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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren, die dazu dienen
benachbarte Enden von Turbinenläuferwellen
aneinander zu befestigen und sie betrifft insbesondere Kupplungen
zwischen axial fluchtend ausgerichteten Dampfturbinenläuferwellen, die
geeignet sind, die zwischen Lagern vorhandene Spannweite zu reduzieren,
die Steifigkeit eines Laufrads zu erhöhen und das Einrichten zusätzlicher
Läuferstufen
oder eine Verringerung der Länge
des Laufrads zu ermöglichen.
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Aufgrund
von für
die Läuferwellen
bestehende Materialbelastungsgrenzen ist es im Falle von Läufersträngen von
Turbinen, insbesondere bei Dampfturbinen, häufig erforderlich, Läuferwellen
in einem vorgegebenen Dampfstrompfad axial fluchtend aneinander
zu befestigen. Die Befestigung nimmt in axialer Richtung Raum in
Anspruch, der die Lager-Lager-Spannweite
vergrößert. In
typischen axialen Befestigungen für fluchtend ausgerichtete Läuferwellen
weisen die Enden axial benachbarter Läuferwellen Flansche mit fluchtenden
Bolzenbohrungen auf, die es ermöglichen,
die Flansche mittels Bolzen/Schrauben unmittelbar aneinander zu
verbinden. Es ist daher offensichtlich, dass die der Befestigung
der Flansche dienenden Wellenendabschnitte beträchtlichen zusätzlichen
a xialen Raum benötigen, um
deren Befestigung unterzubringen. Dies wiederum erhöht die Gesamtlänge zwischen
Lagern, mit der Folge einer unerwünschten Reduzierung der Laufradsteifigkeit.
Folglich hat es sich als erstrebenswert erwiesen, benachbarte Läuferwellenendabschnitte
in einer Weise zu verbinden, die die Spannweite zwischen Lagern
reduziert, um so die Steifigkeit des Laufrads zu erhöhen und
engere Toleranzen und eine Erhöhung
der Anzahl von Turbinenstufen oder eine Verringerung der Laufradlänge zu ermöglichen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, sind Vorrichtungen und Verfahren geschaffen,
um die benachbarten axial fluchtend ausgerichteten Endabschnitte
von Turbinenläuferwellen
im Wesentlichen ohne eine Erhöhung
der axialen Spannweite des Laufrads miteinander zu verbinden. Um
dies zu erreichen, umfasst einer der Endabschnitte des Laufrads
einen herkömmlichen
Flansch mit einer um den Umfang angeordneten Reihe von Bohrungen,
die dazu dienen, Befestigungselemente, z.B. Bolzenschrauben, aufzunehmen.
Der gegenüberliegende
Endabschnitt umfasst allerdings ein benachbartes Laufrad, das mit
einer um den Umfang angeordneten Reihe von Öffnungen, d.h. Durchgangsbohrungen
ausgebildet ist, die mit den durch den in dem Flansch der benachbarten Welle
ausgebildeten Durchgangsbohrungen fluchten. Somit sind das Laufrad
und der Flansch der benachbarten Läuferwellenendabschnitte unmittelbar aneinander
befestigt, wobei die Befes tigungselemente von den fluchtend ausgerichteten
Bohrungen aufgenommen werden und sich durch diese erstrecken.
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Darüber hinaus
dienen eine Vielzahl von Segmenten an der dem Flansch abgewandten
Seite des Laufrads dazu, in Verbindung mit den Befestigungselementen
den Flansch und das Laufrad gegeneinander zu klemmen. Die Segmente
bilden außerdem
mit den radialen gegenüberliegenden
Zwischenwänden
Dichtungen. Die Segmente weisen ein oder mehrere Durchbohrungen
auf, um die Befestigungselemente entgegen zu nehmen, die die Wellenendabschnitte
miteinander verbinden. Die Segmente weisen darüber hinaus in radiale Richtung
weisende gekrümmte
Dichtungsflächen
auf, die an einer zwischen dem Laufrad und einem benachbarten Laufrad
auf der gleichen Welle befindlichen axialen Position den Zwischenwanddichtungen
radial gegenüberliegen.
Somit verfügen
die Segmente über
Dichtungsflächen,
die mit den radial gegenüberliegenden Labyrinthzähnen der
Zwischenwanddichtungen zusammenwirken. Mittels dieser Anordnung
wird zusätzlicher
axialer Raum gewonnen, um Turbinenstufen hinzuzufügen, zwischen
Lagern vorhandene axiale Spannweite zu reduzieren und Steifigkeit
zu erhöhen,
mit der Folge einer erheblichen Leistungssteigerung der Turbine.
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In
einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist eine Turbine geschaffen, die ein Laufrad mit einer Achse aufweist,
und zu der gehören:
diskrete erste und zweite axial fluchtend ausgerichtete Wellen,
eine zwischen axial benachbarten Enden der Wellen angeordnete Kupplung,
zu der ein auf einer der Wellen ausgebildeter Flansch und ein auf
einer weiteren der Wellen angeordnetes Laufrad gehören, wobei
der Flansch und das Laufrad mit entlang des Umfangs beabstandeten
Bohrungen ausgebildet ist, die axial miteinander fluchtend ausgerichtet sind,
und Befestigungselemente, die durch die fluchtend ausgerichteten
Bohrungen hindurch aufgenommen sind, um den Flansch und das Laufrad
aneinander zu sichern, wodurch die erste und zweite axial fluchtend
ausgerichtete Welle aneinander befestigt werden.
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In
einem weiteren bevorzugten, der vorliegenden Erfindung gemäßen Ausführungsbeispiel
ist eine einen Strompfad aufweisende Turbine vorgesehen, die ein
Laufrad aufweist, das eine Achse aufweist, und zu der erste und
zweite axial fluchtend ausgerichtete Läuferwellen gehören, wobei
die erste Welle einen Endflansch aufweist, der mit einer Vielzahl
von entlang des Umfangs beabstandeten, sich durch den Flansch hindurch
erstreckenden Bohrungen versehen ist, wobei die zweite Welle ein
Laufrad aufweist, mit einer Vielzahl von entlang des Umfangs beabstandeten
Bohrungen, die zu den Bohrungen des Flansches fluchtend ausgerichtet
sind, mit Gewinde versehene Muttern, die mit den Bohrungen fluchten
und auf einer dem Flansch abgewandten Seite des Laufrads angeordnet
sind, und mit Gewinde versehene Befestigungselemente, die durch
die fluchtend ausgerichteten Bohrungen ragen und mit den Muttern
in Gewindeeingriff stehen, um den Flansch und das Laufrad aneinander
zu koppeln.
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In
einem weiteren, bevorzugten, der vorliegenden Erfindung gemäßen Ausführungsbeispiel
ist ein Verfahren geschaffen, um axial fluchtend ausgerichtete Wellen
eines Turbinenläufers
aneinander zu befestigen, mit den Schritten: Hin durchführen von Befestigungselementen
durch axial fluchtend ausgerichtete Bohrungen, die in einem Endflansch
einer der Wellen und in einem Laufrad einer weiteren der Wellen
ausgebildet sind, und Festziehen der Befestigungselemente an den
Flansch und das Laufrad, um die Wellen aneinander zu sichern.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine fragmentarische
Schnittansicht eines Bereichs einer Turbine, wobei nach dem Stand
der Technik miteinander befestigte diskrete Turbinenwellen veranschaulicht
sind;
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2 veranschaulicht in einer
fragmentarischen Schnittansicht eine Befestigung zwischen benachbarten
diskreten Turbinenwellen gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt in einer ähnlichen
Ansicht wie 2 ein weiteres
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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4 zeigt eine perspektivische
Ansicht von Segmenten, die einen Teil der Befestigung zwischen benachbarten
Läuferwellen
bilden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Nun
Bezug nehmend auf die Figuren der Zeichnungen, insbesondere auf 1, ist eine allgemein mit 10 bezeichnete
Turbine veranschaulicht, die ein Laufrad 12 aufweist, das
durch axial fluchtend ausgerichtete und miteinander verbundene diskrete Läuferwellen 14 bzw. 16 gebildet
wird. Die Läuferwelle 14 bildet
einen Bestandteil eines stromaufwärts gelegenen Turbinenabschnitts
und umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 18 und Düsen 20,
die mehrfach Stufen der Turbine 10 bilden und in einem
heißen Gaspfad 22 angeordnet
sind. Die Schaufeln 18 sind an Läuferwellenlaufrädern 24 befestigt,
während
die Düsen 20 von
einem feststehenden Gehäuse 26 aus radial
nach innen ragen. In ähnlicher
Weise umfasst die Läuferwelle 16 eine
Vielzahl von Schaufeln 28 und Düsen 30 in einem stromabwärts gelegenen
Turbinenabschnitt, wobei die Düsen 30 an
dem feststehenden Gehäuse 32 befestigt
sind. An Turbinenrädern 34 sind
Schaufeln 28 angeordnet.
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Die
beiden Turbinenläuferwellen 14 und 16 sind
auf herkömmliche
Weise in axial fluchtender Stellung aneinander befestigt, indem
ein Paar Flansche 36 und 38 an deren Verbindungfläche aneinander
geklemmt sind. Die Flansche 36 und 38 sind jeweils
mit Bohrungen 40 versehen, die fluchtend ausgerichtet sind,
um Befestigungselemente 42, beispielsweise Stifte oder
Bolzenschrauben, entgegen zu nehmen. Die veranschaulichten Stifte
weisen an entgegengesetzten, mit Gewinde versehenen Enden Muttern 44 auf,
und es ist klar, dass Bolzenschrauben mit einem an einem Ende vorgesehenen
Gewinde und mit einem an einem gegenüberliegenden Ende vorgesehenen
Schraubenkopf verwendet werden können.
Wie zu sehen, benötigen
die beiden axial aneinander befestigten Flansche von dem einen zu dem
anderen eine beträchtliche
axiale Distanz des Turbinenabschnitts, was zu Wirkungsgrad- und
Leistungsverlusten führt.
Insbesondere wird die zwischen den Lagern bestehende Spannweite
des Laufrads erhöht,
mit der Folge, dass das Laufrad nachgiebiger und das Hinzufügen von
Turbinenstufen verhindert wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind, wie in 2 und 3 veranschaulicht, eine neuartige
Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen, um benachbarte Enden von
Läuferwellen
miteinander so zu verbinden, dass die Spannweite von Lager zu Lager
reduziert wird, dass die Laufradsteifigkeit gesteigert wird und
dass ein Einrichten zusätzlicher
Läuferstufen
oder eine Verringerung der Laufradlänge ermöglicht wird. Um das Vorausgehende
zu erreichen und mit Bezug auf 2 ist
in ähnlicher
Weise wie in 1 ein Laufrad 50 vorgesehen,
das stromaufwärts und
stromabwärts
angeordnete Turbinenabschnitte 51 bzw. 53 aufweist,
die axial miteinander verbundene Läuferwellen 52 und 54 aufweisen.
Die Wellen 52 und 54 tragen auf Laufrädern 60 bzw. 62 befestigte Schaufeln 56 und 58.
Der Turbinenabschnitt 51 umfasst Düsen 64, die an dem
feststehenden Gehäuse 66 befestigt
sind, während
der Turbinenabschnitt 53 Düsen 68 trägt, die
an der feststehenden Komponente 70 befestigt sind. In dem
in 2 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
ist das stromaufwärts
gelegene Ende der Läuferwelle 54 mit
einem herkömmlichen
Flansch 72 versehen, der dazu dient, mit dem gegenüberliegenden
Endabschnitt der Läuferwelle 52 verbunden
zu werden. Der Flansch 72 ist mit antlang des Umfangs beabstandeten,
sich axial erstreckenden Öffnungen 74 versehen.
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Im
Gegensatz zu dem in 1 veranschaulichten
Stand der Technik weist die Läuferwelle 52 keinen
Verbindungsflansch auf. Vielmehr endet der Endabschnitt der Läuferwelle 52 mit
dem Laufrad 60 der letzten Stufe des Turbinenabschnitts.
Das Laufrad 60 weist eine Vielzahl von entlang des Umfangs beabstandeten,
sich axial erstreckenden Bohrungen 76 auf, die zu den durch
den Flansch 72 der Welle 54 ausgebildeten Durchbohrungen 74 fluchten.
Um die Wellen 52 und 54 aneinander zu sichern,
werden Befestigungselemente 78 durch die fluchtenden Öffnungen 74 und 76 hindurchgeführt. Jedes
Befestigungselement 78 kann eine Bolzenschraube oder einen Bolzenstift
umfassen, bei dem wenigstens ein Ende 80 mit einem Gewinde
versehen ist, um in Gewindeeingriff mit einem Innengewinde einer
Mutter oder eines Segments 82 zu kommen, das zwischen dem
zu dem Ende der Turbinenwelle 52 benachbarten Laufrad 60 der
letzten Stufe und dem nächsten
stromaufwärts
gelegenen Laufrad 84 des Turbinenabschnitts 52 angeordnet
ist. Es ist einsichtig, dass die Muttern oder Segmente 82 um
den Umfang herum voneinander beabstandete sind, zwischen den benachbarten Laufrädern 60 und 84 des
Turbinenabschnitts 52 angeordnet sind, und nach dem Einschrauben
der Enden der Befestigungselemente 78 in die Gewinde ein Aneindanderklemmen
des Flansches 72 und des Laufrads 60 ermöglichen.
Das gegenüberliegende Ende
des Befestigungselements kann eine Mutter 86 oder der Kopf
einer Bolzenschraube sein. Folglich werden die Wellen 52 und 54 mit
dieser Anordnung durch den Eingriff der Befestigungselemente durch die
auf einer Welle vorgesehenen Flansche und ein Laufrad auf der benachbarten
Welle hindurch aneinander gekoppelt.
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Mit
Bezugnahme auf 4 weist
jedes Segment 82 zusätzlich
zu einer Nabe 90, die mit dem Innengewinde 92 versehen
ist, eine radial äußere Dichtungsfläche 94 und
einen Flansch 96 auf, der axial aus der Nabe 90 hervorragt.
Es ist einsichtig, dass wenn die Segmente 82 an dem Laufrad 60 befestigt werden,
diese entlang des Umfangs zueinander fluchtend ausgerichtet werden.
Die Dichtungsflächen 94 der
Segmente 82 bilden eine kreisförmige Dichtungsfläche 95,
die sich über
einen Winkel von 360° um
die Läuferwelle 52 erstrecken.
Die Dichtungsflächen 94 sind
zu Dichtungsringsegmenten 98 radial gegenüberliegend
angeordnet, die von den Zwischenwänden 100 der feststehenden
Komponente getragen werden. Die Dichtungsringsegmente 98 tragen
Labyrinthdichtungszähne 102 (4), die zwischen den Stufen
wirkende Dichtungen vorsehen. Folglich ermöglichen die Segmente 82 das
Zusammenklemmen der benachbarten Wellen 52 und 54 und
tragen ferner zum Abdichten zwischen den Stufen zwischen benachbarten
Laufrädern
bei. Darüber hinaus überlappt
der auf den Segmenten 82 ausgebildete axial sich erstreckende
Flansch 96 eine Schulter oder einen Rand 106,
der auf dem nächsten stromaufwärts benachbarten
Laufrad 84 ausgebildet ist. Die Flansche 96 und
die Schulter 106 wirken in Verbindung mit den Befestigungselementen 78 zusammen,
um zu verhindern, dass sich die Segmente 82 um die Achse
der Befestigungselemente 78 drehen. Die Schulter 106 verläuft vorzugsweise,
jedoch nicht notwendig, kreisförmig
um die Achse des Turbinenläufers.
Somit bilden die zusammenwirkenden Oberflächen der Flansche 96 und
der Schulter 106 eine eine Drehung verhindernde Struktur
für jedes Segment 82.
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In
dem Ausführungsbeispiel
nach 2 sind die Segmente
auf dem stromaufwärts
gelegenen Turbinenabschnitt 51 und der Welle 52 angeordnet.
In dem in 3 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel sind
die Segmente 82 auf dem stromabwärts gelegenen Abschnitt der
Turbinenwelle angeordnet. In 3 werden
für Teile,
die mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel übereinstimmen,
dieselben Bezugszeichen um "100" erweitert verwendet.
In dem Ausführungsbeispiel
nach 3 tragen der stromaufwärts gelegene
Turbinenabschnitt 151 und die Welle 152 einen
herkömmlichen
sich radial erstreckenden Flansch 172, der mit um den Umfang
herum voneinander beabstandeten Bohrungen 174 ausgebildet
ist. Der stromabwärts
angeordnete Turbinenabschnitt 153 und die Welle 154 tragen
ein eine erste Stufe bildendes Laufrad 162, das um den
Umfang herum voneinander beabstandete Bohrungen 120 aufweist,
die mit den durch den Flansch 172 ausgebildeten Bohrungen 174 fluchten.
Um die Wellen 152 und 154 aneinander zu sichern,
werden daher Befestigungselemente 178 durch die fluchtend
ausgerichteten Bohrungen 174 und 120 geführt. Das
mit Gewinde versehene Ende eines jeden Befestigungselements 178 wird
in die mit einem Innengewinde versehene Nabe 90 eines Segments 82 geschraubt,
wobei das Laufrad 162 und der Flansch 172 aneinander
geklemmt und dementsprechend die Wellenabschnitte 152 und 154 aneinander
geklemmt werden. Das gegenüberliegende
Ende des Befestigungselements 178 kann, wie in dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel,
einen Bolzenschraubenkopf oder eine Mutter 186 umfassen.
In dieser Ausführungsform
sind die Segmente 82 in axialer Konfiguration umgekehrt
angeordnet, so dass die Flansche 196 auf dem Rand 206 aufliegen,
der um das Laufrad 208 der stromabwärts nächsten Stufe des Turbinenabschnitts 210 ausgebildet
ist. Somit stellt die Anordnung in 3 eine
Umkehrung der Anordnung in 2 dar.
Es ist ferner zu beachten, dass die Flächen 94 der Segmente 82 radial
gegenüberliegend
angeordnet sind zu Dichtungsringsegmenten 198, die auf
den Zwischenwänden
des stromabwärts
angeordneten Turbinenabschnitts 153 ausgebildet sind, wobei
das Dichtungsringsegment und das Segment 82 zwischen den
Stufen wirkende Dichtungen bilden.
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Zur
Befestigung von diskreten axial fluchtend ausgerichteten ersten
und zweiten Turbinenwellen 52, 54, 152, 154 gehört ein an
dem einen Ende einer Welle 52, 152 vorgesehener
Flansch 72, 172 und ein auf der anderen Welle
angeordnetes Laufrad 60, 162. Bohrungen, die durch
den Flansch und das Laufrad in axial fluchtender Stellung ausgebildet sind,
nehmen Befestigungselemente 78 auf, die das Laufrad und
den Flansch aneinander sichern und dadurch die Wellenabschnitte
aneinander befestigen. Die Befestigungselemente greifen in Segmente 82 ein,
die auf der dem Flansch abgewandten Seite des Laufrads angeordnet
sind, um ein Zusammenklemmen des Flansches und des Laufrads aneinander
zu ermöglichen.
Die Segmente weisen außerdem
gekrümmte äußere Flächen 94 auf,
die mit radial gegenüberliegenden
Labyrinthzähnen 102 von
Dichtungsringsegmenten, die einstückig mit den Turbinenzwischenwänden ausgebildet
sind, Dichtungsflächen
bilden.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, es
ist allerdings selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein
soll, sondern vielmehr vielfältige
Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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- 10
- Turbine
- 12
- Rotor
- 14,
16
- Läuferwellen
- 18,
56, 58
- Schaufeln
- 20,
30, 64
- Düsen
- 22
- Heißer Gaspfad
- 24,
34, 60, 62, 84, 162, 208
- Laufräder
- 26,
32, 66
- Gehäuse
- 36,
38, 72, 96, 172, 196
- Flansche
- 40,
74, 76, 120, 174
- Bohrungen
- 42,
78, 178
- Befestigungselemente
- 44,
82, 186
- Schrauben
- 50
- Rotor
- 51,
53, 151, 153, 210
- Turbinenabschnitte
- 52,
54, 152, 154
- Läuferwellen
- 70
- Feststehende
Komponente
- 80
- Ende
- 90
- Nabe
- 92
- Innengewinde
- 94,
95
- Abdichtende
Flächen
- 98
- Dichtungsringsegmente
- 100
- Zwischenwände
- 102
- Labyrinthdichtungszähne
- 106,
206
- Ränder