DE2848355C2 - Wellen-Naben-Verbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellen-Naben-Verbindung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrie- ben ist.

Die drehfeste Befestigung eines Rades auf einer Welle und dessen Zentrierung sind bereits auf sehr verschiedene Weise gelöst worden. Probleme ergeben

sich dabei insbesondere dann, wenn die Nabe aus einem anderen Material besteht als die Welle und wenn infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung und/oder unterschiedlicher Verformung aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte unterschiedliche Verformungen von

to Nabe und Welle auftreten, denn diese führen unter Umständen zu einer Zerstörung der Wellen-Naben-Verbindung.

Bei einer bekannten Wellen-Naben-Verbindung weist die Welle eine Anzahl radial abstehender Stege auf, die

H in entsprechende Nuten einer Nabe eingreifen. Dabei sind die von der Welle abstehenden Stege geringfügig breiter ausgebildet als die Nuten. Welle und Nabe werden durch Pressung miteinander verbunden, wobei sich die radial abstehenden Stege der Welle in die etwas

><> weniger breiten Nuten einschneiden. Die Zentrierung beider Teile ergibt sich durch die Pressung, die Welle und Nabe längs der Flanken der radial abstehenden Stege bzw. der entsprechenden Nuten erfahren. Ein Ausgleich.für unterschiedliche Verformungen, die sich

>·> aufgrund von Fliehkräften ergeben, ist hier nicht vorgesehen (US-PS 35 77 795).

Bei einer anderen, ähnlich aufgebauten Wellen-Naben-Verbindung sirki Nuten und Vorsprünge schwalbenschwanzförmig ausgeführt, so daß die Nabe in

jo radialer Richtung gegen die Welle gezogen wird. Eine Relativverschieblichkeit ist nicht vorgesehen. Bei dieser Konstruktion werden erhebliche nach innen gerichtete Radialzugkräfie auf die Nabe ausgeübt, die bei speziellen Ausgestaltungen der Nabe die Nabe zerstö-

Ji ren könnten (DE-PS 5 98 445). Bei einer ähnlich aufgebauten Wellen-Naben-Verbindung ist die Nabe fest gegen die Welle gepreßt. Vorsprünge an der Nabe sind in entsprechende Nuten der Welle eingepreßt, so daß die Flanken kraftschlüssig aneinander liegen. Eine Relativverschiebung in radieler Rv.h'ung ist auch bei dieser Wellen-Naben-Verbindung nicht möglich (DE-PS 6 07 274).

Aufgrund der Drehung der Nabe ist diese längs ihres Radius unterschiedlichen Zugspannungen ausgesetzt, im

4> achsnahen Bereich ergeben sich größere Zugspannungen als im achsfernen Bereich. Dies führt insbesondere dann zu konstruktiven Problemen, wenn Naben verwendet werden, die nur in geringem Maße auf Zug beanspruchbar sind

V) Beim Bau von Hochtemperaturturbinen beispielsweise ist man dazu übergegangen, die Turbinenräder aus einem keramischen Werkstoff herzustellen, der sehr temperaturbeständig ist und daher den Betrieb bei außergewöhnlich hohen Gastemperaturen ermöglicht.

« Andererseits zeigen keramische Werkstoffe nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Zugbelastung, während ihre Druckbelastbarkeit beträchtlich ist. Man hat aus diesem Grunde derartige Turbinenräder mit einer äußerst zugfähigen Bandage umgeben, die das

bo Turbinenrad im Ruhezustand unter eine radial nach innen gerichtete Spannung versetzt,

Bei der drehfesten Befestigung eines keramischen Turbinenrades an einer Welle, beispielsweise an einer Welle aus Stahl, hat man das Turbinenrad im achsnahen

t>5 Bereich wesentlich stärker ausgebildet als im achsfernen Bereich, so daß durch die Verdickung des Turbinenradfußes eine höhere Zugbelastbarkeit möglich wurde. Solche Konstruktionen sind beispielsweise aus der

DE-OS 24 60 739 und aus den folgenden Literaturstellen bekannt: '

a) Walzer, P. u.a.:

Entwicklung eines Turbinenlaufrads aus Siliziumnitrit

Z. Werkstofftechnik 3,294 bis 299 (1977) und

b) NichoUs,P. F,Paluszny,A.:

Techniques for Design of Small Ceramic Turbine Rotor, In: Burke/Gorum/Katz: »Ceraiaics for High Performance Applications«, Proc. 2nd Army Materials Technology Conf. Hyannis (Mass.) 1973; Brook Hill Pub. Co, Chestnut HiU (Mass.) 1974.

Es ist auch bereits bekannt, ein Turbinenrad aus einem keramischen Werkstoff aus einzelnen Ssktorsegmenten aufzubauen (Deutsches Paient 25 07 512). Bei einer derartigen Konstruktion ist es noch schwieriger, fliehkraftbedingte Umfangsspannungen im Scheibenbereich aufzunehmen.

Der Erfindung liegt die. Aufgabe zugrunde, eine Wellen-Naben-Verbindung der eingangs beschriebenen Art, insbesondere die Verbindung eines ^eheibenformigen Turbinenrades mit einer Turbinemvelle, derart auszubilden, daß ohne zusätzliche Vergrößerungen des Turbinenrades eine drehfeste und zentrische Lagerung des Turbinenrades auf der Welle erreicht wird, die auch bei hohen Temperaturen und bei hohen Drehgeschwindigkeiten einen zerstörungsfreien Betrieb der Einheit gewährleistet JO

Diese Aufgabe wird bei einer Wellen-NabenrVerbindung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst

Durch die federnde Anlage der Stege der Zentrierelemente an der Innenwand der Scheibe ergibt sich unabhängig von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Scheibe und der Welle sowie unabhängig von mechanischen Verformungen aufgrund der bei hohen Drehgeschwindigkeiten auftretenden Fliehkräfte to eine einwandfreie Zentrierung des Turbinenrades auf der Welle. Weiterhin ermöglichen die radial abstehenden Laschen eine formschlüssige Drehverbindung, wobei die Scheibe in radialer Richtung gegenüber diesen Laschen verschieben ist Auch hier sind daher unterschiedliche mechanische Verformungen bei hohen Temperaturen und bei hohen Drehgeschwindig;keiten nicht störend.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand de? Unteransprüche. "> <>

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfühmngsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische, schematische Explosionsdarstellung einer Wellen-Scheiben-Verbindung;

Fig.2 eine axiale Teilschnittansicht einer Wellen-Scheiben-Verbindung ähnlich der der F i g. 1;

Fig.3 eine Schnittansicht einer Wellen-Schieiben-Verbindung in einer parallel zur Scheibe verlaufenden Ebene und

Fig.4 eine Teillängsschnittansicht eines winteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Wellen-Scheiben-Verbindung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Verbindung eines Turbinenrades aus keramischem Werkstoff und einer Welle aus Stahl beschrieben, jedoch wird darauf hingewiesen, daß die neue Wellen-Naben-Verbindung nicht auf diesen Einsatzzweck beschränkt ist, sondern grundsätzlich auch bei anderen Wellen-Naben-Verbindungen verwendbar ist

Mit einer Welle 1, die beispielsweise aus Stahl besteht, ist im Verbindungsbereich eine Anzahl von radial nach außen stehenden Laschen 2 drehfest verbunden, entweder in der in F i g. 3 dargestellten Weise durch unmittelbare Befestigung an der Welle oder in der aus der F i g. 1 und 4 ersichtlichen Weise durch Aufschieben einer Hülse 3 auf die Welle 1 und durch drehfeste Verbindung der beiden Teile, wobei die Hülse 3 die radial nach außen ragenden Laschen 2 trägt

Die radial nach außen stehenden Laschen 2 greifen mit ihren freien Enden in deF aus Fig.3 ersichtlichen Weise in Schlitze 4 zwischen Kreissegmenten 5, die insgesamt ein Turbinenrad 6 aufbauen. In ihrem achsnahen Bereich liegen die Kreissegmente mit ihrer Innenwand an parallel zur Welle 1 verlaufenden Stegen 7,7a an, die an einer kreisförmigen Stirnfläche 8 bzw. 8a befestigt sind. Die Stirnflächen 8 und 8a weisen zentrale Durchgangsbohrungen 9 bzw. 9a mit einer lichten Weite auf, die geringfügig über dem /,ußendurchmesser der Welle 1 liegt Die aus den Stirnf iichen 8 und Sa sowie den Stegen 7 bzw. 7a bestehenden Baueinheiten werden im folgenden als Zentrierglocken 10 bzw. 10a bezeichnet Sie sind von beiden Seiten des Befestigungsbereichs derart auf die Welle 1 aufgeschoben, daß jeweils die Stege 7 und 7a der einen Zentrierglocke 10 bzw. 10a. in Ausnehmungen 11a bzw. 11 der anderen Zentrierglocke 10a bzw. 10 eingreifen.

Die Zentriergibeken 10 und lös werden in dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels auf die Welle aufgeschobener Anpreßflansche 12 bzw. 12a von"beiden Seiten gegen die Stirnfläche der Hülse 3 gepreßt'Dazu liegt der Anpreßflansch 12a mit seinem Schaft 13 an einem mit der Welle 1 verbundenen Anschlag 13a an, während eine Mutter 14, die auf ein Außengewinde 15 der Welle 1 aufgeschraubt ist, den Anpreßflansch 12 gegen den Anpreßflansch 12a drückt. Auf diese Weise ergibt sich eine Sicherung der Zentrierglocken gegen axiale Verschiebungen.

Die Sektoren sind von einem Keramikring 16 umgeben. Der Aufbau des Turbinenrades ist in Fig.3 nur teilweise dargestellt; wie man erkennt, schließen sich an den Keramikring 16 schematich dargestellte Turbinenschaufel 17 an, die von einer nicht dargestellten Schrumpfbandage umfangen sein können.

Zur axialen Festlegung des Turbinenrades weisen die Anpreßflansche 12 und 12a an ihrer dem Turbinenrad zugewandten Seite außerhalb der Zentrierglocken Ringnuten 18 bzw. 18a auf, in denen ein elastisch zusammendrückbares Material 19 bzw. 19a angeordnet ist, das einerseits am Boden der Ringnut und andererseits an dem Turbinenrad anliegt Dieses Material kann beispielsweise ein Drahtgeflecht sein. Es ermöglicht eine Verschiebung des Turbinenrades gegenüber dsn Anpreßflanschen 12 und 12a in radialer Richtung.

Die Kreissegmente des Turbinenrades bestehen vorzugswehe aus einem keramischen Werkstoff.

Die beider, Zentrierglocken bestehen aus einem elastischen, vorzugsweise metallischen Werkstoff. Die Stege 7 und 7a sind nur einseitig mit der entsprechenden Stirnfläche der Zentrierglocken verbunden, das andere Ende ist frei. Dadurch biegen sich die Stege bei einer Drehung der Welle und damit der Zentrierglocken federnd nach außen, so daß sie kraftschlüssig an der Innenwand des durch die Kreissegmente 5 gebildeten Turbinenrades 6 anliegen und dieses auch bei höheren

Drehzahlen sicher zentrieren. Dabei werden alle Relativverschiebungen des Turbinenrades und der Welle bzw. der Zentrierglocken, die sich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und unterschiedlicher Dehnbarkeit unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften ergeben, ausgeglichen.

Die Verwendung radialer, in radiale Schlitze 4 eingreifender Laschen 2 zur Übertragung der Drehbewegung ermöglicht es ferner, daß sich das Turbinenrad in radialer Richtung relativ zur Welle und den damit drehfest verbundenen Laschen bewegen kann, so daß auch hier unterschiedliche Ausdehnungen aus den oben beschriebenen Gründen nicht zu einer Zerstörung führen können. Das gleiche gilt für die axiale Fixierung des Turbinenrades mit Hilfe des elastischen Materials 18 und 18a.

Die beschriebene Wellen-Naben-Verbindung ist in einfachster Weise zu montieren, denn alle Teile werden einfach auf die Welle 1 aufgeschoben und anschließend mittels der Mutter 14 zusammengepreßt. Dadurch ergibt sich automatisch eine drehfeste, bei jeder Drehgeschwindigkeit einwandfrei zentrierte und in axialer Richtung definierte Lagerung des Turbinenrades auf der Welle, Wesentlich ist dabei die Tatsache, daß auf eine verstärkte Ausbildung des achsnahen Bereichs des Turbinenrades verzichtet werden kann, denn tatsächlich ist das Turbinenrad nicht als volle Scheibe ausgebildet, sondern als Ring, d. h. die Scheibe weist eine relativ große öffnung 20 im Achsbereich auf. Dadurch kann das Turbinenrad leichter sein, so daß die auftretenden Zugkräfte geringer sind. Außerdem ist die Herstellung wesentlich vereinfacht, denn bei herkömmlichen Turbinenrädern waren komplizierte Querschnittsverläufe notwendig, um dem Spannungsverlauf im Inneren der Turbinenräder zu entsprechen.

Das in F i g. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist im

wesentlichen ähnlich aufgebaut wie das anhand der F i g. 1 bis 3 beschriebene Ausführungsbeispiel, entsprechende Teile tragen daher die gleichen Bezugszeichen. Ein Unterschied besteht lediglich darin, daß die Zentrierglocken gleichzeitig auch die Funktion der Anpreßflansche übernommen haben, d. h. Anpreßflansche und Zentrierglocken sind einstückig ausgebildet. Dadurch isl eine weitere Vereinfachung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Verbindung erreichbar.

ίο Grundsätzlich ist es möglich, die Stege 7 und 7 a der Zentrierglocken nicht nur einseitig festzulegen, sondern die beiden Zentrierglocken in einem Stück in Form eines Käfigs auszubilden, der die beiden Stirnflächen verbindende Stege aufweist. Wesentlich ist nur, daß die Stege die Möglichkeit haben, sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft radial nach außen zu bewegen, so daß sie bei jeder Drehzahl unter einer elastischen Vorspannung an der Innenwand der Kreissegmente anliegen. Allerdings wird dies in der Regel durch eine Konstruktion mit einseitig freien Stegen vorteilhafter erreicht als mit einer käfigähnlichen Konstruktion.

Um die elastische Verformbarkeit der Stege zu gewährleisten ist es vorteilhaft, die Zentrierglocken aus einem duktilen Material herzustellen.

Das in den beschriebenen Ausführungsbeispielen dargestellte Turbinenrad besteht aus einer Anzahl von Kreissegmenten. Es ist auch möglich, ein einstückiges Turbinenrad zu verwenden, das entsprechende radiale Schlitze aufweist, die jedoch die einzelnen Bereiche des Turbinenrades nicht vollständig in Kreissegmente trennen.

Das elastische Material zwischen den Anpreßflanschen, das vorzugsweise aus einem hochwarmfesten, elastischen Stahldrahtgeflecht besteht, verhindert auch wirkungsvoll Schwingungen der Turbinenradsegmente.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wellen-Naben-Verbindung, insbesondere eines scheibenförmigen Turbinenrades auf einer Turbinenwelle, bei welcher die Scheibe eine zentrale öffnung aufweist, deren Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der Welle, und bei welcher drehfest mit der Welle verbundene, radial von dieser abstehende Mitnehmer vorgesehen sind, die in radiale, von der zentralen öffnung der Scheibe ausgehende Schlitze hineinragen, dadurch gek e η η ζ e i c h η e t, daß die Welle (1) ein Zentrierelement (10, 10a; 110, UOaJ trägt, welches im wesentlichen parallel zur Wellenachse verlaufende, an der Innenwand der zentralen öffnung (20) der Scheibe (6) anliegende Stege (7, 7a) aufweist, die unter der Wirkung der Fliehkraft federnd gegen die Innenwand anpreßbar sind, und daß die Mitnehmer als Laschen (2) ausgebildet sind, die gegenüber der Scheibe (6) in radialer Richtung frei verschiebtfch sind.

2. Verbindung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement zwei Zentrierglocken (10,10a; 110, UOa; umfaßt, die jeweils eine im wesentlichen senkrecht zur Wellenachse verlaufende Stirnfläche (8,8a) aufweisen, von welcher die Stege (7, Ta) ausgehen, daß die Stege (7,7aJ auf der der Stirnfläche (8,8a; gegenüberliegenden Seite frei enden und daß die beiden Zentrierglocken (10, 10a; 110, 110a; derart gegeneinander gerichtet angeordnet sind, daß die Stege (7, 7a; der einen Zentrierglock; (10 bzw. 10a; UO bzw. 110a; zwischen den Stegen (7a K^w. 7) der anderen Zentrierglocke (10a bzw. 10; J 10a bzw. 110) liegen.

3. Verbindung nach einem der·;* fisprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement (10, 10a; 110, UOa; aus einem duktilen Werkstoff besteht.

4. Verbindung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (6) in an sich bekannter Weise mittels zweier auf der Welle (1) angeordneter Anpreßorgane (12, 12a: 110,110a;gegen axiale Verschiebung gesichert ist.

5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anpreßorganen (12,12a; 110, 110a; und der Scheibe (6) in an sich bekannter Weise ein elastisch zusammendrückbares Material (19,19a; angeordnet ist.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch zusammendrückbare Material (19,19a;ein Stahldrahtgeflecht ist.

7. Verbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßorgane in an sich bekannter Weise als auf der Welle (1) axial verschiebliche Anpreßflansche (12, 12a; ausgebildet sind, die durch auf der Welle (1) angeordnete Spannelemente (13a, 14) gegeneinander verschiebbarsind.

8. Verbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement (10, 10a; durch die Anpreßorgane (12, 12a; gegen axiale Verschiebung gesichert ist.