DE4338475A1 - Wellen-Nabenverbindung mit einer Leichtmetall-Nabe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellen-Nabenverbindung für strömungstechnische Laufräder, bei der eine Nabe aus Leichtmetall oder Kunststoff auf eine Stahlwelle aufge­ formt ist, insbesondere für Pumpen- oder Turbinenräder einer hydraulischen Kupplung oder für Verdichter- oder Fan-Laufräder von Gasturbinen.

Es kann erforderlich sein, aus Gründen der Gewichtser­ sparnis oder der besseren Rotordynamik die Laufräder bei­ spielsweise einer hydraulischen Kupplung oder eines Ver­ dichterrades einer Gasturbine in einem Leichtmetallguß auszuführen, während aus Festigkeitsgründen die entspre­ chende Welle der Laufräder weiterhin in Stahl ausgebildet sein muß. Ein Integralgußlaufrad mit Welle bzw. eine stoffschlüssige Verbindung (Löten, Schweißen, Reib­ schweißen) zwischen Laufrad und Welle ist dann nicht mög­ lich. Um das Drehmoment eines vorgefertigten Leichtme­ tallrades, beispielsweise Aluminium-Laufrades auf die Stahlwelle zu übertragen, wären verschiedene bekannte Wellen-Naben-Verbindungen möglich, die jedoch jeweils entscheidende Nachteile aufweisen. Eine mögliche über Schrauben verspannte Flanschverbindung würde eine uner­ wünschte Gewichtssteigerung verursachen und könnte da­ rüber hinaus zu Unwuchtproblemen führen. Eine an sich be­ kannte Mitnahmeverzahnung mit einer für die Montage üb­ lichen Zentrierung birgt die Gefahr, daß bei hohen Dreh­ zahlen ein Spiel zwischen Laufrad und Welle in Folge von Fliehkraftspannungen sowie ggf. auch unterschiedlichen Wärmedehnungen entsteht, so daß sich ebenfalls Unwucht­ probleme oder auch Verschleiß ergeben können. Die dabei meist zusätzlich erforderliche axiale Fixierung bei­ spielsweise über eine Wellenmutter kann darüber hinaus zu einer unerwünschten Vergrößerung des benötigten Bauraumes führen, die auch eine größere Gewichtserhöhung für das Gesamtgerät bedeuten kann, was insbesondere für Luft­ fahrtanwendungen zu vermeiden ist.

Daher soll das Laufrad bzw. dessen Nabe direkt auf die Stahlwelle aufgeformt, d. h. aufgegossen werden. Hierfür besteht die Nabe aus einem Werkstoff, der eine Schmelz­ temperatur besitzt, die so niedrig ist, daß die warmfe­ steren Materialien der Stahlwelle den Abgieß-Temperaturen schadlos standhalten. Als Beispiel können hierfür Materi­ alpaarungen wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen für die Nabe und insbesondere hochwarmfeste Stähle für die Welle genannt werden. Für eine derartige aufgegossene Verbindung sind jedoch Maßnahmen erforderlich, um eine innige Verbindung zwischen Laufrad bzw. Nabe und Welle unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Derar­ tige Maßnahmen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Neben einer Leichtmetall-Ausführung kann die Nabe aber auch aus Kunststoff bzw. faserverstärktem Kunststoff ge­ fertigt sein, wobei für das Aufformen der Nabe auf die Welle auch die Sintertechnik angewendet werden kann. Auch dabei stellt sich die oben für Leichtmetall-Naben be­ schriebene Problematik.

Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist zu­ mindest je eine in Wellenlängsrichtung sowie in Wellenum­ fangsrichtung verlaufende Ausformung in der Welle vorge­ sehen, die mit dem Material der Nabe eine formschlüssige Verbindung eingeht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind In­ halt der Unteransprüche.

Indem die Nabe mit der Welle eine formschlüssige Verbin­ dung eingeht, sind zusätzliche Elemente für die Drehmo­ mentübertragung, wie beispielsweise Paßfedern oder eine Zahnwelle, die eine weitere axiale Fixierung erfordern würde, nicht notwendig. Eine erfindungsgemäß integral ge­ formte bzw. gegossene formschlüssige Verbindung besitzt besondere Vorzüge in den Fällen, in denen jedes zusätzli­ che Bauteil eine unvertretbare Vergrößerung von Bauraum und Gewicht oder eine negative Beeinträchtigung der Rotordynamik verursachen würde.

Bevorzugt können die Ausformungen als Nuten oder Stege ausgebildet sein. Die Auswahl sowie die genaue Formgebung der Stege bzw. Nuten hängt u. a. von den zu erwartenden Betriebs-Spannungszuständen bzw. vom Betriebs-Wärmedeh­ nungsverhalten der miteinander verbundenen Werkstoffe so­ wie von dem Schrumpfverhalten des aufgegossenen bzw. auf­ geformten Nabenmaterials beim Erkalten ab. Hierbei kann beim Abgießvorgang durch gezielte Wärmezufuhr oder Küh­ lung sowohl die Erstarrung des Gußwerkstoffes gesteuert werden als auch der Wellenwerkstoff so gedehnt oder ge­ schrumpft werden, daß sich nach dem Erkalten ein Gesamt­ spannungszustand einstellt, der im Betrieb ein Lockern bzw. eine durch überhöhte Flächenpressung hervorgerufene plastische Verformung verhindert.

Die mit der Abkühlung des aufgeformten/aufgegossenen Na­ benwerkstoffes auftretende Schrumpfung in Längs- und Um­ fangsrichtung kann durch besondere Formgebung der Ausfor­ mungen (Stege bzw. Nuten) kompensiert werden, so daß dem geschrumpften Material entsprechend weniger Freiraum zur Verfügung steht. Für Nuten und Stege kann dies durch ge­ zielte Gestaltung der Wandneigung erreicht werden, wobei der Neigungswinkel direkt vom Wärmedehnungs- bzw. Schrumpfungsverhalten der verwendeten Werkstoffe abhängt.

Insbesondere mehrere in Wellenlängsrichtung verlaufende Ausformungen können ähnlich einer Mitnahmeverzahnung aus­ gebildet sein. Dies sowie weitere Vorteile der Erfindung geht auch aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Aus­ führungsbeispiele hervor.

Näher erläutert wird die Erfin­ dung anhand der beigefügten Prinzipskizzen, wobei in den Fig. 1, 2, 3a und 3b sowie 4a und 4b Ausführungsbeispiele für verschiedene Laufradtypen dargestellt sind. Ferner werden verschiedene Querschnittsformen von Ausformungen, die zur Drehmomentübertragung vorgesehen sein können, in weiteren Fig. 5a bis 5f sowie verschiedene Wellenlängs­ schnitte zur axialen Festlegung des Laufrads in den Fig. 6a bis 6c gezeigt. Die beispielhaft gezeigten Formele­ mente sind dabei beliebig kombinierbar.

Mit der Bezugsziffer 1 ist stets eine lediglich ab­ schnittsweise dargestellte hohle Stahlwelle bezeichnet, auf die ein Laufrad 2 aufgeformt, insbesondere aufgegos­ sen ist. Die Formgebung der Nabe 3 des Laufrades 2 be­ stimmt sich dabei u. a. durch die Kontur der Welle 1 im Bereich dieser Wellen-Naben-Verbindung.

Um die Nabe 3 bzw. das Laufrad 2 unter allen möglichen Betriebsbedingungen sowohl in axialer als auch in radi­ aler Richtung sicher auf der Welle 1 zu fixieren, ist diese mit zumindest je einer in Wellenlängsrichtung sowie in Wellenumfangsrichtung verlaufenden Ausformung 4 verse­ hen. Dabei können die Ausformungen 4 als Stege 4a, 4b oder als Nuten 4c ausgebildet sein. Diese Ausformungen 4 gehen beim Aufgießen bzw. Aufformen des Laufrades 2 bzw. der Nabe 3 mit dem Material der Nabe 3 eine formschlüs­ sige Verbindung ein. Hierdurch wird die Nabe 3 sicher un­ ter allen Betriebsbedingungen auf der Welle 1 fixiert. Dies gilt insbesondere für hohe Wellendrehzahlen und un­ ter Umgebungsbedingungen, aus denen starke unterschiedli­ che Wärmedehnungen von Welle 1 und Nabe 3 resultieren. Bevorzugt sind dabei die mehreren Ausformungen 4 ähnlich einer Mitnahmeverzahnung angeordnet bzw. ausgebildet, wie die einzelnen Ausführungsbeispiele zeigen.

So ist in Fig. 1 ein Pumpenrad einer hydraulischen Kupp­ lung dargestellt. Die Nabe 3 dieses Pumpenrades 2 ist über Stege 4b in Wellenlängsrichtung gesichert, während Stege 4a die Nabe 3 in Wellenumfangsrichtung fixieren und somit eine sichere Übertragung eines Drehmomentes gewähr­ leisten. Dabei sind zwischen den einzelnen Stegen 4a nicht gezeigte Nuten vorgesehen, die vom Material der Nabe 3 ausgefüllt sind.

Fig. 2 zeigt als weiteres Anwendungsbeispiel ein Fan- Laufrad einer Gasturbine, dessen Welle 1 zwei durch eine umlaufende Nut 4c voneinander beabstandete Stege 4a, 4b aufweist. Selbstverständlich sind in Wellenumfangs­ richtung betrachtet zwischen einander benachbarten Stegen 4a, 4b ebenfalls Nuten vorgesehen, die ebenso wie die Nut 4c vom Material der Nabe 3 ausgefüllt sind.

Die Fig. 3a, 3b zeigen als weiteres Anwendungsbeispiel ein Radialverdichter-Laufrad im Schnitt bzw. in einer Teilaufsicht. Am vorderen und hinteren Ende des Laufrades 2 weist die Welle 1 jeweils Stege 4a auf, die im Umfangs­ richtung verlaufen und durch Nuten 4c unterbrochen sein können, wobei vom vorderen Steg 4a jeweils ein weiterer Steg 4b in die Nabe 3 hineinragt und somit eine verbes­ serte formschlüssige Verbindung zwischen der Nabe 3 und der Welle 1 gewährleistet.

Die Fig. 4a, 4b zeigen ein weiteres Radialverdichterlauf­ rad, das ähnlich Fig. 3a, Fig. 3b ausgebildet ist, wobei jedoch die von Nuten 4c unterbrochenen, in Wellenumfangs­ richtung einander benachbart angeordneten Ausformungen 4a tannenförmig ausgebildet sind.

In den Fig. 5a bis 5f sind verschiedene Querschnittsfor­ men von Ausformungen erläutert, die zur Drehmomentüber­ tragung geeignet sind und daher in Wellenumfangsrichtung einander benachbart angeordnet sind. Fig. 5a zeigt eine passfederähnliche Gestaltung mit Wellennuten 4c, Fig. 5b eine solche mit Wellenstegen 4a, während in Fig. 5c die Welle 1 abschnittsweise vierkantartig abgeflacht wurde und die Ausformungen 4 durch die abgeflachten Bereiche in Zusammenwirken mit den dadurch entstehenden Ecken gebil­ det werden. Das gleiche Prinzip zeigt Fig. 5d mit einem partiellen Sechskantquerschnitt. Schließlich sind in den Fig. 5e, 5f die Ausformungen 4 als Verzahnungen ausgebil­ det und zwar bei Fig. 5e mit Evolventenflanken und bei Fig. 5f mit einer Rundverzahnung.

In den Fig. 6a bis 6c sind verschiedene Wellenlängs­ schnitte zur axialen Festlegung des Laufrades 2 bzw. des­ sen Nabe 3 gezeigt. Bei Fig. 6a ist eine Wellennut 4c vorgesehen, während Fig. 6b einen Wellensteg 4a zeigt, der bei Fig. 6c als konische Querschnittserweiterung aus­ gebildet ist.

Wie eingangs erläutert können die Ausformungen 4 derart ausgebildet sein, daß die mit der Abkühlung des aufgegos­ senen Nabenwerkstoffes auftretenden Schrumpfungen in Längs- und Umfangsrichtung kompensiert werden. Ausfüh­ rungsbeispiele hierfür zeigen die Fig. 7a und 7b, die je­ weils einen Längsschnitt sowie einen Querschnitt zeigen. Dabei sind in Fig. 7a geschrägte Wellennuten 4c und in Fig. 7b geschrägte Wellenstege 4a zur Kompensation der bei einer Abkühlung auftretenden Schrumpfung dargestellt. Jedoch kann dies sowie weitere Details insbesondere kon­ struktiver Art durchaus abweichend gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

1. Wellen-Naben-Verbindung für strömungstechnische Laufräder, bei der eine Nabe (3) aus Leichtmetall oder Kunststoff auf eine Stahl-Welle (1) aufgeformt ist, insbesondere für Pumpen- oder Turbinenräder einer hydraulischen Kupplung oder für Verdichter- oder Fan-Laufräder von Gasturbinen, gekennzeichnet durch zumindest je eine in Wellen­ längsrichtung sowie in Wellenumfangsrichtung verlau­ fende Ausformung (4) in der Welle (1), die mit dem Material der Nabe (3) eine formschlüssige Verbindung eingeht.

2. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformung (4) als Steg (4a, 4b) oder Nut (4c) ausgebildet ist.

3. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren in Wellen­ längsrichtung verlaufenden Ausformungen (4) ähnlich einer Mitnahmeverzahnung ausgebildet sind.

4. Wellen-Naben-Verbindung nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (4) eine wärmedehnungs- oder schrumpfungskompensierende Form haben.