Sicherheitskupplung mit Schrumpfring Zum Schutz von Maschinenteilen gegen Drehmoment überlastung, durch welche wesentliche Teile beschädigt werden können, werden Sicherheits- oder überlastkupp- lungen, sogenannte Bruchkupplungen, Bruchscheiben, konische Schrumpfverbindungen usw. zwischen einem treibenden und einem angetriebenen Teil verwendet. Die Wirkungsweise dieser Kupplungen b--ruht darauf, dass ein schwächerer Teil bei Überlastung bricht oder die Kupplungshälften gegeneinander verrutschen.
Erfah rungsgemäss ist jedoch ein solcher Teil oft der über mündung unterworfen, wodurch er nach einer gewissen Zeit bei erheblich geringeren Belastungen als denen, für die er vorgesehen ist, also vorzeitig, bricht. Handelt es sich um konische Schrumpfkupplungen, welche insbe sondere als sogenannte Universalkupplungen für Walz werke bekanntgeworden sind, so werden diese beispiels weise auf runde Zapfen oder Walzenhälse mit einem definierten Konus aufgeschrumpft. Bei Überlastung dreht sich die Kupplung auf dem Hals, wobei jedoch beide Teile zusammenhaften und der Kupplungskopf sich auf dem Hals festfrisst und nicht abgebaut werden kann.
Gemäss einer anderen bekanntgewordenen Anordnung wird bei einer konischen Schrumpfverbindung der Koni- zitätswinkel der aufeinander aufgeschrumpft-.n Kupp lungsteile so -gewählt, dass er kleiner ist als der Selbst hemmungswinkel der verwendeten Werkstoffe, wobei zu sätzlich zwischen den Kupplungsteilen Druckelemente, insbesondere Federn, verwendet werden. Diese zusätz lichen Druckeldmente bewirken beim Lösen der Kupp lungsteile, dass die Schrumpfflächen auseinander ge drängt werden.
Es ist klar, dass die Verwendung von zusätzlichen Bauteilen bei einer Schrumpfkupplung de ren Fertigung und Montage nicht vereinfacht. Ausserdem besteht die Gefahr, dass derartige Druckelemente ihre Vorspannung während des Betriebes verlieren und da durch gegebenenfalls der gewünschte Effekt nicht mehr erzielt wird.
Die als bekannt angeführten Sicherheits- und Über lastkupplungen werden also ausschliesslich zur Vermei- dung von Drehmomentüberlastungen, beispielsweise bei Walzanlagen, angewendet, deren Wirkung aber in jedem Fall durch zu grosse Drehmomente ausgelöst wird.
Im Gegensatz zu diesen bekannten überlastkupplun- gen bezieht sich die Erfindung auf eine Sicherheitskupp lung, welche durch Überdrehzahlen ausgelöst wird. Dabei handelt es sich um eine Sicherheitskupplung zwischen einer treibenden und einer getriebenen Welle, bei wel cher zur direkten oder indirekten Drehmomentübertra- gung ein oder mehrere Schrumpfringe dienen. Erfin dungsgemäss sind die Abmessungen des Schrumpfringes bzw. der Schrumpfringe und die Masse der Schrumpf sitze auf der getriebenen Welle so gewählt, dass ober halb einer definierten Drehzahl die durch Fliehkräfte verursachten Dehnungen den Schrumpfsitz lösen.
Die Anordnung einer nach der Erfindung als Schrumpfverbindung ausgebildeten Kupplung soll also vor Überdrehzahlen schützen.
Das Prinzip der Erfindung sei mittels der Fig. 1 der Zeichnung beschrieben; die weiteren Figuren geben an hand von Beispielen Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung an.
Die Fig. 1 stellt einen Schnitt durch eine Schrumpf verbindung zwischen einer treibenden Welle 1 und einer getriebenen Welle 5 dar. Erstere ist mit der Scheibe 2 durch Schrauben 3 und Stifte 4 kraftschlüssig verbun den, während letztere mit der Scheibe 6 durch die Schrau ben 7 und die Stifte 8 ebenfalls kraftschlüssig verbunden ist. Über beide Scheiben 2, 6 greift radial der Schrumpf ring 9, welcher durch seinen Schrumpfsitz die form- und kraftschlüssige Verbindung, in diesem Falle indirekt über die Scheiben 2, 6, zwischen den Wellen 1, 5 bewirkt.
Der 'Schrumpfring 9 ist so bemessen, dass er bis zu einer definierten Drehzahl das zu erwartende Drehmo ment vom treibenden zum getriebenen Teil überträgt, dass er aber bei Überschreiten dieser definierten Drehzahl sich durch die Fliehkräfte abhebt, also seinen Schrumpf sitz löst und somit den Kraftfluss zwischen der treiben den Welle 1 und der getriebenen Welle 5 unterbricht. Bei der Anwendung einer solchen Kupplung als Sicherheitskupplung für einen Wasserkraftgenerator zum Stillsetzen des Generators bei durchgehender Turbine er gibt sich beispielsweise bei einem Durchmesser der Schei ben 2 und 6 von 2600 mm ein Schrumpfmass von 3,7 0.1 mm, um bei einer Durchgangsdrehzahl von 1200 U/ min ein sicheres Entkuppeln zu gewährleisten.
Die in der Fig. 1 dargestellten Axialstifte 10 dienen der zentrischen Halterung des Schrumpfringes 9, wo durch gleichzeitig eine Verschiebung in Umfangsrich tung hinsichtlich der Scheibe 2 verhindert wird. Beim Lösen des Schrumpfsitzes des Schrumpfringes 9 genügt es also, wenn die Scheibe 6 in ihrer relativen Winkel- b2wcgung frei vom Schrumpfring, also unabhängig, wird. Die ebenfalls in der Fig. 1 gezeichneten Sicherungen 11 verhindern. dass die Stifte bzw. Axialstifte 10 aus ihren Bohrungen heraustreten.
Die in der Fig. 2 dargestellte Schrumpfverbindung z%%vischen der treibenden Welle 1 und der getriebenen Welle 5 ist ähnlich wie die nach der Fig. 1. Es sind lediglich die Scheiben 2 und 6 durch die Ringe 12, 13 esctzt. dementsprechend auch die Stifte 4, 8 durch die Stifte 14, 15. Eine Anordnung mit Ringen 12, 13, welche gegebenenfalls sogar aus Ringsegmenten aufgebaut sein können, wird dann besonders zweckmässig sein, wenn es s=ich um Wellen mit relativ grossem Durchmesser handelt.
In Fig. 3 wird in Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung gezeigt, wie der Schrumpfring 9, ent sprechend der Fig. 1, nunmehr in zwei Teile 9, 19 auf geteilt und damit axial unterteilt ist; dabei sind die beiden Teile 9, 19 mittels der Schrauben 16 und Mutter 17 verspannt, während die Radialstifte 18 das Dreh- =_noment von der einen Schrumpfringhälfte, nämlich dem Teil 9, zur anderen Schrumpfringhälfte, dem Teil 19, übertragen. Eine derartige Anordnung wird besonders zur leichteren Demontage der Wellen getroffen.
In der Fig. 4 wird ebenfalls in Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung eine Schrumpfverbindung zeigt, welche mit einem Schrumpfring 20 und einem weiteren Schrumpfring 21 ausgebildet ist. Im Normal betriebszustand, d. h. bei Drehzahlen, die unterhalb der definierten Drehzahl liegen, wird das Drehmoment im wesentlichen über den Schrumpfring 20 übertragen wer den. und zwar über dessen Schrumpfsitzfläche 45 auf die Scheibe 6. Die ausserdem durch die Teile 25 gesi cherten Radialstifte 24 bewirken eine Drehmomentüber- tragung vom Schrumpfring 20 auf den weiteren Schrumpf ring 21 und damit über dessen Schrumpfringsitzfläche 47 ebenfalls auf die Scheibe 6.
Der Schrumpfring 20 ist nun so bemessen, dass er sich nach Erreichen der defi nierten Drehzahl von der Schrumpfringsitzfläche 46 ab hebt und somit nicht mehr direkt auf die Scheibe 6 sein Drehmoment überträgt, sondern nur noch ein Restdreh moment indirekt über den weiteren Schrumpfring 21. Dieser ist nun so ausgelegt, dass er erst nach einer höheren definierten Drehzahl sich von seiner Schrumpf ringsitzfläche abhebt, wodurch dann der Kraftfluss zwi schen den Scheiben 2 und 6 und damit zwischen der treibenden Welle 1 und der getriebenen Welle 5 end gültig unterbrochen ist. Der Schrumpfring 20 überträgt also im wesentlichen das Betriebsdrehmoment.
Eine Anordnung wie nach der Fig. 4 ist wegen der verschiedenen Abhebedrehzahlen beispielsweise bei Was serkraftgeneratoren mit senkrechter Welle besonders vor teilhaft, also bei Anordnungen, bei denen die Turbine mit dem Generator über einen Wellenstrang verbunden wird. Wegen des möglichen Versagens der Turbinen regelung bzw. der der automatischen Wasserabsperr- vorrichtungen bei plötzlicher Entlastung des Genera- tors muss nämlich dieser festigxeitsmässig für die höchst mögliche Turbinendrehzahl, die sogenannte Durchgangs drehzahl, ausgelegt sein.
Besonders bei Kaplan- und Francis-Turbinen liegt die Durchgangsdrehzahl weit Tiber der Betriebsdrehzahl und erschwert und verteuert regelung bzw. der, der automatischen Wasserabsperr- ratoren; die obere Leistungsgrenze dieser Maschinen wird dadurch massgeblich beeinflusst, da die Fliehkräfte bekanntlich vom Quadrat der Drehzahl abhängig sind.
Die Regel- und Absperrvorrichtungen der Turbine sind nun meist so eingestellt, dass die Turbinen bei plötzlicher Entlastung und Abschaltung des Generators vom Netz bis zur sogenannten Regulierdrehzahl, die etwa 20 bis 3% über der Betriebsdrehzahl liegt, durch- gehen und dann stillgesetzt werden. Nur im ungünstig sten Fall, wenn alle Schutzeinrichtungen versagen, kann die Durchgangsdrehzahl erreicht werden.
Daraus folgt, dass diesz an sich für die Bemessung der Generatoren massgebliche Drehzahl fast niemals betriebsmässig, auch nicht in Gefahrenmomenten, erreicht wird; andererseits begrenzt sie erheblich die mögliche Generatorleistung.
Durch die Anordnung nach der Fig. 4 wird nun gerade besonders die Beherrschung derartiger Betriebs zustände wesentlich erleichtert und damit dessen höchst mögliche Drehzahl herabgesetzt. Liegt beispielsweise die Nenndrehzahl einer derartigen Anordnung bei 1000 U/ min, so würde die Durchgangsdrehzahl meist das 1.8- fache betragen, also 1800 U/min; die Regulierdrehzahl liegt dann etwa bei 1200 Umdrehungen.
Nach der Er findung wird man im vorliegenden Falle den Schrumpf ring 20 so bemessen, dass er sich oberhalb der Nenndreh zahl, die gleich der definierten Drehzahl, also gleich der B triebsdrehzahl von 1000 U/min, ist, abhebt und damit nur noch der weitere Schrumpfring 21 kraft- und formschlüssig mit der Scheibe 6 verbunden ist und somit zur Drehmomentübertragung beiträgt. D. h.. dass die Reibzahl te des Schrumpfringes 20 zweckmässigerweise grösser ist als die des weiteren Schrumpfringes 21; da durch wird das Betriebsdrehmoment sicher übertragen werden.
In dem Bereich zwischen einer Drehzahl von 1000 und einer solchen von 1200 U/min, also im soge nannten Regulierbereich, wird aber kein nennenswertes Drehmoment mehr von der Turbine, also der treibenden Welle 1, auf den Generator, also auf die getriebene Welle 5, zu übertragen sein; der Generator ist dann nämlich vom Netz getrennt und braucht demnach keine Leistung mehr abzugeben. In diesem Drehzahlbereich braucht also nur noch dasjenige Drehmoment übertra gen zu werden, das notwendig ist, um die Lagerreibungs- und Luftreibungsverluste des Generators zu decken. Die ses geschieht dann mittels des weiteren Schrumpfrings 21.
Erst nach Überschreiten der Regulierdrehzahl, also der Drehzahl von 1200 U/min, wird sich durch geeigne te Bemessung der weitere Schrumpfring 21 dehnen und schliesslich abheben und dadurch den Kraftfluss zwi schen der Turbine und dem Generator endgültig unter brechen; die Drehzahl der getriebenen Welle 5, also der Generatorwelle, sinkt dann.
In jedem Falle wird sowohl bei einer Anordnung nach dem Beispiel der Fig. 4 als auch ganz allgemein zwischen dem'Schrumpfring 20 oder auch dem Schrumpf ring 21 und der Scheibe 6 kurz vor dem Abheben und beim Aufsetzen der Schrumpfringe 20, 21 ein Schlüpfen eintreten. Zur Verringerung der Reibung während dieses Schlupfvorganges wird in Weiterbildung des Gegenstan des der Erfindung vorgeschlagen, dass die den Schrumpf sitz bewirkenden Teile ganz oder teilweise aus einem gut gleitenden Werkstoff hergestellt oder mit einem sol chen Werkstoff überzogen sind.
In der Fig. 4 wäre das der in Schwalbenschwänzen im weiteren Schrumpfring 21 geführte Gleitwerkstoffüberzug 23, welcher beispiels weise aus Messing oder Bronze gebildet sein kann. Da durch wird die Gefahr des Festfressens während des Schlupfvorganges weitgehend vermindert werden kön nen. Reicht aber eine derartige Anordnung noch nicht aus, so kann - ebenfalls in Weiterbildung des Gegen standes der Erfindung - vorgesehen werden, dass man die Berührungsflächen beim Lösen der Schrumpfverbin dung durch Schmiermittel schmiert. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist ebenfalls noch in der Fig. 4 dargestellt.
Die dort dargestellte abgeschlossene Kam mer 22 ist im Normalzustand mit einem Schmiermittel angefüllt. Dieses wird bei Rotation radial nach aussen gepresst werden, kann aber nicht in die Schrumpfsitz flächen 47 eintreten, da es daran durch den Schrumpf sitz gehindert wird. Erst im Moment des Schlupfvorgan- ges, also wenn bereits ein Abheben des weiteren Schrumpfringes 21 von der Scheibe 6 beginnt, kann das Schmiermittel in die Schrumpfsitzfläche 47, also bei spielsweise nach links und rechts, von der abgeschlosse nen Kammer 22 aus eintreten und so zur Schmierung der Schrumpfsitzfläche 47 beitragen.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird vor geschlagen, dass die den Schrumpfsitz bewirkenden Teile beim Schlupfvorgang ganz oder teilweise zerstört werden. Dieses ist besonders dann möglich und zweck- mässig, wenn unter normalen Umständen, wie im wei ter oben angeführten Beispiel eines Wasserkraftgene- rators, mit der sofortigen Wiederinbetriebsetzung nach einem Schlupfvorgang nicht gerechnet zu werden braucht.
Bei einem Durchgehen einer Turbine eines Wasserkraft- generators, das, wie gesagt, sehr selten vorkommt, muss anschliessend der Maschinensatz stillgesetzt und inspi ziert werden; unter diesen Umständen wird in den mei sten Fällen eine Zerstörung des Schrumpfsitzes beim Schlupfvorgang durch diesen zugelassen werden können. Vor Neuinbetriebsetzung müssen dann lediglich die Kupplung bzw. deren zerstörte Teile ausgewechselt wer den. Es ist dieses noch immer wesentlich billiger, als den Generator auf die Durchgangsdrehzahl auszulegen. Die weiter oben beschriebene Anordnung mit dem Gleit- werkstoff und/oder dem Schmiermittel kann nämlich u.
U. als nicht ausreichend erachtet werden; für diesen Fall ist dann die Zerstörung der den Schrumpfsitz be wirkenden Teile vorzusehen. Man muss nämlich darauf achten, dass nach dem Durchgehen der Turbine diese ja wieder stillgesetzt wird und dass dann der Schrumpf ring nicht mehr durch die Fliehkraft von seinem Schrumpfsitz abgehoben wird. Der Generator wird aber nur noch mit geringer Drehzahl laufen oder sogar schon zum Stillstand gekommen sein und würde, falls der Schrumpfsitz nicht zerstört wird und falls ausserdem die Gleitung des Schrumpfsitzes nicht in einwandfreier Weise gewährleistet werden kann, plötzlich und rück artig wieder beschleunigt werden.
Die dabei auftreten den Kräfte sind praktisch nicht voraussehbar und rela tiv sehr gross; sie würden gegebenenfalls zu erheblichen Zerstörungen führen.
Eine Anordnung zur Zerstörung der den Schrumpf sitz bewirkenden Teile beim Schlupfvorgang wird in der Fig. 5 dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen der nach der Fig. 1. Es ist lediglich die Scheibe 6 am Aussen durchmesser gerillt, wodurch die jeweilige Auflagefläche zwischen der Scheibe 6 und dem Schrumpfring 9 ver kleinert und somit der Schrumpfsitz zwischen diesen beiden Teilen beim Schlupfvorgang zerstört wird.
Die Fig. 6 zeigt wiederum eine Kupplungsanordnung mit geteiltem Schrumpfring, dessen Teile 9, 19 wie in der Fig. 3 verspannt sind. Auf der Seite des Teils 19 ist jedoch eine Zwischenlage in Form eines Ringes 27 ein geschrumpft und gegen Verschiebung zum Teil 19 ge sichert, dessen gerillte Oberfläche beim Schlupfvorgang durch die Scheibe 29 zerrieben wird. In Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung ist es vorteilhaft, die den Schrumpfsitz bewirkenden Teile, bei der Fig. 6 bei spielsweise den Ring 27, ganz oder teilweise aus einem Material herzustellen, welches unter Einwirkung der beim Schlupfvorgang auftretenden Reibung zerrieben wird oder fliesst.
Dieses Material braucht also lediglich auf Druck beanspruchbar zu sein, wie es beispielsweise bei Aluminium der Fall ist.
Selbstverständlich kann eine Schrumpfkupplung, wie sie in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, auch bei flanschlosen Wellen 30, 31 entsprechend der Fig. 6 verwendet werden, wobei die Scheiben 28, 29 durch 'Schrauben 32 und Stifte 33 mit den Wellen 30, 31 verbunden sind. In Weiterbildung des Gegestandes der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwischen den Schrumpfring bzw. die Schrumpfringe und den angetriebenen Teil bzw. die angetriebenen Teile Zwischenlagen eingesetzt, vorwiegend eingeschrumpft, werden, welche beim Schlupf - vorgang zerstört und/oder in benachbarte Kammern, Nuten o. ä. geschoben werden.
Ein Beispiel für eine derartige Anordnung wird in der Fig. 7 und im zuge hörigen Schnitt, Fig. 8, dargestellt. Hier wird wiederum eine Kupplungsanordnung ähnlich der nach der Fig. 1 angegeben. Zwischen dem Schrumpfring 9 und der Schei be 6 sind jedoch Zwischenlagen 34 eingeschrumpft. Sie sind so ausgebildet, dass sie beim Schlupfvorgang, also bei einer Relativbewegung zwischen dem Schrumpfring 9 und der Scheibe 6 im Sinne der Pfeile 48, 49, jeweils in die Nuten oder Kammern 35 geschoben werden. Das Material der Zwischenlagen 34 braucht nur auf Druck festigkeit ausgelegt zu sein, während es bei Zug- oder Reibungsbeanspruchung zerstört werden kann.
Eine Zerstörung des Schrumpfsitzes kann in Weiter bildung des Gegenstandes nach der Erfindung auch da durch erreicht werden, dass in dessen Bereich Werk zeug eingesetzt sind, die beim Schlupfvorgang den Schrumpfsitz bis unter das Schrumpfmass zerspanen. Eine derartige Anordnung wird in den Fig. 9 und 10, letztere im Schnitt zur ersteren, angegeben. Die dort dargestellte Anordnung zeigt eine Ausführungsart, bei der der Schrumpfring 41 nur auf der getriebenen Seite angebracht ist und über die Radialstifte 42 mit der auf der Antriebsseite angebrachten Scheibe 40 zur Dreh momentübertragung verbunden ist, ohne den Schrumpf ring 41 am Dehnen zu hindern.
Die Halteklammern 43 sichern den Schrumpfring gegen axiale Verschiebungen oberhalb der Trenndrehzahl und verhindern gleichzeitig ein Herausschleudern der Radialstifte 42. Durch Ein setzen von Werkzeugen 44 in Werkzeughaltern 45 im Bereich des Schrumpfsitzes wird beim Schlupfvorgang ein Zerspanen bis unter das Schrumpfmass erreicht. Dazu reicht das Werkzeug 44 mit seiner Schneidkante entsprechend weit in die Scheibe 6 hinein. Es ist zweck- mässig, mehrere Werkzeuge 44 anzuordnen, um genü gend Platz für den Span zu erhalten.
Da die Schrumpfmasse möglichst gross sein sollen, um die Beeinflussung der Trenndrehzahl durch die Fer tigungstoleranzen gering zu halten, besonders bei klei nen Kupplungsdurchmessern bzw. kleinen Drehzahlen, wird die Anbringung zusätzlicher Gewichte am Schrumpf ring in Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung vorgeschlagen. Ein Beispiel zeigt die Fig. 11. Hier sind die Zusatzgewichte 36, 37 zu beiden Seiten des Schrumpf rings 50 in Rillen eingehängt, nach Art eines Hammer kopfes, und mittels der Schrauben 38 und der Muttern 39 verspannt. Der sonstige Aufbau der in dieser Figur dargestellten Anordnung entspricht der nach der Fig. 5.
Die bisher beschriebenen Massnahmen gegen die Reibungskräfte beim Schlupfvorgang, insbesondere also die Verwendung von geeigneten Werkstoffen, Schmier mitteln oder der spanabgebenden Verfordmung dienen den Werkzeugen, kann durch folgende Weiterbildung des Gegestandes der Erfindung ersetzt oder ergänzt werden: Beim Lösen des Schrumpfsitzes wird der Schrumpfring in axialer Richtung verschoben und da durch verhindert, dass bei Flichkraftentlastung, also bei einem Mindern der Drehzahl, die Pressung zwischen dem Schrumpfring 9 und der Scheibe 6, beispielsweise entsprechend der Fig. 1, wieder auftritt.
Es würde also der Schrumpfring 9 nach rechts durch beispielsweise Federkraft abgeschoben sein. Selbstverständlich ist es in diesem Falle notwendig, die der axialen Halterung des Schrumpfrings 9 dienenden Maschinenelemente weg zulassen. Besonders bei Anordnungen mit senkrechter Welle ist diese axiale Verschiebung einfach, wenn deren Richtung parallel zur Schwerkraft erfolgt und durch diese ausgelöst wird; dieses ist ebenfalls Gegenstand einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung.
Um genügend Fliehkräfte für das Abheben des Schrumpfringes nach der Erfindung zur Verfügung zu haben, ist es nach einem weiteren Erfindungsvorschlag zweckmässig, diesen beispielsweise gleichzeitig als Ro tor einer elektrischen Maschine auszubilden; besonders vorteilhaft ist das dann, wenn es sich um eine Schrumpf verbindung zwischen einem Generator und einer Turbine einer Wasserkraftanlage handelt und man so die Schrumpfverbindung als Rotor für eine elektrische Hilfs maschine, beispielsweise eine Erregermaschine für den Generator, verwendet. Man spart dadurch an Material und auch an Platz.
Dadurch, dass die Schrumpfringe mit einer gewissen Masse behaftet sein müssen, um nach Erreichen der definierten Drehzahl ihren Schrumpfsitz zu lösen, kann man diesan Schrumpfringen auch gleichzeitig die Funk tion eines Schwungrades geben; besonders in diesem Falle, aber auch in allen anderen Fällen bei Anordnun gen nach der Erfindung ist es selbstverständlich zweck mässig, die Schrumpfverbindung zur Verringerung der Luftreibung ganz oder teilweise gekapselt auszubilden.