DE19728345A1

DE19728345A1 - Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen

Info

Publication number: DE19728345A1
Application number: DE19728345A
Authority: DE
Inventors: Harry Alkelin; Mikael Fryklund; Roland Nielsson; Per Thoernblad; Hans Dr Wettstein
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1999-01-07
Also published as: EP0893576A3; EP0893576B1; DE59810313D1; JPH1172002A; US6126357A; US6276863B1; EP0893576A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Verbindungen finden sich beispielsweise beim Zusammenfügen von Rotorscheiben von thermisch hoch belasteten Gasturbinen.

Stand der Technik

Der Rotor einer Turbomaschine besteht im allgemeinen aus mehreren Rotor scheiben, welche axial aneinandergereiht und konzentrisch ausgerichtet sind. Diese Rotorscheiben sind durch einen oder mehrere, Zuganker miteinander ver spannt und bilden so eine kompakte Einheit. Für den Betrieb einer Turbomaschine ist erforderlich, daß die Rotoren eine sehr hohe axiale Steifheit und Zentrierung [Rundlauf] aufweisen, d. h., daß sich in den verschiedenen Betriebszuständen keine instabilen Zustände, Vibrationen oder azentrischer Lauf durch Schwerpunktsverlagerungen ergeben können. Dies trotz der unvermeidlichen unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der angewandten unterschiedlichen Materialien. Um solche Versetzungen der Rotorteile gegen einander zu vermeiden kann an den Stirnflächen der Rotorscheiben eine Hirth-Verzahnung angeordnet sein. Die Herstellung derselben ist jedoch sehr teuer und erfordert hochgenaue Maschinen. Andere Maßnahmen, wie kurze Zapfen etc. konnten in der Praxis eine Versetzung von Rotorteilen gegeneinander und somit unrunden Lauf, welcher zur Zerstörung von Rotor und Stator führen kann, nicht verhindern.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, diese Nachteile zu vermeiden. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen zu schaffen, welche so ausgebildet ist oder so nachgerüstet werden kann, daß eine betriebsbedingte Dejustierung [Verdrehung oder Verschiebung] von Bauteilen zueinander vermieden wird.

Bei einer Verbindung der eingangs genannten Art wird dies mit den kennzeich nenden Merkmalen des Patentanspruchs erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Anwendung bei Gasturbinen vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch Ausschnitte von zwei benachbarten Rotorscheiben in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 schematisch Ausschnitte von zwei benachbarten Rotorscheiben in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 den Zentriersitz aus Fig. 1 in vergrößerter Ansicht.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt; insbesondere ist nicht der an sich bekannte und unveränderte Teil des Rotors oder andere Rotoreinzelheiten etc. dargestellt. Funktionsgleiche Teile sind bei den verschiedenen Beispielen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachstehend sind die rotierenden Bauteile 1 und 2 als Rotorscheiben 1 resp. 2 bezeichnet. Bei einem Rotor für Turbomaschinen sind die einzelnen Rotorschei ben 1, 2 axial aneinandergereiht und durch wenigstens einen (in den Figuren nicht dargestellten) Zuganker konzentrisch miteinander verspannt. Die durch die Zuganker bedingten Spannkräfte ergeben eine kraftschlüssige Verbindung der Rotorscheiben. Es kann jedoch Betriebszustände geben, in welchen diese von den Spannkräften herrührenden Reibkräfte nicht ausreichen, um eine Dejust ierung der Rotorscheiben gegeneinander zu verhindern. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Rotorscheiben während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen,unter anderem, weil sie aus verschiedenen Mate rialien bestehen.

Deshalb ist gemäß Fig. 1 bei einer ersten Ausführungsform eines Rotors zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung der benachbarten Rotorscheiben eine radial wirksame form- und kraftschlüssige Verbindung als Sperre gegen radiale Achsversetzungen vorgesehen. Diese form- und kraftschlüssige Verbindung ist als Zentriersitz 3 ausgebildet, welcher zwischen je zwei aneinanderliegenden Rotorscheiben vorgesehen und durch einen Einlagering 7 vorgespannt ist. Dabei weist der Zentriersitz auf den beiden benachbarten Rotorscheiben die Form einer umlaufenden, konzentrischen Stufe auf mit einem positiven, hervorstehenden Zentrierversatz 4 am Rotorteil 1 und einem negativen, eingezogenen Zentrierver satz 5 am Rotorteil 2.

Der Einlagering 7 ist an der relativ zum Zentriersitz innenliegenden Rotorscheibe 1 angeordnet, und zwar in einem Hohlraum 6. Er ist vorgespannt, was anläßlich der Montage durch thermisches Schrumpfen erfolgen kann. Anläßlich der Rota tion preßt er infolge der massenbedingten Fliehkraft die relativ zum Zentriersitz 3 innenliegende Rotorscheibe 1 gegen die außenliegende Rotorscheibe 2 und bewirkt damit eine form- und kraftschlüssige Verbindung. Die positiven und nega tiven Zentrierversatze 4, 5 dieses Zentriersitzes weisen im wesentlichen eine zylindrische Kontaktfläche 8 auf, welche konzentrisch zur Rotorache liegt. Selbstverständlich ist auch eine leicht konische Ausrichtung der Kontaktfläche 8 möglich. Der Zentriersitz verhindert eine radiale Verschiebung und durch die Anpresskraft wird zudem ein erhöhter Widerstand gegen axiale Verschiebungen der Rotorscheiben gegeneinander erzielt. Solche Verschiebungen können durch die Wärmedehnungen und die Wärmespannungen bei den hohen Betriebstem peraturen der Gasturbinen verursacht werden.

Der Zentriersitz 3 ist gemäß Fig. 3 sowohl vor als auch hinter der Kontaktfläche 8 mit konkaven Freistichen 10 versehen. Deren der Kontaktfläche zugewandten Ausrundungen enden innerhalb der Kontaktfläche. Mit dieser Maßnahme kann der materialinterne mechanische Spannungsverlauf so geändert werden, daß die Zonen der größten mechanischen Belastung, d. h. des größten Spannungsgra dienten aus dem Bereich der Kontaktfläche 8 verlagert werden. Gleichzeitig wer den diejenigen Zonen der Rotorteile 1 oder 2, in denen unter bestimmten Betriebsbedingungen rißöffnende und damit rißwachstumsfördernde oberfläch enparallele Zugspannungen auftreten können, dem Berührungsbereich des jeweils andern Rotorteils 1 oder 2 entzogen, damit dort keine Fretting-Risse entstehen können. Desweiteren wird durch die Überdeckung der Vorderkante des Frei stiches des jeweils anderen Rotorteils durch eine die zu erwartende Relativ bewegungen und Einbautoleranzen übersteigende Verlängerung der Kontakt flächen beider Rotorteile erreicht, daß unter den erwähnten bestimmten Betriebsbedingungen im Berührungsbereich nur noch riß-schließende und damit rißwachstums-verhindernde oberflächenparallele Druckspannungen entstehen.

In einer weiteren Ausführungsform kann die gegenseitige Zentrierung der Rotor scheiben über zwei konische Sitze erfolgen. Sinnvoll ist dann eine doppelkonische Ausbildung des Zentriersitzes 3 mit einer entsprechenden doppelkonisch verlaufenden Kontaktfläche 9. In diesem Fall ist es der Rotorteil 2, welcher den positiven Zentrierversatz 4 aufweist, während der Rotorteil 1 mit dem negativen Zentrierversatz 5 versehen ist. Die Toleranzen werden dabei so gewählt, daß während des Betriebes jeweils eine dieser konischen Flächen voll belastet ist, während die Versatze der anderen konischen Fläche nur teilweise in Kontakt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Einlagering 7 nicht vollflächig, sondern nur mit einem Teil seiner äußeren Oberfläche an der Rotorscheibe 1 anliegt. Dies kann dadurch erzielt werden, indem der Ring mit einem Bund 11 versehen wird. Der Bund ist in seinem Durchmesser und seiner axialen Erstreckung so bemessen, daß er beidseitig vom Bund einen kleinen Spalt 12 zwischen Ring 7 und Rotorscheibe 1 generiert. Die nunmehr kleinere Angriffsfläche bewirkt eine günstige, reduzierte Wärmeübertragung von der Ro torscheibe auf den Einlagering.

Wird davon ausgegangen, daß die Rotorscheibe 1 - in dessen Hohlraum 6 der Einlagering 7 untergebracht ist - aus einem ferritischem Stahl mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizienten besteht und die Rotorscheibe 2 aus einem austeni tischen Stahl mit höheren Ausdehnungskoeffizienten, so wird als Werkstoff für den Einlagering 7 vorzugsweise ebenfalls ein Werkstoff mit höheren Aus dehnungskoeffizienten gewählt. Im Falle von thermisch hoch belasteten Gastur binen sind diese Materialkombinationen für die Rotorscheiben 1 und 2 durchaus üblich.

Bezugszeichenliste

1

rotierendes Bauteil, Rotorscheibe

2

rotierendes Bauteil, Rotorscheibe

3

Zentriersitz

4

positiver Zentrierversatz

5

negativer Zentrierversatz

6

Hohlraum von

1

7

Einlagering

8

zylindrische Kontaktfläche

9

doppelkonische Kontaktfläche

10

Freistich

11

Bund auf

7

12

Spalt

Claims

1. Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen (1, 2), welche im Bereich der Verbindung während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen, wobei der Formschluß über einen gestuften Zentriersitz (3) erfolgt und der Kraftschluß zwischen den beiden Bauteilen mittels axial vorgespannter Elemente erfolgt, und wobei zumin dest eines der Bauteile einen Hohlraum (6) im Innern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (6) ein Einlagering (7) angeordnet ist, welcher während des Betriebes eine radiale Kraft auf den Zentriersitz (3) ausübt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlage ring (7) nur mit einem Teil seiner axialen Erstreckung an dem mit ihm zusammenwirkenden Bauteil (1) anliegt.

3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlage ring (7) vorgespannt ist.

4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau des Einlageringes (7) in den Hohlraum (6) durch thermisches Schrumpfen erfolgt.

5. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zen trierversatz (4, 5) des Zentriersitzes (3) zumindest annähernd zylindrisch oder leicht konisch ausgebildet ist.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrier sitz (3) sowohl vor als auch hinter der Kontaktfläche (8) mit konkaven Frei stichen (10) versehen ist, deren der Kontaktfläche zugewandte Aus rundungen innerhalb der Kontaktfläche enden.

7. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (2) mit dem negativen Zentrierversatz (5) und der Einlagering (7) aus einem Werkstoff bestehen, welcher einen höheren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles (1) mit dem positiven Zen trierversatz (4), in dessen Hohlraum (6) der Einlagering (7) untergebracht ist.

8. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zen triersitz (3) eine doppelkonische Kontaktfläche (9) aufweist, und daß das Bauteil (2) mit dem positiven Zentrierversatz (4) und der Einlagering (3) aus einem Werkstoff bestehen, welcher einen höheren Ausdehnungskoef fizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles (1) mit dem negativen Zentrierversatz (5), in dessen Hohlraum (6) der Einlagering (7) unterge bracht ist.

9. Verwendung der kraft- und formschlüssigen Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Zusammenfügen von Rotorscheiben von Turbo maschinen, insbesondere von thermisch hoch belasteten Gasturbinen, wobei einzelne, konzentrisch aneinanderangeordnete Rotorscheiben im Rotorinneren durch einen oder mehrere Bolzen miteinander verschraubt sind.