DE102008060571A1

DE102008060571A1 - Montagevorrichtung für ein Rotorsystem einer Axial-Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102008060571A1
Application number: DE102008060571A
Authority: DE
Inventors: Werner Humhauser
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2010-06-10
Also published as: CA2742868A1; WO2010063272A1; US20110225822A1; EP2352905B1; US8764390B2; EP2352905A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer Montagevorrichtung für ein Rotorsystem einer Axial-Strömungsmaschine mit einem zentralen Zuganker, wie er insbesondere aus der Triebwerkstechnik bekannt ist. Hierzu stellt die Erfindung ein Streckwerkzeug bereit, welches den Zuganker vor und während dem Einbringen desselben in den Rotorverbund vorspannt. Nach dem Einbringen des vorgespannten Zugankers in den Rotorverbund wird der Zuganker relaxiert, wobei er eine Druckkraft auf den Rotorverbund ausübt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird auch der Rotorverbund vorgespannt (gestaucht), und nach der Montage des Zugankers relaxiert, so dass besonders einfach eine gewünschte Nennvorspannung SigmaNenn erreichbar ist. Die Verwendung einer Wellenmutter ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr nötig, wodurch die mit einer Verwendung derselben einhergehenden Schwierigkeiten wie Komplexität und Sicherheitsprobleme vermieden werden. Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Montage eines Zugankers für ein Rotorsystem mit der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Montage eines Rotorsystems einer axialen Strömungsmaschine mit einem zentralen Zuganker, wie er insbesondere aus der Triebwerkstechnik bekannt ist.
Zur Montage von mehreren aufeinander folgenden Rotorscheiben einer axialen Strömungsmaschine, die zu einem Verbund (Rotorscheibenverbund) zusammengefügt werden sollen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen bekannt. Sofern die Verbindungen nicht lösbar sein müssen, kommen beispielsweise Schweißtechniken zum Einsatz. Für den aus Gründen der Wartungsfreundlichkeit häufigeren Fall einer lösbaren Verbindung der Komponenten werden beispielsweise Schraubverbindungen, radiale Spannbolzen, radial verzahnte Kupplungen, oder aber so genannte Zuganker verwendet, wie sie beispielsweise in der Druckschrift US 5,537,814 offenbart sind. Auch Kombinationen aus zentralen (Zuganker-) und dezentralen (Schraub-)Verbindungen sind bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 321 626 A1 . Der Zuganker wird grundsätzlich durch eine zentrale Bohrung geführt, welche alle zusammenzufügenden Scheiben durchzieht, und weist an seinen beiden Enden Komponenten auf, mittels derer er form- oder kraftschlüssig mit der ersten bzw. der letzten der Scheiben verbunden wird. Das Fügen der zu verbindenden Scheiben erfolgt dann durch eine Druckspannung, die der Zuganker auf beiden Seiten des Verbunds ausübt. Solche Zuganker weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Ein radiales Durchbohren der Scheiben und die damit verbundenen Kerbstellen entfallen ebenso wie die Anwesenheit von Schweißnähten mit der gewöhnlich notwendigen Nachbearbeitung; auch ist die Möglichkeit einer leichten Demontage gegeben.
Wie beispielsweise ebenfalls in der US 5,537,814 oder der DE 10 2005 052 819 A1 offenbart, muss beim Einbau eine bestimmte Vorspannung auf den Zuganker gegeben werden, die dann als Druckspannung in den Rotorscheibenverbund eingeleitet wird. Diese Druckspannung wird gewöhnlich so erzeugt, dass der Zuganker mit einem Ende des Verbunds form- oder kraftschlüssig verbunden wie beispielsweise verschraubt wird, und an seinem anderen Ende eine Wellenmutter aufweist. Durch Anziehen dieser Wellenmutter wird der Zuganker gedehnt, und verspannt so den Verbund der zusammenzufügenden Scheiben.
Diese Vorgehensweise weist jedoch insbesondere im Hinblick auf die Besonderheiten des Gebietes der Triebwerkstechnik eine Reihe von Nachteilen auf. So sind in derartigen Treibwerken die Zuganker und mit ihnen die Wellenmutter-Verbindungen mechanisch sehr hoch belastet, da neben der hohen Spannungen, die auf sie wirken, auch noch instationäre Belastungen auftreten, so dass die Bauteile eine entsprechend hohe Wechselfestigkeit aufweisen müssen. Zudem kommt es in Triebwerken zu Temperaturschwankungen was eine entsprechende thermische Beanspruchung zur Folge hat. Die Belastungen, welche aus den Schwingungen in Verbindung mit den hohen Temperaturen bzw. den Temperaturwechseln beim Ab- und wieder Einschalten oder bei Lastveränderungen des Triebwerks resultieren, führen zunächst zu einer wechselnden Vorspannung der Zuganker, beispielsweise durch sich unterschiedlich stark erwärmende und dementsprechend unterschiedlich stark ausdehnende Komponenten. Im Extremfall kann die Vorspannung dabei unter einen minimal notwendigen Wert absinken, so dass sich die Rotorscheiben aus dem Verbund lösen, oder die Spannung kann über einen maximalen Wert ansteigen, so dass der Zuganker reißt. Die Druckschrift DE 10 2005 052 819 A1 behandelt dieses Problem, wobei aber auch hier eine herkömmliche Wellenmutter zum Vorspannen des mehrteilig ausgebildeten Zugankers Verwendung findet.
Gerade im Bereich der Wellenmutter kommt es jedoch zu besonderen Verschleißerscheinungen, wie der erhöhten Rissanfälligkeit aufgrund der Kerbwirkungen am Gewindegrund, und dem so genannten „Fretting”, bei dem zu der mechanischen Abnutzung noch Korrosion hinzutritt, die ihrerseits den mechanischen Verschleiß verstärkt. Die Beanspruchung wirkt noch stärker auf ggf. vorhandene zusätzliche Wellenmuttern, die bei der Montage von mehrstufigen und daher längeren Triebwerken nicht nur am Ende, sondern auch im mittleren Bereich des Zugankers angeordnet sind. Zudem erhöhen derartige Wellenmuttern und die dazugehörigen Gewinde, die sich entsprechend in bzw. an den zu fügenden Scheiben (Rotoren) befinden, die Komplexität, das Gewicht, den benötigten Bauraum, die Teilezahl und somit die Kosten, und stellen gleichzeitig aufgrund der Rissneigung ein Problem dar.
Die Aufgabe der Erfindung ist demnach, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere sollen die Nachteile hoher Verschleißerscheinungen, hoher Teilezahlen und entsprechender Kosten vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 10 gelöst. Demnach kann erfindungsgemäß auf die Verwendung einer Wellenmutter verzichtet werden, wie sie gewöhnlich zur Montage und insbesondere zum Betrieb eines erfindungsgemäß montierten Verbunds aus Rotorscheiben notwendig ist, wenn die erfindungsgemäße und im Folgenden beschriebene Montagevorrichtung zum Einsatz gelangt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der Figur zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Montagevorrichtung für einen aus mehreren aufeinander folgenden Scheiben bestehenden Verbund, wie insbesondere für ein Rotorsystem einer axiale Strömungsmaschine, unter Verwendung eines Zugankers. Dieser Zuganker weist ein vorderes und ein hinteres Ende mit jeweils einer Krafteinleitungskomponente auf. Das vordere Ende weist dabei im Falle eines Triebwerks in Ansaugrichtung, und das hintere Ende weist in Ausstoßrichtung. Der herzustellende Verbund aus Scheiben kann bevorzugt ein Rotorsystem mit einem Rotorscheibenverbund aus zumindest zwei aufeinander folgenden Scheiben (Rotoren) sein. Diese müssen im montierten Zustand derartig verspannt sein, dass durch den Zuganker eine Nennvorspannung Sigma_Nenn auf den Verbund aufgebracht wird. Diese Nennvorspannung presst den Verbund zusammen, so dass während des Betriebs keine Lageveränderung der Rotoren relativ zueinander mehr möglich ist.
Erfindungsgemäß ist nun zur Montage des Verbunds ein Streckwerkzeug vorgesehen, das mindestens folgende Komponenten umfasst:

– eine Druckstange mit einem vorderen und einem hinteren Ende, die koaxial innerhalb des hohlen Zugankers angeordnet ist; mit
– einer Druckvorrichtung zum Aufbringen einer Druckkraft auf eines der Enden der Druckstange.

Die Druckstange ist dabei mit der Druckvorrichtung am vorderen und am hinteren Ende des Zugankers derartig verbindbar, dass bei Erzeugen einer Druckkraft mit der Druckvorrichtung der Zuganker unter Aufbringung einer Montagevorspannung Sigma_Montage gedehnt wird. Die Druckstange dient demnach zusammen mit der Druckvorrichtung dazu, den Zuganker zu dehnen, so dass sich in seinem Querschnitt eine bestimmte Zugspannung einstellt. Bevorzugt ist die Druckstange so ausgestaltet, dass sie sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Zugankers erstreckt. Die Druckvorrichtung muss nur einen kleinen Teil dieser Länge ausmachen, denn der Längenzuwachs, welchen die Druckvorrichtung durch ihre Verlängerung dem Zuganker aufprägt, ist begrenzt und beträgt beispielsweise nur einige Millimeter. Die Druckstange dient daher einer Verlängerung der Druckvorrichtung. Bevorzugterweise ist die Druckstange auswechselbar ausgestaltet, so dass je nach konkreter Montageaufgabe Druckstangen unterschiedlicher Länge und/oder mit unterschiedlichem Durchmesser usw. verwendet werden können.
Erfindungsgemäß muss der Zuganker an beiden Enden Krafteinleitungskomponenten aufweisen, damit die axial in ihm wirkenden Zugkräfte und auf die zu verspannenden Scheiben eingeleitet bzw. umgelenkt werden können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zuganker an einem Ende als Kraftumleitungskomponente ein Zugankergewinde zum Einschrauben in die entsprechend an diesen Ende angeordnete Scheibe des Rotorsystems aufweist. Dieses Gewinde ist demnach erfindungsgemäß bevorzugt ein Außengewinde. Besonders bevorzugt weist der Zuganker ausschließlich dieses Zugankergewinde als Krafteinleitungskomponente an diesem Ende auf. Ferner ist vorgesehen, dass die Druckvorrichtung am anderen Ende des Zugankers angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es prinzipiell unerheblich, ob sich das Zugankergewinde am vorderen und die Druckvorrichtung am hinteren Ende des Zugankers befindet oder umgekehrt. Es ist jedoch bevorzugt, dass die beiden Komponenten an unterschiedlichen Enden des Zugankers angeordnet sind. Bevorzugt weist der Zuganker an seinem anderen Ende als Krafteinleitungskomponente einen radialen Absatz zur formschlüssigen Verbindung mit der an diesem Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems auf, welche bevorzugt eine entsprechende stirnseitige Gegenfläche aufweist. Besonders bevorzugt weist der Zuganker ausschließlich diesen radialen Absatz als Krafteinleitungskomponente an diesem Ende auf. Eine herkömmliche Wellenmutter ist demnach nicht nötig. Auf diese Weise, also durch den Verzicht auf eine herkömmliche Wellenmutter, lassen sich die weiter oben beschriebenen Nachteile vermeiden. Der radiale Absatz ist dabei so beschaffen und angeordnet, dass sich der Zuganker bei Entlasten des mittels der Druckstange und der Druckvorrichtung aufgebrachten Montagevorspannung Sigma_Montage zusammenzieht, jedoch nur so weit, bis der radiale Absatz mit der bevorzugt vorhandenen Gegenfläche in Kontakt kommt, welche sich an derjenigen Scheibe befindet, die am entsprechenden Ende des Zugankers angeordnet ist. Anschließend übt die im Zuganker innewohnende Zugkraft eine Druckkraft gleicher Größe auf die entsprechende Gegenfläche aus, so dass der Verbund der Scheiben zusammengepresst wird. Sofern sich der Zuganker auch nur geringfügig relaxieren kann, ist die sich hierbei einstellende Kraft kleiner als die Montagevorspannung Sigma_Montage und entspricht bevorzugt gerade der Nennvorspannung Sigma_Nenn. Der Kraftfluss verläuft dabei im montierten Zustand als Zugkraft durch den Zuganker, an seinem einen Ende über das Zugankergewinde in den Rotorverbund, als Druckkraft durch diesen hindurch, und wird an dessen anderem Ende mittels der Gegenfläche der letzten Scheibe an den radialen Absatz des entsprechenden Endes des Zugankers in diesen zurückgeleitet. Ein Anziehen einer Wellenmutter ist nicht mehr nötig, sofern durch die Dimensionierung der Bauteile und das korrekte Maß der Montagevorspannung Sigma_Montage sichergestellt ist, dass sich auch die gewünschte Nennvorspannung Sigma_Nenn einstellt. Diese Dimensionierung ist jedoch jedem geübten Fachmann problemlos möglich und braucht daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden.
Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Montagesystem auch ein Verbindungsstück zum lösbaren, form- und/oder kraftschlüssigen Verbinden der Druckvorrichtung mit dem anderen Ende des Zugankers umfasst. Dieses Verbindungsstück ist am vom Zuganker weg weisenden Ende der Druckvorrichtung angeordnet.
Ebenfalls bevorzugt weist das Verbindungsstück eine Druckfläche auf, die mit der Druckvorrichtung in Kontakt steht, und einen Befestigungsbereich, der mit dem Zuganker verbunden werden kann. Besonders bevorzugt ist dieser Befestigungsbereich als Schraubgewinde ausgestaltet, wobei der Zuganker ein Außengewinde, das Verbindungsstück ein Innengewinde trägt. Bei gegebener Auslenkung der Druckvorrichtung kann nun mittels axialen Drehens des Verbindungsstückes dieses auf den Zuganker auf- bzw. von ihm abgeschraubt werden, so dass auf diese Weise eine Feinjustage der Position möglicht ist. Ferner ist es durch Verwendung des Verbindungsstückes besonders einfach möglich, die aus Druckstange, Druckvorrichtung und Verbindungsstück bestehende Montagevorrichtung zu montieren und zu demontieren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Druckvorrichtung als Hydraulikzylinder ausgestaltet. Derartige Vorrichtungen können auf kleinstem Bauraum die notwendigen Kräfte erzeugen, die zu dem erfindungsgemäßen Vorrecken des Zugankers notwendig sind. Selbstverständlich kann die Druckvorrichtung alternativ auch als pneumatisch, mechanisch oder elektrisch arbeitende Vorrichtung ausgestaltet sein.
Ebenfalls bevorzugt ist es, dass die erfindungsgemäße Druckstange als Hohlkörper ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Gewicht derselben so gering gehalten werden, dass die Montage der Druckstange ohne besondere Hilfsmittel von einer oder zwei Personen bewerkstelligt werden kann. Selbstverständlich ist dabei sicherzustellen, dass die für die Anwendung notwendige Stabilität gewährleistet bleibt. Daher sind insbesondere Druckstangen mit einem möglichst großen, jedoch möglichst dünnwandigen Querschnitt bevorzugt, da diese bei gleichem Flächenträgheitsmoment eine geringere Querschnittsfläche aufweisen.
Nach einer anderen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Zuganker an seiner Außenwandung eine oder mehrere Radial-Stützflächen zum Abstützen der den Zuganker umgebenden Komponenten an demselben umfasst. Dies kann insbesondere bei sehr langen Zugankern von Vorteil sein. Während eine zu große Anzahl von Radial-Stützflächen zu einer zu großen Reibung während der Montage führen kann, kann es durch eine zu geringe Anzahl zu einem bei Betriebsdrehzahl im rotordynamisch überkritischen Drehzahlbereich laufenden Zuganker kommen.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Montagevorrichtung ferner Komponenten zum Vorstauchen des Rotorsystems auf Nennvorspannung Sigma_Nenn. Diese Komponenten können beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder elektrisch angetrieben werden und dienen dazu, den zunächst lose zusammengesetzten Rotorscheibenverbund unter eine axial wirkende Druckspannung zu setzen, so dass dieser gestaucht und gleichzeitig mittels der an den Kontaktflächen der Scheiben entstehenden Reibkräfte gehalten wird. Die Komponenten sind dabei so ausgestaltet, dass sie ein Einführen und Verwenden des Zugankers, der Druckstange und der Druckvorrichtung in erfindungsgemäßer Weise nicht behindern, und ihrerseits nicht durch die übrigen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung behindert werden. Die Komponenten müssen außerdem in der Lage sein, mindestens die zur sicheren Montage notwendige Nennvorspannung Sigma_Nenn auf den Verbund aufzubringen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Komponenten zum Vorstauchen den Rotorscheibenverbund zunächst zusammenpressen, und in diesen dann der mit Druckstange und Druckvorrichtung vorgespannte Zuganker eingeführt wird. Nach einem Einschrauben des Zugankers werden sowohl dieser als auch der vorgespannte bzw. vorgestauchte Rotorscheibenverbund relaxiert. Sofern der Zuganker und der Rotorscheibenverbund jeweils auf Nennvorspannung Sigma_Nenn vorgespannt bzw. vorgestaucht waren, bleibt diese Spannung im System erhalten, so dass eine den Vorgaben entsprechende Vorspannung gewährleistet ist.
Die Erfindung offenbart außerdem ein Verfahren zur Montage eines Zugankers für ein Rotorsystem mit einer Montagevorrichtung gemäß Anspruch 1. Dieses untergliedert sich in die folgenden Schritte:
Zunächst wird die Druckstange zusammen mit der Druckvorrichtung in den Zuganker eingebracht, also axial zentrisch in den als Hohlwelle ausgestalteten Zuganker eingeführt.
Danach wird das eine, beispielsweise das vordere Ende der Druckstange mit dem entsprechenden Ende des Zugankers verbunden. Dies geschieht je nach Ausführungsform kraft- und/oder formschlüssig, wobei eine rein formschlüssige Verbindung bevorzugt ist. Dazu kann der Zuganker beispielsweise einen radialen innenliegenden Absatz aufweisen, an den das eine Ende der Druckstange anschlägt. Der Zuganker ist nun einseitig mit der Druckstange verbunden und somit in der Lage, zumindest Druckkräfte aufzunehmen.
Sofern nicht bereits im Vorfeld geschehen, wird nun das andere, beispielsweise hintere Ende der Druckstange mit der Druckvorrichtung kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Dieser Schritt entfällt, wenn Druckstange und Druckvorrichtung als eine bauliche Einheit gesehen werden können oder eine Trennung derselben nicht vorgesehen ist. Prinzipiell reicht hier das Vorsehen einer entsprechenden ausreichend dimensionierten stirnseitigen Berührungsfläche an beiden Komponenten aus, da die Druckstange und die Druckvorrichtung lediglich auf Druck belastet werden. Aus Gründen der Betriebssicherheit kann es jedoch wünschenswert sein, die Komponenten beispielsweise miteinander zu verschrauben.
Anschließend erfolgt ein kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden der Druckvorrichtung mit dem anderen Ende des Zugankers. Es muss also sichergestellt sein, dass die Druckkräfte, die von der Druckvorrichtung und der Druckstange auf die beiden Enden aufgebracht werden sollen, auch nicht „ins Leere” laufen. Hierzu kann besonders vorteilhaft ein justierbares Verbindungsstück der weiter oben beschrieben Art Verwendung finden. Nun ist der Kraftfluss zwischen der innenliegenden Druckstange mit Druckvorrichtung und dem außenliegenden Zuganker geschlossen.
Alsdann wird mittels der Druckvorrichtung eine Druckkraft auf die Druckstange aufgebracht, so dass der Zuganker auf eine Montagevorspannung Sigma_Montage gedehnt wird, wobei Sigma_Montage größer oder gleich der Nennvorspannung Sigma_Nenn ist.
Im nächsten Schritt wird die Montagevorrichtung aus Druckstange mit Druckvorrichtung und Zuganker im gedehnten, vorgespannten Zustand in das Rotorsystem eingebracht. Das Rotorsystem muss dazu zumindest lose zusammengesetzt vorliegen; bevorzugt ist es entsprechend gesichert, so dass während des Einbringens der Montagevorrichtung keine unbeabsichtigten Relativverschiebungen der Komponenten des Rotorsystems auftreten können.
Als nächstes wird das eine, beispielsweise vordere Ende des vorgespannten Zugankers kraft- und/oder formschlüssig mit der an diesem einen Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems verbunden, was besonders bevorzugt mittels Einschraubens geschieht. Dabei erfolgt das Einschrauben nur so weit, dass das andere beispielsweise hintere Ende des Zugankers einen Formschluss mit der an diesem anderen Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems bekommt. Dieser Formschluss muss nun lediglich zur Aufnahme von Druckkräften geeignet sein, die später zu einem Zusammenpressen des Rotorscheibenverbundes mittels des Zugankers führen. Dementsprechend ist hier ein einfacher radialer Absatz ausreichend, der mit einer entsprechenden Gegenfläche zusammenwirkt, die sich stirnseitig an der an diesem Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems befindet.
Danach wird durch Relaxieren der Druckvorrichtung die Montagevorspannung Sigma_Montage bis auf Null zurückgenommen, so dass der Zuganker nun seinerseits unter Ausübung einer Druckkraft auf das Rotorsystem relaxiert. Bevorzugterweise geschieht dies solange, bis die verbleibende Vorspannung gerade Sigma_Nenn beträgt. Die tatsächliche Vorspannung stellt sich durch ein Gleichgewicht zwischen einer möglichen Vorspannung (Stauchung, dazu sogleich) des Rotorsystems und der Montagevorspannung des Zugankers ein.
In einem letzten Schritt schließlich wird die relaxierte Druckstange mit der Druckvorrichtung aus dem Zuganker entfernt. Da die Druckvorrichtung und ggf. das Verbindungsstück keinen Druck mehr auf den Zuganker ausüben, muss hierzu lediglich die Verbindung am der Druckvorrichtung entgegenliegenden Ende des Zugankers, beispielsweise mittels Herausschrauben des entsprechenden Gewindes, gelöst und die Druckstange aus dem hohlen Zuganker herausgezogen werden.
Es ist klar, dass die hier beschriebenen Schritte auch teilweise in einer geänderten Reihenfolge durchführbar sind, und dabei das Wesentliche der Erfindung trotzdem zu behalten.
Ggf. können die Schritte für den Fall, dass die erzielte Nennvorspannung zu klein oder zu groß ausfällt, wiederholt werden, wobei entsprechende Distanzscheiben an geeigneter Stelle eingebracht bzw. von dort entfernt werden müssen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor dem ersten, oben beschriebenen Schritt der Rotorscheibenverbund mittels entsprechender Komponenten zum Vorstauchen vorgespannt bzw. gestaucht. Besonders bevorzugt erfolgt diese Stauchung gerade auf die Nennvorspannung Sigma_Nenn. Zur Durchführung dieses Schrittes sei auf die obenstehenden Ausführungen bezüglich der Komponenten zum Vorstauchen verwiesen. Ebenfalls nach dieser Ausführungsform schließt sich nach dem letzten Schritt noch eine Rücknahme der Vorstauchung mittels Relaxieren des Rotorsystems sowie ein Abnehmen der Komponenten zum Vorstauchen an.
Hierbei ist es ebenfalls besonders bevorzugt, dass auch die Montagevorspannung des Zugankers Sigma_Montage gerade gleich der Nennvorspannung Sigma_Nenn beträgt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim gemeinsamen Relaxieren des vorgespannten (gedehnten) Zugankers und des vorgespannten (gestauchten) Rotorsystems ein Kräftegleichgewicht hergestellt wird, bei dem sich gerade die gewünschte Nennvorspannung Sigma_Nenn einstellt. Hierzu muss beim Einbringen des vorgespannten Zugankers in das Rotorsystem sichergestellt sein, dass der Zuganker „handfest” beispielsweise bis zu einem radialen Absatz (Anschlagbund) eingeschraubt wird, so dass eine Relaxation des Zugankers unmittelbar zur Ausübung einer Druckkraft auf das Rotorsystem führt, ohne dass der Zuganker zunächst „ins Leere” relaxiert.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung und den damit einhergehenden Verzicht auf die Verwendung von Wellenmuttern zur Vorspannung eines Zugankers wird die Komplexität der Konstruktion verringert. Aufgrund einer geringeren Teilezahl sinken auch das Gewicht und der benötigte Bauraum, was sich wiederum positiv auf die Kosten auswirkt. Sicherheitsprobleme aufgrund der Kerbwirkung an entsprechenden, für eine Wellenmutter vorzusehenden Gewinden werden ebenfalls vermieden.
1 zeigt einen schematischen Längs-Halbschnitt durch einen Teil einer sehr vereinfacht dargestellten axiale Strömungsmaschine mit der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung.
2 zeigt das Detail einer alternativen Befestigung in Form einer Wellenmutter 10.
Zur Illustration der Erfindung wird auf die 1 verwiesen, welche einen schematischen Längs-Halbschnitt durch einen Teil einer sehr vereinfacht dargestellten axiale Strömungsmaschine, insbesondere einen Verbund aus Rotorscheiben darstellt, sowie einen Zuganker zur Verspannung derselben. Die Rotationsachse wird durch die strichpunktierte Linie symbolisiert.
Gezeigt ist die Montagevorrichtung 1, welche sich aus den Komponenten Zuganker 2, der als Hohlwelle ausgebildet ist, sowie dem Druckstab 3 und der Druckvorrichtung 4 sowie einem Verbindungsstück 5 zusammensetzt.
Der Zuganker 2 weist an seinem einen Ende, im Bild links dargestellt, einen radialen Absatz 7 auf. Dieser ist in der Lage, Druckkräfte aufzunehmen, die von der Druckstange 3 auf den Zuganker 2 ausgeübt werden. An seinem anderen Ende, im Bild rechts dargestellt, weist der Zuganker 2 eine Gewindeverbindung G auf, die mit dem Verbindungsstück 5 eingreift. Ferner umfasst der Zuganker 2 einen weiteren radialen Absatz 8, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er an eine entsprechende Gegenfläche des schematisch und stark vereinfacht dargestellten Rotorsystems 6 anstößt bzw. anschlägt.
Das Rotorsystem 6 weist an seinem Ende, welches dieser Gegenfläche entgegengesetzt angeordnet ist, ein Innengewinde auf, welches zusammen mit einem entsprechenden Außengewinde des Zugankers eine Gewindeverbindung G' ergibt. Der Zuganker 2 ist an dieser Stelle in das Rotorsystem 6 einschraubbar, und zwar so weit, bis er mit dem radialen Absatz 8 (Anschlag) an das Rotorsystem 6 stößt.
An das dem radialen Absatz 7 abgewandte Ende der Druckstange 3 schließt sich die Druckvorrichtung 4 an. Letztere dient der Erzeugung einer Druckkraft, die zum Vorspannen des Zugankers 2 benötigt wird; die Druckstange 3 dient lediglich der Verlängerung der Druckvorrichtung 4. In der dargestellten Ausführungsform ist die Druckvorrichtung 4 als Hydraulikzylinder ausgestaltet. An seiner einen Seite (im Bild links) weist er eine Gewindeverbindung G'' mit der Druckstange 3 auf, so dass diese beiden Komponenten als eine bauliche Einheit behandelt werden können. An seinem anderen Ende (im Bild rechts) weist die Druckvorrichtung 4 eine Druckfläche 9 auf, die der Druckkraftübertragung auf das Verbindungsstück 5 dient.
Das Verbindungsstück 5 schließlich dient der Einleitung der Druckkraft der Druckvorrichtung 4 in den Zuganker 2, in welchem sie zu einer Längsdehnung führt. Hierzu muss das Verbindungsstück 5 die Möglichkeit einer entsprechenden Verbindbarkeit aufweisen, was in der dargstellten Ausführungsform mittels des oben bereits angesprochenen Gewindes G ermöglicht wird.
Zur Montage der Montagevorrichtung 1 wird zunächst der Zuganker 2 mittels der Druckstange 3 mit Druckvorrichtung 4, welche kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit diesem verbunden sind, vorgereckt, wobei er sich dehnt.
Anschließend wird der so vorgespannte Zuganker 2 in das Rotorsystem 6 eingeführt, welches bevorzugterweise seinerseits vorgestaucht wird (nicht dargestellt). Der Zuganker 2 wird mit der Gewindeverbindung G' einseitig im Rotorsystem 6 befestigt, und zwar mittels Einschraubens bis zu dem Punkt, an dem der radiale Absatz 8 an das Rotorsystem 6 anschlägt.
Schließlich wird der Zuganker 2 durch Zurücknehmen der von der Druckvorrichtung 4 aufgebrachten Druckspannung relaxiert, wodurch er sich zusammenzuziehen versucht. Sofern sich der Zuganker 2 jedoch bereits formschlüssigen Kontakt mit dem Rotorsystem 6 hat, wird dieses Zusammenziehen durch das Rotorsystem 6 gehemmt. Die im Zuganker 2 vorhandene Zugspannung dient nun dazu, das Rotorsystem 6 zusammenzupressen (zu verspannen).
Nach dieser Ausführungsform verringert sich die bei der Montage aufgebrachte Montagevorspannung Sigma_Montage durch das Relaxieren um einen bestimmten Wert, so dass zum Erreichen einer gewünschten Nennvorspannung Sigma_Nenn der Wert für Sigma_Montage entsprechend höher zu wählen ist.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform wird auch das Rotorsystem 6 mittels ebenfalls nicht dargestellter Komponenten zum Vorstauchen vorgespannt (gestaucht), und zwar bevorzugt gerade auf den Wert von Sigma_Nenn, auf den auch der Zuganker 2 vorgespannt wird. Bei einem Relaxieren nach Einsetzen und Einschrauben des vorgespannten Zugankers 2 stellt sich dann gerade die gewünschte Nennvorspannung Sigma_Nenn ein.
In der 2 ist das Detail einer alternativen Befestigung in Form einer Wellenmutter 10 gezeigt. Die Wellenmutter 10 weist ein Innengewinde auf, welches mit dem Zuganker 2 eine Gewindeverbindung G herstellt. Durch Anziehen der Wellenmutter 10 wird der Zuganker, der an seinem nicht dargestellten anderen Ende form- und/oder kraftschlüssig am entsprechenden Ende des Rotorverbunds befestigt ist, in seiner Längsrichtung gedehnt, so dass sich die Druckspannung, mit welcher der Verbund zusammengepresst wird, entsprechend erhöht.

1: Montagevorrichtung
2: Zuganker
3: Druckstange
4: Druckvorrichtung
5: Verbindungsstück
6: Rotorverbund
7: radialer Absatz
8: radialer Absatz, Anschlag
9: Druckfläche
10: Wellenmutter
G: Gewindeverbindung, Gewinde
G': Gewindeverbindung, Zugankergewinde
G'': Gewindeverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5537814 [0002, 0003]
- EP 1321626 A1 [0002]
- DE 102005052819 A1 [0003, 0004]

Claims

Montagevorrichtung (1) für ein Rotorsystem einer axialen Strömungsmaschine, wobei zumindest ein Zuganker (2) mit einem vorderen und einem hinteren Ende mit jeweils einer Krafteinleitungskomponente vorgesehen ist, und wobei das Rotorsystem (6) einen Rotorscheibenverbund aus zumindest zwei aufeinander folgenden Scheiben umfasst, welche im montierten Zustand eine durch den Zuganker (2) mit einer Nennvorspannung Sigma_Nenn aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Montage ein Streckwerkzeug vorgesehen ist, das mindestens folgende Komponenten umfasst: – eine Druckstange (3) mit einem vorderen und einem hinteren Ende, die koaxial innerhalb des hohlen Zugankers (2) angeordnet ist; mit – einer Druckvorrichtung (4) zum Aufbringen einer Druckkraft auf eines der Enden der Druckstange (3); wobei die Druckstange (3) mit der Druckvorrichtung (4) am vorderen und am hinteren Ende des Zugankers (2) derartig verbindbar ist, dass bei Erzeugen einer Druckkraft mit der Druckvorrichtung (4) der Zuganker (2) unter Aufbringung einer Montagevorspannung Sigma_Montage gedehnt wird.
Montagevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (2) an einem Ende als Krafteinleitungskomponente ein Zugankergewinde (G') zum Einschrauben in die entsprechend an diesem Ende angeordnete Scheibe des Rotorsystems (6) aufweist, und dass die Druckvorrichtung (4) am anderen Ende des Zugankers (2) angeordnet ist.
Montagevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (2) an seinem anderen Ende als Krafteinleitungskomponente einen radialen Absatz (8) zur formschlüssigen Verbindung mit der an diesem Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems (6) aufweist, und dass diese Scheibe eine entsprechende Gegenfläche aufweist.
Montagevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend ein Verbindungsstück (5) zum lösbaren, form- und/oder kraftschlüssigen Verbinden der Druckvorrichtung (4) mit dem anderen Ende des Zugankers (2).
Montagevorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das Verbindungsstück (5) eine Druckfläche (9) zur Aufnahme der Kräfte der Druckvorrichtung (4), und ein Gewinde (G) zum Aufschrauben auf das entsprechende Ende des Zugankers (2) aufweist.
Montagevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckvorrichtung (4) ein Hydraulikzylinder ist.
Montagevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckstange (3) hohl ausgebildet ist.
Montagevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zuganker (2) an seiner Außenwandung eine oder mehrere Radial-Stützflächen zum Abstützen der den Zuganker (2) umgebenden Komponenten an demselben umfasst.
Montagevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend Komponenten zum Vorstauchen des Rotorsystems (6) auf Nennvorspannung Sigma_Nenn.
Verfahren zur Montage eines Zugankers (2) für ein Rotorsystem (6) mit einer Montagevorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: – Einbringen der Druckstange (3) mit der Druckvorrichtung (4) in den Zuganker (2); – kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden des einen Endes der Druckstange (3) mit dem entsprechenden Ende des Zugankers (2); – kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden des anderen Endes der Druckstange (3) mit der Druckvorrichtung (4); – kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden der Druckvorrichtung (4) mit dem anderen Ende des Zugankers (2); – Aufbringen einer Druckkraft mittels der Druckvorrichtung (4) auf die Druckstange (3), so dass der Zuganker (2) auf eine Montagevorspannung Sigma_Montage gedehnt wird, wobei Sigma_Montage größer oder gleich Sigma_Nenn ist; – Einbringen der Montagevorrichtung (1) aus Druckstange (3) mit Druckvorrichtung (4) und Zuganker (2) im gedehnten Zustand in das Rotorsystem (6); – kraft- oder formschlüssiges Verbinden des einen Endes des Zugankers (2) mit der an diesem einen Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems (6) derart, dass das andere Ende des Zugankers (2) einen Formschluss mit der an diesem anderen Ende angeordneten Scheibe des Rotorsystems (6) bekommt; – Zurücknehmen der Montagevorspannung Sigma_Montage auf Null durch Relaxieren der Druckvorrichtung (4), so dass der Zuganker (2) nun seinerseits unter Ausübung einer Druckkraft auf das Rotorsystem (6) bis auf Sigma_Nenn relaxiert; – Entfernen der relaxierten Druckstange (3) mit der Druckvorrichtung (4) aus dem Zuganker (2).
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei vor dem ersten Schritt der Rotorscheibenverbund mittels Komponenten zum Vorstauchen auf die Nennvorspannung Sigma_Nenn vorgespannt bzw. gestaucht wird, und nach dem letzten Schritt die Vorstauchung mittels Relaxieren und Abnehmen der Komponenten zum Vorstauchen zurückgenommen wird.