DE3341141A1

DE3341141A1 - Wellenkupplung

Info

Publication number: DE3341141A1
Application number: DE19833341141
Authority: DE
Inventors: Max Baden Hartmann; Michel Nussbaumen Rollier
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1983-11-14
Publication date: 1985-05-23

Description

WELLENKUPPLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenkupplung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Bei starren Kupplungen kann beispielsweise bedingt durch Schaden fälle an der angetriebenen Maschine die Welle einen Torsionsbruch erleiden, wodurch die noch drehende Welle ausgelenkt und weggeschleudert werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wellenkupplung zu schaffen, bei welcher bei einem Torsionsbruch der Welle Folgeschäden durch die gebrochene Welle vermieden werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.
Durch die Anordnung der Sollbruchstelle, vorzugsweise an der Welle der angetriebenen Maschine vor dem Kupplungsflansch und die Anordnung des Führungselementes wird erreicht, dass bei einer Ueberbeanspruchung die Kupplung an einer vorbestimmten Stelle bricht. Das Führungselement verhindert ein Aus lenken der Welle und damit teuere Folgeschäden.
Im wesentlichen gibt es zwei Ausführungsvarianten des Erfindungsgegenstandes, und zwar eine mit Fangzapfen und eine mit Fangring.
Die in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichneten Ausführungsformen mit Fangzapfen sind konstruktiv einfach. Insbesondere die Ausbildung nach Anspruch 3 kommt mit einem Minimum zusätzlicher Teile aus und ist dann von Vorteil, wenn genügend Platz für eine axiale Montage vorhanden ist.
Bei der Ausbildung nach Anspruch 4 ist hingegen der Platzbedarf geringer und ermöglicht den nachträglichen Einbau, insbesondere wenn beide Maschinen nicht unmittelbar, sondern über eine Zwischenwelle gekoppelt sind.
Da das Zapfenende bis hinter die Sollbruchstelle reicht, wird bei einem Bruch der Wellenstummel durch dieses Zapfenende geführt und in der vorgegebenen Lage gehalten.
Dadurch wird verhindert, dass das gebrochene Wellenteil auslenkt.
Die in den Ansprüchen 5 bis 7 gekennzeichneten Ausführungsformen mit Fangring erfordern keine besonderen Wellenbohrungen. Der Fangring ist in vergleichsweise weiten Grenzen den an ihn gestellten Anforderungen dimensionierbar, da sein Aussendurchmesser den Kupplungsflansch-Durchmesser erreichen kann. Auch die Sollbruchstelle lässt sich unabhängig dimensionieren.
Die Ausbildung gemäss Anspruch 5 erbringt den Vorteil, dass durch die Anordnung der axial geteilten Büchse zwischen dem Fangring und der Welle keine grosse Passgenauigkeit für den Fangring erforderlich ist. Demgegenüber erübrigt sich bei der Anordnung des Wellenbundes (Anspruch 6) eine zusätzliche axial geteilte Büchse. Bei dieser Ausführungsform liegt der Fangring auf dem Wellenbund auf und überdeckt die Sollbruchstelle. Bei Verwendung einer Zwischenwelle zwischen Antriebsmaschine und angetriebener Maschine wird die Sollbruchstelle in der Zwischenwelle vorgesehen.
Diese beiden Ausführungsformen bieten sich insbesondere bei Anlagen mit der genannten Zwischenwelle mit Sollbruchstelle an. Bei einem Bruch der Zwischenwelle an der vorgesehenen Sollbruchstelle übernimmt der Fangring ebenfalls die Aufgabe, ein gefahrloses Auslaufen der Maschine zu gewährleisten und Folgeschäden zu vermeiden.
Ausserdem wird die Stillstandzeit der Anlage wesentlich verkürzt, da ein Einbau einer neuen Zwischenwelle ohne grossen Zeitaufwand möglich ist.
Die Herstellung des Fangringes, der aus demselben Material wie die Welle bzw. die Zwischenwelle besteht, erfolgt in folgenden Schritten: Vom Schmiederohling mit daran vorgesehenem Ringmaterial wird der Fangring in einer Drehoperation abgestochen. Das dabei verlorengegangene Material wird bei der Montage des Fangringes durch die axial geteilte Büchse in der Weise ausgeglichen, dass die Büchse zwischen den Fangring und die Welle eingesetzt wird, wobei die Sollbruchstelle an der Welle vollständig überdeckt wird.
Bei Wellen mit Wellenbund wird der Fangring vom Schmiederohling der Welle so abgestochen, dass dessen Innendurchmesser dem Durchmesser des Wellenbundes entspricht.
Dadurch wird ein passgenaues Aufliegen des Fangringes am Wellenbund erzielt.
Zur Erzielung der Notlaufeigenschaften an den Reibstellen gemäss dem Kennzeichen des Anspruchs 8 werden verschiedene Materialpaarungen vorgesehen. So hat es sich beispielsweise bei der Ausbildung mit Fangzapfen als vorteilhaft erwiesen, die Aussenoberfläche der Lauffläche des Fangzapfens mit einer Kupferlegierung zu beschichten, während die Innenoberfläche der axialen Bohrung in der Welle aus dem Wellenmaterial, d.h. aus unbeschichtetem Stahl besteht. Bei den Ausführungsformen mit Fangring, der auf dem Wellenbund aufliegt, wird ebenfalls die Innenoberfläche des Fangringes mit einer Kupferlegierung beschichtet, während der Wellenbund eine normale Stahloberfläche aufweist. Bei der Anordnung der axial geteilten Büchse besteht diese aus einer Kupferlegierung, während der Fangring aus dem Stahl der Welle gebildet ist, wobei die geteilte Büchse zwischen zwei Stahloberflächen nämlich der Welle und dem Fangring angeordnet ist. Es ist jedoch möglich, anstelle der Kupferlegierung eine Bronzelegierung, oder jede andere, Notlaufeigenschaften ergebende Materialkombination zu verwenden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Wellenkupplung mit Fangzapfen, Fig. 2a und 2b je eine weitere, teilweise geschnittene Ausbildungsform der Wellenkupplung mit Fangring.
Gemäss Fig. 1 ist mit 1 eine Welle einer Antriebsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine bezeichnet, deren Wellenende mit einem Kupplungsflansch 2 versehen ist. Eine Welle 3 einer angetriebenen Maschine weist einen Kupplungsflansch 2' auf. Beide Kupplungsflanschen 2, 2' weisen Bohrungen 6 auf und sind durch Kupplungsbolzen 4, die in aufweitbaren Hülsen 5 geführt sind, miteinander verschraubt. An den Stirnseiten der Kupplungsflansche 2, 2' ist zur Zentrierung der Wellen 1, 3 je ein Versatz 10 vorgesehen. Zwischen den beiden Kupplungsflanschen 2, 2' ist ein zusätzliches Flanschteil 7 mit einem Versatz 10' angeordnet und mit den Kupplungsflanschen 2, 2' ebenfalls durch die Kupplungsbolzen 4 verbunden. Das Flanschteil 7 weist einen zentralen Fangzapfen 8 auf, der in eine axiale Bohrung 9 der Welle 3 eingreift und dessen Zapfenende 12 in die Bohrung 9 annähernd spielfrei eintaucht.
Das Zapfenende 12 des Fangzapfens 8 weist eine Lauffläche 16 auf, welche mit einer Gegenfläche der axialen Bohrung 9 zusammenwirkt. An der Welle 3 ist eine Sollbruchstelle 11 vor dem Kupplungsflansch 2' vorgesehen. Das Zapfenende 12 mit dessen bündig in der axialen Bohrung 9 anliegendem Teil erstreckt sich über mehr als die axiale Länge der Sollbruchstelle 11 zur angetriebenen Maschine hin.
Das Zapfenende 12 ist zur Erzielung von Notlaufeigenschaften an den Berührungsflächen (Reibstellen) mit der Lauffläche 16 der axialen Bohrung 9 mit einem Material mit Notlaufeigenschaften beschichtet. Dazu können Kupferlegierungen oder Bronzelegierungen verwendet werden.
Auch sind alle anderen, eine bei einem Wellenbruch auftretenden Reibschweissungen zwischen der Lauffläche 16 und dem Zapfenende 12 verhindernden Beschichtungen des Zapfenendes 12 möglich.
Bei Anlagen, in welchen ausreichend Platz für eine axiale Montage der Welle 3 vorhanden ist, kann der Fangzapfen 8 direkt am Kupplungsflansch 2 vorgesehen werden. Dadurch kann das zusätzliche Flanschteil 7 entfallen und die Kupplungsflansche 2, 2' können direkt miteinander verschraubt werden.
Bei einer übermässigen Belastung des Wellenstranges 1, 2, 2', 3 tritt bei der erfindungsgemässen Ausbildung der Bruch an der Sollbruchstelle 11 auf. Durch das Zusammenwirken des spielfrei an der Lauffläche 16 der axialen Bohrung 9 anliegenden und Notlaufeigenschaften aufweisenden Zapfenendes 12 bleibt das gebrochene Wellenteil 3 bis zum Stillstand annähernd in der ursprünglichen Lage. Ein Auslenken der Welle und grössere Folgeschäden können nicht erfolgen.
In der Ausbildungsform gemäss der Fig. 2a ist die Welle 1 der Antriebsmaschine analog zur Ausbildung nach Fig. 1 mit der Welle 3 der angetriebenen Maschine über die Kupplungsflanschen 2, 2' verbunden. Die Welle 3 weist am Uebergang zum Kupplungsflansch 2' die Sollbruchstelle 11 auf. Diese wird vom Fangring 13 überdeckt, der an einem Ende mit dem Kupplungsflansch 2' fest verbunden ist. Zwischen dem Fangring 13 und der Welle 3 ist eine die Sollbruchstelle 11 ebenfalls überdeckende, axial geteilte Büchse 14 angeordnet.
Es wird von einem Schmiederohling für die Welle ausgegangen, der eine zusätzliche Ringwulst zwischen dem späteren Kupplungsflansch 2' und dem restlichen Wellenteil 3 aufweist. Dieser Ringwulst entspricht hinsichtlich Aussendurchmesser und axialer Länge grob dem Fangring 13.
Die Welle 3 wird in üblicher Weise bearbeitet. Als letzte Operation wird der Ringwulst abgestochen,mit dem Kupplungsflansch 2' zusammengespannt und mit Bohrungen versehen, welche mit den axialen Bohrungen 6 im Kupplungsflansch 2' fluchten.
Gemäss der Ausbildungsform nach Fig. 2a weist die Welle 3 einen Wellenbund 15 auf. Zwischen diesem und dem Kupplungsflansch 2' ist die Sollbruchstelle 11 vorgesehen. Der Fangring 13 ist so angeordnet, dass ein Ende desselben mit dem Kupplungsflansch 2' fest verbunden ist, während sich dessen anderes Ende am Wellenbund 15 abstützt.
Somit wird die Sollbruchstelle 11 vom Fangring 13 in deren gesamten axialen Länge überdeckt. Bei der Herstellung des Fangringes 13 nach dieser Ausbildungsform wird von einem Schmiederohling für die Welle 3 ausgegangen, der neben dem Wellenbund 15 eine zusätzliche Ringwulst zwischen dem Wellenbund 15 und dem restlichen Wellenteil aufweist. Dieser Ringwulst entspricht hinsichtlich Aussendurchmesser und axialer Länge grob dem Fangring 13. Die Welle 3 wird in üblicher Weise bearbeitet. Als letzte Operation wird der Ringwulst abgestochen, mit dem Kupplungsflansch 2' zusammengespannt und mit Bohrungen versehen, welche mit den axialen Bohrungen 6 im Kupplungsflansch 2' fluchten. Der Fangring 13 wird dabei so von der Welle 3 abgestochen, dass dessen Innendurchmesser wenig grösser ist als der Aussendurchmesser des Wellenbundes 15, so dass er über den Wellenbund 15 hinweggeschoben werden kann, und dass noch ausreichend Spiel für das Anbringen einer Beschichtung zur Erzielung von Notlaufeigenschaften vorhanden ist.
Wenn im Betrieb eine Ueberlastung des Wellenstranges auftritt, die zu einem Bruch an der Sollbruchstelle führt, so übernimmt in beiden Ausführungsformen (Fig. 2a und 2b) der Fangring 13 bis zum Auslaufen der Anlage die Führung der gebrochenen Welle, ohne dass ein Auslenken derselben und damit umfangsreiche Folgeschäden auftreten.
Die Anordnung des Fangzapfens 8 und Fangringes 13, sowohl mit axial geteilter Büchse 14, als auch in der Ausbildung mit Wellenbund 15 kann in gleicher Weise erfolgen, wenn beide Maschinen nicht direkt miteinander, sondern über eine Zwischenwelle gekoppelt sind. In diesem Fall wird die Zwischenwelle zwischen dem Kupplungsflansch 2 der Antriebsmaschine und dem (nicht dargestellten) Kupplungs- flansch der angetriebenen Maschine angeordnet. Die Herstellung beider Führungselemente erfolgt in gleicher Weise wie für eine direkt mit der Antriebswelle gekoppelte Welle.
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Claims

Patentansprüche 1. Wellenkupplung zur Verbindung von zwei rotierenden Maschinenwellen, beispielsweise von Turbinen und Generatoren mit je einem Kupplungsflansch (2, 2') an beiden Enden der Wellen (1, 3), die mittels Kupplungsbolzen (4) fluchtend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Wellenenden ausserhalb des Kupplungsflansches (2>) mit einer Sollbruchstelle (11) versehen ist, dass an einem Kupplungsflansch (2; 2') ein Führungselement (8; 13) befestigt ist, welches Führungselement (8; 13) sich über mehr als die axiale Länge der Sollbruchstelle (11) erstreckt.
2. Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement als Zapfen (8) ausgebildet ist, der an dem Kupplungsflansch (2) der einen Welle (1) befestigt ist und in eine axiale Bohrung (9) der anderen Welle (3) eintaucht und dass der Zapfen (8) an seinem freien Ende eine Lauffläche (16) aufweist, welche mit einer Gegenfläche der genannten axialen Bohrung (9) zusammenwirkt.
3. Wellenkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (8) mit dem Kupplungsflansch (2) der einen Welle (3) einstückig ausgebildet ist.
4. Wellenkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (8) ein zusätzliches Flanschteil (7) aufweist, das zwischen den beiden Kupplungsflanschen (2, 2') verschraubt ist (Fig. 1).
5. Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement als Ring (13) ausgebildet ist, der an einem Ende mit dem Kupplungsflansch (2') der mit der Sollbruchstelle (11) versehenen Welle (3) fest verbunden ist.
6. Wellenkupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ring (13) und der Welle (3) eine die Sollbruchstelle (11) überdeckende axial geteilte Büchse (14) angeordnet ist (Fig. 2a).
7. Wellenkupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Welle (3) mit einem Wellenbund (15) versehen ist, wobei zwischen dem Wellenbund (15) und dem Kupplungsflansch (2') die Sollbruchstelle (11) liegt, und dass sich das andere Ende des Ringes (13) auf diesem Wellenbund (15) abstützt (Fig. 2b).
8. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialpaarung an den Reibstellen zwischen dem Führungselement (8; 13) und der Welle (3) Notlaufeigenschaften aufweist.