NO20120480A1 - Hoyhastighetsgirkobler - Google Patents

Abstract

Koblingsapparatet inkluderer en giraksel (30), inkludert et solhjul (38) på en akselende (34) for tilkobling til en reduksjonsgirboks. Solhjulet (38) driver en planetgiroverføring (20) på innsiden av girboksen. Koblingsapparatet har ytre spliner(42) på girakselens andre ende (36) som griper inn i de indre splinene (64) på et ringgir (58) koblet til et koblingsflenselement (54) med bolter (60) om muttere (62). Flenselementet (54) overfører høyt dreiemoment fra en høyhastighetsturbinaksel (14) til girakselen (30) gjennom de i hverandre gripende splinene. Tennene på de indre (64) og ytre (42) splinene blir holdt smørt fra en10 stasjonær spraykilde (74) på turbinsiden via en oljefanger (72) montert på flenselementet (54) motsatt for ringgiret (58). Strømningen av smøreolje underoperasjon er fra oljefangeren (72) gjennom hull (82) i flenselementet (54) og til de i hverandre gripende splinene (42,64). Både oljefanger (72) og ringgir (58) er sentrerte ved en kant (94) posisjonert på flenselementet (54).

Description

Beskrivelse av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat for å koble sammen en rotasjonsdrivmotor og en hastighetsreduserer. Mer spesifikt vedrører foreliggende oppfinnelse apparat for å koble sammen en høyhastighetsdriver, slik som en gassturbin, og en giret hastighetsreduserer for overføring av effekt (eng: power).

Bakgrunn for oppfinnelsen

Vanskeligheter i sammenkoblingen av høyhastighetsdrivere, slik som gassturbiner, med hastighetsreduserere inkluderer mulighetene for feiljustering, sideveis og/eller vinklet, mellom aksen for driveren og aksen for høyhastighetstilførsel for hastighetsredusereren. Skjevinnstillingen kan forårsake unødvendig slitasje og mulig svikt for det sammenkoblende apparatet på grunn av materialtretthet dersom feiljusteringen overføres til et fleksibelt element. Eventuell slitasje eller annen skade på drivmotoren og/eller hastighetsredusereren kan også forekomme.

Konvensjonelle apparater for sammenkobling av høyhastighetsdrivere og hastighetsreduserere inkluderer én eller flere relativt tynne, fleksible ringformede disker sammenføyd på deres ytre periferier, med sine respektive indre periferier koblet til driveren og hastighetsredusereren vanligvis med én eller flere aksler. "Twin Tor" kobleren fremstilt av Voith er et eksempel på et slikt konvensjonelt koblingsapparat. Mangler ved slike konvensjonelle koblingsapparater inkluderer muligheten for katastrofal materialtretthetssvikt for de fleksible diskene, på grunn av lavere sikkerhetsmarginer ved toppbelastninger og mottakelighet for eksitasjon ved kritiske (resonans) frekvenser.

Oppsummering av oppfinnelsen

Ett aspekt av foreliggende oppfinnelse inkluderer apparat for sammenkobling av en høyhastighetsdriver med en hastighetsreduserer. Apparatet inkluderer en langstrakt giraksel som definerer en langsgående akse og som har motstående første og andre ender og midler for operativt å koble sammen den første enden av girakselen til hastighetsredusereren. Apparatet inkluderer også en girkobling på den andre enden av girakselen til driveren, der girkoblingen er aksel-symmetrisk og inkluderer radielt innovervendende og radielt utovervendende sett med spliner. Splinsettene er innbyrdes inngripende og tilveiebringer en gir-ratio på 1:1. Girkoblingen inkluderer ytterligere midler for kobling til driveren.

Et annet aspekt av oppfinnelsen inkluderer apparat for å generere kraft. Det kraftgenererende apparatet inkluderer en gassturbinmotor som har en drivaksel, en reduksjonsgirboks som har en høyhastighetsinnføring, og en koblingsinnretning som kobler sammen drivakselen med høyhastighetinnføringen. Koblingsinnretningen har en langstrakt giraksel som definerer en langsgående akse og som har motstående første og andre ender, et solhjul posisjonert på den første enden av girakselen og operativt koblet til høyhastighetsinput på reduksjonsgirboksen, og en girkobling posisjonert på den andre enden av girakselen i nærheten av gassturbindrivakselen. Girkoblingen inkluderer radielt innovervendende og radielt utovervendende sett med innbyrdes inngripende spliner og har en gir-ratio på 1:1. Girkoblingen inkluderer ytterligere et flensoppsett koblet til gassturbindrivakselen. De radialt innovervendende splinene er forbundet med flensoppsettet og de radialt utovervendende splinene er forbundet med girakselen.

Ytterligere aspekter av oppfinnelsen vil bli fremlagt delvis i beskrivelsen som følger, og vil delvis være åpenbare ut fra beskrivelsen, eller kan forstås ved utøvelse av oppfinnelsen. Målene og fortrinnene ved oppfinnelsen vil bli anskueliggjort og oppnådd ved hjelp av elementene og kombinasjonene som spesifikt er pekt ut i de tilhørende kravene.

Det er slik å forstå at både den foregående generelle beskrivelsen og den følgende detaljerte beskrivelsen kun er eksempelmessige og forklarende og er ikke begrensende for oppfinnelsen slik den er krevd.

De tilhørende tegningene, som er inntatt og som utgjør en del av denne beskrivelsen, illustrerer utførelsesformer av oppfinnelsen og virker sammen med beskrivelsen for å forklare prinsippet med oppfinnelsen.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er en tverrsnittsfremstilling av et parti av en gassturbinkraftgenerator som benytter et koblingsapparat i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse for å koble sammen en gassturbin og en hastighetsreduserer,

Figur 2 er en isometrisk fremstilling av koblingsapparatet i figur 1,

Figur 3 er en endefremstilling langs AA for koblingsapparatet vist i figur 2,

Figur 4A er partiell langsgående tverrsnittsfremstilling langs AD på koblingsapparatet vist i figur 2,

Figur 4B er en tverrsnittsfremstilling av en detalj i figur 4A,

Figur 4C er en tverrsnittsfremstilling av en detalj i figur 4B, og

Figur 4D er en endetverrsnittsfremstilling langs AC av en detalj i figur 4B.

Beskrivelse av de tilkjennegitte utførelsesformene

Figur 1 avbilder rotasj onsapparat generelt betegnet med nummeret 10 for å koble sammen en høyhastighetsdriver med en hastighetsreduserer. På det avbildede apparatet er høyhastighetsdriveren en gassturbinmotor 12 som har en effekt- eller drivaksel 14 og en kappe 16. Hastighetsredusereren 18 avbildet i figur 1 inkluderer planetfgiroverføring 20 (eng: "planet gear train"), giret

høyhastighetsinnføringskobling 22 og hastighetsredusererkappe 24.1 det avbildede apparatet kan den genererende hastigheten på turbindrivaksel 14 være mellom omtrent 15000 rpm og 40000 rpm, og effekten overført til girkobling 10 kan være mellom omtrent 500 KW og 3000 KW. Som vist er driverkappe 16 og hastighetsredusererkappe 14 sammenføybare på ledd 26 for å omfatte kraftgenererende sett 28. Ledd 26 som er separerbart tilveiebringer også tilgang til koblingsapparat 10 for sammensetting, vedlikehold o.s.v.

I overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse inkluderer koblingsapparatet en

langstrakt giraksel som definerer en langsgående akse og som har motstående ender. Som vist her, og med første referanse til figur 1 og 2, inkluderer koblingsapparat 10 langstrakt giraksel 30 som har en langstrakt akse 32 og motstående aksiale ender 34, 36. Giraksel 30 kan være hul (som avbildet) eller massiv. Lengden på girakselen 30 kan være avhengig av den spesifikke anvendelsen. Passende materialer for giraksel

30 inkluderer høy styrke stål ty per, slik som setteherdet eller nitreringsstål.

Videre i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse inkluderer koblingsapparatet midler for operativt å koble sammen den første enden på girakselen til hastighetsredusereren. Som vist her er aksialt motstående ende 34 konfigurert med solhjul 38 for å passe med planetgiroverføring 20 ved høyhastighetsinnføring 22. Det kan være foretrukket at solhjultenner 38a, og også fortrinnsvis flankene på solhjul et 38, er kronet for å tillempe feiljustering mellom giraksel 32 og aksen for høyhastighetsinnføringskoblingen 22. Girtenner 20a i planetgiroverføringen 20 kan også hensiktsmessig være kronet i så henseende.

Fagfolk på området vil forstå og sette pris på at girakselende 34 kan ha "midler" forskjellig fra solhjul et 38 for å koble til en hastighetsreduserer, avhengig av konfigurasjonen av høyhastighetsinnføringen. For eksempel, og ved begrensning, dersom hastighetsredusereren som skal benyttes i kraftgenerereringssett 28 har en kileaksel som e høyhastighetsinnføring, aksial giraksel 34 kan være konfigurert som en motkrave for interne spliner.

Ytterligere i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse inkluderer koblingsapparatet en girkobling posisjonert på den andre aksiale girakselenden. Girkoblingen er akselsymmetrisk og inkluderer i hverandre gripende sett med radielt utovervendende og radielt innovervendende spliner som tilveiebringer en gir-ratio på 1:1. Girkoblingen inkluderer også et middel for kobling til driveren. Som vist her og med referanse til figurene 4A-D inkluderer girkoblingen som generelt betegnes med figurhenvisning 40 et sett med utovervendende spliner 42 posisjonert på radielt utstikkende del 44 på giraksel 36. Koblingsgir 40 inkluderer også flensoppsett 50 inkludert flenselement 52 som har en radielt utstikkende del 54 posisjonert aksialt inntil radialt utstikkende del 44 på girakselen 36. Flenselement 52 inkluderer ytterligere en kravedel 100 i avstand fra girakselende 36 og som har interne spliner 102 for å koble til kiledrivaksel 14 på gassturbin 12 (se figur 1 og 2). Andre flensoppsett-driverkoblings-"midler" er selvfølgelig mulige avhengig av konfigurasjonen til turbindrivakselen, slik fagfolk på området er på det rene med. Dersom turbindrivaksel 14 for eksempel inkluderer en krave med innovervendende spliner kan girkoblingen inkludere flensoppsettet 50 utstyrt med en kileskjøteaksel.

Flensoppsett 50 inkluderer ringgirelement 58 på hvilken det er tilveiebrakt et sett med radielt innovervendende spliner 64. Ringgir 58 er festet til flenselement 52 med et flertall av angulært fordelte bolter 60 og mutterfestere 62. Slik det best fremgår av figurene 4A-D er splinsett 42 og 64 inngripende i hverandre og er konfigurert for å overføre det påkrevde dreiemomentet/effekten fra gassturbindrivaksel 14 til girakselende 36. De inngripende splinsettene 42 og 64 tilveiebringer en gir-ratio på 1:1. Som det også går frem av figurene 4A-4C så er girkobling 40 inkludert flensoppsett 50 akse-symmetrisk omkring aksen 32, for derved å fremme høyhastighetsrotasj on.

Det kan være foretrukket at settet med radielt utovervendende spliner 42 er overflateherdet, slik som ved et hardt belegg, relativt i forhold til den for de innovervendende splinene 64 for å tilveiebringe foretrukket slitasje på splinene 64. Dersom splinene 64 blir slitt kan de enkelt bli erstattet ved å fjerne boltene og erstatte ringgir 58 under planlagt vedlikehold, inkludert vedlikehold i felten. Sammenlignet vil utskiftingen av et slitt sett med spliner 42 kreve erstatning av giraksel 30, som er en dyrere komponent. Et passende herdingsbelegg for spliner 42 er DLC (diamantliknende karbonbelegning), slik som Balzers Balinit Ci. Den relativt "åpne" geometrien til ringgir 58 tillater videre presisjonsmaskinering av splinsett 64, muligens til en "kvalitet 5" DIN-standard.

Den åpne geometrien til ringgir 58 tillater spesifikt tilsliping av indre tenner på splinsett 64 sammenlignet med konfigurasjoner der tennene kun kan bli fremstilt ved hjelp av kutting. Sliping gir mye større nøyaktighet på tanndimensjoner og "run-out". Slitasje og ubalanse vil bli redusert og levetid økt.

I den avbildede utførelsesformen er det utovervendende settet med spliner 42 "assosiert" med girakselen 30 mens det innovervendende splinsettet 64 er "assosiert" med flensoppsett 50 som er festet til flenselement 52. Denne "assosieringen" er ment å skulle bety at effekt/kraft strømmer fra det innovervendende splinsettet 64 til splinsettet 42 under operasjon. I andre konfigurasjoner (ikke vist) kan det være foretrukket å reversere de respektive "assosieringene", slik som der ringgiret med innovervendende spliner er direkte festet på girakselen, mens de utovervendende splinene er direkte festet på et annet element på flensoppsettet. Slike konstruksjoner er også ansett å ligge innefor omfanget av foreliggende oppfinnelse, i sin bredeste kontekst.

Videre kan det være foretrukket å tilveiebringe et smøresystem for å smøre de innovervendende og utovervendende splinsettene under roteringsoperasjon. Som omfattet her og som vist i figurene 4A-4D inkluderer girkobling 10 oljesmøresystem 70. Olj esmøresy stem 70 inkluderer en ringformet oljefanger 72 festet til flenselement 52 med de samme gjennomgående boltene 60 og mutterne 62 som er benyttet for å feste ringgir 58. Oljefanger 72 er konfigurert for å fange opp smøreolje tilført av stasjonær oljetilførsel 74 posisjonert nærliggende flenselement 52. Oljefanger 72 har en radielt innover kurvet leppe 76 posisjonert for å fange opp olje sprayet eller dryppet fra dyse 78 på stasjonær kilde 74 på roterende flenselement 52. Sentrifugalkraft tilveiebrakt ved roterende flenselement 52 driver oljen mot oljefanger 72 og gir opphav til oljesmørestrømningsvei fra dyse 78 til flens 52 og deretter til oljefanger 72 som vist ved piler F i figur 4B. Flenselement 52 kan bli tilveiebrakt med ringformet utsparing slik som 80 for å kontakte og posisjonere den sprayede eller dryppede oljen.

Videre inkluderer distribusjonssystem 70 et flertall med aksiale gjennomgående hull 82 på flenselementdel 54. Gjennomgående hull 54 virker for å lede olje fra reservoar 83 på oljefanger 72 til et ringformet oljeoppsamlingsrom 84 inntil splinsett 42 og 64 og delvis definert ved ringgir 58, under roteringsoperasjon. Det betyr at både oljereservoar 83 og oljeoppsamler 84 er avhengig av sentrifugalkraft for å holde oljen på plass og gjøre at oljen strømmer mot splinsettene, slik det er klart for fagfolk på området. Annulusen med "holdt" olje i oppsamler 84 under operasjon kan for eksempel være 2 til 3 millimeter tykk.

Olj esmøresy stem 70 inkluderer videre ytterligere holdering 86 posisjonert på nedstrømssiden av inngripende splinsett 42 og 64, relativt i forhold til retningen for smøreoljestrømning forbi inngripende splinsett 42 og 64. Holdering 86 kan være en radielt ekspanderbar spiraltype ring som har radielt utadrettet fjærkraft, slik som er tilgjengelig fra Smalley Steel Ring Company, Lake Zurich, IL. Holdering 86 er plassert i ringformet fure 88 dannet på splinsett 64 hvorved furedybdediameteren bestemmer den faktiske ytre diameteren 87på holdering 86, fordi ringen 86 sitter i fure 88 med fjærbelastning. Slik det best sees i figur 4D kan dybden på furen 88, og slik den ytre diameteren 87 for holderingen 86, bli satt relativt i forhold til rotdiametern 90 for spliner 64 for å tilveiebringe rotåpninger 92 for å regulere strømningen av smørende olje forbi de inngripende splinsettene 42 og 64. Smøreoljen som strømmer gjennom rotåpningene 92 blir deretter fjernet ved sentrifugalkraft inn i hulrommet dannet av kappene 16 og 24 (se figur 1), samlet opp og ført tilbake til oljetilførsel en (ikke vist). Holdering 86 virker også for å forhindre aksial "run-out" av giraksel 30.

Mens andre konfigurasjoner og lokaliseringer av oljetilførselssystemet 70 er mulige så tillater lokalisering av oljefangeren 72 på den motstående siden av flenselementdel 54 fra ringgir 58 at flensoppsettet 50 kan bli balansert for å forhindre forskyvning under høyhastighetsoperasjon. Det betyr at oljefanger 72 kan bli gitt en størrelse og konfigurert for å hindre "blomstring" eller tilting av flenselement 54 mot akse 32 for å opprettholde parallelliteten for splinsettet 64 relativt i forhold til splinsettet 42 under høyhastighetsoperasjon. I tillegg kan ring 58 og oljefanger 72 bli sentrert ved kant 94 på flenselementdel 54 under operasjon. I den tilkjennegitte konfigurasjonen for olj esmøresy stem 70 er videre ytterligere posisjonen og antallet gjennomgående hull 82 i flenselementdel 54 i stor grad uavhengig av mønstret av spliner 64 for derved å tillate større designfleksibilitet.

Andre utførelsesformer av oppfinnelsen vil være åpenbare for fagfolk på området ut fra vurdering av beskrivelsen og utøvelse av oppfinnelsen som er tilkjennegitt her. Det er ment at eksemplene i beskrivelsen skal bli ansett som kun eksempelmessige, der det virkelige omfanget av og ideen til oppfinnelsen er indikert ved de følgende kravene.

Claims (20)

1. Apparat for sammenkobling av en høyhastighetsdriver med en hastighetsreduserer, karakterisert vedat apparatet omfatter: en langstrakt giraksel som definerer en langsgående akse og som har motstående første og andre ender, midler for operativt å koble sammen den første enden av girakselen med hastighetsredusereren, og en girkobling posisjonert på den andre enden av girakselen til driveren, der girkoblingen er akse-symmetrisk og inkluderer radielt innovervendende og radielt utovervendende sett med spliner/kilespor(eng: spline), der settene er innbyrdes inngripende og tilveiebringer en gir-ratio på 1:1, der girkoblingen ytterligere inkluderer midler for kobling til driveren.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert vedat hastighetsredusereren har en planetgiroverføring med en høyhastighetsinnføring, og der midlene for sammenkobling av den første enden inkluderer et solhjul posisjonert på den første girakselenden, der solhjulet er konfigurert for å gripe inn i planetgiroverføringen.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert vedat bade solhjul og i hverandre gripende spliner i planetgiroverføringen er kronet for å oppta mulig feilinnstilt vinkel.

4. Apparat ifølge krav 1, karakterisert vedat de radielt utovervendende splinene har en hard belegning, og der girkoblingen inkluderer et utskiftbart element på hvilket de radielt innovervendende splinene er posisjonert.

5. Apparat ifølge krav 1, karakterisert vedat det ytterligere inkluderer et system for smøring av de innovervendende og utovervendende settene med spliner under roterende bevegelse, der systemet har en stasjonær kilde for smøreolje, der girkoblingen inkluderer en oljefanger konfigurert for å fange opp olje tilført fra den stasjonære kilden.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert vedat smøresystemet ytterligere inkluderer åpninger for regulering av smøreoljestrøm forbi de i hverandre gripende innovervendende og utovervendende splinene, og der åpningene er i strømningskommunikasjon med oljefangeren.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert vedat smøresystemet ytterligere inkluderer en oljeoppsamler posisjonert nærliggende de innovervendende og utovervendende splinene, der åpningene er i strømningskommunikasjon med oljefangeren gjennom oljeoppsamleren.

8. Apparat ifølge krav 6, karakterisert vedat girkoblingen inkluderer en tilbakeholdsring posisjonert inntil de innovervendende og utovervendende splinene, og der holderingen er konfigurert og posisjonert for å definere åpningene.

9. Apparat ifølge krav 1, karakterisert vedat høyhastighetsdriveren er en turbin som har en turbinaksel, der de radielt utovervendende splinene er posisjonert på girakselens andre ende, og der girkoblingen inkluderer et flensoppsett som har et utskiftbart element på hvilket de radielt innovervendende splinene er posisjonert.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert vedat operasjonshastigheten på turbinaksel en er mellom 15000 RPM og omtrent 40000 RPM.

11. Apparat ifølge krav 9, karakterisert vedat effekten som overføres gjennom turbinakselen er på mellom 500 KW og omtrent 3000 KW.

12. Apparat ifølge krav 1, karakterisert vedat de utovervendende splinene er posisjonert på girakselens andre ende, og der girkoblingen inkluderer et flensoppsett som har et ringgir som har det innovervendende settet med spliner, der flensoppsettet inkluderer et flenselement for kobling av ringgiret til driveren.

13. Apparat ifølge krav 12, karakterisert vedat flenselementet inkluderer en splinekrave med avstand fra girakselens andre ende.

14. Apparat ifølge krav 12, karakterisert vedat flensoppsettet ytterligere inkluderer en oljefanger, der flenselementet har en radial ytre kant konfigurert for radialt å begrense ringgiret og oljefangeren, og der flenselementet, ringgiret og oljefangeren er konfigurert for å tilveiebringe selvsentrering under høyhastighetsoperasjon.

15. Apparat ifølge krav 12, karakterisert vedat flensoppsettet ytterligere inkluderer en oljefanger for å fange opp smøreolje tilført fra en stasjonær kilde under operasjon, der ringgiret og oljefangeren er festet til motstående aksiale sider av flenselementet, og der ringgiret, flenselementet og oljefangeren er konfigurert for å opprettholde parallellitetn til de innovervendende splinene relativt til de utovervendende splinene under høyhastighetsoperasjon.

16. Apparat ifølge krav 15, karakterisert vedat ringgiret er konfigurert for å ha en oljeoppsamler for oppsamling av smøreolje under operasjon og for tilførsel av smøreoljen til de innovervendende og utovervendende splinene, og der oljeoppsamleren og oljefangerreservoaret er i fluid kommunikasjon via et flertall med gjennomgående hull i flenselementet.

17. Apparat ifølge krav 15, karakterisert vedat de i hverandre gripende innovervendende og utovervendende splinene er konfigurert for å tillate smøreoljestrømning fra oljeoppsamleren aksialt forbi de i hverandre gripende splinene.

18. Apparat ifølge krav 17, karakterisert vedat girkoblingen inkluderer en holdering posisjonert nærliggende de i hverandre gripende innovervendende og utovervendende splinene for å definere åpninger konfigurert for å regulere smøreolj estrømmen forbi de i hverandre gripende splinene.

19. Apparat ifølge krav 18, karakterisert vedat der ringgiret inkluderer en ringformet fure dannet på de innovervendende splinene og som er konfigurert for å oppta en ytre diameter for holderingen ved en forhåndsbestemt avstand fra de innovervendende splinenes rotdiameter.

20. Apparat for generering av effekt(eng: power), karakterisert vedat det omfatter: en gassturbinmotor som har en drivaksel, en reduksjonsgirboks som har en høyhastighetsinnføring, og en koblingsinnretning som kobler sammen drivakselen med høyhastighetsinnføringen, der koblinginnretningen inkluderer: (a) en langstrakt giraksel som definerer en langsgående akse og som har motstående første og andre ender, (b) et solhjul posisjonert på den første enden av girakselen og som er operativt koblet til høyhastighetsinnføringen på reduksjonsgirboksen, og (c) en girkobling posisjonert på den andre enden av girakselen inntil gassturbindrivakslelen, der girkoblingen inkluderer radielt innovervendende og radielt utovervendende sett med i hverandre gripende spliner og som har en gir-ratio på 1:1, der girkoblingen ytterligere inkluderer et flensoppsett koblet til gassturbindrivakselen, der de radielt innovervendende splinene er assosiert med flensoppsettet og de radielt utovervendende splinene er assosiert med girakselen.