DE9218208U1

DE9218208U1 - Zweistufiges getriebe fuer turbomaschinen

Info

Publication number: DE9218208U1
Application number: DE9218208U
Authority: DE
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2002-08-26

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte ir» Essen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein zweistufiges Getriebe für Turbomaschinen mit Getriebegehäuse, mit einer niedertourigen Anschlußwelle und mindestens einer hochtourigen Rotorwelle zum Anschluß eines Laufrades, mit einem Stirnradsatz, das ein auf der Anschlußwelle angeordnetes Zentralrad und mindestens eine Ritzelwelle mit Ritzel aufweist, wobei das Ritzel mit dem Zentralrad kämmt, und mit einer zweiten Getriebestufe, die in einem hohen Drehzahlbereich arbeitet, wobei die zweite Getriebestufe mindestens einen Getrieberadsatz aufweist, der an die Ritzelwelle angeschlossen ist und die Rotorwelle enthält. Das Getriebe ist sowohl für Turboverdichter als auch für Turbinen bestimmt, wobei die Turbomaschinen einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein können. Die Anschlußwelle ist in der Regel durch eine Kupplung mit einer An- oder Abtriebsmaschine verbunden. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, die Anschlußwelle an eine vorgeschaltete Getriebeeinheit anzuschließen, so daß das beschriebene zweistufige Getriebe insofern eine Getriebeendstufe bildet. Für die Drehzahl der Rotorwelle und die von der Rotorwelle übertragbare Wellenleistung ergeben sich Obergrenzen, die durch die maximale Leistungsdichte des Getriebes festgelegt sind. Die Leistungsdichte ist definiert als das Produkt der von der Rotorwelle übertragenen Wellenleistung und dem Quadrat der Rotorwellendrehzahl.

Aus EP-A-O 440 902 ist ein zweistufiges Getriebe für Turbomaschinen mit den eingangs beschriebenen Merkmalen bekannt, welches als Stirnradgetriebe mit Stirnradsätzen in beiden Getriebestufen ausgebildet ist. Die mit einem Stirnrad-

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getriebe erreichbare Leistungsdichte ist aufgrund einer für Stirnradgetriebe charakteristischen proportionalen Kopplung von Wellenleistung, Verzahnungsgeschwindigkeit und Lagerbelastung begrenzt. Die Obergrenze der übertragbaren Leistungsdichte von Stirnradgetrieben liegt pro Verzahnungsein-

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griff etwa bei 2,5 &khgr; 10 kW/min . Leistungsdichten im Be-

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reich zwischen 1,8 &khgr; 10 kW/min und 2,5 &khgr; 10 kW/min

sind bereits konstruktiv und fertigungstechnisch nur schwer beherrschbar. Die begrenzten Leistungsdichten von Stirnradgetrieben führen bei der Auslegung von hochtourigen Turbomaschinen großer Leistung zu beachtlichen Zwängen.

Zwei- und mehrstufige Planetengetriebe mit koaxial hintereinander angeordneten Planetenradsätzen haben gegenüber zweistufigen Stirnradgetrieben keine Vorteile. Das Übersetzungsverhältnis pro Stufe ist relativ klein. Die Konstruktion zwei- und mehrstufiger Planetengetriebe ist aufwendig, wobei Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen zu ungleichmäßiger Leistungsverzweigung führen. Anders als bei einem einstufigen Planetengetriebe ist eine ungleichmäßige Leistungsverzweigung in einem zwei- oder mehrstufigen Planetengetriebe nur schlecht kompensierbar. Das mindert die erreichbare Leistungsdichte, die hohen Anforderungen ebenfalls nicht genügt. Für mehrstufige Turbomaschinen sind zwei- und mehrstufige Planetengetriebe schließlich auch deshalb ungeeignet, da jeder Rotorwelle ein separates zwei- oder mehrstufiges Getriebe zugeordnet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für ein- und mehrstufige Turbomaschinen geeignetes Getriebe anzugeben, das bei großem Übersetzungsverhältnis eine Leistungsübertra-

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gung mit großer Leistungsdichte pro Rotorwelle ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem zweistufigen Getriebe der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Getrieberadsatz der zweiten Getriebestufe als Planetenradsatz mit Hohlrad, mindestens drei Planetenrädern und Sonnenrad ausgebildet ist, wobei der langsamlaufende Teil des Planetenradsatzes auf einem freien Wellenende der Ritzelwelle des Stirnradsatzes in fliegender Lagerung befestigt ist, daß die Rotorwelle einerseits durch den Verzahnungseingriff zwischen Sonnenrad und Planetenrädern und andererseits am Planetenradträger gelagert ist und daß auf der Rotorwelle das Laufrad in fliegender Lagerung befestigt ist. Die maximale Leistungsdichte tritt bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Getriebe an dem Sonnenrad des Planetenradsatzes auf und wird nahezu querkraftfrei auf die Planetenräder, von denen mindestens drei vorgesehen sind, verzweigt. Die Lagerung der hochtourigen Rotorwelle wird nicht durch leistungsabhängige Querkräfte belastet, so daß große Lagerumfangsgeschwindigkeiten technisch gut beherrschbar sind. Die von dem Stirnradsatz zu übertragende Leistungsdichte ist um den

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Faktor l/i kleiner, wobei i das Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes bezeichnet. Der Stirnradsatz mit seinen leistungsabhängigen Lagerbelastungen kann folglich mit technisch ohne weiteres beherrschbarer Lager- und Verzahnungsgeschwindigkeit sowie Lager- und Verzahnungskräften ausgelegt werden.

Für die weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Getriebes bestehen verschiedene Möglichkeiten. Eine erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Hohlrad des Pia-

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netenradsatzes auf der Ritzelwelle des Stirnradsatzes angeordnet ist und daß die Planetenräder an einem Planetenradträger gelagert sind, der drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform kann die zweite Getriebestufe mit einem Übersetzungsverhältnis bis zu

&igr; _TT = 11 ausgelegt werden. Gemäß einer zweiten Ausfühmaxll ^ ^

rungsform sind die Planetenräder des Planetenradsatzes an einem Planetenradträger gelagert, der auf der Ritzelwelle des Stirnradsatzes angeordnet ist, wobei das Hohlrad drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist. Für die zweite Getriebestufe ist mit dieser Ausführungsform ein Übersetzungsverhältnis bis zu i _TT = 12 erreichbar.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ist insbesondere für zwei- und mehrstufige Turbomaschinen geeignet. Im Hinblick auf die Verwendung des Getriebes bei zwei- und mehrstufigen Turbomaschinen lehrt die Erfindung, daß an beiden Wellenenden der Ritzelwelle des Stirnradsatzes Planetenradsätze angeschlossen sind, die jeweils eine Rotorwelle und ein daran angeschlossenes Laufrad enthalten. Die beiden an den Wellenenden der Ritzelwelle angeschlossenen Planetenradsätze können unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen, so daß mit nur einer Ritzelwelle unterschiedliche Rotordrehzahlen in zwei Turbomaschinenstufen realisiert werden können. Dadurch ergeben sich Optimierungsmöglichkeiten bei der Auslegung der Turbomaschinenstufen mit der Folge, daß optimale Stufenwirkungsgrade erreicht werden können. Weist die Turbomaschine mehr als zwei Stufen auf, so kann dies bei dem erfindungsgemäßen Getriebe dadurch berücksichtigt werden, daß am Umfang des Zentralrades zwei oder mehr Ritzelwellen mit Ritzel angeordnet sind, wobei die mit dem Zentralrad kämmen-

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den Ritzel unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen und daß an die Wellenenden der weiteren Ritzelwellen Planetenradsätze jeweils mit einer Rotorwelle und einem Laufrad oder unmittelbar Laufräder angeschlossen sind.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre sind darin zu sehen, daß das Getriebe große Übersetzungsverhältnisse erlaubt und zugleich eine Leistungsübertragung mit großer Leistungsdichte möglich ist. Die Vorteile dieses Getriebes kommen vor allem dann zum Tragen, wenn Leistungsdichten von mehr als

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1,8 &khgr; 10 kW/min erforderlich sind. Leistungsdichten von

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mehr als 2,5 &khgr; 10 kW/min sind mit dem erfindungsgemäßen Getriebe erreichbar. Das erfindungsgemäße Getriebe zeichnet sich ferner dadurch aus, daß es weitestgehend aus standardisierten und in der Praxis bewährten Maschinenelementen aufgebaut ist, die sowohl statisch als auch maschinendynamisch sicher beherrschbar sind. Das erfindungsgemäße Getriebe bildet ein kompaktes Bauteil, das in der Turbomaschine integrierbar ist, wobei die Turbomaschinenstufen und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
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Fig. 1 den Teilfugenschnitt eines zweistufigen Getriebes für eine Turbomaschine,

Fig. 2 die Wälzkreise der Getrieberadsätze des in Fig. 1 dargestellten Getriebes und

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Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Getriebes, ebenfalls im Teilfugenschnitt.

Das in den Figuren dargestellte Getriebe für eine Turbomaschine weist seinem grundsätzlichen Aufbau nach ein Getriebegehäuse 1, eine niedertourige Anschlußwelle 2, mindestens; eine hochtourige Rotorwelle 3 mit Laufrad 4 sowie zwei^; Getriebestufen 5, 6 auf. Die Anschlußwelle 2 ist über eine Kupplung an einen Antriebsmotor oder eine Abtriebsmaschine anschließbar. Die erste Getriebestufe 5 wird von einem Stirnradsatz mit einem auf der Anschlußwelle 2 angeordneten Zentralrad 7 und mindestens einer Ritzelwelle 8 mit Ritzel 9 gebildet. Das Ritzel 9 kämmt mit dem Zentralrad 7. Die zweite Getriebestufe 6 arbeitet in einem hohen Drehzahlbereich und weist mindestens einen Getrieberadsatz auf, der an die Ritzelwelle 8 angeschlossen ist und die Rotorwelle 3 enthält. Der Getrieberadsatz der zweiten Getriebestufe 6 ist als Planetenradsatz mit Hohlrad 10, mindestens drei Planetenrädern 11 und Sonnenrad 12 ausgebildet (Fig. 1 und 2).

Das Sonnenrad 12 ist auf der Rotorwelle 3 angeordnet. Der langsamlaufende Teil des Planetenradsatzes ist von der Ritzelwelle 8 antreibbar und in fliegender Lagerung auf einem freien Wellenende der Ritzelwelle befestigt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Getriebe läuft das Hohlrad 10 um und bildet den langsamlaufenden Teil des Planetenradsatzes. Die Planetenräder 11 sind an Bolzen 13 eines Planetenradträgers 14 gelagert, der drehfest mit dem Getriebegehäuse 1 verbunden ist. Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch eine Ausführungsform, bei der das Hohlrad drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist und der Planetenradträger auf der Ritzelwelle des Stirnradsatzes angeordnet ist und den

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langsam umlaufenden Teil des Planetenradsatzes bildet. Diese Ausführungsform wurde zeichnerisch nicht dargestellt.

Der Fig. 1 entnimmt man, daß die Rotorwelle 3 einerseits durch den Verzahnungseingriff zwischen Sonnenrad 12 und Planetenrädern 11 und andererseits an einem Kippsegmentlager 15: gelagert ist. Das Kippsegmentlager 15 ist im Planetenradträger 14 gehalten. Das Laufrad 4 ist in fliegender Lagerung auf der Rotorwelle 3 befestigt.

Der Stirnradsatz 5, bestehend aus Anschlußwelle 2 mit Zentralrad 7 und Ritzelwelle 8 mit Ritzel 9, ist in dem Getriebegehäuse 1, welches horizontal teilbar ist, an vier Lagern 16, 17 gelagert. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Wellenende der Ritzelwelle 8 mit einem Planetenradsatz 10 bis 14 verbunden. Das in Fig. 3 dargestellte Getriebe ist für eine zweistufige Turbomaschine bestimmt. Das Getriebe unterscheidet sich von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, daß an beiden Wellenenden der Ritzelwelle des Stirnradsatzes Planetenradsätze angeschlossen sind, die jeweils eine Rotorwelle mit Laufrad enthalten. Die beiden an den Wellenenden der Ritzelwelle angeschlossenen Planetenradsätze weisen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf. Mit nur einer Ritzelwelle sind unterschiedliche Rotordrehzahlen in den Turbomaschinenstufen realisierbar. Dies eröffnet weitere Möglichkeiten, die Auslegung der Turbomaschinenstufen zu optimieren und höhere Stufenwirkungsgrade zu erreichen.

Ist das Getriebe für Turbomaschinen mit mehr als zwei Turbomaschinenstufen bestimmt, so sind am Umfang des Zentralrades

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zwei oder mehr Ritzelwellen mit Ritzel angeordnet, wobei die mit dem Zentralrad kämmenden Ritzel unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen. An die Wellenenden der weiteren Ritzelwellen sind ebenfalls Planetenradsätze mit Rotorwelle und Laufrad angeschlossen. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, an Wellenenden der zweiten und weiteren Ritzelwellen Laufräder unmittelbar anzuschließen. Die konstruktive Gestaltung eines solchen, für Turbomaschinen mit mehr als zwei Stufen bestimmten Getriebes ist anhand der in Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele ohne weiteres verständlich.

Claims

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte:, in Es§en Schutzansprüche

1. Zweistufiges Getriebe für Turbomaschinen mit
Getriebegehäuse (1),

einer niedertourigen Anschlußwelle (2) und mindestens einer hochtourigen Rotorwelle (3) zum Anschluß eines Laufrades (4),

einem Stirnradsatz (5) mit einem auf der Anschlußwelle (2) angeordneten Zentralrad (7) und mindestens einer Ritzelwelle (8) mit Ritzel (9), das mit dem Zentralrad (7) kämmt, und

einer zweiten Getriebestufe (6), die in einem hohen Drehzahlbereich arbeitet,

wobei die zweite Getriebestufe (6) mindestens einen Getrieberadsatz aufweist, der an die Ritzelwelle (8) angeschlossen ist und die Rotorwelle (3) enthält, dadurch gekennzeichnet , daß der Getrieberadsatz der zweiten Getriebestufe (6) als Planetenradsatz mit Hohlrad (10), mindestens drei Planetenrädern (11) und Sonnenrad (12) ausgebildet ist, wobei der langsamlaufende Teil des Planetenradsatzes (10 bis 14) auf einem freien Wellenende der Ritzelwelle (8) des Stirnradsatzes in fliegender Lagerung befestigt ist, daß die Rotorwelle (3) einerseits durch den Verzahnungseingriff zwischen Sonnenrad (12) und Planetenrädern (11) und andererseits am Planetenradträger (14) gelagert ist und daß auf der Rotorwelle (3) das Laufrad (4) in fliegender Lagerung befestigt ist.

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2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (10) des Planetenradsatzes auf der Ritzelwelle (8) des Stirnradsatzes (5) angeordnet ist und daß die Planetenräder (11) an einem Planetenradträger (14) gelagert sind, der drehfest mit dem Getriebegehäuse (1) verbunden ist.

3. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (11) des Planetenradsatzes an einem Planetenradträger (14) gelagert sind, der auf der Ritzelwelle (8) des Stirnradsatzes (5) angeordnet ist, und daß das Hohlradi (10) drehfest mit dem Getriebegehäuse (1) verbunden ist.

4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Wellenenden der Ritzelwelle

(8) des Stirnradsatzes Planetenradsätze (10 bis 14) angeschlossen sind, die jeweils eine Rotorwelle (3) und ein daran angeschlossenes Laufrad (4) enthalten.

5. Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an den Wellenenden der Ritzelwelle (8) angeschlossenen Planetenradsätze (10 bis 14) unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen.

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Zentralrades (7) zwei oder mehr Ritzelwellen (8) mit Ritzel (9) angeordnet sind, wobei die mit dem Zentralrad (7) kämmenden Ritzel (9) unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, und daß an die Wellenenden der weiteren Ritzelwellen (8) Planetenradsätze (10 bis 14) mit Rotorwellen (3) für Laufräder (4) oder unmittelbar Laufräder (4) angeschlossen sind.