DEP0003336BA

DEP0003336BA - Device for centering a rotating part on a second rotating part

Info

Publication number: DEP0003336BA
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.-Ing. Ott
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Publication date: 1950-11-30

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.In order to place runners, which are heavily stressed by centrifugal forces, on a shaft in such a way that the centric seat is maintained even when running, it is common to provide the runner with a shrink fit or press fit, which is dimensioned so that the thereby The pre-tensioning achieved by the stress caused by the centrifugal forces at least maintains the equilibrium, so the rotor cannot become loose on the shaft. With this arrangement, the hub must be heated again in order to remove the rotor during repairs in order to loosen the shrink fit or press fit. Additional equipment is required for this, the time it takes to pull it off is correspondingly long and the seat surfaces can be damaged under certain circumstances.

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.To avoid these disadvantages, it has already been proposed to provide three or more spring wedges evenly distributed around the circumference and to place the rotor with a sliding fit or with play relative to the shaft. An eccentric displacement is avoided here by the wedge flanks on which the rotor hub rides, which, under the effect of centrifugal force, is lifted even further from the shaft as a result of expansion during the run.

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.With this arrangement of more than one spring wedge, the remaining runners must be fitted in if the stated purpose is to be achieved. It was therefore thought that the in to provide the part of the spring wedge located in the hub groove with inclined flanks and to make the adjustment by means of corresponding tangential wedges. Such an arrangement is shown in FIGS. 1 and 2 of the drawing. 1 with the shaft and 2 with the hub of the rotor. The arms have the reference number 3. Base wedges 4 are inserted into the shaft. The tangential wedges are denoted by 5. With this arrangement, the base wedges must be precisely fitted into the shaft. In addition, the slope of the base wedge must exactly match the slope of the tangential wedge.

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.Working with radial guide bolts, as they are common in turbine construction, prohibits the size of the forces and the usually considerable hub strength in heavy rotors.

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.According to the invention, all these difficulties are avoided in that axially extending cylindrical or conical bolts are arranged in the parting line between the two parts to be centered, e.g. between the rotor hub and the shaft. At least three or more bolts evenly distributed around the circumference are expediently provided here. The holes for these bolts can be easily produced with the necessary accuracy by reaming. Conical bolts will preferably be used, by means of which the hub can also be given a certain pretension and which can also be easily loosened again.

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.Exemplary embodiments of the invention are shown in FIGS. 3 and 4. To the extent that the parts correspond to those in FIGS. 1 and 2, the same reference numerals are used. The rotor 2 sits with play, which is shown exaggerated in the figures, on the shaft 1. Three bolts 20 are provided, evenly distributed around the circumference.

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.The arrangement described is particularly advantageous for rotors of generators with a vertical shaft, which are coupled to a Kaplan turbine, the rotor being placed overhung in a known manner on the cylinder of the servomotor used for impeller control (umbrella generator). This enables the rotor to be easily pulled off the shaft so that repairs can be carried out quickly on the turbine below.

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.When running, the centrifugal force increases the clearance between the hub and the shaft, in the present case the servomotor cylinder, enlarged. The consequence of this is that theoretically a loosening occurs between the rotor and the centering bolt. This enables eccentric displacements of the rotor relative to the shaft. As already mentioned, only wedges have been provided so far. However, a precise opening has shown that when using cylindrical or conical bolts, the possible displacement is extremely small, even below the inaccuracies of fit that occur when using spring wedges. The arrangement according to the invention is shown again in FIG. 5, the position of the bolts and the enlargement of the inner diameter of the hub when centrifugal forces occur being indicated by a dash-dotted line in an exaggerated manner. The maximum displacement occurring with three bolts occurs in FIG. 5 in the direction of arrow F. With a diameter of the shaft of 1500 mm and a one-sided play of 0.25 mm between the shaft and the hub that occurs during running, this displacement is only 0.007 mm for 60 mm thick bolts. This is shown in FIG. The play that occurs as a result of the centrifugal forces is denoted by b, and the maximum possible displacement is denoted by a.

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.In the exemplary embodiment, the bolts are evenly distributed around the circumference. But you can reduce the possible displacement even further if you arrange the bolts unevenly distributed around the circumference. The possible displacement can also be further reduced by increasing the number of bolts, especially in the case of uneven distribution.

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.The inventive arrangement of axially extending cylindrical or conical bolts can be used not only for centering a rotor that is loosely seated on a shaft from the start, but wherever a rotating part is to be centered on a second rotating part, and the first is different from the second can lift off during operation by centrifugal force, for example to center the yoke ring of electrical machines on the hub star.

Wie bekannt, ist es bei grossen elektrischen Maschinen, insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren, aus Transportgründen erforderlich, den Läufer zu unterteilen. Hierzu wird in üblicherAs is known, in large electrical machines, especially in hydroelectric generators, it is necessary for reasons of transport to subdivide the rotor. This is usually done in

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.Way, the yoke ring of the rotor is made up of individual sheet metal segments, which are layered in an overlapping manner and are linked to one another by axially extending bolts (sheet metal chain slider). The layered sheet metal ring is then placed on the star spider with more or less prestress, be it by tangential wedging or by heat shrinking. During the run, the sheet metal ring expands under the influence of centrifugal forces and begins to lift off the hub spider at its speed, which is determined by the selected preload. In order to ensure a central seat even in this operationally occurring state, the sheet metal ring has hitherto been provided with rectangular pins which engage in corresponding grooves in the arms of the hub star. This is shown in FIG. With 10 the sheet metal ring is designated, with 11 one arm of the hub star, which consists in a known manner of a double-T-shaped support 12 and a beam 13 welded to this. The bar 13 has a groove 15 into which the pin 14 of the sheet metal ring 10 engages. These grooves must be made with a very precise pitch, which is difficult with the large diameters and the large number of arms in question. In addition, since the pins 14 in the sheet metal ring cannot be machined with simple means, a lateral play must be provided, whereby a centric seat cannot be guaranteed properly.

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.If the yoke ring is provided with play with respect to the hub star, as is often the case, in order to package the hub star, then, as shown in FIG. 7, special shrink shims 16 are provided to achieve the desired pretension. These shrink shims are inserted afterwards when the yoke ring is heated.

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.In order to compensate for the pitch errors between the yoke ring and the hub star, it has also been proposed to provide tangential wedging, as shown in FIG. In the bar 13 a base wedge 17 is inserted, which has inclined flanks in the area of the sheet metal ring provided with a groove. The tangential wedges are denoted by 18. The shrink insert is again designated by 16. With this arrangement, the base wedge must fit well into the beam 13. Moreover the slope of the base wedge must exactly match that of the tangential wedge. Another disadvantage of this arrangement is that the outer flanks of the tangential wedges rest on the unmachined, rough surfaces of the yoke ring that are affected by the stacking differences, which limits the accuracy that can be achieved.

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.If, on the other hand, cylindrical or conical bolts are used according to the invention for centering, all these disadvantages are avoided. An exemplary embodiment for this is shown in FIG. 9. As far as the parts correspond to those of FIGS. 7 and 8, the same reference numerals have been chosen. In the arrangement according to FIG. 9, a conical or cylindrical bolt 20 is inserted into the parting line between the sheet metal ring and the hub star, half of which is seated in the beam 13 and half in the sheet metal ring 10. The holes for receiving the bolts can be made with great accuracy by reaming. In contrast to the arrangement according to FIG. 7 or 8, the centering is now only taken over from machined surfaces. In FIG. 9 it is assumed that the hub star provided with an oversize is subsequently introduced into the heated yoke ring. Then the holes are drilled and rubbed open and then the bolts are inserted.

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.Often, however, the yoke ring 10 is provided with play with respect to the hub star so that it can be introduced more easily or so that the yoke ring can be packaged on this. As mentioned earlier, special shrink inserts are then provided, which are introduced after the yoke ring has been heated.

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.FIG. 10 shows the arrangement according to the invention when such shrink inserts are used. The shrink insert is labeled 21. The centering bolts 20 can then, as shown in FIG. 10, be arranged in such a way that the center of the bore coincides with the center of the shrink insert. But you can also, for example, place the center of the hole for the bolt on the upper edge of the shrink insert.

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.After inserting the shrink shims, the shim 21 is divided into two parts by drilling the holes for the bolts 20. In order to secure this against falling out, the insert 21 can be made wider than the bar of the hub star and a longitudinal weld 22 is provided.

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.In Figure 11, the inventive centering of the sheet metal ring 10 on the hub star is shown using a shrink insert. In FIG. 12, the part surrounded by a circle in FIG. 11 is shown enlarged. It is assumed here that the center of the bore coincides with the center of the insert 21, which is, for example, 4 mm thick. If one assumes that the play that occurs due to the effect of centrifugal force and is denoted by b in FIG occurs to only 0.13 mm. It is denoted by a in FIG. This displacement is therefore less than it can occur as a result of the inaccuracies of fit in the arrangements according to FIGS.

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.In the arrangements according to the invention, the points of contact between the bolts and the hub or the sheet metal ring are theoretically linear. These contact points are flattened under the influence of the forces that occur. The resulting surface contact is then sufficient to transfer these forces. The additional play resulting from these flattened areas is negligibly small.

Claims

1. Device for centering a rotating part on a second rotating part, the first being able to stand out from the second during operation due to the effect of centrifugal force, in particular for rotors and shafts of electrical machines, characterized in that axially extending cylindrical or conical bolts are arranged in the parting line between the two parts.

2. Device according to claim 1, characterized in that at least three bolts evenly distributed around the circumference are arranged.

3. Device according to claim 1, characterized in that it is used to center a rotor that is loosely seated on the shaft from the start, in particular the rotor of a generator with a vertical shaft coupled to a Kaplan turbine, the rotor being placed overhung on the servomotor cylinder used for wheel control is.

4. Device according to claim 1, characterized in that it serves to center yoke rings (sheet metal chain runners) on a hub star.