DE2555721C2 - Schwungradanordnung mit Berstsicherung - Google Patents

Description

a) sowohl die Oberfläche der Welle (2) bzw. die zylindrischen Außenflächen der Nabe (3) als auch die zylindrische Innenfläche des Schwungrades (4) sind mit mehreren gegenüberliegenden Eindrehungen (2.1 bzw. 3.1 und 4.1) versehen,

b) der Abstand (a) zweier Eindrehungen (Zl bzw. 3.1 und 4.1) ist kleiner als die Länge (1) einer Eindrehung,

c) der Abstand (b) der Fangvorrichtung vom Schwungrad (4) beträgt im Betrieb ein Maß zwischen der Länge (1) einer Eindrehung und dem Abstand ^J zweier Eindrehungen oder ein Mehrfaches dieses Maßes.

2. Schwung rad anordnung mit Berstsicherung bei Überdrehzahl für eine Maschin^ mit Rotor, insbesondere eine elektrische Maschine mit vertikaler Welle, insbesondere für den Antrieb von Kühlmittelpumpen in Kernkraftwerken, welche auf der Welle der Maschine angeordnete Nabe aufweist, die das Schwungrad trägt, und bei welcher unterhalb des Schwungrades mindestens eine Fangvorrichtung angeordnet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) die Welle (2) weist eine zylindrische Außenfläehe auf, auf die die Nabe (3) mit Preßsitz aufgeschrumpft ist,

b) die zylindrische Außenfläche der Welle (2) und die zylindrische Innenfläche der Nabe (3) sind mit mehreren gegenüberliegenden Eindrehungen (2.1 und 3.1) versehen,

c) der Abstand (a) zweier Eindrehungen (2.1 und 3,1) ist kleiner als die Länge (I) einer Eindrehung,

d) der Abstand (b) der Fangvorrichtung vom Schwungrad (4) beträgt im Betrieb eine Maß zwischen der Länge (1) einer Eindrehung und dem Abstand (a) zweier Eindrehungen oder ein Mehrfaches dieses Maßes.

3. Schwungradanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Eindrehungen (3.1 bzw. 4.1) gebildeten Hohlräume (34) mit einem Gleit- oder Schmiermittel gefüllt sind.

4. Schwungradanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrehungen (2.1, 4.1,3.1) als Lager-Lauffläche ausgebildet sind.

5. Schwungradanordnung nach einem der Ansprü

60 che 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausführungsform auf einer Nabe (3) zwischen Welle (2) und Schwungrad (4) der Sitz zwischen Welle (1) und Nabe (3) nach erfolgtem Abgleiten des Schwungrades durch Öldruck lösbar ist

6. Schwungradanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle mit der Senkrechten einen Winkel bildet, und daß zur Ausübung der erforderlichen Kraft zum Abdrükken des Schwungrades von der Welle Federn oder Hydraulik- bzw. Pneumatikzylinder vorgesehen sind.

7. Schwungradanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangvorrichtung sowohl eine Bremse als auch eine Lagervorrichtung für das Schwungrad aufweist.

8. Schwungradanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangvorrichtung ein Wälzlager aufweist

9. Schwungradanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Fangvorrichtung aus einem Metaüring besteht auf dessen dem Schwungrad zugewandter Seite eine Schicht aus Sintermetall aufgebracht ist welche mit öl oder einem anderen Schmiermittel angereichert ist, und daß über diese Schicht eine Folie aufgelegt oder aufgeklebt ist

Die Erfindung betrifft eine Schwungradanordnung mit Berstsicherung bei Überdrehzahl für eine Maschine mit Rotor, insbesondere eine elektrische Maschine mit vertikaler Welle, insbesondere für den Antrieb von Kühlmittelpumpen in Kernkraftwerken, welche ein auf die Welle der Maschine oder eine auf der Welle angeordnete Nabe mit Preßsitz aufgeschrumpftes Schwungrad aufweist, welches eine zylindrische Innenfläche besitzt, und wobei unterhalb des Schwungrades mindestens eine Fangvorrichtung voi'gesehasii ist.

In Kernkraftwerken mit flüssigkeitsgekühlten Reaktoren wird der Primärkühlmittelkreislauf durch mehrere von elektrischen Drehstrommotoren angetriebene Pumpen gewährleistet Mit dem Antriebsmotor sind große Schwungräder gekuppelt, die bei einem Netzausfall den Antrieb der Pumpen bis zum Einfahren der Bremsstäbe sicherstellen sollen. Bei einem bestimmten Störungsfalle (z. B. Rohrleitungsbruch) ist es möglich, daß die angetriebenen Pumpen als Turbine wirken und den Antriebsmotor mit Schwungrad über die Nenndrehzahl hinaus beschleunigen. Ist das speisende Stromnetz intakt, läuft der Antriebsmotor im Generatorbetneb, so lange sein Kippmoment nicht überschritten wird. Tritt aber eine Überschreitung des Kippmomentes ein, ist kein Generatorbetrieb mehr möglich, so daß dann die Drehzahl des Schwungrades so stark erhöht werden kann, daß diese durch die auftretenden Zentrifugalkräfte zerstört werden kann. Dabei können durch Bruchstücke des Schwungrades schwere Schaden in der Umgebung u. a. auch eine Verseuchung durch radioaktive Stoffe angerichtet werden. Zur Vermeidung solcher Schaden ist entsprechend bekanntgewordenen Vorschlägen der Einbau von Antrieb und Schwungrad in schwere Betongehäuse oder die Ausbildung des Schwungrades mit Sollbruchstellen zur Verringerung der Masse der wegfliegenden Bruchstücke des Schwungrades vorgesehen.

Durch die DE-AS 23 38 265 ist eine Anordnung be-

kanntgeworden, bei der die Weile ei« kegelstumpfförmiges, sich nach oben erweiterndes Teil aufweist, auf welches das Schwungrad, dessen Bohrung bzw. Innenfläche in ebensolcher Weise ausgebildet ist, aufgeschrumpft ist. Bei Überschreitung einer Drehzahl, die unterhalb der zulässigen Schwungraddrehzahl liegt, weitet sich dabei der Innendurchmesser des Schwungrades so weit auf, daß die Reibung zwischen Innenfläche des Schwungrades und Außenfläche des kegelstumpfförmigen Wellenteiles so stark verringert wird, daß das Schwungrad nach unten fällt Zum Abbremsen des Schwungrades ist dabei eine Fang- und/oder Zentriervorrichtung für das herabfallende Schwungrad vorgesehen.

Ferner ist durch die DE-OS 24 05 723 eine Anordnung bekanntgeworden, bei der, ebenso wie bei der DE-AS 23 38 265, die Welle ein kegelstumpfförmiges, sich nach oben erweiterndes Teil aufweist Auf das kegelförmige Welleiiteil ist ein Schwungrad bzw. eine mit dem Schwungrad verbundene Nabe aufgeschrumpft An das Ende des kegelstumpfförmigen Wellenteils, das den größeren Durchmesser aufweis* ⁰TeHZt ein Weüentei! mit Ausnehmungen an, in welche mit dem Schwungnvi bzw. der Nabe gekoppelte Teile zur Bildung einer in tangentialer Richtung formschlüssigen Verbindung hineinragen. Die in die Ausnehmungen hineinragenden Teile sind axial beweglich angeordnet Bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl weitet sich das Schwungrad bzw. Nabe und Schwungrad infolge der wirkenden Zentrifugalkräfte soweit auf, daß sich die konische Schrumpfverbindung zur Weile löst. Das Eigengewicht des Schwungrades bewirkt dann, daß das Schwungrad nach unten fällt, wo es sich auf einer Lagerscheibe abstützt In dieser Lage ist die formschlüssige Verbindung nicht mehr im Eingriff und das Schwungrad wird durch Reibkräfte abgebremst

Diese bekannten Anordnungen weisen jedoch den Nachteil auf, das der Fallweg nur locker geführt und daher der Aufprall auf die Fangvorrichtung sehr stark ist.

Bei einer weheren bekannten Anordnung gemäß der DE-OS 23 07 716 erfolgt ein Absenken des durch Fliehkräfte sich vergrößernden Rades auf einem nach unten verstärktem Kegel einer senkrechten Welle, bis es auf eine Bremsfläche stößt. Wenn das abgebremste Schwungrad wieder fester auf dem Wellenkegel greift erhöht es wieder seine Drehzahl bis es weiter absinkt, und so fort. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist, daß sehr hohe Erwärmungen durch Reibung auftreten, welche eventuell auch zum Fressen und Verschweißen der Teile führt. Die bekannten Anordnungen können auch wegen der Montage nur unterhalb des Motors vorgesehen wurden. Dort ist die Zugänglichkeit des Rades, z. B. zur Zwischenprüfung durch Ultraschall, recht schwierig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die bekannten Anordnungen in folgender Hinsicht zu verbessern,

a) Schäden jeglicher Art in der Umgehung auszuschließen,

b) die hohe Reibwärme sowie eine eventuelle Zerstörung durch Fressen der Teile zu vermeiden,

c) das Schwungrad sicher zur Fangvorrichtung zu führen,

d) den Löseweg des Reibweges und wegen der räumlichen Abmessung klein zu halten,

e) den Aufschlag möglichst sanft zu gestalten,

f) beste Zugangsmöglicnxeit für Ultraschallprüfungen zu erhalten, dadurch daß das Schwungrad an beliebiger Stelle unten oder oben montiert werden kann, und

g) die Wiederverwendbarkeit ohne erhebliche Kosten zu ermöglichen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß sowohl die Oberfläche der Welle bzw. die zylindrischen Außenflächen der Nabe als ίο auch die zylindrische Innenfläche des Schwungrades mit mehreren sich gegenüberliegenden Eindrehungen versehen sind, daß der Abstand a zweier Eindrehungen kleiner ist als die Länge 1 einer Eindrehung und daß der Abstand b der Fangvorrichtung vom Schwungrad im Betrieb ein Maß zwischen der Länge 1 einer Eindrehung und dem Abstand a zweier Eindrehungen oder ein Mehrfaches dieses Maßes beträgt. Bei einer Erhöhung der Drehzahl über die Nenndrehzahl hinaus wird unterhalb der zulässigen Schwungraddrehzahl die Preßkraft im Schrumpfsitz soweit verringert, daß diese nicht mehr in der Lage ist, die Reibkraft aufzubiegen, um das Schwungrad in seinem Sitz zu halten.

Es gleitet bei senkrechter Welle abwärts, bis es von einer Fangvorrichtung gehalten wird, die so angeordnet ist, daß die Sitzflächen des Schwungrades den Eindrehungen der Welle und die Sitzflächen der Welle den Eindrehungen des Schwungrades gegenüber liegen. In dieser Lage hat das Schwungrad so viel Spiel gegenüber der Welle, daß es seine Drehzahl nicht mehr weiter mit der Welle erhöht.

Durch Luftreibung oder/und Reibung an Bremsklötzen wird seine Drehzahl unabhängig von der Wellendrehzahl bis zum Stillstand vermindert

Durch entsprechende Wahl des Preßsitzes wird die Abgleitdrehzahl und damit die maximal auftretende Drehzahl des Schwungrades festgelegt Auf diese Weise läßt sich ein Bersten des Schwungrades durch Überdrehzahl mit Sicherheit vermeiden.

Durch die Anordnung nach der Erfindung lassen rieh also auch bei einem Störungsfall Schaden in der Umgebung ausschließen, da die Drehzahl des Schwungrades begrer.it ist und damit ein Bersten desselben ausgeschlossen ist. Weiter ist die entstehende Reibungswärme sehr gering, da der Reibwert nach Abgleiten um die Breite nur einer Teil-Sitzfläche beendet ist

Das Schwungrad ist während des Gleitens sicher geführt und die Zentrierung der Fangvorrichtung kann bereits eingreifen bevor die Gleitfläche das Schwungrad freigibt. Weiterhin ist der Löseweg durch die Unterteilung des Sitzes sehr klein. Für das Lösen wird nämlich nur der Schwungrad-Vorsatz von etwas mehr als einer Sitzbreite benötigt. Die Aufschlagenergie des Schwungrades in bzw. auf der Fangvorrichtung wird durch die auf dem ',öseweg noch wirkende Reibkraft bei gleichen Lösewegen auf weniger als die Hälfte der Werte der bekannten Anordnungin vermindert.

Schließlich ist der Zugang zum Schwungrad für Ultraschallprüfungen stets sichergestellt, da es an beliebiger Stelle oberhalb oder unterhalb der rotierenden Maschine montierbar ist.

Eine Wiederverwendung verursacht keine großen Kosten. Falls nach mehreren Abgleitfällen die Sitze beschädigt sein sollten, können Schwungrad und Welle mittels einer Zwischenhülse wieder eingebaut werden. b5 Eine weitere Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß bei einer Anordnung, bei der auf der Welle der Maschine eine Nabe angeordnet ist, die das Schwungrad trägt, die Welle eine zylindrische

Außenfläche aufweist, auf die die Nabe mit Preßsitz aufgeschrumpft ist. Die zylindrische Außenfläche der Welle und die zylindrische Innenfläche der Nabe sind mit mehreren gegenüberliegenden Eindrehungen versehen. Der Abstand a zweier Eindrehungen ist kleiner als die Länge / einer Eindrehung und der Abstand b der Fangvorrichtung vom Schwungrad beträgt im Betrieb ein Maß zwischen der Länge / einer Eindrehung und dem Abstand a zweier Eindrehungen oder ein Mehrfaches dieses Maßes. Die Nabe weist also einen unterbrochenen Sitz au» der Wellenseite und den festen Sitz am Schwungrad auf. Bei einer Erhöhung der Drehzahl über die Nenndrehzahl hinaus wird unterhalb der zulässigen Schwungraddrehzahl die Preßkraft im Schrumpfsitz zwischen Welle und Nabe soweit verringert, daß diese nicht mehr in der Lage ist. die Reibkraft aufzubringen, um die Nabe, die das Schwungrad trägt, in ihrem Sitz zu halten. Die Nabe gleitet von der Welle ab. Sie kann Teil der Fangvorrichtung sein. Im übrigen gelten die zur erstgenannten Lösung angeführten Ausgestaltungen und Vorteile in analoger Weise.

Bei einer Ausbildungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die durch die Eindrehungen gebildeten Hohlräume mit einem Gleit- oder Schmiermittel gefüllt sind. Die Füllung der Hohlräume mit einem Gleit- oder Schmiermittel, z. B. Öl, Fett oder Graphit, zwischen den Eindrehungen sorgt für eine geringe Reibung und die notwendige Zentrierung des auf die Bremsklötze abgesetzten Rades im Falle einer aufgetretenen Überdrehzahl.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Eindrehungen als Lager-Lauffläche ausgebildet sind.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen Welle und Schwungrad eine Nabe vorgesehen ist, deren Preßsitz mit den Eindrehungen sich auf der Schwungradseite befindet, wobei der Sitz zwischen Weiie und Nabe nach erfolgtem Abgleiten des Schwungrades durch Öldruck lösbar ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Welle mit der Senkrechten einen Winkel bildet, und daß zur Ausübung der erforderlichen Kraft zum Abdrücken des Schwungrades von der Welle Federn oder Hydraulik- bzw. Pneumatikzylinder vorgesehen sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Fangvorrichtung sowohl eine Bremse als auch eine Lagervorrichtung für das Schwungrad aufweist. Dabei kann die Fangvorrichtung ein Wälzlager aufweisen. In diesem Falle erfolgt die Abbremsung des Schwungrades im wesentlichen nur durch die Luftreibung des Schwungrades innerhalb seiner Abdeckung. Es können jedoch auch Bremsklötze vorgesehen sein.

Die Abbremsung des Schwungrades kann aber erfindungsgemäß auch dadurch erfolgen, daß die Fangvorrichtung aus einem Metallring besteht, auf dessen dem Schwungrad zugewandter Seite eine Schicht aus Sintermetall aufgebracht ist. welche mit öl oder einem anderen Schmiermittel angereichert ist, und daß über diese Schicht eine Folie aufgelegt oder aufgeklebt ist Beim Aufreffen des Schwungrades auf dem Metallring wird durch die Reibung die abdeckende Folie abgerissen und herausgeschleudert, so daß das Schwungrad auf der mit Schmiermittel gefüllten Sintermetailschicht gleitet und langsam abgebremst wird. Hierdurch wird eine zu starke Erwärmung der Fangvorrichtung vermieden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt

Fig. I eine Prinzipskizze der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Verbindung zwischen Welle und Schwungrad.

F i g. 3 einen Ausschnitt der Verbindung Welle, Nabe und Schwungrad mit unten angeordneter Fangvorrichtung,

ίο F i g. 4 einen Ausschnitt der Verbindung Welle, Nabe, Schwungrad mit oben angeordneter Fangvorrichtung,
F i g. 5 die Verbindungsstelle im Normalbetrieb und
F i g. 6 die Verbindungsstelle nach Abgleiten des Schwungrades.

In den Zeichnungen ist mit 1 der Antriebsmotor, mit 2 seine Welle, mit 3 die auf die Welle 2 aufgesetzte Nabe und mit 4 das Schwungrad bezeichnet. Die Eindrehungen in der Welle 2 sind mit 2.1, die in der Nabe 3 sind mit 3.1 und die im Schwungrad 4 mit 4.1 bezeichnet. Weiterhin ist die unterhalb der unteren Fläche des Schwungrades angeordnete Fangvorrichtung mit 5 bezeichnet. 6 ist eine Abdeckung des Schwungrades, welche die Luftreibungsverluste des Schwungrades herabsetzen soll. Schließlich ist mit 7 die vom Antriebsmotor angetriebene Pumpe bezeichnet.

Wie aus der Zeichnung Fig. 5 zu entnehmen ist, ist zwischen dem Schwungrad und der Nabe in der Höhe der Ausdehnungen ein Zwischenraum 34 vorhanden, welcher mit öl oder einem sonstigen Schmiermittel gefüllt ist. Im Falle des eingangs erwähnten Betriebszustandes, in dem das Schwungrad 4 bzw. der Antriebsmotor 1 einer Überdrehzahl zustrebt, wird das Schwungrad 4 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft aufgeweitet, so daß sich sein Innendurchmesser vergrößert. In diesem Falle verwandelt sich der feste Sitz zwischen Schwungrad 4 und Nabe 3 in einen losen Sitz, so daß unter der Wirkung der Schwerkraft das Schwungrad 4 nach unten abgleitet und sich auf die Fangvorrichtung 5 absetzt, wobei eine Abbremsung des Schwungrades 4 stattfindet. Zwischen Schwungrad 4 und Nabe 3 besteht dann jeweils ein Spiel, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist. Die Fangvorrichtung 5 ist. wie oben bereits erwähnt, in einem Abstand b von der unteren Fläche des Schwungrades angeordnet, wobei der Abstand b zwischen der Länge L einer Eindrehung und dem Abstand a zweier Eindrehungen liegt. Die Fangvorrichtung 5 hält das Schwungrad daher in der Höhenlage, in der es frei von der Welle laufen und anhalten kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Schwungradanordnung mit Berstsicherung bei Überdrehzahl für eine Maschine mit Rotor, insbesondere eine elektrische Maschine mit vertikaler Welle, insbesondere für den Antrieb von Kühlmittelpumpen in Kernkraftwerken, welche ein auf die Welle der Maschine oder eine auf der Welle angeordnete Nabe mit Preßsitz aufgeschrumpftes Schwungrad aufweist, welches eine zylindrische Innenfläche besitzt, und wobei unterhalb des Schwungrades mindestens eine Fangvorrichtung vorgesehen ist,

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gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: