EP0893576A2 - Verbindung von rotierenden Bauteilen - Google Patents

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EP0893576A2
EP0893576A2 EP98810441A EP98810441A EP0893576A2 EP 0893576 A2 EP0893576 A2 EP 0893576A2 EP 98810441 A EP98810441 A EP 98810441A EP 98810441 A EP98810441 A EP 98810441A EP 0893576 A2 EP0893576 A2 EP 0893576A2
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centering
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connection
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Harry Alkelin
Mikael Fryklund
Roland Nilsson
Per Thörnblad
Hans Dr. Wettstein
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General Electric Technology GmbH
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ABB Alstom Power Switzerland Ltd
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2230/60—Assembly methods
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Definitions

  • the invention relates to a force-locking connection of rotating components according to the preamble of claim 1.
  • Such connections are found, for example, when assembling rotor disks of thermally highly loaded gas turbines.
  • the rotor of a turbomachine generally consists of several rotor disks, which are lined up axially and aligned concentrically. These rotor disks are clamped together by one or more tie rods and thus form a compact unit.
  • the rotors have a very high axial rigidity and centering Exhibit [concentricity], i.e. that in the different operating states no unstable conditions, vibrations or eccentric running through Changes in the center of gravity can result. This despite the inevitable different coefficients of thermal expansion of the applied different materials. About such displacements of the rotor parts against each other Hirth serrations can be avoided on the end faces of the rotor disks be arranged.
  • Other measures, such as short cones etc. could in practice offset rotor parts against each other and thus non-circular running, which can lead to the destruction of the rotor and stator prevent.
  • the invention tries to avoid these disadvantages. It is her job based on a non-positive and positive connection of rotating components create which is designed or can be retrofitted so that a operational misalignment [rotation or displacement] of components to each other is avoided.
  • the rotating components 1 and 2 as rotor disks 1 and 2nd designated.
  • the individual rotor disks are 1, 2 axially strung together and by at least one (not in the figures illustrated) tie rods clamped together concentrically.
  • the through the Tension forces caused by tie rods result in a non-positive connection of the Rotor disks.
  • these of the frictional forces resulting from the clamping forces are not sufficient to cause a misalignment to prevent the rotor disks against each other.
  • this can be the case when the rotor disks are different during rotation Have stretching behavior, partly because they are made of different materials consist.
  • This positive and non-positive connection is formed as a centering seat 3, which lies between two adjacent to each other Rotor disks are provided and biased by an insert ring 7.
  • the centering seat has the shape of a on the two adjacent rotor disks orbiting, concentric level with a positive, protruding Centering offset 4 on the rotor part 1 and a negative, drawn centering offset 5 on the rotor part 2.
  • the insert ring 7 is on the inner rotor disk relative to the centering seat 1 arranged, namely in a cavity 6. It is biased, which is the occasion assembly by thermal shrinking. On the occasion of the rotation Due to the centrifugal force due to mass, he presses the relative to the centering seat 3 internal rotor disc 1 against the external rotor disc 2 and creates a positive and non-positive connection.
  • the positive and negative Centering offsets 4, 5 of this centering seat have essentially one cylindrical contact surface 8, which is concentric with the rotor axis. Of course, there is also a slightly conical alignment of the contact surface 8 possible.
  • the centering seat prevents radial displacement and through that The contact pressure also increases the resistance to axial displacement of the rotor disks against each other. Such shifts can be caused by the thermal expansions and thermal stresses at the high operating temperatures of the gas turbines are caused.
  • the centering seat 3 is both in front of and behind the contact surface 8 provided with concave undercuts 10. Their facing the contact surface Fillets end within the contact area.
  • the internal mechanical stress curve can be changed so that the Zones of greatest mechanical stress, i.e. of the greatest voltage gradient be moved from the area of the contact surface 8.
  • both rotor parts achieved that among those mentioned certain Operating conditions in the contact area only crack-closing and thus Crack growth-preventing surface-parallel compressive stresses arise.
  • the mutual centering of the rotor disks via two conical seats via two conical seats.
  • a double conical is then useful Training of the centering seat 3 with a corresponding double conical extending contact surface 9.
  • the rotor part 2 which the has positive centering offset 4, while the rotor part 1 with the negative Centering offset 5 is provided.
  • the tolerances are chosen so that one of these conical surfaces is fully loaded during operation, while the offsets of the other conical surface are only partially in contact.
  • the insert ring 7 not all over, but only with part of its outer surface on the Rotor disc 1 is present. This can be achieved by using the ring a collar 11 is provided.
  • the federal government is in its diameter and its axial extent so that it is a small on both sides of the collar Gap 12 generated between ring 7 and rotor disk 1. The smaller one now The contact surface causes a favorable, reduced heat transfer from the rotor disc on the insert ring.
  • the rotor disk 1 - in the cavity 6 of the Insert ring 7 is housed - made of a ferritic steel with lower Expansion coefficient and the rotor disk 2 consists of an austenitic Steel with higher expansion coefficients is used as a material for the Insert ring 7 preferably also a material with higher coefficients of expansion chosen. In the case of gas turbines with high thermal loads are these material combinations for rotor disks 1 and 2 common.

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Abstract

Bei einer kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen (1,2), welche im Bereich der Verbindung während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen, erfolgt der Formschluss über einen gestuften Zentriersitz (3). Der Kraftschluss zwischen den beiden Bauteilen erfolgt mittels axial vorgespannter Elemente. Zumindest eines der Bauteile weist einen Hohlraum (6) im Innern auf, in dem ein Einlagering (7) angeordnet ist, welcher während des Betriebes eine radiale Kaft auf den Zentriersitz (3) ausübt. Der vorgespannte Einlagering (7) liegt nur mit einem Teil seiner axialen Erstreckung an dem mit ihm zusammenwirkenden Bauteil (1) an.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine kraft- urrd formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Verbindungen finden sich beispielsweise beim Zusammenfügen von Rotorscheiben von thermisch hochbelasteten Gasturbinen.
Stand der Technik
Der Rotor einer Turbomaschine besteht im allgemeinen aus mehreren Rotorscheiben, welche axial aneinandergereiht und konzentrisch ausgerichtet sind. Diese Rotorscheiben sind durch einen oder mehrere, Zuganker miteinander verspannt und bilden so eine kompakte Einheit. Für den Betrieb einer Turbomaschine ist erforderlich, dass die Rotoren eine sehr hohe axiale Steifheit und Zentrierung [Rundlauf] aufweisen, d.h., dass sich in den verschiedenen Betriebszuständen keine instabilen Zustände, Vibrationen oder azentrischer Lauf durch Schwerpunktsverlagerungen ergeben können. Dies trotz der unvermeidlichen unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der angewandten unterschiedlichen Materialien. Um solche Versetzungen der Rotorteile gegeneinander zu vermeiden kann an den Stirnflächen der Rotorscheiben eine Hirth-Verzahnung angeordnet sein. Die Herstellung derselben ist jedoch sehr teuer und erfordert hochgenaue Maschinen. Andere Massnahmen, wie kurze Zapfen etc. konnten in der Praxis eine Versetzung von Rotorteilen gegeneinander und somit unrunden Lauf, welcher zur Zerstörung von Rotor und Stator führen kann, nicht verhindern.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, diese Nachteile zu vermeiden. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen zu schaffen, welche so ausgebildet ist oder so nachgerüstet werden kann, dass eine betriebsbedingte Dejustierung [Verdrehung oder Verschiebung] von Bauteilen zueinander vermieden wird.
Bei einer Verbindung der eingangs genannten Art wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs erreicht.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Anwendung bei Gasturbinen vereinfacht dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
schematisch Ausschnitte von zwei benachbarten Rotorscheiben in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2
schematisch Ausschnitte von zwei benachbarten Rotorscheiben in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3
den Zentriersitz aus Fig. 1 in vergrösserter Ansicht.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt; insbesondere ist nicht der an sich bekannte und unveränderte Teil des Rotors oder andere Rotoreinzelheiten etc. dargestellt. Funktionsgleiche Teile sind bei den verschiedenen Beispielen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend sind die rotierenden Bauteile 1 und 2 als Rotorscheiben 1 resp. 2 bezeichnet. Bei einem Rotor für Turbomaschinen sind die einzelnen Rotorscheiben 1, 2 axial aneinandergereiht und durch wenigstens einen (in den Figuren nicht dargestellten) Zuganker konzentrisch miteinander verspannt. Die durch die Zuganker bedingten Spannkräfte ergeben eine kraftschlüssige Verbindung der Rotorscheiben. Es kann jedoch Betriebszustände geben, in welchen diese von den Spannkräften herrrührenden Reibkräfte nicht ausreichen, um eine Dejustierung der Rotorscheiben gegeneinander zu verhindern. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Rotorscheiben während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen,unter anderem, weil sie aus verschiedenen Materialien bestehen.
Deshalb ist gemäss Fig. 1 bei einer ersten Ausführungsform eines Rotors zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung der benachbarten Rotorscheiben eine radial wirksame form- und kraftschlüssige Verbindung als Sperre gegen radiale Achsversetzungen vorgesehen. Diese form- und kraftschlüssige Verbindung ist als Zentriersitz 3 ausgebildet, welcher zwischen je zwei aneinanderliegenden Rotorscheiben vorgesehen und durch einen Einlagering 7 vorgespannt ist. Dabei weist der Zentriersitz auf den beiden benachbarten Rotorscheiben die Form einer umlaufenden, konzentrischen Stufe auf mit einem positiven, hervorstehenden Zentrierversatz 4 am Rotorteil 1 und einem negativen, eingezogenen Zentrierversatz 5 am Rotorteil 2.
Der Einlagering 7 ist an der relativ zum Zentriersitz innenliegenden Rotorscheibe 1 angeordnet, und zwar in einem Hohlraum 6. Er ist vorgespannt, was anlässlich der Montage durch thermisches Schrumpfen erfolgen kann. Anlässlich der Rotation presst er infolge der massenbedigten Fliehkraft die relativ zum Zentriersitz 3 innenliegende Rotorscheibe 1 gegen die aussenliegende Rotorscheibe 2 und bewirkt damit eine form- und kraftschlüssige Verbindung. Die positiven und negativen Zentrierversatze 4, 5 dieses Zentriersitzes weisen im wesentlichen eine zylindrische Kontaktfläche 8 auf, welche konzentrisch zur Rotorache liegt. Selbstverständlich ist auch eine leicht konische Ausrichtung der Kontaktfläche 8 möglich. Der Zentriersitz verhindert eine radiale Verschiebung und durch die Anpresskraft wird zudem ein erhöhter Widerstand gegen axiale Verschiebungen der Rotorscheiben gegeneinander,erzielt. Solche Verschiebungen können durch die Wärmedehnungen und die Wärmespannungen bei den hohen Betriebstemperaturen der Gasturbinen verursacht werden.
Der Zentriersitz 3 ist gemäss Fig. 3 sowohl vor als auch hinter der Kontaktfläche 8 mit konkaven Freistichen 10 versehen. Deren der Kontaktfläche zugewandten Ausrundungen enden innerhalb der Kontaktfläche. Mit dieser Massnahme kann der materialinterne mechanische Spannungsverlauf so geändert werden, dass die Zonen der grössten mechanischen Belastung, d.h. des grössten Spannungsgradienten aus dem Bereich der Kontaktfläche 8 verlagert werden. Gleichzeitig werden diejenigen Zonen der Rotorteile 1 oder 2, in denen unter bestimmten Betriebsbedingungen rissöffnende und damit risswachstumsfördernde oberflächenparallele Zugpannungen auftreten können, dem Berührungsbereich des jeweils andern Rotorteils 1 oder 2 .entzogen, damit dort keine Fretting-Risse entstehen können. Desweiteren wird durch die Überdeckung der Vorderkante des Freistich es des jeweils anderen Rotorteils durch eine die zu erwartende Relativbewegungen und Einbautoleranzen übersteigende Verlängerung der Kontaktflächen beider Rotorteile erreicht, dass unter den erwähnten bestimmten Betriebsbedingungen im Berührungsbereich nur noch riss-schliessende und damit risswachstums-verhindernde oberflächenparallele Druckspannungen entstehen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die gegenseitige Zentrierung der Rotorscheiben über zwei konische Sitze erfolgen. Sinnvoll ist dann eine doppelkonische Ausbildung des Zentriersitzes 3 mit einer entsprechenden doppelkonisch verlaufenden Kontaktfläche 9. In diesem Fall ist es der Rotorteil 2, welcher den positiven Zentrierversatz 4 aufweist, während der Rotorteil 1 mit dem negativen Zentrierversatz 5 versehen ist. Die Toleranzen werden dabei so gewählt, dass während des Betriebes jeweils eine dieser konischen Flächen voll belastet ist, während die Versatze der anderen,konischen Fläche nur teilweise in Kontakt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Einlagering 7 nicht vollflächig, sondern nur mit einem Teil seiner äusseren Oberfläche an der Rotorscheibe 1 anliegt. Dies kann dadurch erzielt werden, indem der Ring mit einem Bund 11 versehen wird. Der Bund ist in seinem Durchmesser und seiner axialen Erstreckung so bemessen, dass er beidseitig vom Bund einen kleinen Spalt 12 zwischen Ring 7 und Rotorscheibe 1 generiert. Die nunmehr kleinere Angriffsfläche bewirkt eine günstige, reduzierte Wärmeübertragung von der Rotorscheibe auf den Einlagering.
Wird davon ausgegangen, dass die Rotorscheibe 1 - in dessen Hohlraum 6 der Einlagering 7 untergebracht ist - aus einem ferritischem Stahl mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizienten besteht und die Rotorscheibe 2 aus einem austenitischen Stahl mit höheren Ausdehnungskoeffizienten, so wird als Werkstoff für den Einlagering 7 vorzugsweise ebenfalls ein Werkstoff mit höheren Ausdehnungskoeffizienten gewählt. Im Falle von_thermisch hochbelasteten Gasturbinen sind diese Materialkombinationen für die Rotorscheiben 1 und 2 durchaus üblich.
Bezugszeichenliste
1
rotierendes Bauteil, Rotorscheibe
2
rotierendes Bauteil, Rotorscheibe
3
Zentriersitz
4
positiver Zentrierversatz
5
negativer Zentrierversatz
6
Hohlraum von 1
7
Einlagering
8
zylindrische Kontaktfläche
9
doppelkonische Kontaktfläche
10
Freistich
11
Bund auf 7
12
Spalt

Claims (9)

  1. Kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen (1, 2) , welche im Bereich der Verbindung während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen, wobei der Formschluss über einen gestuften Zentriersitz (3) erfolgt und der Kraftschluss zwischen den beiden Bauteilen mittels axial vorgespannter Elemente erfolgt, und wobei zumindest eines der Bauteile einen Hohlraum (6) im Innern aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (6) ein Einlagering (7) angeordnet ist, welcher während des Betriebes eine radiale Kaft auf den Zentriersitz (3) ausübt.
  2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlagering (7) nur mit einem Teil seiner axialen Erstreckung an dem mit ihm zusammenwirkenden Bauteil (1)anliegt.
  3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlagering (7) vorgespannt ist.
  4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau des Einlageringes (7) in den Hohlraum (6) durch thermisches Schrumpfen erfolgt.
  5. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierversatz (4, 5) des Zentriersitzes (3) zumindest annähernd zylindrisch oder leicht konisch ausgebildet ist.
  6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentriersitz (3) sowohl vor als auch hinter der Kontaktfläche (8) mit konkaven Freistichen (10) versehen ist, deren der Kontaktfläche zugewandte Ausrundungen innerhalb der Kontaktfläche enden.
  7. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) mit dem negativen Zentrierversatz (5) und der Einlagering (7) aus einem Werkstoff bestehen, welcher einen höheren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles (1) mit dem positiven Zentrierversatz (4), in dessen Hohlraum (6) der Einlagering (7) untergebracht ist.
  8. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentriersitz (3) eine doppelkonische Kontaktfläche (9) aufweist, und dass das Bauteil (2) mit dem positiven Zentrierversatz (4) und der Einlagering (3) aus einem Werkstoff bestehen, welcher einen höheren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles (1) mit dem negativen Zentrierversatz (5), in dessen Hohlraum (6) der Einlagering (7) untergebracht ist.
  9. Verwendung der kraft- und formschlüssigen Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Zusammenfügen von Rotorscheiben von Turbomaschinen, insbesondere von thermisch hochbelasteten Gasturbinen, wobei einzelne, konzentrisch aneinanderangeordnete Rotorscheiben im Rotorinneren durch einen oder mehrere Bolzen miteinander verschraubt sind.
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