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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Turbomaschine, umfassend ein erstes Rotorteil und ein zweites Rotorteil.
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Bei der Zusammensetzung eines mehrteiligen Rotors besteht die Schwierigkeit, die beiden Komponenten miteinander sicher und insbesondere auch drehfest zu verbinden. Diese Aufgabenstellung ergibt sich beispielsweise, wenn im Rahmen einer Turbomaschine ein Turbolaufrad mit einer Rotorwelle, insbesondere einer Antriebswelle bzw. einer Abtriebswelle verbunden werden soll. Derartige Verbindungen werden auch als sogenannte Welle-Nabe-Verbindung bezeichnet.
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Aus der Vergangenheit sind hierzu verschiedene Lösungen bekannt. Beispielsweise wird eine sogenannte Hirth-Kupplung vorgesehen, welche an den Stirnseiten der beiden Rotorteile ein Verzahnungsprofil vorsieht. Diese Verzahnungsprofile werden in axialer Richtung formschlüssig zusammengeschoben und durch eine axiale Verspannung aneinandergehalten. Die Herstellung einer solchen Kupplung erzeugt jedoch regelmäßig einen großen Arbeitsaufwand und stellt besonders große Ansprüche an die Fertigungstoleranzen, damit keine Unwuchten oder Ausrichtungsfehler entstehen.
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Weiterhin ist es bekannt, die Stirnflächen der beiden Rotorteile stumpf aneinanderzusetzen und diese in axialer Richtung miteinander zu verspannen. Bei glatten Anlageflächen ist dabei die Übertragung von Drehmomenten auf die reib- bzw. kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Anlageflächen beschränkt.
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Um auch größere Drehmomente übertragen zu können, wird daher teilweise eine sogenannte „Verstiftung“ eingesetzt. Dabei werden in den Stirnflächen axial verlaufende Bohrungen eingebracht, in die eine oder mehrere Stifte eingesetzt bzw. eingeschraubt werden. Die Stifte stehen dabei an einer Stirnfläche eines der beiden Rotorteile derart über, dass sie in eine korrespondierende Öffnung des zweiten Rotorteils eingreifen können. Hierdurch wird eine formschlüssige Drehverbindung bereitgestellt.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass die hierbei erzielbaren Toleranzen verbesserungswürdig sind. Um ein Ineinandergreifen der Verstiftung an beiden Rotorteilen zu garantieren, ist eine gewisse Toleranzzugabe erforderlich, welche beim montierten Rotor zu einem ungewollten Spiel (in Drehrichtung) führt. Diese Toleranzen setzen in der Praxis sowohl die maximal übertragbaren Drehmomente als auch die Dauerhaftigkeit der Verbindung herab.
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Gleichzeitig ist auch bei der rechnerischen Auslegung der Turbomaschinen die Verwendung einer toleranzbehafteten Verstiftung von Nachteil. So muss aufgrund der toleranzbehafteten Öffnungen das rechnerisch möglich übertragbare Drehmoment um einen Korrekturfaktor herabgesetzt werden. Hierdurch ist bei der Auslegung der Turbomaschine eine Erhöhung der Anzahl und/oder Größe der einzelnen Stifte erforderlich, um eine bestimmte Last rechnerisch aufnehmen zu können. Dies führt einerseits zu einem erhöhten Konstruktions-, Material- und Fertigungs-Aufwand und kann auch im Übrigen durch eine große Anzahl von Bohrungen die Festigkeit der Rotorteile in Mitleidenschaft ziehen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte drehstarre Axialverbindung (Welle-Nabe-Verbindung) anzugeben, welche sowohl bei der rechnerischen Auslegung als auch in der Praxis höhere Lasten bei einem geringeren Materialaufwand und einer einfachen Fertigung erlaubt.
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Lösung dieser Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Turbomaschine nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht davon aus, dass das erste Rotorteil um eine erste Längserstreckungsachse ausgebildet ist und eine zu der ersten Längserstreckungsachse senkrecht verlaufende erste Stirnfläche aufweist. Das zweite Rotorteil ist um eine zweite Längserstreckungsachse ausgebildet ist und eine zu der zweiten Längserstreckungsachse senkrecht verlaufende zweite Stirnfläche aufweist. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, ein Zwischenstück zu verwenden, welches eine erste Anlagefläche und eine zweite Anlagefläche aufweist. Dieses Zwischenstück wird mit der ersten Anlagefläche an der ersten Stirnfläche in Anlage gebracht - erste Position. In dieser ersten Position wird zumindest eine erste Bohrung durch das Zwischenstück und die erste Stirnfläche hindurch in das erste Rotorteil hinein eingebracht. Die relative Lage von Zwischenstück und erstem Rotorteil entspricht dabei der relativen Orientierung und Positionierung in dem später vorgesehenen verbundenen Endzustand. Außerdem wird das Zwischenstück mit der zweiten Anlagefläche an der zweiten Stirnfläche in Anlage gebracht - zweite Position. In dieser zweiten Position wird zumindest eine zweite Bohrung durch das Zwischenstück und die zweite Stirnfläche hindurch in das zweite Rotorteil hinein eingebracht. Auch in der zweiten Position entsprechen die relative Ausrichtung und Positionierung von Zwischenstück und zweitem Rotorteil der Lage im Endzustand. Weiterhin wird in der ersten Bohrung ein erster Stift angeordnet, welcher sich sowohl in das erste Rotorteil als auch in das Zwischenstück hinein erstreckt. Ferner wird in der zweiten Bohrung ein zweiter Stift angeordnet, welcher sich in das Zwischenstück und in das zweite Rotorteil erstreckt. Außerdem wird das Zwischenstück mit der ersten Anlagefläche an der ersten Stirnfläche und mit der zweiten Anlagefläche an der zweiten Stirnfläche in Kontakt gebracht, wobei die erste Längserstreckungsachse und die zweite Längserstreckungsachse fluchtend angeordnet werden. Abschließend werden das erste Rotorteil und das zweite Rotorteil gegeneinander in Richtung der ersten Längserstreckungsachse und der zweiten Längserstreckungsachse (Axialrichtung) miteinander auf Zug verspannt.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, eine toleranz- und spielfreie Positionierung einer durchgängigen Bohrung durch das Zwischenstück einerseits und die beiden Rotorteile andererseits zu erzeugen. Auch im Falle der Anordnung mehrerer erster Bohrungen und mehrerer erster Stifte bzw. mehrerer zweiter Bohrungen und mehrerer zweiter Stifte ist deren Positionierung und Anordnung aufgrund der gleichzeitigen Bohrung durch Zwischenstück und Rotorteil einerseits und durch die jeweilige Verbohrung in der ersten Position bzw. der zweiten Position andererseits exakt.
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Die so erzeugte drehstarre Verbindung der beiden Rotorteile ist einerseits einfach herzustellen und andererseits aufgrund der Spielfreiheit äußerst stabil und maßhaltig. Durch die Zugbeanspruchung in der Axialrichtung kann die Verstiftung einerseits gut gesichert werden und die beiden Rotorteile auch mit sehr geringem Aufwand fest miteinander verbunden - und auch wieder gelöst - werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Rotorteil als Rotorwelle und das zweite Rotorteil als Turbolaufrad ausgebildet. Dabei ist die Rotorwelle insbesondere dazu vorgesehen, an dem Gehäuse einer Turbomaschine in axialer und radialer Richtung durch Lager abgestützt zu werden und außerdem die Kraftübertragung des Turbolaufrads zu einem Antrieb und/oder einem Abtrieb bereitzustellen. Das Turbolaufrad dient der strömungstechnischen Umwandlung von Strömungsenergie in Drehenergie (Turbine) bzw. von Drehenergie in Strömungsenergie (Turbopumpe, Turbokompressor). Dabei enthält das Turbolaufrad Strömungsleiteinrichtungen, insbesondere Rotorblätter oder -kanäle und kann ohne Beschränkung der Erfindung als radiales oder axiales Turbolaufrad ausgebildet sein. Durch die Befestigung der beiden Rotorteile mithilfe einer Längsverspannung ist überdies eine besonders leichte Montage und Demontage des Turbolaufrads - insbesondere von der der Rotorwelle abgewandten Seite aus - möglich.
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Bevorzugt sind die erste Bohrung und die zweite Bohrung parallel zu der ersten Längserstreckungsachse und parallel zu der zweiten Längserstreckungsachse ausgerichtet. Hierdurch ist die axiale Positionierung und Toleranz der Stifte in den Bohrungen unabhängig von der axialen Position des ersten Rotorteils, des zweiten Rotorteils und des Zwischenstücks zueinander unabhängig. Dies ermöglicht insbesondere eine nachträgliche Änderung der Dicke des Zwischenstücks in der Axialrichtung - beispielsweise durch Materialabtrag und/oder Kompression.
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Besonders bevorzugt sind der erste Stift spielfrei in der ersten Bohrung und der zweite Stift spielfrei in der zweiten Bohrung geführt. Durch die spielfreie Führung wird das Gesamtspiel des Rotorsystems reduziert. So können die Stifte unmittelbar in beiden Drehrichtungen Lasten übernehmen, ohne dass diese zunächst durch ein relatives Verdrehen der beiden Rotorteile - gegen die Hemmung der Zugverspannung an den Stirnflächen - erfolgen müsste. Als „spielfrei“ ist dabei insbesondere eine sogenannte Presspassung anzusehen. Dabei ist das Größtmaß des innerhalb der Fertigungstoleranzen der (ersten bzw. zweiten) Bohrung kleiner als das Kleinstmaß innerhalb der Fertigungstoleranzen des (ersten bzw. zweiten) Stifts. Zur Verbindung müssen die Stifte in die jeweils zugeordneten Bohrungen eingepresst werden.
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Besonders bevorzugt werden durch das Zwischenstück in das erste Rotorteil mehrere erste Bohrungen eingefügt, in welche später erste Stifte eingesetzt werden und mehrere zweite Bohrungen des Zwischenstücks in das zweite Rotorteil eingefügt, in welche später mehrere zweite Stifte eingefügt werden. Die mehreren ersten und zweiten Bohrungen sind dabei insbesondere bevorzugt äquidistant unter gleicher Teilung in Umfangsrichtung angeordnet. Durch die Vielzahl von ersten und zweiten Bohrungen wird die Übertragung von Drehmomenten verbessert und gleichzeitig die relative Zentrierung des ersten Rotorteils und des zweiten Rotorteils zu dem Zwischenstück gewährleistet. Besonders bevorzugt sind gleich viele erste Bohrungen und zweite Bohrungen vorgesehen, welche abwechselnd in Umfangsrichtung positioniert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Stift - bzw. die ersten Stifte - in das erste Rotorteil oder das Zwischenstück eingeschraubt und/oder der zweite Stift - bzw. die zweiten Stifte - in das zweite Rotorteil oder in das Zwischenstück eingeschraubt. Hierdurch werden die Stifte nicht nur verliersicher an der jeweiligen Rotorkomponente (Zwischenstück bzw. Rotorteil) gehalten, sondern sind auch zuverlässig gegenüber einem Verrutschen in der Axialrichtung gehalten. Zusätzlich wird auch bei einer Verschraubung durch ein Schraubengewinde eine größere Anlagefläche zwischen der Rotorkomponente und dem Stift bereitgestellt, an der durch Reibschluss zusätzliche Kräfte übertragen werden können. Alternativ oder zusätzlich kann der jeweilige Stift auch mit einem Presssitz in die zugeordnete Rotorkomponente eingedreht sein.
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Zweckmäßigerweise ist der Innenraum einer ersten Bohrung durch die Stirnfläche des zweiten Rotorteils bzw. der Innenraum einer zweiten Bohrung durch die erste Stirnfläche des ersten Rotorteils begrenzt. Die Länge der Stifte ist dabei so bemessen, dass sie länger sind als die jeweilige Eindringtiefe in das Zwischenstück bzw. in das erste bzw. zweite Rotorteil. So wird immer gewährleistet, dass auch ein axial verschieblicher Stift stets mit dem jeweiligem Rotorteil und dem Zwischenstück in Kontakt ist und dort Kräfte übertragen kann.
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Besonders bevorzugt füllt der Stift stets zumindest 75 % des Innenraums der ersten Bohrung bzw. der zweiten Bohrung aus. Besonders bevorzugt ist der Stift dabei jedoch geringfügig kürzer als die axiale Erstreckung der zugeordneten Bohrungen, damit eine nachträgliche Längenanpassung durch eine Komprimierung oder ein Abtragen des Zwischenstücks erfolgen kann.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Material des Zwischenstücks eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material des ersten Rotorteils und als das Material des zweiten Rotorteils auf. Bei den Materialien des ersten Rotorteils und des zweiten Rotorteils sind dabei insbesondere diejenigen Materialien maßgeblich, welche die erste Stirnfläche bzw. die zweite Stirnfläche bilden. Durch die Einbringung eines weniger wärmeleitenden Zwischenstücks kann ein Wärmetransport von dem ersten Rotorteil auf das zweite Rotorteil - und umgekehrt - reduziert werden. Insbesondere für Hochtemperaturanwendungen mit besonders thermisch belasteten Turbolaufrädern kann ein Wärmeübertrag auf die Rotorwelle - und damit auf potentiell temperaturempfindliche Lager und Dichtungen - vermindert werden. Entsprechendes gilt auch für Tieftemperaturanwendungen, beispielsweise bei Kryoverdichtern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zwischenstück zur Einstellung des Abstandes zwischen dem ersten Rotorteil und dem zweiten Rotorteil in Richtung der Längserstreckungsachse, vorzugsweise nach dem Einbringen der ersten Bohrung und dem Eindringen der zweiten Bohrung und besonders bevorzugt durch Schleifen oder spanabhebende Bearbeitung gekürzt. Hierdurch ist eine exakte axiale Positionierung der beiden Rotorteile zueinander möglich. Beispielsweise ist es denkbar, nach dem Zusammenbau eines Turbomaschinenrotors nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren dessen Ausmaße exakt zu vermessen. Dies ist insbesondere notwendig, wenn einzelne Rotorteile separat voneinander gefertigt werden. Werden hierbei Abweichungen in Längsrichtung (Axialrichtung) festgestellt, können diese durch ein anschließendes Einschleifen des Zwischenstücks behoben werden. Eine entsprechende Korrektur ist auch noch nachträglich - beispielsweise nach der endgültigen Montage in der Turbomaschine oder sogar im Rahmen von periodischen Wartungsarbeiten möglich. Dabei müssen lediglich die beiden Rotorteile entspannt und voneinander getrennt werden. Nach der Entnahme des Zwischenstücks kann dieses zur Korrektur eines Längenfehlers entsprechend eingekürzt werden. Nach einer erneuten Montage werden das erste Rotorteil und das zweite Rotorteil durch die reduzierte - in der Axialrichtung gemessenen - Dicke des Zwischenstücks in einem geringeren Abstand miteinander fest verspannt.
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Die Erfindung betrifft auch einen Rotor für eine Turbomaschine, insbesondere erhältlich nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 8. Der Rotor umfasst dabei ein erstes Rotorteil, ein zweites Rotorteil, ein zwischen dem ersten Rotorteil und dem zweiten Rotorteil angeordnetes Zwischenstück sowie zumindest ein Spannmittel zum axialen Verspannen des ersten Rotorteils mit dem zweiten Rotorteil. Erfindungsgemäß ist zumindest ein erster Stift in einer ersten Bohrung, welche sich durch das Zwischenstück und in das erste Rotorteil hinein erstreckt spielfrei aufgenommen. Ferner ist ein zweiter Stift, welcher sich durch das Zwischenstück und in das zweite Rotorteil hinein erstreckt, in einer zweiten Bohrung spielfrei aufgenommen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Figuren erläutert. Es zeigen dabei schematisch:
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor für eine Turbomaschine und
- 2A und 2B Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 für eine Turbomaschine dargestellt, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Der Rotor 1 ist an einem lediglich angedeuteten Gehäuse 2 gelagert und gegenüber diesem durch zumindest eine Wellendichtung 2a abgedichtet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Rotor 1 ein erstes Rotorteil 3 in Gestalt einer an dem Gehäuse 2 drehbar gelagerten Rotorwelle sowie ein zweites Rotorteil 4, welches im Ausführungsbeispiel als radiales Turbolaufrad mit darin angeordneten Strömungskanälen 4b ausgebildet ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist zwischen dem ersten Rotorteil 3 und dem zweiten Rotorteil 4 ein Zwischenstück 5 angeordnet. Weiterhin ist ein Spannmittel 6 in Gestalt eines Spannbolzens vorgesehen, durch welches das erste Rotorteil 3 und das zweite Rotorteil 4 in axialer Richtung - d. h. entlang der Drehachse x des Rotors 1 mit dem dazwischen angeordneten Zwischenstück 5 verspannt werden kann.
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Das erste Rotorteil 3 ist um eine erste Längserstreckungsachse a ausgebildet, welche in dem in 1 dargestellten montierten Zustand mit der Drehachse x des Rotors 1 zusammenfällt. Senkrecht zu der ersten Längserstreckungsachse a ist an dem ersten Rotorteil 3 eine erste Stirnfläche 3a ausgebildet. Die erste Stirnfläche ist innerhalb eines gestuften Rücksprungs des ersten Rotorteils 3 ausgebildet und befindet sich in Anlage mit einer kreisringförmigen ersten Anlagefläche 5a des Zwischenstücks 5. Das Zwischenstück 5 liegt weiterhin radial innen an einer ersten Stufenfläche 3b des ersten Rotorteils an.
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Zur Übertragung von Drehmomenten ist in dem Zwischenstück 5 und dem ersten Rotorteil 3 eine erste Bohrung 8a ausgebildet, in welcher ein erster Stift 9a spielfrei aufgenommen ist. Die erste Bohrung ist parallel zu der ersten Längserstreckungsachse a bzw. der Drehachse x des Rotors 1 ausgerichtet. Der durch die erste Bohrung 8a gebildete Hohlraum wird in axialer Richtung durch eine zweite Stirnfläche 4a des zweiten Rotorteils 4 begrenzt und nahezu vollständig durch den ersten Stift 9a ausgefüllt.
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Weiterhin ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass sich das zweite Rotorteil um eine zweite Längserstreckungsrichtung b erstreckt, welche im montierten Zustand ebenfalls mit der Drehachse x Rotors 1 zusammenfällt. Die zweite Stirnfläche 4a ist ebenfalls senkrecht zu der zweiten Längserstreckungsrichtung b ausgerichtet und in flächigem Kontakt mit einer zweiten Anlagefläche 5b des Zwischenstücks 5. In dem Zwischenstück 5 und dem zweiten Rotorteil 4 ist eine zweite Bohrung 8b ausgebildet, in welcher ein zweiter Stift 9b spielfrei aufgenommen ist. Die zweite Bohrung 8b wird in axialer Richtung durch die erste Stirnfläche 3a begrenzt und nahezu vollständig durch den zweiten Stift 9b ausgefüllt.
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Das Zwischenstück 5 ist als Kreisringscheibe rotationssymmetrisch um die Drehachse x mit einem Innenradius r und einem Außenradius R ausgebildet. In Axialrichtung x weist das Zwischenstück 5 eine Dicke d auf. Diese kann zur Einstellung des Abstands zwischen dem ersten Rotorteil 3 und dem zweiten Rotorteil 4 insbesondere durch Materialabtrag reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der 2A und 2B erläutert. Dabei ist wesentlich, dass das Zwischenstück 5 in einer ersten Position (2A) mit dem ersten Rotorteil 3 und in einer zweiten Position (2B) mit dem zweiten Rotorteil 4 in Anlage gebracht wird. In der ersten Position wird die erste Bohrung 8a durch das Zwischenstück, die erste Anlagefläche 5a und die erste Stirnfläche 3a hindurch in das erste Rotorteil 3 eingebracht. Dabei werden das Zwischenstück 5 des ersten Rotorteils 3 besonders bevorzugt in dieser ersten Position verspannt und zweckmäßigerweise mehrere erste Bohrungen 8a in Umfangsrichtung verteilt hergestellt.
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In einer zweiten Position (2B) wird das Zwischenstück 5 mit der zweiten Anlagefläche 5b an der zweiten Stirnfläche 4a in Anlage gebracht, sodass die Symmetrieachse des Zwischenstücks 5 mit der zweiten Längserstreckungsachse b des zweiten Rotorteils 4 fluchtet. In dieser zweiten Position können dann ein oder mehrere zweite Bohrungen 8b durch das Zwischenstück 5, die zweite Anlagefläche 5b, und die zweite Stirnfläche 4a hindurch in das zweite Rotorteil 4 eingebracht werden. Bei der Ausbildung der Erfindung ist es nicht von Bedeutung, ob zunächst die ersten Bohrungen 8a oder zunächst die zweiten Bohrungen 8b eingebracht werden. Um jedoch möglichst geringe Toleranzen zu erzielen, sollten mehrere erste Bohrungen 8a bzw. zweite Bohrungen 8b eingebracht werden, ohne dass das Zwischenstück und das jeweilige Rotorteil 3, 4 zwischenzeitlich bewegt werden. Besonders bevorzugt können die Bohrungen dabei gleichzeitig durch einen Mehrfachbohrer hergestellt werden.
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Wie man der 1 entnehmen kann, sind das erste Rotorteil 3 und das zweite Rotorteil 4 beide gleichzeitig an dem Zwischenstück 5 abgestützt, ohne dass sie sich untereinander berühren. Das Zwischenstück 5 weist eine gegenüber dem Material des ersten Rotorteils 3 und dem Material des zweiten Rotorteils 4 reduzierte spezifische Wärmeleitfähigkeit auf. Hierdurch kann ein Wärmeübertrag zwischen der Rotorwelle 3 und dem Turbolaufrad 4 reduziert werden.
