DE1600208C - Coupling for fastening a hub made of fragile material on a shaft with different coefficients of thermal expansion - Google Patents
Coupling for fastening a hub made of fragile material on a shaft with different coefficients of thermal expansionInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Kupplung zum Be- führungsbeispielen wird die Erfindung nun in Verfestigen einer Nabe aus bruchempfindlichem Werk- bindung mit der Zeichnung nochmals eingehend bestoff auf einer Welle mit unterschiedlichem Wärme- schrieben. Es zeigtThe invention relates to a coupling for the exemplary embodiments, the invention will now be solidified a hub made of fragile factory binding with the drawing again in detail on a wave with different heat writing. It shows
ausdehnungskoeffizienten, insbesondere für drehbare Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Regenerator-Wärmeaustauscher
von Gasturbinen, bei der eine 5 matrix mit der erfindungsgemäßen Wellen-Nabenrelative elastische Beweglichkeit zwischen Nabe und verbindung,
Welle gegeben ist. Fig. 2 einen Schnitt nach 2-2 in Fig. 1, der denexpansion coefficients, in particular for rotatable Fig. 1 a plan view of a regenerator heat exchanger of gas turbines, in which a matrix with the shaft-hub according to the invention relative elastic mobility between hub and connection,
Wave is given. Fig. 2 is a section according to 2-2 in Fig. 1, the
Es sind derartige Kupplungen bekannt (USA.- Aufbau der Wellen-Nabenverbindung erläutert,Such couplings are known (USA.- Structure of the shaft-hub connection explained,
Patentschrift 3 187 804 und 3 155 152), die eine ge- F i g. 3 einen Schnitt nach 3-3 in F i g. 2,Patent specification 3,187,804 and 3,155,152), which have a fig. 3 shows a section according to 3-3 in FIG. 2,
wisse elastische Beweglichkeit zulassen, wobei diese io F i g. 4 eine zum Teil aufgebrochene, perspektivi-allow certain elastic mobility, this io F i g. 4 a partially broken, perspective
Beweglichkeit aber insbesondere in Umfangsrich- sehe Ansicht eines Federelementes undMobility but especially in the circumferential direction see a view of a spring element and
tung vorhanden ist, und auch dort nur in relativ be- F i g. 5 eine abgewandelte Ausführungsform dertion is present, and even there only in a relative manner. 5 shows a modified embodiment of FIG
grenztem Maße, während leichte Kippbewegungen Wellen-Nabenverbindung bei sechseckiger Welle,to a limited extent, while slight tilting movements shaft-hub connection with hexagonal shaft,
oder auch axiale elastische Verschiebebewegungen Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbei-or also axial elastic displacement movements The embodiments shown in the figures
der Nabe gegenüber der Welle in einer einzigen Kon- 15 spiele enthalten eine langgestreckte Hülse mit nichtthe hub opposite the shaft in a single con - 15 games contain an elongated sleeve with not
struktion nicht möglich sind. kreisförmigem Querschnitt, die dafür vorgesehen ist,construction are not possible. circular cross-section, which is intended to
Aufgabe der Erfindung ist es, unzulässig hohe Be- die Antriebswelle, die einen entsprechenden Quer-The object of the invention is to prevent impermissibly high loading of the drive shaft, which has a corresponding transverse
anspruchungen infolge Erwärmung in der bruch- schnitt aufweist, zu umgeben, und die an der Wellestresses due to heating in the fracture section, to surround, and on the shaft
empfindlichen Nabe zu vermeiden. Auftretende befestigt wird. An dieser länglichen Hülse ist eineavoid sensitive hub. Occurring is attached. There is a
Vibrationsschwingungen in axialer und in Umfangs- 20 Vielzahl von Federfingergruppen befestigt. Jede die-Vibration oscillations fixed in axial and circumferential 20 large number of spring finger groups. Each the-
richtung, Torsionsbeanspruchungen an der Ver- ser Federgruppen hat die Form eines Kamms mitdirection, torsional stresses on the verser spring groups has the shape of a comb with
bindungsstelle zwischen Nabe und Welle und Kipp- einem gemeinsamen Bügel, der an der Hülse be-connection point between hub and shaft and tilting - a common bracket that attaches to the sleeve
bewegungen müssen von der Verbindung genauso auf- festigt ist, und mit auswärts abstehenden, federndenMovements must also be strengthened by the connection, and with outwardly protruding, resilient ones
genommen werden können wie leichte axiale Ver- Zinken, die nahezu zu einem Vollkreis gebogen sind.can be taken like light axial teeth, which are bent almost to a full circle.
Schiebung zwischen Welle und Nabe. 25 Diese Federfingergruppen passen in AussparungenShift between shaft and hub. 25 These spring finger groups fit into recesses
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung nun da- der Nabe, die bei den dargestellten Beispielen aus
durch gelöst, daß an den Außenflächen einer viel- Glaskeramik besteht und die Nabe von axial durcheckigen
Hülse mehrere Federfingersätze mit ihren strömten, umlaufenden Regeneratormatrizen ist.
Basisteilen befestigt sind und radial nach außen ab- Der Antrieb erfolgt in Richtung der Federenden,
stehen, wobei jeder Federfingersatz eine Vielzahl 30 und die Federn sitzen schließend in den Aussparungleichgeformter
kreisförmig gebogener, durch Schlitze gen, so daß sie durch die Kräfte, die zwischen der
voneinander getrennter Federfinger mit einem ge- Nabe und den Federn auftreten, gebogen werden.
meinsamen Basisteil hat und die freien Enden der Alle Ausdehnungsunterschiede zwischen der Nabe
Federfinger nahe dem Basisteil liegen, daß weiter und der Welle werden von den elastischen Federn
die Nabe eine Mittelöffnung mit kreisförmigen Aus- 35 aufgenommen, so auch die Kräfte, die entstehen,
nehmungen hat, die von der Hülse mit den Feder- wenn die Regeneratormatrix bezüglich der Welle gefingersätzen
mit geringem Abstand von den Basis- kippt wird. Eine Axialbewegung der Regeneratorteilen
durchsetzt wird, wobei die Federfingersätze matrix bezüglich der Welle wird durch die Reibung
in die Ausnehmungen reib- und formschlüssig ein- verhindert, mit der die Federfinger an der Nabe angreifen.
40 liegen, jedoch ist axiale Anpassung trotzdem möglich.According to the invention, the object is now achieved by the hub, which in the examples shown is achieved by the fact that the outer surfaces are made of a multitude of glass ceramic and the hub of the axially transparent sleeve is a plurality of spring finger sets with their flowing, circumferential regenerator matrices.
Base parts are attached and radially outwards. The drive takes place in the direction of the spring ends, with each spring finger set having a plurality of 30 and the springs sitting closing in the recess of the same-shaped circular arc, through slots, so that they are affected by the forces that act between the separate spring fingers with a given hub and the springs occur to be bent. has a common base part and the free ends of the all expansion differences between the hub spring fingers are close to the base part, that further and the shaft, the hub has a central opening with circular recesses, so that the forces that arise also have recesses which is tilted by the sleeve with the spring when the regenerator matrix is fingered with respect to the shaft at a small distance from the base. An axial movement of the regenerator parts is penetrated, the spring finger sets matrix with respect to the shaft being prevented in a frictional and form-fitting manner by the friction in the recesses with which the spring fingers engage the hub. 40, but axial adjustment is still possible.
Es sind zwar Kupplungen zwischen Wellen und In der Zeichnung ist eine Regeneratormatrix, wie Naben bekannt (deutsche Patentschrift' 909 874, sie in Gasturbinen zum Wärmeaustauschen verwen-USA.-Patentschrift 2 042 069), bei denen Federfinger- det wird, allgemein mit 11 bezeichnet. Gewöhnlich sätze in kreisförmigen Ausnehmungen die Verbin- weist diese Matrix einen äußeren Rand 12 auf und dung herstellen, jedoch sind diese zum Zwecke der 45 eine große Anzahl von Durchlässen 13 (s. Fig. 3), Unterdrückung von Eigenschwingungen und Beseiti- die durch Elemente, wie sie mit 14 und 15 in F i g. 3 gung von kritischen Drehzahlen vorgesehen und bezeichnet sind, gebildet werden. Die Durchlässe 13 durch ihre relativ starre Ausbildung auch nicht in der erstrecken sich in axialer Richtung durch den Wärme-Lage, die spezielle Aufgabe mit den Wirkungen zu austauscher, und der Werkstoff, aus dem diese EIelösen, wie es die Erfindung vermag. Einer anderen 50 mente 14 und 15 hergestellt sind, nimmt die Wärmebekannten elastischen Kupplungskonstruktion (USA.- menge, die ihnen während eines Teils ihres Umlaufs Patentschrift 2 042 069) mit einer Vielzahl von von den Abgasen erteilt wird, auf und gibt sie an Federelementen, welche der Unterdrückung von verdichtete Luft, die durch die Durchlässe 13 wäh-Biegebeanspruchung und Drehmomentstößen dient, rend eines anderen Teils des Umlaufs hindurchtritt, fehlt es ebenfalls an dem die Erfindung kennzeich- 55 ab. Im allgemeinen werden die einander gegenübernenden einfachen Aufbau. liegenden, flachen Oberflächen der Regenerator-Although there are couplings between shafts and In the drawing is a regenerator matrix, such as Hubs known (German patent '909 874, they are used in gas turbines for heat exchange-USA.-Patent 2 042 069), where spring fingers are used, generally designated 11. Usually sets the connection in circular recesses, this matrix has an outer edge 12 and manufacture, but for the purpose of 45 these are a large number of passages 13 (see Fig. 3), Suppression of natural vibrations and elimination by elements such as those shown in FIG. 14 and 15 in FIG. 3 supply of critical speeds are provided and designated, are formed. The passages 13 due to their relatively rigid design, they also do not extend in the axial direction through the heat layer, the special task of exchanging the effects, and the material from which these eggs are released, as the invention can do. Another 50 elements 14 and 15 are made, takes the heat familiar elastic coupling design (U.S.A. - amount given to them during part of their revolution Patent Specification 2,042,069) with a variety of the exhaust gases is issued on and indicates them Spring elements, which suppress the compressed air flowing through the passages 13 while bending stress and torque shocks is used, rend another part of the circuit passes through, there is also a lack of which characterizes the invention. In general, those facing each other simple structure. lying, flat surfaces of the regenerator
Ebenso ist für sich eine Kupplung mit vielecki- matrix 11 von federbelasteten Dichtungen (nicht ge-Likewise, a coupling with a polygonal matrix 11 of spring-loaded seals (not
gem Wellenteil und einer gewellten Feder zwischen zeigt) berührt, die die Leitungen der verdichtetenaccording to the shaft part and a corrugated spring between shows) touches the conduits of the compressed
ihm und der Nabe bekanntgeworden (belgische Pa- Luft und der Abgase voneinander trennen. Diesebecame known to him and the hub (separate Belgian Pa air and exhaust gases from each other
tentschrift 651 998). 60 einander gegenüberliegenden Oberflächen arbeitenpublication 651 998). 60 opposing surfaces work
Vorteilhaft ist es, der Hülse einen quadratischen bei wesentlich verschiedenen Temperaturen, und um Querschnitt zu geben und vier Federfingersätze zu allzu große Spannungen auf Grund der Temperaturverwenden, wobei dann die Welle einen entsprechen- differenz auszuschalten, werden die bekannten Maden Querschnitt erhält. Es ist jedoch auch möglich, trizen aus einem Glas-Keramik-Werkstoff mit sehr von einem sechseckigen Querschnitt der Hülse aus- 65 niedrigem Temperaturausdehnungskoeffizienten herzugehen und drei Federfingersätze vorzusehen, deren gestellt. Die Regeneratormatrix 11 weist außerdem Basisteile an zwei aneinandergrenzenden Außen- eine Nabe 16 auf, die gleichfalls aus Glas-Keramikflächen der Hülse befestigt sind. An Hand von Aus- Werkstoff besteht.It is advantageous to give the sleeve a square shape at significantly different temperatures and around To give a cross-section and use four spring fingerings too high tensions due to the temperature, the well-known maggots will then switch off the wave by a corresponding difference Cross-section received. However, it is also possible to trizen from a glass-ceramic material with very to proceed from a hexagonal cross-section of the sleeve from a low coefficient of thermal expansion and to provide three feather fingerings, their put. The regenerator matrix 11 also has Base parts on two adjacent outer a hub 16, which is also made of glass-ceramic surfaces are attached to the sleeve. On the basis of made of material.
i 600i 600
Die Antriebswelle des Regenerators 11 ist mit 17 bezeichnet und weist in der Darstellung im Bereich der Regeneratormatrix einen quadratischen Querschnitt auf.The drive shaft of the regenerator 11 is denoted by 17 and has in the illustration in the area the regenerator matrix has a square cross-section.
wie bei 23 angedeutet. Eine Kante 24 des Basisteils 22 fällt mit einer Kante der Hülse 19 zusammen, und der Basisteil 22 ist um etwas schmaler als die zugehörige Fläche der Hülse 19.as indicated at 23. An edge 24 of the base part 22 coincides with an edge of the sleeve 19, and the base part 22 is somewhat narrower than the associated surface of the sleeve 19.
Von dem Basisteil 22 springen Federfinger 25 nach außen vor und sind bogenförmig gekrümmt und durch Schlitze 26 voneinander getrennt. Der Biegeradius der Finger 25 ist konstant und so ge-Spring fingers 25 protrude outward from the base part 22 and are curved in an arc and separated from one another by slots 26. The bending radius of the fingers 25 is constant and so
derfinger 25 mit der Nabe 16. Dadurch wird die Möglichkeit des Auftretens unzulässiger Spannungen in der Matrixnabe weiter verringert.derfinger 25 with the hub 16. This eliminates the possibility of impermissible stresses occurring further reduced in the matrix hub.
Wenn durch Vibration der Gasturbine die Matrix Der Federfingersatz ist als Verbindungselement im 5 11 sich gegenüber der Welle bewegen möchte, wird Ganzen mit 18 bezeichnet. Eine längliche Metall- diese Bewegung durch die Reibung der Federfinger hülse 19 von quadratischem Querschnitt paßt über 25 an der Nabe gedämpft. Es ist jedoch Bewegung in die Welle 17 und ist mit dieser verbunden. Vier Fe- axialer Richtung möglich, wodurch sich die Matrix dereinheiten, die jede mit 21 gekennzeichnet ist, sind so einstellen kann, daß unterschiedliche Abmessunauf der Außenseite der Hülse 19 angebracht, genauer io gen oder Ungleichmäßigkeiten der federnden (nicht gesagt, auf den vier Außenflächen. Jedes Feder- gezeichneten) Dichtungen, die an den gegenüberelement 21 ist mit metallenen, federnden Zinken aus- liegenden Seiten der Matrix anliegen, ausgeglichen gestattet und von gleicher Länge wie die Hülse 19. werden können. Taumeln oder Wackeln der Matrix Es besteht aus einem flachen Basisteil 22, das flach gegenüber der Welle ist ebenfalls in begrenztem Umauf der Außenfläche der Hülse 19 aufliegt und daran 15 fang infolge des Federfingersatzes 18 als Verbindung befestigt ist, z. B. durch Löten oder Punktschweißen, möglich, oder, genauer gesagt, dadurch, daß die Federfinger 25 am Ende der Kupplung in einem oder mehreren der vier Sätze sich gegeneinander bewegen können.If the matrix of the spring finger set as a connecting element in 5 11 would like to move relative to the shaft due to vibration of the gas turbine Entirely designated with 18. An elongated metal - this movement through the friction of the spring fingers Sleeve 19 of square cross-section fits over 25 damped on the hub. However, there is movement in the shaft 17 and is connected to this. Four Fe-axial direction possible, which makes the matrix The units, each marked with 21, can be adjusted to accommodate different dimensions attached to the outside of the sleeve 19, more precisely io conditions or irregularities of the resilient (not said, on the four outer surfaces. Each spring-drawn) seals attached to the opposite element 21 is balanced with metal, resilient prongs lying on the sides of the matrix permitted and of the same length as the sleeve 19. Tumbling or wobbling of the matrix It consists of a flat base part 22 that is flat against the shaft, also in a limited amount the outer surface of the sleeve 19 rests and it starts 15 as a result of the spring finger set 18 as a connection is attached, e.g. B. by soldering or spot welding, possible, or, more precisely, in that the spring fingers 25 at the end of the coupling in one or more of the four sets move against each other be able.
F i g. 5 zeigt eine abgewandelte Form der Erfindung, die bei einer sechseckigen Welle zur Anwendung kommt. Die Kupplung ist allgemein mit 101 bezeichnet und besteht aus einer länglichen, sechseckigen Hülse 102, die der Hülse 19 in der erstenF i g. Figure 5 shows a modified form of the invention which is applied to a hexagonal shaft comes. The coupling is generally designated 101 and consists of an elongated, hexagonal Sleeve 102 that of the sleeve 19 in the first
wählt, daß die Finger einen beträchtlichen Abstand 25 Ausführungsform der Erfindung entspricht. Diese vom Basisteil 22 haben. Die Spitzen 27 der Feder- Hülse wird auf einer sechseckigen Welle befestigt, finger 25 enden mit geringem Abstand vor dem Ba- Es sind drei Sätze von Federfingern 103,104,105 sisteil 22. Alle vier Sätze von Federfingern 25 er- vorgesehen, die an jeder zweiten Fläche des Teils 102 strecken sich in der gleichen Richtung, d. h. sie sind befestigt sind. Im einzelnen besteht jeder Satz Federvom Basisteil 22 im Uhrzeigersinn gekrümmt, wie 30 finger aus einem Basisteil 106, der auf zwei benachaus F i g. 3 zu ersehen ist. barten Seitenflächen der Hülse 102 befestigt wirdselects that the fingers a considerable distance 25 embodiment of the invention corresponds. This from the base part 22. The tips 27 of the spring sleeve is attached to a hexagonal shaft, fingers 25 end a short distance before the ba- There are three sets of spring fingers 103,104,105 sisteil 22. All four sets of spring fingers 25 are provided, which on every other surface of the part 102 stretch in the same direction, d. H. they are attached. In detail, each sentence consists of Federvom Base part 22 curved in a clockwise direction, like 30 fingers from a base part 106, which is adjacent to two F i g. 3 can be seen. barten side surfaces of the sleeve 102 is attached
Die Nabe 16 ist mit vier kreisförmigen Aussparun- und der zu dem Zweck entlang der Linie 107 abgen
28 versehen, die voneinander gleichen Abstand gebogen ist. Von diesem Basisteil 105 erstrecken sich
haben und nach innen zu einer Mittelbohrung, durch in gleicher Weise wie bei der vorher erwähnten Ausdie
sich die Welle 17 erstreckt, geöffnet sind. Zwi- 35 führungsform Federfinger nach auswärts,
sehen den kreisförmigen Aussparungen 28 befinden
sich geradlinig begrenzte Abschnitte 29, wie sie in
F i g. 3 zu sehen sind. Die Krümmung der Aussparungen 28 ist dieselbe wie die Außenkrümmung der
Federfinger 25 oder um ein geringes kleiner, und 40
die Federfinger werden in diese Aussparungen eingesetzt. Der Sitz der Federfinger in den Aussparungen
wird so gewählt, daß praktisch kein nennenswerter Spielraum für die Federn bleibt, jedoch soll
Bewegungsmöglichkeit der Nabe 16 in bezug auf die 45
Verbindung 18 erhalten bleiben, die durch die Reibkraft zwischen den Federfingern 25 und den Aussparungen
28 begrenzt wird. Die Dicke der Nabe 16
ist gleich der Länge des Kupplungsteils 18, so daß
alle Federfinger 25 innerhalb der Aussparungen 28 50
liegen, wie in F i g. 2 gezeigt ist.The hub 16 is provided with four circular recesses and for this purpose they are bent along the line 107, which are bent at the same distance from one another. From this base part 105 extend and inwardly to a central bore through which the shaft 17 extends in the same way as in the aforementioned outward direction. Zwi- 35 guide form spring finger outwards,
see the circular recesses 28 are located
rectilinearly limited sections 29, as shown in
F i g. 3 can be seen. The curvature of the recesses 28 is the same as the outer curvature of the
Spring finger 25 or a little smaller, and 40
the spring fingers are inserted into these recesses. The seat of the spring fingers in the recesses is chosen so that practically no significant leeway remains for the springs, but should
Possibility of movement of the hub 16 with respect to the 45
Connection 18 is retained, which is limited by the frictional force between the spring fingers 25 and the recesses 28. The thickness of the hub 16
is equal to the length of the coupling part 18, so that
all spring fingers 25 within the recesses 28 50
lie, as in FIG. 2 is shown.
Die Welle 17 und daher auch der Federfingersatz 18 wird im Uhrzeigersinn, wie in F i g. 3 gezeigt, angetrieben. Damit wird auch die Regeneratormatrix 11 infolge der Kraft, die die Federfinger 25 auf die Nabe 16 ausüben, in derselben Richtung angetrieben.The shaft 17 and therefore also the spring fingering 18 is clockwise, as in FIG. 3 shown powered. This also causes the regenerator matrix 11 as a result of the force that the spring fingers 25 exert on the hub 16 exercise, driven in the same direction.
Wie früher bereits erwähnt, hat die Glas-Keramik-Matrix keinen nennenswerten Wärmeausdehnungskoeffizienten, und die Ausdehnung und Zusammenziehung der Welle 17 wird wegen des Federfinger-Satzes 18 nicht auf die Matrix übertragen. Genauer gesagt, biegen sich die Federfinger 25 entsprechend der durch die Wärme bedingten Änderungen der Abmessungen, so daß jederzeit die Verbindung zwischen Welle und Matrix voll wirksam ist, ohne daß die Zerstörung der Matrix befürchtet werden muß.As mentioned earlier, the glass-ceramic matrix has no significant coefficient of thermal expansion, and the expansion and contraction of shaft 17 is due to the spring finger set 18 not transferred to the matrix. More precisely, the spring fingers 25 bend accordingly the changes in dimensions caused by the heat, so that at any time the connection between Wave and matrix is fully effective without fear of the destruction of the matrix.
Der Antrieb der Regeneratormatrix 11 erfolgt über eine große Fläche, d. h. die Berührungsfläche der Fe-The regenerator matrix 11 is driven over a large area, i. H. the contact surface of the
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