Zusammengesetzter Rotor für Strömungsmaschinen

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Rotor für Strömungsmaschinen, welcher in wellenloser Bauart durch kräfteübertragend zusammengefügte Rotorteile (2, 4, 5, 12, 17, 18) gebildet wird. Mit zwei gegenläufig ausgebildeten Gewindeabschnitten (10, 14; 11, 13) ausgestattete Fügemittel (7) verspannen die Rotorteile (2, 4, 5, 12, 17, 18) gegeneinander sowie gegen damit anzubringende Wellenteile.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches.

[0002] Durch die US-A-2 619 317 ist ein derartiger Rotor für Strömungsmaschinen bekannt, wobei auf einem Rezeß geführte Laufräder mit Hilfe von Schraubringen zusammengefügt sind. Infolge von Temperatureinflüssen können im Bereich der Verbindungsstellen plastische Verformungen auftreten, wodurch ein Lösen der Verbindung möglich wird. Die seinerzeitige Verbesserung sah die zusätzliche Verwendung von Zentrierringen vor, die dichtend zwischen den miteinander zu verschraubenden Laufrädern anzuordnen sind.

[0003] Die verbindenden Schraubringe können als separates Bauelement oder als integraler Bestandteil des Rotorteiles ausgebildet sein. Von mindestens zwei vorhandenen Gewindeabschnitten, übernimmt nur ein Gewindeabschnitt die Kräfteübertragung, während der andere Gewindeabschnitt durch sein großes Spiel nur eine Sicherungsfunktion ausübt. Bei einer zu großen Auslenkung der Rotorteile wird deren Bewegung durch Anlage der Flanken des Sicherungsgewindes begrenzt. Das Drehmoment wird durch die Reibungskräfte zwischen dem Zentrierring und den Rotorteilen sowie über die Reibung im verbindenden Gewinde übertragen. Trotz des hohen Fertigungsaufwandes dieser Lösung sind die Vorspannkräfte der jeweiligen Verbindung aufgrund der Reibungskräfte am Zentrierring nur sehr ungenau einstellbar. Die elastisch nachgiebig gestalteten Schraubringe sollen auf den Rotor einwirkende Temperatureinflüsse ausgleichen. Dieses Konstruktionsprinzip, das Drehmoment nur durch Reibungskräfte zwischen den zu verbindenden Rotorteilen zu übertragen, läßt diese Lösung langfristig ungeeignet erscheinen. Maschinenrevisionen mit einer Demontage und anschließender Montage der Rotorteile beeinflussen die Qualität der Verbindung negativ.

[0004] Einfachere Verbindungsmöglichkeiten mittels Steckverbindungen sind durch die DE-A-23 12 342 sowie die US-A-3 269 323, US-A-3 269 324 und US-A-1 551 402 bekannt. Diese Konstruktionen sind nur verwendbar für geringe Belastungen, d.h. geringe Umfangsgeschwindigkeiten und kleine Drehmomente.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für mehrstufige und hochbelastete Strömungsmaschinen einen an verschiedene Einsatzbedingungen einfach anpaßbaren Rotor in wellenloser Ausführung zu entwickeln. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches. Weitere Ausgestaltungen der Lösung finden sich in den Unteransprüchen.

[0006] Die Vorteile dieser Bauart sind vielfältiger Natur. Die zentrierende und formschlüssige Verbindung zwischen den stirnseitig aneinanderliegenden Laufradteilen übernimmt stirnseitig die Drehmomentübertragung und Zentrierung des Rotors. Hierbei liegt in einer Ebene das eine Laufradteil an dem angrenzenden Laufradteil kräfteübertragend zentrierend an. Diese Verbindung ist mit wenig Aufwand als Verzahnung oder entsprechende Gestaltung präzise herzustellen. Die die Laufradteile gegeneinander pressenden Fügemittel ermöglichen durch ihre unterschiedlichen Gewindeabschnitte ein zuverlässiges Aneinanderpressen der miteinander zu montierenden Teile. Das Fügemittel kann einen Abschnitt geringeren Durchmessers und/oder Wandstärke aufweisen, wodurch eine bessere Einstellbarkeit der Vorspannkräfte ermöglicht wird. Desgleichen kann für jede Verbindung die jeweils gewünschte Vorspannung in einfachster Weise eingestellt werden. In Abhängigkeit von der später Anwendung findenden Drehrichtung des Rotors sind die Gewindeabschnitte so angeordnet, daß die Drehrichtung der Maschine den Verband nicht lösen kann. Zusätzliche Verdrehsicherungen bekannter Bauart sind im Bedarfsfall verwendbar.

[0007] Der wesentliche Vorteil dieser Verbindung besteht in der Aufteilung der zu übertragenden Kräfte. Das zu übertragende Drehmoment wird ausschließlich durch die stirnseitige formschlüssige Verbindung zwischen den Naben der zu verbindenden Rotorteile aufgenommen. Die Axialkräfte übernehmen die sich in gleicher Richtung erstreckenden Fügemittel. Die Fügemittel weisen in ihrem Inneren oder an ihren Stirnseiten eine formschlüssige Gestaltung auf, welche es ermöglicht, mit Hilfe eines entsprechend geformten und einführbaren Werkzeuges die Verschraubung vorzunehmen. Um den Einfluß von Temperaturdifferenzen auf die Verbindung gering zu halten, sind die Formstücke hohl ausgebildet. Dadurch kann der Wellenverband in axialer Richtung von einem Teil des Fördermittels durchströmt werden und die Temperaturdifferenzen im Bereich der Fügestellen lassen sich somit reduzieren. Weiterhin besteht der Vorteil, daß keine pumpenstufenabhängige Lagerhaltung von Antriebswellen mehr erforderlich ist. Antriebswellenzapfen bzw. Wellenlagerzapfen können mit den jeweiligen Lager- oder Dichtungseinheiten als Baugruppen bevorratet werden, um im Bedarfsfall mit den entsprechenden Laufradteilen zu einem einheitlichen Rotor zusammengesetzt zu werden. Ein eventuell notwendiges Entlastungswasser einer Achsschubentlastungseinrichtung kann ebenfalls durch den Rotor zur Seite mit geringerem Druck zurückgeführt werden. Außenliegende Umführungsleitungen sind nicht mehr erforderlich. Gleichzeitig ergibt sich hierbei der Vorteil einer schnellen und gleichmäßigen Erwärmung bzw. Abkühlung des gesamten Strömungsmaschinenaggregates.

[0008] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1

einen Montageabschnitt beim Zusammenbau einer mehrstufigen Strömungsmaschine und die

Fig. 2

eine vollständig montierte Strömungsmaschine.

[0009] Die Fig. 1 zeigt am Beispiel einer mehrstufigen Kreiselpumpe den Montagevorgang eines wellenlosen Rotors. In deren Einlaufbereich (1) ragt ein Wellenstumpf (2) hinein, der mit einer als Stirnverzahnung ausgebildeten zentrierenden und formschlüssigen Gestaltung (3) an einer entsprechend ausgebildeten Stirnverzahnung eines ersten Laufrades (4) anliegt. Die Habe des ersten Laufrades (4) weist auf ihrer druckseitigen Rückseite ebenfalls eine formschlüssige Gestaltung (3) auf, in die eine entsprechend verzahnte Nabe eines zweiten Laufrades (5) eingreift. Die Trennstelle zwischen den Laufrädern (4, 5) liegt hier im Bereich des Überganges von der ersten zur zweiten Stufe. Das Laufrad (6) einer fünften Stufe ist hier am Montagebeginn gezeigt. Ein Fügemittel (7), welches mit einer als Innensechskant ausgebildeten Kontur (8) ausgestattet ist, kann durch ein entsprechend gestaltetes Werkzeug (9) in Drehbewegung versetzt werden. Es ist auch jede andere kräfteübertragende Form des Werkzeuges (9) mit einer entsprechend ausgebildeten Gestaltung des Fügemittels denkbar.

[0010] Für die Montage wird das Fügemittel (7) stirnseitig in ein bereits montiertes Laufrad bzw. einem Wellenzapfen eingeführt und mit seinem Gewinde (10) am Gewinde (11) des hier bereits montierten Laufrades (12) zur Anlage gebracht. Desgleichen wird das zu montierende Laufrad, hier (6), mit seinem inneren Gewinde (13) am zweiten Gewinde (14) des Fügemittels (7) zur Anlage gebracht. Die miteinander zu verbindenden Laufradteile werden festgehalten und durch eine Rotationsbewegung des Fügemittels (7) gegeneinander gezogen und miteinander verspannt. Wenn zum Beispiel die Gewinde (10, 11) als Linksgewinde ausgebildet sind, dann sind die Gewinde (13, 14) als Rechtsgewinde ausgebildet. Es kann aber auch die umgekehrte Anordnung Verwendung finden. Dies ist abhängig von der jeweiligen Drehrichtung des Wellenverbandes sowie der Belastung desselben. Die jeweilige Gewindedrehrichtung wird so gewählt, daß die gefährdetste Belastungsdrehrichtung auf die Gewindeverbindungen zusammenziehend einwirkt. Entsprechend den in der Strömungsmaschine vorherrschenden Axialkräften wird die Wandstärke des Fügemittels sowie die Gewindeausbildung gestaltet. Infolge der hier Anwendung findenden gegenläufigen Gewindeabschnitte kann in einfachster Weise eine zuverlässige und schnelle Montage bzw. Demontage erfolgen.

[0011] Bei Verwendung von gegenläufigen Gewinden können die Gewindesteigung gleich oder unterschiedlich sein. Sollen dagegen für die zu verbindenden Teile Gewinde mit gleichläufigen Gewindeabschnitten Verwendung finden, dann müssen beispielsweise die Gewinde (10, 11) einen kleineren Durchmesser aufweisen und die Steigung der Gewinde (10, 11) muß zu der Steigung der Gewinde (13, 14) unterschiedlich sein. Infolge der kleineren Durchmesser können die Fügemittel durch die Naben hindurchgesteckt und mit den benachbarten Teilen verbunden werden. Die Gewindelänge muß entsprechend angepaßt werden.

[0012] Die in der Zeichnung dargestellten ersten drei Fügemittel (7) verbinden das Laufrad (4) mit dem Wellenzapfen (2) sowie die Laufräder der ersten drei Stufen untereinander und weisen beispielhaft zusätzliche Dichtelemente (15) auf. Diese sind hier als O-Ringe ausgebildet und liegen dichtend an der Nabeninnenseite an. Sie haben die Aufgabe, den jeweiligen Stufendruck abzudichten. Ihre Verwendung kann abhängig sein von den Betriebsbedingungen und den Anforderungen, die an die Strömungsmaschine gestellt werden.

[0013] In der Fig. 2 ist eine komplett montierte dreistufige Strömungsmaschine in Form einer Kreiselpumpe gezeigt. Insgesamt vier gleiche Fügemittel (7) verbinden drei Laufrädern (4, 5, 12) untereinander und mit einem Wellenzapfen (2), welcher hier als Antriebswellenzapfen dient. Ein kleineres, keine Durchströmöffnung aufweisendes Fügemittel (16), verbindet in gleicher Weise einen Lagerzapfen (17) mit einem am letzten Laufrad (12) angeschraubten Entlastungskolben (18). Für Montagezwecke ist der Lagerzapfen (17) durchbohrt und mit einem Stopfen (19) verschlossen. Das den Entlastungskolben (18) passierende Entlastungswasser strömt durch Bohrungen (20, 21) und durch die hohl ausgebildeten Fügemittel (7) zurück zum Einlaufbereich (1). Durch die Ausbildung der Verzahnung als zentrierendes und kräfteübertragendes Element sowie durch die Anordnung der unterschiedlichen Gewinde in den Nabenbereichen der Laufräder ergibt sich ein sehr schwingungssteifer, für hohe Belastungen verwendbarer Rotor. Zwischen den Gewinden der Fügemittel (7) ist ein Abschnitt (22) geringerer Wandstärke vorhanden. Dieser kann auch, im Gegensatz zur hier gewählten zeichnerischen Darstellung, im Bereich des Außendurchmessers des Fügemittels (7) angeordnet sein. Damit wird eine genauere Einstellung der Vorspannkräfte erleichtert.

Ansprüche

1. Strömungsmaschine mehrstufiger Bauart, deren Laufräder sowie damit zu verbindende Wellenzapfen durch mit Gewinde versehene, innenliegende Fügemittel zu einem wellenlosen Rotor zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß stirnseitig aneinanderliegende Rotorteile (2, 4, 5, 12, 17, 18) mit einer zentrierenden und formschlüssigen Gestaltung (3) drehmomentübertragend koppelbar sind, daß die Rotorteile (2, 4, 5, 12, 17, 18) durch im Nabenbereich angeordnete, mit unterschiedlichen Gewinden (10, 14) ausgestatteten Fügemittel (7) gegeneinander verspannbar sind, wobei die Gewinde (10, 14) der Fügemittel (7) in entsprechend unterschiedlich gestaltete Gewinde (11, 13) der Rotorteile eingreifen.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügemittel (7) mit im Nabenbereich der Rotorteile (2, 4, 5) anliegenden Dichtelementen (15) versehen sind.

3. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügemittel (7) mit einer kräfteübertragenden Kontur (8) für ein damit verbindbares Werkzeug (9) versehen sind.

4. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (10, 14) der Fügemittel (7) und die Gewinde (11, 13) der Rotorteile gegenläufig ausgebildet sind.

5. Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindesteigungen unterschiedlich sind.

6. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (10, 14) der Fügemittel (7) und die Gewinde (11, 13) der Rotorteile gleichläufig sowie mit unterschiedlicher Steigung ausgebildet sind.

7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindepaarungen ein Hindurchstecken der Fügemittel (7) ermöglichende unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

8. Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gewinden (10, 14) der Fügemittel (7) ein Abschnitt (22) geringerer Wandstärke angeordnet ist.

9. Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrierende und formschlüssige Gestaltung (3) der Rotorteile als Verzahnung ausgebildet ist.

10. Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Fügemittel (7) und/oder Rotorteile (2, 17) mit Durchströmungsöffnungen (20, 21) versehen sind.

11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenzapfen (2, 17) ausgebildete Rotorteile ganz oder teilweise hohl ausgebildet sind.

12. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die als Wellenzapfen (2, 17) ausgebildeten Rotorteile mit einem geschlossenen Fügemittel (16) verbindbar sind.

Zeichnung