DE102012211263B4 - Maschinenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschinenanordnung (1), umfassend ein erstes rotierendes Maschinenteil (2) und ein zweites rotierendes Maschinenteil (3), wobei Kupplungsmittel (4) vorhanden sind, um die beiden Maschinenteile (2, 3) drehfest miteinander zu verbinden, wobei die Kupplungsmittel (4) einen drehfest mit dem ersten Maschinenteil (2) verbundenen ersten Flanschabschnitt (5) und einen drehfest mit dem zweiten Maschinenteil (3) verbundenen zweiten Flanschabschnitt (6) aufweisen, wobei die beiden Flanschabschnitte (5, 6) mit einer Anzahl Verbindungselemente (7) miteinander verbunden sind. Um auch bei beengten Einbauverhältnissen die Kupplungsmittel lösen und wieder zuverlässig drehfest verbinden zu können, sieht die Erfindung vor, dass zwischen den beiden Flanschabschnitten (5, 6) ein ring- oder scheibenförmiges Reibelement (8) angeordnet ist, wobei das Reibelement (8) aus einem Grundkörper (9) besteht, der mit einer Hartstoffschicht (10) versehen ist, und wobei das Reibelement (8) eine Anzahl Durchgangsbohrungen (11) für die Verbindungselemente (7) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Maschinenanordnung, umfassend ein erstes rotierendes Maschinenteil und ein zweites rotierendes Maschinenteil, wobei Kupplungsmittel vorhanden sind, um die beiden Maschinenteile drehfest miteinander zu verbinden, wobei die Kupplungsmittel einen drehfest mit dem ersten Maschinenteil verbundenen ersten Flanschabschnitt und einen drehfest mit dem zweiten Maschinenteil verbundenen zweiten Flanschabschnitt aufweisen, wobei die beiden Flanschabschnitte mit einer Anzahl Verbindungselemente miteinander verbunden sind, wobei zwischen den beiden Flanschabschnitten ein ring- oder scheibenförmiges Reibelement angeordnet ist, wobei das Reibelement aus einem Grundkörper besteht, der mit einer Hartstoffschicht versehen ist, und wobei das Reibelement eine Anzahl Durchgangsbohrungen für die Verbindungselemente aufweist.
• Eine gattungsgemäße Anordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2009 032 239 A1 bekannt. Ähnliche Lösungen bzw. weitere Ausgestaltungen hierzu offenbaren die DE 101 50 166 A1 , die DE 10 2007 014 861 A1 , die DE 10 2007 014 860 A1 , die DE 44 07 521 A1 , die DE 10 2006 009 616 A1 , die DE 10 2011 002 488 A1 und die US 2009/0233721 A1 .
• Bei einer Gasturbine bzw. Dampfturbine mit angeschlossenem Generator sind Wellenelemente vorhanden, die miteinander gekoppelt werden müssen. Die Turbinenwelle wird hierbei zumeist durch eine Flanschkupplung mit der nachgelagerten Generatorwelle verbunden, wofür Schraubverbindungen eingesetzt werden. Hierbei kommen Kupplungselemente der eingangs genannten Art zum Einsatz.
• Die Flanschkupplungshälften werden vor ihrem Zusammenfügen zwecks Erzielung der Übertragbarkeit eines hohen Drehmoments mit einem Reiblack bestrichen, der wiederum mit einem feinen Quarzsand versehen wird. So kann der Reibwert in der Trennfuge erhöht und somit ein höheres Drehmoment nach der Verschraubung der Flanschkupplung übertragen werden.
• Der Reiblack wird dabei auf den Kupplungsflanschen aufgerollt, aufgesprüht oder aufgestrichen und anschließend mit dem Quarzsand bestreut. Nach dem Trocknen des Lacks werden die beiden Kupplungsflansche dann montiert.
• Das Aufbringen der Lackschicht bei Neuanlagen ist relativ einfach. Die Prozesssicherheit ist allerdings nicht vollständig gegeben. Nach der ersten Inbetriebnahme der Gasturbine bzw. Dampfturbine und einer ersten definierten Laufzeit ist eine Revision erforderlich, bei der die Kupplungsverbindung gehst wird. Nach dem Lösen der Kupplungsverbindung ist allerdings zumeist nur ein begrenztes Auseinanderfahren der beiden Kupplungsflansche möglich (häufig nur im Bereich unterhalb von 30 mm).
• Nunmehr muss mit erheblichem Aufwand der aufgebrachte Reiblack entfernt (abgeschabt) werden. Dieser Arbeitsgang dauert relativ lange und ist entsprechend kostenintensiv. Die vollständige Reinigung der Kupplungsflansche ist nicht immer gewährleistet. Infolge der beengten Platzverhältnisse gestaltet sich der anschließende Neuanstrich der Kupplungsflansche mit dem Reiblack und die Aufbringung des Quarzsandes ebenfalls problematisch. Auch hier kann die Prozesssicherheit der hergestellten Drehverbindung nicht vollständig sichergestellt werden.
• Ein weiteres Problem bei der vorbekannten Technik ist, dass der Reiblack auch mitunter unregelmäßig abplatzen kann. In diesem Falle müssen die Rest entfernt und der Lack neu aufgetragen werden. Aufgrund der räumlichen Verhältnisse kann der Lack unter den gegebenen Bedingungen nur begrenzt mit einem Pinsel wieder aufgetragen werden; daher ist die aufgebrachte Lackschicht oft ungleichmäßig dick. Dies wiederum beeinträchtigt die Funktion der Kupplung. Entsprechende Kosten und Montageunsicherheiten sind die nachteilige weitere Folge.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschinenanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die genannten Probleme vermieden werden können. Demgemäß soll auch bei schwierigen Platzverhältnissen in einfacher Weise die Funktionssicherheit der Kupplung garantiert werden können, insbesondere soll auch bei beengten Einbauverhältnissen die Kupplung gelöst und wieder zuverlässig drehfest verbunden werden können.
• Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist, die jeweils als Kreisringsektor ausgebildet sind, der sich über einen definierten Umfangsabschnitt der Flanschabschnitte erstreckt, wobei die in Umfangsrichtung gesehen im Randbereich des Segments liegenden Durchgangsbohrungen mit Zentriermitteln versehen sind, mit denen das Segment relativ zu einem Flanschabschnitt ausgerichtet werden kann, wobei die Zentriermittel als in axiale Richtung vorspringende Nasen ausgebildet sind.
• Der Grundkörper des Reibelements besteht bevorzugt aus Stahl.
• Die Hartstoffschicht ist bevorzugt mittels Plasmabeschichtung aufgebracht.
• Dabei bilden bevorzugt zwischen zwei und acht Segmente einen Kreisring, besonders bevorzugt sechs Segmente.
• Bevorzugt sind drei Nasen äquidistant um den Umfang der Durchgangsbohrung herum angeordnet.
• Die Zentriermittel können kostengünstig durch einen Umformprozess aus dem Material des Grundkörpers des Reibelements hergestellt sein.
• Das erste Maschinenteil ist gemäß einer bevorzugten Verwendung der Erfindung eine Welle einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, und das zweite Maschinenteil die Welle eines Generators.
• Die beiden Flanschabschnitte sind vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet.
• Die Verbindungsmittel sind bevorzugt Schrauben oder vergleichbare Spannelemente.
• Vorteilhafter Weise erlaubt das vorgeschlagene Reibelement eine Reibwerterhöhung in nicht schaltbaren Kupplungen auf einen Reibwert bis zu μ = 0,65, bedingt durch die Hartstoffschicht, die Hartstoffpartikel wie Bornitrid oder Diamant in einer Korngröße zwischen 20 μm und 200 μm enthalten kann. Ein derartig ausgestaltetes Reibelement eignet sich sehr bevorzugt für nicht-schaltbare, aber hoch beanspruchte Flanschkupplungen. Die Auswahl des Materials des Grundkörpers wird an den gegebenen Bedingungen ausgerichtet.
• Gerade im Anwendungsfall einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine bietet die vorgeschlagene Lösung eine sehr prozesssichere Verbindungsmöglichkeit. Sehr vorteilhaft ist die sehr einfache Demontage und Montage, vor allem, wenn die Platzverhältnisse sehr beengt sind; in diesem Falle hat sich auch der segmentierte Aufbau sehr bewährt. Vorteilhaft ist weiter die problemlose Wiederverwendbarkeit des Reibelements. Somit ergeben sich bei der Revision verringerte Stillstandszeiten der Anlage durch eine verkürzte Montage- bzw. Demontagezeit der Kupplungsanordnung.
• Der scheiben- bzw. ringförmige Grundkörper aus Stahl wird bevorzugt mit einer Plasmabeschichtung mit Hartstoffen beschichtet.
• Die Lösung kann auch für den nachträglichen Einbau in eine vorhandene Maschinenanordnung vorgesehen werden.
• Die vorgeschlagenen Zentrierelemente in Form von Zentriernasen erlauben die einfache und präzise Anordnung der Reibelement-Segmente zwischen den Kupplungsflanschen, wobei die Durchgangsbohrungen in den Kupplungsflanschen als Orientierung verwendet werden. Diese ermöglichen es, dass ein Segment beim Durchstecken der Passbolzen der Schraubenverbindung auf den Bolzen zentriert wird. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass auch bei hoher Drehzahl (bei einer Gasturbine z. B. 3.000 U/min) keine schädlichen Unwuchten an der Flanschkupplung auftreten.
• Die vorgeschlagene Erfindung kommt also bevorzugt als eine segmentierte Reibscheibe in einer Gasturbine bzw. Dampfturbine zur Anwendung. Hierbei können Wellen bzw. Hohlwellen effizient miteinander drehfest verbunden werden.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
• 1 schematisch eine Maschinenanordnung mit zwei miteinander verbundenen Maschinenteilen, wobei diese mit einem Kupplungsmittel miteinander verbunden sind,
• 2 die Einzelheit „X” gemäß 1 in geschnittener Darstellung,
• 3 einen zwischen zwei Abschnitten der Kupplungsmittel angeordnetes Reibelement, gesehen in axialer Richtung der Maschinenanordnung,
• 4 ein Segment des Reibelement gemäß 3 und
• 5 einen vergrößerten Abschnitt des Reibelements gemäß 4.
• In 1 ist schematisch eine Maschinenanordnung 1 skizziert, die eine Gasturbine mit angeschlossenem Generator darstellt. Ein erstes Maschinenteil 2 in Form einer Welle der Gasturbine ist mit einem zweiten Maschinenteil in Form der Welle des Generators verbunden. Hierzu sind drehstarre Kupplungsmittel 4 vorgesehen. Die beiden Maschinenteile 2 und 3 rotieren um eine Achse, deren axiale Richtung mit a angegeben ist.
• Die Kupplungsmittel 4 haben zwei Flanschabschnitte 5 und 6, wobei der erste Flanschabschnitt 5 mit dem ersten Maschinenteil 2 und der zweite Flanschabschnitt 6 mit dem zweiten Maschinenteil 3 fest verbunden, z. B. verschweißt, ist.
• Beide Flanschabschnitte 5, 6 haben über den Umfang verteilt eine Anzahl an Durchgangsbohrungen, in die Verbindungsmittel 7 in Form von Schrauben eingesteckt sind, so dass die beiden Flanschabschnitte 5, 6 fest, aber lösbar miteinander verbunden werden können.
• Zur Erhöhung der Festigkeit der Drehübertragung, d. h. um sicherzustellen, dass hohe Drehmomente zwischen den beiden Flanschabschnitten 5, 6 übertragen werden können, ist zwischen den beiden eben ausgebildeten Flanschabschnitten 5, 6 ein Reibelement 8 angeordnet.
• Wie aus 2 hervorgeht, ist das Reibelement 8 eine Scheibe bzw. ein Ring, der einen bevorzugt aus Stahl bestehenden Grundkörper 9 aufweist, der an seinen beiden Seiten mit einer Hartstoffschicht 10 beschichtet ist. Diese Beschichtung kann per Plasmabeschichtung aufgebracht werden.
• Die Dicke der Hartstoffschicht 10 bewegt sich bevorzugt im Bereich zwischen 40 μm und 80 μm, besonders bevorzugt zwischen 50 μm und 60 μm. Die Dicke des Reibelements 8 liegt bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 3 mm.
• Der Grundkörper 9 kann aus einem Stahlblech per Laserschnitt kostengünstig hergestellt werden.
• In den 3 bis 5 ist zu sehen, dass das Reibelement 8 aus einer Anzahl Segmente 12, 13, 14, 15, 16, 17 aufgebaut ist, die zusammengesetzt einen Kreisring ergeben (wobei zwischen den Segmente gegebenenfalls ein kleiner Spalt bleibt, um die problemlose Montage sicherzustellen). Jedes Segment 12, 13, 14, 15, 16, 17 hat eine Anzahl von Durchgangsbohrungen 11 für die Schrauben, mit denen die Flanschabschnitte 5, 6 verbunden werden.
• Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung geht vor allem aus den 4 und 5 hervor. Hier ist zu erkennen, dass an den Durchgangsbohrungen 11, die in Umfangsrichtung gesehen im Randbereich des Segments liegen, Zentriermittel 18 vorgesehen sind. Es handelt sich hierbei um nasenförmige Vorsprünge. Hiermit kann beim Durchstecken der Bolzenabschnitte der Schrauben 7 eine genaue relative Positionierung des Segments am Flanschabschnitt erfolgen, so dass im Betrieb Unwuchten minimiert werden können. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die Zentriermittel 18 eine einfache Nachrüstung bestehender Anlagen möglich ist; es ist keine zusätzliche Bearbeitung für Zentrierungen (z. B. Passstifte und Schrauben) an den Scheiben erforderlich.
• Ausreichend sind hier drei nasenförmige Vorsprünge 18, die gleichmäßig um den Umfang der Durchgangsbohrung 11 verteilt angeordnet sind.
• Bezugszeichenliste

1

Maschinenanordnung

2

erstes Maschinenteil

3

zweites Maschinenteil

4

Kupplungsmittel

5

erster Flanschabschnitt

6

zweiter Flanschabschnitt

7

Verbindungselement (Schraube)

8

Reibelement

9

Grundkörper

10

Hartstoffschicht

11

Durchgangsbohrung

12

Segment

13

Segment

14

Segment

15

Segment

16

Segment

17

Segment

18

Zentriermittel

a

axiale Richtung

Claims (7)

1. Maschinenanordnung (1), umfassend ein erstes rotierendes Maschinenteil (2) und ein zweites rotierendes Maschinenteil (3), wobei Kupplungsmittel (4) vorhanden sind, um die beiden Maschinenteile (2, 3) drehfest miteinander zu verbinden, wobei die Kupplungsmittel (4) einen drehfest mit dem ersten Maschinenteil (2) verbundenen ersten Flanschabschnitt (5) und einen drehfest mit dem zweiten Maschinenteil (3) verbundenen zweiten Flanschabschnitt (6) aufweisen, wobei die beiden Flanschabschnitte (5, 6) mit einer Anzahl Verbindungselemente (7) miteinander verbunden sind, wobei zwischen den beiden Flanschabschnitten (5, 6) ein ring- oder scheibenförmiges Reibelement (8) angeordnet ist, wobei das Reibelement (8) aus einem Grundkörper (9) besteht, der mit einer Hartstoffschicht (10) versehen ist, und wobei das Reibelement (8) eine Anzahl Durchgangsbohrungen (11) für die Verbindungselemente (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (8) aus mehreren Segmenten (12, 13, 14, 15, 16, 17) zusammengesetzt ist, die jeweils als Kreisringsektor ausgebildet sind, der sich über einen definierten Umfangsabschnitt der Flanschabschnitte (5, 6) erstreckt, wobei die in Umfangsrichtung gesehen im Randbereich des Segments (12, 13, 14, 15, 16, 17) liegenden Durchgangsbohrungen (11) mit Zentriermitteln (18) versehen sind, mit denen das Segment (12, 13, 14, 15, 16, 17) relativ zu einem Flanschabschnitt (5, 6) ausgerichtet werden kann, wobei die Zentriermittel (18) als in axiale Richtung (a) vorspringende Nasen ausgebildet sind.
2. Maschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (9) des Reibelements (8) aus Stahl besteht.
3. Maschinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (10) mittels Plasmabeschichtung aufgebracht ist.
4. Maschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei und acht Segmente (12, 13, 14, 15, 16, 17) einen Kreisring bilden.
5. Maschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass drei Nasen (18) äquidistant um den Umfang der Durchgangsbohrung (11) herum angeordnet sind.
6. Maschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriermittel (18) durch einen Umformprozess aus dem Material des Grundkörpers (9) des Reibelements (8) hergestellt sind.
7. Maschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenteil (2) eine Welle einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, und das zweite Maschinenteil (3) die Welle eines Generators ist.

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