DE2454263A1

DE2454263A1 - Kupplung, insbesondere zur verwendung bei turbogeneratoren

Info

Publication number: DE2454263A1
Application number: DE19742454263
Authority: DE
Inventors: Gojko Jancic; Pierre Meylan; Alexandre Portmann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1974-10-25
Filing date: 1974-11-15
Publication date: 1976-04-29
Also published as: FR2289795B1; FR2289795A1; DE7438208U; SE418894B; CH577645A5; US4028909A; SE7511809L

Description

128/74 Ro./Ca.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Kupplung, insbesondere zur Verwendung bei Turbogeneratoren.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung zur Verbindung des Wellenendes einer Welle mit dem Wellenende einer anderen Welle, insbesondere zur Verwendung bei Turbogeneratoren, mit einem mit dem einen Wellenende starr verbundenen, grösseren Kupplungsflansch, einem mit dem anderen Wellenende starr verbundenen, kleineren Kupplungsflansch und mit zur Ausübung von Druckkräften auf die Kupplungsflansche und zur Uebertragung der im Betrieb auftretenden Drehmomente ausgebildeten Verbindungsmitteln.

Kupplungen zur Verbindung zweier Wellenenden, die mit Kupp-

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lungsflanschen starr verbunden sind, für die Uebertragung grosser Drehmomente durch mittels axialer Druckkräfte hervorgerufener Reibung zwischen den Stirnflächen der beiden Kupplungsflansche sind seit langem bekannt. Die Aussendurchmesser der beiden Kupplungsflansche sind im allgemeinen gleich und die axialen Druckkräfte werden auf die Kupplungsflansche gewöhnlich mittels axialer Schraubenbolzen . (siehe CH-PS 335573) oder Schrumpfhülsenanordnungen angebracht (siehe CH-PS 457053). Diese bekannten Anordnungen können zweckmässig dann verwendet werden, wenn die Aussendurchmesser der Kupplungsflansche gleich gross sind und sie sonst keinen besonderen Einschränkungen unterliegen.

Im Turbogeneratorenbau wird jedoch eine starre Reibungskupplung der genannten Art zur Uebertragung von grossen Drehmomenten von der Turbinenwelle auf die Generatorwelle benötigt, deren mit der Turbinenwelle starr verbundener Kupplungsflansch beliebig gross gewählt werden kann, jedoch ihr mit der Generatorwelle starr verbundener Kupplungsflansch der Beschränkung unterliegt, dass sein Aussendurchmesser kleiner sein muss als der Innendurchmesser des Generatorkappenringes, der bei der Montage über den genannten Kupplungsflansch und den Wickelkopf geschoben werden muss. Nach ausgeführter Montage des Kappenringes kann dann der genannte

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Aussendurehmesser, wenn zweckmässig, vergrössert werden, da es nur in Ausnahmefällen zur Demontage des Kappenringes kommt.

Zudem geht die moderne Entwicklung im Turbogeneratorenbau in Richtung von durch verbesserte Kühlung der Rotorwicklungen und Verwendung von hochwertigen Materialien ermöglichten kleineren Generatorwellen, die jetzt auch wesentlich grössere Drehmomente zu übertragen haben. Demzufolge ist eine entsprechend kleinere Kupplung notwendig, die die Uebertragurig der Drehmomente von der Turbinenwelle auf die Generatorwelle gewährleistet. Die Reibung, die zwischen den jetzt wesentlich kleineren Kupplungsflanschen entwickelt werden kann, genügt zur Uebertragurig der Drehmomente nicht mehr, so dass zu diesem Zwecke zusätzliche Mittel erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine starre Reibungskupplung 'der eingangs genannten Art zu schaffen, die Kupplungsflansche besitzt, die sich im Aussendurchmesser voneinander unterscheiden, wobei der kleinere Kupplungsflansch einen vorbestimmten Aussendurchmesser nicht überschreiten darf, die ferner zur Uebertragung von grossen Drehmomenten ausgebildet ist und sich insbesondere zur Verbindung einer

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Turbinenwelle mit einer Generatorwelle eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der freie Endabschnitt des kleineren Kupplungsflansches in eine Bohrung des grösseren Kupplungsflansches eingreift, und dass die Verbindungsmittel eine Mehrzahl von in beide Kupplungsflansche eingreifenden, achsparallelen Scherelementen aufweisen, deren Längsachsen sich an einer zylindrischen Fläche befinden, deren Durchmesser mindestens annähernd dem Durchmesser der Bohrung entspricht und eine Mehrzahl von Schraubenbolzen, deren Achsen mit der Kupplungsachse Winkel bilden, die zwischen 0 und 35° liegen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung erläutert. Er zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Kupplung, bei welcher die Achsen der Schraubenbolzen parallel zur Kupplungsachse verlaufen, d.h. sie bilden mit der Kupplungsachse einen Winkel von ö°;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Kupplung· der Fig. 1 entlang der Linie H-II;

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M EC mm

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Kupplung, bei welcher die Achsen der
Schraubenbolzen mit der Kupplungsachse spitze
Winkel bilden;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Kupplung der Fig. 3 entlang der Linie IV-IVj

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Äusführungsform der Kupplung, bei welcher die beiden Kupplungsflansche über eine mit dem kleineren Kupplungsflansch kraftSchlussig verbundene Hülse miteinander verbunden sind;

Fig. 6 einen Schnitt durch die Kupplung der Fig. 5 entlang der Linie VI-VI; und

Fig. 7 einen Schnitt durch die Kupplung der Fig. 5 entlang der Linie VII-VII.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet.

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Die in den Pig. 1 und 2 gezeigte erste Ausführungsform der Kupplung weist einen mit dem Wellenende 21 starr verbundenen grösseren Kupplungsflansch 1 auf, an dessen Stirnseite eine Bohrung 5 vorgesehen ist. Der mit dem Wellenende 22 starr verbundene kleinere Kupplungsflansch 2 ist im Durchmesser wesentlich kleiner als der Kupplungsflansch 1 und passt genau in die Bohrung 5 desselben hinein. Eine Vielzahl von achsparallelen Stiften 3 sind zwischen den beiden Kupplungsflanschen 1, 2 vorgesehen, die bei der Momentübertragung mitwirken und als Scherelemente dienen, deren Bestimmung es ist, bei Ueberlastung der Kupplung durchgeschert zu werden und dabei die Kupplungsflansche 1, 2 zu schonen. Das Material der Stifte 3 kann so gewählt werden, dass es eine geringere Festigkeit besitzt, als die. Materialien der Kupplungsflansche 1, 2, damit bei einer Ueberlastung der Kupplung die Stifte 3, jedoch nicht die Kupplungsflansche 1, 2, beschädigt werden. Jeder Stift 3 greift in eine Bohrungshälfte 10 des Kupplungsflansches 1 und in eine Bohrungshälfte 11 des Kupplungsflansches 2 ein, derart, dass sich die Längsachsen 4 der Stifte' 3 an einer zylindrischen Fläche befinden, deren Durchmesser annähernd dem Durchmesser der Bohrung 5 entspricht.

Ein Teil der Drehmomentübertragung geschieht durch Reibung

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zwischen der Bodenfläche 12 der Bohrung 5 und der mit dieser in Berührung stehenden Stirnfläche 13 des Kupplungsflansches Die zur Drehmomentübertragung norwendige Reibung wird mittels der Vielzahl von Schraubenbolzen 6 erzeugt, die die beiden Kupplungsflansche 1, 2 gegeneinander drücken und dabei auf diese beträchtliche axiale Druckkräfte ausüben. Die Achsen 7 der Schraubenbolzen 6 verlaufen parallel zur Kupplungsachse 8 und liegen auf einer zylindrischen Fläche, die koaxial zu den Umfangsflachen der Kupplungsflansche 1, 2 angeordnet ist. Diese Anordnung setzt voraus, dass die radialen Breiten der Kupplungsflansche 1, 2 gross genug sind, um die Schraubenbolzen 6 aufnehmen zu können.

Zwischen der Bodenfläche 12 der Bohrung 5 des Kupplungsflansches 1 und der diese berührenden Stirnfläche 13 des Kupplungsflansches 2 können zusätzliche axiale und/oder radiale Scherelemente vorgesehen sein, wie z.B. der Abschnitt 23 vergrösserten Durchmessers des Schraubenbolzens 6 als ein solches ausgebildet ist.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte zweite Ausführungsform der Kupplung ist der oben beschriebenen Kupplung im wesentlichen · gleich, jedoch mit dem Unterschied, dass die Schraubenbolzen 6 zur Kupplungsachse 8 nicht parallel sind, sondern mit

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dieser einen spitzen Winkel 9 bilden. Diese Anordnung wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der Durchmesser des Kupplungsflansches 2 sich nur wenig vom Durchmesser seiner Welle 22 unterscheidet, so dass ungenügender Raum für achsparallel verlaufende Schraubenbolzen vorhanden ist. Der spitze Winkel 9 kann in Abhängigkeit von den Abmessungen der Kupplungsflansche 1, 2 zweckmässig zwischen 0° und 35° gewählt werden, wobei zu beachten ist, dass die wirksamen Druckkräfte, die die zwei Kupplungsflansche gegeneinander drücken, die axialen Komponenten der durch die Schraubenbolzen 6 ausgeübten Druckkräfte sind.

Bei der in den Fig. 5> 6 und 7 gezeigten Ausführungsform der Kupplung sind die Kupplungsflansche 1, 2 über eine Hülse 14 miteinander verbunden, welche ihrerseits den Kupplungsflansch 2 umgibt und mit diesem kraftschlüssig verbunden ist. Die Hülse 14 ist auf den Kupplungsflansch 2 aufgeschrumpft, so dass sie die durch die Schraubenbolzen 6 auf sie ausgeübten axialen Kräfte durch Reibung auf den Kupplungsflansch 2 überträgt. Zur kraftschlüssigen Verbindung der Hülse 14 mit dem Kupplungsflansch 2 kann auch der mehrteilige Ring 15 vorgesehen sein, der in die Ausnehmungen 16, 17 der Teile 2 bzw. 14 eingreift.

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Zur Demontage der Kupplung können die Schrumpfverbindungen durch Erwärmung gelöst, die Hülse 14 in axialer Richtung verschoben und die. Teile des Ringes 15 entfernt werden.

Die kraftSchlussige Verbindung zwischen der Hülse 14 und dem Kupplungsflansch 2 kann auch eine Schweissverbindung sein, die zur Demontage der Kupplung ebenfalls gelöst werden müsste»

Nachstehend wird die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform der Kupplung nach der Erfindung mit einer bekannten, in der CH-PS 335573 beschriebenen, gleichgrossen Kupplung in bezug auf die Drehmomentübertragungsfähigkeit verglichen. Der Aussendurchmesser des kleineren Flansches wurde in beiden Fällen als 0,950 πι und die zulässige Scherspannung als 780 kp/cm angenommen.

Kupplung nach der Erfindung

Anzahl der Scherelemente Durchmesser der Scherelemente Länge der Scherelemente

Scherfläche pro Scherelement 4,5 χ 10

Gesamtscherfläche 45 x 36 1620 cm²

36	,5 cm
4	cm
10	cm
45

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Radius des Scherelementkreises 0,475 m

Uebertragbares Drehmoment 1620 χ 78θ χ 0,475 = 600 χ lCp kpm

Bekannte Kupplung

Anzahl der Scherelemente 12

Aussendurchmesser der Scherelemente 15 cm Innendurchmesser der Scherelemente 8,6 cm

Scherfläche pro Scherelement -^- (15²-8,6²) 118,6 cm²

Gesamtscherfläche 12 χ 118,6 1423,5 cm²

Radius des Scherelementkreises 0,38 m

Uebertragbares Drehmoment 1423,5 x 780 χ 0,38 = 422 χ ΙΟ·⁵ kpm

Das Verhältnis der berechneten Drehmomente beträgt

_k - _ _lilf2> Dig Kupplung nach der Erfindung kann 422 χ 10·⁵

also ein Drehmoment übertragen, das 1,42 mal grosser ist, als dasjenige, das die bekannte Kupplung zu übertragen vermag.

Als wesentliche Vorteile der erfindungsgemässen Kupplung gelten die folgenden Merkmale:

a) die Scherelemente sind am grösstmöglichen Durchmesser angeordnet, so dass die grösstmögliche Drehmomentüber tragung erzielt werden kann;

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b) die Anzahl, der Durchmesser und die Länge der Scherelemente können zwischen verhältnismässig weiten Grenzen verändert und die Drehmomentübertagungsfähigkeit der Kupplung entsprechend gesteigert werden;

c) Die Turbinenwelle, die Generatorwelle und der kleinere Kupplungsflansch können im Durchmesser beliebig klein gewählt werden, und es ist sogar möglich, den kleine-

• ren Kupplungsflansch ganz wegzulassen, und den grösseren Kupplungsflansch unmittelbar mit der Generatorwelle, mit Hilfe von schräg verlaufenden Schraubenbolzen zu verbinden;

d) die Kupplung ist leicht montierbar und demontierbar, und, wenn die die Hülse aufweisende Ausführungsform zu montieren ist, muss kein Aufschrumpfen derselben an der Baustelle geschehen;

e) die Kupplung löst das spezielle Problem der Verbindung einer Turbine mit einem Generator einwandfrei, kann jedoch für eine Mannigfaltigkeit von anderen Zwecken verwendet werden.

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f) Die Konstruktion ist einfach, billig und betriebssicher und genügt den strengsten Anforderungen.

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Claims

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Patent ans prüc he

/l») Kupplung zur Verbindung des Wellenendes (21) einer Welle mit dem Wellenende (22) einer anderen Welle, insbesondere zur Verwendung bei Turbogeneratoren, mit einem mit dem einen Wellenende (21)starr verbundenen, grösseren Kupplungsflansch (1), einem mit dem anderen Wellenende (22) starr verbundenen, kleineren Kupplungsflansch (2) und mit zur Ausübung von'Druckkräften auf die Kupplungsflansche und zur Ueberträgung der im Betrieb auftretenden Drehmomente ausgebildeten Verbindungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Endabschnitt des kleineren Kupplungsflansches (2) in eine Bohrung (5) des grösseren Kupplungsflansches (1) eingreift, und dass die Verbindungsmittel eine Mehrzahl von in beide Kupplungsflansche eingreifenden, achsparallelen Scherelementen (3) aufweisen, deren Längsachsen (4) sich an einer zylindrischen Fläche befinden, deren Durchmesser mindestens annähernd dem Durchmesser der Bohrung (5) entspricht und eine Mehrzahl von Schraubenbolzen (6; 6^r), deren Achsen (7) mit der Kupplungsachse (8) Winkel (9) bilden, die zwischen 0° und 35° liegen.

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2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherelemente (3) Stifte sind, die in Bohrungshälften (10, 11) der beiden Kupplungsflansche (1 bzw. 2) angeordnet sind.
3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Scherelemente (3) eine geringere Festigkeit besitzt als die Materialien der Kupplungsflansche (1, 2), damit bei einer Ueberlastung der Kupplung nicht die Kupplungsflansche (1, 2), sondern die Scherelemente (3) beschädigt werden.
4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bodenfläche (12) der Bohrung (5) des grösseren Kupplungsflansches (1) und der diese berührenden Stirnfläche (13) des kleineren Kupplungsflansches (2) zusätzliche axiale und/oder radiale Scherelemente (23) vorgesehen sind.
5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel eine Hülse (l4) aufweisen, die den kleineren Kupplungsflansch (2) umgibt und mit diesem kraftschlüssig verbunden ist.

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6. Kupplung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Hülse (I¹J) und dem kleineren Kupplungsflansch (2) eine Schrumpfverbindung ist.
7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Hülse (I¹O und dem kleineren Kupplungsflansch (2) angeordneter mehrteiliger Ring (15) in Ausnehmungen (16, 17) der beiden genannten Teile (2 bzw. eingreift.
8. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Hülse (14) und dem kleineren Kupplungsflansch (2) eine Schweissverbindung ist.
9. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenbolzen (6) in miteinander fluchtenden Bohrungen (18, 19) der beiden Kupplungsflansche (1 bzw. 2) angeordnet sind und die letzteren miteinander starr verbinden.
10. Kupplung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenbolzen (6¹) in miteinander fluchtenden Bohrungen (18, 20) des grösseren Kupplungsflansches (1)

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bzw. der Hülse (14) angeordnet sind und den Kupplungsflansch (1) mit der Hülse (14) starr verbinden.

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