DE4425345A1 - Anordnung mit mindestens einem Axialnadeldrehkranz als drehbewegliches Lagerelement in einem Drehschieber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach den Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Entnahmeturbinen sind axial wirkende Drehschieber den be­ vorzugt eingesetzten Steuerventilen wegen ihres relativ ein­ fachen Aufbaus und ihres höheren Wirkungsgrades deutlich überlegen. Andererseits muß bei bis jetzt realisierten Dreh­ schieber-Konstruktionen ein Drehring als ein ungeschmiertes, heißes und sich evtl. verziehendes Bauteil auf einem Festring gleiten, wobei der bei geschlossenem Drehschieber entstehende Dampfdruck eine hohe Gleitreibung verursacht. Hierdurch sind nicht nur große Antriebskräfte zur Betätigung des Drehrings erforderlich, sondern es tritt auch ein entsprechend starker Verschleiß an den Reibungsflächen auf. Es gilt somit diesen Schwachpunkt, der sich durch eine verminderte Zuverlässigkeit recht negativ bemerkbar macht, zu beseitigen.

Aus der DE 42 14 775 A1 ist bereits ein Drehschieber bekannt, bei dem mit Hilfe von Axialnadeldrehkränzen die Gleitreibung des Drehrings weitgehend durch eine Rollenreibung abgelöst wird. Wesentlich für die Montage des Drehschiebers ist, daß der zugehörige Axialnadeldrehkranz axial geteilt und die bei­ den Teile nach ihrem Einbau in das Turbinengehäuse auch wie­ der verbunden werden müssen. In der genannten Schrift wird diesbezüglich in Anlehnung an äquivalente Konstruktionen auf die Möglichkeit verwiesen, eine Verbindung über Teilfugen­ flansche herzustellen. Schraubverbindungen dieser Art wären aber bei einem Axialnadeldrehkranz nicht nur schwer zugäng­ lich, sondern auch bezüglich ihrer konstruktiven Ausführung recht problematisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 so zu verbessern, daß zwischen dem Drehring und dem Festring ein einfach aufgebautes und leicht montier- oder demontierbares Rollenlager geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Im Gegensatz zu handelsüblichen Axialnadelkränzen, bei denen ein Rollenkäfig mit umgebogenen Kanten zur Aufnahme der Rol­ len dient, kommt der erfindungsgemäße Axialnadeldrehkranz mit einem einfachen Blechring als Basiselement aus. Zur Aufnahme der Rollen dienen im Blechring ausgeschnittene, radial angeordnete, im wesentlichen rechteckige Rollenkammern. Für eine einfache Montage und Demontage des Axialnadeldrehkranzes ist von erheblicher Bedeutung, daß die Teilungsenden des Un­ terteils des Axialnadeldrehkranzes einerseits und des Ober­ teils des Axialnadeldrehkranzes andererseits eine sie verbin­ dende schraublose Verklammerung ermöglichen.

In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht eine be­ züglich Herstellung und Montage besonders vorteilhafte Art zur Realisierung einer schraublosen Verklammerung darin, daß am Unterteil des Axialnadeldrehkranzes an beiden Enden über die Lage der Teilfuge hinausragende kopfförmige Haltezapfen vorgesehen sind, die in entsprechende Kopflöcher des Ober­ teils des Axialnadeldrehkranzes passen und bei der Montage axial zum Turbinenrotor einsteckbar sind.

Durch ein Verstemmen der beidseitigen Öffnungen der Rollen­ kammern bei eingelegten Nadelrollen werden diese am Heraus­ fallen aus den Rollenkammern gehindert. Das Verstemmen muß so erfolgen, daß der durch die Rollenrundung an den Außenkanten entstehende Freiraum teilweise geschlossen wird, ohne daß hierbei die Drehbeweglichkeit der Nadelrollen eingeschränkt wird. Anschrägungen im Bereich der Teilfuge der Axialnadel­ drehkranzteile sorgen dafür, daß sich die Teile bei ihren Drehbewegungen nicht verhaken.

In einer wesentlichen Weiterbildung des Erfindungsgegenstan­ des ist vorgesehen, daß nur ein Axialnadeldrehkranz als Lage­ relement für den Drehschieber dient. Hierdurch ergibt sich nicht nur eine Einsparung eines weiteren Axialnadeldrehkran­ zes, sondern auch ein Wegfall zusätzlicher Arbeitsgänge zur Erstellung einer weiteren Lagernut in mindestens einem der beiden Drehschieberringe. Weiterhin erreicht man durch die spezielle Lage des Axialnadeldrehkranzes in einer Lagernut, die die Strömungskanäle des Drehschiebers in angemessenem Ab­ stand umschließt, daß mögliche Verformungen des Drehrings we­ sentlich geringer sind im Vergleich zu einer möglichen Anord­ nung des Axialnadeldrehkranzes im Bereich zwischen den Strö­ mungskanälen und dem Turbinenrotor. Schließlich kann durch eine geeignete Ausbildung des Festrings und des Drehrings er­ reicht werden, daß im Bereich zwischen den Strömungskanälen einerseits und dem Turbinenrotor andererseits ein Gleitrei­ bung vermeidender, an wechselnde Druckverhältnisse angepaß­ ter, schmaler Trennspalt entsteht.

Dadurch, daß der Festring, nicht jedoch der Drehring, im Be­ reich des Turbinenrotors Dichtungselemente aufweist, ist es möglich beide Drehschieberringe so zu bemessen, daß der schmale, zwischen Dreh- und Festring liegende Spalt bei sich änderndem Druck vorgegebene Grenzwerte nicht unter- und nicht überschreitet. Weil die Dichtungselemente auf den Festring beschränkt sind, hat dieser einen höheren Dampfdruck aufzu­ nehmen als der Drehring. Durch geeignete Bemessung der jewei­ ligen Wandstärke der beiden Drehschieberringe und die Länge der radialen Erstreckung des Drehrings kann eine optimale Be­ messung des schmalen Trennspaltes erreicht werden. Die ge­ samten axialen Druckkräfte werden somit von dem Axialnadel­ drehkranz aufgenommen.

Damit beim Öffnen und Schließen des Drehschiebers eine exakte Ausrichtung seiner Düsenprofile erreicht wird, ist der Fest­ ring oder der Drehring mit einem Zentrierring versehen, der in eine Zentriernut des anderen Drehschieberrings eingreift und den Drehring gegen radiale Verschiebungen sichert.

Ein weiterer konstruktiver Vorteil wird dadurch erreicht, daß die Zentriernut zum Außenumfang des Drehschiebers hin offen ist und die Lagernut sich zum Turbinenrotor hin an die Zen­ triernut anschließt. Die beiden von außen gut zugänglichen, ineinander übergehenden Nuten erleichtern die Bearbeitung.

Um die Bearbeitung der Nuten im wesentlichen auf einen der beiden Drehschieberringe beschränken zu können, ist es zweck­ mäßig wegen seiner größeren Wandstärke hierfür den Festring auszuwählen.

Eine sehr zweckmäßige Methode zum Verbinden der beiden Dreh­ schieberringe besteht darin, daß der Drehring durch Spann­ schrauben am Festring gehalten ist und im Schraubenbereich Langlöcher aufweist, die sich entlang des von ihm genutzten Drehwinkels erstrecken. Vorteilhaft ist es, wenn dabei die Spannschrauben den Drehring im Bereich des Zentrierrings durchdringen und diesen am Drehring axial fixieren.

Von ganz besonderer Bedeutung sind die Spannschrauben erst mit Hilfe untergelegter Blattfedern, da diese es ermöglichen eine definierte axiale Vorspannung auf den Drehring aus­ zuüben. Durch diese Vorspannung wird Schlupf während des Stellvorganges zwischen den beiden Drehschieberringen und den Nadelrollen vermieden. Außerdem ist für ein einwandfreies ki­ nematisches Abrollen der Nadelrollen eine ständig wirkende axiale Mindestlast erforderlich.

Damit sich die Spannschrauben nicht durch Erschütterungen aus ihrer auf eine optimale Vorspannung eingestellten Stellung lösen können, ist es zweckmäßig sie durch Sicherungswinkel gegen Verdrehen zu sichern. Die Sicherungswinkel ihrerseits kann man durch Halteschrauben am Festring fixieren.

Bezüglich der Herstellung des Axialnadeldrehkranzes ist noch festzustellen, daß die Rollenkammern mit einem Laserstrahl geschnitten sind und die Trennung der beiden Axialnadeldreh­ kranzteile im Bereich der Teilfuge entlang einer die Verklam­ merungselemente bildenden Kontur durch Drahterosion erfolgt, wodurch eine hohe Paßgenauigkeit erreicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Die obere Hälfte eines Drehschiebers mit Turbinen­ rotor seitlich im Schnitt,

Fig. 2 einen Axialnadeldrehkranz in Draufsicht,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Axialnadeldrehkranz nach Fig. 2, seitlich im Schnitt, entlang der Schnittli­ nie A-A,

Fig. 4 einen ungeteilten Drehschieber im Grundaufbau,

Fig. 5a einen ungeteilten Drehschieber nach der Einarbei­ tung von Nuten vor dem Schnitt,

Fig. 5b einen in einen Drehring und einen Festring geteil­ ten Drehschieber nach dem Schnitt,

Fig. 6 einen aus einen Drehring und einen Festring wieder zusammengefügten Drehschieber,

Fig. 7 einen komplett montierten Drehring seitlich im Schnitt, entlang der Schnittlinie B-B nach Fig. 8,

Fig. 8 den Drehring nach Fig. 7 in Draufsicht,

Fig. 9 einen Ausschnitt aus einem Drehschieber mit einer Spannschraube, seitlich im Schnitt, entlang der Schnittlinie C-C nach Fig. 8.

Der in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines Dreh­ schiebers 1 verzichtet auf Details. Man erkennt einen Fest­ ring 1a und einen Drehring 1b als die beiden wichtigsten Teile des Drehschiebers 1. Die Trennungslinie zwischen diesen beiden Drehschieberteilen 1a, 1b teilt auch Strömungskanäle 4 bildende Düsenprofile 24, von denen eines im Schnitt angedeu­ tet ist, in zwei Hälften. In einer relativ großen, primär im Festring 1a ausgesparten Zentriernut 16 liegt ein mit dem Drehring 1b verbundener Zentrierring 15, der für eine radiale Zentrierung der beiden Drehschieberteile 1a, 1b zueinander sorgt. In Richtung zum Turbinenrotor 5, dessen obere Hälfte ebenfalls dargestellt ist, schließt sich eine im Festring 1a ausgesparte Lagernut 3 an, in der sich ein Axialnadeldreh­ kranz 2 befindet.

Der gesamte auf den Drehring 1b wirkende Druck wird vom Axi­ alnadeldrehkranz 2 aufgenommen und an den Festring 1a weiter­ gegeben. Das bedeutet, daß beidseitig des Axialnadeldrehkran­ zes 2 ein Trennspalt 7 ausgebildet ist, der dafür sorgt, daß es in diesen Bereichen nicht zu einer Gleitreibung kommt. Von besonderer Bedeutung ist hierbei der Trennspalt 7 im Bereich zwischen dem Axialnadeldrehkranz 2 und dem Turbinenrotor 5. Dichtungselemente 6 sorgen dafür, daß die auf den Festring 1a wirkende Druckdifferenz die des Drehrings 1b überschreitet. Durch entsprechende Dimensionierung dieser beiden Teile wird erreicht, daß sich auch bei steigendem Druck der Trennspalt 7 nicht schließt, andererseits aber auch nicht in unzulässiger Weise öffnet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Aufbau eines Axialnadeldrehkran­ zes 2 der für gute Eigenschaften beim Verstellen des Dreh­ schiebers 1 und für dessen Zuverlässigkeit von wesentlicher Bedeutung ist. Als Grundelement dient ein ca. 4 mm Blechring 8, in den radial ausgerichtete, rechteckige Rollenkammern 9 mit einem Laserstrahl geschnitten sind, die ihrerseits Nadelrollen 10 aufnehmen. Durch ein nicht dargestelltes Verstemmen der äußeren Kanten in den beidseitigen Öffnungen der Rollenkammern 9 werden die eingelegten Nadelrollen 10 am Heraus fallen gehindert.

Wie die übrigen Teile des Drehschiebers 1, muß auch der Axi­ alnadeldrehkranz 2 für seinen späteren Einbau in eine Turbine entlang der Teilfuge in ein Unterteil des Axialnadeldrehkran­ zes 2a und ein Oberteil des Axialnadeldrehkranzes 2b getrennt werden. Damit die beiden Teile beim Einbau wieder zusammenge­ fügt werden können, sind am Unterteil des Axialnadeldrehkran­ zes 2a kopfförmige Haltezapfen 14 angeformt, die über die Teilfuge hinausragen und in entsprechende Kopflöcher 13 des Oberteils des Axialnadeldrehkranzes 2b passen und axial ein­ steckbar sind. Schließlich sorgen Anschrägungen 12 noch da­ für, daß sich die Enden von Ober- und Unterteil nicht beim Drehen verhaken können.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen den Ablauf bei der Herstellung eines Drehschiebers 1. Bis zu dem in Fig. 4 dargestellten Stadium kann der Aufbau ähnlich wie bei einem Leitboden erfolgen. Hierbei liegen Düsenprofile 24 zwischen einem Blechinnenring 36 und einem Blechaußenring 37, und diese Anordnung liegt ih­ rerseits zwischen einem Innenring 25 und einem Außenring 26.

Das in Fig. 5 dargestellte anschließende Einbringen der Zen­ triernut 16, der Lagernut 3, und einer Federnut 39 erfolgt im vorliegenden Fall noch vor der Durchführung des Schnittes, kann aber im Prinzip auch nach diesem erledigt werden. Die Anordnung der Nuten und die Lage der Schnittlinie müssen grundsätzlich aufeinander abgestimmt werden, wie das in der die Trennung der Drehschieberteile demonstrierenden Fig. 5b dargestellt ist. Der Drehring 1b wird bei Bedarf zum Turbi­ nenrotor 5 hin auf einen größeren Innenradius gekürzt.

In Fig. 6 sind Drehring 1b und Festring 1a wieder zusammenge­ fügt und am Drehring 1b ist ein Zentrierring 15 mit Befesti­ gungsschrauben 27 befestigt. Das Verbinden der Teile ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Nach dem Einlegen des Axialna­ deldrehkranzes 2 werden im Bereich des Zentrierrings 15 Spannschrauben 17 mit untergelegten Blattfedern 19 und Unter­ legscheiben 35 eingeschaubt, die durch die Federkraft eine definierte Vorspannung erzeugen. Ein seitlich am Festring 1a mit einer Halteschrauben 34 fixierter Sicherungswinkel 20 si­ chert die Stellung der Spannschrauben 17. Weitere Details dieser Konstruktion verdeutlicht Fig. 9. Den Spannschrauben 17 zugeordnete Langlöcher 18 ermöglichen dem Drehring 1b eine Drehbeweglichkeit in dem vorgesehenen Winkelbereich.

Bezugszeichenliste

Drehschieber (1)
Festring (1a)
Drehring (1b)
Axialnadeldrehkranz (2)
Unterteil des Axialnadeldrehkranzes (2a)
Oberteil des Axialnadeldrehkranzes (2b)
Lagernut (3)
Strömungskanäle (4)
Turbinenrotor (5)
Dichtungselemente (6)
Trennspalt (7)
Blechring (8)
Rollenkammern (9)
Nadelrollen (10)
Teilfuge (11)
Anschrägungen (12)
Kopflöcher (13)
Haltezapfen (14)
Zentrierring (15)
Zentriernut (16)
Spannschrauben (17)
Langlöcher (18)
Blattfedern (19)
Sicherungswinkel (20)
Düsenprofile (24)
Innenring (25)
Außenring (26)
Befestigungsschrauben (27)
Halteschrauben (34)
Unterlegscheibe (35)
Blechinnenring (36)
Blechaußenring (37)
Rotormitte (38)
Federnut (39)

Claims (15)

1. Anordnung mit mindestens einem aus einem Unterteil (2a) und einem Oberteil (2b) bestehenden Axialnadeldrehkranz (2) als drehbewegliches Lagerelement in einem Drehschieber (1) zwischen dessen gehäusefest montierten Festring (1a) und dessen eine Öffnungs- und eine Schließstellung ermöglichenden Drehring (1b), zur Anwendung bei einer Turbomaschine, insbe­ sondere bei einer Dampfturbine mit einem Drehschieber (1) als einstellbares Regelorgan für eine Dampfentnahme, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Axialnadeldrehkranz (2) einen Blechring (8) besitzt, der radial angeordnete Durchbrüche aufweist, die als Rollenkammern (9) zur Aufnahme von Nadelrollen (10) die­ nen, die beidseitig etwas über die Außenflächen des Blechrings (8) hinausragen und daß der Axialnadeldrehkranz (1) im Bereich der Teilfuge (11) des Drehschiebers (1) so ge­ teilt ist, daß die Teilungsenden des Unterteils des Axialna­ deldrehkranzes (2a) einerseits und des Oberteils des Axialna­ deldrehkranzes (2b) andererseits eine sie verbindende schraublose Verklammerung (12, 13) ermöglichen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verklammerung am Unterteil des Axialnadeldrehkranzes (2a) an beiden Enden über die Lage der Teilfuge (11) hinaus­ ragende kopfförmige Haltezapfen (14) vorgesehen sind, die in entsprechende Kopflöcher (13) des Oberteils des Axialnadel­ drehkranzes (2b) passen und bei der Montage axial zum Turbi­ nenrotor (5) einsteckbar sind.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Verstemmen der beidsei­ tigen Öffnungen der Rollenkammern (9) bei eingelegten Nadel­ rollen (10), diese am Herausfallen aus den Rollenkammern (9) gehindert sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialnadeldrehkranzteile (2a, 2b) im Bereich der Teilfuge (11) Anschrägungen (12) auf­ weisen, die bei Drehbewegungen ein Verhaken verhindern.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Axialnadeldrehkranz (1) als Lagerelement dient und eine ihn aufnehmende Lagernut (3) in einem der beiden Drehschieberringe (1a, 1b) oder in beiden gemeinsam so angeordnet ist, daß sie die Strömungskanäle (4) des Drehschiebers (1) in angemessenem Abstand umschließt, und daß der Festring (1a) und der Drehring (1b) im Bereich zwi­ schen den Strömungskanälen (4) einerseits und dem Turbinenro­ tor (5) andererseits so ausgebildet sind, daß zwischen ihnen ein Gleitreibung vermeidender, an wechselnde Druckverhält­ nisse sich anpassender, schmaler Trennspalt (7) entsteht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Festring (1a) oder der Drehring (1b) mit einem Zen­ trierring (15) versehen ist, der in eine Zentriernut (6) des anderen Drehschieberrings (1a, 1b) eingreift und den Drehring (1b) gegen radiale Verschiebungen sichert.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentriernut (16) zum Außenumfang des Drehschiebers (1) hin offen ist und die La­ gernut (3) sich zum Turbinenrotor (5) hin an die Zentriernut (16) anschließt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentriernut (16) und die Lagernut (3) im wesentlichen in dem Festring (1a) ausge­ spart sind.

9. Anordnung nach Anspruch einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehring (1b) durch Spannschrauben (17) am Festring (1a) gehalten ist und im Schraubenbereich Langlöcher (18) aufweist, die sich entlang des von ihm genutzten Drehwinkels erstrecken.

10. Anordnung nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschrauben (17) den Drehring (1b) im Bereich des Zentrierrings (15) durchdringen und diesen am Drehring (1b) axial fixieren.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschrauben (17) mit Hilfe untergelegter Blattfedern (19) eine definierte axiale Vorspannung auf den Drehring (1b) ausüben.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschrauben (17) in ihrer auf eine optimale Vorspannung eingestellten Stellung durch Sicherungswinkel (20) gegen Verdrehen gesi­ chert sind.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungswinkel (20) durch Halteschrauben (34) am Festring (1a) fixiert sind.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenkammern (9) mit einem Laserstrahl geschnitten sind.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der beiden Axialna­ deldrehkranzteile (2a, 2b) im Bereich der Teilfuge entlang einer die Verklammerungselemente (13, 14) bildenden Kontur durch Drahterosion erfolgt.