Verbindung von rotierenden Bauteilen

Abstract

 Bei einer kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen (1,2), welche im Bereich der Verbindung während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen, erfolgt der Formschluss über einen gestuften Zentriersitz (3). Der Kraftschluss zwischen den beiden Bauteilen erfolgt mittels axial vorgespannter Elemente. Zumindest eines der Bauteile weist einen Hohlraum (6) im Innern auf, in dem ein Einlagering (7) angeordnet ist, welcher während des Betriebes eine radiale Kaft auf den Zentriersitz (3) ausübt. Der vorgespannte Einlagering (7) liegt nur mit einem Teil seiner axialen Erstreckung an dem mit ihm zusammenwirkenden Bauteil (1) an.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine kraft- urrd formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Verbindungen finden sich beispielsweise beim Zusammenfügen von Rotorscheiben von thermisch hochbelasteten Gasturbinen.

Stand der Technik

[0002] Der Rotor einer Turbomaschine besteht im allgemeinen aus mehreren Rotorscheiben, welche axial aneinandergereiht und konzentrisch ausgerichtet sind. Diese Rotorscheiben sind durch einen oder mehrere, Zuganker miteinander verspannt 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 gegeneinander 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

[0003] 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.

[0004] Bei einer Verbindung der eingangs genannten Art wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs erreicht.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0005] 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.

[0006] 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

[0007] Nachstehend sind die rotierenden Bauteile 1 und 2 als Rotorscheiben 1 resp. 2 bezeichnet. Bei einem Rotor für Turbomaschinen sind die einzelnen Rotorscheiben 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 herrrührenden Reibkräfte nicht ausreichen, um eine Dejustierung 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 Materialien bestehen.

[0008] 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 Zentrierversatz 5 am Rotorteil 2.

[0009] 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 Rotation presst er infolge der massenbedigten 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 negativen 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 Betriebstemperaturen der Gasturbinen verursacht werden.

[0010] 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 Spannungsgradienten aus dem Bereich der Kontaktfläche 8 verlagert werden. Gleichzeitig werden diejenigen Zonen der Rotorteile 1 oder 2, in denen unter bestimmten Betriebsbedingungen rissöffnende und damit risswachstumsfördernde oberflächenparallele Zugpannungen 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 Freistich es des jeweils anderen Rotorteils durch eine die zu erwartende Relativbewegungen und Einbautoleranzen übersteigende Verlängerung der Kontaktflächen beider Rotorteile erreicht, dass unter den erwähnten bestimmten Betriebsbedingungen im Berührungsbereich nur noch riss-schliessende und damit risswachstums-verhindernde oberflächenparallele Druckspannungen entstehen.

[0011] In einer weiteren Ausführungsform kann die gegenseitige Zentrierung der Rotorscheiben 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.

[0012] 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 Rotorscheibe auf den Einlagering.

[0013] 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 austenitischen Stahl mit höheren Ausdehnungskoeffizienten, so wird als Werkstoff für den Einlagering 7 vorzugsweise ebenfalls ein Werkstoff mit höheren Ausdehnungskoeffizienten gewählt. Im Falle von_thermisch hochbelasteten Gasturbinen sind diese Materialkombinationen für die Rotorscheiben 1 und 2 durchaus üblich.

Bezugszeichenliste

[0014] 

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

Ansprüche

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 zumindest 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 Kaft auf den Zentriersitz (3) ausübt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlagering (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 Einlagering (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 Zentrierversatz (4, 5) des Zentriersitzes (3) zumindest annähernd zylindrisch oder leicht konisch ausgebildet ist.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentriersitz (3) sowohl vor als auch hinter der Kontaktfläche (8) mit konkaven Freistichen (10) versehen ist, deren der Kontaktfläche zugewandte Ausrundungen 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 Zentrierversatz (4), in dessen Hohlraum (6) der Einlagering (7) untergebracht ist.

8. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentriersitz (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 Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles (1) mit dem negativen Zentrierversatz (5), in dessen Hohlraum (6) der Einlagering (7) untergebracht ist.

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

Zeichnung