DE3532929C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung 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 gesamten 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 Wuchtgewinden (s. h. DE 28 41 130 A1) oder durch entsprechendes Verdrehen von mit besonderen Wuchtmassen ausgestatteten Scheiben (s. h. DE 29 31 193 A1) 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 Masseinhalt 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 darüber hinaus neue Un­ wuchten hervorrufen, die gegebenenfalls eine Wiederholung 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.

Eine aus der DE 25 07 695 A1 bekannte, dem Oberbegriff des Anspruchs 1 als Stand der Technik zugrunde gelegte Lösung behandelt ein Verfahren zum Auswuchten eines Gasturbinentrieb­ werkes, bei dem die betreffende Turbine des in "Modul-Bauweise" zusammengesetzten Triebwerks unter sogenannten "Freifeld­ bedingungen" von der Gasgeneratorwelle lösbar und gegebenen­ falls durch eine Austauschturbine ersetzbar sein soll unter Einhaltung der triebwerks- und turbinenseitig erforderlichen Wuchtkriterien; mit anderen Worten soll also ein Turbinen­ austauschvorgang ohne anschließenden Auswuchtvorgang in die Wege geleitet werden können. Abgesehen davon, daß eine der­ artige Prämisse aus einschlägigen unwuchtkompensatorischen Erfahrungskriterien angezweifelt werden muß, vermittelt die bekannte Lösung keinen greifbaren Lösungsansatz, um eine Rotorrestunwuchtkompensation schaffen zu können, ohne eine fertig verschraubte, ein Drehmoment übertragende Rotorver­ bindung in irgend einer Form "antasten" bzw. hinsichtlich eines über die Verbindung aufgeprägten Spannungs- und Vor­ wuchtzustands beeinträchtigen zu müssen.

Im einzelnen stellt sich die bekannte Lösung wie folgt dar:

Es soll das Drehmoment von der Turbine auf die Gasgenerator­ welle, auf der der Verdichter sitzt, über eine Zahnkupplung übertragen werden; über eine weitere Zahnkupplung sollen wiederum zwei Radscheiben der Turbine kraftschlüssig mit­ einander gekoppelt sein. Ferner sollen axial gerichtete, als Schrauben-Mutter-Kombination ausgebildete Bolzen vorgesehen sein; die einen Bolzen sollen mit verhältnismäßig großem Spiel durch Axialaussparungen der beiden Radscheiben geführt sein; Funktion der Bolzen: Axialverklammerung beider Rad­ scheiben, jedoch keine Drehmomentübertragung. Übrige Bolzen sollen beide Radscheiben und die Gasgeneratorwelle in axial beabstandeter Eingriffrelation halten, jedoch ohne Dreh­ momentübertragungsfunktion. Ferner sollen die einen bzw. übri­ gen Bolzen schraubenkopfseitig an nur einem Endflansch der Gasgeneratorwelle zur Anlage gebracht sein. Die übrigen Bolzen sollen ebenfalls mit Spiel durch Axialaussparungen der Radscheiben geführt sein; jeder durch die zuerst ge­ nannte Zahnkupplung hervorgerufene "Radial- oder Frontaus­ lauf" soll dabei durch örtlich genau an den übrigen Bolzen vorplazierte Wuchtscheiben kompensierbar sein; bzw. soll im bekannten Fall im Wege einer dem tatsächlichen Einbauzu­ stand (Steckverbindung) nachempfundenen Einbaukonfiguration der Austauschturbine die betreffende Restunwucht dadurch abgelichen werden können, daß die Wuchtscheiben an den übrigen Bolzen genau im Sinne der ursprünglichen Anordnung, vor dem Austausch, plaziert werden sollen.

Diese Maßnahme läßt bezüglich der Entstehung von Restun­ wuchten und deren Kompensation außer Acht, daß z. B. jeder Triebswerksverdichter eine individuelle Restunwucht und -lage aufweist, die mit derjenigen der Turbine kompensier­ bar sein muß.

Wenn im vorliegenden bekannten Fall zwar die Turbinen mit Einschränkung untereinander austauschbar sein mögen, so dürfte eine Austauschbarkeit der letzteren gegenüber dem Verdichter keinesfalls im Sinne der bekannten Lösung praktiziert werden können und zwar im wesentlichen aus folgenden Gesichtspunkten:

• - Restunwuchten der einzelnen Komponenten,
• - Restunwuchten von Komponenten-Kombinationen,
• - Planschläge (im bekannten Fall) "Frontauslauf" genannt,
• - Rundlauffehler (im bekannten Fall) "radialer Auslauf" genannt,
• - Winkelfehler von Wellenkupplungen (im bekannten Fall) "radialer Auslauf" genannt.

Insbesondere im Wege der zur bekannten Lösung erörterten "Beibehaltung der Unwuchtgewichte" dürfte bezüglich der erwähnten Gesichtspunkte kein praktikables Ergebnis er­ zielt werden können; all diese Gesichtspunkte müßten nämlich bei allen Bauteilen und -gruppen (Verdichter, Auf­ steckhalter, Austauschturbine) zusammen berücksichtigt werden, um bezüglich der Restunwuchtkompensation auf der sicheren Seite liegen zu wollen.

In einem aus der US-PS 27 98 383 bekannten Fall wird keine gegenseitige Flanschverbindung zwischen zwei benachbarten Rotorbauteilen unter Einschluß im Verbindungsbereich befind­ licher, als Mutter-Schrauben-Kombination ausgebildeter Wuchtgewichte behandelt.

Der vorliegende bekannte Fall sieht u. a. einen durch Längs­ bolzen (Zuganker) gegeneinander verspannten Mehrscheiben- Verbund, z. B. einer Turbine, vor. Dabei sollen aus rad­ scheibenendseitig übereinander angeordneten inneren und äußeren Scheibenbauteilen bestehende Unwuchtkompensations­ hilfen so ausgebildet sein, daß sie Schraubenkopfenden an den Längsbolzen verdrehsichernd umgreifen können; das innere Scheibenbauteil soll dabei gleichförmig über dem Umfang verteilte Abschnitte zur Schraubenkopfüberlappung sowie einen vorgegebenen Sollunwuchtmassenabschnitt zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Überlappungsabschnitten auf­ weisen. Das genannte äußere Scheibenbauteil soll ebenfalls mittels eines vorgegebenen Sollunwuchtmassenabschnitts der­ art gegenüber dem inneren Scheibenbauteil koaxial am betref­ fenden Radscheibenende verdrehbar sein, daß Restunwuchten kompensierbar sind. Der Sollwuchtmassenabschnitt des äußeren Scheibenbauteils soll ferner eine Reihe gleich­ förmig in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Scheiben­ ausschnitte aufweisen, um eine umfangsseitige Scheiben­ festlegung an den axial auskragenden Schraubenkopfenden der Längsbolzen zu ermöglichen; demzufolge kann im bekannten Fall nicht die erforderliche Feinheit der Einstellung zwecks optimaler Restunwuchtkompensation ermöglicht werden.

Ferner sollen im vorliegenden bekannten Fall die inneren und äußeren Scheibenbauteile mittels auf einen Radscheiben­ stummel aufgeschraubter Muttern gelöst bzw. befestigt werden. Ein Lösen der Scheibenbauteilverbindung setzt ein ver­ hältnismäßig weit axial auskragendes Aufschrauben voraus als Folge vorplazierter Muttern, am Radscheibenverbund; letzteres könnte als Folge in Nachbarschaft der Verschrau­ bung anzuordnender Turbinen- bzw. -Rotorlager zu baulichen bzw. montageseitigen Beeinträchtigungen führen, im un­ günstigsten Fall sogar eine Lagerdemontage erzwingen, um die vorliegende Restunwuchtkompensation nachzuvollziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine vergleichsweise einfache und genaue Restunwuchtkompensation möglich ist, ohne dabei die verschraubte, auf betriebliche Kriterien (Drehzahlen, Spannungen) optimal abgestimmte Ver­ bindung mechanisch antasten zu müssen.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeich­ nungsteils des Anspruchs1 erfindungsgemäß gelöst.

Der wesentliche Vorteil dieser Lösung ist, ohne jegliche montageseitige Antastung der fertigen Rotorverbindung eine einwandfreie Restunwuchtbeseitigung erzielen zu können. Eine der betreffenden flanschartigen Verbindung aufgeprägter, homogener Spannungszustand am fertigen und vorgewuchteten Rotor wird im Wege der der Flanschverbindung zugeordneten Rest­ unwuchtkompensationsmittel nicht gestört. Vergleichsweise hohe Lebensdauererwartungen und kurze Montagezeiten sind weitere vorteilhafte Konsequenzen der angegebenen Einrich­ tung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 9.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt einer Scheiben- Wellen-Verbindung am Rotor eines Gasturbinen­ triebwerkes 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 einschlie­ ßenden Teilschnitt gemäß C-C der Fig. 3.

Fig. 1 veranschaulicht eine Radscheibe 1 eines Radialver­ dichterlaufrads eines Gasturbinentriebwerks mit zugehörigen Radiallaufschaufeln 2. Ein von der Radscheibe 1 rotations­ symmetrisch und axial auskragendes erstes Rotorbauteil 1′ weist einen Radialflansch 3 auf, der mit einem benachbarten zweiten Rotorbauteil 4, das am Ende überwiegend ebenfalls als Radialflansch 5 ausgebildet ist, über Bauteilverbin­ dungsmittel kraftschlüssig verbunden ist. Das zweite Rotor­ bauteil 4 kann als Bestandteil der gemeinsamen Hohlwelle des Gaserzeugers auf der vom Radialverdichter abgewandten Seite mit der Verdichterantriebsturbine gekoppelt sein.

Dabei ist der eine der beiden Flansche hier also der Radial­ flansch 5 des zweiten Rotorbauteils 4, als oberhalb der Flanschverbindung seitlich auskragender Labyrinthdichtungs­ kamm 6 ausgebildet, der mit statischen Gegendichtflächen korrespondiert, die an einem stationären Dichtungsträger 12 angeordnet sind. Die angegebene Labyrinthdichtung, die Flanschverbindung selbst sowie der betreffende Dichtungs­ träger 12 besorgen dabei eine den betrieblichen Erforder­ nissen gemäße Trennung der Räume 10 und 11 in zwei Maschinen­ zonen unterschiedlichen aerodynamischen Druckniveaus.

Die zuvor schon angegebenen Bauteilverbindungsmittel des einen und des anderen Radialflansches 3, 5 - Schrauben 7, Muttern 8 - sind gleichförmig über dem Umfang verteilt an­ geordnet (s. h. auch Fig. 3), wobei im Ausführungsbeispiel von zwölf gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordne­ ten derartigen Bauteilverbindungsmitteln als Mutter-Schrau­ ben-Kombination (Schrauben 7, Muttern 8) ausgegangen wird.

Dabei kann das jeweilige schraubenkopfseitige Ende quadra­ tisch bzw. - wie in Fig. 2 dargestellt - rechteckig, als Hammerkopf 9 ausgebildet sein. Beim Anziehen der betreffen­ den Muttern 8 sind also die Schrauben 7 verdrehgesichert, indem ein seitliches Ende des Labyrinthdichtungskammes 6 mit verhältnismäßig geringem Gegenflächenabstand den zuge­ hörigen Hammerkopf 9 überlappt. Gleiches kann sinngemäß für die schraubenkopfseitigen Enden der als Mutter-Schrauben- Kombination ausgebildeten Ausgleichsgewichte (Muttern 16, Schrauben 14) bzw. Wuchtschrauben gelten.

Wie insbesondere aus Fig. 3 erkennbar, weist der eine Radial­ flansch 3 des ersten Rotorbauteils 1′, Bauteilaussparungen 13 auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, insbesondere nach Fig. 3, sind diese Bauteilaussparungen 13 zweckmäßigerweise gleich geformt und dimensioniert jeweils zwischen zwei einander benachbarten Bauteilverbindungsmitteln (Schrauben 7, Muttern 8) sowie gleichför­ mig über dem Umfang verteilt an dem einen Radialflansch 3 des ersten Rotorbauteils 1′ angeordnet.

Insbesondere im Wege der zuvor genannten Bauteilaussparungen 13 gelingt es, ohne mechanische Antastung der in der be­ schriebenen Weise erstellbaren Rotorflanschverbindung, vor­ zugsweise gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnete Ausgleichsgewichte (Muttern 16, Schrauben 14) ausschließlich an dem anderen Radialflansch 5 des zweiten Rotorbauteils 4 für sich fixier- bzw. lösbar vorzusehen.

Gemäß Fig. 4 weisen die als Mutter-Schraubenkombinationen (Muttern 16, Schrauben 14) ausgebildeten Ausgleichsgewichte jeweils eine schraubenkopfseitige Axialverlängerung 15 auf, die im Hinblick auf gegebenenfalls vorhandene Restunwucht­ massen am Rotor durch entsprechende gewichtliche Material­ abtragung derart abstimmbar wären, daß die Restunwucht = Null ist. Die Axialverlängerung 15 kann also je nach Wucht­ Bedarf 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 ver­ schraubten Rotors die betreffende Schraubverbindung der Ausgleichsgewichte (Muttern 16, Schrauben 14 mit Axialverlängerung 15) am Flansch 5 gelöst, die entspre­ chende Materialmenge an der Axialverlängerung 15 abgearbeitet und hiernach die Schraubverbindung wieder hergestellt werden.

Im Gegensatz zur erörterten Materialabtragung an einer oder mehreren schraubenkopfartigen Axialverlängerungen 15 zur Restunwuchtkompensation wäre es durchaus vorstellbar, die als Wuchtschrauben ausgebildeten Ausgleichsgewichte durch einen schraubenkopfseitigen Materialauftrag unwuchtkompen­ satorisch 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-Schrauben­ kombination zugrunde zu legen.

Die Anzahl von Bauteilverbindungsmitteln (Schrauben 7, Muttern 8) zu Ausgleichs­ gewichten 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 gleichförmigen einer gewollt ungleichförmigen Verteilung der Wuchtschrau­ ben bzw. Ausgleichsgewichte über dem Umfang den Vorzug zu geben. Wenn es jedoch um die Beherrschung von minimalen Restunwuchten geht, wird man im Regelfall von gleichförmig­ gen örtlichen Umfangsverteilungen von Normal- und Wucht­ schrauben ausgehen - sinngemäß geltend auch für die örtli­ che Verteilung der Bauteilaussparungen 13 - um nicht von vorn herein unnötige zusätzliche Unwuchtkriterien hervorzurufen bzw. Kriterien, die als Spannungs- und Festigkeitsverhalten der "Normalflanschverbindung" unnötig beeinträchtigen könnten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind sowohl die Ausgleichsgewichte (Schrauben 14, Muttern 16) bzw. Wuchtschrauben als auch die Bauteilverbindungsmittel (Muttern 8, Schrauben 7) der Hauptflanschverbindung auf einem gemeinsamen Lochkreis­ mittenradius r angeordnet. Wuchtschrauben und "Normal"- Schrauben der Verbindung könnten durchaus auch auf von­ einander abweichenden Radien angeordnet sein.

Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4 die Flanschverbindung der Rotorbauteile 1′, 4 über die Radial­ flansche 3, 5, also überwiegend entlang radialer Gegen­ flächen erfolgt, wäre es durchaus möglich, die beschriebene Vorgehensweise sinngemäß auch entlang überwiegend axialer, konzentrisch einander zugewandter Gegenflächen anzuwenden, und zwar ähnlich einer Rohrsteckverbindung, bei der z. B. ein Rotorendteil eines ersten Rotorbauteils gegenüber dem zugehörigen Grunddurchmesser endseitig aufgeweitet ist und zusammen mit einem konzentrischen Innenteil ein kurzes Gabelzentrierstück bildet, in welches das andere Endteil des zweiten Rotorbauteils passend einzusetzen wäre.

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

Die beschriebene Vorrichtung kann bei allen vorkommenden Arten von mit konzentrischen Rotorbauteilenpaarungen auszustatten­ den Maschinen, z. B. Strömungsmaschinen, Turboladern, Gas­ turbinentriebwerken, Strahltriebwerken, Dampfturbinen, Pumpen oder dergleichen vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims (9)

1. Einrichtung zur drehachskonzentrischen, unwuchtkompen­ satorischen Verbindung von Rotorbauteilen von Maschinen, insbesondere Strömungsmaschinen, mit über dem Bauteil­ umfang verteilt angeordneten, als Mutter-Schrauben-Kombi­ nation ausgebildeten Bauteilverbindungsmitteln und mit zumindest teilweise durch Bauteilaussparungen geführten, als Mutter-Schrauben-Kombination ausgebildeten Ausgleichs­ gewichten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Ein erstes und ein zweites Rotorbauteil (1′, 4) sind entlang beidendseitig miteinander korrespondierender Flansche (Radialflansche 3, 5) kraftschlüssig verbunden;
• b) die Bauteilverbindungsmittel (Schrauben 7, Muttern 8) sind über dem Umfang der Verbindung gleichförmig verteilt ange­ ordnet;
• c) die Bauteilaussparungen (13) sind am einen Flansch (Radialflansch 3) jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Bauteilverbindungsmitteln (Schrauben 7, Muttern 8) ausgebildet;
• d) die Ausgleichsgewichte (Schrauben 14, Muttern 16) sind ausschließlich mit dem anderen Flansch (Radialflansch 5) verschraubt.

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

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteilaussparungen (13) gleich geformt und dimen­ sioniert sowie gleichförmig über dem Umfang verteilt am einen Flansch (Radialflansch 3) des ersten Bauteils (1′) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsgewichte (Schrauben 14, Muttern 16) auf einem abweichenden oder gleichen Radius (r) wie die Bauteilverbindungsmittel (Schrauben 7, Muttern 8) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsgewichte (Schrauben 14, Muttern 16) bzw. Wuchtschrauben eine schraubenkopfseitige Axialverlängerung (15) zur gewichtlichen Materialabtra­ gung zwecks Restunwuchtkompensation aufweisen.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsgewichte bzw. Wuchtschrauben im Wege eines schraubenkopfseitigen Materialauftrags unwuchtkompensatorisch gewichtlich ange­ paßt sind.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Radialflanschver­ bindung der eine oder der andere Flansch (Radialflansch 5) als oberhalb der Verbindung seitlich auskragendes Dichtungsglied bzw. als Träger eines Labyrinthdichtungskammes (6) ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteilverbindungsmittel (Schrauben 7, Muttern 8) schraubenkopfseitig quadratisch, rechteckig bzw. hammerkopfförmig ausgebildet, und damit verdrehgesichert vom einen seitlichen Ende des Dichtungsgliedes überlappt sind.

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