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Verbindungselement
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement zwischen
zwei rotierenden Maschinen, insbesondere zwischen Turbine und Generator zur Uebertragung
des Normalmomentes und Kurzschlussmoment-Vielfachen, bestehend aus zwei Kupplungshälften.
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Das starre Verbinden von mehreren Rotoren, beispielsweise eines Turbinenrotors
mit einem Rotor eines Generators geschieht üblicherweise durch die Anordnung einer
starren Kupplung zwischen diesen beiden Maschinenteilen, wobei an die als Kupplungen
ausgebildeten Verbindungselemente hohe Ansprüche gestellt werden, insbesondere deshalb,
weil die Kupplung sowohl das Normal-Drehmoment, wie auch Pendel-und Kurzschlussmomente
übertragen und wobei gleichzeitig jedes der beiden Wellenteile genau zentrieren
muss und so ausgelegt sein muss, dass die Achsen genau fluchten. Die
Zentrierwirkung
des Verbindungselementes wird noch durch grosse umlaufende Querkräfte, die konstante
Querkraft aufgrund des Eigengewichtes, sowie durch Axialzug-, Druck- und Biegekräfte
beeinflusst.
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Bei der Verbindung von Turbinen- und Generatorrotoren muss weiterhin
noch zwischen Gruppen mit mehreren Rotoren, bei welchen beispielsweise ein Rotor
an einem Ende mit einem Lager und am anderen Ende über eine Kupplung auf das Lager
des nächsten Rotors abgestützt ist, und zwischen zweilagerigen Rotoren unterschieden
werden, bei welchen beidseits der Kupplung je ein Lager vorgesehen ist. Bei den
genannten ersten Gruppen resultieren die auf die Kupplung einwirkenden Kräfte vorwiegend
aus radial verschobenen oder achsenmässig nicht-fluchtenden Kupplungsteilen, wobei
diese Kräfte durch entsprechende Korrekturen mittels Auswuchtgewichten teilweise
kompensiert werden können. Bei den zweilagerigen Gruppen wird eine radiale Kupplungsversetzung
zu einem "Kurbeln" beider Lagerstellen führen. Dies kann durch Auswuchten nicht
mehr behoben werden. Bei einer derartigen Konstruktion tritt durch Ausrichtfehler,
Fundamentänderungen und Wärmedehnungen eine ungleiche Belastung beider Lager auf.
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Ferner ist bei der Verbindung einer Turbine grosser Leistung mit einem
entsprechenden Generator zu beachten, dass der Aussendurchmesser der Kupplung kleiner
sein muss als
der Innendurchmesser des Kappenrings des Generators,
wodurch sich von vornherein konstruktive Begrenzungen in der Kupplungsauslegung
ergeben.
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Die bekannten Flanschkupplungen wurden bislang als sogenannte Reibschlusskupplungen
ausgelegt, bei welchen das normale Drehmoment, bzw. ein Bruchteil dessen durch Flanschreibung
übertragen wird und die Kurzschluss-Vielfachen durch Scherung der Kupplungsbolzen,
Scherhülsen und/oder Querkeile aufgenommen wurden. Als zylindrische oder leicht
konische Passbolzen ausgebildete Kupplungsbolzen gewährleisten zwar eine genaue
Zentrierung, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nach dem Anscheren, beispielsweise
infolge eines Kurzschlusses, schwer zu demontieren sind.
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Dies wurde bei den bekannten Kupplungen teilweise dadurch vermieden,
dass eine Passungs-Hohlkehle oder hartes Bolzenmaterial verwendet wurde, bzw. dass
die Kupplungsbolzen schräg zur Achse eingesetzt wurden, wobei gleichzeitig der Aussendurchmesser
des Kupplungsflansches verkleinert werden sollte.
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Weiterhin sind sogenannte Schrumpfkupplungen bekannt, welche jedoch
den Nachteil aufweisen, dass bei Drehmomentschwankungen immer ein Teil der Wellenlänge
in der Kupplung am Umfang rutschen muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbindungselement
als Kupplung zwischen zwei rotierenden Maschinen zu schaffen, welches einen möglichst
geringen Aussendurchmesser aufweist, welches leicht montiert, demontiert und ausgewuchtet
werden kann und welches einen genauen, unveränderlichen Rundlauf aufweist und ein
Wellenrutschen in der Kupplung verhindert.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
jede Kupplungshälfte aus einer Kombination einer Schrumpfkupplung zur Uebernahme
von Zentrierfunktionen und Reibschlussübertragung des Normalmomentes, sowie einem
formschlüssigen Verzahnungsteil zur Uebertragung der Kurzschlussmoment-Vielfachen,
sowie einer Axialsicherung besteht, und beide Kupplungshälften durch einen Flansch
mit Kupplungsbolzen verbunden sind.
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Der Vorteil der erfindungsgemässen Ausbildung eines Verbindungselementes
ist insbesondere darin zu erblicken, dass jede Kupplungshälfte, d.h. die Wellenenden
der Rotoren als Schrumpfkupplung ausgebildet sind, wobei die Kupplungshülse auf
die leicht konischen Wellenenden beider Rotoren aufgeschrumpft, bzw. mittels eines
an sich bekannten Druckölverbandes aufgebracht werden können, wodurch die Wellen
genau zentriert werden und der Schrumpfkupplungsteil die Zentrierfunktionen und
die Reibschlussübertragung des
Normalmomentes übernimmt, während
der Verzahnungsteil, welcher zwischen dem Ende der Hülse und der Welle angeordnet
ist, die Uebertragung der Kurzschlussmoment-Vielfachen aufnimmt. Durch den Axialsicherungsring
werden die Wellenenden gegen Herausrutschen gesichert. Vorteilhafterweise ist der
konische Schrumpfsitz so ausgebildet, dass die Welle zum Ausrichten aufgesteckt
werden kann und dass in der Endlage der volle Schrumpfsitz erreicht wird, wobei
der Konus zwischen 1 : 150 bis 1 : 1000 betragen kann.
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Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausbdildung des Erfindungsgegenstandes
ist generatorseitig eine Kupplungshälfte angeordnet und antriebsseitig eine einteilige
Wellen-/ Flanschverbindung mit Kupplungsbolzen vorgesehen.
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Ferner ist es möglich, dass eine aus Schrumpfkupplungen und Verzahnungsteilen
gebildete gemeinsame Kupplungshülse beide Wellenenden der Turbine und des Generators
miteinander verbindet.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
vereinfacht dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Verbindungselement, bestehend aus Schrumpfkupplung,
Verzahnungsteil mit Axialsicherungsring
und Kupplungsflansch mit
Kupplungsbolzen, Fig. 2 ein aus einer Kupplungshälfte bestehendes Verbindungselement,
Fig. 3 ein aus Schrumpfkupplungen und Verzahnungsteilen gebildetes gemeinsames Verbindungselement
beider Wellenenden.
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Gemäss Fig. 1 ist mit 1 eine Rotorwelle eines Generators bezeichnet,
deren vorderes Ende als konischer Schrumpfsitz 2 ausgebildet ist. Dem konischen
Schrumpfsitz 2 ist eine Kupplungshulse 3 aufgeschrumpft bzw. durch einen an sich
bekannten Druckölverband aufgezogen. Zum Anschluss an eine (nicht dargestellte)
Druckquelle sind in der Kupplungshülse 3 Druckölanschlusse 4 vorgesehen. In den
Kupplungshülsen 3, 3' ist eine Zentrierung 5 angeordnet. Die Kupplungshülse 3 ist
weiterhin mit einem Flansch 6 versehen, in welchen Bohrungen 7 zur Aufnahme von
(nicht dargestellten) Kupplungsbolzen angeordnet sind. Die Kupplungshülse 3 weist
weiterhin an ihrem, dem Generatorrotor zugekehrten Ende eine Innenverzahnung 8 auf,
in welche eine Aussenverzahnung 9 eines Verzahnungsteiles 10 eingreift.
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Zur Sicherung des Verzahnungsteiles 10 ist ein Axialsicherungsring
11, welcher als Sprengring oder als zusammengesetzter Ring ausgebildet sein kann,
vorgesehen. Eine Turbinenwelle 12 ist in axialer Richtung fluchtend zur Rotorwelle
1 angeordnet, welche ebenfalls einen konischen
Schrumpfsitz 2'
aufweist und von einer Kupplungshulse 3' analog zur Kupplungshälfte der Generatorseite
Uberdeckt ist. Die Kupplungshülse 3' weist ebenfalls Druckölanschlüsse 4', einen
Flansch 6' mit Bohrungen 7', eine Innenverzahnung 8' sowie ein Verzahnungsteil 10'
mit Aussenverzahnung 9' auf. Weiterhin ist eine Zentrierung 13 vorgesehen. Der Verzahnungsteil
10' wird auch turbinenseitig durch einen Axialsicherungsring 11' gesichert.
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In der Fig. 2 ist das Ende der Turbinenwelle 12 als einteilige Wellen-/Flanschverbindung
mit dem Flansch 6' und den Bohrungen 7' zur Aufnahme von Kupplungsbolzen ausgebildet,
während die Rotorwelle 1 des Generators analog zur Fig. 1 die Kupplungshülse 3 mit
den Druckölanschlüssen 4, der Zentrierung 13, der Innenverzahnung 8 und der darin
eingreifenden Ausssenverzahnung 9 des Verzahnungsteiles 10 und dem Axialsicherungsring
11 versehen ist.
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In der Fig. 3 ist sowohl das Ende der Rotorwelle 1 des Generators
als auch das Ende der Turbinenwelle 12 mit je einem konischen Schrumpfsitz 2 und
2' versehen, welche von einer gemeinsamen Kupplungshülse 3 mit Druckölanschlüssen
4 überdeckt sind. Die gemeinsame Kupplungshülse 3 ist auf die als Schrumpfsitz ausgebildeten
Wellenenden 1 und 12 aufgeschrumpft, bzw. durch einen Druckölverband auf die Wellenenden
aufgeschoben, wobei die Innenver-
zahnungen 8, 8' in die jeweiligen
Aussenverzahnungen 9, 9' der beiden Verzahnungsteile 10, 10' eingreifen. Die Verzahnungsteile
10, 10' sind wiederum durch Axialsicherungsringe 11, 11' gesichert.
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Durch die erfindungsgemässe Ausbildung eines Verbindungselementes
wird auf einfache Weise gewährleistet, dass beispielsweise Turbinen- und Generatorwelle
genau zueinander zentriert werden können und dass der Aussendurchmesser der Aussenverzahnung
kleiner ist als der Innendurchmesser des Kappenringes.