DE2714209A1

DE2714209A1 - Rotor-wellen-anordnung

Info

Publication number: DE2714209A1
Application number: DE19772714209
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Ochiai; Masato Sakai; Syogo Shimizu
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1977-10-20
Also published as: DE2714209C3; JPS52118108A; DE2714209B2; US4123199A; JPS5924242B2

Description

Henkel, Kern, Feiler Cr Hänzel Patentanwälte

Ä 27U209

Möhlstraße 37 TOKYO SHIBAURA D-8000 München 80

ELECTRIC CO., LTD. Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld

Telegramme: ellipsoid

3 0. Harz 1977

Rotor-We11 en-Anordnung

Ke/Bl/wk

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Die Erfindung betrifft eine aus Rotor bzw. Läufer und (felle bestehende Anordnung, insbesondere für eine Gasturbine .

Gasturbinen werden derzeit verbreitet auf zahlreichen Gebieten als Wärmekraftmaschinen eingesetzt. Als Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Gasturbinen ist die Verwendung von Keramikmaterialien hoher Wärmebeständigkeit und hoher mechanischer Festigkeit zur Herstellung des Turbinenrotors vorgesehen. Beispielsweise ist in jüngster Zeit ein Turbinenrotor aus gesintertem Siliziumnitrid entwickelt worden, der für Gasturbinen von Kraftfahrzeugen und auf anderen Gebieten der Industrie verwendet wird.

Ein Turbinenrotor ist mit einer Welle verbunden, mit der er im Betrieb der Gasturbine mit hoher Drehzahl umläuft. Ein Keramik-Turbinenrotor soll einen Betrieb der Turbine bei hohen Temperaturen ermöglichen. Im allgemeinen sind die Umfangsrandabschnitte des Keramik-Turbinenrotors so hohen Temperaturen ausgesetzt, denen ein gewöhnliches warmfestes Metall nicht zu widerstehen vermag, beispielsweise einer Temperatur von 12oo C. Der Mittelteil des Rotors wird jedoch nicht so stark erhitzt, so daß der Keramik-Turbinenrotor unmittelbar mit einer Metallwelle verbunden werden kann .

Über ein sich derzeit in der Entwicklung befindendes, interessantes Verfahren zur Verbindung eines aus Keramik

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bestehenden Turbinenrotors mit einer aus Metall bestehenden Welle wird auf Seite 24 des Buches "Ceramic for High Performance Applications", 1974, berichtet. Insbesondere wird in diesem Buch über den Versuch berichtet, diese beiden Teile mittels einer sog. "gekrümmten bzw. Bogenkupplung" (curvic coupling) miteinander zu verbinden. Eine solche Kupplung besteht aus einer Stirnflächenkeilverzahnung, die eine besondere, mit hoher Präzision erfolgende maschinelle bzw. spanabhebende Bearbeitung erforderlich macht.

Es empfiehlt sich jedoch nicht, eine solche Bearbeitung bei einem Keramikrotor vorzunehmen, weil die spanabhebende Bearbeitung von Keramikmaterialien im Vergleich zu Metallen äußerst schwierig ist. Im Fall von Fertigungsfehlern konzentriert sich zudem die Beanspruchung bei der Drehbewegung des Rotors am fehlerhaft bearbeiteten Abschnitt, was zu einem Bruch des Rotors führen kann. Außerdem kann der Rotor selbst aufgrund von Fertigungsfehlern unbrauchbar werden, was zu einer hohen Ausschußrate bei der Rotorherstellung führt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Rotor-Wellen-Anordnung, bei welcher ein Keramikturbinenrotor bzw. -läufer ohne spanabhebende Bearbeitung am Keramikrotor oder mit nur einem Mindestmaß an spanabhebender Bearbeitung mit einer aus Metall bestehenden Welle verbindbar ist.

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Diese Aufgabe wird bei einer Rotor-Wellen-Anordnung erfindungsgemäß gelöst durch einen aus Keramikmaterial bestehenden Turbinenrotor, durch ein säulenförmiges bzw. zylindrisches Verbindungsglied aus Metall mit zwei Enden bzw. Stirnflächen, von denen die erste Stirnfläche koaxial mit dem Keramik-Turbinenrotor verbunden ist, und durch eine aus Metall bestehende Welle, die mittels eines gegenseitigen Eingriffs zwischen an den Enden bzw. Stirnflächen von Verbindungsglied und Metallwelle vorgesehenen Zähnen koaxial mit der zweiten Stirnfläche des Verbindungsglieds verbunden ist.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Rotor-Wellen-Anordnung mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teildarstellung eines Abschnitts von Fig. 1

Fig. 1 zeigt eine Rotor-Wellen-Anordnung Io gemäß der Erfindung. Die Anordnung Io besteht ersichtlicherweise aus einem zweistufigen Turbinenrotor, bei welchem sowohl die erste Rotorstufe 11 als auch die zweite Rotorstufe 12 jeweils aus einer Keramikscheibe bestehen. Vom

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Mittelteil cbr Rotorstufe 11 ragen kegelstumpfförmige Abschnitte 13,13 waagerecht in entgegengesetzte Richtungen. Auf ähnliche Weise stehen vom Mittelteil der Rotorstufe 12 kegelstumpfförmige Abschnitte 14,14 ab. Diese kegelstumpfförmigen Abschnitte sind dabei koaxial zu den Rotorstufen ausgebildet. Ein Turbinenrotor dieser Art kann durch Sintern von pulverförmigen Keramikmaterialien, wie Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, hergestellt werden, wobei sich das Sintern einfach, z.B. durch Warmpressen, durchführen läßt. Zur Herstellung des Turbinenrotors kann auch ein Material der Zusammensetzung ^si_Ä Al ^N _a ° (O^Z·^ 4,2)

O * Z Z ο""" Z Z ⁼

benutzt werden (SIALON-Turbinenrotor). Ein solcher Turbinenrotor kann in der Weise hergestellt werden, daß ein Gemisch aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid bei einer Temperatur

im Bereich von 12oo - 2ooo C verpreßt wird.

Die zweite Rotorstufe 12 ist mitteIs eines Verbindungsglieds 15 koaxial mit einer Welle 16 aus einem warmfesten Metall oder einer Metallegierung, z.B. Chrom-Molybdänstahl oder Inconel-Legierung (Zusammen setzung : Cr 11 - 15 %; Ni 7" 7o%, Mn < 1, ο %; Fe<Cl,o%; Si^o,5%; C<Zo_t15%), verbunden. Das Verbindungsglied 15 ist ein zylindrischer oder säulenförmiger Körper aus einem warmfesten Metall, ähnlich demjenigen der Welle 16.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist in der einen Stirnfläche des Verbindungsglieds 15 eine Nut bzw. Ausnehmung 17 vorgesehen, welche dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 14 der Rotorstufe 12 angepaßt ist.

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Diese Anpassung erfolgt im allgemeinen in der Weise, daß der Kegelstumpfabschnitt 14 unter Druck in die Ausnehmung 17 eingesetzt wird. Zweckmäßigerweise wird bei diesem Vorgang das sog. "Warmeinpressen" (thermal insertion) angewandt, weil sich die dabei erzielte Passung im Betrieb der Turbine nicht löst. Anderenfalls könnte eine Trennung unter dem Einfluß der im Betrieb auf die Verbindung einwirkenden Wärme wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten von Verbindungsglied 15 und Rotorstufe 12 auftreten. Beim "Warmeinpressen" wird das Verbindungsglied 15 auf eine Temperatur erwärmt, die bei oder etwas über der Temperatur liegt, welcher das Verbindungsglied im Betrieb der Turbine unterworfen ist. Sodann wird der Kegelstumpfabschnitt 14 gewaltsam in die Ausnehmung 17 des erhitzten Verbindungsglieds hineingedrückt, und anschließend wird die Anordnung abgekühlt.

Verbindungsglied 15 und Welle 16 sind durch eine Zahnkupplung, z.B. die sog. Bogenkupplung (curvic coupling), miteinander verbunden. Bekanntlich 1st eine solche Kupplung eine Stirnflächenkeilverzahnung unter Verwendung verzahnter Verbindungsglieder mit an ihrer Stirnfläche auf Umfangsabstände verteilten Zähnen, die - senkrecht zur Kupplungsachse gesehen - eine charakteristisch gekrümmte Form besitzen. Diese Krümmung rührt davon her, daß diese Bauteile mit einem Stirnfräser' oder einer Topfschleifscheibe ausgearbeitet werden. Ein Element wird mit der Außenkante des Fräsers bzw. der Schleifscheibe bearbeitet, so daß ein konkaver bzw. eingeschürter (eieruhrförmiger") Zahn gebildet wird.

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Das Gegenelement wird üblicherweise mit der Innenkante geschnitten oder geschliffen, so daß ein konvexer bzw. tonnenförmiger Zahn gebildet wird. Der Radius des Fräsers bzw. der Schleifscheibe wird so gewählt, daß der Zahn je nach Wunsch entweder über seine gesamte Zahnbreite oder nur über einen Teil der Zahnbreite "trägt".

Wie eingangs erwähnt, empfiehlt es sich nicht, eine derart komplizierte Präzisionsbearbeitung auf den Keramikrotor anzuwenden. Erfindungsgemäß wird diese Präzisionsbearbeitung jedoch bei dem zwischen Keramikrotor und Metallwelle angeordneten Metall-Verbindungsglied angewandt. Es ist darauf hinzuweisen, daß Turbinenrotoren nach der Fertigung weiterer spanabhebender Bearbeitung unterworfen werden, um bei ihrer Drehung einen guten Auswuchtzustand zu gewährleisten. Die erfindungsgemäße Rotor-Wellen—Anordnung ist in dieser Beziehung gleichfalls vorteilhaft, weil die Zerspannung für Auswuchtzwecke ebenfalls an dem aus Metall bestehenden Verbindungsglied erfolgen kann, nicht aber an dem aus Keramik bestehenden Rotor durchgeführt zu werden braucht.

Gemäß Fig. 1 sind dem Metall-Verbindungsglied 15 ähnelnde Verbindungsglieder 18, 19 zwischen den beiden Rotorstufen 11 und 12 angeordnet. Die Rotorstufen 11 und 12 sind dabei mittels der Bogenkupplung (curvic coupling) der Verbindungsglieder 18 und 19 miteinander verbunden. Außerdem ist die Anordnung mittels eines auf der gemeinsamen Achse der Rotoren 11, 12 und der Welle 16 angeordneten Spannbolzens 2o verspannt.

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Wie vorstehend im einzelnen erläutert, weist die erfindungsgemäße Rotor-Wellen-Anordnung ein aus Metall bestehendes, zwischen dem Keramikrotor und der Metallwelle angeordnetes Verbindungsglied auf, durch welches es möglich wird, den aus Keramikmaterial hergestellten Rotor ohne maschinelle oder spanabhebende Bearbeitung mit der Welle zu verbinden. Im Hinblick auf die Schwierigkeiten und die Unvorteilhaftigkeit einer spanabhebenden Bearbeitung des Keramikrotors bietet die Erfindung damit bedeutsame Vorteile bei der Fertigung einer Rotor-Wellen-Anordnung der beschriebenen Art.

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Claims

ELECTRIC CO., LTD. Patentansprüche

1.\Rotor-Wellen-Anordnung, insbesondere für Gasturbinen, gekennzeichnet durch einen aus Keramikmaterial bestehenden Turbinenrotor (11, 12), durch ein säulenförmiges bzw. zylindrisches Verbindungsglied (15) aus Metall mit zwei Enden bzw. Stirnflächen, von denen die erste Stirnfläche koaxial mit dem Keramik-Turbinenrotor verbunden ist, und durch eine aus Metall bestehende Welle (16), die mittels eines gegenseitigen Eingriffs zwischen an den Enden bzw. Stirnflächen von Veüindungsglied und Metallwelle vorgesehenen Zähnen koaxial mit der zweiten Stirnfläche des Verbindungsglieds verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramik-Turbinenrotor einen einstückig und koaxial ausgebildeten Ansatz (14) aufweist, welcher mit der ersten Stirnfläche des Verbindungsglieds verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz des Turbinenrotors eine Kegelstumpfform besitzt.

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4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stirnfläche des Verbindungsglieds mit einer Ausnehmung (17) versehen ist und daß der kegelstumpfförmige Ansatz des Turbinenrotors durch "Warmeinpressen" (thermal insertion) mit der Ausnehmung verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrotor aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder SIALON hergestellt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dad u r c h gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied und Welle jeweils aus einem wärmebeständigen bzw. warmfesten Metall hergestellt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das warmfeste Metall ein Chrommolybdänstahl ist.

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