CH701043A2

CH701043A2 - Kupplung für Rotationskomponenten.

Info

Publication number: CH701043A2
Application number: CH00722/10A
Authority: CH
Inventors: Ian David Wilson
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2010-11-15
Also published as: JP2010265896A; US20100290904A1; US8267649B2; CN101886552A; DE102010016824A1

Abstract

Es wird ein System offengelegt, das ein Turbinentriebwerk mit einer ersten Rotationskomponente (26) mit einer um eine Rotationsachse (30) des Triebwerks angeordneten ersten ringförmigen Kupplung (44) enthält. Die erste ringförmige Kupplung (44) hat eine axial konvergierende Oberfläche in Bezug auf die Rotationsachse (30). Das System enthält auch eine zweite Rotationskomponente (34) mit einer um die Rotationsachse (30) des Turbinentriebwerks herum angeordneten zweiten ringförmigen Kupplung, wobei die zweite ringförmige Kupplung eine axial divergierende Oberfläche dergestalt aufweist, dass die axial konvergierende Oberfläche der ersten ringförmigen Kupplung (44) sich mit der axial divergierenden Oberfläche verbindet.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Der hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft Gasturbinentriebwerke und insbesondere die Ausrichtung von Rotationskomponenten und Wellen.

[0002] Im Wesentlichen verbrennen Gasturbinentriebwerke ein Gemisch aus verdichteter Luft und Brennstoff, um heisse Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase können durch eine oder mehrere Turbinenstufen strömen, um Kraft für eine Last und/oder einen Verdichter zu erzeugen. Die Turbinenstufen enthalten Rotationskomponenten, wie z.B. Rotoren und Schaufeln, die um eine Welle rotieren. Um Verschleiss zu verringern und den Betrieb des Gasturbinentriebwerks sicherzustellen, werden die Rotationskomponenten im Allgemeinen axial und konzentrisch ausgerichtet. Leider sind derzeit existierende Kupplungen oft komplex, zeigen Reibungsverschleiss, erzeugen lokale Stellen mit hoher Beanspruchung oder es fehlt ihnen eine Einbaumöglichkeit vor Ort.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0003] Bestimmte im Schutzumfang der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechende Ausführungsformen sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen nicht den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken, sondern diese Ausführungsformen sollen nur eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung bereitstellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielzahl von Formen annehmen, die ähnlich zu den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen sind oder sich von diesen unterscheiden.

[0004] In einer ersten Ausführungsform enthält ein System ein Turbinentriebwerk mit einer ersten Rotationskomponente und einer zweiten Rotationskomponente. Die erste Rotationskomponente enthält eine um eine Rotationsachse des Turbinentriebwerks angeordnete erste ringförmige Kupplung, wobei die erste ringförmige Kupplung eine axial konvergierende Oberfläche in Bezug auf die Rotationsachse aufweist. Die zweite Rotationskomponente enthält eine um die Rotationsachse des Turbinentriebwerks herum angeordnete zweite ringförmige Kupplung, wobei die zweite ringförmige Kupplung eine axial divergierende Oberfläche in Bezug auf die Rotationsachse aufweist. Die axial konvergierende Oberfläche der ersten ringförmigen Kupplung verbindet sich mit der axial divergierenden Oberfläche der zweiten ringförmigen Kupplung.

[0005] In einer zweiten Ausführungsform enthält ein System eine um eine Rotationsachse angeordnete Welle und ein um die Rotationsachse angeordnetes Rad. Das Rad enthält mehrere Schaufeln, die Welle verbindet sich mit dem Rad entlang einer ringförmigen Schnittstelle, und die ringförmige Schnittstelle weist einen ringförmigen Vorsprung auf, der in entgegengesetzten radialen Richtungen durch eine ringförmige Nut in Umfangsrichtung um die Rotationsachse aufgenommen wird.

[0006] In einer dritten Ausführungsform enthält ein System eine selbstausrichtende Reibungskupplung. Die selbstausrichtende Reibungskupplung enthält eine erste ringförmige Stirnfläche mit einer axial konvergierenden Oberfläche, die sich in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse erstreckt und eine zweite ringförmige Stirnfläche mit einer axial divergierenden Oberfläche, die sich in Umfangsrichtung um die Rotationsachse erstreckt, wobei sich die axial konvergierende Oberfläche der axial divergierenden Oberfläche lediglich durch Reibung verbindet, und die axial konvergierende Oberfläche und die axial divergierende Oberfläche dafür konfiguriert sind, erste und zweite Rotationskomponenten in axialer Ausrichtung und konzentrischer Ausrichtung in Bezug zueinander auszurichten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0007] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Referenzzeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Durchflussdarstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerks ist;

<tb>Fig. 2<sep>eine Schnittansicht des entlang der Längsachse aufgeschnitten Gasturbinentriebwerks von Fig. 1ist;

<tb>Fig. 3<sep>eine schematische Ansicht der Rotationskomponente eines Rotors ist, die eine Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

<tb>Fig. 4<sep>eine vergrösserte Querschnittsansicht der Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung entlang der Bogenlinie 4-4 von Fig. 3 gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

<tb>Fig. 5<sep>eine vergrösserte Querschnittsansicht der Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und

<tb>Fig. 6<sep>eine vergrösserte Querschnittsansicht der Aus-richtungs- und Drehmomentübertragungskupplung und eines Haltemechanismus gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0008] Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementation in der Beschreibung dargestellt werden. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um Überstimmung mit den spezifischen Zielen des Entwicklers, wie z.B. Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen zu erzielen, welche von einer Implementation zur nächsten variieren können.

Ferner dürfte erkennbar sein, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung eine Routineaufgabe wäre.

[0009] Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel "einer, eines, eine", "der, die, das" und "besagter, besagte, besagtes" die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sein kann. Die Begriffe "aufweisend", "enthaltend" und "habend" sollen einschliessend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente ausser den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.

[0010] Die vorliegende Offenlegung ist auf Rotationsmaschinen gerichtet, die eine Rotationskomponenten-Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur enthalten. Die Rotationsmaschinen können eine Gasturbine, Dampfturbine, Wasserturbine, Windturbine, einen Verdichter oder eine andere Rotationsanordnung beinhalten. Die Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur kann eine in Umfangsrichtung verlaufende V-förmige Nut in einer ersten Rotationskomponente (z.B. in einem Rad) und einen entsprechenden in Umfangsrichtung verlaufenden winkelförmigen Vorsprung in einer zweiten Rotationskomponente (z.B. in einer Welle) enthalten. Die Verbindung zwischen der V-förmigen Nut und dem winkelförmigen Vorsprung sorgt für eine Axial-, Radial- und Umfangsausrichtung zwischen den Rotationskomponenten.

Beispielsweise kann die Verbindung zwischen der V-förmigen Nut und dem winkelförmigen Vorsprung die Rotationskomponenten konzentrisch ausrichten, d.h., die Komponenten alle um dieselbe Rotationsachse zentrieren. Zusätzliche Ausführungsformen können eine konzentrische und axiale Ausrichtung zwischen mehreren Rotationskomponenten, Zwischenwellen oder irgendeiner anderen geeigneten Komponente umfassen. Die Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur kann Drehmoment zwischen Rotationskomponenten durch Flächenreibung übertragen. Während Zuständen hoher Belastung ermöglicht diese Technik ein Gleiten der Struktur und minimiert die an die Rotationskomponenten übertragene Belastung.

[0011] Fig. 1 ist eine Blockdarstellung eines ein Gasturbinentriebwerk 12 enthaltenden exemplarischen Systems 10, das die hierin diskutierte Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur anwenden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das System 10 ein Flugzeug-, Wasserkraft-, Lokomotiven-, Energieerzeugungs-System oder Kombinationen davon umfassen. Das dargestellte Gasturbinentriebwerk 12 enthält einen Luftansaugbereich 16, einen Verdichter 18, einen Brennerbereich 20, eine Turbine 22 und einen Abgasbereich 24. Die Turbine 22 ist mit dem Verdichter 18 über eine Welle 26 gekoppelt.

[0012] Wie durch die Pfeile dargestellt, kann Luft in das Gasturbinentriebwerk 12 durch den Ansaugbereich 16 eintreten und in den Verdichter 18 strömen, welcher die Luft vor dem Eintritt in den Brennerbereich 20 verdichtet. Der dargestellte Brennerbereich 20 enthält ein Brennergehäuse 28, das konzentrisch oder ringförmig um die Welle 26 zwischen dem Verdichter 18 und der Turbine 22 herum angeordnet ist. Die verdichtete Luft aus dem Verdichter 18 tritt in die Brenner 29 ein, wo sich die verdichtete Luft mit Brennstoff in den Brennern 29 vermischen und verbrennen kann, um die Turbine 22 anzutreiben.

[0013] Aus dem Verdichterabschnitt 20 strömen die heissen Verbrennungsgase durch die Turbine 22 und treiben den Verdichter 18 über die Welle 26 an. Beispielsweise können die Verbrennungsgase Antriebskräfte auf die Turbinenrotorschaufeln in der Turbine 22 aufbringen, um die Welle 26 zu drehen. Nach dem Durchströmen der Turbine 22 können die heissen Verbrennungsgase das Gasturbinentriebwerk 12 durch den Abgasbereich 24 verlassen. Ausführungsformen einer Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungsstruktur können, wie nachstehend diskutiert, in dem Verdichter, der Turbine oder in beiden verwendet werden.

[0014] Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform des Gasturbinentriebwerks 12 von Fig. 1 entlang der Längsachse 30. Gemäss Darstellung kann die Gasturbine 22 mehrere Stufen wie z.B. drei getrennte Stufen 31 enthalten. Jede Stufe 31 kann Rotationskomponenten, wie z.B. einen Satz von Schaufeln 32 enthalten, die mit einem Rotorrad 34 gekoppelt sind, das drehbar an der Welle 26 (Fig. 1) befestigt ist. In einigen Ausführungsformen können die Rotorräder 34 mittels Zugankern, die sich die durch die Rotorräder 34 oder andere Rotorkomponenten erstrecken, festgeklemmt sein. In weiteren Ausführungsformen können die Rotorräder 34 über einen zentralen Zuganker zusammengeklemmt sein, der sich durch die Bohrungen der Rotorräder 34 oder anderer Rotorkomponenten erstreckt.

[0015] Die Schaufeln 32 können sich von den Rotorrädern 34 aus radial nach aussen erstrecken und können teilweise in dem Pfad der heissen Verbrennungsgase angeordnet sein. Dichtungen können sich zwischen benachbarten Rotorrädern 34 erstrecken und von diesen gelagert sein. Obwohl die Gasturbine 22 als eine dreistufige Turbine dargestellt ist, können die hierin beschriebenen Dichtungen in jeder weiteren geeigneten Art von Turbinen mit einer beliebigen Anzahl von Stufen und Wellen verwendet werden. Beispielsweise können die Dichtungen in einer einstufigen Gasturbine, in einem Doppelturbinensystem, das eine Niederdruckturbine und eine Hochdruckturbine enthält, oder in einer Dampfturbine eingesetzt werden. Ferner können die hierin beschriebenen Dichtungen auch in einen rotierenden Verdichter wie z.B. den in Fig. 1dargestellten Verdichter 18 eingesetzt werden.

[0016] Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1beschrieben, kann Luft durch den Luftansaugbereich 16 eintreten und durch den Verdichter 18 verdichtet werden. Die verdichtete Luft aus dem Verdichter 18 kann dann in den Brennerbereich 20 geführt werden, wo die verdichtete Luft mit Brennstoffgas vermischt werden kann. Das Gemisch aus verdichteter Luft und Brennstoffgas wird im Wesentlichen in dem Brennerbereich 20 verbrannt, um Verbrennungsgase mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, welche zum Erzeugen von Drehmoment in der Turbine 22 genutzt werden können. Insbesondere können die Verbrennungsgase Bewegungskräfte auf die Schaufeln 32 aufbringen, um die Räder 34 zu drehen. Somit können die Rotationskomponenten, wie z.B. die Schaufeln 32 und Räder 34, Drehmoment auf die Welle 26 übertragen.

Eine hohe Betriebstemperatur kann Spannungen in die Rotationskomponenten und die Welle 26 einbringen oder erhöhen. Beispielsweise können die heissen Verbrennungsgase in das Zwischenstufenvolumen zwischen den Turbinenrädern 34 strömen, was Wärmebelastungen auf die Turbinenkomponenten aufbringen kann.

[0017] Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Turbinenbereiches 22 entlang einer Bogen-linie 3-3 von Fig. 2. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird ein zweistufiges Gasturbinentriebwerk mit verschiedenen Rotationskomponenten 36, wie z.B. der Welle 26 und Rädern 34 mit Schaufeln 32 dargestellt, die über eine Ausrichtungs- und Drehmomentübertragungskupplung 38 gekoppelt sind. Die Rotationskomponenten 36 können um die Rotationsachse 30 (Fig. 2) rotieren, während die Kupplung 38 eine Ausrichtung und Drehmomentübertragung um eine in Umfangsrichtung verlaufende Schnittstelle oder Achse 39 bereitstellt. Wie zu erkennen ist, liegt die Achse 39 parallel zur Rotationsachse 30. Die Welle 26 kann mit einem Lager 40 gekoppelt sein, um die Drehung der Rotationskomponenten 36 miteinander zu ermöglichen.

Wie vorstehend erwähnt, kann sich der Mittenzuganker 35 durch Bohrungen der Räder 34 erstrecken, um die Rotationskomponenten 36 axial zusammenzuklemmen. In einigen Ausführungsformen können, wie in Fig. 2dargestellt, die Rotationskomponenten 36, wie z.B. die Räder 34, miteinander über eine (auch als "Abstandshalter" bezeichnete) Zwischenwelle 42, die sich zwischen den Komponenten 36 erstreckt, gekoppelt sein.' Die Zwischenwelle 42 kann auch eine Kupplung 38 zum Verbinden der Rotationskomponenten 36 miteinander enthalten. Gemäss Darstellung in Fig. 3 kann die Welle 26 einen Abschnitt, der sich im Wesentlichen in einer axialen Richtung entlang der Rotationsachse zu den Rotationskomponenten 36 hin erweitert, und einen sich nicht erweiternden Abschnitt enthalten. Beispielsweise kann die Welle 26 einen zylindrischen Abschnitt 25 und einen konischen Abschnitt 27 enthalten.

Gemäss Darstellung enthält die Welle 26 gegenüberliegende zylindrische und konische Abschnitte 25 und 27, welche einander in axialer Richtung gegenüberliegen. Somit erweitert sich oder divergiert der gegenüberliegende konische Abschnitt 27 entlang der Achse 30 auseinander.

[0018] Die Kupplung 38 kann einen Vorsprung 44 enthalten, der zur Verbindung mit einer Nut 46 konfiguriert ist. Wie nachstehend im Detail beschrieben, richtet die Kupplung 38 im Wesentlichen die Rotationskomponenten axial gemäss Darstellung durch den Pfeil 48, radial gemäss Darstellung durch den Pfeil 49 und in Umfangsrichtung gemäss Darstellung durch den Pfeil 50 aus. Somit kann die Kupplung 38 die Rotationskomponenten 36 konzentrisch ausrichten, d.h., alle Komponenten um dieselbe Rotationsachse 30 herum zentrieren. Zusätzlich kann die Kupplung 38 Drehmoment zwischen den Rotationskomponenten 36, d.h., zwischen der Welle 26 und den Rädern 34 übertragen und trotzdem einen Schlupf im Falle eines Fehlerszenarios, wie z.B. eines unüblich höheren Drehmoments zulassen. Wie man erkennt, ist die Kupplung 38 in ihrer Geometrie ringförmig.

Somit sind der Vorsprung 44 und die Nut 46 beide in ihrer Geometrie ringförmig. Der Vorsprung 44 und die Nut 46 weisen einen gemeinsamen Keilsitz auf, um eine Ausrichtung, Drehmomentübertragung und Fehlerschutz, wie nachstehend weiter diskutiert, zu ermöglichen.

[0019] Fig. 4 ist ein vergrösserter Querschnittsbereich entlang der Bogenlinie 4-4 von Fig. 3, der die Kupplung 38 detaillierter darstellt. Wie vorstehend beschrieben, enthält die Kupplung 38 eine ringförmige Kupplung, wie z.B. einen Vorsprung 44 an einem Ende der Welle 26, der sich mit einer weiteren ringförmigen Kupplung (z.B. einer Nut 46) in dem Rad 34 vereint. Die erste ringförmige Kupplung, wie z.B. der Vorsprung 44, kann eine axial konvergierende Oberfläche 52 in Bezug auf die Achse 39 haben. Die axial konvergierende Oberfläche 52 kann Oberflächen mit Längen 54 und 56 enthalten, die in Umfangsrichtung um die Welle 26 herum gemäss Darstellung durch den Pfeil 50 angeordnet sind.

Die zweite ringförmige Kupplung, wie z.B. die Nut 46, kann eine axial divergierende Oberfläche 58 in Bezug auf die Achse 39 haben, sodass sich die axial konvergierende Oberfläche 52 mit der axial divergierenden Oberfläche 58 zum Ausbilden der Kupplung 38 vereint. Die axial divergierende Oberfläche 58 kann Oberflächen mit Konturen 62 und 64 enthalten, die in Umfangsrichtung um die Nut 46 herum angeordnet sind. Die axial konvergierende Oberfläche 52 und die axial divergierende Oberfläche 58 können durch Winkel 66 und 68 beschrieben werden.

[0020] In einer Ausführungsform kann der Vorsprung 54. ein in Umfangsrichtung verlaufender winkelförmiger Vorsprung, ein in Umfangsrichtung verlaufender sich verjüngender Vorsprung oder ein anderer geeignet konvergierender Oberflächenvorsprung sein. In ähnlicher Weise kann die Nut 46 eine in Umfangsrichtung verlaufende V-förmige Nut, eine in Umfangsrichtung verlaufende sich verjüngende Nut oder eine andere geeignet divergierende Oberflächennut sein.

[0021] In bestimmten Ausführungsformen verbinden sich die erste ringförmige Kupplung, d.h., der Vorsprung 44 und die zweite ringförmige Kupplung, wie z.B. die Nut 46, alleine durch den Keilreibungssitz. D.h., die Kupplung 38 kuppelt die Rotationskomponenten 36, wie z.B. die Welle 26 mit dem Rad 34 allein durch die Keilreibung zwischen der axial konvergierenden Oberfläche 52 und der axial divergierenden Oberfläche 58, ohne irgendeinen anderen-Halterungsmechanismus oder Komponenten. Auf diese Weise erfasst die zweite ringförmige Kupplung die Nut 46 radial die erste ringförmige Kupplung, wie z.B. den Vorsprung 44, um jede radiale Bewegung zu blockieren und eine Ausrichtung in der axialen Richtung 48, der radialen Richtung 49 und der Umfangsrichtung 50 zu ermöglichen.

Somit kann die Kupplung 38 als eine selbst-ausrichtende (oder "selbst-zentrierende") Reibungskupplung beschrieben werden, welche eine Konzentrizität ermöglicht. Zusätzlich kann der mit den Rotationskomponenten 36 und der Welle 26 gekoppelte Mittenzuganker 35 eine axiale Kompression entlang der Achse 30 der Rotationskomponenten 36 und der Achse 39 der Kupplung 38 erzeugen. Alternative Formen einer axialen Kompression können mittels Zugankern erzielt werden, die nicht entlang der Mittenachse verlaufen, wie es in Fig. 2dargestellt ist.

[0022] Während des Zusammenbaus führt, da sich der Vorsprung 44 axial in die Nut 46 bewegt, die V-förmige Nut den Vorsprung 44 und die Nut 46 allmählich zu der Achse 39 hin. Wie vorstehend angemerkt, ist die Achse 39 parallel zu der Achse 30. Ferner befindet sich die Achse 39 von der Achse 30 in der Umfangsrichtung 50 um die Achse 30 in gleichem Abstand. Demzufolge erzeugt, sobald sich der Vorsprung 44 und die Nut 46 allmählich in Ausrichtung zu der Achse 39 bewegen, die Kupplung 38 eine Ausrichtung der Rotationskomponenten 36 in der radialen Richtung 49. Ebenso richtet die Kupplung 39 die Rotationskomponenten 36 um die Achse 30 in der Umfangsrichtung 50 und entlang der Achse 30 in der axialen Richtung 48 aus. Somit kann die Kupplung 38 die Rotationskomponenten 36 axial und konzentrisch (d.h., konzentrisch um die Achse 30) ausrichten.

Die V-Form des Vorsprungs 44 und der Nut 46 können als ein Keilsitz beschrieben werden, welcher diese Ausrichtung ermöglicht.

[0023] In vorteilhafter Weise kann der Zusammenbau der Kupplung 38 und die Verbindung der ersten ringförmigen Kupplung, wie z.B. des Vorsprungs 44, und der zweiten ringförmigen Kupplung, wie z.B. der Nut 60, ohne Erwärmung, Kühlung oder unterschiedliche Temperaturänderungen erfolgen. Mit anderen Worten, die Kupplung 38 kann bei Raumtemperatur vor Ort zusammengebaut werden. Die Verbindung des Vorsprungs 44 mit der Nut 46 kann eine keilartige Eindrückung des Vorsprungs 44 in die Nut 46 über das Anziehen des Mittenzugankers 35 beinhalten, was eine Belastung entlang der Achse 39 erzeugt. Ferner können der Vorsprung 44 und/oder die Nut 46 vollständig mittels einer Drehbank bearbeitet werden, um die Herstellungskosten zu verringern.

Während Herstellung, Zusammenbau und Betrieb können Verifizierung und Inspektion der Kupplung 38 einfacher sein, da (im Vergleich zu komplexeren Kupplungen) weniger Oberflächen zu inspizieren sind und da die Oberflächen zusammenhängend (z.B. ringförmig) sind.

[0024] Die Längen 54 und 56 der axial konvergierenden Oberfläche 52 können angepasst werden, um die Belastungen während des Zusammenbaus und des Betriebs zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen können die Längen 54 und 56 gleiche Längen oder unterschiedliche Längen sein. Zusätzlich können die Oberflächen 62 und 64 konturiert sein, um Oberflächenkontaktlastverteilungen auf den Oberflächen 54 und 56 zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen können die Oberflächen 62 und 64 ähnlich konturiert oder unterschiedlich konturiert sein. Ferner können die Winkel 66 und 68 entweder alleine oder in Kombination mit den vorgenannten Techniken, angepasst werden, um die Belastungen während des Zusammenbaus und des Betriebs zu steuern. Die Winkel 66 und 68 können einen kleineren Winkel als 90[deg.] (z.B.

Spitzwinkel), wie z.B. weniger als etwa 5[deg.], 10[deg.], 20[deg.], 30[deg.], 40[deg.], 50[deg.], 60[deg.], 70[deg.], 80[deg.] oder jede Kombination haben. Die Winkel 66 und 68 können gleich oder unterschiedlich zueinander sein. Beispielsweise können die Winkel 66 und 68 angenähert 45[deg.] und 45[deg.], 30[deg.] und 3% 60[deg.] und 60[deg.], 30[deg.] und 60[deg.], 60[deg.] und 30[deg.] usw. sein.

[0025] Fig. 5 stellt eine alternative Ausführungsform der Kupplung 38 mit einem gebogenen Vorsprung 70 und einer gebogenen Nut 72 dar. Wie zu erkennen ist, haben der gebogene Vorsprung 70 und die gebogene Nut 72 die dargestellte Form in Umfangs-richtung um die Achse 30 in der Umfangsrichtung 50. Somit sind die gebogenen Formen ringförmig. In der in Fig. 5dargestellten Ausführungsform enthält die axial konvergierende Oberfläche 52 der Welle 26 den gebogenen Abschnitt 70 (z.B. eine in Umfangsrichtung verlaufende "C-förmige" Oberfläche 74), und die axial divergierende Oberfläche 58 der Rotationskomponente 36 enthält die gebogene Nut 72 (z.B. eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende C-förmige- Oberfläche 76).

Wie vorstehend diskutiert, richten der gebogene Vorsprung 70 und die gebogene Nut 72 die Welle 26 und die Rotationskomponente 36 in der axialen Richtung 48, in der radialen Richtung 49 und in der Umfangsrichtung 50 aus. Somit machen der Vorsprung 70 und die Nut 72 die Rotationskomponenten 36 konzentrisch. Wie ebenfalls vorstehend erwähnt, Verbinden sich der Vorsprung 70 und die gebogene Nut 72 ausschliesslich durch einen Keilreibungssitz, welcher eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotationskomponente 36 und der Welle 26 ermöglicht. Wiederum ermöglicht dieser Keilreibungssitz einen Schlupf des Vorsprungs 70 in Bezug auf die gebogene Nut 72 als Sicherheit im Falle höherer Belastungen, die zu einem höheren Drehmoment führen.

Dieser Schlupf verhindert die Übertragung des höheren Drehmomentes auf die Welle 26 und/oder die Rotationskomponenten 36 und verhindert dadurch einen Schaden (und Ausfall) dieser Komponenten. Der Radius 78 des gebogenen Vorsprungs 70 kann entlang der Oberfläche 74 konstant sein, um eine halbkreisförmige Oberfläche zu erzeugen, oder der Radius 78 kann entlang der Oberfläche 74 variieren, um eine weniger halbkreisförmige Oberfläche zu erzeugen. Ebenso kann der Radius der gebogenen Nut 72 entlang der Oberfläche 76 variieren oder kann entlang der Oberfläche 76 zur Ausbildung einer dem Vorsprung entsprechenden Verbindungsoberfläche 70 variieren.

[0026] Fig. 6 stellt eine alternative Ausführungsform der Kupplung 38 dar, die einen Mechanismus für eine sichere Drehmomentübertragung, wie z.B. einen Stift 82 enthält. Der Stift 82 kann sich durch die Nut 46 und den Vorsprung 44 erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Stift 82 in der radialen Richtung 49 durch die Nut 46 und den Vorsprung 44. In einigen Ausführungsformen kann der Stift 82 in der axialen Richtung 48 oder der Umfangsrichtung 50 orientiert sein. Gemäss Darstellung in Fig. 6 kann der Stift 82 in der radialen Richtung 50 in eine Aufnahme 84 an der Oberfläche 62, durch die Nut 46 der Rotationskomponente 36, durch eine Aufnahme 86 in dem Vorsprung 44 der Welle 26 und durch eine entsprechende Aufnahme 88 an der Oberfläche 64 gerichtet sein.

Der Haltemechanismus kann der Stift 82, ein Bolzen, eine Schraube oder irgendein anderes geeignetes Befestigungselement sein. Der Haltemechanismus, wie z.B. der Stift 82, kann eine weitere Stabilität der Axial-, Radial- und Umfangsausrichtung der durch die Kupplung 38 erzeugten bereitstellen. Zusätzlich kann der Halterungsmechanismus, wie z.B. der Stift 82, ein Scherstift oder ein anderes Scherungsbefestigungselement sein, um die vorstehend diskutierten Drehmomentübertragungs- und Schlupffähigkeiten zu erhalten. Somit kann der Scherstift 82 für eine Abscherung bei einem speziellen Drehmoment unmittelbar über dem für den Schlupf der Kupplung 38 erforderlichen Drehmoment ausgelegt sein. In diesem Falle kann die Kupplung 38 noch einen Schlupf bei einem Soll-Drehmomentwert bereitstellen, um einen Schaden (oder Ausfall) der Rotationskomponenten 36 zu verhindern.

[0027] Es dürfte erkennbar sein, dass die Kupplung 38 nicht auf Anwendungen in dem hierin beschriebenen Gasturbinentriebwerk 12 beschränkt ist, sondern in jeder Rotationsvorrichtung mit einer Schnittstelle zwischen Rotationskomponenten verwendet werden kann. Beispielsweise kann die Kupplung 38 bei Turbinen mit einer Bundbolzenkonstruktion, Dampfturbinen, usw. verwendet werden. Ebenso kann die Kupplung 38 in jeder Rotationsmaschine, wie z.B. in einem Generator, einem Elektromotor, einem Verdichter usw. verwendet werden.

[0028] Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschliesslich ihrer besten Ausführungsart zu offenzulegen, und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und alle Vorrichtungen oder System zu nutzen und alle enthaltenen Verfahren durchzuführen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie Strukturelemente haben, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.

[0029] Es wird ein System 10 offengelegt, das ein Turbinentriebwerk 12 mit einer ersten Rotationskomponente 26 mit einer um eine Rotationsachse 30 des Triebwerks 12 angeordneten ersten ringförmigen Kupplung 44 enthält. Die erste ringförmige Kupplung 44 hat eine axial konvergierende Oberfläche 52 in Bezug auf die Rotationsachse 30. Das System 10 enthält auch eine zweite Rotationskomponente 34 mit einer um die Rotationsachse 30 des Turbinentriebwerks 12 herum angeordneten zweiten ringförmigen Kupplung 46, wobei die zweite ringförmige Kupplung 46 eine axial divergierende Oberfläche 58 dergestalt aufweist, dass die axial konvergierende Oberfläche 52 der ersten ringförmigen Kupplung 44 sich mit der axial divergierenden Oberfläche 58 verbindet.

Bezugszeichenliste

[0030]
<tb>10<sep>System

<tb>12<sep>Gasturbinentriebwerk

<tb>16<sep>Luftansaugbereich

<tb>18<sep>Verdichter

<tb>20<sep>Brennerbereich

<tb>22<sep>Turbine

<tb>24<sep>Abgasbereich

<tb>26<sep>Welle

<tb>28<sep>Brennergehäuse

<tb>29<sep>Verdichter 18 tritt in Brenner ein

<tb>30<sep>Längsachse

<tb>31<sep>drei getrennte Stufen

<tb>32<sep>Schaufeln

<tb>34<sep>Rotorrad

<tb>35<sep>Zuganker

<tb>36<sep>Verschiedene Rotationskomponenten

<tb>38<sep>Drehmomentübertragungskupplung

<tb>39<sep>Achse

<tb>40<sep>Lager

<tb>42<sep>Zwischenwelle

<tb>25<sep>zylindrischer Abschnitt

<tb>27<sep>konischer Abschnitt

<tb>44<sep>Vorsprung

<tb>46<sep>Nut

<tb>48<sep>Pfeil

<tb>49<sep>Pfeil

<tb>50<sep>Pfeil

<tb>52<sep>axial konvergierende Oberfläche

<tb>54<sep>Längen

<tb>56<sep>Längen

<tb>58<sep>axial divergierende Oberfläche

<tb>62<sep>Konturen

<tb>64<sep>Konturen

<tb>66<sep>Winkel

<tb>68<sep>Winkel

<tb>60<sep>Nut

<tb>70<sep>gebogener Vorsprung

<tb>72<sep>gebogene Nut

<tb>74<sep>C-förmige Oberfläche

<tb>76<sep>C-förmige Oberfläche

<tb>78<sep>Radius

<tb>80<sep>Radius

<tb>82<sep>Stift

<tb>84<sep>Aufnahme

<tb>86<sep>Aufnahme

<tb>88<sep>Aufnahme

Claims

1. System (10), aufweisend:

ein Turbinentriebwerk (12), aufweisend:

eine erste Rotationskomponente (26) mit einer um eine Rotationsachse (30) des Turbinentriebwerks (12) angeordneten ersten ringförmigen Kupplung (44), wobei die erste ringförmige Kupplung (44) eine axial konvergierende Oberfläche (52) in Bezug auf die Rotationsachse (30) aufweist;

eine zweite Rotationskomponente (34) mit einer um die Rotationsachse (30) des Turbinentriebwerks (12) angeordneten zweiten ringförmigen Kupplung (46), wobei die zweite ringförmige Kupplung (46) eine axial divergierende Oberfläche (58) in Bezug auf die Rotationsachse (30) aufweist; und

wobei sich die axial konvergierende Oberfläche (52) mit der axial divergierenden Oberfläche (58) verbindet.

2. System nach Anspruch 1, wobei die axial konvergierende Oberfläche (52) einen in Umfangsrichtung verlaufenden winkelförmigen Vorsprung aufweist, und die axial divergierende Oberfläche (58) eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende V-förmige Nut aufweist.

3. System nach Anspruch 1, wobei die axial konvergierende Oberfläche (52) einen im Wesentlichen in Umfangs-richtung verlaufenden C-förmigen Vorsprung aufweist, und die axial divergierende Oberfläche (58) eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende C-förmige Nut aufweist.

4. System nach Anspruch 1, wobei die axial konvergierende Oberfläche (52) und die axial divergierende Oberfläche (58) sich miteinander nur durch einen Reibungssitz verbinden, der dafür konfiguriert ist, Drehmoment zu übertragen.

5. System nach Anspruch 1, das einen Scherstift (82) zwischen der ersten Rotationskomponente (26) und der zweiten Rotationskomponente (34) aufweist.

6. System nach Anspruch 1, wobei sich die axial konvergierende Oberfläche (52) und die axial divergierende Oberfläche (58) miteinander verbinden, um die ersten und zweiten Rotationskomponenten sowohl in axialer Ausrichtung als auch radialer Ausrichtung um einen Umfang der Rotationsachse (30) auszurichten.

7. System nach Anspruch 1, wobei die erste Rotationskomponente (26) eine erste Turbinenwelle aufweist und die zweite Rotationskomponente (34) ein erstes Turbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln (32) aufweist.

8. System nach Anspruch 7, wobei das Turbinentriebwerk (12) eine zweite Welle (26), ein zweites Turbinenrad (34) mit mehreren zweiten Turbinenschaufeln (32) und eine zwischen dem ersten Turbinenrad (34) und dem zweiten Turbinenrad (34) angeordnete Zwischenwelle (42) aufweist, wobei die Zwischenwelle (42) eine dritte ringförmige Kupplung (38) aufweist.

9. System nach Anspruch 8, das einen oder mehrere Zuganker (35) aufweist, die sich durch das erste Turbinenrad (34) und das zweite Turbinenrad (34) hindurch erstrecken und dafür konfiguriert sind, axial die erste Welle (26), das erste Turbinenrad (34), die zweite Welle (26) und das zweite Turbinenrad (34) zusammenzudrücken.