afzonderlijk gebalanceerde roteerbare lichamen, en het mogelijk maakt dat het koppelsysteem eenvoudig en snel een onbegrensd aantal malen in elkaar gezet en uit elkaar genomen kan worden waarbij men te werk gaat vanaf een eenvoudig toegankelijk gebied, en is daarom in het bijzonder geschikt voor toepassing op het gebied van roterende machines, in het bijzonder gasturbines, en op het gebied van roterende schachtmechanismen.

Bij de huidige stand der techniek is, wanneer een te roteren lichaam, zoals een verbinding, een waaier of in het bijzonder de schijfvormige rotor van een gasturbine, zodanig dient te worden bevestigd op een roterende as dat de koppeling gemakkelijk uit elkaar kan worden genomen door te werk te gaan vanaf een voorafbepaald gemakkelijk toegankelijk gebied, perfect concentrisch is teneinde geen onbalans op te wekken en in staat is hoge koppels over te dragen, de enige mogelijke werkwijze, indien om voor de hand liggende redenen de bekende koppelsystemen, die gebruik maken van spieën of gegroefde inschuifsystemen welke de as verzwakken en onbalans veroorzaken uitgesloten dienen te worden, gebruik te maken van een gedwongen afgeknot kegelvormig koppelsysteem zoals dat, beschreven in het voorgaande US octrooi nr. 4 516 906, ingediend door dezelfde aanvraagster op 8 april 1982, verleend op 14 mei 1985.

In dit bekende systeem wordt het koppel van de roterende as overgebracht naar het rotorlichaam door een radiale passing tussen twee afgeknot kegelvormige oppervlakken van de twee te koppelen lichamen, hetgeen wordt bereikt door het in axiale richting bewegen van de twee genoemde afgeknot kegelvormige oppervlakken ten opzichte van elkaar. Meer in het bijzonder wordt een afgeknot kegelvormig einde van de roterende as in een overeenkomstige afgeknot kegelvormige axiale holte in het rotorlichaam ingebracht, waarmee het vast wordt verbonden door middel van een trekstang die is aangebracht in de holle as voor het samentrekken van de twee te koppelen lichamen, zodat de twee afgeknot kegelvormige oppervlakken in elkaar passen en in elkaar dringen totdat een voldoende radiale passing daartussen is verkregen voor het overbrengen van het vereiste koppel door middel van wrijving.

Een dergelijk koppelsysteem heeft echter een aantal belangrijke nadelen, die vaak problemen veroorzaken die afbreuk doen aan haar toepassing.

Het belangrijkste nadeel is zonder twijfel het feit dat de afgeknot kegelvormige holte van het rotorlichaam en het afgeknot kegelvormige einde van de as, dat in het algemeen het gefixeerde element is dat ondersteuningslegers en druklegers omvat, altijd onderworpen dienen te zijn aan een axiale relatieve beweging naar elkaar toe of van elkaar af. Deze beweging die, wanneer sprake is van grote afmetingen in het koppelsysteem, zoals in vermogensoverdracht tussen de as en rotor in op land geplaatste gasturbines, zoveel kan zijn als een aantal millimeter, geeft aanleiding tot belangrijke problemen vanwege het gevaar dat breekbare gedeelten van de rotor zoals de bladen, welke met hun uiteinden een conisch oppervlak juist licht beroeren, schade kunnen ondervinden door aanlopen, of de afdichtingen kunnen beschadigen. Deze gevaren maken het in sommige gevallen niet aan te raden een gedwongen afgeknot kegelvormig koppelsysteem in gasturbines te gebruiken, ondanks haar niet te ontkennen voordeel van het zeer eenvoudig maken van het onderhoud van dergelijke turbines, aangezien zij het ontmantelen vanaf de buitenzijde van de machine mogelijk maakt.

Een verder nadeel van genoemd bekend koppelsysteem vloeit voort uit de feitelijke afgeknotte kegelvorm van de te koppelen oppervlakken die, aangezien zij moeilijk te vormen en te controleren zijn, geen optimale centrering tussen het rotorlichaam en de roterende as mogelijk maken.

I Zoals bekend geeft dit aanleiding tot aanzienlijke onbalans in het samenstel tot op zodanige hoogte dat het het gebruik van een gedwongen afgeknot kegelvormig koppelsysteem onacceptabel maakt zonder het in aansluiting daarop balanceren van de combinatie van as en rotorlichaam, waardoor het aldus onmogelijk is rotoren snel onderling te verwisselen, die afzonderlijk op de as gebalanceerd zijn.

Een verder nadeel is het niet zeer hoge koppel dat overgebracht kan worden door een dergelijk koppelsysteem.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het wegnemen van genoemde nadelen door het verschaffen van een systeem dat een effectieve en eenvoudige losneembare koppeling van een rotorlichaam met een holle roterende as mogelijk maakt zonder de behoefte aan een willekeurige relatieve axiale beweging tussen genoemde te koppelen lichamen, een aanzienlijke betrouwbaarheid heeft en daardoor in staat is grote koppels over te brengen en tenslotte een zodanige optimale centrering tussen de as en het rotorlichaam mogelijk maakt dat deze laatstgenoemde gemakkelijk onderling verwisseld kan worden met een ander rotorlichaam zonder dat het gekoppelde samenstel opnieuw behoeft te worden gebalanceerd.

Dit wordt hoofdzakelijk bereikt door voor het koppelsysteem geen afgeknot kegelvormige oppervlakken te gebruiken, maar in plaats daarvan cylindrische oppervlakken die zoals bekend aanzienlijk eenvoudiger te vervaardigen en te controleren zijn. In dit opzicht is het, aangezien genoemde cylindrische koppeloppervlakken perfect vervaardigd en gecontroleerd kunnen worden, nu mogelijk altijd de concen-triciteit of centrering tussen de roterende as en het rotorlichaam op een optimaal niveau te handhaven, met een minimale onbalans met een verwaarloosbaar effect, een voorwaarde, die door het toelaten van een eenvoudige, snelle en economische vervanging van het rotorlichaam door een ander rotorlichaam dat onafhankelijk, gescheiden van de as, gebalanceerd is zonder de noodzaak tot een definitieve balancering, een uitzonderlijk belangrijk probleem bij serieproduktie oplost en een nieuw perspectief opent voor roterende machines, in het bijzonder gasturbines.

Het losneembare koppelsysteem met hoge betrouwbaarheid zonder de noodzaak tot een axiale verplaatsing van genoemde cylindrische oppervlakken is volgens de uitvinding mogelijk gemaakt doordat op het cylindrische koppeloppervlak van de as, met een diameter en axiale lengte in dezelfde orde van grootte als die van het cylindrische oppervlak van de holte in het te koppelen rotorlichaam, maar met voldoende tolerantie om een vrije bevestiging mogelijk te maken, langsgroeven met een zeer kleine diepte, in de orde van grootte van een paar tienden millimeter, worden aangebracht, bedoeld om te fungeren als verlichtende of drukontlastende sleuven, zoals hierna verklaard. Genoemde ondiepe groeven strekken zich uit langs de volledige axiale lengte van het cylindrische te koppelen oppervlak, hebben scherpe randen die hoofdzakelijk het gevolg zijn van de mechanische bewerking waarmee zij vervaardigd worden, en zijn uniform verdeeld op gelijke afstanden langs de omtrek van genoemd cylindrisch oppervlak voor het hoofdzakelijk vormen van een van groeven voorziene cylindrische stomp, waarin de groeven een lengte hebben die ongeveer gelijk is aan de vaste gedeelten waardoor zij gescheiden worden. Experimenteel is gevonden dat het optimale resultaat wordt verkregen door het aanbrengen van 8 tot en met 12 langsgroeven die op gelijke afstand zijn aangebracht langs de omtrek, aangezien een groter aantal als gevolg daarvan smallere groeven het verkrijgen van een effectieve koppeling niet mogelijk zouden maken, terwijl een kleiner aantal als gevolg daarvan bredere groeven spanningen zou opwekken, die het te koppelen rotorlichaam abnormaal en in te hoge mate onder spanning zouden zetten.

Daar genoemde groeven uitsluitend een verlichtende functie hebben, waarvan het doel is contact en dientengevolge druk overdracht te voorkomen, behoeven zij niet te worden gevormd met nauwe toleranties of speciale oppervlakken te i hebben, met het resultaat dat zij eenvoudig en goedkoop te vormen zijn, terwijl hun zeer kleine diepte geen reductie van de mechanische sterkte van de roterende as verzekert.

In genoemde van groeven voorziene cylindrische stomp van de roterende as is een afgeknot kegelvormige boring aangebracht met een lengte die gelijk is aan de lengte van genoemde stomp waarbij de hoofddiameter gelegen is aan het vrije einde van de stomp, waarbij genoemde boring samenwerkt met een overeenkomstige afgeknot kegelvormige prop die zich uitstrekt in de vorm van een trekstang die door de volledige holle roterende as loopt en strak aangetrokken kan worden onder een voorafbepaalde belasting vanaf het tegenover gelegen einde van de as, in een gemakkelijk toegankelijk gebied, door een geschikte cylinder-zuigereenheid en dan in positie wordt vastgezet door een borgmoer, terwijl genoemde cylinder-zuigereenheid de trekstang onder de vereiste belasting onder spanning houdt. Op deze wijze wordt, door het effect van de aangebrachte belasting, een relatieve axiale beweging opgewekt tussen de afgeknot kegelvormige oppervlakken van genoemde prop en genoemde boring, die door de onderlinge passing binnen genoemde van groeven voorziene cylindrische stomp van de roterende as een radiale uitzetting van genoemde stomp veroorzaken, welke stomp aldus het oppervlak van de cylindrische holte in het te koppelen rotorlichaam radiaal samendrukt, zonder dat een willekeurige relatieve axiale beweging tussen de as en het rotorlichaam noodzakelijk is, zoals gewenst.

Deze elastische radiale samendrukkende werking vindt echter, onder de werking van de verlichtende langsgroeven die zijn aangebracht in het cylindrische verbindingsopper-vlak van de roterende as, alleen plaats in de niet-verlichte gebieden. Daardoor wordt een toestand gecreëerd, waarin een laag met radiale samendrukking op gelijke afstand van elkaar gelegen niet samengedrukte gebieden omvat, voor het opwekken van een zodanige spanningstoestand, dat de resulterende elastische vervorming, in overeenstemming met de verlichtende gebieden, gezwollen of uitgezette gedeelten van de cylindrische holte van het rotorlichaam creëert, die in genoemde langsgroeven van de as dringen-. Tijdens overdracht van koppel gedragen deze uitgezette gedeelten zich als een serie micro-spieën, waarvan experimenten hebben getoond dat zij in staat zijn overdracht van koppels mogelijk te maken die twee tot drie maal groter is dan die.welke over te dragen zijn met een normaal gedwongen afgeknot kegelvormig koppelsysteem met gelijke lengte en gemiddelde diameter. Dit maakt het mogelijk dat het toepassingsgebied van dit systeem zich ook uitstrekt tot die gevallen waarin het gedwongen afgeknot kegelvormige koppelsysteem niet gebruikt kan worden omdat het onvoldoende torsiebetrouwbaarheid verschaft voor de roterende as.

Omdat genoemde uitgezette gedeelten van het rotorli-chaam en genoemde radiale uitzetting van de van groeven voorziene asstomp worden opgewekt door elastische vervorming, is het duidelijk dat wanneer de belasting die wordt aangebracht op de afgeknot kegelvormige prop door de trek-staaf wordt weggehaald voor demontagedoeleinden, genoemde elastische vervorming tot nul gereduceerd wordt en het rotorlichaam gemakkelijk gedemonteerd kan worden zonder enig spoor van vastklemming, waardoor het systeem een praktisch onbeperkt aantal malen losneembaar wordt.

De uitvinding wordt hierna gedetailleerd beschreven onder verwijzing naar de bijgaande tekening die voorkeursuitvoeringsvormen daarvan toont, waarin:

Fig. 1 een gedeeltelijke langsdoorsnede is door dat gedeelte van een gasturbine waarin het losneembare koppelsysteem volgens de uitvinding wordt toegepast;

Fig. 2 een uiteengenomen aanzicht in perspectief is op vergrote schaal van het losneembare koppelsysteen, gebruikt in fig. 1;

Fig. 3 een langsdoorsnede is door het losneembare koppelsysteem van fig. 2 in gemonteerde toestand;

Fig. 4 een zeer vergroot detail van het losneembare koppelsysteem volgens de uitvinding toont, waarbij het effect van de elastische radiale uitzetting van het systeem wordt getoond;

Fig. 5 een gedeeltelijke langsdoorsnede is door een gewijzigde uitvoeringsvorm volgens de uitvinding, die een losneembaar koppelsysteem toont voor toepassing in een roterend schachtmechanisme.

Onder verwijzing naar de figuren duidt 1 het statorhuis aan van de vermogenstrap 2 van een gasturbine, waarvan de rotor 3, die in de figuur bestaat uit twee blad-dragende schijven, door middel van uitsteeksels wordt ondersteund op de vermogensas 4 door de naaf 5 van genoemde rotor, die een cylindrische axiale holte 6 (zie in het bijzonder fig. 2) bezit, welke het binnenste koppeloppervlak van genoemde ? rotor vormt, waarin het overeenkomstige cylindrische koppeloppervlak 7 van de vermogensas 4 wordt ingebracht. Genoemde as 4 is hol en heeft twee einddelen 8 respectievelijk 9, waarvan het einddeel 8 tevens genoemd cylindrisch koppeloppervlak 7 omvat, welke delen samengevoegd worden door een i centrale, daarop bevestigde buis 10 met een perspassing, waarbij de as draaibaar wordt ondersteund door twee onder-steuningslegers 11 en 12 (zie fig. 1) en door het drukleger 13, dat samenwerkt met de drukring 14 van het eindstuk 8 van de as 4, waarbij genoemde legers worden ondersteund door de structuur 15 van het gasturbinehuis 16.

De twee genoemde cylindrische koppeloppervlakken 6 en 7 hebben dezelfde axiale lengte en ongeveer gelijke diameters om het mogelijk te maken dat het oppervlak 6 op een eenvoudige en vrije wijze over het oppervlak 7 wordt bevestigd.

Dit laatstgenoemde koppeloppervlak is voorzien van langs-groeven 17 met een scherpe rand en een zeer kleine diepte, die zich uitstrekken langs de volledige axiale diepte van genoemd oppervlak 7. De groeven 17 zijn gelijkmatig op gelijke afstanden van elkaar verdeeld langs de omtrek van het cylindrische koppeloppervlak 7 voor het hoofdzakelijk vormen van een van groeven voorziene cylindrische stomp 18 en hebben een breedte die bij voorkeur gelijk is aan die van de vaste gedeelten 19, waardoor ze gescheiden worden (zie in het bijzonder fig. 2).

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm worden de groefafmetingen zodanig gekozen, dat zij tussen 8 en 12 groeven rond de stomp 18 verschaffen. De axaile boring 20 door genoemde, van groeven voorziene cylindrische stomp 18 heeft een afgeknot kegelvorm met de grootste diameter aan het vrije einde 21 van de stomp, en werkt samen met een overeenkomstige afgeknot kegelvormige prop 22, die vast is verbonden met een einde van een trekstang 23 die loopt door het inwendige van de holle as 4 voor het samen opsluiten van genoemde cylindrische koppeloppervlakken 6 en 7 door een radiale passing onder een voorafbepaalde belasting die hydraulisch wordt verkregen door een cylinder-zuigereenheid en dan wordt gehandhaafd door een borgmoer 24 die werkt op het andere van schroefdraad voorziene einde 23' van de trekstang 23 en samenwerkt met de voorrand 25 van het einde 9 van de holle vermogensas 4. Ten aanzien hiervan veroorzaakt de axiale beweging van de prop 22, als gevolg van het onder spanning brengen van de trekstang 23, dat de stomp 18 een elastische radiale uitzetting ondergaat met het resultaat dat .de vaste gedeelten 19 van haar koppeloppervlak 7 het binnenoppervlak van de cylindrische holte 6 van de naaf 5 van het rotorlichaam samendrukken. Genoemde onderbroken elastische samendrukking veroorzaakt dat genoemd binnenoppervlak van de holte 6 uitzet in de groeven van de stomp 18 door middel van uitzettingen 29 die zich gedragen als micro-spieën tijdens de overdracht van koppel (zie in het bijzonder fig. 4).

In de gewijzigde uitvoeringsvorm, getoond in fig. 5, die in het bijzonder toepasbaar is op het gebied van roterende schachtmechanismen, waarin de over te brengen koppels veel kleiner zijn, wordt een holle afgeknot kegelvormige prop 26 gebruikt die het mogelijk maakt dat trekstang 27 door genoemde holle prop 26 loopt om onder spanning gezet te worden door middel van een borgmoer 24, die vanaf het zelfde einde als de prop werkzaam is. Voor dit doel is een einde 23' van de trekstang 27 van schroefdraad voorzien voor genoemde moer 24 en haar andere einde 28 is tevens van schroefdraad voorzien zodat het in de roterende as 4' geschroefd kan worden, die niet langer hol behoeft te zijn.

Claims (4)

1. Een systeem voor het losneembaar koppelen van een rotorlichaam met de holle as van een roterende machine, omvattende een trekstaaf, welke werkzaam is in de holle as voor het opsluiten van het koppeloppervlak van de as tegen het binnenste koppeloppervlak van de axiale holte van genoemd rotorlichaam door middel van een radiale passing, onder een voorafbepaalde belasting, verkregen door middel van een hydraulische cylinder-zuigereenheid en borgmoer, met het kenmerk, dat genoemde koppeloppervlakken hoofdzakelijk cylindrisch zijn en dezelfde axiale lengte en ongeveer gelijke diameters hebben, met toleranties die voldoende zijn om het mogelijk te maken dat zij axiaal vrij op elkaar bevestigd kunnen worden, waarbij in het cylindrische koppeloppervlak van de holle as van scherpe randen voorziene langsgroeven met een zeer kleine diepte zijn aangebracht, die zich uitstrekken langs de volledige axiale lengte van genoemd koppeloppervlak en op gelijke afstanden verdeeld zijn langs de omtrek van genoemd oppervlak voor het hoofdzakelijk vormen van een van groeven voorziene cylindrische stomp in het inwendige waarvan een afgeknot kegelvormige boring is aangebracht met de lengte, die gelijk is aan de lengte van genoemd cylindrisch koppeloppervlak en met haar hoofddiameter aan het vrije einde van de stomp, waarbij genoemde boring samenwerkt met een overeenkomstige afgeknot kegelvormige prop, die vast verbonden is met een einde van genoemde trekstang.

2. Een systeem voor het losneembaar koppelen van een rotorlichaam met de holle as van een roterende machine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde langsgroeven een breedte hebben die ongeveer gelijk is aan die van de vaste gedeelten die genoemde groeven scheiden.

3. Een systeem voor het losneembaar koppelen van een rotorlichaam met de holle as van een roterende machine volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het aantal genoemde langsgroeven die op gelijke afstanden verdeeld zijn langs de omtrek van het cylindrische koppeloppervlak van de holle as varieert van 8 tot en met 12.

4. Een systeem voor het losneembaar koppelen van een rotorlichaam met de holle as van een roterende machine volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat genoemde langsgroeven een diepte hebben in de orde van grootte van een tiende millimeter.