DE3532929A1 - Einrichtung zur verbindung einander konzentrisch benachbarter rotorbauteile von maschinen, insbesondere stroemungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verbindung einander konzentrisch benachbarter Rotor­ bauteile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Rotierende Maschinenteile, wie z.B. Wellen von Strömungs­ maschinen, müssen u.a. wegen vorhandener Restunwuchten der einzeln gewuchteten Bestandteile der Welle - d.h. Einzelscheiben, Lagerzapfen oder dergleichen - abschließend als Ganzes gewuchtet werden, um die Restunwucht des ge­ samten Wellenverbandes auf ein Minimalmaß zu bringen.

Dies kann z.B. durch örtlich über dem Rotorumfang ent­ sprechend verteiltes Hinzufügen oder Wegnehmen von Material bzw. durch besondere Anordnung von Wuchtgewichten (s.h. DE-OS 28 41 130) oder durch entsprechendes Verdrehen von mit besonderen Wuchtmassen ausgestatteten Scheiben (s.h. DE-OS 29 31 193) oder ähnliche Maßnahmen geschehen.

Diese beiden genannten bekannten Fälle befassen sich jedoch weder aufgaben- noch lösungsgemäß mit einer Rotorflanschpaarung.

Hierzu wurde bereits eine Lösung untersucht, bei der die Flansche benachbarter Rotorbauteile, z.B. Scheiben, durch eine geeignete Anzahl über dem Umfang gleichmäßig verteilter Schrauben oder Bolzen miteinander verbunden sind. Für den Fall einer vorhandenen Restunwucht an bzw. im Bereich der Flanschverbindung werden dabei eine oder mehrere dieser Verbindungsschrauben entfernt und durch zugleich ebenfalls als Verbindungsschrauben wirkende, sogenannte "Wuchtschrauben" ersetzt, deren Masseninhalt durch nachträgliche Bearbeitung auf die tatsächlich vor­ handene Restunwucht abstimmbar ist.

Das bei dieser Methode auftretende Problem besteht u.a. darin, daß ein sorgfältig nach bestimmten Regeln verschraubter Flanschverband an der einen oder anderen Stelle örtlich gelöst und wieder verschraubt werden muß. Ein Lösen der Verschraubung an nur einer Stelle jedoch zerstört den für die Lebensdauer der Flanschverbindung erforderlichen gleichmäßigen Spannungszustand in nicht reproduzierbarer Weise und kann darüberhinaus neue Un­ wuchten hervorrufen, die gegebenenfalls eine Widerholung des gesamten Verbindungs- und/oder Wuchtvorganges erzwingen können. Bei nicht sorgfältiger Wuchtung kann es anderer­ seits zu sich vergrößernder Unwucht im Betrieb kommen, damit zu Rundlaufverschlechterungen bei z.B. an den Flanschen befindlichen Labyrinthdichtungen und - im ungünstigsten Fall - zum Versagen der Flanschverbindung im Betrieb. Speziell bei fliegendem Gerät muß der zuletzt angeführte Versagensfall als ausgeschlossen zu gelten haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf betriebliche Kriterien (Montage, Drehzahlen, Spannungs­ kriterien) optimal abgestimmte Rotorbauteilverbindungs­ einrichtung anzugeben, in die, ohne Antastung bzw. Teil­ demontage derselben, einfachst wirksame Unwucht- bzw. Restunwuchtkompensationsmittel integriert sind.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kenn­ zeichnungsteils des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Der wesentliche Vorteil dieser Lösung ist es also, ohne jegliche montageseitige Antastung der bereits fertigen Rotorverbindung in der betreffenden Verbindungsebene eine einwandfreie Unwucht- bzw. Restunwuchtbeseitung er­ zielen zu können. Ein der betreffenden flanschartigen Ver­ bindung aufgeprägter homogener Spannungszustand am fertigen und gegebenenfalls vorgewuchteten Rotor wird im Wege der erfindungsgemäß ausgebildeten und der Flanschverbindung zugeordneten Unwuchtkompensations­ mittel nicht gestört. Vergleichsweise hohe Lebensdauer­ erwartungen und kurze Montagezeiten sind weitere vor­ teilhafte Konzequenzen der angegebenen Einrichtung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt einer Scheiben-Wellen-Verbindung am Rotor eines Gasturbinentriebwerkes mit durch Schraubverbindungsmittel aneinander gekoppelten Radialflanschen,

Fig. 2 einen Teilschnitt gemäß A-A der Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt gemäß B-B der Fig. 1 und

Fig. 4 einen die Zuordnung der Radscheibe einschließenden Teilschnitt gemäß C-C der Fig. 3.

Fig. 1 veranschaulicht eine Radscheibe 1 eines Radial­ verdichterlaufrads eines Gasturbinentriebwerks mit zugehörigen Radiallaufschaufeln 2. Ein von der Rad­ scheibe 1 rotationssymmetrisch und axial auskragendes erstes Rotorbauteil 1′ weist ein flanschartiges Endteil bzw. einen Radialflansch 3 auf, der mit einem benach­ barten Rotorbauteil 4, das am Ende überwiegend ebenfalls als Radialflansch 5 ausgebildet ist, über Schraubver­ bindungsmittel verbunden ist. Das Rotorbauteil 4 kann als Bestandteil der gemeinsamen Hohlwelle des Gas­ erzeugers auf der vom Radialverdichter abgewandten Seite mit der Verdichterantriebsturbine gekoppelt sein.

Dabei ist das eine der beiden flanschartigen Endteile, hier also der Radialflansch 5 des zweiten Rotorbauteils 4, als oberhalb der Flanschverbindung seitlich auskragender Labyrinthdichtungskamm 6 ausgebildet, der mit statischen Gegendichtflächen korrespondiert, die an einem stationären Dichtungsräger 12 angeordnet sind. Die angegebene Labyrinthdichtung, die Flanschverbindung selbst sowie der betreffende Dichtungsträger 12 besorgen dabei eine den betrieblichen Erfordernissen gemäße Trennung der Räume 10 und 11 in zwei Maschinenzonen unterschied­ lichen aerodynamischen Druckniveaus.

Die zuvor schon angegebene Schraubverbindungsmittel der beiden Radialflansche 3, 5 - Schrauben 7, Muttern 8 - sind gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnet (s.h. auch Fig. 3), wobei im Ausführungsbeispiel von zwölf gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneten der­ artigen Schraubverbindungsmitteln ausgegangen wird.

Dabei kann das jeweilige schraubenkopfseitige Ende quadratisch bzw. - wie in Fig. 2 dargestellt - recht­ eckig als Hammerkopf 9 ausgebildet sein. Beim Anziehen der betreffenden Muttern 8 sind also die Schrauben 7 verdrehgesichert, indem ein seitliches Ende des Labyrinth­ dichtungskammes 6 mit verhältnismäßig geringem Gegen­ flächenabstand den zugehörigen Hammerkopf 9 überlappt. Gleiches kann sinngemäß für schraubenkopfseitige Enden der Wuchtschrauben 14 (Fig. 4) gelten.

Wie insbesondere aus Fig. 3 erkennbar, weist das flansch­ artige Endteil bzw. hier der Radialflansch 3 des ersten Bauteils 1′ Aussparungen 13 auf.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel, insbesondere nach Fig. 3, können diese Aussparungen 13 zweckmäßigerweise gleich geformt und diemensioniert jeweils zwischen zwei einander benachbarten Schraubverbindungsmitteln 7, 8 sowie gleich­ förmig über dem Umfang verteilt im Radialflansch 3 des ersten Bauteils 1′ angeordnet sein.

Insbesondere im Wege der zuvor genannten Aussparungen 13 gelingt es, ohne mechanische Antastung der in der be­ schriebenen Weise erstellbaren Rotorflanschverbindung vorzugsweise gleichförmig über dem Umfang verteilt ange­ ordnete Ausgleichsgewichte ausschließlich am Radial­ flansch 5 des zweiten Bauteils 4 für sich fixier- bzw. lösbar vorzusehen.

Gemäß Fig. 4 handelt es sich bei diesen in der Fach­ sprache auch als sogenannte "Wuchtschrauben" be­ zeichneten Ausgleichsgewichten um mittels Muttern 16 am Radialflansch 5 festziehbaren Schrauben 14.

Im Beispiel nach Fig. 4 weisen diese Mutter-Schrauben­ kombinationen jeweils eine schraubenkopfseitige Axial­ verlängerung 15 auf, die im Hinblick auf gegebenenfalls vorhandene Restunwuchtmassen am Rotor durch ent­ sprechende gewichtliche Materialabtragung derart abstimm­ bar wären, daß die Restunwucht = Null ist. Die Axialver­ längerung 15 kann also je nach Wuchtbedarf abgearbeitet werden.

Ohne die Hauptflanschverschraubung (Muttern 8, Schrauben 7) mechanisch antasten zu müssen, kann also z.B. im Falle einer vorhandenen Restunwucht des vorgewuchteten und verschraubten Rotors die betreffende Schraubverbindung 14, 16 gelöst, die entsprechende Materialmenge an der Verlängerung 15 abgearbeitet und die Schraubverbindung 14, 16 wieder hergestellt werden.

Im Gegensatz zur erörterten Materialabtragung an einer oder mehreren schraubenkopfartigen Axialverlängerungen 15 zur Unwucht- bzw. Restunwuchtkompensation wäre es durchaus vorstellbar, die als Wuchtschrauben ausge­ bildeten Ausgleichsgewichte durch einen schrauben­ kopfseitigen Materialauftrag unwuchtkompensatorisch gewichtlich entsprechend anzupassen.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wären dort bei z.B. 120°-Umfangs­ teilung der betreffenden Ausgleichsgewichte - Schrauben 14, Muttern 16 - drei gleichförmig über dem Umfang verteilte, zur Hauptflanschverschraubung zusätzliche Mutter- Schraubenkombinationen zugrunde zu legen.

Die Anzahl von "Normal"-Schrauben 7 zu Wuchtschrauben 14 wäre jedoch im Hinblick auf die Durchführung der Erfindung durchaus variabel gestaltbar.

Je nach den zu beherrschenden Unwuchtkriterien könnte es durchaus vorstellbar sein, anstelle einer gleich­ förmigen einer gewollt ungleichförmigen Verteilung der Wuchtschrauben bzw. Ausgleichsgewichte über dem Umfang den Vorzug zu geben. Wenn es jedoch um die Beherrschung von minimalen Restunwuchten geht, wird man im Regelfall von gleichförmigen örtlichen Umfangsverteilungen von Normal- und Wuchtschrauben ausgehen - sinngemäß geltend auch für die örtliche Verteilung der Aussparungen 13 - um nicht von vorn herein unnötige zusätzliche Unwucht­ kriterien hervorzurufen bzw. Kriterien, die das Spannungs- und Festigkeitsverhalten der "Normalflanschverbindung" unnötig beeinträchtigen könnten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind sowohl die Wuchtschrauben 14 als auch die "Normal"-Schrauben 7 der Hauptflanschverbindung auf einem gemeinsamen Loch­ kreismittenradius r angeordnet. Wuchtschrauben und "Normal"- Schrauben könnten durchaus auch auf voneinander ab­ weichenden Radien angerordnet sein.

Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4 die Haupt­ flanschverbindung über die Radialflansche 3, 5, also über­ wiegend entlang radialer Gegenflächen erfolgt, wäre es durchaus möglich, den Erfindungsgegenstand sinngemäß auch entlang überwiegend axialer, konzentrisch einander zuge­ wandter Gegenflächen anzuwenden, und zwar ähnlich einer Rohrsteckverbindung, bei der z.B. ein Rotorendteil eines ersten Rotorbauteils gegenüber dem zugehörigen Grund­ durchmesser endseitig aufgeweitet ist und zusammen mit einem konzentrischen Innenteil ein kurzes Gabelzentrier­ stück bildet, in welches das andere Endteil des zweiten Rotorbauteils passend einzusetzen wäre.

Ausgleichsgewichte (Wuchtschrauben) sowie die Schrauben der Hauptflanschverbindung könnten dann in einer gemeinsamen, die Rotorachse im rechten Winkel schneidenden Ebene angeordnet sein.

Der Erfindungsgegenstand kann bei allen vorkommenden Arten von mit konzentrischen Rotorbauteilpaarungen auszustattenden Maschinen, z.B. Strömungsmaschinen, Turboladern, Gasturbinentriebwerken, Strahltriebwerken, Dampfturbinen, Pumpen oder dergleichen vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Verbindung einander konzentrisch benachbarter Rotorbauteile von Maschinen, ins­ besondere Strömungsmaschinen, mit gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneten Schraub­ verbindungsmitteln und mit lösbaren Ausgleichs­ gewichten zur Rotorunwuchtkompensation, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Ein erstes und ein zweites Rotorbauteil (1′, 4) sind entlang flanschartiger Endteile (3, 5) miteinander verbunden;
• b) zwischen benachbarten Schraubverbindungs­ mitteln (7, 8) weist das flanschartige Endteil (3) des ersten Rotorbauteils (1′) Aussparungen (13) auf;
• c) die Ausgleichsgewichte (16, 14, 15) sind aus­ schließlich am flanschartigen Endteil (5) des zweiten Bauteils (4) und vorzugsweise gleichförmig über dem Umfang verteilt ange­ ordnet;
• d) jedes Ausgleichsgewicht (16, 14, 15) ist zumindest teilweise durch eine Aussparung (13) geführt und als Mutter-Schraubenkombination ausgebildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung entlang axialer und/oder radialer Gegenflächen der flanschartigen Endteile erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (13) gleich geformt und dimen­ sioniert jeweils zwischen zwei einander benach­ barten Schraubverbindungsmitteln (7, 8) sowie gleich­ förmig über dem Umfang verteilt am flanschartigen Endteil (3) des ersten Bauteils (1′) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichs­ gewichte (16, 14, 15) auf einem abweichenden oder gleichen Radius (r) wie die Schraubverbindungsmittel (7, 8) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichs­ gewichte bzw. Wuchtschrauben (14) eine schraubenkopf­ seitige Axialverlängerung (15) zur gewichtlichen Materialabtragung zwecks Unwuchtkompensation auf­ weisen.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ gleichsgewichte bzw. Wuchtschrauben im Wege eines schraubenkopfseitigen Materialauftrags unwucht­ kompensatorisch gewichtlich angepaßt sind.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Radialflanschverbindung eines der beiden flansch­ artigen Endteile (5) als oberhalb der Verbindung seitlich auskragendes Dichtungsglied bzw. als Träger eines Dichtungskammes (6) ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubverbindungsmittel (7, 8) schrauben­ kopfseitig quadratisch, rechteckig bzw. hammerkopf­ förmig ausgebildet, und damit verdrehgesichert vom einen seitlichen Ende des Dichtungsglieds überlappt sind.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsgewichte zusammen mit den Schraubver­ bindungsmitteln in einer gemeinsamen, die Rotorachse im rechten Winkel schneidenden Ebene angeordnet sind.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Rotor­ restunwuchtkompensation ausgebildet ist.