EP0575017A1 - Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine - Google Patents

Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine Download PDF

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EP0575017A1
EP0575017A1 EP93250128A EP93250128A EP0575017A1 EP 0575017 A1 EP0575017 A1 EP 0575017A1 EP 93250128 A EP93250128 A EP 93250128A EP 93250128 A EP93250128 A EP 93250128A EP 0575017 A1 EP0575017 A1 EP 0575017A1
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EP
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shaft
shaft part
gear element
impeller
pinion
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EP93250128A
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Ernst Rothstein
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Vodafone GmbH
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Mannesmann AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/026—Shaft to shaft connections

Definitions

  • the invention relates to a pinion shaft for a transmission turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • the gearwheel element is usually made of an alloyed tempering steel with a view to sufficient fatigue strength and flank strength, the surface of which is hardened in the flank area.
  • the problem of choosing the right material arises in the already mentioned LNG compressor in that on the back of the impeller, in particular during standstill and in the start-up phase, part of the wave range is also exposed to the frozen gas.
  • both the impeller and the subsequent shaft part could be made in one piece from a low-temperature-resistant steel.
  • the production requires a great deal of machining, since the external dimensions of the impeller determine the size of the block to be machined.
  • the object of the invention is a for high speeds of at least 15,000 rpm. preferably more than 20,000 rpm. Specify suitable and a one-piece gear element having heavy-duty pinion shaft for a geared turbo machine, which is structurally optimal and inexpensive to manufacture adapted to the stress with regard to temperature and the type of medium to be conveyed.
  • the optimal adaptation to the stress occurring in the respective area of the pinion shaft is achieved in such a way that the shaft part, at the free end of which the impeller is detachably arranged, is designed as a separate part and is connected to the gear element.
  • the material for the shaft part is chosen so that it meets the stresses that occur.
  • a low-temperature resistant steel would be used for the shaft part.
  • the shaft part would be made from a high-temperature steel. When compressing gases that are mixed with acids, it makes sense to use a particularly corrosion-resistant material for the shaft part.
  • the advantage of the proposed composite technology can be seen in the fact that the gear element is still made from a known surface-hardening heat-treatable steel and a material that meets the stress is selected for the shaft part that comes into direct contact with the medium to be conveyed, including the impeller arranged on it.
  • the gear element and the entire gear part can still be made small, and the shaft part connected with it can also be optimally designed, since no restrictions with regard to gear technology considerations are required with regard to the choice of material.
  • Another variant consists in providing both ends of the shaft part with a Hirth connection and the adjoining regions of the gearwheel element and the impeller also with a complementary Hirth toothing.
  • an expansion screw extending through the impeller and the shaft part is anchored in the gear element.
  • the gearwheel element has a threaded bore in the end region, into which the expansion screw can engage.
  • the other free end of the expansion screw also has a threaded section so that a nut that can be screwed onto it can clamp the impeller and the shaft part against the gear element.
  • the proposed arrangement has the disadvantage that the expansion screw in the case of an LNG compressor must also be made of a low-temperature-resistant steel and, because of the lower strength, can only transmit a lower tightening torque.
  • the Hirth connection must be made ready for installation on both sides, which can lead to angular deviations in the axis position if the manufacturing tolerances are taken into account.
  • the expansion screw is also proposed to be further developed.
  • This arrangement has the advantage that the expansion screw connecting the elements shaft part and gear element can be manufactured from a high-strength heat-treatable steel, since this area does not come into contact with the frozen gas.
  • Another advantage is that after connecting the shaft part and gear element Hirth connection between the impeller and shaft part can be ground appropriately. An addition of manufacturing tolerances of the two Hirth connections with regard to shape and position tolerances is excluded.
  • FIG. 1 shows a sketch of a first embodiment of the pinion shaft according to the invention, for example a gear compressor, in a longitudinal section. It consists of a gear element 1 which has a toothing 2 which meshes with a gear of the transmission (not shown here). This is followed by a shaft piece 3, which is designed as a bearing 4.
  • the shaft part 5 made of another material is connected to the gear element 1, for example, by means of a shrink connection. So that large moments of force can also be transmitted, it is known to design the end region 6 of the shaft part 5 as a polygon. In such a case, the end region 7 of the shaft piece 3 comprising this region 6 would also be an inner polygon designed to be complementary thereto exhibit.
  • the impeller 8 is connected to the shaft part 5 via a conical seat 9, which is only indicated here.
  • the tension required for a secure fit is generated by the nut 11 screwed onto the threaded part 10 of the shaft part 5.
  • the direction of flow of the medium to be compressed is indicated by the arrows 12, 13 in the impeller 8.
  • the arrows 12, 13 have an opposite direction.
  • the descending arrow 14 is intended to indicate that, particularly when the vehicle is at a standstill and during the start-up phase, if the medium to be conveyed has not experienced any or only a slight increase in temperature, the medium to be conveyed can also reach the shaft part 5.
  • the separately manufactured gear element 1, on the other hand, can be produced in a known manner from a heat-treatable steel that is optimized with regard to the transmission technology requirements.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the pinion shaft according to the invention in a comparable longitudinal section, the same reference numerals being used for the same parts.
  • the shaft part 16 has Hirth teeth at both ends 17, 18.
  • the end region 19 of the shaft piece 25 of the gear element 20 and the end region 21 of the impeller 22 are of comparable design, so that the Hirth toothing can engage with one another.
  • an expansion screw 23 engages through a bore in the impeller 22 and the shaft part 16.
  • the right-hand threaded section 24 of the expansion screw 23 can be screwed into a threaded bore arranged in the shaft piece 25.
  • the left-hand threaded section 26 of the expansion screw 23 projects beyond the Front region 27 of the impeller 22.
  • the parts 16, 20, 23 are braced against one another by means of a nut 28 which can be screwed onto this threaded section 26.
  • FIG. 3 shows a similar arrangement as Figure 2, but with a split expansion screw.
  • the expansion screw connecting the shaft part 16, impeller 22 and gear element 20 is divided.
  • the one expansion screw 30 made of a conventional tempering steel extends from the gear element 20 over the right-hand Hirth toothing 18 to the shaft part 16.
  • the second expansion screw 31, which is also made of cold-tough steel in the case of an LNG compressor extends from the shaft part 16 over the left-hand Hirth toothing 17 into the front area 27 of the impeller 22.
  • An insulating element 32 for example made of PTFE, is located between the two expansion screws 30, 31.
  • the tension nut 33 connecting the two expansion screws 30, 31 to one another is only indicated here. The advantages which result from this arrangement have already been pointed out in the description, so that there is no need to repeat them here.

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Abstract

Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine mit einem Zahnradelement (1), dessen in eine Welle (3) übergehenden anschließenden Bereich als Lagerstelle (4) ausgebildet ist und einem daran anschließenden anderen Wellenteil (5), an dessem freien Ende ein Laufrad (8) lösbar angeordnet werden kann. Das Wellenteil (5) ist als separates Teil ausgebildet und mit dem aus einem oberflächenhärtbaren Vergütungsstahl hergestellten Zahnradelement (1) verbunden, wobei der für das Wellenteil (5) verwendete Werkstoff der auftretenden Beanspruchung hinsichtlich Temperatur und Art des zu verdichtenden Mediums angepaßt ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
  • Das Vordringen von Radialverdichtern in immer neue Anwendungsgebiete und auch die Integration verschiedener Verdichtungsprozesse in ein gemeinsames Verdichtergehäuse führen dazu, daß die Beanspruchung der Wellenteile, auf denen die Laufräder lösbar angeordnet sind, hinsichtlich Temperatur und Angriff des zu fördernden Mediums sehr unterschiedlich sind zu den Bereichen, die nicht mit damit beaufschlagt werden. Beispielsweise müssen bei einem LNG-Kompressor (LNG = Liquid Natural Gas) die Verdichterschaufeln aus einem zähen Tieftemperaturstahl (z.B. 9 % Nickelstahl) gefertigt werden, damit diese auch bei tiefen Temperaturen noch eine ausreichende Zähigkeit aufweisen. Andererseits muß die das Laufrad antreibende Ritzelwelle den getriebetechnischen Bedingungen genügen. Insbesondere das Zahnradelement wird im Hinblick auf ausreicherde Dauer- und Flankenfestigkeit üblicherweise aus einem legierten Vergütungsstahl gefertigt, dessen Oberfläche im Flankenbereich gehärtet wird. Die Problematik der richtigen Werkstoffwahl ergibt sich bei dem schon erwähnten LNG-Kompressor dadurch, daß auf der Rückseite des Laufrades, insbesondere beim Stillstand und in der Anfahrphase auch ein Teil des Wellenbereiches mit dem tiefgekühlten Gas beaufschlagt wird. Nun könnte man als Abhilfe sowohl das Laufrad einschließlich des anschließenden Wellenteiles einstückig aus einem tieftemperaturbeständigen Stahl herstellen. Die Herstellung erfordert aber einen großen Zerspannungsaufwand, da die Außenmaße des Laufrades die Größe des zu zerspannenden Blockes bestimmen. Alternativ dazu wäre vorstellbar, das Zahnradelement ebenfalls aus diesem Stahl zu fertigen. Das ergibt aber Schwierigkeiten, da der Tieftemperaturstahl keine ausreichende Festigkeit bzw. Härte hat und die üblichen Härteverfahren wie Flammenhärten oder Nitrieren nicht anwendbar sind. Um die niedrigere Festigkeit in etwa auszugleichen, müßte man das Zahnradelement entsprechend größer bauen und damit würde der gesamte Getriebeteil baumäßig sehr groß werden mit all den Nachteilen, die sich daraus ergeben. Aber auch bei dieser Lösung bleibt das Problem der verminderten Flankentragfähigkeit des aus einem solchen Stahl gefertigten Zahnradelementes infolge des niedrigeren Kohlenstoffgehaltes.
    Aufgabe der Erfindung ist es, eine für hohe Drehzahlen von mindestens 15.000 U/min. vorzugsweise mehr als 20.000 U/min. geeignete und ein einteilig ausgebildetes Zahnradelement aufweisende hochbelastbare Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine anzugeben, die konstruktiv optimal und in der Herstellung kostengünstig der Beanspruchung hinsichtlich Temperatur und der Art des zu fördernden Mediums angepaßt ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmal gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.
  • Die optimale Anpassung an die im jeweiligen Bereich der Ritzelwelle auftretende Beanspruchung wird in der Weise erreicht, daß das Wellenteil, an dessen freiem Ende das Laufrad lösbar angeordnet ist, als separates Teil ausgebildet und mit dem Zahnradelement verbunden ist. Dabei wird der Werkstoff für das Wellenteil so gewählt, daß es der auftretenden Beanspruchung gerecht wird. Im Falle des bereits erwähnten LNG-Kompressors würde ein tieftemperaturbeständiger Stahl für das Wellenteil verwendet werden. Im Falle der Verdichtung von stark erwärmten Gasen würde man das Wellenteil aus einem hochwarmfesten Stahl fertigen. Bei einer Verdichtung von Gasen, die mit Säuren durchsetzt sind, bietet es sich an, einen besonders korrosionsbeständigen Werkstoff für das Wellenteil einzusetzen.
  • Der Vorteil der vorgeschlagenen Verbundtechnik ist darin zu sehen, daß das Zahnradelement weiterhin aus einem bekannten oberflächenhärtbaren Vergütungsstahl gefertigt wird und für das mit dem zu fördernden Medium direkt in Berührung kommende Wellenteil einschließlich des darauf angeordneten Laufrades ein der Beanspruchung gerecht werdender Werkstoff gewählt wird. Bei dieser Lösung kann das Zahnradelement und das gesamte Getriebeteil weiterhin klein gebaut werden und das damit verbundene Wellenteil kann ebenfalls optimal ausgelegt werden, da bezüglich der Wahl des Werkstoffes keine Einschränkung hinsichtlich getriebetechnischer Überlegungen erforderlich ist.
  • Für die Verbindung Wellenteil mit Zahnradelement gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann eine Schrumpfverbindung und/oder Polygonverbindung vorgesehen werden. Das Laufrad könnte in diesem Falle über einen kegeligen Preßverband mit dem Wellenteil verbunden werden.
  • Eine weitere Variante besteht darin, beide Enden des Wellenteils mit einer Hirth-Verbindung und die daran anschließenden Bereiche des Zahnradelementes und des Laufrades ebenfalls mit einer komplementär dazu ausgebildeten Hirth-Verzahnung zu versehen. Zur Verspannung der Elemente gegeneinander wird eine durch das Laufrad und das Wellenteil sich erstreckende Dehnschraube im Zahnradelement verankert. Das Zahnradelement weist dazu im Endenbereich eine Gewindebohrung auf, in die die Dehnschraube eingreifen kann. Das andere freie Ende der Dehnschraube hat ebenfalls einen Gewindeabschnitt, so daß eine darauf aufschraubbare Mutter das Laufrad und das Wellenteil gegen das Zahnradelement verspannen kann.
  • Die vorgeschlagene Anordnung hat aber den Nachteil, daß die Dehnschraube im Falle eines LNG-Kompressors ebenfalls aus einem tieftemperaturbeständigen Stahl gefertigt werden muß und wegen der geringeren Festigkeit nur ein geringeres Anzugsmoment Übertragen kann. Die Hirth-Verbindung muß auf beiden Seiten einbaufertig hergestellt werden, was bei Berücksichtigung der Herstelltoleranzen zu Winkelabweichungen in der Achslage führen kann. Aus diesem Grunde wird weiterbildend vorgeschlagen auch die Dehnschraube zu teilen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die die Elemente Wellenteil und Zahnradelement verbindende Dehnschraube aus einem hochfesten vergütungsstahl gefertigt werden kann, da dieser Bereich mit dem tiefgekühlten Gas nicht in Berührung kommt. Von weiterem Vorteil ist, daß nach dem Verbinden von Wellenteil und Zahnradelement die Hirth-Verbindung zwischen Laufrad und Wellenteil passend eingeschliffen werden kann. Eine Addition von Fertigungstoleranzen der beiden Hirth-Verbindungen hinsichtlich Form- und Lagetoleranzen ist dadurch ausgeschlossen.
  • In der Zeichnung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele die erfindungsgemäße Ritzelwelle näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ritzelwelle,
    Figur 2
    im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform,
    Figur 3
    ähnlich wie Figur 2, jedoch mit einer geteilten Dehnschraube.
  • In Figur 1 ist skizzenhaft in einem Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ritzelwelle beispielsweise eines Getriebeverdichters dargestellt. Sie besteht aus einem Zahnradelement 1, das eine mit einem Zahnrad des Getriebes (hier nicht dargestellt) kämmende Verzahnung 2 aufweist. Daran schließt sich ein Wellenstück 3 an, das als Lager 4 ausgebildet ist. Das aus einem anderen Werkstoff hergestellte Wellenteil 5 ist beispielsweise mittels einer Schrumpfverbindung mit dem Zahnradelement 1 verbunden. Damit auch große Kraftmomente übertragen werden können, ist es bekannt, den Endbereich 6 des Wellenteils 5 als Polygon auszubilden. Der diesen Bereich 6 umfassende Endbereich 7 des Wellenstückes 3 würde in einem solchen Fall ebenfalls ein komplementär dazu ausgebildetes Innenpolygon aufweisen. Das Laufrad 8 ist über einen hier nur angedeuteten Kegelsitz 9 mit dem Wellenteil 5 verbunden. Die für einen sicheren Sitz erforderliche Verspannung wird durch die auf dem Gewindeteil 10 des Wellenteiles 5 aufgeschraubte Mutter 11 erzeugt. Durch die Pfeile 12, 13 im Laufrad 8 wird die Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums gekennzeichnet. Im Falle eines Turbinenrades haben die Pfeile 12,13 eine entgegengesetzte Richtung. Der absteigende Pfeil 14 soll andeuten, daß insbesondere beim Stillstand und während der Anfahrphase, wenn das zu fördernde Medium noch keine oder nur eine geringe Temperaturerhöhung erfahren hat, das zu fördernde Medium auch in den Wellenteil 5 gelangen kann. Dies bedeutet bei einem LNG-Kompressor, daß auch das Wellenteil 5 mit dem kalten Gas beaufschlagt wird und deshalb dieses Teil 5 ebenfalls wie das Laufrad 8 aus einem kaltzähen Stahl gefertigt werden muß, um auch bei diesen tiefen Temperaturen noch eine ausreichende Zähigkeit zu haben. Das separat hergestellte zahnradelement 1 kann dagegen in bekannter Weise aus einem Vergütungsstahl hergestellt werden, der im Hinblick auf die getriebetechnischen Anforderungen optimiert ist.
  • In Figur 2 ist in einem vergleichbaren Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ritzelwelle dargestellt, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Figur 1 weist das Wellenteil 16 an beiden Enden 17, 18 eine Hirth-Verzahnung auf. Der Endbereich 19 des Wellenstückes 25 des Zahnradelementes 20 sowie der Endenbereich 21 des Laufrades 22 sind vergleichbar ausgebildet, so daß die Hirth-Verzahnungen ineinander greifen können. Damit die Teile 16, 20, 22 gegeneinander verspannt werden können, greift eine Dehnschraube 23 durch eine Bohrung des Laufrades 22 und des Wellenteiles 16. Der rechtsliegende Gewindeabschnitt 24 der Dehnschraube 23 ist in einer im Wellenstück 25 angeordneten Gewindebohrung einschraubbar. Der linksliegende Gewindeabschnitt 26 der Dehnschraube 23 ragt über den Stirnbereich 27 des Laufrades 22 hinaus. Mittels einer auf diesem Gewindeabschnitt 26 aufschraubbaren Mutter 28 werden die Teile 16, 20, 23 gegeneinander verspannt.
  • Figur 3 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Figur 2, jedoch mit einer geteilten Dehnschraube. Zur Vereinfachung wurden auch hier für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Figur 2 ist die das Wellenteil 16, Laufrad 22 und Zahnradelement 20 miteinander verbindende Dehnschraube geteilt. Die eine aus einem üblichen Vergütungsstahl gefertigte Dehnschraube 30 erstreckt sich vom Zahnradelement 20 über die rechts angeordnete Hirth-Verzahnung 18 hinweg bis in den Wellenteil 16. Die zweite Dehnschraube 31, die im Falle eines LNG-Kompressors ebenfalls aus einem kaltzähen Stahl gefertigt ist, erstreckt sich vom Wellenteil 16 über die links angeordnete Hirth-Verzahnung 17 hinweg bis in den stirnseitigen Bereich 27 des Laufrades 22.
    Zwischen den beiden Dehnschrauben 30,31 befindet sich ein Isolierelement 32, beispielsweise aus PTFE. Die die beiden Dehnschrauben 30,31 miteinander verbindende Zugmutter 33 ist hier nur andeutungsweise dargestellt. Auf die Vorteile, die sich aus dieser Anordnung ergeben, ist in der Beschreibung schon hingewiesen worden, so daß sich eine Wiederholung hier erübrigt.

Claims (9)

  1. Ritzelwelle für eine Getriebe-Turbomaschine mit einem einteilig ausgebildeten Zahnradelement, dessen in eine Welle übergehender anschließender Bereich als Lagerstelle ausgebildet ist und einem daran anschließenden Wellenteil, an dessen freiem ende ein Laufrad lösbar anordenbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wellenteil (5, 16) als separates Teil ausgebildet und mit dem Wellenbereich (3, 25) des aus einem oberflächenhärtbaren Vergütungsstahl hergestellten Zahnradelementes (1, 20) verbunden ist, wobei derr für das Wellenteil (5, 16) verwendete Werkstoff der auftretenden Beanspruchung hinsichtlich Temperatur und Art des zu verdichtenden Mediums angepaßt ist.
  2. Ritzelwelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wellenteil (5, 16) aus einem tieftemperaturbeständigen Werkstoff besteht.
  3. Ritzelwelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wellenteil (5, 16) aus einem hochwarmfesten Werkstoff besteht.
  4. Ritzelwelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wellenteil (5, 16) aus einem besonders korrosionsbestäntigen Werkstoff besteht.
  5. Ritzelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wellenteil (5) eine Bohrung aufweist, durch die eine das Wellenteil (5) mit dem Wellenbereich (3, 25) des Zahnradelementes (1, 20) verbindende Dehnungsschraube (23) hindurchgreift.
  6. Ritzelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verbindung Wellenteil (5) mit dem Wellenbereich (3) des Zahnradelementes (1) eine Schrumpfverbindung ist.
  7. Ritzelwelle nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Ende des Wellenbereiches (3) des Zahnradelementes (1) ein Innenpolygon (7) und der diesem Bereich zugewandte Endenbereich (6) des Wellenteiles (5) ein komplementär dazu ausgebildetes Polygon aufweist.
  8. Ritzelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wellenteil (16) an beiden Enden eine an sich bekannte Hirth-Verzahnung (17,18) aufweist, die in entsprechende Hirth-Verzahnungen der Endenbereiche (19,21), des Wellenstückes (25), des Zahnradelementes (20) und des Laufrades (22) eingreifen und eine durch das Laufrad (22) und des Wellenteiles (16) sich erstreckende und zwei Gewindeabschnitte (24,26) aufweisende Dehnschraube (23) im Wellenstück (25) des Zahnradelementes (20) verankert ist und mittels einer auf der Laufradseite (27) auf dem Gewindeteil (26) der Dehnschraube (23) aufschraubbaren Mutter (28) das Wellenteil (16) und das Laufrad (22) gegen das Wellenstück (25) des Zahnradelementes (20) verspannbar ist.
  9. Ritzelwelle nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Dehnschraube geteilt (30,31) ist und die eine Dehnschraube (30) vom Zahnradelement (20) bis in den Wellenteil (16) und die zweite (31) vom Wellenteil (16) bis zum Stirnbereich (27) des Laufrades (22) sich erstreckt und die Verspannung des Wellenteiles (16) gegen das Zahnradelement (20) durch eine zugmutter (33) erfolgt, die mit den beiden einander gegenüberliegenden Gewindeabschnitten der beiden Dehnschrauben (30,31) im Eingriff ist und deren äußerer Durchmesser etwas geringer ist als der innere Durchmesser des Wellenteiles (16).
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