CZ277992B6 - Removable joint between a rotor body and a rotary machine shaft - Google Patents

Description

Vynález se týká rozebíratelného spoje mezi tělesem rotoru a hřídelem rotačního stroje, který je úsporný, funkčně a konstrukčně jednoduchý, umožní přenos velkých kroutících momentů, nevyžáduje relativní axiální pohyb mezi spojovanými tělesy, umožňuje přesné centrování mezi spojenými tělesy, takže není třeba vyvažovat tělesa po jejich spojení, což usnadňuje jednoduchou výměnu a záměnu jednotlivě vyvážených rotačních těles, umožňuje rychlé smontování a rozmontování obou spojených dílů, prováděné ze snadno přístupného místa, a hodí se proto obvzláště dobře pro rotační stroje, zejména plynové turbiny a rotační listové stroje.

Podle současného stavu techniky se má těleso určené k otáčení, např. kloub, oběžné kolo nebo zejména kotoučový rotor plynové turbiny, nasadit na rotační hřídel tak, aby bylo možné spoj snadno rozmontovat ze snadno přístupného místa, aby byl spoj dokonale soustředný a mohl přenášet velké kroutící momenty, pak nelze ze zřejmých důvodů použít drážkového hřídele s klíny, poněvadž taková konstrukce hřídel zeslabuje a způsobuje nevyvážení; jediným řešením, je proto použití nuceného komolekuželového spojovacího systému, jaký byl popsán v americkém pat.spise č. 4 516 906.

V tomto známém systému se kroutící moment přenáší z rotačního hřídele na těleso rotoru prostřednictvím radiálního přesahu mezi dvěma komolekuželovými plochami spojovaných těles, přičemž spolupůsobení těchto ploch se dosahuje tím, že se jedna komolekuželová plocha přemisťuje vůči druhé. Konkrétně se komolekuželový konec rotačního hřídele zasune do odpovídající komolekuželové osové dutiny v tělese rotoru a zablokuje se táhlem, které prochází dutým hřídelem a přitahuje k sobě spojovaná tělesa tak, že obě komolekuželové povrchové plochy vzájemně spolupracují, až vznikne mezi nimi přesah, jenž přenáší kroutící moment třením. Taková spojovací soustava však má řadu vážných nedostatků, které v určitých případech znemožňují její použití. Hlavním nedostatkem je nepochybně skutečnost, že komolekuželové dutina v tělese rotoru a komolekuželový konec hřídele, který normálně tvoří pevnou součást spoje a je uložen v nosných a axiálních ložiskách, musí vždycky vykonat axiální relativní pohyb k sobě nebo od sebe. tento pohyb, který může být až několik milimetrů, když jde o spojení velkých těles , např. pro přenos výkonu mezi hřídelem a rotorem v plynových turbinách používaných na zemi, vyvolává řadu problémů, protože choulostivé části rotoru, zejména lopatky, které se při rotaci pohybují svým vnějším okrajem těsně kolem kuželové plochy, se mohou poškodit otěrem nebo se může porušit těsnění. Tato nebezpečí v některých případech prakticky znemožňují použití komolekuželové spojovací soustavy v plynových turbinách i přes její nepopiratelné výhody spočívající v tom, že nesmírně usnadňuje údržbu turbin a umožňuje demontáž z vnějšku stroje. Dalším nedostatkem známých spojovacích soustav je komolekuželový tvar spojovaných ploch, který se obtížně vyrábí i kontroluje a může znemožnit centrování mezi rotorem a hřídelem. Je známé, že to může vyvolat značnou nevyváženost v celé soustavě, takže potom je potřeba dodatečně vyvážit spojený hřídel a rotor, třebaže byly před montáží vyváženy odděleně. Tím je potom znemožněna rychlá záměna rotorů. Dalším nedostatkem je nepříliš vysoký kroutící moment, který může takové komolekuželové spojení přenášet.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje rozebíratelný spoj mezi tělesem rotoru a hřídelem rotačního stroje, sestávající z táhla v dutém hřídeli k zablokování spojovací plochy hřídele na vnitřní spojovací ploše axiální dutiny rotoru vzájemným přesahem při předem stanoveném zatížení, vyvolaném hydraulickou pístovou jednotkou a pojistnou maticí, podle vynálezu, jehož podstatou je, že spojovací plochy jsou válcové a mají stejnou axiální délku a stejný průměr s tolerancí, umo.žňující jejich volné zasunutí do sebe, a na válcové spojovací ploše hřídele jsou vytvořeny podélné mělké drážky s ostrými hranami, rozkládající se po celé její délce a jsou rozmístěny ve stejných vzdálenostech po celém obvodu k vytvoření drážkového čepu, v němž je upraveno komolekuželové vrtání, které má stejnou délku jako válcová spojovací plocha, a má větší průměr na volném konci drážkového čepu a je v kinematické vazbě s komolekuželovou zátkou na konci táhla.

Podélné mělké drážky mají s výhodou šířku odpovídající válcovým plochám, které je oddělují.

Podle výhodného provedení je počet drážek, umístěných ve stejných vzdálenostech po obvodu válcové spojovací plochy hřídele, v rozmezí osmi až dvanácti.

Podélné mělké drážky sahají po celé osové délce spojované válcové plochy, mají ostré hrany vzniklé při jejich mechanickém obrábění a vytvářejí v podstatě drážkový čep, přičemž drážky mají přibližně stejnou šířku jako válcové plochy ležící mezi nimi. Experimentálně bylo zjištěno, že optimálních výsledků se dosáhne při počtu osmi až dvanácti podélných drážek. Větší počet drážek, které by musely být užší, by znemožnil účinně spojení mezi rotujícími součástmi, zatím co menší počet širších drážek by vyvolal pnutí, která by příliš namáhala rotorové těleso. Drážky mají hloubku řádově desetin mm.

Protože drážky mají čistě odlehčovací funkci a jejich účelem je zabránit v určité oblasti styku kontaktu mezi spojovanými díly a tudíž přenosu síly, nemusí být vyrobeny s přesnými tolerancemi a nemusí mít ani speciálně obrobené povrchy, takže jejich vytvoření je jednoduché a levné a nepatrná hloubka nevyvolává zmenšení mechanické pevnosti rotujícího hřídele.

Tahem za táhlo dojde k přitisknutí válcové spojovací plochy hřídele na válcovou plochu axiální dutiny a obě plochy potom drží účinkem tření na sobě. Přitažení lze provést vhodnou pístovou jednotkou, načež se táhlo zablokuje v natažené poloze pojistnou maticí, dokud pístová jednotka napíná táhlo předem stanovenou silou. Působením této síly nastane relativní osový pohyb mezi komolekuželovými plochami zátky a vrtání, který způsobí, že drážkový čep se v radiálním směru roztáhne, což zase radiálně stlačí plochu axiální válcové dutiny v připojovaném tělese rotoru, aniž by bylo potřeba vzájemného axiálního pohybu mezi hřídelem a rotorem.

K elastickému radiálnímu stlačení válcové axiální dutiny působením podélných odlehčovacích drážek ve válcové spojovací ploše rotačního hřídele však dojde pouze v neodlehčených zónách, tedy na válcových plochách mezi podélnými drážkami. Mezi radiálně stlačenými oblastmi jsou tedy ekvidistantní nestlačené oblasti, čímž vzniká pnutí způsobující, že při elastické deformaci vzniknou proti drážkám drážkového čepu vyboulení na válcové ploše válcové axiální dutiny rotoru a tato vyboulení vniknou do drážek hřídele. Během přenosu kroutícího momentu se vyboulení chovají jako soustava mikroklínú, které jsou podle experimentálních testů schopné přenášet dvojnásobné až trojnásobně vyšší kroutící moment než běžný komolekuželový spojovací systém stejné délky a průměru. To umožňuje rozšířit možnost použití spoje podle vynálezu i na takové obory, kde je komolekuželový spojovací systém nevhodný, poněvadž nepřenáší kroutící moment z hřídele na rotor spolehlivě.

Protože výdutě v tělese rotoru a radiální roztažení drážkového čepu hřídele jsou vyvolány pružnou deformací, je samozřejmé, že když přestane působit síla vyvozovaná táhlem na komolekuželovou zátku, pružná deformace vymizí a těleso rotoru se dá snadno demontovat, aniž by se zaseklo, takže rozebírání celého spoje je možno opakovat neomezeně.

Výhodou spoje podle vynálezu je, že je vysoce spolehlivý, nevyžaduje relativní axiální pohyb mezi spojovanými tělesy, umožňuje přenášet velké kroutící momenty a umožňuje optimální centrování hřídele i rotoru, který se dá snadno zaměnit za jiný rotor, aniž.by bylo zapotřebí spojenou soustavu znova vyvažovat.

Tím, že je ve spoji podle vynálezu použito místo komolekuželových ploch válcových ploch, které se jak známo snadněji vyrábějí a kontrolují, je možno ve spoji podle vynálezu udržet rotační hřídel i těleso rotoru v dokonale soustředné poloze a s minimálním zcela zanedbatelným nevyvážením, což umožňuje rychlé, jednoduché a ekonomické vymontování rotorového tělesa a jeho náhradu jiným rotorem, který byl vyvážen zvlášť, odděleně od hřídele. Řešení podle vynálezu je tedy velmi vhodné pro sériovou výrobu a otevírá nové možnosti pro konstrukci rotačních strojů, zejména plynových turbin.

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje dílčí podélný řez částí plynové turbiny, kde je umístěn rozebíratelný spoj podle vynálezu, obr. 2 rozložený axonometrický pohled ve zvětšeném měřítku na rozebíratelný spoj z obr. 1, obr. 3 osový řez spojem z obr. 2 ve smontované podobě, obr. 4 ve velkém zvětšení detail rozebíratelného spoje, ukazující vliv elastického radiálního roztažení a obr. 5 dílčí osový řez obměněným provedením podle vynálezu, které je použitelné pro rotační listový stroj.

Na výkresech je znázorněna statorová skříň 1 výkonového stupně 2. plynové turbiny, Rotor 3 plynové turbiny, který sestává ve znázorněném provedení ze dvou kotoučů nesoucích lopatky, je upevněn na hřídeli 4 nábojem 5, který má válcovou axiální dutinu (obr. 2). Axiální dutina tvoří spojovací plochu 6 rotoru 3, do které je zasunuta válcová spojovací plocha 7. hřídele 4,. Hřídel 4 je dutý a sestává ze dvou koncových kusů 8., 9 a ze střední trubky 10, která je na nich upevněna s přesahem. Koncový kus 8 nese vlastní válcovou spojovací plochu 7 hřídele 4, který je uložen otočně ve dvou podpěrných ložiskách 11, 12 (obr. 1) a v axiálním ložisku 13 , proti němuž leží opěrný kroužek 14 koncového kusu 8 hřídele 4. Ložiska 11, 12 a 13 jsou uložena v nosném dílu 15 skříně 16 plynové turbiny.

Obě válcové spojovací plochy, tedy plocha 6, válcové axiální dutiny v náboji 5 a válcová spojovací plocha 7 na koncovém kusu 8 hřídele 4 mají stejnou osovou délku a v podstatě stejné průměry zvolené tak, aby se spojovací plocha 6 dala nasunout na spojovací plochu 7 jednoduše a volně. Spojovací plocha 7 je opatřena podélnými drážkami 17 s ostrými hranami, které jsou mělké a rozkládají se po celé osové délce spojovací plochy 7. Drážky jsou rozmístěny ve stejných vzdálenostech po obvodu válcové spojovací plochy 7, čímž vznikne drážkový spojovací čep 18, v němž je vytvořeno komolekuželové vrtání 20. Drážky 17 mají s výhodou stejnou šířku jako dílčí válcové plochy 19., které je oddělují (obr. 2).

Podle výhodného provedení vynálezu mají drážky 17 takovou šířku, aby jich bylo na obvodu drážkového čepu 18 osm až dvanáct. Axiální vrtání 20 v drážkovém čepu 18 má komolekuželový tvar, přičemž jeho větší průměr leží u volného konce 21 drážkového čepu a spolupracuje s komolekuželovou zátkou 22 , spojenou pevně s koncem táhla 23.. Táhlo 23 prochází vnitřkem dutého hřídele za účelem zablokování válcových spojovacích ploch 6 a 7 vzájemným radiálním přesahem při určité předem stanovené tahové síle. Tuto tahovou sílu vyvozuje neznázorněná hydraulická pístová jednotka a síla je pak udržována pojistnou maticí 24., která je našroubována na druhý závitový konec 23¹ táhla 23 a dosedá na přední okraj 25 koncového kusu 9 hřídele 4..

Axiální pohyb zátky 22, vyvolaný tahem za táhlo 23 , způsobí, že se drážkový čep 18 radiálně roztáhne: to má za následek, že válcové plochy 19 mezi drážkami 17 na spojovací ploše 7 stlačují vnitřní plochu 6 válcové axiální dutiny v náboji 5. rotoru 3. Toto střídavé elastické stlačení způsobí, že vnitřní plocha 6 válcové axiální dutiny se vyboulí do drážek 17 drážkového čepu 18 a vzniklá vyboulení 29 potom působí při přenosu kroutícího momentu jako mikroklíny (obr. 4).

V obměněném provedení znázorněném na obr. 5, které je zvláště vhodné pro rotační listové stroje, kde se přenášejí podstatně menší kroutící momenty, je použito duté komolekuželové zátky 26, která umožňuje napnutí táhla 27 procházejícího touto zátkou 26, působením pojistné matice 24., umístěné na stejném konci hřídele 4 jako zátka 22. K tomuto účelu má táhlo 27 závitový konec 23¹ pro pojistnou matici 24, zatím co jeho druhý konec 28., opatřený rovněž závitem, se dá zašroubovat do rotačního hřídele 4' , který nemusí být dutý.

Claims (3)

1. Rozebíratelný spoj mezi tělesem rotoru a hřídelem rotačního, stroje, sestávající z táhla v dutém hřídeli k zablokování spojovací plochy hřídele na vnitřní spojovací ploše axiální dutiny rotoru vzájemným přesahem při předem stanoveném zatížení, vyvolaném hydraulickou pístovou jednotkou a pojistnou maticí, vyznačující se tím, že spojovací plochy (6, 7) jsou válcové a mají stejnou axiální délku a stejný průměr s tolerancí, umožňující jejich volné zasunuti do sebe, a na válcové spojovací ploše (7) hřídele (4) jsou vytvořeny podélné mělké drážky (17) s ostrými hranami, rozkládající se po celé její délce a jsou rozmístěny ve stejných vzdálenostech po celém obvodu k vytvořeni drážkového čepu (13), v němž je upraveno komolekuželové vrtání (20), které má stejnou délku jako válcová spojovací plocha (7), a má větší průměr na volném konci (21) drážkového čepu (18) a je v kinematické vazbě s komolekuželovou zátkou (22) na konci táhla (23).

2. Rozebíratelný spoj podle nároku 1, vyznačující se tím, že podélné mělké drážky (17) mají šířku odpovídající válcovým plochám (19), které je oddělují.

3. Rozebíratelný spoj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že počet podélných mělkých drážek (17), umístěných ve stejných vzdálenostech, po obvodu válcové spojovací plochy (7) hřídele (4), je mezi osmi a dvanácti.