DE4220127C1 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/026—Shaft to shaft connections
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine
gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
Das Vordringen von Radialverdichtern in immer neue Anwendungsgebiete
und auch die Integration verschiedener Verdichtungsprozesse in ein
gemeinsames Verdichtergehäuse führen dazu, daß die Beanspruchung der
Wellenteile, auf denen die Laufräder lösbar angeordnet sind,
hinsichtlich Temperatur und Angriff des zu fördernden Mediums sehr
unterschiedlich sind zu den Bereichen, die nicht mit damit beaufschlagt
werden. Beispielsweise müssen bei einem LNG-Kompressor (LNG = Liquid
Natural Gas) die Verdichterschaufeln aus einem zähen Tieftemperaturstahl
(z. B. 9 % Nickelstahl) gefertigt werden, damit diese auch bei tiefen
Temperaturen noch eine ausreichende Zähigkeit aufweisen. Andererseits
muß die das Laufrad antreibende Ritzelwelle den getriebetechnischen
Bedingungen genügen. Insbesondere das Zahnradelement wird im Hinblick
auf ausreichende Dauer- und Flankenfestigkeit üblicherweise aus einem
legierten Vergütungsstahl gefertigt, dessen Oberfläche im Flankenbereich
gehärtet wird. Die Problematik der richtigen Werkstoffwahl ergibt sich
bei dem schon erwähnten LNG-Kompressor dadurch, daß auf der Rückseite
des Laufrades, insbesondere beim Stillstand und in der Anfahrphase auch
ein Teil des Wellenbereiches mit dem tiefgekühlten Gas beaufschlagt
wird. Nun könnte man als Abhilfe sowohl das Laufrad einschließlich des
anschließenden Wellenteiles einstückig aus einem
tieftemperaturbeständigen Stahl herstellen. Die Herstellung erfordert
aber einen großen Zerspanungsaufwand, da die Außenmaße des Laufrades die
Größe des zu zerspanenden Blockes bestimmen. Alternativ dazu wäre
vorstellbar, das Zahnradelement ebenfalls aus diesem Stahl zu fertigen.
Das ergibt aber Schwierigkeiten, da der Tieftemperaturstahl keine
ausreichende Festigkeit bzw. Härte hat und die üblichen Härteverfahren
wie Flammenhärten oder Nitrieren nicht anwendbar sind. Um die niedrigere
Festigkeit in etwa auszugleichen, müßte man das Zahnradelement
entsprechend größer bauen und damit würde der gesamte Getriebeteil
baumäßig sehr grob werden mit all den Nachteilen, die sich daraus
ergeben. Aber auch bei dieser Lösung bleibt das Problem der verminderten
Flankentragfähigkeit des aus einem solchen Stahl gefertigten
Zahnradelementes infolge des niedrigeren Kohlenstoffgehaltes.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine für hohe Drehzahlen von mindestens 15.000
U/min., vorzugsweise mehr als 20.000 U/min, geeignete und ein einteilig
ausgebildetes Zahnradelement aufweisende hochbelastbare Ritzelwelle für eine
Getriebe-Turbomaschine anzugeben, die konstruktiv optimal und in der
Herstellung kostengünstig der Beanspruchung hinsichtlich Temperatur und der
Art des zu fördernden Mediums angepaßt ist.
Diese Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruches l
angegebenen Merkmal gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Bestandteil von Unteransprüchen.
Die optimale Anpassung an die im jeweiligen Bereich der Ritzelwelle
auftretende Beanspruchung wird in der Weise erreicht, daß das
Wellenteil, an dessen freiem Ende das Laufrad lösbar angeordnet ist, als
separates Teil ausgebildet und mit dem Zahnradelement verbunden ist.
Dabei wird der Werkstoff für das Wellenteil so gewählt, daß es der
auftretenden Beanspruchung gerecht wird. Im Falle des bereits erwähnten
LNG-Kompressors würde ein tieftemperaturbeständiger Stahl für das
Wellenteil verwendet werden. Im Falle der Verdichtung von stark
erwärmten Gasen würde man das Wellenteil aus einem hochwarmfesten Stahl
fertigen. Bei einer Verdichtung von Gasen, die mit Säuren durchsetzt
sind, bietet es sich an, einen besonders korrosionsbeständigen Werkstoff
für das Wellenteil einzusetzen.
Der Vorteil der vorgeschlagenen Verbundtechnik ist darin zu sehen, daß
das Zahnradelement weiterhin aus einem bekannten oberflächenhärtbaren
Vergütungsstahl gefertigt wird und für das mit dem zu fördernden Medium
direkt in Berührung kommende Wellenteil einschließlich des darauf
angeordneten Laufrades ein der Beanspruchung gerecht werdender Werkstoff
gewählt wird. Bei dieser Lösung kann das Zahnradelement und das gesamte
Getriebeteil weiterhin klein gebaut werden und das damit verbundene
Wellenteil kann ebenfalls optimal ausgelegt werden, da bezüglich der
Wahl des Werkstoffes keine Einschränkung hinsichtlich
getriebetechnischer Überlegungen erforderlich ist.
Für die Verbindung Wellenteil mit Zahnradelement gibt es verschiedene
Lösungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann eine Schrumpfverbindung
und/oder Polygonverbindung vorgesehen werden. Das Laufrad könnte in
diesem Falle über einen kegeligen Preßverband mit dem Wellenteil
verbunden werden.
Eine weitere Variante besteht darin, beide Enden des Wellenteils mit
einer Hirth-Verbindung und die daran anschließenden Bereiche des
Zahnradelementes und des Laufrades ebenfalls mit einer komplementär dazu
ausgebildeten Hirth-Verzahnung zu versehen. Zur Verspannung der Elemente
gegeneinander wird eine durch das Laufrad und das Wellenteil sich
erstreckende Dehnschraube im Zahnradelement verankert. Das
Zahnradelement weist dazu im Endenbereich eine Gewindebohrung auf, in
die die Dehnschraube eingreifen kann. Das andere freie Ende der
Dehnschraube hat ebenfalls einen Gewindeabschnitt, so daß eine darauf
aufschraubbare Mutter das Laufrad und das Wellenteil gegen das
Zahnradelement verspannen kann.
Die vorgeschlagene Anordnung hat aber den Nachteil, daß die Dehnschraube
im Falle eines LNG-Kompressors ebenfalls aus einem
tieftemperaturbeständigen Stahl gefertigt werden muß und wegen der
geringeren Festigkeit nur ein geringeres Anzugsmoment übertragen kann.
Die Hirth-Verbindung muß auf beiden Seiten einbaufertig hergestellt
werden, was bei Berücksichtigung der Herstelltoleranzen zu
Winkelabweichungen in der Achslage führen kann. Aus diesem Grunde wird
weiterbildend vorgeschlagen auch die Dehnschraube zu teilen. Diese
Anordnung hat den Vorteil, daß die die Elemente Wellenteil und
Zahnradelement verbindende Dehnschraube aus einem hochfesten
Vergütungsstahl gefertigt werden kann, da dieser Bereich mit dem
tiefgekühlten Gas nicht in Berührung kommt. Von weiterem Vorteil ist,
daß nach dem Verbinden von Wellenteil und Zahnradelement die
Hirth-Verbindung zwischen Laufrad und Wellenteil passend eingeschliffen
werden kann. Eine Addition von Fertigungstoleranzen der beiden
Hirth-Verbindungen hinsichtlich Form- und Lagetoleranzen ist dadurch
ausgeschlossen.
In der Zeichnung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele die
erfindungsgemäße Ritzelwelle näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Ritzelwelle,
Fig. 2 im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform,
Fig. 3 ähnlich wie Fig. 2, jedoch mit einer geteilten
Dehnschraube.
In Fig. 1 ist skizzenhaft in einem Längsschnitt eine erste
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ritzelwelle beispielsweise eines
Getriebeverdichters dargestellt. Sie besteht aus einem Zahnradelement 1,
das eine mit einem Zahnrad des Getriebes (hier nicht dargestellt)
kämmende Verzahnung 2 aufweist. Daran schließt sich ein Wellenstück 3
an, das als Lager 4 ausgebildet ist. Das aus einem anderen Werkstoff
hergestellte Wellenteil 5 ist beispielsweise mittels einer
Schrumpfverbindung mit dem Zahnradelement 1 verbunden. Damit auch große
Kraftmomente übertragen werden können, ist es bekannt, den Endbereich 6
des Wellenteils 5 als Polygon auszubilden. Der diesen Bereich 6
umfassende Endbereich 7 des Wellenstückes 3 würde in einem solchen
Fall ebenfalls ein komplementär dazu ausgebildetes Innenpolygon
aufweisen. Das Laufrad 8 ist über einen hier nur angedeuteten Kegelsitz
9 mit dem Wellenteil 5 verbunden. Die für einen sicheren Sitz
erforderliche Verspannung wird durch die auf dem Gewindeteil 10 des
Wellenteiles 5 aufgeschraubte Mutter 11 erzeugt. Durch die Pfeile 12, 13
im Laufrad 8 wird die Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums
gekennzeichnet. Im Falle eines Turbinenrades haben die Pfeile 12, 13 eine
entgegengesetzte Richtung. Der absteigende Pfeil 14 soll andeuten, daß
insbesondere beim Stillstand und während der Anfahrphase, wenn das zu
fördernde Medium noch keine oder nur eine geringe Temperaturerhöhung
erfahren hat, das zu fördernde Medium auch in den Wellenteil 5 gelangen
kann. Dies bedeutet bei einem LNG-Kompressor, daß auch das Wellenteil 5
mit dem kalten Gas beaufschlagt wird und deshalb dieses Teil 5 ebenfalls
wie das Laufrad 8 aus einem kaltzähen Stahl gefertigt werden muß, um
auch bei diesen tiefen Temperaturen noch eine ausreichende Zähigkeit zu
haben. Das separat hergestellte Zahnradelement 1 kann dagegen in
bekannter Weise aus einem Vergütungsstahl hergestellt werden, der im
Hinblick auf die getriebetechnischen Anforderungen optimiert ist.
In Fig. 2 ist in einem vergleichbaren Längsschnitt eine zweite
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ritzelwelle dargestellt, wobei für
gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind. Im
Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist das Wellenteil 16 an
beiden Enden 17, 18 eine Hirth-Verzahnung auf. Der Endbereich 19 des
Wellenstückes 25 des Zahnradelementes 20 sowie der Endenbereich 21 des
Laufrades 22 sind vergleichbar ausgebildet, so daß die
Hirth-Verzahnungen ineinandergreifen können. Damit die Teile 16, 20, 22
gegeneinander verspannt werden können, greift eine Dehnschraube 23 durch
eine Bohrung des Laufrades 22 und des Wellenteiles 16. Der
rechtsliegende Gewindeabschnitt 24 der Dehnschraube 23 ist in einer im
Wellenstück 25 angeordneten Gewindebohrung einschraubbar. Der
linksliegende Gewindeabschnitt 26 der Dehnschraube 23 ragt über den
Stirnbereich 27 des Laufrades 22 hinaus. Mittels einer auf diesem
Gewindeabschnitt 26 aufschraubbaren Mutter 28 werden die Teile 16, 20,
23 gegeneinander verspannt.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 2, jedoch mit einer
geteilten Dehnschraube. Zur Vereinfachung wurden auch hier für gleiche
Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zur
Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die das Wellenteil 16, Laufrad 22 und
Zahnradelement 20 miteinander verbindende Dehnschraube geteilt. Die
eine aus einem üblichen Vergütungsstahl gefertigte Dehnschraube 30
erstreckt sich vom Zahnradelement 20 über die rechts angeordnete
Hirth-Verzahnung 18 hinweg bis in den Wellenteil 16. Die zweite
Dehnschraube 31, die im Falle eines LNG-Kompressors ebenfalls aus einem
kaltzähen Stahl gefertigt ist, erstreckt sich vom Wellenteil 16 über die
links angeordnete Hirth-Verzahnung 17 hinweg bis in den stirnseitigen
Bereich 27 des Laufrades 22.
Zwischen den beiden Dehnschrauben 30, 31 befindet sich ein Isolierelement
32, beispielsweise aus PTFE. Die die beiden Dehnschrauben 30, 31
miteinander verbindende Zugmutter 33 ist hier nur andeutungsweise
dargestellt.
Claims (8)
1. Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine mit einem einteilig
ausgebildeten Zahnradelement, dessen in eine Welle übergehender
anschließender Bereich als Lagerstelle ausgebildet ist und einem daran
anschließenden Wellenteil, an dessen freiem Ende ein Laufrad lösbar
anordenbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wellenteil (5, 15) als separates Teil ausgebildet und mit dem
Wellenbereich (3, 25) des aus einem oberflächenhärtbaren Vergütungsstahl
hergestellten Zahnradelementes (1, 20) verbunden ist, wobei der für das
Wellenteil (5, 15) verwendete Werkstoff der auftretenden Beanspruchung
hinsichtlich Temperatur und Art des zu verdichtenden Mediums angepaßt
ist.
2. Ritzelwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wellenteil (5, 16) aus einem tieftemperaturbeständigen
Werkstoff besteht.
3. Ritzelwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wellenteil (5, 16) aus einem hochwarmfesten Werkstoff
besteht.
4. Ritzelwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wellenteil (5, 16) aus einem besonders korrosionsbeständigen
Werkstoff besteht.
5. Ritzelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wellenteil (5) eine Bohrung aufweist, durch die eine das
Wellenteil (5) mit dem Wellenbereich (3, 25) des Zahnradelementes (1, 20)
verbindende Dehnungsschraube (23) hindurchgreift.
6. Ritzelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung Wellenteil (5) mit dem Wellenbereich (3) des
Zahnradelementes (1) eine Schrumpfverbindung ist.
7. Ritzelwelle nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ende des Wellenbereiches (3) des Zahnradelementes (1) ein
Innenpolygon (7) und der diesem zugewandte Endenbereich (6) des
Wellenteiles (5) ein komplementär dazu ausgebildetes Polygon aufweist.
8. Ritzelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wellenteil (15) an beiden Enden eine an sich bekannte
Hirth-Verzahnung (17, 18) aufweist, die in entsprechende
Hirth-Verzahnungen der Endenbereiche (18, 21) des Wellenstückes (25) des
Zahnradelementes (20) und des Laufrades (22) eingreifen und eine durch
das Laufrad (22) und des Wellenteiles (16) sich erstreckende und zwei
Gewindeabschnitte (24, 25) aufweisende Dehnschraube (23) im Wellenstück
(25) des Zahnradelementes (20) verankert ist und mittels einer auf der
Laufradseite (27) auf dem Gewindeteil (25) der Dehnschraube (23)
aufschraubbaren Mutter (28) das Wellenteil (15) und das Laufrad (22) gegen
das Wellenstück (25) des Zahnradelementes (20) verspannbar ist.
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