EP0893576B1 - Verbindung von rotierenden Bauteilen - Google Patents

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EP0893576B1
EP0893576B1 EP98810441A EP98810441A EP0893576B1 EP 0893576 B1 EP0893576 B1 EP 0893576B1 EP 98810441 A EP98810441 A EP 98810441A EP 98810441 A EP98810441 A EP 98810441A EP 0893576 B1 EP0893576 B1 EP 0893576B1
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EP
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centring
offset
rotor
insert ring
positive
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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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Alstom Schweiz AG
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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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
    • 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
    • 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
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    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • 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
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
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    • F05D2230/642—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins using maintaining alignment while permitting differential dilatation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/48—Shrunk fit

Definitions

  • the invention relates to a non-positive and positive connection of rotating components according to the preamble of the independent claim.
  • 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 axially strung together 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 stiffness and centering [concentricity], which means that in the different operating states no unstable conditions, vibrations or eccentric running due to a shift in the center of gravity can occur, despite the inevitable differences Coefficient of thermal expansion of the different materials used.
  • a Hirth toothing can be arranged on the end faces of the rotor disks.
  • US 3713676 presents a positive and non-positive connection of rotor parts constructed from different materials, in which the risk of displacement is low, but at the same time a mechanical overload due to the different thermal expansion behavior of the components is avoided.
  • end flanges of the rotor parts to be connected are assembled using a centering seat.
  • the radial inner centering offset of the rotor part involved with the higher coefficient of thermal expansion is subjected to a radial force, and is thereby preloaded and pre-deformed.
  • the pre-stressed and pre-deformed rotor part is relaxed due to the lower thermal expansion of the insert. This reduces the risk of material breakage under operating conditions.
  • the permanent tension and deformation to which the material is subjected leads to signs of fatigue, which in turn increases the risk of misalignment under operating conditions.
  • 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 due to increased resistance to axial displacements is avoided.
  • the basic idea of the invention is therefore, in the case of a non-positive and positive connection of axially preloaded rotating components which have a different expansion behavior in the area of the connection during rotation, by means of a stepped centering seat which has at least one positive, protruding centering offset and one negative, retracted Centering offset includes and an insert ring, which exerts a radial force on the positive centering offset, to manufacture the component with the negative centering offset and the insert ring from a material which has a higher thermal expansion coefficient than the material of the component with the positive centering offset, in which the insert ring is housed. On the occasion of the rotation, this measure ensures that the internal component is pressed against the external component and thus an increased resistance to axial displacements.
  • the rotating components 1 and 2 as rotor disks 1, respectively 2 designated.
  • the individual rotor disks are 1, 2 lined up axially 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 discs.
  • 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 as Centering seat 3 is formed, which between two adjacent to each other Rotor disks are provided and biased by an insert ring 7. there 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 rotor disk 1, which is on the inside relative to the centering seat arranged, namely in a cavity 6. It is biased to what on the occasion of Assembly can be done by thermal shrinking. On the occasion of the rotation Due to the mass-related centrifugal force, 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 achieved 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 the specific ones mentioned Operating conditions in the contact area only crack-closing and thus Crack growth-preventing surface parallel compressive stresses arise.
  • 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 Contact surface results in 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 disc 2 consists of an austenitic Steel with higher expansion coefficients is used as a material for the insert ring 7 is also preferably a material with higher expansion coefficients selected. In the case of thermally highly stressed gas turbines these material combinations for the rotor disks 1 and 2 are quite common.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mutual Connection Of Rods And Tubes (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine kraft- und formschlüssige Verbindung von rotierenden Bauteilen gemäss Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
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, das heisst, dass sich in den verschiedenen Betriebszuständen keine instabilen Zustände, Vibrationen oder azentrischer Lauf durch Schwerpunktsverlagerungen ergeben können, dies trotz der unvermeidlichen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten 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.
Eine form- und kraftschlüssige Verbindung von aus unterschiedlichen Materialien aufgebauten Rotorteilen, in der die Gefahr eines Versetzens gering ist, aber gleichzeitig eine mechanische Überbeanspruchung durch das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten der Bauteile vermieden wird, stellt US 3713676 vor. Zu diesem Zweck werden Endflansche der zu verbindenden Rotorteile mittels Zentriersitz zusammengefügt. Mit Hilfe eines Einsatzkörpers wird der radial innere Zentrierversatz des beteiligten Rotorteils mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einer radialen Kraft beaufschlagt und dabei vorgespannt und vordeformiert. Beim Hochfahren in den Betriebszustand wird das vorgespannte und vordeformierte Rotorteil aufgrund der geringeren Wärmeausdehnung des Einsatzes entspannt. Dies verringert die Gefahr eines Materialbruchs unter Betriebsbedingungen. Die permanente Spannung und Deformation, der das Material unterliegt, führt zu Ermüdungserscheinungen, in deren Folge die Gefahr einer Dejustierung unter Betriebsbedingungen wiederum zunimmt.
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 durch einen erhöhten Widerstand gegen axiale Verschiebungen vermieden wird.
Bei einer Verbindung der eingangs genannten Art wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs erreicht.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, bei einer kraft- und formschlüssigen Verbindung axial vorgespannter rotierender Bauteile, welche im Bereich der Verbindung während der Rotation ein unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen, mittels eines gestuften Zentriersitzes, welcher zumindest einen positiven, hervorstehenden Zentrierversatz und einen negativen, eingezogenen Zentrierversatz umfasst sowie einen Einlagering, welcher eine radiale Kraft auf den positiven Zentrierversatz ausübt, das Bauteil mit dem negativen Zentrierversatz und den Einlagering aus einem Werkstoff zu fertigen, welcher einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles mit dem positiven Zentrierversatz, in dem der Einlagering untergebracht ist.
Diese Massnahme gewährleistet anlässlich der Rotation ein Anpressen des innenliegenden Bauteils gegen das aussenliegende Bauteil und damit einen erhöhten Widerstand gegen axiale Verschiebungen.
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 sind nicht der an sich bekannte und unveränderte Teil des Rotors oder andere Rotoreinzelheiten 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 respektive 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 Freistiches des jeweils anderen Rotorteils durch eine die zu erwartenden 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. 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 deren 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 (6)

  1. Kraft- und formschlüssige Verbindung axial vorgespannter, rotierender Bauteile (1;2), welche im Bereich der Verbindung während der Rotation unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen, mittels eines gestuften Zentriersitzes (3), welcher zumindest einen positiven, hervorstehenden Zentrierversatz (4) und einen negativen, eingezogenen Zentrierversatz (5) umfasst sowie einen Einlagering (7), welcher eine radiale Kraft auf den positiven Zentrierversatz (4) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) mit dem negativen Zentrierversatz (5) und der Einlagering (7) aus einem Werkstoff bestehen, welcher einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Bauteiles (1) mit dem positiven Zentrierversatz (4), in dem der Einlagering (7) untergebracht ist.
  2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlagering (7) mit einem Bund (11) 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 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierversatz (4, 5) des Zentriersitzes (3) zumindest annähernd zylindrisch oder leicht konisch ausgebildet ist.
  5. Verbindung nach Anspruch 4, 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.
  6. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentriersitz (3) eine doppelkonische Kontaktfläche (9) aufweist.
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