DEP0003336BA - Einrichtung zur Zentrierung eines umlaufenden Teiles auf einem zweiten umlaufenden Teil - Google Patents

Description

Um Läufer, die durch Fliehkräfte wesentlich beansprucht werden, auf eine Welle so aufzusetzen, dass der zentrische Sitz auch beim Lauf erhalten bleibt, ist es üblich, den Läufer mit einem Schrumpf- bzw. Preßsitz zu versehen, der so bemessen ist, dass die dadurch erzielte Vorspannung der durch die Fliehkräfte hervorgerufenen Beanspruchung mindestens das Gleichgewicht hält, der Läufer kann also auf der Welle nicht lose werden. Bei dieser Anordnung muss zum Abziehen des Läufers bei Reparaturen die Nabe wieder erwärmt werden, um den Schrumpf- bzw. Preßsitz zu lösen. Hierzu sind zusätzliche Betriebsmittel erforderlich, die Zeit zum Abziehen wird entsprechend lang und die Sitzflächen können unter Umständen beschädigt werden.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist bereits vorgeschlagen worden, drei oder mehrere am Umfang gleichmässig verteilte Federkeile vorzusehen und den Läufer mit Gleitsitz oder mit Spiel gegenüber der Welle aufzusetzen. Eine exzentrische Verlagerung wird hierbei durch die Keilflanken vermieden, auf welchen die Läufernabe reitet, die sich unter der Wirkung der Fliehkraft infolge Aufweitung im Lauf noch weiter von der Welle abhebt.

Bei dieser Anordnung von mehr als einem Federkeil müssen die übrigen Läufer eingepasst werden, wenn der genannte Zweck erreicht werden soll. Man hat deshalb auch daran gedacht, den in der Nabennut befindlichen Teil des Federkeiles mit schrägen Flanken zu versehen und die Anpassung durch entsprechende Tangentialkeile vorzunehmen. In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ist eine solche Anordnung dargestellt. Mit 1 ist die Welle, mit 2 die Nabe des Läufers bezeichnet. Die Arme tragen das Bezugszeichen 3. In die Welle sind Grundkeile 4 eingesetzt. Mit 5 sind die Tangentialkeile bezeichnet. Bei dieser Anordnung müssen die Grundkeile in die Welle genau eingepasst werden. Ausserdem muss die Steigung des Grundkeiles mit der Steigung der Tangentialkeile genau übereinstimmen.

Mit radialen Führungsbolzen, wie sie im Turbinenbau üblich sind, zu arbeiten, verbietet bei schweren Läufern die Grösse der auftretenden Kräfte und die meist erhebliche Nabenstärke.

Gemäss der Erfindung werden alle diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, dass in der Teilfuge zwischen den beiden miteinander zu zentrierenden Teilen, z.B. zwischen Läufernabe und Welle axial verlaufende zylindrische oder konische Bolzen angeordnet werden. Zweckmässig werden hierbei mindestens drei oder mehrere am Umfang gleichmässig verteilte Bolzen vorgesehen. Die Bohrungen für diese Bolzen lassen sich durch Aufreiben leicht mit der notwendigen Genauigkeit herstellen. Vorzugsweise wird man konische Bolzen verwenden, durch welche man der Nabe auch eine gewisse Vorspannung erteilen kann, und die sich ausserdem leicht wieder lösen lassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen die Figuren 3 und 4. Soweit die Teile mit denen der Figuren 1 und 2 übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Läufer 2 sitzt mit Spiel, das in den Figuren übertrieben dargestellt ist, auf der Welle 1. Gleichmässig am Umfang verteilt sind drei Bolzen 20 vorgesehen.

Besonders vorteilhaft ist die beschriebene Anordnung bei Läufern von Generatoren mit senkrecht stehender Welle, die mit einer Kaplanturbine gekuppelt sind, wobei der Läufer in bekannter Weise fliegend auf den Zylinder des zur Laufradsteuerung dienenden Servomotors aufgesetzt ist (Schirmgenerator). Man hat dadurch die Möglichkeit, den Läufer leicht von der Welle abzuziehen, so dass man Reparaturen an der darunter befindlichen Turbine schnell ausführen kann.

Beim Lauf wird durch die Fliehkraft das Spiel zwischen der Nabe und der Welle, im vorliegenden Falle dem Servomotorzylinder, vergrössert. Das hat zur Folge, dass zwischen dem Läufer und den zentrierenden Bolzen theoretisch eine Lockerung eintritt. Diese ermöglicht exzentrische Verlagerungen des Läufers gegenüber der Welle. Wie bereits erwähnt, hat man deshalb bisher immer nur Keile vorgesehen. Eine genaue Durchbrechung hat jedoch gezeigt, dass bei Verwendung von zylindrischen oder konischen Bolzen die mögliche Verlagerung ausserordentlich gering ist, sogar die bei Verwendung von Federkeilen auftretenden Passungsungenauigkeiten noch unterschreitet. In Figur 5 ist nochmals die erfindungsgemässe Anordnung dargestellt, wobei durch eine strichpunktierte Linie in übertriebener Weise die Lage der Bolzen und die Vergrösserung des inneren Durchmessers der Nabe bei Auftreten von Fliehkräften angegeben ist. Die maximale bei drei Bolzen auftretende Verlagerung tritt in Figur 5 in Richtung des Pfeiles F auf. Bei einem Durchmesser der Welle von 1500 mm und einem beim Lauf auftretenden einseitigen Spiel von 0,25 mm zwischen Welle und Nabe beträgt diese Verlagerung bei 60 mm starken Bolzen nur 0,007 mm. In Figur 6 ist dies dargestellt. Mit b ist das durch die Wirkung der Fliehkräfte auftretende Spiel bezeichnet, mit a die maximal mögliche Verlagerung.

Im Ausführungsbeispiel sind die Bolzen gleichmässig am Umfang verteilt. Man kann aber die mögliche Verlagerung noch weiter verringern, wenn man die Bolzen ungleichmässig verteilt am Umfang anordnet. Man kann auch durch grössere Bolzenzahl, insbesondere bei ungleichmässiger Verteilung, die mögliche Verlagerung weiter verkleinern.

Die erfindungsgemässe Anordnung von axial verlaufenden zylindrischen oder konischen Bolzen kann nicht nur zur Zentrierung eines von vornherein auf einer Welle lose sitzenden Läufers angewendet werden, sondern überall da, wo ein umlaufender Teil auf einem zweiten umlaufenden Teil zentriert werden soll, und sich der erste von dem zweiten betriebsmässig im Lauf durch die Fliehkraft abheben kann, also z.B. zur Zentrierung des Jochringes elektrischer Maschinen auf dem Nabenstern.

Wie bekannt, ist es bei grossen elektrischen Maschinen, insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren, aus Transportgründen erforderlich, den Läufer zu unterteilen. Hierzu wird in üblicher

Weise der Jochring des Läufers aus einzelnen Blechsegmenten aufgebaut, die überlappt geschichtet und durch axial verlaufende Bolzen miteinander verkettet sind (Blechkettenläufer). Der geschichtete Blechring wird dann mit mehr oder weniger Vorspannung, sei es durch Tangentialverkeilung oder durch Warmaufschrumpfen, auf den NAbenstern aufgesetzt. Im Lauf weitet sich der Blechring unter dem Einfluss der Fliehkräfte auf und beginnt sich bei seiner durch die gewählte Vorspannung bestimmten Drehzahl von dem Nabenstern abzuheben. Um auch bei diesem betriebsmässig auftretenden Zustand einen zentrischen Sitz sicherzustellen, hat man bisher den Blechring mit rechteckigen Zapfen versehen, die in entsprechende Nuten der Arme des Nabensterns eingreifen. In Figur 7 ist dies dargestellt. Mit 10 ist der Blechkranz bezeichnet, mit 11 der eine Arm des Nabensterns, der in bekannter Weise aus einem doppel-T-förmigen Träger 12 und einem an diesen angeschweissten Balken 13 besteht. Der Balken 13 besitzt eine Nut 15, in welche dere Zapfen 14 des Blechkranzes 10 eingreift. Diese Nuten müssen in sehr genauer Teilung hergestellt werden, was bei den in Frage kommenden grossen Durchmessern und der grossen Zahl der Arme schwierig ist. Da ausserdem die Zapfen 14 im Blechring mit einfachen Mitteln nicht bearbeitet werden können, muss ein seitliches Spiel vorgesehen werden, wodurch ein zentrischer Sitz nicht einwandfrei gewährleistet werden kann.

Wird der Jochring, wie oft üblich, mit Spiel gegenüber dem Nabenstern versehen, um den Nabenstern zu paketieren, so werden, wie in Figur 7 dargestellt, besondere Schrumpfbeilagen 16 zur Erzielung der gewünschten Vorspannung vorgesehen. Diese Schrumpfbeilagen werden bei erwärmtem Jochring nachträglich eingebracht.

Um die Teilungsfehler zwischen Jochring und Nabenstern auszugleichen, hat man ferner vorgeschlagen, eine Tangentialverkeilung vorzusehen, wie sie in Figur 8 dargestellt ist. In den Balken 13 ist ein Grundkeil 17 eingelegt, der im Bereich des mit einer Nut versehenen Blechringes schräge Flanken besitzt. Mit 18 sind die Tangentialkeile bezeichnet. Die Schrumpfbeilage ist wieder mit 16 bezeichnet. Bei dieser Anordnung muss der Grundkeil in den Balken 13 gut eingepasst werden. Ausserdem muss die Steigung des Grundkeiles mit der der Tangentialkeile genau übereinstimmen. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Aussenflanken der Tangentialkeile an den unbearbeiteten, mit den Paketierungsdifferenzen behafteten rauhen Flächen des Jochringes anliegen, wodurch der erreichbaren Genauigkeit Grenzen gesetzt sind.

Verwendet man dagegen erfindungsgemäss zur Zentrierung zylindrische oder konische Bolzen, so werden alle diese Nachteile vermieden. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt die Figur 9. Soweit die Teile mit denen der Figur 7 bzw. 8 übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen gewählt. Bei der Anordnung nach Figur 9 ist in die Teilfuge zwischen Blechkranz und Nabenstern ein konischer oder zylindrischer Bolzen 20 eingesetzt, der zur Hälfte im Balken 13 und zur Hälfte im Blechkranz 10 sitzt. Die Löcher für die Aufnahme der Bolzen können durch Aufreiben mit sehr grosser Genauigkeit hergestellt werden. Im Gegensatz zu der Anordnung nach Figur 7 bzw. 8 wird jetzt die Zentrierung nur von bearbeiteten Flächen übernommen. In Figur 9 ist angenommen, dass der mit einem Übermass versehene Nabenstern nachträglich in den erwärmten Jochring eingebracht wird. Hierauf werden die Löcher gebohrt und aufgerieben und dann die Bolzen eingesetzt.

Häufig wird der Jochring 10 jedoch mit Spiel gegenüber dem Nabenstern versehen, damit dieser leichter eingebracht werden kann oder damit der Jochring auf diesem paketiert werden kann. Es werden dann, wie bereits früher erwähnt, besondere Schrumpfbeilagen vorgesehen, die nach Erwärmen des Jochringes eingebracht werden.

In Figur 10 ist die erfindungsgemässe Anordnung bei Anwendung solcher Schrumpfbeilagen dargestellt. Die Schrumpfbeilage ist mit 21 bezeichnet. Die zentrierenden Bolzen 20 können dann, wie in Figur 10 dargestellt, so angeordnet werden, dass der Mittelpunkt der Bohrung mit der Mitte der Schrumpfbeilage übereinstimmt. Man kann aber auch z.B. den Mittelpunkt der Bohrung für den Bolzen auf den oberen Rand der Schrumpfbeilage legen.

Nach Einbringen der Schrumpfbeilagen wird durch das Bohren der Löcher für die Bolzen 20 die Beilage 21 in zwei Teile geteilt. Um diese gegen ein Herausfallen zu sichern, kann man die Beilage 21 etwa breiter machen als den Balken des Nabensterns und eine Längsverschweissung 22 vorgesehen.

In Figur 11 ist die erfindungsgemässe Zentrierung des Blechkranzes 10 auf dem Nabenstern unter Verwendung einer Schrumpfbeilage dargestellt. In Figur 12 ist der in Figur 11 durch einen Kreis umrandete Teil vergrössert gezeichnet. Es ist hierbei angenommen, dass der Mittelpunkt der Bohrung mit dem Mittelpunkt der Beilage 21 übereinstimmt, die z.B. 4 mm stark ist. Nimmt man an, dass das Spiel, das durch die Wirkung der Zentrifugalkraft auftritt und in Figur 12 mit b bezeichnet ist, gleich 1,5 mm ist, dann ergibt sich bei 60 mm starken Bolzen die maximal auftretende Verlagerung, die in Richtung des Pfeiles F auftritt, zu nur 0,13 mm. Sie ist in Figur 12 mit a bezeichnet. Diese Verlagerung ist also geringer als sie infolge der Passungsungenauigkeiten bei den Anordnungen nach den Figuren 7 und 8 auftreten kann.

Bei den Anordnungen nach der Erfindung sind die Berührungsstellen zwischen den Bolzen und der Nabe bzw. dem Blechring theoretisch linienförmig. Unter dem Einfluss der auftretenden Kräfte werden diese Berührungsstellen abgeflacht. Die so entstehende flächenmässige Berührung genügt dann zur Übertragung dieser Kräfte. Das durch diese Abflachungen entstehende zusätzliche Spiel ist vernachlässigbar klein.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Zentrierung eines umlaufenden Teiles auf einem zweiten umlaufenden Teil, wobei sich der erste betriebsmässig durch die Wirkung der Fliehkraft im Lauf von dem zweiten abheben kann, insbesondere für Läufer und Welle elektrischer Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass axial verlaufende zylindrische oder konische Bolzen in der Teilfuge zwischen den beiden Teilen angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei am Umfang gleichmässig verteilte Bolzen angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Zentrierung eines von vornherein lose auf der Welle sitzenden Läufers dient, insbesondere des Läufers eines mit einer Kaplanturbine gekuppelten Generators mit senkrecht stehender Welle, wobei der Läufer fliegend auf den zur Laufradsteuerung dienenden Servomotorzylinder aufgesetzt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Zentrierung von Jochringen (Blechkettenläufern) auf einem Nabenstern dient.