DE102010040288A1

DE102010040288A1 - Rotor

Info

Publication number: DE102010040288A1
Application number: DE102010040288A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lanz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (R), umfassend eine sich entlang einer Längsachse (AX) erstreckende Welle (SH) und ein Laufrad (IM), wobei das Laufrad (IM) an der Welle (SH) mittels einer Drehmoment übertragenden Verbindung (TC) befestigt ist. Für eine kostengünstige und sichere Verbindung des Laufrades mit der Welle ist vorgesehen, dass – die Welle (SH) eine erste Stirnseite (FF1) aufweist und die Stirnseite (FF1) ein zur Längsachse (AX) rotationssymmetrisch ausgebildete Oberflache (SF) aufweist, – das Laufrad (IM) an der ersten Stirnseite (FF1) der Welle (SH) angebracht ist, – ein erstes Zwischenelement (IE1) zwischen der Oberfläche (SF) der Welle (SH) und dem Laufrad (IM) und koaxial zur Längsachse (AX) angeordnet ist, – wobei eine Dehnschraube (TS) sich parallel zur Längsachse (AX) erstreckt, welche das Laufrad (IM) und das erste Zwischenelement (IE1) an der Welle (SH) befestigt, – wobei eine in Richtung des ersten Zwischenelementes (IE1) weisende zweite Stirnfläche (FF2) des Laufrades (IM) gemeinsam mit einer in Richtung des Laufrades (IM) weisenden dritten Stirnfläche (FF3) des ersten Zwischenelementes (IE1) gemeinsam als eine feste und lösbare Kupplung (CU) ausgebildet sind, – wobei das erste Zwischenelement (IE1) an der Welle (SH) fest angebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor umfassend eine sich entlang einer Längsachse erstreckende Welle und einem Laufrad, wobei das Laufrad an der Welle mittels einer Drehmoment übertragenden Verbindung befestigt ist.
Welle-Laufrad-Verbindungen zu einem Rotor der oben genannten Art sind üblich im Strömungsmaschinenbau, insbesondere im Bereich von Radialströmungsmaschinen, wo ein Läufer bzw. eine Welle nicht mit einzelnen Schaufeln beschaufelt wird, sondern die Stufen, umfassend die Schaufeln, jeweils ein kompaktes Bauteil darstellen.
Bei Verdichtern oder Expandern muss ein entsprechend hohes Drehmoment von dem Impeller auf die Welle übertragen werden, um die Maschine auch mit maximaler Leistung bei einer bestimmten Drehzahl betreiben zu können.
Bekannte Ausführungsformen der Verbindung zwischen dem Laufrad und der Welle sind Schrumpfsitze, die entweder thermisch oder hydraulisch gefügt werden, wobei regelmäßig eine zu der Wellenachse radiale Kontaktfläche zwischen dem Impeller und der Welle des Schrumpfsitzes über Reibungskräfte das Drehmoment überträgt. Alternativ ist es bekannt, insbesondere bei der fliegenden Anordnung eines Laufrades an einer Welle eine Hirtverzahnung zwischen dem Laufrad und der axialen Stirnseite der Welle vorzusehen. Bei der fliegenden Anordnung ist das Laufrad nicht von mindestens beiden Seiten gemeinsam mit ggf. anderen auf der Welle angeordneten Maschinenkomponenten von einem Lager zur Lagerung des Rotors umgeben, sondern mindestens ein Laufrad befindet sich nicht zwischen den beiden radial wirkenden Lagern der Welle. Die axiale Befestigung an der Welle erfolgt regelmäßig mittels einer koaxialen Dehnschraube und das Drehmoment wird beispielsweise mittels einer Hirtverzahnung (axial wirkende lösbare und feste Kupplung) oder mittels planarer Reibflächen übertragen.
Eine Möglichkeit der Verbindung zwischen der Welle und dem Laufrad besteht im Aufschrumpfen des Laufrades auf das Wellenende. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten, die beiden Bauteile aneinander zu fügen. Die erste Möglichkeit sieht ein Erwärmen des Laufrades bzw. ein Erkalten der Welle vor und die zweite Möglichkeit ist das hydraulische Aufweiten des Aufzuschrumpfenden Bauteils – erfordert also eine hydraulische Vorrichtung. Die zuerst genannte Variante lässt sich nicht ohne Schwierigkeiten lösen, da in Folge der Wärmeleitung in verbundenen Zustand nicht nur das Laufrad erwärmt oder nicht nur die Welle erkaltet werden kann. Die hydraulische Variante erfordert einen konischen Sitz. Im Ergebnis sind beide Montage- bzw. Demontagevarianten eine äußerst herausfordernde Aufgabe insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit eines Wuchtzustandes.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, mittels einer zentralen Dehnschraube zwei stirnseitige mit einer zueinander korrespondierenden Hirtverzahnung versehene Flächen gegeneinander zu verspannen. Bei sehr langen Wellen, wie sie bei dem derzeitigen Trend zu größeren Maschinen immer häufiger auftreten, kann eine Hirtverzahnung nicht ohne weiteres gefertigt werden, da die Welle aufgrund ihrer Größe nicht in vorhandene Fertigungsmöglichkeiten hineinpasst.
Eine Übertragung des Drehmomentes mittels gegeneinander verpresster planarer Flächen beispielsweise mittels einer zentralen Dehnschraube, bietet keine Reproduzierbarkeit des gewuchteten Montagezustandes, so dass bei jeder Demontage eine sehr aufwendige Wuchtung erforderlich ist. Im Übrigen kann es zwischen den gegeneinander gepressten Flächen im Betrieb zu Versätzen kommen, die die Rotordynamik gravierend verschlechtern.
Ausgehend von den oben genannten Problemen und Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der in der Lage ist, hohe Drehmomente zwischen der Welle und dem Laufrad zu übertragen und trotzdem einfach zu fertigen ist sowie einen nur geringen Montage- und Demontageaufwand mit sich bringt.
Zur Lösung wird ein Rotor der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der die zusätzlichen Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors liegt darin, dass auch große Rotoren mit langen Wellen unter gewöhnlichen Fertigungsbedingungen gefertigt werden können und trotzdem auch nach einer Demontage ein reproduzierbarer Wuchtzustand erreichbar ist. Das erste Zwischenelement kann auch im Rahmen einer Demontage an der Stirnseite der Welle verbleiben und das Laufrad kann mittels der festen lösbaren axialen Kupplung zur Wartungszwecken von der Welle abgelöst werden. Das erste Zwischenelement wird entsprechend den Anforderungen an die Kupplung vorbereitet und bevorzugt einmalig fest an der Welle angebracht. Die Welle selbst muss im Kontaktbereich zwischen der Welle und dem ersten Zwischenelement lediglich mittels üblicher spanender Bearbeitungsverfahren vorbereitet werden, beispielsweise durch Drehen oder Polieren. Eine aufwändige Hirtverzahnung muss nicht an der Stirnseite der Welle angebracht werden, so dass auch Wellen mit größeren Abmessungen dieser erfindungsgemäßen Fertigungsmethode zugänglich sind.
Besonders zweckmäßig ist die feste lösbare Kupplung als eine axial wirksame stirnseitige Verzahnung insbesondere als eine Hirthverzahnung ausgebildet, wobei die der Welle zugewandte Stirnseite des ersten Zwischenelementes mit einer Seite der Hirtverzahnung versehen ist und die dem ersten Zwischenelement zugewandte Stirnseite der Welle mit dem korrespondierenden anderen Seite der Hirtverzahnung bzw. der festen lösbaren Kupplung.
Zur Erhöhung des übertragbaren Drehmomentes zwischen dem ersten Zwischenelement und der Welle ist es zweckmäßig, wenn die Verbindung zwischen diesen beiden Bauteilen mittels eines radialen Schrumpfsitzes erfolgt. Der radiale Schrumpfsitz kann derart ausgebildet sein, dass das erste Zwischenelement mit einer radial nach innen weisenden Oberfläche auf einer radial nach außen weisenden Oberfläche der Welle anliegt. Alternativ kann das erste Zwischenelement mit einer radial nach außen weisenden Oberfläche an einer radial nach innen weisenden Oberfläche der Welle anliegen. In beiden Fällen wirkt der Schrumpfsitz nicht nur kraftübertragend, sondern auch radial zentrierend für das erste Zwischenelement.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dehnschraube koaxial zur Längsachse in die Welle eingeschraubt ist. Auf diese Weise ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Wuchtzustandes.
Der modulare Aufbau der Verbindung zwischen dem Laufrad und der Welle ermöglicht unterschiedliche Werkstoffe des ersten Zwischenelementes und der Welle. Auf diese Weise können diese Module mittels einer geeigneten Werkstoffauswahl vorteilhaft an ihre Aufgabe angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist das Vorsehen einer Reibwert erhöhenden Schicht oder einer Reibscheibe zwischen dem ersten Zwischenelement und der Welle, welche Schicht oder Scheibe eine Kontaktfläche zwischen dem ersten Zwischenelement und der Welle zumindest teilweise bedeckt. Die Schicht kann beispielsweise als Paste mit Partikeln, die eine höhere Härte aufweisen als der Werkstoff der Welle und/oder des ersten Zwischenelementes angereichert sein. Diese Partikel verursachen beim Anziehen der Dehnschraube bzw. bei der Erhöhung der Flächenpressung zwischen dem ersten Zwischenelement und der Welle Verformungen in den beiden beteiligten Oberflächen der Kontaktfläche, die den Reibwert zwischen den beiden Bauteilen aufgrund von Formschlüssen mit kleinen Abmessungen im Oberflächenbereich dieses Kontaktflächenpaares erhöhen. Die Reibscheibe ist vorteilhaft gleichfalls mit Partikeln bestückt, die eine höhere Härte aufweisen als der Werkstoff der Welle und/oder des ersten Zwischenelementes. Diese Partikel können in beiden Fällen z. B. Diamantpartikel sein.
Mit ähnlichen Vorteilen, wie das erfindungsgemäße erste Zwischenelement mit Bezug auf den Rest der Welle kann in spiegelsymmetrischer Weise das Laufrad ein zweites Zwischenelement umfassen. Auch das zweite Zwischenelement ist an dem Rest des Laufrades fest angebracht, insbesondere bevorzugt mittels eines radialen Schrumpfsitzes. Zusätzlich ist es sinnvoll, das zweite Zwischenelement, ebenso, wie das erste Zwischenelement mittels eines Zentrierstiftes oder einer Schraube oder eines ähnlichen Mittels hinsichtlich seiner relativen Umfangsposition an dem ersten Laufrad zu sichern. Ebenfalls sind Reibwert-erhöhende Maßnahmen zwischen dem zweiten Zwischenelement und dem ersten Laufrad vorteilhaft.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher verdeutlicht. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Rotors einer ersten Ausführung der Erfindung,
2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Rotors einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung.
3 einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Rotors einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung.
Die 1 zeigt einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors R umfassend eine erfindungsgemäße Verbindung TC. zwischen einer Welle SH und einem Laufrad IM. Grundsätzlich sind Richtungsangaben, wie axial oder radial, bezogen auf eine Längsachse AX der Welle SH.
Das Laufrad IM ist das Laufrad eines Zentrifugalverdichters und ist stirnseitig an der Welle SH angeordnet. Hierbei handelt es sich um eine sogenannte fliegende Anordnung eines Laufrades IM an der Welle SH, weil ein nicht dargestelltes Lager zur radialen Lagerung der Welle SH weiter in Richtung Wellenmitte angeordnet ist als das Laufrad IM. Die Erfindung ist besonders geeignet für den Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere einen Radialverdichter oder Radialexpander, so dass sich die Erfindung auch auf einen Radialverdichter oder Radialexpander mit einem Rotor der erfindungsgemäßen Art bezieht.
Die Welle SH weist eine erste Stirnseite FF1 auf, deren Oberfläche zur einer Längsachse AX der Welle SH rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die in 1 dargestellte Geometrie der ersten Stirnseite FF1 ist eben, wobei eine konische Geometrie oder eine sonstige Kontur, beispielsweise zur radialen Zentrierung, erfindungsgemäß denkbar ist. Die Rotationssymmetrie wird an der ersten Stirnseite FF1 durch Ausnehmungen für Zentrierstifte PS unterbrochen, was an der eigentlichen Rotationssymmetrie jedoch nichts ändert. Entscheidend ist, dass es keine sich radial erstreckenden Vorsprünge auf der ersten Stirnseite FF1 gibt.
Mittels einer Dehnschraube TS sind das Laufrad IM und ein erstes Zwischenelement IE1 gegen die erste Stirnseite FF1 der Welle SH verspannt. Die Dehnschraube TS ist in eine Gewindebohrung THB koaxial in die Welle SH eingeschraubt. Das Laufrad IM weist eine Anlagefläche CA für einen Absatz der Dehnschraube TS bzw. eine dort aufgeschraubte Mutter NT auf.
Das Laufrad IM ist an einer in Richtung des ersten Zwischenelementes IE1 weisenden zweiten Stirnfläche FF2 gemeinsam mit einem in Richtung des Laufrades IM weisenden dritten Stirnfläche FF3 des ersten Zwischenelementes IE1 als eine feste lösbare Kupplung CU ausgebildet. Diese Kupplung CU ist als Hirnverzahnung HT an dem ersten Zwischenelement IE1 und dem Laufrad IM ausgebildet. Eine Reibwert erhöhende Schicht FL befindet sich zwischen dem ersten Zwischenelement IE1 und der ersten Stirnfläche FF1 der Welle SH, wobei die Reibwert erhöhende Schicht FL eine Kontaktfläche CSF zwischen dem ersten Zwischenelement IE1 und der Welle SH zumindest teilweise bedeckt. Im konkreten Beispiel ist die reibwerterhöhende Schicht FL in 1 eine Paste mit Partikeln, die eine höhere Härte aufweisen als der Werkstoff der Welle SH und des ersten Zwischenelementes IE1. In 2 ist statt der Schicht FL eine Reibscheibe FD vorgesehen, die mit Partikeln bestückt ist, nämlich Diamant-Partikeln bestückt ist.
Eine Verbindung zwischen dem ersten Zwischenelement IE1 und der Welle SH ist durch einen radialen Schrumpfsitz RS gegeben, wobei in 1 das erste Zwischenelement IE1 mit einer radial nach innen weisenden Oberfläche IE1SFI an einer radial nach außen weisenden Oberfläche SHSFRO der Welle SH anliegt. Im Unterschied zu der 1 ist in 2 der Fall dargestellt, dass das erste Zwischenelement IE1 mit einer radial nach außen weisenden Oberfläche IE1SFRO an einer radial nach innen weisenden Oberfläche SHSFRI der Welle SH anliegt.
Die erste Stirnfläche FF1 ist eine zur Längsachse AX rotationssymmetrisch ausgebildete Oberfläche SF. Das erste Zwischenelement IE1 ist an der Welle SH fest angebracht und wird auch bei einer Demontage des Laufrades IM nicht mehr von der Welle SH gelöst.
Die 3 zeigt seitens der Welle SH eine Anordnung, wie sie auch schon in der 2 dargestellt ist. Seitens des Laufrades IM ist im Bereich der festen lösbaren Kupplung CU ein zweites Zwischenelement IE2 als Bestandteil des Laufrades IM vorgesehen. Das zweite Zwischenelement IE2 ist im wesentlichen spiegelbildlich zu dem ersten Zwischenelement IE1 ausgebildet und angeordnet und fest an der Stirnfläche FF1' des Laufrades angebracht. Zum Zwecke der Zentrierung in Umfangsrichtung, damit der Wuchtzustand der Welle SH sich bei einer Demontage nicht zufällig verändern kann, sind – ebenso wie auf der Seite der Welle – Zentrierstifte PS vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich die erfindungsgemäßen Fertigungsvorteile nicht nur hinsichtlich der Welle SH realisieren sondern auch bezüglich des Laufrades IM, welches nicht mehr in seiner Gesamtheit einer Fertigung einer Hirthverzahnung unterzogen werden muss.

Claims

Rotor (R) umfassend eine sich entlang einer Längsachse (AX) erstreckende Welle (SH) und ein Laufrad (IM), wobei das Laufrad (IM) an der Welle (SH) mittels einer Drehmoment übertragenden Verbindung (TC) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Welle (SH) eine erste Stirnseite (FF1) aufweist und die Stirnseite (FF1) ein zur Längsachse (AX) rotationssymmetrisch ausgebildete Oberflache (SF) aufweist, – das Laufrad (IM) an der ersten Stirnseite (FF1) der Welle (SH) angebracht ist, – wobei die Welle mindestens ein erstes Zwischenelement (IE1) zwischen der Oberfläche (SF) der Welle (SH) und dem Laufrad (IM) und koaxial zur Längsachse (AX) angeordnet aufweist, – wobei eine Dehnschraube (TS) sich parallel zur Längsachse (AX) erstreckt, welche das Laufrad (IM) und das erste Zwischenelement (IE1) an der Welle (SH) befestigt, – wobei eine in Richtung des ersten Zwischenelementes (IE1) weisende zweite Stirnfläche (FF2) des Laufrades (IM) gemeinsam mit einer in Richtung des Laufrades (IM) weisenden dritten Stirnfläche (FF3) des ersten Zwischenelementes (IE1) gemeinsam als eine feste und lösbare Kupplung (CU) ausgebildet sind, – wobei das erste Zwischenelement (IE1) an der Welle (SH) fest angebracht ist.
Rotor (R) nach Anspruch 1, wobei – das Laufrad (IM) mindestens ein zweites Zwischenelement (IE1) zwischen der Oberfläche (SF) der Welle (SH) und dem Laufrad (IM) und koaxial zur Längsachse (AX) angeordnet aufweist, – wobei das zweite Zwischenelement (IE2) an dem Laufrad (IM) fest angebracht ist, – wobei eine in Richtung des ersten Zwischenelementes (IE1) weisende zweite Stirnfläche (FF2') des zweiten Zwischenelementes (IE2) gemeinsam mit der in Richtung des Laufrades (IM) weisenden dritten Stirnfläche (FF3) des ersten Zwischenelementes (IE1) gemeinsam als eine feste und lösbare Kupplung (CU) ausgebildet sind, – wobei das erste Zwischenelement (IE1) an der Welle (SH) fest angebracht ist.
Rotor (R) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kupplung (CU) eine axial wirksame, stirnseitige Verzahnung, insbesondere eine Hirtverzahnung (HT) aufweist.
Rotor (R) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Verbindung des ersten Zwischenelementes (IE1) mit dem Rest der Welle (SH) und/oder die Verbindung des zweiten Zwischenelementes (IE2) mit dem Rest des Laufrads (IM) einen radialen Schrumpfsitz (RS) aufweist.
Rotor (R) nach Anspruch 3, wobei der jeweilige radiale Schrumpfsitz (RS) derart ausgebildet ist, dass das erste oder zweite Zwischenelement (IE1, IE2) mit einer radial nach innen weisenden Oberfläche (IE1SFRI) an einer radial nach außen weisenden Oberfläche (SHSFRO) der Welle (SH) oder des Laufrads (IM) anliegt.
Rotor (R) nach Anspruch 3, wobei der jeweilige radiale Schrumpfsitz (RS) derart ausgebildet ist, dass das erste oder zweite Zwischenelement (IE1, IE2) mit einer radial nach außen weisenden Oberfläche (IE1SFRO) an einer radial nach innen weisenden Oberfläche (SHSFRI) der Welle (SH) oder des Laufrads (IM) anliegt.
Rotor (R) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Reibwert-erhöhende Schicht (FL) oder eine Reibscheibe (FD) zwischen dem ersten Zwischenelement (IE1) und dem Rest der Welle (SH) vorgesehen ist, welche eine Kontaktfläche (CSF) zwischen dem ersten Zwischenelement (IE1) und der Welle (SH) zumindest teilweise bedeckt.
Rotor (R) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Reibwert erhöhende Schicht (FL) oder eine Reibscheibe (FD) zwischen dem zweiten Zwischenelement (IE2) und dem Laufrad (IM) vorgesehen ist, welche eine Kontaktfläche (CSF) zwischen dem zweiten Zwischenelement (IE1) und dem Laufrad (IM) zumindest teilweise bedeckt.
Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Dehnschraube (TS) koaxial zur Längsachse (AX) erstreckt.
Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Zwischenelement (IE1) und die Welle (SH) und/oder das zweite Zwischenelement (IE2) und das Laufrad (IM) zueinander unterschiedliche Werkstoffe aufweisen.
Rotor (R) nach mindestens dem vorhergehenden Anspruch 6, wobei die Reibwert-erhöhende Schicht (FL) eine Paste mit Partikeln umfasst, wobei die Partikel eine höhere Härte aufweisen als der Werkstoff der Welle (SH) und/oder des Laufrads (IM) und/oder der Werkstoff des ersten Zwischenelementes (IE1) und/oder der Werkstoff des zweiten Zwischenelementes (IE2).
Rotor (R) nach mindestens dem vorhergehenden Anspruch 6, wobei die Reibscheibe (FD) partikelbestückt ist, insbesondere mit Diamantpartikeln, wobei die Partikel eine höhere Härte aufweisen als der Werkstoff der Welle (SH) und/oder des Laufrads (IM) und/oder der Werkstoff des ersten Zwischenelementes (IE1) und/oder der Werkstoff des zweiten Zwischenelementes (IE2).
Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laufrad (IM) an der Welle (SH) fliegend angeordnet ist.