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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft Gasturbinentriebwerke
und insbesondere die Ausrichtung von Rotationskomponenten und Wellen.
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Im
Wesentlichen verbrennen Gasturbinentriebwerke ein Gemisch aus verdichteter
Luft und Brennstoff, um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase können durch
eine oder mehrere Turbinenstufen strömen, um Kraft für eine Last
und/oder einen Verdichter zu erzeugen. Die Turbinenstufen enthalten
Rotationskomponenten, wie z. B. Rotoren und Schaufeln, die um eine
Welle rotieren. Um Verschleiß zu
verringern und den Betrieb des Gasturbinentriebwerks sicherzustellen,
werden die Rotationskomponenten im Allgemeinen axial und konzentrisch
ausgerichtet. Leider sind derzeit existierende Kupplungen oft komplex,
zeigen Reibungsverschleiß,
erzeugen lokale Stellen mit hoher Beanspruchung oder es fehlt ihnen
eine Einbaumöglichkeit
vor Ort.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte
im Schutzumfang der ursprünglich
beanspruchten Erfindung entsprechende Ausführungsformen sind nachstehend
zusammengefasst. Diese Ausführungsformen
sollen nicht den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken, sondern
diese Ausführungsformen
sollen nur eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung
bereitstellen. Tatsächlich
kann die Erfindung eine Vielzahl von Formen annehmen, die ähnlich zu
den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen sind oder sich
von diesen unterscheiden.
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In
einer ersten Ausführungsform
enthält
ein System ein Turbinentriebwerk mit einer ersten Rotationskomponente
und einer zweiten Rotationskomponente. Die erste Rotationskomponente
enthält
eine um eine Rotationsachse des Turbinentriebwerks angeordnete erste
ringförmige
Kupplung, wobei die erste ringförmige
Kupplung eine axial konvergierende Oberfläche in Bezug auf die Rotationsachse
aufweist. Die zweite Rotationskomponente enthält eine um die Rotationsachse
des Turbinentriebwerks herum angeordnete zweite ringförmige Kupplung,
wobei die zweite ringförmige
Kupplung eine axial divergierende Oberfläche in Bezug auf die Rotationsachse aufweist.
Die axial konvergierende Oberfläche
der ersten ringförmigen
Kupplung verbindet sich mit der axial divergierenden Oberfläche der
zweiten ringförmigen
Kupplung.
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In
einer zweiten Ausführungsform
enthält
ein System eine um eine Rotationsachse angeordnete Welle und ein
um die Rotationsachse angeordnetes Rad. Das Rad enthält mehrere
Schaufeln, die Welle verbindet sich mit dem Rad entlang einer ringförmigen Schnittstelle,
und die ringförmige
Schnittstelle weist einen ringförmigen
Vorsprung auf, der in entgegengesetzten radialen Richtungen durch
eine ringförmige
Nut in Umfangsrichtung um die Rotationsachse aufgenommen wird.
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In
einer dritten Ausführungsform
enthält
ein System eine selbstausrichtende Reibungskupplung. Die selbstausrichtende
Reibungskupplung enthält eine
erste ringförmige
Stirnfläche
mit einer axial konvergierenden Oberfläche, die sich in Umfangsrichtung
um eine Rotationsachse erstreckt und eine zweite ringförmige Stirnfläche mit
einer axial divergierenden Oberfläche, die sich in Umfangsrichtung
um die Rotationsachse er streckt, wobei sich die axial konvergierende
Oberfläche
der axial divergierenden Oberfläche
lediglich durch Reibung verbindet, und die axial konvergierende
Oberfläche
und die axial divergierende Oberfläche dafür konfiguriert sind, erste und
zweite Rotationskomponenten in axialer Ausrichtung und konzentrischer
Ausrichtung in Bezug zueinander auszurichten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in welchen gleiche Referenzzeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
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1 eine
schematische Durchflussdarstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerks
ist;
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2 eine
Schnittansicht des entlang der Längsachse
aufgeschnitten Gasturbinentriebwerks von 1 ist;
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3 eine
schematische Ansicht der Rotationskomponente eines Rotors ist, die
eine Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung
entlang der Bogenlinie 4-4 von 3 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung
gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist; und
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6 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung
und eines Haltemechanismus gemäß einer alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
oder mehrere spezifische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem
Bemühen,
eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht
alle Merkmale einer tatsächlichen
Implementation in der Beschreibung dargestellt werden. Es dürfte erkennbar
sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen
Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt zahlreiche
implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um Überstimmung
mit den spezifischen Zielen des Entwicklers, wie z. B. Übereinstimmung
mit systembezogenen und geschäftsbezogenen
Einschränkungen
zu erzielen, welche von einer Implementation zur nächsten variieren
können.
Ferner dürfte
erkennbar sein, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex
und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung,
Herstellung und Fertigung für
den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung eine Routineaufgabe
wäre.
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Wenn
Elemente verschiedener Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer,
eines, eine”, ”der, die,
das” und ”besagter,
besagte, besagtes” die
Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden
sein kann. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen
einschließend
sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den
aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
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Die
vorliegende Offenlegung ist auf Rotationsmaschinen gerichtet, die
eine Rotationskomponenten-Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur
enthalten. Die Rotationsmaschinen können eine Gasturbine, Dampfturbine,
Wasserturbine, Windturbine, einen Verdichter oder eine andere Rotationsanordnung beinhalten.
Die Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur
kann eine in Umfangsrichtung verlaufende V-förmige Nut in einer ersten Rotationskomponente
(z. B. in einem Rad) und einen entsprechenden in Umfangsrichtung
verlaufenden winkelförmigen
Vorsprung in einer zweiten Rotationskomponente (z. B. in einer Welle)
enthalten. Die Verbindung zwischen der V-förmigen Nut und dem winkelförmigen Vorsprung
sorgt für
eine Axial-, Radial- und Umfangsausrichtung zwischen den Rotationskomponenten.
Beispielsweise kann die Verbindung zwischen der V-förmigen Nut
und dem winkelförmigen
Vorsprung die Rotationskomponenten konzentrisch ausrichten, d. h.,
die Komponenten alle um dieselbe Rotationsachse zentrieren. Zusätzliche Ausführungsformen
können
eine konzentrische und axiale Ausrichtung zwischen mehreren Rotationskomponenten,
Zwischenwellen oder irgendeiner anderen geeigneten Komponente umfassen.
Die Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur kann
Drehmoment zwischen Rotationskomponenten durch Flächenreibung übertragen.
Während
Zuständen
hoher Belastung ermöglicht
diese Technik ein Gleiten der Struktur und minimiert die an die
Rotationskomponenten übertragene
Belastung.
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1 ist
eine Blockdarstellung eines ein Gasturbinentriebwerk 12 enthaltenden
exemplarischen Systems 10, das die hierin diskutierte Ausrichtungs-
und Drehmomentübertragungsstruktur
anwenden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das System 10 ein
Flugzeug-, Wasserkraft-, Lokomotiven-, Energieerzeugungs-System
oder Kombinationen davon umfassen. Das dargestellte Gasturbinentriebwerk 12 enthält einen
Luftansaugbereich 16, einen Verdichter 18, einen
Brennerbereich 20, eine Turbine 22 und einen Abgasbereich 24.
Die Turbine 22 ist mit dem Verdichter 18 über eine
Welle 26 gekoppelt.
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Wie
durch die Pfeile dargestellt, kann Luft in das Gasturbinentriebwerk 12 durch
den Ansaugbereich 16 eintreten und in den Verdichter 18 strömen, welcher
die Luft vor dem Eintritt in den Brennerbereich 20 verdichtet.
Der dargestellte Brennerbereich 20 enthält ein Brennergehäuse 28,
das konzentrisch o der ringförmig
um die Welle 26 zwischen dem Verdichter 18 und
der Turbine 22 herum angeordnet ist. Die verdichtete Luft
aus dem Verdichter 18 tritt in die Brenner 29 ein,
wo sich die verdichtete Luft mit Brennstoff in den Brennern 29 vermischen
und verbrennen kann, um die Turbine 22 anzutreiben.
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Aus
dem Verdichterabschnitt 20 strömen die heißen Verbrennungsgase durch
die Turbine 22 und treiben den Verdichter 18 über die
Welle 26 an. Beispielsweise können die Verbrennungsgase Antriebskräfte auf
die Turbinenrotorschaufeln in der Turbine 22 aufbringen,
um die Welle 26 zu drehen. Nach dem Durchströmen der
Turbine 22 können
die heißen
Verbrennungsgase das Gasturbinentriebwerk 12 durch den
Abgasbereich 24 verlassen. Ausführungsformen einer Ausrichtungs-
und Drehmomentübertragungsstruktur
können,
wie nachstehend diskutiert, in dem Verdichter, der Turbine oder
in beiden verwendet werden.
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2 ist
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
des Gasturbinentriebwerks 12 von 1 entlang
der Längsachse 30.
Gemäß Darstellung kann
die Gasturbine 22 mehrere Stufen wie z. B. drei getrennte
Stufen 31 enthalten. Jede Stufe 31 kann Rotationskomponenten,
wie z. B. einen Satz von Schaufeln 32 enthalten, die mit
einem Rotorrad 34 gekoppelt sind, das drehbar an der Welle 26 (1) befestigt
ist. In einigen Ausführungsformen
können die
Rotorräder 34 mittels
Zugankern, die sich die durch die Rotorräder 34 oder andere
Rotorkomponenten erstrecken, festgeklemmt sein. In weiteren Ausführungsformen
können
die Rotorräder 34 über einen
zentralen Zuganker zusammengeklemmt sein, der sich durch die Bohrungen
der Rotorräder 34 oder anderer
Rotorkomponenten erstreckt.
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Die
Schaufeln 32 können
sich von den Rotorrädern 34 aus
radial nach außen
erstrecken und können
teilweise in dem Pfad der heißen
Verbrennungsgase angeordnet sein. Dichtungen können sich zwischen benachbarten
Rotorrädern 34 erstrecken
und von diesen gelagert sein. Obwohl die Gasturbine 22 als
eine dreistufige Turbine dargestellt ist, können die hierin beschriebenen
Dichtungen in jeder weiteren geeigneten Art von Turbinen mit einer
beliebigen Anzahl von Stufen und Wellen verwendet werden. Beispielsweise
können
die Dichtungen in einer einstufigen Gasturbine, in einem Doppelturbinensystem,
das eine Niederdruckturbine und eine Hochdruckturbine enthält, oder
in einer Dampfturbine eingesetzt werden. Ferner können die
hierin beschriebenen Dichtungen auch in einen rotierenden Verdichter
wie z. B. den in 1 dargestellten Verdichter 18 eingesetzt werden.
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Wie
vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben,
kann Luft durch den Luftansaugbereich 16 eintreten und
durch den Verdichter 18 verdichtet werden. Die verdichtete
Luft aus dem Verdichter 18 kann dann in den Brennerbereich 20 geführt werden,
wo die verdichtete Luft mit Brennstoffgas vermischt werden kann.
Das Gemisch aus verdichteter Luft und Brennstoffgas wird im Wesentlichen
in dem Brennerbereich 20 verbrannt, um Verbrennungsgase
mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, welche zum Erzeugen
von Drehmoment in der Turbine 22 genutzt werden können. Insbesondere
können
die Verbrennungsgase Bewegungskräfte
auf die Schaufeln 32 aufbringen, um die Räder 34 zu
drehen. Somit können
die Rotationskomponenten, wie z. B. die Schaufeln 32 und
Räder 34,
Drehmoment auf die Welle 26 übertragen. Eine hohe Betriebstemperatur
kann Spannungen in die Rotationskomponenten und die Welle 26 einbringen oder
erhöhen.
Beispielsweise können
die heißen Verbrennungsgase
in das Zwischenstufenvolumen zwischen den Turbinenrädern 34 strö men, was
Wärmebelastungen
auf die Turbinenkomponenten aufbringen kann.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Turbinenbereiches 22 entlang
einer Bogenlinie 3-3 von 2. Wie in 3 gezeigt,
wird ein zweistufiges Gasturbinentriebwerk mit verschiedenen Rotationskomponenten 36,
wie z. B. der Welle 26 und Rädern 34 mit Schaufeln 32 dargestellt,
die über
eine Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung 38 gekoppelt sind.
Die Rotationskomponenten 36 können um die Rotationsachse 30 (2)
rotieren, während
die Kupplung 38 eine Ausrichtung und Drehmomentübertragung
um eine in Umfangsrichtung verlaufende Schnittstelle oder Achse 39 bereitstellt.
Wie zu erkennen ist, liegt die Achse 39 parallel zur Rotationsachse 30.
Die Welle 26 kann mit einem Lager 40 gekoppelt sein,
um die Drehung der Rotationskomponenten 36 miteinander
zu ermöglichen.
Wie vorstehend erwähnt,
kann sich der Mittenzuganker 35 durch Bohrungen der Räder 34 erstrecken,
um die Rotationskomponenten 36 axial zusammenzuklemmen.
In einigen Ausführungsformen
können,
wie in 2 dargestellt, die Rotationskomponenten 36,
wie z. B. die Räder 34,
miteinander über
eine (auch als ”Abstandshalter” bezeichnete)
Zwischenwelle 42, die sich zwischen den Komponenten 36 erstreckt,
gekoppelt sein. Die Zwischenwelle 42 kann auch eine Kupplung 38 zum
Verbinden der Rotationskomponenten 36 miteinander enthalten.
Gemäß Darstellung in 3 kann
die Welle 26 einen Abschnitt, der sich im Wesentlichen
in einer axialen Richtung entlang der Rotationsachse zu den Rotationskomponenten 36 hin
erweitert, und einen sich nicht erweiternden Abschnitt enthalten.
Beispielsweise kann die Welle 26 einen zylindrischen Abschnitt 25 und
einen konischen Abschnitt 27 enthalten. Gemäß Darstellung enthält die Welle 26 gegenüberliegende
zylindrische und konische Abschnitte 25 und 27,
welche einander in axialer Richtung gegenüberliegen. Somit erweitert sich
oder divergiert der gegenüberliegende
konische Abschnitt 27 entlang der Achse 30 auseinander.
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Die
Kupplung 38 kann einen Vorsprung 44 enthalten,
der zur Verbindung mit einer Nut 46 konfiguriert ist. Wie
nachstehend im Detail beschrieben, richtet die Kupplung 38 im
Wesentlichen die Rotationskomponenten axial gemäß Darstellung durch den Pfeil 48,
radial gemäß Darstellung
durch den Pfeil 49 und in Umfangsrichtung gemäß Darstellung
durch den Pfeil 50 aus. Somit kann die Kupplung 38 die
Rotationskomponenten 36 konzentrisch ausrichten, d. h.,
alle Komponenten um dieselbe Rotationsachse 30 herum zentrieren.
Zusätzlich
kann die Kupplung 38 Drehmoment zwischen den Rotationskomponenten 36,
d. h., zwischen der Welle 26 und den Rädern 34 übertragen
und trotzdem einen Schlupf im Falle eines Fehlerszenarios, wie z.
B. eines unüblich
höheren
Drehmoments zulassen. Wie man erkennt, ist die Kupplung 38 in
ihrer Geometrie ringförmig.
Somit sind der Vorsprung 44 und die Nut 46 beide
in ihrer Geometrie ringförmig.
Der Vorsprung 44 und die Nut 46 weisen einen gemeinsamen
Keilsitz auf, um eine Ausrichtung, Drehmomentübertragung und Fehlerschutz,
wie nachstehend weiter diskutiert, zu ermöglichen.
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4 ist
ein vergrößerter Querschnittsbereich
entlang der Bogenlinie 4-4 von 3, der die Kupplung 38 detaillierter
darstellt. Wie vorstehend beschrieben, enthält die Kupplung 38 eine
ringförmige
Kupplung, wie z. B. einen Vorsprung 44 an einem Ende der
Welle 26, der sich mit einer weiteren ringförmigen Kupplung
(z. B. einer Nut 46) in dem Rad 34 vereint. Die
erste ringförmige
Kupplung, wie z. B. der Vorsprung 44, kann eine axial konvergierende
Oberfläche 52 in
Bezug auf die Achse 39 haben. Die axial konvergierende
Oberfläche 52 kann
Oberflächen
mit Längen 54 und 56 enthalten,
die in Umfangsrichtung um die Welle 26 herum gemäß Darstellung
durch den Pfeil 50 angeordnet sind. Die zweite ringförmige Kupplung,
wie z. B. die Nut 46, kann eine axial divergierende Oberfläche 58 in
Bezug auf die Achse 39 haben, sodass sich die axial konvergierende
Oberfläche 52 mit
der axial divergierenden Oberfläche 58 zum
Ausbilden der Kupplung 38 vereint. Die axial divergierende
Oberfläche 58 kann
Oberflächen
mit Konturen 62 und 64 enthalten, die in Umfangsrichtung
um die Nut 46 herum angeordnet sind. Die axial konvergierende
Oberfläche 52 und
die axial divergierende Oberfläche 58 können durch
Winkel 66 und 68 beschrieben werden.
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In
einer Ausführungsform
kann der Vorsprung 54 ein in Umfangsrichtung verlaufender
winkelförmiger
Vorsprung, ein in Umfangsrichtung verlaufender sich verjüngender
Vorsprung oder ein anderer geeignet konvergierender Oberflächenvorsprung
sein. In ähnlicher
Weise kann die Nut 46 eine in Umfangsrichtung verlaufende
V-förmige
Nut, eine in Umfangsrichtung verlaufende sich verjüngende Nut
oder eine andere geeignet divergierende Oberflächennut sein.
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In
bestimmten Ausführungsformen
verbinden sich die erste ringförmige
Kupplung, d. h., der Vorsprung 44 und die zweite ringförmige Kupplung, wie
z. B. die Nut 46, alleine durch den Keilreibungssitz. D.
h., die Kupplung 38 kuppelt die Rotationskomponenten 36,
wie z. B. die Welle 26 mit dem Rad 34 allein durch
die Keilreibung zwischen der axial konvergierenden Oberfläche 52 und
der axial divergierenden Oberfläche 58,
ohne irgendeinen anderen Halterungsmechanismus oder Komponenten.
Auf diese Weise erfasst die zweite ringförmige Kupplung die Nut 46 radial
die erste ringförmige
Kupplung, wie z. B. den Vorsprung 44, um jede radiale Bewegung zu
blockieren und eine Ausrichtung in der axialen Richtung 48,
der radialen Richtung 49 und der Umfangsrichtung 50 zu
ermöglichen.
Somit kann die Kupplung 38 als eine selbst-ausrichtende
(oder ”selbst-zentrierende”) Reibungskupplung
beschrieben werden, welche eine Konzentrizität ermöglicht. Zusätzlich kann der mit den Rotationskomponenten 36 und
der Welle 26 gekoppelte Mittenzuganker 35 eine
axiale Kompression entlang der Achse 30 der Rotationskomponenten 36 und
der Achse 39 der Kupplung 38 erzeugen. Alternative
Formen einer axialen Kompression können mittels Zugankern erzielt werden,
die nicht entlang der Mittenachse verlaufen, wie es in 2 dargestellt
ist.
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Während des
Zusammenbaus führt,
da sich der Vorsprung 44 axial in die Nut 46 bewegt,
die V-förmige
Nut den Vorsprung 44 und die Nut 46 allmählich zu
der Achse 39 hin. Wie vorstehend angemerkt, ist die Achse 39 parallel
zu der Achse 30. Ferner befindet sich die Achse 39 von
der Achse 30 in der Umfangsrichtung 50 um die
Achse 30 in gleichem Abstand. Demzufolge erzeugt, sobald
sich der Vorsprung 44 und die Nut 46 allmählich in
Ausrichtung zu der Achse 39 bewegen, die Kupplung 38 eine
Ausrichtung der Rotationskomponenten 36 in der radialen
Richtung 49. Ebenso richtet die Kupplung 39 die Rotationskomponenten 36 um
die Achse 30 in der Umfangsrichtung 50 und entlang
der Achse 30 in der axialen Richtung 48 aus. Somit
kann die Kupplung 38 die Rotationskomponenten 36 axial
und konzentrisch (d. h., konzentrisch um die Achse 30)
ausrichten. Die V-Form
des Vorsprungs 44 und der Nut 46 können als
ein Keilsitz beschrieben werden, welcher diese Ausrichtung ermöglicht.
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In
vorteilhafter Weise kann der Zusammenbau der Kupplung 38 und
die Verbindung der ersten ringförmigen
Kupplung, wie z. B. des Vorsprungs 44, und der zweiten
ringförmigen
Kupplung, wie z. B. der Nut 60, ohne Erwärmung, Kühlung oder
unterschiedliche Temperaturänderungen
erfolgen. Mit anderen Worten, die Kupplung 38 kann bei
Raumtemperatur vor Ort zusammengebaut werden. Die Verbindung des
Vorsprungs 44 mit der Nut 46 kann eine keilartige Eindrückung des
Vorsprungs 44 in die Nut 46 über das Anziehen des Mittenzugankers 35 beinhalten, was
eine Belastung entlang der Achse 39 erzeugt. Ferner können der
Vorsprung 44 und/oder die Nut 46 vollständig mittels
einer Drehbank bearbeitet werden, um die Herstellungskosten zu verringern.
Während Herstellung,
Zusammenbau und Betrieb können
Verifizierung und Inspektion der Kupplung 38 einfacher sein,
da (im Vergleich zu komplexeren Kupplungen) weniger Oberflächen zu
inspizieren sind und da die Oberflächen zusammenhängend (z.
B. ringförmig) sind.
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Die
Längen 54 und 56 der
axial konvergierenden Oberfläche 52 können angepasst
werden, um die Belastungen während
des Zusammenbaus und des Betriebs zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen
können
die Längen 54 und 56 gleiche
Längen oder
unterschiedliche Längen
sein. Zusätzlich
können
die Oberflächen 62 und 64 konturiert
sein, um Oberflächenkontaktlastverteilungen
auf den Oberflächen 54 und 56 zu
steuern. In bestimmten Ausführungsformen
können
die Oberflächen 62 und 64 ähnlich konturiert
oder unterschiedlich konturiert sein. Ferner können die Winkel 66 und 68 entweder
alleine oder in Kombination mit den vorgenannten Techniken, angepasst
werden, um die Belastungen während
des Zusammenbaus und des Betriebs zu steuern. Die Winkel 66 und 68 können einen
kleineren Winkel als 90° (z.
B. Spitzwinkel), wie z. B. weniger als etwa 5°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80° oder jede Kombination haben.
Die Winkel 66 und 68 können gleich oder unterschiedlich
zueinander sein. Beispielsweise können die Winkel 66 und 68 angenähert 45° und 45°, 30° und 3°, 60° und 60°, 30° und 60°, 60° und 30° usw. sein.
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5 stellt
eine alternative Ausführungsform der
Kupplung 38 mit einem gebogenen Vorsprung 70 und
einer gebogenen Nut 72 dar. Wie zu erkennen ist, haben
der gebogene Vorsprung 70 und die gebogene Nut 72 die
dargestellte Form in Umfangs richtung um die Achse 30 in
der Umfangsrichtung 50. Somit sind die gebogenen Formen
ringförmig.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform
enthält
die axial konvergierende Oberfläche 52 der
Welle 26 den gebogenen Abschnitt 70 (z. B. eine
in Umfangsrichtung verlaufende ”C-förmige” Oberfläche 74),
und die axial divergierende Oberfläche 58 der Rotationskomponente 36 enthält die gebogene
Nut 72 (z. B. eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende C-förmige Oberfläche 76).
Wie vorstehend diskutiert, richten der gebogene Vorsprung 70 und
die gebogene Nut 72 die Welle 26 und die Rotationskomponente 36 in
der axialen Richtung 48, in der radialen Richtung 49 und
in der Umfangsrichtung 50 aus. Somit machen der Vorsprung 70 und
die Nut 72 die Rotationskomponenten 36 konzentrisch.
Wie ebenfalls vorstehend erwähnt,
Verbinden sich der Vorsprung 70 und die gebogene Nut 72 ausschließlich durch
einen Keilreibungssitz, welcher eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotationskomponente 36 und
der Welle 26 ermöglicht.
Wiederum ermöglicht
dieser Keilreibungssitz einen Schlupf des Vorsprungs 70 in Bezug
auf die gebogene Nut 72 als Sicherheit im Falle höherer Belastungen,
die zu einem höheren
Drehmoment führen.
Dieser Schlupf verhindert die Übertragung
des höheren
Drehmomentes auf die Welle 26 und/oder die Rotationskomponenten 36 und
verhindert dadurch einen Schaden (und Ausfall) dieser Komponenten.
Der Radius 78 des gebogenen Vorsprungs 70 kann
entlang der Oberfläche 74 konstant sein,
um eine halbkreisförmige
Oberfläche
zu erzeugen, oder der Radius 78 kann entlang der Oberfläche 74 variieren,
um eine weniger halbkreisförmige
Oberfläche
zu erzeugen. Ebenso kann der Radius der gebogenen Nut 72 entlang
der Oberfläche 76 variieren oder
kann entlang der Oberfläche 76 zur
Ausbildung einer dem Vorsprung entsprechenden Verbindungsoberfläche 70 variieren.
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6 stellt
eine alternative Ausführungsform der
Kupplung 38 dar, die einen Mechanismus für eine sichere
Drehmo mentübertragung,
wie z. B. einen Stift 82 enthält. Der Stift 82 kann
sich durch die Nut 46 und den Vorsprung 44 erstrecken.
In der dargestellten Ausführungsform
erstreckt sich der Stift 82 in der radialen Richtung 49 durch
die Nut 46 und den Vorsprung 44. In einigen Ausführungsformen
kann der Stift 82 in der axialen Richtung 48 oder
der Umfangsrichtung 50 orientiert sein. Gemäß Darstellung in 6 kann
der Stift 82 in der radialen Richtung 50 in eine
Aufnahme 84 an der Oberfläche 62, durch die Nut 46 der
Rotationskomponente 36, durch eine Aufnahme 86 in
dem Vorsprung 44 der Welle 26 und durch eine entsprechende
Aufnahme 88 an der Oberfläche 64 gerichtet sein.
Der Haltemechanismus kann der Stift 82, ein Bolzen, eine
Schraube oder irgendein anderes geeignetes Befestigungselement sein.
Der Haltemechanismus, wie z. B. der Stift 82, kann eine
weitere Stabilität
der Axial-, Radial- und Umfangsausrichtung der durch die Kupplung 38 erzeugten
bereitstellen. Zusätzlich
kann der Halterungsmechanismus, wie z. B. der Stift 82,
ein Scherstift oder ein anderes Scherungsbefestigungselement sein,
um die vorstehend diskutierten Drehmomentübertragungs- und Schlupffähigkeiten
zu erhalten. Somit kann der Scherstift 82 für eine Abscherung bei
einem speziellen Drehmoment unmittelbar über dem für den Schlupf der Kupplung 38 erforderlichen Drehmoment
ausgelegt sein. In diesem Falle kann die Kupplung 38 noch
einen Schlupf bei einem Soll-Drehmomentwert bereitstellen, um einen
Schaden (oder Ausfall) der Rotationskomponenten 36 zu verhindern.
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Es
dürfte
erkennbar sein, dass die Kupplung 38 nicht auf Anwendungen
in dem hierin beschriebenen Gasturbinentriebwerk 12 beschränkt ist,
sondern in jeder Rotationsvorrichtung mit einer Schnittstelle zwischen
Rotationskomponenten verwendet werden kann. Beispielsweise kann
die Kupplung 38 bei Turbinen mit einer Bundbolzenkonstruktion,
Dampfturbinen, usw. verwendet werden. Ebenso kann die Kupplung 38 in
jeder Rotationsma schine, wie z. B. in einem Generator, einem Elektromotor,
einem Verdichter usw. verwendet werden.
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Diese
Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer
besten Ausführungsart zu
offenzulegen, und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung auszuführen
und alle Vorrichtungen oder System zu nutzen und alle enthaltenen
Verfahren durchzuführen.
Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert
und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich
sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der
Erfindung enthalten sein, sofern sie Strukturelemente haben, die
sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn
sie äquivalente
Strukturelemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem
Wortlaut der Ansprüche
enthalten.
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Es
wird ein System 10 offengelegt, das ein Turbinentriebwerk 12 mit
einer ersten Rotationskomponente 26 mit einer um eine Rotationsachse 30 des Triebwerks 12 angeordneten
ersten ringförmigen Kupplung 44 enthält. Die
erste ringförmige
Kupplung 44 hat eine axial konvergierende Oberfläche 52 in Bezug
auf die Rotationsachse 30. Das System 10 enthält auch
eine zweite Rotationskomponente 34 mit einer um die Rotationsachse 30 des
Turbinentriebwerks 12 herum angeordneten zweiten ringförmigen Kupplung 46,
wobei die zweite ringförmige Kupplung 46 eine
axial divergierende Oberfläche 58 dergestalt
aufweist, dass die axial konvergierende Oberfläche 52 der ersten
ringförmigen
Kupplung 44 sich mit der axial divergierenden Oberfläche 58 verbindet.
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- 10
- System
- 12
- Gasturbinentriebwerk
- 16
- Luftansaugbereich
- 18
- Verdichter
- 20
- Brennerbereich
- 22
- Turbine
- 24
- Abgasbereich
- 26
- Welle
- 28
- Brennergehäuse
- 29
- Verdichter 18 tritt
in Brenner ein
- 30
- Längsachse
- 31
- drei
getrennte Stufen
- 32
- Schaufeln
- 34
- Rotorrad
- 35
- Zuganker
- 36
- Verschiedene
Rotationskomponenten
- 38
- Drehmomentübertragungskupplung
- 39
- Achse
- 40
- Lager
- 42
- Zwischenwelle
- 25
- zylindrischer
Abschnitt
- 27
- konischer
Abschnitt
- 44
- Vorsprung
- 46
- Nut
- 48
- Pfeil
- 49
- Pfeil
- 50
- Pfeil
- 52
- axial
konvergierende Oberfläche
- 54
- Längen
- 56
- Längen
- 58
- axial
divergierende Oberfläche
- 62
- Konturen
- 64
- Konturen
- 66
- Winkel
- 68
- Winkel
- 60
- Nut
- 70
- gebogener
Vorsprung
- 72
- gebogene
Nut
- 74
- C-förmige Oberfläche
- 76
- C-förmige Oberfläche
- 78
- Radius
- 80
- Radius
- 82
- Stift
- 84
- Aufnahme
- 86
- Aufnahme
- 88
- Aufnahme