Schrumpfverbindung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schrumpf verbindung zweier zylindrischer Teile, insbesondere Induktorkappe mit einem Induktorballen eines Turbogenerators, mit Radialschrumpfsitz zwischen ihnen. Diese Schrumpfverbindung kann zusätzlich einen Axialschrumpfsitz aufweisen.
Das äussere Teil schrumpft nun, während es erkaltet und sich radial, aber auch axial zusammen zieht, erfahrungsgemäss über die axiale Radial schrumpfsitzlänge zuerst nur an einer Stelle auf dem inneren Teil fest und nicht an allen Stellen dieser Länge. Die Lage dieser ersten Stelle ist bei relativ grosser Radialschrumpfsitzlänge nicht vorher bestimmbar.
Im folgenden werden diese Tatsache, ihre Folgen und im Zusammenhang mit dem axialen Schrumpfen auftretende Erscheinungen an zwei Bei spielen einer Schrumpfverbindung einer Induktor kappe mit einem Induktorballen eines Turbogenera tors, wobei die Indüktorkappe das genannte äussere Teil und der Induktorballen das genannte innere Teil ist, näher behandelt. Die Induktorkappe ist dabei stets an einem Axialende des Induktorballens vorgesehen und reicht stets axial über dieses Axial ende hinaus.
Bekannterweise unterliegen die Wickelköpfe am Induktor bei den gebräuchlichen Drehzahlen hohen Fliehkraftbeanspruchungen. Diese radialen Kräfte so wie die durch Wärmedehnung der elektrischen Leiter des Induktors entstehenden axialen Schubkräfte zu sammen mit der Erwärmung der Induktorkappen machen die Induktorkappen zu den höchstbean spruchten Bauteilen im Turbogenerator.
Ausser der daraus folgenden Forderung nach ausreichender Festigkeit des verwendeten Werkstoffes ergibt sich noch die nach einer exakten und durch die Betriebs bedingt auftretenden Kräfte nicht veränderbaren ko axialen Lage der Induktorkappe zum Induktorballen. Jede geringste Veränderung dieser Lage bedeutet für den Induktor eine Unwucht, die zu dynamischen Beanspruchungen der Lager des Induktors und der Fundamente und zu Störungen der Laufruhe des Turbogenerators führt.
Es war früher üblich, die Induktorkappe an ihrem einen Axialende mit dem Induktorballen und an ihrem anderen Axialende über einen Zwischenring mit der den Induktorballen verlängernden Welle durch Radialschrumpfen zu verbinden. Diese Welle ist relativ zum Induktorballen viel elastischer. Die Induktorkappe überbrückt dabei denjenigen Teil die ser elastischen Welle starr, in den vom Induktorballen aus mit einem grossen Radius die statischen und dynamischen Kräfte werkstoffgerecht eingeleitet wer den.
Diese Kräfte wirken sich voll auf die Radial schrumpfverbindungen aus und führen zu Störungen in der genannten Laufruhe, wenn die Radial schrumpfpressung infolge der Drehzahl und der Er wärmung der Induktorkappe nachlässt. Diese Er scheinung zeigt sich ausgeprägt bei grösseren In duktoren, die damit die gesteigerten Anforderungen an die Laufruhe nicht mehr erfüllen.
Zur Behebung dieses Mangels ist bekannt, die Induktorkappe lediglich an ihrem einen Axialende mit dem Ind'uktorballen durch Radialschrumpfen zu verbinden. Für die Beanspruchung der Wickelköpfe ist diese Lösung besonders geeignet, weil die Relativ bewegung zwischen Induktorkappen und Wickel köpfen auf diese Weise vermindert wird.
Mit Fortfall der wellenseitigen Radialschrumpfverbindung steigen allerdings die an der übrigbleibenden in- duktorballenseitigen Radialschrumpfverbindung auf tretenden Beanspruchungen; insbesondere sind höhere axiale Kräfte und radiale Versatzkräfte aufzunehmen. Ausserdem muss diese ballenseitige Radialschrumpf- verbindung nun noch die Induktorkappe beim Auf- schrumpfen in ihrer ganzen Länge relativ zum In duktorballen und zur Welle zu einer genau koaxialen Lage bringen und sie in dieser Lage unverrückbar festhalten.
Eine zur Aufnahme der axialen Kräfte bestimmte Einrichtung liegt am axial äussersten in- duktorballenseitigen Ende der Induktorkappe axial dicht neben dem diesem Gebiet nahen Axialende des Radialschrumpfsitzes. Die radialen Versatzkräfte berücksichtigt man durch einen axial längeren Radial schrumpfsitz, der gleichzeitig die eben genannte genau koaxiale Lage der Induktorkappe bringt und ein Verkanten verhindert.
Beim Aufziehen der erwärm ten Induktorkappe legt sich eine zwischen dem eben genannten Axialende und der eben genannten Ein richtung vorgesehene, durch Eindrehen hergestellte genannte Ringstirnfläche (Schulter) der Induktor kappe fest gegen eine entsprechende Ringstirnfläche des Induktorballens und gibt der Induktorkappe so eine definierte Axiallage. Im Betrieb soll eine feste Anpressung zwischen den beiden Ringstimflächen herrschen.
Gemäss der Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass über die axiale Radialschrumpfsitzlänge unter schiedliche Radialschrumpfmasse vorgesehen sind und nur eines von ihnen das grösste ist. Das äussere Teil schrumpft an der Stelle mit dem grössten Radial schrumpfmass zuerst fest, an den Stellen mit dem kleineren Schrumpfmass bzw. den kleineren Schrumpfmassen jedoch erst später. Somit ist die Lage der Stelle, an der das äussere Teil zuerst festschrumpft, vorherbestimmbar; diese Stelle liegt dort, wo das grösste Radialschrumpfmass vorgesehen ist.
Die Erfindung verhindert oder vermindert so wohl nicht kontrollierbare innere Spannungszustände, insbesondere axiale, als auch zu grosse axiale innere Spannungen des äusseren Teils, denn dieses schrumpft zuerst nicht noch an anderen Stellen fest.
Es ist von Vorteil, wenn über die genannte Länge einzelne Radialschrumpfsitze (Einzelsitze) mit unterschiedlichen Radialschrumpfmassen vorgesehen sind. Solche Einzelsitze sind leicht herstellbar, da sie zylindrisch sind, und durch sie erhält man eine Schrumpfverbindung, sie sich in betriebsfertigem Zu stand in axialer Richtung praktisch nicht lösen lässt.
Vorzugsweise sind die Einzelteile durch radial pressungsfreie Zonen voneinander getrennt. Im Ge biet dieser Zonen gleichen sich Verformungen der beiden am Schrumpfen beteiligten zylindrischen Teile aus. Durch die um die axiale Länge der radial pressungsfreien Zonen vergrösserte axiale Länge der Schrumpfverbindung erhält der äussere Teil eine ver besserte Axialführung, d. h. es werden Schrägstellun gen der ideellen Längsachsen der beiden zylindrischen Teile vermieden. Die radialpressungsfreien Zonen können durch geringes Freidrehen der Radial schrumpffläche(n) des inneren Teils oder/und des äusseren Teils hergestellt werden.
Bei Vorsehen nur zweier Einzelsitze über die genannte Länge ist es für eine gleichmässige Ver teilung der genannten inneren Spannungen besonders günstig, wenn die Radialschrumpfmasse dieser beiden Einzelsitze im Verhältnis 3 : 2 stehen.
Es können bei den genannten zylindrischen Tei len, von denen das äussere axial übersteht, die Radialschrumpfmasse von dem genannten grössten Radialschrumpfmass aus zu dem am Beginn der Überstehlänge befindlichen Axialende des Radial schrumpfsitzes hin abnehmen. Durch einen Radial schrumpfsitz, deren Radialschrumpfmasse, dieses Überstehen vorausgesetzt, über die gesamte Radial schrumpfsitzlänge gleich gross sind, würden an den Axialenden dieses Sitzes, also an den Radial schrumpfkanten, durch die Radialschrumpfung be trächtliche Spannungsspitzen entstehen.
Dort liegt dann nämlich das Maximum der Radialschrumpf- pressung. In dem äusseren Teil entsteht örtlich sehr hohe Beanspruchung. Dadurch entsteht oft eine pla stische Verformung des inneren Teils.
Diese Nachteile werden also durch die eben ge nannten abnehmenden Radialschrumpfmasse vermie den. Man erreicht unter Berücksichtigung der beim Radialschrumpfen auftretenden elastischen Verfor mungen eine annähernd gleiche Werkstoffbeanspru chung über die ganze Schrumpfverbindung ohne Spannungsspitzen an Radialschrumpfkanten.
Wie gesagt, zieht sich das äussere Teil auch axial zusammen, während es erkaltet. Dies ergibt Schwierigkeiten, wenn sich beim Radialschrumpfen durch Durchmessersprünge der beiden zylindrischen Teile gebildete, korrespondierende Ringstirnflächen nicht voneinander entfernen sollen. Diese Anein- anderlage, die bei wärmerem äusserem Teil vorhanden war, ist nach dem Erkalten meist nicht mehr vor handen. Deshalb ist es sehr vorteilhaft, wenn das genannte grössere Radialschrumpfmass im Gebiet die ser Ringstirnflächen vorgesehen ist.
Das äussere Teil schrumpft auf dem inneren in diesem Gebiet zuerst fest, und da in diesem Gebiet nun praktisch keine axiale Längenänderung des äusseren Teils gegenüber dem inneren auftritt, bleibt die genannte Aneinander- lage praktisch erhalten.
Es ist sehr vorteilhaft, bei genannten zylindrischen Teilen, die durch eine Einrichtung zur Aufnahme axialer Kräfte formschlüssig miteinander verbunden sind, das grösste Radialschrumpfmass im Gebiet die ser Einrichtung vorzusehen. Das äussere Teil schrumpft in diesem Gebiet zuerst fest. Somit be findet sich dort eine Feststelle, während die andere Feststelle dort liegt, wo die genannte Einrichtung liegt. Der axiale Abstand dieser beiden Feststellen voneinander ist relativ gering. Somit ist die Axial schrumpfkraft relativ gering, denn diese ist diesem Abstand proportional. Dieser Abstand ist vorher bestimmbar und somit die Axialschrumpfkraft vorher berechenbar.
Würde das äussere Teil zuerst axial weit entfernt von der genannten Einrichtung fest schrumpfen, wird es beim Erkalten durch das axiale Schrumpfen unter relativ grosse Axialspannung ge setzt. Diese kann unzulässig hoch sein.
Ausserdem würde die Axialschrumpfkraft die genannte Ein- richtung im Sinne der axialen Kräfte, die die Ein richtung im Betrieb aufnehmen soll (Betriebsbe lastung), stark vorbelasten. Diese Axialschrumpf- kraft und diese Betriebsbelastung zusammen können eine plastische Verformung dieser formschlüssigen Axialverbindung bzw. der Einrichtung zur Folge haben, durch die es unmöglich wird, das äussere Teil vom inneren wieder abzuziehen. Auch können Brüche der Einrichtung eintreten.
Diese Nachteile vermeidet die obengenannte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist der axiale Abstand der beiden genannten Feststellen auf einen Bruchteil des sonst möglichen axialen Abstandes vermindert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Schrumpfverbindung gemäss der Erfindung in einem Längsschnitt dargestellt. Der äussere Teil ist eine Induktorkappe, der innere ein Induktorballen eines Turbogenerators.
Eine Induktorkappe 10 befindet sich auf einem Axialende eines Induktorballens 11. Durch einen Ring 12 und Ringnuten des Induktorballens 11 und der Induktorkappe 10, in denen sich der Ring 12 befindet, ist eine Einrichtung angedeutet, durch die die Induktorkappe 10 mit dem Induktorballen 11 formschlüssig verbunden ist. Es handelt sich um eine Einrichtung zur Aufnahme axialer Kräfte. Die In duktorkappe 10 ist auf den Induktorballen 11 radial geschrumpft.
Zwei entsprechende Radialschrumpf- einzelsitze sind mit 13 und 14 bezeichnet. Diese sind durch eine radialpressungsfreie Zone voneinander ge trennt. Das Radialschrumpfmass des Einzelsitzes 13 ist grösser als das des Einzelsitzes 14. Beim Aufziehen der warmen Induktorkappe 10 wird diese mit einer Ringstirnfläche (Schulter) 15 fest an eine Ringstirn fläche 16 des Induktorballens 11 geschoben.
Beim Erkalten schrumpft die Induktorkappe 10 dank des genannten grösseren Radialschrumpfmasses zuerst im Gebiet dieses Radialschrumpfmasses radial fest, was den Einzelsitz 13 ergibt, und dann erst im Gebiet des kleineren Radialschrumpfmasses, was den Einzel sitzt 14 ergibt.
Durch die axiale Schrumpfung zwischen dem Teil der Induktorkappe 10, der den Einzelsitz 13 umgibt, und dem Ring 12 presst sich die Ring stirnfläche 15 fester gegen die Ringstirnfläche 16, ohne dabei die genannte formschlüssige Verbindung bzw. den Ring 12 übermässig auf Scherung zu be anspruchen. Die feste Anpressung bedeutet aber im Zusammenwirken mit den Einzelsitzen 13 und 14 und der axialen Verlängerung der Schrumpfver bindung durch die Zone 17 eine gute Sicherung gegen jegliche Lagenänderung der Induktorkappe 10.
In der Zone 17 gleichen sich die Verformungen der Induktorkappe 10 und des Induktorballens 11 aus. Das kleinere Radialschrumpfmass des Einzelsitzes 14 verhindert die Ausbildung von Spannungsspitzen im Radialschrumpfkantengebiet 18; im Hinblick auf die ohnehin sehr hohen Beanspruchungen der Induktor kappe 10 ist dies von wesentlicher Bedeutung. Das grösste Radialschrumpfmass ist also im Ge biet der genannten Ringstirnflächen und- im Gebiet der genannten Einrichtung vorgesehen. Somit sind der genannte axiale Abstand der beiden Feststellen und die Axialschrumpfung sehr klein.
Es ergibt sich nach dem Erkalten der Induktorkappe, dass diese Ringstirnflächen sowohl aneinanderliegen als auch aneinandergepresst sind. Diese Pressung ist aber we gen des relativ geringen axialen Abstandes der Stelle grössten Radialschrumpfmasses von der genannten Einrichtung nicht so gross, als dass die vorn genannten Nachteile eintreten könnten. Die Induktorkappe ist gegen Lagenänderung äusserst gut gesichert. So er geben sich die vorn genannten Vorteile und ferner eine ausgezeichnete genannte Laufruhe und eine Schonung der Befestigungselemente.
Die auf die ge nannte formschlüssige Verbindung bzw. die genannte Einrichtung zur Aufnahme axialer Kräfte wirkenden Axialschrumpfkräfte sind relativ gering und somit auch die resultierende axiale Gesamtbelastung im Betrieb; diese formschlüssige Verbindung bzw. diese Einrichtung verformt sich nur noch elastisch.
Shrink connection The invention relates to a shrink connection of two cylindrical parts, in particular an inductor cap with an inductor barrel of a turbo generator, with a radial shrink fit between them. This shrink connection can also have an axial shrink fit.
The outer part now shrinks, while it cools down and contracts radially, but also axially, based on experience, over the axial radial shrink fit length, initially only at one point on the inner part and not at all points of this length. The position of this first point cannot be determined in advance if the radial shrink fit length is relatively large.
In the following, this fact, its consequences and in connection with the axial shrinkage occurring phenomena at two games of a shrink connection of an inductor cap with an inductor barrel of a turbo generator, the inductor cap being the said outer part and the inductor barrel being the said inner part, closer treated. The inductor cap is always provided at one axial end of the inductor barrel and always extends axially beyond this axial end.
It is known that the winding heads on the inductor are subject to high centrifugal forces at the usual speeds. These radial forces as well as the axial shear forces resulting from the thermal expansion of the electrical conductors of the inductor together with the heating of the inductor caps make the inductor caps one of the most highly stressed components in the turbo generator.
In addition to the resulting requirement for sufficient strength of the material used, there is also the co-axial position of the inductor cap relative to the inductor ball, which cannot be changed after an exact force that occurs due to operation. Every slight change in this position means an imbalance for the inductor, which leads to dynamic stresses on the bearings of the inductor and the foundations and to disturbances in the smooth running of the turbo generator.
It used to be customary to connect the inductor cap at one axial end to the inductor barrel and at its other axial end via an intermediate ring to the shaft extending the inductor barrel by radial shrinking. This wave is much more elastic relative to the inductor ball. The inductor cap bridges that part of this elastic wave rigidly into which the static and dynamic forces are introduced in a material-appropriate manner from the inductor barrel with a large radius.
These forces have a full effect on the radial shrinkage connections and lead to disruptions in the aforementioned smoothness when the radial shrinkage pressure decreases as a result of the speed and the heating of the inductor cap. This phenomenon is more pronounced with larger inductors, which no longer meet the increased requirements for smoothness.
In order to remedy this deficiency, it is known to connect the inductor cap to the inductor ball only at one axial end by means of radial shrinking. This solution is particularly suitable for the stress on the winding heads because the relative movement between the inductor caps and winding heads is reduced in this way.
With the elimination of the radial shrink connection on the shaft side, however, the stresses occurring on the remaining radial shrinkage connection on the inductor ball side increase; in particular, higher axial forces and radial misalignment forces must be absorbed. In addition, this radial shrink connection on the ball side must now bring the inductor cap to an exactly coaxial position when it is shrunk on in its entire length relative to the ball ball and the shaft and hold it immovably in this position.
A device intended to absorb the axial forces is located at the axially outermost end of the inductor cap on the side of the inductor ball, axially close to the axial end of the radial shrink fit close to this area. The radial misalignment forces are taken into account by an axially longer radial shrink fit, which at the same time brings the just mentioned exactly coaxial position of the inductor cap and prevents tilting.
When pulling up the heat th inductor cap lays a provided between the just mentioned axial end and the just mentioned A direction, produced by screwing the said ring face (shoulder) of the inductor cap firmly against a corresponding ring face of the inductor ball and gives the inductor cap so a defined axial position. During operation, there should be firm contact between the two ring faces.
According to the invention it is now proposed that different radial shrinkage masses are provided over the axial radial shrink fit length and only one of them is the largest. The outer part first shrinks firmly at the point with the greatest radial shrinkage dimension, but only later at the points with the smaller shrinkage dimension or the smaller shrinkage dimensions. The position of the point at which the outer part first shrinks can thus be determined in advance; this point is where the greatest radial shrinkage is intended.
The invention prevents or reduces internal stress states that cannot be controlled, in particular axial as well as excessive axial internal stresses in the outer part, because this does not initially shrink in other places.
It is advantageous if individual radial shrinkage seats (individual seats) with different radial shrinkage masses are provided over the length mentioned. Such individual seats are easy to manufacture because they are cylindrical, and through them you get a shrink connection, they stand in the ready to use to stand in the axial direction can practically not be solved.
The individual parts are preferably separated from one another by zones that are free of radial pressure. In the Ge area of these zones, deformations of the two cylindrical parts involved in the shrinkage equalize. Due to the axial length of the shrink connection, which is increased by the axial length of the radially pressure-free zones, the outer part receives an improved axial guidance, i.e. H. there are obliqueness conditions of the ideal longitudinal axes of the two cylindrical parts avoided. The zones free of radial pressure can be produced by slightly turning the radial shrinking surface (s) of the inner part and / or the outer part.
If only two individual seats are provided over the length mentioned, it is particularly favorable for an even distribution of the said internal stresses if the radial shrinkage mass of these two individual seats is in a ratio of 3: 2.
In the case of the aforementioned cylindrical parts, of which the outer one protrudes axially, the radial shrinkage mass from the said largest radial shrinkage mass to the axial end of the radial shrink fit at the beginning of the protruding length can decrease. With a radial shrink fit, the radial shrinkage mass, assuming this protrusion, are the same size over the entire radial shrink fit length, considerable stress peaks would arise at the axial ends of this seat, i.e. at the radial shrinkage edges, due to the radial shrinkage.
The maximum of the radial shrinkage is then namely there. In the outer part there is a very high local stress. This often results in a plastic deformation of the inner part.
These disadvantages are avoided by the decreasing radial shrinkage mass just mentioned. Taking into account the elastic deformations that occur during radial shrinkage, approximately the same material stress is achieved over the entire shrink connection without stress peaks on radial shrink edges.
As I said, the outer part also contracts axially while it cools. This results in difficulties if, during radial shrinking, the corresponding ring end faces formed by jumps in diameter of the two cylindrical parts should not move away from one another. This juxtaposition, which existed when the outer part was warmer, is usually no longer present after cooling. It is therefore very advantageous if the said greater radial shrinkage is provided in the area of the water ring end faces.
The outer part first shrinks firmly on the inner part in this area, and since there is now practically no axial change in length of the outer part compared to the inner part in this area, the abovementioned contact is practically retained.
It is very advantageous, in the case of said cylindrical parts which are positively connected to one another by a device for absorbing axial forces, to provide the greatest radial shrinkage in the area of this device. The outer part first shrinks in this area. Thus, there is a fixed point there, while the other fixed point is where the said facility is located. The axial distance between these two locking devices is relatively small. The axial shrinkage force is therefore relatively low because it is proportional to this distance. This distance can be determined beforehand and thus the axial shrinkage force can be calculated beforehand.
If the outer part were first to shrink firmly axially far away from the device mentioned, it will be placed under relatively great axial stress when it cools due to the axial shrinkage. This can be inadmissibly high.
In addition, the axial shrinkage force would heavily preload the device in the sense of the axial forces that the device is supposed to absorb during operation (operational load). This axial shrinkage force and this operating load together can result in plastic deformation of this form-fitting axial connection or of the device, which makes it impossible to pull the outer part off the inner again. The facility can also break.
The above-mentioned embodiment of the invention avoids these disadvantages. In this embodiment, the axial distance between the two mentioned locking points is reduced to a fraction of the otherwise possible axial distance.
In the drawing, an embodiment of the shrink connection according to the invention is shown in a longitudinal section. The outer part is an inductor cap, the inner one an inductor ball of a turbo generator.
An inductor cap 10 is located on one axial end of an inductor barrel 11. A ring 12 and annular grooves of the inductor barrel 11 and the inductor cap 10 in which the ring 12 is located indicate a device by which the inductor cap 10 is positively connected to the inductor barrel 11 is. It is a device for absorbing axial forces. In the duct cap 10 is radially shrunk onto the inductor barrel 11.
Two corresponding radial shrinkage individual seats are denoted by 13 and 14. These are separated from one another by a zone free of radial pressure. The radial shrinkage of the individual seat 13 is greater than that of the individual seat 14. When the warm inductor cap 10 is pulled up, it is pushed with an annular end face (shoulder) 15 firmly to an annular end face 16 of the inductor barrel 11.
When it cools down, the inductor cap 10 first shrinks firmly in the area of this radial shrinkage amount, which results in the individual seat 13, and only then in the area of the smaller radial shrinkage amount, which results in the individual seat 14.
Due to the axial shrinkage between the part of the inductor cap 10, which surrounds the individual seat 13, and the ring 12, the ring face 15 presses itself more firmly against the ring face 16, without the above-mentioned positive connection or the ring 12 being excessively sheared . The firm contact pressure means, however, in cooperation with the individual seats 13 and 14 and the axial extension of the shrink connection through the zone 17, a good safeguard against any change in the position of the inductor cap 10.
In the zone 17, the deformations of the inductor cap 10 and the inductor barrel 11 compensate one another. The smaller radial shrinkage of the individual seat 14 prevents the formation of stress peaks in the radial shrinkage edge region 18; in view of the already very high stresses on the inductor cap 10, this is essential. The greatest radial shrinkage is therefore provided in the area of the aforementioned ring end faces and in the area of the aforementioned device. Thus, the mentioned axial distance between the two locations and the axial shrinkage are very small.
After the inductor cap has cooled down, the result is that these ring end faces both lie against one another and are pressed against one another. However, because of the relatively small axial distance between the point of greatest radial shrinkage from the device mentioned, this pressure is not so great that the disadvantages mentioned above could occur. The inductor cap is extremely well secured against changes in position. So he give the advantages mentioned above and also an excellent smoothness mentioned and protection of the fasteners.
The axial shrinkage forces acting on the said positive connection or said device for absorbing axial forces are relatively low and thus also the resulting overall axial load during operation; this positive connection or this device only deforms elastically.