-
Die Erfindung betrifft eine Wellenverbindung für eine Turbine zur kraftschlüssigen Verbindung eines ersten Wellenbauteils und eines zweiten Wellenbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Turbine mit einer Welle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, sowie ein Verfahren zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Wellenbauteile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8. Bei der Wellenverbindung kann es sich um die Verbindung zweier Wellenstücke im allgemeinen Sinn handeln, also ein erstes schlankes Wellenbauteil und ein zweites schlankes Wellenbauteil, beide nach Art von einfachen zylindrischen Achsen. Umfasst sind aber auch Welle-Nabe-Verbindungen mit einem ersten schlanken Wellenbauteil nach Art von einfachen zylindrischen Achsen und einem damit verbundenen zweiten Wellenbauteil nach Art einer Nabe.
-
Stand der Technik
-
In der Fertigungstechnik beschreibt das Fügen das Verbinden von mindestens zwei Wellenbauteilen zu einer Baugruppe. In einem die Verbindung herstellenden Verbindungsbereich liegen ein innen angeordnetes, erstes Wellenbauteil (Innenwellenbauteil) und ein außen angeordnetes, zweites Wellenbauteil (Außenwellenbauteil) vor, dabei umschließt im Verbindungsbereich das zweite Wellenbauteil das erste Wellenbauteil mindestens teilweise. Beispiele für derartige Verbindungen sind Welle-Nabe-Verbindungen. Im hiesigen Verständnis handelt es sich bei den verbundenen Wellenbauteilen zum Beispiel um eine Achse mit einem auf dieser Achse montierten, fix verbundenen Nabenbauteil zum Tragen der Turbinenschaufeln. Andererseits kann es sich auch um zwei oder mehrere in Richtung einer Rotationsachse aneinander angelenkte Achsstücke handeln. Der Verbindungsbereich ist durch einander zugewandte Fügeoberflächen des ersten Wellenbauteils und des zweiten Wellenbauteils ausgebildet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Wellenverbindung für eine Turbine dient zur kraftschlüssigen Verbindung eines ersten Wellenbauteils und eines zweiten Wellenbauteils mit einem die Verbindung herstellenden Verbindungsbereich, wobei im Verbindungsbereich das zweite Wellenbauteil das erste Wellenbauteil mindestens teilweise umschließt und diese eine kraftschlüssige Presspassung (Übermaßpassung) ausbilden, wobei die kraftschlüssige Presspassung durch Kaltdehnen oder Aufschrumpfen oder hydraulisches Verpressen entsteht. Dabei ist im Verbindungsbereich mindestens eine Hinterschneidung als zusätzliche Axialsicherung (Ausziehsicherung, Trennsicherung) ausgebildet.
-
Zwei Wellenbauteile werden zu einer Welle (Baugruppe) verbunden. Der Begriff Wellenbauteil umfasst hier sowohl Wellen-ähnliche (in einem Gehäuse auf Drehlagern gelagerte rotierbare) als auch Naben-ähnliche (auf der eigentlichen Welle gelagerte) Bauteile. Unter Turbine wird hier eine rotierbare Strömungsmaschine verstanden. Entweder wandelt die Turbine die innere Energie eines strömenden Fluides in mechanische Energie um, die sie über ihre Welle abgibt, oder sie wandelt umgekehrt mechanische Energie in innere Energie des Strömungsfluides um. Eine Fügetechnik ist das Fügen durch Herstellen einer Pressverbindung. Die Pressverbindung entsteht in einem Verbindungsbereich der Baugruppe. Die Pressverbindung kann durch Kaltdehnen oder Aufschrumpfen oder hydraulisches Pressen hergestellt werden und soll die Wellenbauteile gegen relatives Verdrehen, zum Beispiel um eine Wellenlängsachse (Rotationsachse), und relatives Verschieben, zum Beispiel in Rotationsachsrichtung, sichern. Die Wellenbauteile sind dann fix zueinander angeordnet und lassen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch keine Relativbewegung zu. Die Festigkeit der Verbindung beruht auf Kraftschluss, auch Reibschluss genannt. Dabei werden die Wellenbauteile durch eine Kraft aufeinander gepresst (Presskraft, resultiert zum Beispiel aus der auf ein oder beide Wellenbauteile aufgebrachten mechanischen Vorspannkraft). Eine kraftschlüssige Verbindung wird durch die Haftreibungskraft, die zwischen den beteiligten Wellenbauteilen wirkt, gehalten. Die beteiligten Wellenbauteile berühren sich im Verbindungsbereich in einer Berührebene. Die hier wirkende Haftreibungskraft hängt der Größe nach von der Höhe der Presskraft, der Beschaffenheit der Berührebene (zum Beispiel Oberflächenrauhigkeit), von Geometrie, Abmessungen (Länge, Durchmesser und Übermaßtoleranzen) und Materialeigenschaften (Festigkeit, Bruchdehnung, Reibkoeffizienten, Elastizität, Duktilität u.a.) der Wellenbauteile ab. Ein umfängliches oder axiales Abrutschen des einen Wellenbauteils auf dem anderen Wellenbauteil wird verhindert, solange eine von außen aufgebrachte Betriebslast (Drehmoment, Drehzahl, Unwucht, radiale und axiale Schwingungen, Lagerbedingungen) kleiner ist als die Haftreibungskraft.
-
Im Verbindungsbereich liegt ein innen liegendes, erstes Wellenbauteil (Innenwellenbauteil) und ein außen liegendes, zweites Wellenbauteil (Außenwellenbauteil) vor. Als axialer Anschlag dient in der Regel eine ebene Fläche senkrecht zur Rotationsachse, beispielsweise eine Stirnseite oder ein stufiger Absatz des ersten und/oder zweiten Wellenbauteils. Im Verbindungsbereich umschließt das Außenwellenbauteil mit einem aufnehmenden Abschnitt (weiblich; zum Beispiel eine Ausnehmung oder Aufnahmeöffnung für einen Zapfen mit oder ohne stufigen Absatz) einen hervorstehenden Abschnitt (männlich; zum Beispiel der Zapfen mit oder ohne stufigen Absatz) des Innenwellenbauteils zumindest teilweise. Teilweise heißt dass das Außenwellenbauteil das Innenwellenbauteil mindestens in Teilbereichen der einander zugewandten Oberflächen berührt und eine Presskraft auf dieses ausübt. Die aufeinander abgestimmten Geometrien und Abmessungen von Innenwellenbauteil und Außenwellenbauteil im Verbindungsbereich definieren eine Passung (zum Beispiel Flachpassung bei ebenen Berührflächen, Rundpassung bei gewölbten, zum Beispiel zylindrischen Berührflächen). Die sehr engen, sich überschneidenden Fertigungstoleranzen der Abmessungen definieren darüber hinaus den Typ der Presspassung. Dies besagt, dass im isoliert betrachteten (unmontierten) Wellenbauteilzustand im Verbindungsbereich eine Außenabmessung des Innenwellenbauteils geringfügig größer ist als eine Innenabmessung einer entsprechenden Ausnehmung des Außenwellenbauteils.
-
Eine herkömmliche Pressverbindung kann versagen, was sich durch ein unerwünschtes Trennen der Verbindung der Wellenbauteile voneinander äußert, dann rutscht das zweite Wellenbauteil auf dem ersten Wellenbauteil ab (relatives Verdrehen zum Beispiel um eine Wellenlängsachse (Rotationsachse), relatives Verschieben zum Beispiel in Rotationsachsrichtung). Grund hierfür kann sein, dass eine bei Verwendung der Verbindung auftretende Betriebslast größer ist als die Haftreibungskraft der Pressung in der Berührebene. Ursache können hohe, auf ein oder beide Wellenbauteile wirkende Kräfte in x-, y- oder z-Richtung, in Umfangs- oder Axialrichtung sein, aber auch hohe radiale, aus einer Wellenbauteilgeschwindigkeit oder einer Unwucht resultierende Zentrifugalkräfte. Die Erfindung leistet hier Abhilfe.
-
Die Erfindung bietet gegenüber herkömmlichen Wellenverbindungen mit Presspassung eine deutlich größere axiale Haltekraft, da zur kraftschlüssigen Haltekomponenten eine formschlüssige Komponente hinzu kommt. Das Außenwellenbauteil greift formschlüssig in die Hinterschneidung des Innenwellenbauteils ein. Oder das Innenwellenbauteil greift formschlüssig in die Hinterschneidung des Außenwellenbauteils ein. Dies wird mit gleichen oder minimal höheren Herstellkosten gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Eine spezielle Formgebung der Wellenbauteile im Verbindungsbereich schafft eine Axialsicherung gegen Herausziehen oder Herausrutschen oder Trennen der Bauteile aus- bzw. voneinander. Die Berührflächen der Pressverbindung bilden mindestens eine Hinterschneidung im Verbindungsbereich aus. Damit wird bei zeitweiser Überlastung oder vollständigem Versagen der Pressverbindung eine formschlüssige Verbindung aufrecht erhalten und ein unerwünschtes Trennen und voneinander Lösen der Wellenbauteile verhindert. Dadurch können größere Schäden an der Baugruppe oder einer Konstruktion, zum Beispiel einem Turbinenrotor, vermieden werden. Im Verbindungsbereich ragt der hervorstehende Abschnitt (Zapfen) des Innenwellenbauteils in den den hervorstehenden Abschnitt des Innenwellenbauteils aufnehmenden Abschnitt (Ausnehmung) des Außenwellenbauteils. Hervorstehender Abschnitt des Innenwellenbauteils und aufnehmender Abschnitt des Außenwellenbauteils sind beispielsweise jeweils an freien Enden von Innenwellenbauteil und Außenwellenbauteil angeordnet. An die den freien Enden von Innenwellenbauteil und Außenwellenbauteil gegenüber angeordneten festen Enden können sich weitere Abschnitte von Innenwellenbauteil und Außenwellenbauteil anschließen.
-
Unter der mindestens einen Hinterschneidung kann in diesem Zusammenhang mindestens eine Verjüngung des hervorstehenden Abschnitts im Verbindungsbereich des Innenwellenbauteils verstanden werden. Und zwar handelt es sich bei der Verjüngung um eine Verkleinerung eines senkrecht zur Rotationsachsrichtung gemessenen Maßes („Durchmesser“). Diese Verjüngung erfolgt von der Seite des durchmessergrößeren, axial abschließenden, freien Zapfenendes hin zu der Seite des durchmesserkleineren, in Achsrichtung weiter innen liegenden Endes. So kann der Zapfen des Innenwellenbauteils leicht konisch ausgeführt sein, ein senkrecht zur Rotationsachse gemessenes Zapfenquermaß („Durchmesser“) vergrößert sich zum Zapfenende. Es kann sich dabei beispielsweise um eine einzige Verjüngung auf der ganzen Axialstrecke des hervorstehenden Abschnitts, oder um mehrere kürzere, über die Axialstrecke des hervorstehenden
-
Abschnitts verteilte Verjüngungen handeln. Diese Verjüngungen können kontinuierliche Verjüngungen (von zum Beispiel kegeliger Kontur) oder stufige Verjüngungen (zum Beispiel ein aus mindestens zwei Zapfenabschnitten unterschiedlichen Quermaßes zusammengesetzter Zapfen) sein.
-
Unter der mindestens einen Hinterschneidung kann in diesem Zusammenhang aber auch mindestens eine Verjüngung des aufnehmenden Abschnitts im Verbindungsbereich des Außenwellenbauteils verstanden werden. Und zwar handelt es sich bei der Verjüngung um eine Verkleinerung eines senkrecht zur Rotationsachsrichtung gemessenen lichten Maßes (lichter Durchmesser) der Ausnehmung. Diese Verjüngung erfolgt von der Seite des durchmessergrößeren, in Achsrichtung weiter innen liegenden Ausnehmungsendes hin zu der Seite des durchmesserkleineren, axial abschließenden, freien Ausnehmungsendes. So kann die Ausnehmung des aufnehmenden Abschnitts des Außenwellenbauteils leicht konisch ausgeführt sein, ein senkrecht zur Rotationsachse gemessenes Ausnehmungsquermaß (lichter Durchmesser) verkleinert sich zum freien Ausnehmungsende. Es kann sich dabei beispielsweise um eine einzige Verjüngung auf der ganzen Axialstrecke des aufnehmenden Abschnitts, oder um mehrere kürzere, über die Axialstrecke des aufnehmenden Abschnitts verteilte Verjüngungen handeln. Diese Verjüngungen können kontinuierliche Verjüngungen (von zum Beispiel hohlkegeliger Kontur) oder stufige Verjüngungen (zum Beispiel ein aus mindestens zwei hohlzylindrischen Ausnehmungsabschnitten unterschiedlichen lichten Durchmessers zusammengesetzte Ausnehmung) sein.
-
Unter den Begriffen Zylinder, zylindrisch, auch hohlzylindrisch, soll hier auch Prisma, prismatisch und hohlprismatisch verstanden werden. In diesem Sinn ist ein Prisma ein spezieller Zylinder. Ein Zapfen kann demnach eine kreisrunde oder ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen, die zur geometrischen Erzeugung des Zapfens entlang der Rotationsachse längsverschoben wird. Eine Ausnehmung kann demnach ebenfalls eine kreisrunde oder ovale oder mehreckige lichte Grundfläche aufweisen (und von festen äußeren Wänden begrenzt sein), die zur geometrischen Erzeugung der Ausnehmung entlang der Rotationsachse längsverschoben wird.
-
Unter den Begriffen Kegel, kegelförmig, auch hohlkegelförmig, soll hier auch Pyramide, pyramidenförmig und hohlpyramidenförmig verstanden werden, ferner auch Kegelstumpf, Kegelstumpf-förmig, Hohlkegelstumpf-förmig, Pyramidenstumpf, Pyramidenstumpf-förmig, Hohlpyramidenstumpf-förmig. In diesem Sinn ist eine Pyramide ein spezieller Kegel. Ein Zapfen kann demnach eine kreisrunde oder ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen, die zur geometrischen Erzeugung des Zapfens entlang der Rotationsachse sich verjüngend längsverschoben wird. Eine Ausnehmung kann demnach ebenfalls eine kreisrunde oder ovale oder mehreckige lichte Grundfläche aufweisen (und von festen äußeren Wänden begrenzt sein), die zur geometrischen Erzeugung der Ausnehmung entlang der Rotationsachse verjüngend längsverschoben wird.
-
Kaltdehnen, Aufschrumpfen und hydraulisches Verpressen stellen aus dem Stand der Technik bekannte Fertigungsverfahren zum Herstellen von Pressverbindungen dar.
-
Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Wellenverbindung für eine Turbine ist der Verbindungsbereich durch einander zugewandte Fügeoberflächen des ersten Wellenbauteils und des zweiten Wellenbauteils ausgebildet. Die Fügeoberflächen berühren sich in der Berührebene. Die einander zugewandten Fügeoberflächen des ersten Wellenbauteils und des zweiten Wellenbauteils weisen in einem unmontierten Zustand unterschiedliche Geometrien auf, während sie in einem montierten Zustand im Wesentlichen identische Geometrien aufweisen. Dadurch ist ein einfaches Fertigen der Wellenbauteile und einfaches Montieren der Wellenverbindung möglich. So kann beispielsweise der hervorstehende Abschnitt (Zapfen) des Innenwellenbauteils mit einer kegeligen Verjüngung gefertigt sein, während der aufnehmende Abschnitt (Ausnehmung) des Außenwellenbauteils dann hohlzylindrisch gefertigt sein kann. Diese Geometrien sind beispielsweise auf einer Dreh- oder Schleifmaschine leicht zu fertigen. Bei der Montage beispielsweise mittels Aufschrumpfen lässt sich das Außenwellenbauteil leicht über das Innenwellenbauteil schieben, da der durch Erwärmung vergrößerte Innendurchmesser der hohlzylindrischen Ausnehmung des Außenwellenbauteils größer als der Außendurchmesser des kälteren Innenwellenbauteils ist. Beim Angleichen der Temperaturen der übereinander geschobenen Wellenbauteile (Abkühlen des Außenwellenbauteils) verkleinert sich der aufnehmende Abschnitt des Außenwellenbauteils, legt sich unter Ausbildung einer hohlkegeligen Kontur eng an die kegelig verjüngte (hinterschnittene) Kontur des Innenwellenbauteils an und umschließt dieses unter Ausbildung von Druck, wodurch sowohl die Presspassung als auch die Axialsicherung entstehen. So weisen die einander zugewandten Fügeoberflächen des ersten und zweiten Wellenbauteils im montierten Zustand im Wesentlichen identische, nämlich kegelige Geometrien auf.
-
Eine weitere geeignete Ausgestaltung der Wellenverbindung für eine Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Fügeoberflächen des ersten Wellenbauteils und des zweiten Wellenbauteils rotationssymmetrische Oberflächen sind. Im Verbindungsbereich umschließt das Außenwellenbauteil mit einem aufnehmenden Abschnitt einen hervorstehenden Abschnitt des Innenwellenbauteils zumindest teilweise. Der aufnehmende Abschnitt ist beispielsweise eine rotationssymmetrische hohlzylindrische Ausnehmung. Der hervorstehende Abschnitt ist beispielsweise ein rotationssymmetrischer Kegelstumpf. Diese Geometrien lassen sich besonders einfach und kostengünstig auf rotierenden Bearbeitungsmaschinen erzeugen.
-
Eine geeignete Ausgestaltung der Wellenverbindung für eine Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wellenbauteil (Innenwellenbauteil) im Verbindungsbereich einen zylindrischen Abschnitt umfasst, der, beispielsweise im Bereich seines freien Endes (Zapfenende), eine umlaufende, gegenüber dem zylindrischen Abschnitt radial hervorstehende Rippe (einen umlaufender Bund) aufweist. Das zweite Wellenbauteil (Außenwellenbauteil) umfasst im Verbindungsbereich einen in Rotationsachsrichtung zum freien Ende hin nach außen offenen hohlzylindrischen Abschnitt, wobei der hohlzylindrische Abschnitt eine zur umlaufenden Rippe des ersten Wellenbauteils korrespondierende Nut aufweist. Die Rippe (der Bund) des Innenwellenbauteils greift bei montierter Baugruppe in die Nut des Außenwellenbauteils und bildet die Axialsicherung.
-
Eine andere geeignete Ausgestaltung der Wellenverbindung für eine Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wellenbauteil (Innenwellenbauteil) im Verbindungsbereich einen zylindrischen Abschnitt umfasst, der, beispielsweise im Bereich seines dem freien Ende gegenüber liegenden Endes, eine umlaufende, gegenüber dem zylindrischen Abschnitt radial zurückstehende Nut aufweist. Das zweite Wellenbauteil (Außenwellenbauteil) umfasst im Verbindungsbereich einen in Rotationsachsrichtung zum freien Ende hin nach außen offenen hohlzylindrischen Abschnitt, wobei der hohlzylindrische Abschnitt eine zur umlaufenden Nut des ersten Wellenbauteils korrespondierende Rippe aufweist. Die Rippe (der Bund) des Außenwellenbauteils greift bei montierter Baugruppe in die Nut des Innenwellenbauteils und bildet die Axialsicherung.
-
Eine geeignete Ausgestaltung der Wellenverbindung für eine Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wellenbauteil im Verbindungsbereich einen Kegelstumpf umfasst, wobei das durchmesserkleinere Ende des Kegelstumpfs an ein Ende eines anschließenden Abschnitts des ersten Wellenbauteils grenzt, und wobei das durchmessergrößere Ende des Kegelstumpfs das freie Ende des ersten Wellenbauteils ist, wobei die Mantelfläche des Kegelstumpfs eine kegelstumpfe Fügeoberfläche ausbildet. Das zweite Wellenbauteil im Verbindungsbereich weist eine rotationssymmetrische, in Rotationsachsrichtung zum freien Ende hin, nach außen offene Ausnehmung auf, wobei die innere Mantelfläche der Ausnehmung die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils ausbildet, wobei die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils im unmontierten Zustand hohlzylindrisch ist. Im montierten Zustand bildet die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils eine zur kegelstumpfen Fügeoberflläche des ersten Wellenbauteils korrespondierende, innen hohlkegelstumpfe Geometrie aus, die durch Kaltdehnen oder Aufschrumpfen oder hydraulisches Verpressen unter Druck an der kegelstumpfen Fügeoberfläche des ersten Wellenbauteils anliegt.
-
Eine weitere geeignete Ausgestaltung der Wellenverbindung für eine Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel des Kegels aus dem Bereich 0,5° bis 5° gewählt ist. Dabei wird unter Öffnungswinkel der Innenwinkel zwischen zwei sich gegenüber liegenden Flanken der Fügeoberfläche oder des von den Fügeoberflächen gebildeten Kegels verstanden.
-
Die erfindungsgemäße Turbine weist eine Welle auf, wobei die Welle ein erstes Wellenbauteil und ein zweites Wellenbauteil umfasst. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenverbindung von erstem Wellenbauteil und zweitem Wellenbauteil eine kraftschlüssige Verbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche ist. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Turbine, da die beiden pressverbundenen Wellenbauteile eine Sicherung gegen unerwünschtes Trennen und Lösen der Wellenbauteile voneinander aufweisen. Dadurch können für den Fall eines Versagens der Wellenverbindung größere Schäden an der Baugruppe sowie an der Turbine vermieden werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Wellenbauteile für eine Turbine mit einem ersten Wellenbauteil und einem zweiten Wellenbauteil, mit einem die Verbindung herstellenden Verbindungsbereich, wobei der Verbindungsbereich ausgebildet ist durch einander zugewandte Fügeoberflächen des ersten Wellenbauteils und des zweiten Wellenbauteils, ist dadurch gekennzeichnet, dass für das Montieren das erste Wellenbauteil abgekühlt und/oder das zweite Wellenbauteil erwärmt werden, oder dass das erste Wellenbauteil hydraulisch gestaucht und/oder das zweite Wellenbauteil hydraulisch aufgeweitet werden, das zweite Wellenbauteil mit einer Ausnehmung über einen hinterschnittenen Abschnitt des ersten Wellenbauteils geschoben wird, wobei beim folgenden Angleichen der Temperaturen oder der Drücke und dem entsprechenden Ausdehnen und/oder Schrumpfen der Wellenbauteile die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils sich unter Druck an die Fügeoberfläche des ersten Wellenbauteils anlegt, und das zweite Wellenbauteil das erste Wellenbauteil dabei mindestens teilweise umschließt. Mit diesem Verbindungsverfahren wird eine axial gesicherte Wellenverbindung geschaffen, die selbst bei einer Überlastung der Wellenverbindung mit Versagen des Kraftschlusses ein Trennen und Lösen der Wellenbauteile voneinander wirksam verhindert. Diese Sicherung basiert auf einem Formschluss, der sich aufgrund der Hinterschneidung im Verbindungsbereich dann einstellt, wenn der Reibschluss versagen sollte.
-
Eine geeignete Ausgestaltung des Verfahrens zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Wellenbauteile ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wellenbauteil im Verbindungsbereich einen Kegelstumpf umfasst, wobei das durchmesserkleinere Ende des Kegelstumpfs an ein Ende eines anschließenden Abschnitts des ersten Wellenbauteils grenzt, und wobei das durchmessergrößere Ende des Kegelstumpfs ein freies Ende ist, wobei die Mantelfläche des Kegelstumpfs eine kegelstumpfe Fügeoberfläche ausbildet. Das zweite Wellenbauteil im Verbindungsbereich weist eine rotationssymmetrische, in Rotationsachsrichtung zum freien Ende hin, nach außen offene Ausnehmung auf, wobei die innere Mantelfläche der Ausnehmung die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils ausbildet, wobei die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils im unmontierten Zustand hohlzylindrisch ist. Für das Montieren wird das erste Wellenbauteil abgekühlt und/oder das zweite Wellenbauteil erwärmt, oder das erste Wellenbauteil wird hydraulisch gestaucht und/oder das zweite Wellenbauteil hydraulisch aufgeweitet. Das zweite Wellenbauteil wird mit seiner Ausnehmung über den kegelstumpfen Abschnitt des ersten Wellenbauteils geschoben, wobei beim folgenden Angleichen der Temperaturen oder der Drücke und dem entsprechenden Ausdehnen und/oder Schrumpfen der Wellenbauteile legen sich die Fügeoberfläche des zweiten Wellenbauteils unter Druck an die Fügeoberfläche des ersten Wellenbauteils an. Das zweite Wellenbauteil umschließt das erste Wellenbauteil dabei mindestens teilweise und bildet die innen hohlkegelstumpfe Geometrie aus.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Elemente oder Bauteile, welche eine identische oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. – In den Figuren der Zeichnung zeigen:
-
1 eine Wellenverbindung für eine Turbine mit kegelförmigem Zapfen und hohlzylindrischer Ausnehmung (Aufnahmebohrung);
-
2 eine Wellenverbindung für eine Turbine mit kegelförmigem Zapfen und hohlkegelförmiger Ausnehmung;
-
3 eine Wellenverbindung für eine Turbine mit zweifach kegelförmigem Zapfen und hohlzylindrischer Ausnehmung (Aufnahmebohrung);
-
4 eine Wellenverbindung für eine Turbine mit zylindrischem Zapfen mit umlaufendem Bund und hohlzylindrischer Ausnehmung (Aufnahmebohrung);
-
5 eine Wellenverbindung für eine Turbine mit zylindrischem Zapfen mit zwei umlaufenden Bunden und hohlzylindrischer Ausnehmung (Aufnahmebohrung);
-
6 eine Wellenverbindung für eine Turbine mit zylindrischem Zapfen mit umlaufendem Bund und hohlzylindrischer Ausnehmung mit umlaufender Nut (Aufnahmebohrung).
-
7 eine Turbine mit einer Wellenverbindung mit kegelförmigem Zapfen und hohlzylindrischer Ausnehmung (Aufnahmebohrung).
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen einer Wellenverbindung (3) für eine Turbine zur kraftschlüssigen Verbindung eines ersten Wellenbauteils (1) und eines zweiten Wellenbauteils (2) näher erläutert.
-
1 zeigt eine Wellenverbindung (3) für eine Turbine, bei der das erste Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit einem kegelförmigen Zapfen (1.1; hervorstehender Abschnitt) ausgestattet ist, und das zweite Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) mit einer hohlzylindrischen Ausnehmung (2.1; Aufnahmebohrung, aufnehmender Abschnitt) ausgestattet ist (1a). Die aus Innenwellenbauteil (1) und Außenwellenbauteil (2) gebildete Welle ist ausgebildet um eine Rotationsachse (3.1) zu rotieren. Die Fügeoberfläche (1.2) des Zapfens (1.1) und die Fügeoberfläche (2.2) der Aufnahmebohrung (2.1) bilden einen Verbindungsbereich (3.2) und sind auf herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen einfach und kostengünstig zu fertigen. Das Außenwellenbauteil (2) umschließt in einem montierten Zustand (1c) mit seiner Ausnehmung (2.1) den Zapfen (1.1) des Innenwellenbauteils (1) zumindest teilweise und bildet eine kraftschlüssige Presspassung aus. Dabei ist im Verbindungsbereich (3.2) durch den Kegel eine Hinterschneidung (1.3) als zusätzliche Axialsicherung ausgebildet. Die Fügeoberflächen (1.2, 2.2) der Wellenbauteile (1, 2) legen sich unter Druck aneinander an, dabei greift das Außenwellenbauteil (2) in die Hinterschneidung (1.3) des Innenwellenbauteils (1) ein. Sollte die Presspassung versagen und die Verbindung im Verbindungsbereich (3.2) in Umfangsrichtung durchrutschen (relative Umfangsbewegung um die Rotationsachse (3.1)), so ist die Verbindung der beiden Wellenbauteile (1, 2) dennoch nach wie vor durch die formschlüssig wirksame Hinterschneidung (1.3) zumindest axial gesichert, so dass ein Herausrutschen, Trennen und voneinander Loslösen (relative Bewegung in Rotationsachsrichtung) der beiden Wellenbauteile (1, 2) verhindert wird.
-
Die Montage von erstem Wellenbauteil (1) und zweitem Wellenbauteil (2) zu einer Baugruppe kann mittels Kaltdehnen und/oder Aufschrumpfen und/oder hydraulischem Verpressen erfolgen. Um die Verbindung herzustellen, wird beim Kaltdehnen das Innenwellenbauteil (1) abgekühlt, wodurch es sich aufgrund thermischer Kontraktion verkleinert. Dadurch verkleinert sich auch seine Außenabmessung im Verbindungsbereich (3.2), wodurch der Zapfen (1.1) des Innenwellenbauteils (1) leicht in die Ausnehmung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) eingeführt werden kann (1b). Als axialer Anschlag beim Einführen dient in der Regel eine ebene Fläche senkrecht zur Rotationsachse, beispielsweise eine Stirnseite (1.4, 2.4) oder ein stufiger Absatz (1.5, 2.5) des ersten oder zweiten Wellenbauteils. Ein Ausgleich der Wellenbauteiltemperaturen lässt das Innenwellenbauteil (1) sich wieder ausdehnen, wodurch es sich unter Druck an die Ausnehmung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) anlegt und zusammen mit diesem eine Presspassung ausbildet (1c). Beim Aufschrumpfen wird das Außenwellenbauteil (2) erwärmt, wodurch es sich aufgrund thermischer Expansion vergrößert. Dadurch vergrößert sich auch die Innenabmessung seiner Ausnehmung (2.1) im Verbindungsbereich (3.2), wodurch das Außenwellenbauteil (2) im Verbindungsbereich (3.2) leicht über das Innenwellenbauteil (1) geschoben werden kann (1b). Ein Ausgleich der Wellenbauteiltemperaturen lässt das Außenwellenbauteil (2) sich wieder zusammenziehen, wodurch es sich unter Druck an das Innenwellenbauteil (1) anlegt und zusammen mit diesem eine Presspassung ausbildet (1c). Beim hydraulischen Pressen wird zwischen die Fügeoberflächen (1.2, 2.2) des Innenwellenbauteils (1) sowie des Außenwellenbauteils (2) ein Fluid eingebracht und dieses unter Druck gesetzt. Der Fluiddruck komprimiert das Innenwellenbauteil (1) und weitet das Außenwellenbauteil (2) auf. So kann die Aufnahmebohrung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) leicht über den Zapfen (1.1) des Innenwellenbauteils (1) geschoben werden (1b). Wird das Fluid entspannt und abgelassen, so versuchen die Wellenbauteile (1, 2), sich auf Normalgröße zu entspannen. Dabei legen sich die Fügeoberflächen (1.2, 2.2) der Wellenbauteile (1, 2) im Verbindungsbereich (3.2) aufeinander und bilden unter Bauteildruck eine Presspassung aus (1c).
-
2 zeigt eine Wellenverbindung (3) für eine Turbine, bei der das erste Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit einem kegelförmigen Zapfen (1.1; hervorstehender Abschnitt) ausgestattet ist, und das zweite Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) mit einer hohlkegelförmigen Ausnehmung (2.6; aufnehmender Abschnitt) ausgestattet ist (2a). Die aus Innenwellenbauteil (1) und Außenwellenbauteil (2) gebildete Welle ist ausgebildet um eine Rotationsachse (3.1) zu rotieren. Die Fügeoberfläche (1.2) des Zapfens (1.1) und die Fügeoberfläche (2.7) der Ausnehmung (2.6) bilden einen Verbindungsbereich (3.2) und sind auf herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen einfach und kostengünstig zu fertigen. Das Außenwellenbauteil (2) umschließt in einem montierten Zustand (2c) mit seiner Ausnehmung (2.6) den Zapfen (1.1) des Innenwellenbauteils (1) zumindest teilweise und bildet eine kraftschlüssige Presspassung aus. Dabei ist im Verbindungsbereich (3.2) durch den Kegel und Hohlkegel eine Hinterschneidung (1.3) als zusätzliche Axialsicherung ausgebildet. Die Fügeoberflächen (1.2, 2.7) der Wellenbauteile (1, 2) legen sich unter Druck aneinander an, dabei greift das Außenwellenbauteil (2) in die Hinterschneidung (1.3) des Innenwellenbauteils (1) ein. Sollte die Presspassung versagen und die Verbindung im Verbindungsbereich (3.2) in Umfangsrichtung durchrutschen (relative Umfangsbewegung um die Rotationsachse (3.1)), so ist die Verbindung der beiden Wellenbauteile (1, 2) dennoch nach wie vor durch die formschlüssig wirksame Hinterschneidung (1.3) zumindest axial gesichert, so dass ein Herausrutschen, Trennen und voneinander Loslösen (relative Bewegung in Rotationsachsrichtung) der beiden Wellenbauteile (1, 2) verhindert wird. 2b zeigt, wie der Zapfen (1.1) des Innenwellenbauteils (1) in die Ausnehmung (2.6) des Außenwellenbauteils (2) eingeschoben ist, noch vor dem aneinander Anlegen der Fügeoberflächen (1.2, 2.7).
-
3 zeigt eine Wellenverbindung (3) für eine Turbine, bei der das erste Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit einem zweifach kegelförmigen Zapfen (1.6; hervorstehender Abschnitt) ausgestattet ist, und das zweite Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) mit einer hohlzylindrischen Ausnehmung (2.1; aufnehmender Abschnitt, Aufnahmebohrung) ausgestattet ist (3a). Die aus Innenwellenbauteil (1) und Außenwellenbauteil (2) gebildete Welle ist ausgebildet um eine Rotationsachse (3.1) zu rotieren. Die Fügeoberfläche (1.7) des Zapfens (1.6) und die Fügeoberfläche (2.2) der Ausnehmung (2.1) bilden einen Verbindungsbereich (3.2) und sind auf herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen einfach und kostengünstig zu fertigen. Das Außenwellenbauteil (2) umschließt in einem montierten Zustand (3c) mit seiner Ausnehmung (2.1) den Zapfen (1.6) des Innenwellenbauteils (1) zumindest teilweise und bildet eine kraftschlüssige Presspassung aus. Dabei sind im Verbindungsbereich (3.2) durch die Kegel zwei Hinterschneidungen (1.3) als zusätzliche Axialsicherung ausgebildet. Die Fügeoberflächen (1.7, 2.2) der Wellenbauteile (1, 2) legen sich unter Druck aneinander an, dabei greift das Außenwellenbauteil (2) in die Hinterschneidungen (1.3) des Innenwellenbauteils (1) ein. Sollte die Presspassung versagen und die Verbindung im Verbindungsbereich (3.2) in Umfangsrichtung durchrutschen (relative Umfangsbewegung um die Rotationsachse (3.1)), so ist die Verbindung der beiden Wellenbauteile (1, 2) dennoch nach wie vor durch die formschlüssig wirksamen Hinterschneidungen (1.3) zumindest axial gesichert, so dass ein Herausrutschen, Trennen und voneinander Loslösen (relative Bewegung in Rotationsachsrichtung (3.1)) der beiden Wellenbauteile (1, 2) verhindert wird. 3b zeigt, wie der Zapfen (1.6) des Innenwellenbauteils (1) in die Ausnehmung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) eingeschoben ist, noch vor dem aneinander Anlegen der Fügeoberflächen (1.7, 2.2).
-
4 zeigt eine Wellenverbindung (3) für eine Turbine, bei der das erste Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit zylindrischem Zapfen (1.8; hervorstehender Abschnitt) mit am Zapfenende umlaufendem Bund (1.9; Rippe) ausgestattet ist. Das zweite Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) ist mit einer hohlzylindrischen Ausnehmung (2.1; aufnehmender Abschnitt, Aufnahmebohrung) ausgestattet (4a). Die aus Innenwellenbauteil (1) und Außenwellenbauteil (2) gebildete Welle ist ausgebildet um eine Rotationsachse (3.1) zu rotieren. Die Fügeoberfläche (1.10) des Zapfens (1.8) und die Fügeoberfläche (2.2) der Ausnehmung (2.1) bilden einen Verbindungsbereich (3.2) und sind auf herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen einfach und kostengünstig zu fertigen. Das Außenwellenbauteil (2) umschließt in einem montierten Zustand (4c) mit seiner Ausnehmung (2.1) den Zapfen (1.8) des Innenwellenbauteils (1) sowie den umlaufenden Bund (1.9) zumindest teilweise und bildet eine kraftschlüssige Presspassung aus. Dabei ist im Verbindungsbereich (3.2) durch den Bund (1.9) eine Hinterschneidung (1.3) als zusätzliche Axialsicherung ausgebildet. Die Fügeoberflächen (1.10, 2.2) der Wellenbauteile (1, 2) legen sich unter Druck aneinander an, dabei greift das Außenwellenbauteil (2) in die Hinterschneidung (1.3) des Innenwellenbauteils (1) ein. Sollte die Presspassung versagen und die Verbindung im Verbindungsbereich (3.2) in Umfangsrichtung durchrutschen (relative Umfangsbewegung um die Rotationsachse (3.1)), so ist die Verbindung der beiden Wellenbauteile (1, 2) dennoch nach wie vor durch die formschlüssig wirksame Hinterschneidung (1.3) zumindest axial gesichert, so dass ein Herausrutschen, Trennen und voneinander Loslösen (relative Bewegung in Rotationsachsrichtung (3.1)) der beiden Wellenbauteile (1, 2) verhindert wird. 4b zeigt, wie der Zapfen (1.8) des Innenwellenbauteils (1) in die Ausnehmung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) eingeschoben ist, noch vor dem aneinander Anlegen der Fügeoberflächen (1.10, 2.2).
-
5 zeigt eine Wellenverbindung (3) für eine Turbine, bei der das erste Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit zylindrischem Zapfen (1.8; hervorstehender Abschnitt) mit zwei umlaufenden Bunden (1.9; Rippen) ausgestattet ist, und das zweite Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) mit einer hohlzylindrischen Ausnehmung (2.1; aufnehmender Abschnitt, Aufnahmebohrung) ausgestattet ist (5a). Die aus Innenwellenbauteil (1) und Außenwellenbauteil (2) gebildete Welle ist ausgebildet um eine Rotationsachse (3.1) zu rotieren. Die Fügeoberfläche (1.10) des Zapfens (1.8) und die Fügeoberfläche (2.2) der Ausnehmung (2.1) bilden einen Verbindungsbereich (3.2) und sind auf herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen einfach und kostengünstig zu fertigen. Das Außenwellenbauteil (2) umschließt in einem montierten Zustand (5c) mit seiner Ausnehmung (2.1) den Zapfen (1.8) des Innenwellenbauteils (1) sowie die umlaufenden Bunde (1.9) zumindest teilweise und bildet eine kraftschlüssige Presspassung aus. Dabei ist im Verbindungsbereich (3.2) durch die Bunde (1.9) eine Hinterschneidung (1.3) als zusätzliche Axialsicherung ausgebildet. Die Fügeoberflächen (1.10, 2.2) der Wellenbauteile (1, 2) legen sich unter Druck aneinander an, dabei greift das Außenwellenbauteil (2) in die Hinterschneidung (1.3) des Innenwellenbauteils (1) ein. Sollte die Presspassung versagen und die Verbindung im Verbindungsbereich (3.2) in Umfangsrichtung durchrutschen (relative Umfangsbewegung um die Rotationsachse (3.1)), so ist die Verbindung der beiden Wellenbauteile (1, 2) dennoch nach wie vor durch die formschlüssig wirksamen Hinterschneidungen (1.3) zumindest axial gesichert, so dass ein Herausrutschen, Trennen und voneinander Loslösen (relative Bewegung in Rotationsachsrichtung (3.1)) der beiden Wellenbauteile (1, 2) verhindert wird. 5b zeigt, wie der Zapfen (1.8) des Innenwellenbauteils (1) in die Ausnehmung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) eingeschoben ist, noch vor dem aneinander Anlegen der Fügeoberflächen (1.10, 2.2).
-
6 zeigt eine Wellenverbindung (3) für eine Turbine, bei der das erste Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit zylindrischem Zapfen (1.8; hervorstehender Abschnitt) mit umlaufendem Bund (1.9; Rippen) ausgestattet ist, und das zweite Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) mit einer hohlzylindrischen Ausnehmung (2.1; aufnehmender Abschnitt, Aufnahmebohrung) mit umlaufender Nut (2.9) ausgestattet ist (6a). Die aus Innenwellenbauteil (1) und Außenwellenbauteil (2) gebildete Welle ist ausgebildet um eine Rotationsachse (3.1) zu rotieren. Die Fügeoberfläche (1.10) des Zapfens (1.8) und die Fügeoberfläche (2.2) der Ausnehmung (2.1) bilden einen Verbindungsbereich (3.2) und sind auf herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen einfach und kostengünstig zu fertigen. Das Außenwellenbauteil (2) umschließt in einem montierten Zustand (6c) mit seiner Ausnehmung (2.1) den Zapfen (1.8) des Innenwellenbauteils (1) zumindest teilweise und bildet eine kraftschlüssige Presspassung aus. Dabei ist im Verbindungsbereich (3.2) durch Bund (1.9) und Nut (2.9) eine Hinterschneidung (1.3) als zusätzliche Axialsicherung ausgebildet. Die Fügeoberflächen (1.10, 2.2) der Wellenbauteile (1, 2) legen sich unter Druck aneinander an, dabei greift das Außenwellenbauteil (2) in die Hinterschneidung (1.3) des Innenwellenbauteils (1) ein. Der Bund (1.9) legt sich in die Nut (2.9). Sollte die Presspassung versagen und die Verbindung im Verbindungsbereich (3.2) in Umfangsrichtung durchrutschen (relative Umfangsbewegung um die Rotationsachse), so ist die Verbindung der beiden Wellenbauteile (1, 2) dennoch nach wie vor durch die formschlüssig wirksame Hinterschneidung (1.3) zumindest axial gesichert, so dass ein Herausrutschen, Trennen und voneinander Loslösen (relative Bewegung in Rotationsachsrichtung) der beiden Wellenbauteile (1, 2) verhindert wird. 6b zeigt, wie der Zapfen (1.8) des Innenwellenbauteils (1) in die Ausnehmung (2.1) des Außenwellenbauteils (2) eingeschoben ist, noch vor dem aneinander Anlegen der Fügeoberflächen (1.10, 2.2).
-
7 zeigt eine schematisch dargestellte Turbine mit einer Wellenverbindung (3) mit einem ersten Wellenbauteil (1; Innenwellenbauteil) mit kegelförmigem Zapfen (1.1) und einem zweiten Wellenbauteil (2; Außenwellenbauteil) mit hohlzylindrischer Ausnehmung (2.1; Aufnahmebohrung). Die Turbine umfasst weiterhin einen fest mit dem zweiten Wellenbauteil (2) verbundenen Rotor (4; Magnet), dem auf Gehäuseseite (nicht dargestellt) gegenüber der Stator (5; Wicklung) angeordnet ist. Am ersten Wellenbauteil (1) sind eine Axiallagerscheibe (6) für ein Axiallager (nicht dargestellt, zum Beispiel ein Rollenlager oder ein hydrodynamisches Gaslager) sowie zwei Radiallagerbereiche (7) für Radiallager (nicht dargestellt, zum Beispiel Rollenlager oder hydrodynamische Gaslager) vorgesehen. In Rotationsachsrichtung (3.1) vor dem ersten Wellenbauteil (1) ist ein Turbinenlaufrad (5) angedeutet. Eine solche Turbine kann sowohl innere Energie eines Strömungsfluides in mechanische Energie, als auch mechanische Energie in innere Energie umwandeln, also beispielsweise aus einem strömenden Fluid mechanische oder elektrische Energie erzeugen, oder mittels elektrischer Energie ein Fluid befördern.
