DE1625760A1 - Vorrichtung zum Ausgleich von bei Temperaturaenderungen entstehenden gegenseitigen Lageaenderungen von einander zugeordneten Koerpern mit unterschiedlicher Waermedehnung - Google Patents

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

7. T.1967 Ulb/Si

Vorrichtung zum Ausgleich von bei Temperaturänderungen entstehenden gegenseitigen Lageänderungen von einander zugeordneten Körpern mit unterschiedlicher Wärmedehnung.

Die Erfindung, betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich von bei Temperaturänderungen entstehenden gegenseitigen Lageänderungen in axialer Richtung von einander zugeordneten Körpern mit unterschiedlicher Wärmedehnung. Unter diesen allgemeinen Betreff können bekannterweise z. B. Vorrichtungen zum Ausgleich von bei Temperaturänderungen entstehenden Lageänderungen in axialer Richtung von in einem Gehäuse angeordneten und auf einer im Gehäuse gelagerten Welle sitzenden scheibenartigen Rädern eingeordnet werden, wobei diese Anordnung bei verschiedenartigen Turbomaschinen, wie z. B. Pumpen, Verdichtern oder Turbinen in der Tief- und Hochtemperaturtechnik vorkommt.

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Ist z. B. bei einer Turbomaschine für die Tieftemperaturtechnik die Rotorwelle in einem Gehäuse trag- und spurgelagert und sind auf dieser Welle mehrere Schaufelräder in axialer Richtung hintereinander angebracht und sind dabei die Welle aus. einem bei tiefen Temperaturen festen Stahl und die Laufräder z. B. aus einer Leichtmetalllegierung, so ergeben sich bei Temperaturunterschieden von der normalen Umgebuhgstempe- _t ratur (Stillstand der Maschine) bis zur Betriebstemperatur (z. B. der Siedetemperatμr verflüssigter Gase, wie Luft, Op, N₂ usw.) Differenzen in der Längenänderung der Summe der Längen der Radscheibennaben zur zugeordneten Wellenlänge, die in der Größenordnung von ein bis einigen Millimetern liegen können und die wegen der Anforderungen'auf Pesthalten der Radnaben gegen axiales Verschieben auf der Welle ausgeglichen werden müssen. Zur Befestigung und als Vorrichtungen für einen derartigen Ausgleich werden z. B. bei fliegend angeordneten Radscheiben Dehnungsschrauben angewendet. Auch ist es bekannt, zwischen einer Verschraubung zur Befestigung und den Radnaben federnde Elemente, insbesondere Tellerfedern, einzubauen* Mit diesen Anordnungen können zwar bis zu einem gewissen Grade die Längenänderungen zwischen den Radnaben und dem zugehörigen Wellenstück ausgeglichen werden, wobei allerdings die Anwendung von Dehnungsschrauben nur in beschränktem Maße möglich ist, da die obere Grenze der zulässigen Zugbeanspruchung derselben nicht überschritten werden darf, während die Anordnung von Federelementen, z. B. Tellerfedern, den Nachteil hat, daß bei sehr hochtourigen Wellen das Auszentrieren einer durch sie

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verursachten Unwucht große Schwierigkeiten verursacht und ihre Federeigenschaften von der Temperatur abhängig sind (zu weich bei hohen Temperaturen; Versprödung bei tiefen Temperaturen). Hingegen ist durch diese Anordnungen ein Ausgleich der Lageänderungen zwischen den Umfangen der Radscheiben und den ihnen zugeordneten kranzartigen ßehäuseteilen,-wie z. B. Leitschaufel- oder DüsenringQ-des sogenannten Mittenversatzes - in der Regel· nicht erreichbar. Um diesem Mittenversatz Rechnung zu tragen, werden bisher technisch unvollkommene Mittel angewandt. So z.B. werden die Spaltbreiten zwischen den Radscheiben und dem Gehäusekranz so groß bemessen, daß bei Lageänderung der Radscheiben infolge der Wärmedehnung kein Anstreifen erfolgen kann. Damit werden die Spaltbreiten sehr groß und die Spaltverluste hoch. Außerdem werden die zügej ordneten Strömungskanalbreiten in Rad und Kranz jeweils so abgestuft, daß ein Stoß der Strömung beim Übergang von dem einen Kanal in den anderen vermieden wird. Diese Maßnahme bringt ebenfalls Wirkungsgradverluste mit sich.

Nach der erfindungsgemäßen Aufgabe sollen die durch die verschiedenen Wärmedehnungen verursachten Längeänderungen in axialer Richtung so ausgeglichen werden, daß kein Maschinenteil, wie z. B. eine Dehnungsschraube, unzulässig hoch belastet, wird und daß die gegenseitigen Lageänderungen der einander zugeordneten Körper derart aufeinander abgestimmt werden, daß die eine Berührung verhindernden Spalte möglichst eng gehalten werden k.önn^erlind die Strömungskanäle in axialer Richtung der-

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maßen in Übereinstimmung bleiben, daß eine leistungsschädliche Abstufung zwischen der Austrittsbreite und der Eintrittsbreite der Kanäle vermeidbar wird, bamit sollen der Mittenversatz ausgeglichen, die Strömungsverluste an den Übergangsstellen verringert und der hydraulische Wirkungsgrad verbessert werden. Dies ist nach der Erfindung dadurch lösbar, daß bei einer eingangs beschriebenen Vorrichtung zumindest zwischen zwei der Körper ein mit konischen Kontaktgleit flächen versehener Ring angeordnet ist, durch dessen Gleitflächenwinkel und im Zusammenwirken mit .dessen Wärmedehnung in radialer Richtung eine den axialen Längenausgleich zu einem dritten Körper bewirkende axiale Lageverschiebung festgelegt ist. /Sind bei der vorstehenden Vorrichtung als Körper eine Welle, mindestens ein im wesentlichen scheibenartiges mit der Nabe auf der Welle sitzendes Rad und ein mit der Wellenlagerung verbundenes und mit mindestens einem kranzartigen Teil hinsichtlich der axialen Lage mit dem Umfang der Radscheibe in Bezug stehendes Gehäuse vorgesehen, so können weitere Lösungsmerkmale dadurch gekennzeichnet sein, daß der Wert des Gleitflächenwinkels aus seinem sich aus der Division der Summe aller thermischen Dehnungen in axialer Richtung und der Summe aller thermischen Dehnungen in radialer Richtung der Ringe und der Körper mit konischen Kontaktgleitflächen ergebenden Tangens bestimmt ist.

Die Erfindung und ihre Anwendungsmöglichkeiten sind in den Figuren und der Beschreibung dazu an Beispielen weiter erläutert.

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Plgur 1 zeigt ausschnittweise und sehematisch eine Anordnung von Gehäuse, Rotorwelle und Laufrädern einer Turbomaschine beliebiger Wirkungsweise. Dabei ist eine Rotorwelle 1 in einem Gehäuseteil 2 trag- und spurgelagert und in einem in axialem Abstand dazu befindlichen Gehäuseteil 3 nur traggelagert. iAuf der Welle 1 sitzen drei Laufräder 4, 5 und 6, deren Strömungskanäle Jj Q und 9 mit je einem Strömungskanal 10, 11 und in den Gehäuseteilen 13, 14 und 15 korrespondieren. Eine Dehnungsschraube 16 dient zur Befestigung der Naben 17* 1"8 und 19 der Laufräder auf der Welle, Zwischen den Naben 17* 18, 19* einem Wellenbund 20 und dem Kopf der Dehnungsschraube 16 befinden sich Ringe 21, 22, 23 und 24, deren Innendurchmesser größer als der zugeordnete Wellendurchmesser ist und deren Kontaktflächen mit den Naben 17* 18, 19 als konische Gleitflächen 25* 26, 27, 28, 29, 30 ausgebildet sind. Damit die Kontaktgleitflächen 25 bis 30 gute Gleiteigenschaften aufweisen, sind sie mit großer Oberflächengüte bearbeitet und können auch in an sich bekannter Weise präpariert sein, z. B. gehärtet, nitriert, phosphartiert etc.

Da aus baulichen Gründen die Bauteile, wie Welle, Laufräder, Gehäuse, aus verschiedenem Werkstoff hergestellt sind, sind auch ihre Wärmedehnungskoeffizienten verschieden groß. Daraus ergibt sich, daß ihre axialen Längenänderungen bei verschiedenen Temperaturen auch verschieden groß sind.

Als Längen, deren Änderung hler in Betracht kommt,

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sind aufzuführen:

1. die Länge der Welle vom Traglager im Gehäuseteil 2 bis zum Gewinde 31 der Befestigungsschraube 16,

2. die Länge der Welle vom Bund 20 bis zum Gewinde 31,

3. die Länge der Dehnungsschraube von ihrem Gewinde 31 bis zu ihrer Auflagefläche,

4. die Länge der Radnaben,

5. die Längen der Ringe und

6. die Längen zwischen den Gehäuseteilen, 2, 13, 14 und 15-

Ist bei einer bestimmten Temperatur, z. B. bei Normaltemperatur, die Anordnung so zusammengebaut, daß die Strömungskanäle 7 und 10, 8 und 11, 9 und 12 ohne Mittenversatz übereinstimmen, und wird die Anordnung dann auf eine andere Temperatur gebracht, z. B. auf eine Betriebstemperatur zum Pumpen von flüssigem Sauerstoff, also ungefähr -2oo° C, so ändern sich die vorstehend aufgeführten Längen der Bauteile entsprechend dem Wärmedehnungskoeffizienten ihres Werkstoffes. D. h. die Längen der Welle werden sich verhältnismäßig wenig verkürzen, während die Nabenlängen der Laufräder eine relativ große Verkürzung erfahren werden. Unter der Annahme, daß sich auch.die Längen zwischen den Gehäuseteilen relativ wenig verkürzen, würde das bedeuten, daß zwischen den Strömungskanälen 7 und 10 der kleinste, zwischen den Strömungskanälen 8 und 11 ein größerer und zwischen den Strömungskanälen 9 und 12 der größte

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Mittenversatz entsteht. Dieser Mittenversätz wird erfihdungsgemäß durch die Anordnung der Ringe 21 bis 215 ausgeglichen, indem diese ebenfalls schrumpfen, d. h» in Richtung Wellehmitte enger werden, wobei ihre konischen Gleitflächen die an diesen anliegenden Radnaben auseinanderdrücken und somit den Abstand der Laufräder zueinander in einem den Mittenversatz ausgleichenden Sinne vergrößern. Die Längenänderungen der Bauteile sind berechenbar, da die Wärmedehnungskoeffizienten und die Bezugslängen bekannt sind* Außerdem können sie und auch-ein eventueller Verzug an kompliziert geformten Bauteilen, wie Gehäuse oder Radscheiben, experimentell ermittelt, d. h. gemessen werden. Damit ist der Ausgleich des Mittenversatzes unmittelbar abhängig von der Größe- des Konuswinkels der Kontaktgleitflächen. Die Größe des Konuswinkels kann aus dem Tangens ermittelt werden, dessen Wert sich ergibt, wenn die Summe aller in Betracht kommenden thermischen Dehnungen in axialer Richtung durch die Summe aller in Betracht kommenden thermischen Dehnungen in radialer Richtung dividiert wird.

Wie sich im vorliegenden Falle der Konuswinkel der Kontaktgleitfläche 25 ermitteln läßt, um einen Mittenversatz zwischen den Strömungskanälen 7 und 10 auszugleichen, wird mit folgendem Beispiel gezeigt. Dabei wird vom Traglager im Gehäuse' 2 als Pestpunkt ausgegangen. Es wird festgestellt, daß sich die axiale Länge zwischen dem Strömungskanal 10 im Gehäuseteil 15 und dem Festpunkt bei einer gegebe£en Abkühlung

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um den Wert a verkürzt. Gefordert wird, daß die Mündung 32 des Strömungskanals 7 am Umfang des Laufrades 4- um den selben Wert a verschoben wird. Dazu wird weiter festgestellt, daß sich die Länge zwischen dem Festpunkt 2 und der Stirnfläche 20 um den Wert b, die axiale Länge zwischen der Stirnfläche 23 der Nabe 17 des Laufrades J und der Mündung 32 um den Wert c und die wirksame Länge des Ringes 21 um den Wert d verkürzen. Außerdem wird ermittelt, daß die wirksamen Radien der Nabe 17 und des Ringes 21 um die Werte e bzw. f kleiner werden.

In Fig. 2 sind die vorstehenden Längenänderungen schematisch veranschaulicht. Dabei ist der größeren Deutlichkeit wegen der Ring 21 als achsparallele Strecke eingezeichnet, und es ist im Gegensatz zum Vorstehenden angenommen, daß die Gehäuselänge zwischen dem Festpunkt 2 und dem Gehäuseteil 13 um den Wert a größer wird. In der Figur sind ferner die den Teilen nach der Lageänderung zugeordneten Bezugszeichen mit einem Strich gezeichnet. Die Figur 2 stellt die Winkelfunktion

a + b + d + c

tg

f - e

dar. Damit ist der Gleitflächenwinkel (J bekannt.

Ist jedoch, wie zuerst angenommen, der Wert a durch eine Verkürzung des Gehäuses gegeben, so erscheint er in der Gleichung mit negativem Vorzeichen.

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Die Gleitflächenwinkel an den übrigen Ringen 22, 23 lassen sich in analoger Weise bestimmen und damit auch ein Mittenversatz an den Kanälen 8-, 11 bzw. 9 und 12 ausgleichen. Da sich in der Praxis die Längenänderungeh am Gehäuse und an der Welle, eventuell durch geeignete Wahl der Lage des Pestpunktes, also Spurlagers, in etwa gleich groß halten lassen, bleibt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch die der Dehnungsschraube Λ6 gegebene Vorspannung in vorteilhafter Weise weitgehend unverändert.

Beispiele und Figuren vermitteln eine Lehre, nach der auch in ähnlichen oder vergleichbaren Anwendungsfällen eine Ermittlung der Konuswinkel der Kontaktgleitflächen möglich ist.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Ausgleich von bei Te'mperaturänderungen entstehenden gegenseitigen Lageänderungen in axialer Richtung von einander zugeordneten Körpern mit unter- » schiedlicher Wärmedehnung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen zwei der Körper ein mit konischen Kontaktgleitflächen versehener Ring angeordnet ist, durch dessen Gleitflächenwinkel und im Zusammenwirken mit dessen Wärmedehnung in radialer Richtung eine den axialen Längenausgleich zu einem dritten Körper bewirkende axiale Lageverschiebung festgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei als Körper eine Welle, mindestens ein im wesentlichen scheibenartiges, mit der Nabe auf der Welle sitzendes Rad und ein mit der Wellenlagerung verbundenes und mit mindestens einem kranzartigen Teil hinsichtlich der axialen Lage mit dem Umfang der Radscheiben in Bezug stehendes Gehäuse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Gleitflächenwinkels aus seinem, sich aus der Division der Summe aller thermischen Dehnungen in axialer Richtung und der Summe aller thermischen Dehnungen in radialer Richtung der Ringe und Körper mit konischen Kontaktgleitflächen ergebenden Tangens bestimmt ist.

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. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet., daß zumindest eine der sich gegenseitig berührenden konischen Kontaktgleitflächen leicht gewölbt, z. B. ballig,· ausgeführt ist.

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