DE3922987A1 - System zum loesbaren verbinden eines rotorkoerpers mit der welle einer maschine - Google Patents

Description

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 durchzuführen. Dies ergibt einfache Austauschbarkeit von gesondert ausgewuchteten Rotationskörpern und ermöglicht, daß das Verbindungssystem 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 Bereich rotierender Schaftmaschinen.

Wenn ein Körper rotieren soll, wie ein Verbindungselement, ein Laufrad oder insbesondere ein Scheibenrotor einer Gasturbine, wenn er an die Rotationswelle angebracht werden soll, 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 Unwuchten zu erzeugen, und wenn er hohe Drehmomente übertragen soll, ist das einzig mögliche Verfahren nach dem Stand der Technik, wenn aus offensichtlichen Gründen die bekannten Verbindungssysteme, die Keile oder genutete Stecksysteme verwenden, die die Welle schwächen und Unwuchten hervorrufen, ausgeschlossen werden sollen, ein verstärktes kegelstumpfförmiges Verbindungssystem zu verwenden, wie in der US-PS 45 16 906 beschrieben.

In diesem bekannten System wird das Drehmoment von der rotierenden Welle zu dem Rotorkörper durch radiale Überdeckung zwischen zwei kegelstumpfförmigen Oberflächen auf den beiden zu verbindenden Körpern übertragen, wobei dies erreicht wird durch 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 durch 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 Überdeckung 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 feste Element mit Axiallagern und Radiallagern ist, immer einer axialen Bewegung entgegen oder weg voneinander ausgesetzt sind. Die Bewegung kann, wenn große Dimensionen des Verbindungssystems vorliegen, wie z.B. bei der Leistungsübertragung zwischen 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 Fläche entlangstreichen, einen Schaden erleiden oder die Dichtungen brechen.

Tatsächlich können diese Gefahren es in einigen Fällen unratsam machen, ein verstärktes kegelstumpfförmiges 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 sich 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 Weise Anlaß zu beträchtlichen Unwuchten im Zusammenbau derart, daß der Gebrauch eines verstärkten kegelstumpfförmigen Kupplungssystems unakzeptabel ist, ohne nachfolgende Wuchtung der verbundenen Welle und des Rotorkörpers. Das macht schnelles Austauschen von Rotoren unmöglich, die separat von der Welle gewuchtet wurden.

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

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile zu beseitigen, indem ein System vorgesehen ist, das effektives und einfaches trennbares Verbinden eines Rotorkörpers mit einer hohlen Rotorwelle ermöglicht, ohne der Notwendigkeit von irgendwelchen relativen axialen Bewegung zwischen den zu verbindenden Körpern, das sehr zuverlässig ist und deshalb fähig ist, große Drehmomente zu übertragen und das schließlich eine optimale Zentrierung zwischen 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.

Das wird im wesentlichen 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 zwischen der Welle und dem Rotorkörper optimal zu halten, mit minimaler Unwucht von vernachlässigbarer Auswirkung.

Ein Umstand, der, indem er einfachen, schnellen und wirtschaftlichen Austausch eines Rotorkörpers mit einem anderen Rotorkörper ermöglicht, der unabhängig und getrennt von der Welle ausgewuchtet wurde, ohne der Notwendigkeit einer abschließenden Wuchtung, ein extrem wichtiges Problem in der Serienproduktion löst und einen neuen Horizont für Rotationsmaschinen, 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 Durchmesser 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 sich in der Größenordnung von einigen Zehntelmillimetern liegen, und deren Zweck es ist, als Druckabbauschlitze, wie nachfolgend beschrieben, zu wirken. Diese flachen Nuten erstrecken sich entlang der gesamten axialen Länge der zu verbindenden zylindrischen Fläche, haben scharfe Kanten, die sich im wesentlichen aus der mechanischen Bearbeitung ergeben, durch die sie hergestellt werden, 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 beabstandet um den Umfang angeordnet sind, da eine größere Anzahl von notwendigerweise schmäleren Nuten eine effektive Verbindung nicht ermöglichen würde, wohingegen eine geringere Anzahl von notwendigerweise weiteren Nuten zu Spannungen führen würde, die abnormal und zu hoch den zu verbindenden Rotorkörper belasten würden.

Da diese Nuten nur eine Druckabbaufunktion haben und ihr Zweck es ist, Kontakt 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 entgegengesetzte 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 Zylinderkolbeneinheit 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 kegelstumpfförmigen 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 Bohrlochs in dem zu verbindenden Rotorkörper radial verdichtet, ohne, wie gewünscht, eine relative axiale Bewegung zwischen der Welle und dem Rotorkörper zu erfordern.

Jedoch tritt die elastische radiale Verdichtung nur in den nicht ausgenommenen Zonen auf, unter der Wirkung von längsverlaufenden 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 unverdichtete 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 einem normalen verstärkten kegelstumpfförmigen Verbindungssystem von gleicher Länge und gleichem Durchschnittsdurchmesser erlauben. Dies ermöglicht es, daß das Anwendungsfeld dieses Systems ebenso um solche Fälle erweitert wird, in denen das verstärkte kegelstumpfförmige Verbindungssystem nicht angewendet werden kann, da es ungenügende Torsionsfestigkeit der Rotationswelle aufweist.

Da die geschwollenen Bereiche 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 elastische Deformation verschwindet und der Rotorkörper auf einfache Weise ohne Festsitzen der Verbindung demontiert werden kann und so eine Öffnung des Systems praktisch unbegrenzt wiederholt werden kann. 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

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

Fig. 2 eine Explosionssicht eines vergrößerten zu öffnenden Verbindungssystems, das in Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das zu öffnende Verbindungssystem von Fig. 2 im montierten Zustand,

Fig. 4 ein stark vergrößertes Detail des zu öffnenden Verbindungssystems gemäß der Erfindung, in dem die Wirkung der elastischen radialen Expansion des Systems gezeigt wird und

Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausbildung gemäß der Erfindung, wobei ein zu öffnendes Verbindungssystem zur Anwendung in einer Rotationsschaftmaschine gezeigt wird.

Fig. 1 zeigt ein Statorgehäuse 1 einer Leistungsstufe 2 einer Gasturbine, dessen Rotor 3 in der Figur aus zwei schaufelhaltenden Scheiben besteht und auskragend von der Leistungswelle 4 getragen ist durch die Nabe 5 des Rotors, die ein zylindrisches axiales Bohrloch 6 (siehe besonders Fig. 2) hat, das die innere Verbindungsfläche des Rotors darstellt, in die die korrespondierende Zylinderverbindungsfläche 7 der Leistungswelle 4 eingefügt wird. Die Welle 4 ist hohl und hat zwei Endstücke 8 und 9, von denen das Endstück 8 auch eine zylindrische Verbindungsfläche 7 umfaßt und die durch eine zentrale Hülse 10 miteinander durch 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 durch den Aufbau 15 des Gasturbinengehäuses 16 gestützt werden.

Die beiden zylindrischen Verbindungsflächen 6 und 7 haben dieselbe axiale Länge und annähernd gleiche Durchmesser und ermöglichen es somit, daß die Fläche 6 über die Fläche 7 in einer einfachen und freien Weise montiert werden kann. Die letzte Verbindungsfläche ist mit scharfkantigen Längsnuten 17 mit sehr geringer Tiefe versehen, die sich entlang der gesamten axialen Länge der Fläche 7 erstrecken. Die Nuten sind gleichförmig und gleich beabstandet längs des Umfangs der zylindrischen Verbindungsfläche 7 verteilt und formen so im wesentlichen einen genuteten zylindrischen Stumpf 18 und haben vorzugsweise eine Weite die gleich 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 acht und zwölf Nuten um den Stumpf 18 vorgesehen sind. Das axiale Bohrloch 20 innerhalb des genuteten zylindrischen Stumpfs 18 hat eine kegelstumpfförmige Form mit dem größten Durchmesser an dem freien Ende 21 des Stumpfs 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 Welle 4 erstreckt, um die zylindrische Verbindungsfläche 6 und 7 mittels radialer Überdeckung 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 Endes 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 Ergebnis, daß die festen Bereiche 19 seiner Verbindungsfläche 7 die innere Fläche des zylindrischen Hohlraums 6 der Nabe 5 des Rotorkörpers komprimieren. Die intermittierende elastische Komprimierung bedingt, daß sich die innere Fläche des Hohlraums 6 in die Nuten des Stumpfs 18 entspannt durch Anschwellungen 29, die sich wie Mikrokeile während der Drehmomentübertragung verhalten (siehe speziell Fig. 4).

In der modifizierten Ausbildung gemäß Fig. 5, die im speziellen auf das Gebiet der rotierenden Schaftmaschinen anwendbar ist, in welchem 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 Stecker angreift. Zu diesem Zweck hat 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)

1. System zur trennbaren Verbindung eines Rotorkörpers mit einer hohlen Welle einer Rotationsmaschine, mit einer Zugstange innerhalb der hohlen Welle, um die Verbindungsfläche der Welle gegenüber einer inneren Verbindungsfläche eines axialen Hohlraums des Rotorkörpers mittels radialer Überdeckung unter einer vorgegebenen Last zu befestigen, die durch eine hydraulische Zylinderkolbeneinheit und Befestigungsmutter erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsflächen (6, 7) im wesentlichen zylindrisch sind und dieselbe axiale Länge und annähernd gleichen Durchmesser mit ausreichenden Toleranzen haben, die es erlauben, daß sie einfach aneinander axial 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 Umfang der Fläche (7) verteilt sind, um im wesentlichen einen genuteten zylindrischen Stumpf (18) zu formen, in dessen Innerem ein kegelstumpfförmiges Bohrloch (20) vorgesehen ist, dessen Länge gleich der Länge der zylindrischen Verbindungsfläche (7) ist und dessen größerer Durchmesser sich an dem freien Ende (21) des Stumpfs (18) befindet, wobei das Bohrloch (20) mit einem entsprechenden kegelstumpfförmigen Stecker (22) kooperiert, der mit einem Ende der Zugstange (23) fest verbunden ist.

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

4. System zur trennbaren Verbindung eines Rotorkörpers mit der Hohlwelle einer Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnuten (17) eine Tiefe in der Größenordnung von einem Zehntelmillimeter haben.