(19)
(11)EP 2 522 819 A2

(12)EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43)Veröffentlichungstag:
14.11.2012  Patentblatt  2012/46

(21)Anmeldenummer: 12165487.5

(22)Anmeldetag:  25.04.2012
(51)Int. Kl.: 
F01D 25/16  (2006.01)
F02C 7/06  (2006.01)
(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME

(30)Priorität: 10.05.2011 DE 102011075583

(71)Anmelder: Siemens Aktiengesellschaft
80333 München (DE)

(72)Erfinder:
  • Kühn, Helmut
    02894 Mengelsdorf (DE)

  


(54)Befestigung einer Axiallagerscheibe in einer magnetgelagerten Turbomaschine mittels einer Schrumpfscheibenverbindung


(57) Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (100), welche eine drehbar gelagerte WelIe (101) aufweist.
Ferner weist die Stromungsmaschine (100) eine Lagerscheibe wobei die Lagerscheibe (102) an einer vorbestimmten Position an der Welle (101) angeordnet ist.
Ferner weist die Strömungsmaschine (100) eine erstes Ringelement (121) und ein zweites Ringelement (122) auf.
Das erste Ringelement (121) ist mit einer ersten in Radialrichtung (105) inneren Fläche und einer ersten in Radialrichtung (105) äußeren Fläche ausgebildet.
Das zweite Ringelement (122) ist mit einer zweiten in Radialrichtung (105) inneren Fläche ausgebildet.
Das erste Ringelement (121) ist mit der ersten inneren Fläche an der Welle (101) angeordnet und fixiert die Lagerscheibe (102) mittels des ersten Ringelements (121) an der vorbestimmten Position an der Welle (101).
Das zweite Ringelement (122) ist mit der zweiten inneren Fläche anliegend auf der ersten äußeren Fläche des ersten Ringelements (121) angeordnet.
Mittels eines axialen Verschiebens des zweiten Ringelements (122) relativ zu dem ersten Ringelement (121) erfahrt das erste Ringelement (121) eine radiale Spannkraft und damit wird eine Pressverbindung zwischen dem erste Ringelement (121) und der Welle (101) erzeugt.




Beschreibung

Technisches Gebiet



[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine und ein Verfahren zum Erzeugen einer Pressverbindung zwischen einem ersten Ringelement und einer Welle einer Strömungsmaschine.

Hintergrund der Erfindung



[0002] In Strömungsmaschinen, wie beispielsweise in einem Turboverdichter oder in einer Turbine, werden auf einer drehbaren Welle Rotorblätter angeordnet, welche von einem Strömungsmedium angeströmt werden. Die Welle einer Strömungsmaschine wird mit Axial- und Radiallagern in einem Lagergehäuse der Strömungsmaschine drehbar gelagert.

[0003] Zur Lagerung der Welle in dem Lagergehäuse werden in herkömmlichen Lagern beispielsweise Gleitlager eingesetzt. Ferner werden Magnetlager eingesetzt, mit welchen eine reibungslose drehbare Lagerung der Welle möglich ist. Aufgrund von Magnetkräften wird die Welle dabei in einer vorbestimmten axialen und/oder radialen Position drehbar gelagert. Magnetlager können als passive Magnetlager ausgebildet werden. Bei passiven Magnetlagern werden beispielsweise diamagnetische Materialien verwendet. Bei aktiven Magnetlagern wird die Lagerkraft durch einstellbare Elektromagneten erzeugt. Die Elektromagneten können gesteuert werden, um eine gewünschte Magnetkraft zu erzeugen, die die Welle in einer vorbestimmten radialen und/oder axialen Position halten.

[0004] Bei aktiven Magnetlagern weist die Welle eine Axiallagerscheibe auf, welche zwischen zwei Statorelementen, welche an dem Lagergehäuse befestigt sind, drehbar in einer vorbestimmten Position gehalten wird. Die Axiallagerscheibe wird üblicherweise integral bereits bei Herstellung der Welle ausgebildet. So wird beispielsweise die Axiallagerscheibe mittels Drehens oder Fräsens aus dem Grundkörper der Welle gedreht.

[0005] Alternativ hierzu ist es möglich, die Axiallagerscheibe direkt auf die Welle aufzuschrumpfen. Beim Aufschrumpfen wird das Prinzip der Wärmeausdehnung beider Elemente, der Welle und der Axiallagerscheibe, genutzt. Bei Montage der Axiallagerscheibe wird diese beispielsweise erwärmt und in dem erwärmten Zustand auf die Welle aufgeschoben. Nach Abkühlen der Axiallagerscheibe schrumpft diese zusammen, so dass ein Presssitz der Axiallagerscheibe auf der Welle erzeugt wird.

[0006] Die Statorelemente eines aktiven Magnetlagers weisen Spulen auf, um die elektromagnetischen Kräfte zu erzeugen. Um den elektromagnetischen Fluss möglichst wenig zu stören, sollen die Statorelemente möglichst keine axialen Teilflächen aufweisen. Die Statorelemente bilden dann jeweils einen geschlossenen Statorring. Zwischen zwei solcher Statorringe befindet sich im montierten Zustand der Welle die Axiallagerscheibe.

[0007] Falls einer der Statorringe, beispielsweise aufgrund eines Defekts, demontiert werden muss, ist es zwangsläufig notwendig, die Axiallagerscheibe von der Welle abzuziehen, um den defekten Statorring zu erreichen und auszutauschen. Wird die Axiallagerscheibe einstückig mit der Welle geformt, muss die gesamte Welle ausgebaut werden. Wird die Axiallagerscheibe auf die Welle aufgeschrumpft, kann es genügen die Axiallagerscheibe zu demontieren, wobei es sehr aufwendig ist, den Presssitz der aufgeschrumpften Axiallagerscheibe zu lösen.

Darstellung der Erfindung



[0008] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und lösbare Befestigungsmöglichkeit eines mit einer Welle drehbar befestigten Elements für eine Strömungsmaschine bereitzustellen.

[0009] Die Aufgabe wird mit einer Strömungsmaschine und mit einem Verfahren zum Erzeugen einer Pressverbindung zwischen einem ersten Ringelement und einer Welle einer Strömungsmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

[0010] Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Strömungsmaschine beschrieben. Die Strömungsmaschine weist ein Gehäuse und eine relativ zu dem Gehäuse um eine Drehachse drehbar gelagerte Welle auf, wobei eine Radialrichtung senkrecht zu der Drehachse verläuft. Ferner weist die Strömungsmaschine ein Element mit einer Durchgangsöffnung auf, wobei die Welle durch die Durchgangsöffnung hindurchragt und das Element an einer vorbestimmten Position an der Welle angeordnet ist. Ferner weist die Strömungsmaschine ein erstes Ringelement und ein zweites Ringelement auf. Das erste Ringelement ist mit einer ersten in Radialrichtung inneren Fläche und einer ersten in Radialrichtung äußeren Fläche ausgebildet. Das zweite Ringelement ist mit einer zweiten in Radialrichtung inneren Fläche ausgebildet. Das erste Ringelement ist mit der ersten inneren Fläche (unmittelbar oder mittelbar) an der Welle angeordnet und das Element mittels des ersten Ringelements an der vorbestimmten Position an der Welle fixiert. Das zweite Ringelement ist mit der zweiten inneren Fläche anliegend an der ersten äußeren Fläche des ersten Ringelements angeordnet. Die erste äußere Fläche läuft von einem ersten axialen Ende der ersten äußeren Fläche zu einem zweiten axial gegenüberliegenden axialen Ende der ersten äußeren Fläche konisch zu und die zweite innere Fläche läuft komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch zu, sodass mittels eines axialen Verschiebens des zweiten Ringelements relativ zu dem ersten Ringelement das erste Ringelement eine radiale Spannkraft erfährt und damit eine Pressverbindung zwischen dem erste Ringelement und der Welle erzeugt wird.

[0011] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Pressverbindung zwischen einem ersten Ringelement und einer Welle einer Strömungsmaschine beschrieben. Die Welle wird relativ zu dem Gehäuse drehbar um eine Drehachse gelagert, wobei eine Radialrichtung senkrecht zur Drehachse verläuft. Durch eine Durchgangsöffnung eines Elements wird die Welle hindurchgeführt. Das Element wird an einer vorbestimmten Position auf der Welle angeordnet. Das erste Ringelement wird mit einer ersten inneren Fläche des ersten Ringelements an der Welle (mittelbar oder unmittelbar) angeordnet, wobei das erste Ringelement das Element mittels des ersten Ringelements an der vorbestimmten Position an der Welle fixiert. Eine zweite, in Radialrichtung innere Fläche eines zweiten Ringelements wird anliegend an einer ersten in Radialrichtung äußeren Fläche des ersten Ringelements angeordnet. Die erste äußere Fläche läuft von einem ersten axialen Ende der ersten äußeren Fläche zu einem zweiten axial gegenüberliegenden Ende konisch zu und die zweite innere Fläche läuft komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch zu. Das zweite Ringelement wird entgegen der ersten Richtung relativ zu dem ersten Element verschoben. Mittels des Verschiebens des zweiten Ringelements relativ zu dem ersten Ringelement erfährt das erste Ringelement eine radiale Spannkraft, womit eine Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement und der Welle erzeugt wird.

[0012] Als Strömungsmaschine wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Fluidenergiemaschine bezeichnet, bei der die Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik erfolgt. Die Energieübertragung erfolgt an rotierenden Rotorblättern, welche drehfest auf der drehbaren Welle angeordnet sind. Ist die Strömungsmaschine ein Verdichter, so wird die drehbare Welle angetrieben und die Rotorblätter verdichten das an den Rotorblättern durchströmende Fluid. Ist die Strömungsmaschine eine Turbine, so strömt ein energiereiches Fluid gegen die Rotorblätter und treibt diese und somit die drehbare Welle an. Eine Strömungsmaschine kann beispielsweise ein Turboverdichter, eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Strahltriebwerk oder eine andere Turbine oder ein Verdichter in axialer oder radialer Bauart sein.

[0013] Die Welle der Strömungsmaschine ist drehbar bezüglich des Gehäuses, insbesondere eines Lagergehäuses, der Strömungsmaschine gelagert. Die Welle der Strömungsmaschine weist die Drehachse auf. Eine Richtung parallel zu der Drehachse wird als Axialrichtung der Welle definiert. Eine Richtung, welche durch den Mittelpunkt der Welle verläuft und senkrecht zu der Drehachse ausgerichtet ist, wird als Radialrichtung der Welle und der Strömungsmaschine bezeichnet.

[0014] Unter dem Begriff "Element" werden im Rahmen dieser Anmeldung Bauteile verstanden, welche drehfest mit der Welle der Strömungsmaschine befestigbar sind. Das Element kann beispielsweise ein Rotorblatt, ein Rotorblattträger, ein Lagerring oder eine Lagerscheibe sein. Das Element weist die Durchgangsöffnung auf, durch welche die Welle hindurchgeschoben werden kann, bis das Element seine vorbestimmte Position auf der Welle in Axialrichtung erreicht.

[0015] Das erste Ringelement ist beispielsweise ein Spannring bzw. ein Klemmring. Durch Ausübung einer radialen Spannkraft verkleinert das erste Ringelement seinen inneren Durchmesser, so dass die Pressverbindung zwischen dem Ringelement und der Welle erzeugbar ist. Das Ringelement, als Klemmring ausgeführt, kann zum Verringern seines inneren Durchmessers beispielsweise einen Spalt in Umfangsrichtung aufweisen und somit eine offene ringförmige Profilform mit zwei freien Enden entlang der Umfangsrichtung aufweisen. Ferner kann das erste Ringelement ein geschlossener Ring sein, wobei das erste Ringelement verformbar, zum Beispiel elastisch verformbar, ausgebildet sein kann, um seinen Durchmesser bei Ausübung der radialen Spannkraft zu reduzieren.

[0016] Das zweite Ringelement ist mit einem inneren Durchmesser ausgebildet, so dass das zweite Ringelement über das erste Ringelement geschoben werden kann und anliegend auf der äußeren Fläche des ersten Ringelements befestigt werden kann.

[0017] Die erste äußere Fläche des ersten Ringelements verläuft zwischen dem ersten Ende und dem axial gegenüberliegenden Ende konisch zu. Dabei wird entlang einer ersten Richtung, welche parallel zu der Drehachse verläuft, ein Oberflächenverlauf beschrieben, welcher entlang der ersten Richtung nicht parallel zu der Drehachse verläuft. An dem ersten axialen Ende des ersten Ringelements weist die erste äußere Fläche beispielsweise einen ersten Abstand zu der Drehachse auf. An dem dem ersten axialen Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des ersten Ringelements weist die erste äußere Fläche beispielsweise einen zweiten Abstand zur Drehachse auf. Läuft die erste äußere Fläche entlang der ersten Richtung konisch zu, so ist der erste Abstand der ersten äußeren Fläche zu der Drehachse größer als der zweite Abstand. Mit anderen Worten weist das erste Ringelement ein keilförmiges Profil auf. Anders ausgedrückt weist eine Linie, welche in Axialrichtung entlang der ersten äußeren Fläche verläuft, einen Winkel größer als 0° Grad und kleiner als 90° Grad zu der Drehachse auf.

[0018] Entsprechend der ersten äußeren Fläche wird die konisch zulaufende innere Fläche des zweiten Ringelements beschrieben. Die zweite innere Fläche des zweiten Ringelements verläuft komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch zu. Mit anderen Worten weist eine Linie, welche entlang der zweiten inneren Fläche von einem axialen Ende zu einem gegenüberliegenden axialen Ende des zweiten Ringelements verläuft, denselben Winkel zur Drehachse auf wie die Linie, welche auf der ersten äußeren Fläche von einem axialen ersten Ende des ersten Ringelements entlang der ersten Richtung zu dem gegenüberliegenden zweiten Ende des ersten Ringelements verläuft.

[0019] Das erste Ringelement und das zweite Ringelement bilden eine Schrumpfscheibenverbindung aus. Wird das zweite äußere Ringelement auf das erste innere Ringelement entgegen der ersten Richtung aufgeschoben, so verspannen sich das erste Ringelement und das zweite Ringelement aufgrund ihrer komplementär zueinander konisch ausgebildeten Berührflächen (erste äußere Fläche und zweite innere Fläche). Das zweite Ringelement kann allgemein entlang einer axialen Richtung auf das erste Ringelement aufgeschoben werden. Durch die aufgebrachte axiale Spannkraft wird über die konisch zulaufenden Berührflächen des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements eine radiale Spannkraft erzeugt. Diese radiale Spannkraft verursacht eine Verkleinerung des inneren Durchmessers des ersten Ringelements. Dadurch wird die Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement und der Welle erzeugt.

[0020] Zum Lösen der Pressverbindung wird die axiale Spannkraft reduziert und das zweite Ringelement von dem ersten Ringelement getrennt. Aufgrund der konisch komplementär ausgebildeten Berührflächen des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements ist ein leichtes Lösen des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements möglich. Die Pressverbindung mittels des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements kann wiederholbar ausgeführt werden.

[0021] Das Element kann beispielsweise an einem axialen Ende des ersten Ringelements anliegen und somit fixiert werden, so dass bei Bestehen der Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement und der Welle ein axiales Verschieben des Elements über das erste Ringelement hinaus verhindert wird. Ferner kann das Element mit einem Befestigungsbereich zwischen der ersten inneren Fläche und einer Wellenoberfläche der Welle angeordnet sein, so dass bei Bestehen der Pressverbindung der Befestigungsbereich zwischen dem ersten Ringelement und der Welle eingespannt ist. Damit wird ebenfalls eine Fixierung des Elements auf der Welle erzielt.

[0022] Mit der oben beschriebenen Schrumpfscheibenverbindung wird das Element in einfacher Art und Weise auf der drehbaren Welle der Strömungsmaschine lösbar fixiert. Aufgrund der einfachen Lösbarkeit der Schrumpfscheibenverbindung durch Reduzieren bzw. Aufheben der axialen Spannkraft und Lösen des zweiten Ringelements von dem ersten Ringelement kann schnell das Element von der Welle gelöst werden, so dass nur schwer erreichbare Bauteile der Strömungsmaschine, welche durch das Element verdeckt werden, zugänglich sind. Ein kompliziertes Demontieren der gesamten Welle ist nicht notwendig. Ferner müssen die von dem Element verdeckten Bauteile nicht mehrteilig ausgebildet sein, um z.B. auch ohne Demontage des Elements lösbar zu sein.

[0023] Insbesondere ist das Element gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eine Lagerscheibe. Die Lagerscheibe kann beispielsweise zwischen zwei Kugellagern, welche an einem Gehäuse der Strömungsmaschine befestigt sind, gelagert werden. Mittels der Lagerscheibe sind beispielsweise eine axiale und eine radiale Lagerung der Welle möglich.

[0024] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine Magnetlagerung auf. Insbesondere weist die Strömungsmaschine hierbei einen ersten Statorring zum Erzeugen einer elektromagnetischen Lagerkraft auf. Der erste Statorring weist eine erste Öffnung auf, welche größer als die Welle ist, so dass die Welle kontaktfrei zu dem ersten Statorring angeordnet ist. Der erste Statorring ist derart angeordnet, dass mittels der elektromagnetischen Lagerkraft ein konstanter axialer Abstand oder ein konstanter radialer Abstand zu der Lagerscheibe haltbar ist. Der Statorring ist beispielsweise an dem Gehäuse der Strömungsmaschine befestigt. Mittels der elektromagnetischen Lagerkraft des Statorrings wird ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Statorring und der Lagerscheibe konstant gehalten, wobei dennoch die Lagerscheibe mit der Welle rotierbar gegenüber dem ersten Statorring ist.

[0025] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine einen zweiten Statorring zum Erzeugen einer weiteren elektromagnetischen Lagerkraft auf. Der zweite Statorring weist eine zweite Öffnung auf, welche größer als die Welle ist, so dass die Welle kontaktfrei zu dem zweiten Statorring angeordnet ist. Der zweite Statorring ist derart angeordnet, dass die Lagerscheibe zwischen dem ersten Statorring und dem zweiten Statorring liegt und dass ein weiterer konstanter axialer Abstand oder ein weiterer konstanter radialer Abstand zwischen dem zweiten Statorring und der Lagerscheibe mittels der weiteren elektromagnetischen Lagerkraft haltbar ist.

[0026] Der erste Statorring und der zweite Statorring weisen jeweils Spulen auf, welche in Umfangsrichtung der Welle angeordnet sind. Somit kann der erste Statorring und/oder der zweite Statorring eine konstante elektromagnetische Kraft über den gesamten Umfang um die Welle erzeugen und somit einen radialen oder axialen Abstand zwischen dem jeweiligen Statorring und der Lagerscheibe konstant halten. Somit wird eine berührungslose Lagerung der Lagerscheibe und somit der Welle ermöglicht.

[0027] Da oftmals derjenige Statorring, welcher axial weiter innerhalb in der Strömungsmaschine angeordnet ist, durch die Lagerscheibe in Axialrichtung versperrt wird, ist es mit üblichen Befestigungsmethoden der Lagerscheibe auf der Welle nur schwer, diesen versperrten Statorring auszubauen. Oftmals muss die gesamte Welle ausgebaut werden oder der Statorring zweiteilig, das heißt mit einer Teilung, ausgeführt werden. Eine solche Teilung der Statorringe stört allerdings das elektromagnetische Feld, so dass die elektromagnetische Lagerkraft gestört wird. Mittels der vorliegenden einfacheren Befestigung des Elements bzw. der Lagerscheibe mittels der Schrumpfscheibenverbindung, welche durch das erste und zweite Ringelement ausgebildet wird, kann in einfacher Art und Weise das erste und zweite Ringelement gelöst werden und somit ebenfalls die Lagerscheibe einfach entfernt werden, so dass der versperrte Statorring zugänglich ist.

[0028] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt das erste Ringelement mit der ersten inneren Fläche an einer Oberfläche der Welle (unmittelbar) an. Die Pressverbindung erfolgt somit ausschließlich zwischen dem ersten Ringelement und der Welle. Somit wird keine Presskraft auf das Element selbst ausgeübt. Liegt das Element an dem ersten Ringelement an, so kann mittels des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels ein Verrutschen des Elements in Axialrichtung verhindert werden und somit eine Fixierung des Elements auf der Welle umgesetzt werden.

[0029] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Element einen Befestigungsabschnitt auf. Der Befestigungsabschnitt ist zwischen der ersten inneren Fläche des ersten Ringelements und der Welle angeordnet, so dass mittels Verschiebens des zweiten Ringelements relativ zu dem ersten Ringelement das erste Ringelement eine radiale Spannkraft erfährt und damit eine Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement, dem Befestigungsabschnitt und der Welle erzeugt wird.

[0030] Der Befestigungsabschnitt bildet beispielsweise einen flanschförmigen Fortsatz in axialer Richtung des Elements aus. Der Befestigungsabschnitt kann somit beispielsweise röhrenförmig ausgebildet sein, wobei der Innendurchmesser des Befestigungsabschnitts dem Außendurchmesser der Welle an der vorbestimmten Position entsprechen kann. Der Befestigungsabschnitt weist ferner eine radial äußere Fläche auf, auf welcher die erste innere Fläche des ersten Ringelements aufliegt. Unter Ausübung der radialen Spannkraft auf das zweite Ringelement verringert sich dessen Durchmesser, so dass ebenfalls die radiale Spannkraft auf den Befestigungsabschnitt übertragen wird. Der Befestigungsabschnitt ist derart eingerichtet, dass bei Ausüben der radialen Spannkraft ebenfalls sein Innendurchmesser reduziert wird, so dass die Pressverbindung mit der Welle erzeugbar ist. Der Befestigungsabschnitt ist derart ausgebildet, dass bei Ausübung der radialen Spannkraft dieser verformbar (insbesondere elastisch verformbar) ist, so dass die Pressverbindung erzeugbar ist. Der Befestigungsabschnitt kann ferner einen Spalt in Umfangsrichtung aufweisen, um eine bessere Verformbarkeit des Befestigungsabschnitts zu erzeugen.

[0031] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine ferner ein (lösbares) Spannelement zum axialen Verschieben des zweiten Ringelements relativ zu dem ersten Ringelement. Das Spannelement kann derart angeordnet sein, dass entgegen der ersten Richtung eine axiale Spannkraft zum Spannen des zweiten Ringelements auf das erste Ringelement einstellbar ist, um eine lösbare Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement und der Welle zu erzeugen.

[0032] Das Spannelement kann beispielsweise eine lösbare Spannbacke oder eine lösbare Schraube aufweisen. Beispielsweise kann eine Schraubverbindung zwischen dem zweiten Ringelement und dem Element geschaffen werden. Wird die Schraube angezogen, so schiebt sich das zweite Ringelement in Richtung des Elements insbesondere entgegen der ersten Richtung, so dass das zweite Element auf das erste Ringelement gespannt wird und dadurch die radiale Spannkraft erzeugt wird. Mittels der Schraube kann die Größe der radialen Spannkraft über das Drehmoment der Schraube eingestellt werden. Ferner ermöglicht eine Schraubverbindung ein einfaches Lösen der Pressverbindung.

[0033] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine ferner ein weiteres erstes Ringelement und ein weiteres zweites Ringelement auf. Das weitere erste Ringelement ist mit einer weiteren ersten in Radialrichtung inneren Fläche und einer weiteren ersten in Radialrichtung äußeren Fläche ausgebildet. Das weitere zweite Ringelement ist mit einer weiteren zweiten in Radialrichtung inneren Fläche ausgebildet. Das weitere erste Ringelement ist mit der weiteren ersten inneren Fläche auf der Welle angeordnet und das Element mittels des weiteren ersten Ringelements an einer vorbestimmten Position auf der Welle fixiert. Das weitere zweite Ringelement ist mit der zweiten inneren Fläche anliegend auf der weiteren ersten äußeren Fläche des weiteren ersten Ringelements angeordnet.

[0034] Das Element ist zwischen dem ersten Ringelement und dem zweiten Ringelement einerseits und dem weiteren ersten Ringelement und dem zweiten Ringelement andererseits auf der Welle angeordnet.

[0035] Die weitere erste äußere Fläche läuft von einem ersten axialen Ende der weiteren ersten äußeren Fläche zu einem zweiten axial gegenüberliegenden axialen Ende der weiteren ersten äußeren Fläche konisch zu und die weitere zweite innere Fläche läuft komplementär zu der weiteren ersten äußeren Fläche konisch zu, dass mittels Verschiebens des weiteren zweiten Ringelements relativ zu dem weiteren ersten Ringelement das weitere erste Ringelement eine weitere radiale Spannkraft erfährt, so dass eine Pressverbindung zwischen dem weiteren ersten Ringelement und der Welle erzeugbar ist.

[0036] Das weitere erste Ringelement und das weitere zweite Ringelement können dieselben Merkmale und denselben Aufbau wie das erste Ringelement und das zweite Ringelement aufweisen. Insbesondere sind die konisch verlaufenden Flächen der ersten und zweiten Ringelemente entgegengesetzt zu den konischen Verläufen der Flächen der weiteren ersten Ringelemente und weiteren zweiten Ringelemente. Das erste Ringelement liegt an einem ersten axialen Ende des Elements an und das weitere erste Ringelement liegt an einem gegenüberliegenden Ende des Elements an, so dass eine axiale Verschiebung des Elements aufgrund der beiden ersten Ringelemente unterbunden wird.

[0037] Mit der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Strömungsmaschine geschaffen, bei welcher die (Axial-) Lagerscheibe von magnetisch gelagerten (zum Beispiel Turbomaschinen-) Wellen mittels der oben beschriebenen Schrumpfscheibenverbindung, bestehend aus dem ersten Ringelement und dem zweiten Ringelement, auf der Welle befestigt wird, um eine einfache Montage- und Demontagemöglichkeit der Lagerscheibe zu erzielen.

[0038] Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung



[0039] Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben.

[0040] Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Strömungsmaschine, bei welcher ein Element mittels einer Schrumpfscheibenverbindung auf der Welle, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, fixiert ist.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen



[0041] Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in der Figur mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.

[0042] Die Figur zeigt eine Strömungsmaschine 100, welche ein Gehäuse bzw. ein Lagergehäuse 113, insbesondere ein Axiallagergehäuse, und eine darin drehbar um eine Drehachse 106 gelagerten Welle 101 aufweist. Ferner weist die Strömungsmaschine 100 ein Element 102 mit einer Durchgangsöffnung auf, wobei die Welle 101 durch die Durchgangsöffnung hindurchragt und das Element 102 an einer vorbestimmten Position auf der Welle 101 angeordnet ist. In Fig. 1 ist das Element 102 beispielsweise eine Lagerscheibe.

[0043] Ferner weist die Strömungsmaschine 100 ein erstes Ringelement 121 und ein zweites Ringelement 122 auf. Das erste Ringelement 121 ist mit einer ersten in Radialrichtung 105 inneren Fläche und einer ersten in Radialrichtung 105 äußeren Fläche ausgebildet. Das zweite Ringelement 122 ist mit einer zweiten in Radialrichtung 105 inneren Fläche ausgebildet. Das erste Ringelement 121 ist mit der ersten inneren Fläche auf der Welle 101 befestigt. Das erste Ringelement 121 ist derart ausgebildet, dass das Element 102 mittels des ersten Ringelements 121 in einer vorbestimmten Position auf der Welle 101 fixierbar ist. In Fig. 1 ist das erste Ringelement 121 derart ausgebildet, dass das Element 102 beispielsweise keine axiale und radiale Bewegung gegenüber dem ersten Ringelement 121 ausüben kann.

[0044] Das zweite Ringelement 122 ist mit der zweiten inneren Fläche anliegend auf der ersten äußeren Fläche des ersten Ringelements 121 angeordnet. Die erste äußere Fläche läuft entlang einer ersten Richtung 109, welche parallel zu der Drehachse 106 verläuft, konisch zu und die zweite innere Fläche verläuft entlang der ersten Richtung 109 und komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch derart zu, dass mittels Verschiebens bzw. Spannens des zweiten Ringelements 122 entgegen der ersten Richtung 109 auf das Ringelement 121 das erste Ringelement 121 eine radiale Spannkraft erfährt.

[0045] Aufgrund der radialen Spannkraft verkleinert sich der innere Durchmesser des ersten Ringelements 121, so dass eine Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement 121 und der Welle 101 erzeugbar ist.

[0046] In der Figur ist das Element 102, das erste Ringelement 121, das zweite Ringelement 122 und das Element 102 in einer Schnittebene dargestellt (siehe schraffierte Bereiche). In der Schnittebene werden die konischen Verläufe der ersten äußeren Fläche und der zweiten inneren Fläche dargestellt. Wie in der Figur ersichtlich, weist die erste äußere Fläche und die zweite innere Fläche aufgrund ihrer komplementär konisch zulaufenden Ausbildung eine Keilform in der Querschnittsebene auf. Die zweite innere Fläche verläuft dabei derart komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch zu, dass eine Berührfläche zwischen der zweiten inneren Fläche und der ersten äußeren Fläche vorliegt.

[0047] Eine Linie, welche innerhalb der Querschnittsebene verläuft und welche auf der ersten äußeren Fläche und auf der zweiten inneren Fläche verläuft, weist einen Winkel zu der Drehachse auf und ist daher nicht parallel zur Drehachse.

[0048] Wird nun das zweite Ringelement 122 entgegen der ersten Richtung 109 in axialer Richtung verschoben, so erzeugt dieses Aufschieben aufgrund der konischen Berührflächen des ersten und des zweiten Ringelements 121, 122 eine radiale Spannkraft, welche zumindest eine Komponente in Radialrichtung 105 aufweist. Somit wird die Pressverbindung zwischen dem ersten Ringelement 121 und der Welle 101 erzeugt.

[0049] Ein Verschieben des Elements 102 über das erste Ringelement 121 wird verhindert, da das erste Ringelement 121 (mit seinem äußeren Durchmesser) größer ausgebildet ist als ein innerer Durchmesser des Elements 102. Auf dem in Axialrichtung und entgegen der ersten Richtung 109 gegenüberliegenden axialen Ende des Elements 102 kann das Element in Kontakt mit einem Wellenabsatz 110 sein. Damit ist ein weiteres Verschieben des Elements 102 entgegen der ersten Richtung 109 unterbunden.

[0050] Zusätzlich oder alternativ zu dem Wellenabsatz 110 kann ein weiteres erstes Ringelement 124 und ein weiteres zweites Ringelement 125 angeordnet sein, um ein Verschieben des Elements 102 entgegen der ersten Richtung 109 zu verhindern. Das weitere erste Ringelement 124 und das weitere zweite Ringelement 125 können entsprechend die Merkmale und die Ausbildungen des ersten Ringelements 121 und des zweiten Ringelements 122 aufweisen. Zur besseren Montage kann dabei die weitere erste äußere Fläche des weiteren ersten Ringelements 124 und die weitere zweite innere Fläche des weiteren zweiten Ringelements 125 entgegengesetzt zu dem ersten Ringelement 122 und dem zweiten Ringelement 122 konisch zulaufen. Somit muss zum Spannen des weiteren zweiten Ringelements 125 dieses entlang der ersten Richtung 109 auf das weitere erste Ringelement 124 aufgeschoben werden, damit das weitere erste Ringelement 124 eine weitere radiale Spannkraft erfährt.

[0051] Wie in der Figur dargestellt, kann das Element 102 einen Befestigungsabschnitt 107 und einen weiteren Befestigungsabschnitt 108 aufweisen. Die Befestigungsabschnitte 107, 108 sind jeweils zwischen der Welle 101 und dem jeweiligen ersten Ringelement 121, 124 angeordnet. Die Befestigungsabschnitte 107, 108 weisen einen in Axialrichtung röhrenförmig gebildeten Fortsatz des Elements 102 auf. Mittels Ausübens der jeweiligen radialen Spannkraft auf das jeweilige erste Ringelement 121, 124 wird eine Pressverbindung zwischen dem jeweiligen ersten Ringelement 121, den jeweiligen Befestigungsabschnitten 107, 108 und der Welle 101 erzeugt.

[0052] Ferner weist die Strömungsmaschine 100 ein oder mehrere lösbare Spannelemente 123 auf. Das lösbare Spannelement 123 kann beispielsweise eine Schraube sein. Das zweite Ringelement 122 und das Element 101 weisen jeweils eine Bohrung in Axialrichtung auf. Die Schraube als lösbares Spannelement 123 kann zwischen dem zweiten Ringelement 122 und dem Element 102 derart verschraubt werden, dass mittels Einschraubens der Schraube eine axiale Spannkraft erzeugt wird, so dass das zweite Ringelement 122 entgegen der ersten Richtung 109 auf das erste Ringelement 121 aufgeschoben wird, so dass die radiale Spannkraft erzeugt wird.

[0053] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ferner das weitere zweite Ringelement 125 eine Bohrung (insbesondere eine Gewindebohrung) aufweisen, wobei die Bohrungen in dem zweiten Ringelement 122, dem Element 102 und dem weiteren zweiten Ringelement 125 koaxial ausgebildet sind. Somit kann eine Schraube als Spannelement 123 das zweite Ringelement 122, das Element 101 und das weitere zweite Ringelement 125 verbinden und auf das zweite Ringelement 122 und das weitere zweite Ringelement 125 mittels Schraubens eine axiale Spannkraft ausüben. Die Schraube zieht das zweite Ringelement 122 und das weitere zweite Ringelement 125 axial zusammen, so dass dadurch gleichzeitig die radiale Spannkraft des ersten Ringelements 121 und die weitere radiale Spannkraft des weiteren ersten Ringelements 124 erzeugt wird. Somit kann in einfacher Art und Weise schnell die Pressverbindung hergestellt werden. Durch Lösen der Schraube kann in einfacher Art und Weise die erzeugte Pressverbindung gelöst werden, so dass zügig eine Demontage des Elements 102 ermöglicht wird.

[0054] Ferner zeigt die Figur einen ersten Statorring 103 und einen zweiten Statorring 104. Zwischen den beiden Statorringen 103, 104 ist das Element 102, welches in Fig. 1 als Lagerscheibe ausgebildet ist, drehbar und beabstandet zu den jeweiligen Statorringen 103, 104 angeordnet. Die Statorringe 103, 104 erzeugen ein elektromagnetisches Feld, welche den axialen Abstand des Elements 102 zu dem jeweiligen Statorring 103, 104 konstant halten, so dass eine kontaktlose Lagerung ermöglicht wird.

[0055] Die Statorringe 103, 104 können an dem Lagergehäuse 113 befestigt, welches mit einem Lagergehäuse-Oberteil 111 und einem Lagergehäuse-Unterteil 112 an der Turbine ausgebildet ist.

[0056] Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.


Ansprüche

1. Strömungsmaschine (100) aufweisend
ein Gehäuse,
eine relativ zu dem Gehäuse um eine Drehachse (106) drehbar gelagerte Welle (101), wobei eine Radialrichtung (105) senkrecht zur Drehachse (106) verläuft,
ein Element (102) mit einer Durchgangsöffnung,
wobei die Welle (101) durch die Durchgangsöffnung hindurchragt und das Element (102) an einer vorbestimmten Position an der Welle (101) angeordnet ist,
ein erstes Ringelement (121), und
ein zweites Ringelement (122),
wobei das erste Ringelement (121) mit einer ersten in Radialrichtung (105) inneren Fläche und einer ersten in Radialrichtung (105) äußeren Fläche ausgebildet ist,
wobei das zweite Ringelement (122) mit einer zweiten in Radialrichtung (105) inneren Fläche ausgebildet ist,
wobei das erste Ringelement (121) mit der ersten inneren Fläche an der Welle (101) angeordnet ist und das Element (102) mittels des ersten Ringelements (121) an der vorbestimmten Position an der Welle (101) fixiert ist,
wobei das zweite Ringelement (122) mit der zweiten inneren Fläche anliegend auf der ersten äußeren Fläche des ersten Ringelements (121) angeordnet ist, und
wobei die erste äußere Fläche von einem ersten axialen Ende der ersten äußeren Fläche zu einem zweiten axial gegenüberliegenden axialen Ende der ersten äußeren Fläche konisch zuläuft und die zweite innere Fläche komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch zuläuft, sodass mittels eines axialen Verschiebens des zweiten Ringelements (122) relativ zu dem ersten Ringelement (121) das erste Ringelement (121) eine radiale Spannkraft erfährt und damit eine Pressverbindung zwischen dem erste Ringelement (121) und der Welle (101) erzeugt wird.
 
2. Strömungsmaschine (100) nach Anspruch 1,
wobei das Element (102) eine Lagerscheibe ist.
 
3. Strömungsmaschine (100) nach Anspruch 2, ferner aufweisend
einen ersten Statorring (103) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Lagerkraft,
wobei der erste Statorring (103) eine erste Öffnung aufweist, welche größer als die Welle (101) ist, sodass die Welle (101) kontaktfrei zu dem ersten Statorring (103) angeordnet ist, und
wobei der erste Statorring (103) derart angeordnet ist, dass mittels der elektromagnetischen Lagerkraft ein konstanter axialer Abstand oder ein konstanter radialer Abstand zu der Lagerscheibe haltbar ist.
 
4. Strömungsmaschine (100) nach Anspruch 3, ferner aufweisend
einen zweiten Statorring (104), zum Erzeugen einer weiteren elektromagnetischen Lagerkraft,
wobei der zweite Statorring (104) eine zweite Öffnung aufweist, welche größer als die Welle (101) ist, sodass die Welle (101) kontaktfrei zu dem zweiten Statorring (104) angeordnet ist, und
wobei der zweite Statorring (104) derart angeordnet ist, dass sich die Lagerscheibe zwischen dem ersten Statorring (103) und dem zweiten Statorring (104) befindet und dass ein weiterer konstanter axialer Abstand oder ein weiterer konstanter radialer Abstand zwischen dem zweiten Statorring (104) und der Lagerscheibe mittels der weiteren elektromagnetischen Lagerkraft haltbar ist.
 
5. Strömungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das erste Ringelement (121) mit der ersten inneren Fläche an einer Oberfläche der Welle (101) anliegt.
 
6. Strömungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das Element (102) einen Befestigungsabschnitt (107) aufweist, und
wobei der Befestigungsabschnitt (107) zwischen der ersten inneren Fläche des ersten Ringelements (121) und der Welle (101) angeordnet ist, so dass mittels Verschiebens des zweiten Ringelements (122) relativ zum ersten Ringelement (121) das erste Ringelement (121) die radiale Spannkraft erfährt und damit die Pressverbindung zwischen dem erste Ringelement (121), dem Befestigungsabschnitt (107) und der Welle (101) erzeugt wird.
 
7. Strömungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend
ein Spannelement (123) zum axialen Verschieben des zweiten Ringelements (122) relativ zu dem ersten Ringelement (121).
 
8. Strömungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend
ein weiteres erstes Ringelement (124), und
ein weiteres zweites Ringelement (125),
wobei das weitere erste Ringelement (124) mit einer weiteren ersten in Radialrichtung (105) inneren Fläche und einer weiteren ersten in Radialrichtung (105) äußeren Fläche ausgebildet ist,
wobei das weitere zweite Ringelement (125) mit einer weiteren zweiten in Radialrichtung (105) inneren Fläche ausgebildet ist,
wobei das weitere erste Ringelement (124) mit der weiteren ersten inneren Fläche auf der Welle (101) angeordnet ist und das Element (102) mittels des weiteren ersten Ringelements (124) an der vorbestimmten Position an der Welle (101) fixiert ist,
wobei das weitere zweite Ringelement (125) mit der weiteren zweiten inneren Fläche anliegend an der weiteren ersten äußeren Fläche des Weiteren ersten Ringelements (124) angeordnet ist,
wobei das Element (102) zwischen

a) dem ersten Ringelement (121) und dem zweiten Ringelement (122) einerseits und

b) dem weiteren ersten Ringelement (124) und dem zweiten Ringelement (125) andererseits auf der Welle (101) angeordnet ist, und

wobei die weitere erste äußere Fläche von einem weiteren ersten axialen Ende der ersten äußere Fläche zu einem weiteren zweiten axial gegenüberliegenden axialen Ende der ersten äußere Fläche konisch zuläuft und die weitere zweite innere Fläche komplementär zu der weiteren ersten äußeren Fläche konisch derart zuläuft, dass mittels Verschiebens des weiteren zweiten Ringelements (125) relativ zu dem weiteren ersten Ringelement (124) das weitere erste Ringelement (124) eine weitere radiale Spannkraft erfährt und damit eine weitere Pressverbindung zwischen dem weiteren ersten Ringelement (124) und der Welle (101) erzeugt wird.
 
9. Verfahren zum Erzeugen einer Pressverbindung zwischen einem ersten Ringelement (121) und einer Welle (101) einer Strömungsmaschine (100), das Verfahren aufweisend
drehbares Lagern der Welle (101) relativ zu dem Gehäuse um eine Drehachse (106),
wobei eine Radialrichtung (105) senkrecht zur Drehachse (106) verläuft,
Hindurchführen der Welle (101) durch eine Durchgangsöffnung eines Elements (102),
Anordnen des Elements (102) an einer vorbestimmten Position auf der Welle (101),
Anordnen des ersten Ringelements (121) mit einer ersten inneren Fläche des ersten Ringelements (121) auf der Welle (101), wobei das erste Ringelement (121) das Element (102) mittels des ersten Ringelements (121) an der vorbestimmten Position auf der Welle (101) fixiert,
Anordnen einer zweiten in Radialrichtung (105) inneren Fläche eines zweiten Ringelements (122) anliegend auf einer ersten in Radialrichtung (105) äußeren Fläche des ersten Ringelements (121),
wobei die erste äußere Fläche von einem ersten axialen Ende der ersten äußeren Fläche zu einem zweiten axial gegenüberliegenden axialen Ende der ersten äußeren Fläche konisch zuläuft und die zweite innere Fläche komplementär zu der ersten äußeren Fläche konisch zuläuft, und
Verschieben des zweiten Ringelements (122) relativ zu dem ersten Ringelement (121),
wobei mittels des Verschiebens des zweiten Ringelements (122) relativ zu dem ersten Ringelement (121) das erste Ringelement (121) eine radiale Spannkraft erfährt und damit die Pressverbindung zwischen dem erste Ringelement (121) und der Welle (101) erzeugt wird.
 




Zeichnung