DE968872C - Turbomaschinen-Laeufer - Google Patents

Description

(WiGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 3. APRIL 1958

p 23823 I aj27 c D

Turbomaschinen-Läufer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbomaschinen-Läufer mit auf wesentlich gleiche Festigkeit profilierter, nicht durchbohrter Läuferscheibe und mit wenigstens einem hohlen, an einer außerhalb des Profils hohlen Nabe der Läuferscheibe befestigten, gegen eine Auflagefläche der Nabe angeschraubten, zentrierten Wellenzapfen, wobei sowohl die Auflagefläche und die Zentrierung für den Wellenzapfen als auch die Schraubverbindung außerhalb des Scheibenprofils gleicher Festigkeit und so angeordnet sind, daß sie von der radialen Dehnung der Läuferscheibe möglichst unbeeinflußt sind.

Bei einem bekannten Turbomaschinen-Läufer dieser Gattung erfolgt die Ausbildung der biegungssteifen Verbindung zwischen dem Wellenzapfen und der Nabe der Läuferscheibe durch Hineinpressen des konischen Endes der Läuferwelle in die Höhlung der Nabe mittels achsparalleler Schrauben.

Hierbei ist aber die Zentrierung von Welle und Läufer schwierig, da beispielsweise durch den Temperaturunterschied zwischen der Welle einerseits und der Nabe und der Läuferscheibe andererseits die Vorspannung und damit die Zentrierwirkung zwischen Welle und Läuferscheibe aufgehoben werden können, wodurch die Verbindung zwischen Welle und Läufer durch auftretende Unwuchten gefährdet werden kann.

Bei einem anderen bekannten Turbomaschinen-Läufer, der auf einem Gebläserad befestigt ist, ist zwar auch in die Nabe des Turbomaschinen-Läufers ein Bolzen, der von einer Lagertragwelle umgeben ist, eingeschraubt; die Nabe weist jedoch hinter dem Ende der Gewindebohrung keinen Hohlraum auf.

Im Gegensatz zum Bekannten ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der an die Läuferscheibe angrenzende Hohlraum der Nabe eine zur

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Aufnahme der Dehnung in radialer Richtung elastisch nachgiebige Umfangswandung aufweist und daß als Mittel für das Anschrauben des Wellenzapfens ein axial in die Nabe eingeschraubter, S unter Vorspannung gesetzter Bolzen dient, durch den der Wellenzapfen gegen die Zentrierfläche der Nabe angepreßt wird.

Hierdurch wird erzielt, daß die radiale Dehnung der profilierten Läuferscheibe von der Zentrier-ίο fläche der Xabe ferngehalten wird, was für eine biegungssteife Verbindung zwischen Nabe und Wellenzapfen von besonderem Wert ist. Die Anpressung des hohlen Wellenzapfens durch Anziehen einer auf den aus demselben hinausragenden Teil des Bolzens aufgeschraubten Mutter auf die auf der Nabe befindliche Zentrierfläche ergibt für den Bolzen die erforderliche Vorspannung. Temperatureinflüsse, die diese Vorspannung mindern könnten, wie es bei den erwähnten bekannten Anordnungen der Fall ist, sind durch den Abstand der Zentrierfläche an der Nabe von der Läuferscheibe ausgeschaltet. Die zur Zentrierung von Läufer und Welle im Dauerbetrieb erforderliche Vorspannung wird ohne schwierige Werkstattarbeit erreicht, und Einflüsse, die diese Spannung mindern könnten, sind, auch im Dauerbetrieb ausgeschaltet.

Der Querschnitt des Bolzens kann gleich oder vorzugsweise etwas kleiner als der Querschnitt des Wellenzapfens sein, wobei der Bolzen auf mindestens 50% seiner Streckgrenze vorgespannt ist. Der Schaft des Bolzens kann mindestens viermal so lang sein wie sein Durchmesser. Die Vorspannung des Bolzens kann mittels Differentialgewinde erzeugt werden. Die Quadrate der Durchmesser beider an dem Bolzen angeordneten Gewinde können umgekehrt proportional sein zu den Dauerfestigkeiten der auf ihnen wirkenden Mutterwerkstoffe. Zwischen dem Wellenzapfen und der Läuferscheibe kann mindestens ein ringförmiger Zwischenkörper eingespannt sein. Es kann nur die Befestigung des Bolzens an der Nabe selbst erfolgen, zur Auflage und Zentrierung des Bolzens aber an der Lauf er scheibe noch eine die erste Nabe ringförmig umgebende und mit einer Zentrierfläche versehene zweite Nabe vorgesehen und der Zwischenkörper zwischen dieser zweiten Nabe und dem Wellenzapfen eingespannt sein.

Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt
Fig. ι ein erstes und

Fig. 2 zwei weitere Ausführungsbeispiele in einem Axialschnitt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Läuferscheibe 1, beispielsweise die Läuferscheibe eines Verdichters, einer Gas- oder Dampfturbine od. dgl., ohne axiale Bohrung und als Scheibe' von annähernd gleicher Festigkeit ausgebildet und auf einer Seite mit der Nabe 2 versehen. Damit diese Läuferscheibe 1 mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten von beispielsweise 350 m/s und mehr umlaufen kann, besteht sie aus einem festigkeitstechnisch hochbeanspruchbaren Material, z. B. aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung. Ist die Läuferscheibe ι hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt, wie dies bei Gas- und Dampfturbinen der Fall ist, so besteht sie vorteilhafterweise aus einem warmfesten, legierten Stahl.

Die Nabe 2 ist mit einem koaxialen Hohlraum 3 versehen, so daß sie der radialen Dehnung der Lauferscheibe 1 nachgibt, daß aber ihr Gewindeende durch die radiale Dehnung der Läuferscheibe nicht wesentlich verformt wird. In die Nabe 2 ist der axiale Bolzen 4 eingeschraubt. Der Bolzen 4 ist von einem längs durchbohrten Wellenzapfen 5 umgeben, welcher an der mit einer Zentrierfläche 6 versehenen Nabe 2 angesetzt und mittels eines oder mehrerer Sicherungsstifte 9 drehsicher mit dieser verbunden ist. Der Wellenzapfen 5 ist in einem nicht gezeichneten Lager, beispielsweise einem Druckölgleitlager oder einem Kugellager, angeordnet. Der aus dem Wellenzapfen 5 hervorragende Teil 7 des axialen Bolzens 4 weist ein Schraubengewinde auf, an welchem die Mutter 8 befestigt ist. Durch deren Anziehen wird der Wellenzapfen 5 an die Nabe 2 gepreßt, so daß der axiale Bolzen 4 eine entsprechende Vorspannung erhält. Diese läßt sich beispielsweise unter Zugrundelegung des Elastizitätsgesetzes (Hookesches Gesetz) dadurch bestimmen, daß die Längenänderung zwischen dem spannungsfreien und dem vorgespannten Bolzen 4 mit Hilfe eines für diesen Zweck in die axiale Bohrung 11 des Bolzens einzuführenden Maßstabes festgestellt wird. In dieser Weise ist es möglich, die Vorspannung auf einen vorausberechneten, erforderlichen Wert zu bringen.

Der Höchstwert des äußeren Durchmessers des in einem Lager laufenden Wellenzapfens 5 ist durch die zulässige Lagerumfangsgeschwindigkeit begrenzt, so daß es wichtig ist, diesen beschränkten, auf den AVellenzapfen S und den axialen Bolzen 4 zu verteilenden Querschnitt derart auszunutzen, daß ein Höchstmaß an axialer Vorspannung erzielt wird, welche ein einseitiges Abheben des Wellenzapfens 5 von der Nabe 2 im Betrieb verhindert und damit eine größtmögliche Betriebssicherheit gewährleistet. Dies ist der Fall, wenn der Querschnitt des axialen Bolzens 4 gleich oder besser etwas kleiner als der Querschnitt des Wellenzapfens 5 ist, wobei mittels der Schraubenmutter 8 der axiale BoI-zen4 auf mindestens 50% seiner Streckgrenze vorzuspannen ist. Damit nicht im Betrieb entstehende Dehnungen den bereits vorgespannten Bolzen 4 bleibend verformen können, ist dieser als Dehnschraube auszubilden, deren Schaftlänge möglichst groß, mindestens viermal größer als sein Durchmesser zu wählen ist. Die Gewindeflächenpressung an der Nabe 2 und an der Mutter 8 ist der Dauerstandfestigkeit ihrer Werkstoffe in der Weise angepaßt, daß die Quadrate des Durchmessers des Gewindeteils 7 und des Gewindekopfes 10 umgekehrt proportional sind zu den Dauerstandfestigkeiten der auf ihnen wirkenden Mutterwerkstoffe.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 ist die zur Aufnahme größerer Fliehkräfte geeignete Läuferscheibe 34 mit einer Schaufelung 12 versehen.

An der Läuferscheibe 34 sind die mit einem koaxialen Hohlraum 13 versehenen Naben 14, 15 angeordnet. In die Nabe 14 ist der Gewindekopf 16 des als Dehnschraube ausgebildeten axialen Bolzens 17 eingeschraubt. Das andere Ende des axialen Bolzens 17 ist mit einem Gewindeteil 18 versehen, dessen Steigung kleiner ist als jene des Gewindekopfes 16. Den Abschluß des Gewindeteils 18 bildet ein Vielkantkopf 19, welcher zum Ansatz eines Schlüssels geeignet ist.

Auf dem Gewinde 18 aufgeschraubt und auf die Paßfläche 20 der Nabe 14 aufgesetzt ist der längs durchbohrte Wellenzapfen 21, welcher mittels eines oder mehrerer Mitnehmerstifte 22 drehsicher mit der Nabe 14 verbunden ist. Der Wellenzapfen 21 ist mit einem Flansch 23 versehen, über welchen sein Anschluß an eine nicht gezeichnete An- oder Abtriebswelle bewerkstelligt wird. Der ein Abheben des Wellenzapfens 21 von der Nabe 14 verhindernde Aupreßdruck wird durch Drehung des axialen Bolzens 17 erzeugt, in welchem durch die verschieden großen Steigungen der Gewinde 16 und 18 eine Zugvorspannung erzeugt wird.

Auf ihrer rechten Seite besitzt die Läuferscheibe 34 eine Zentrierfläche 25, an welche der die Nabe 15 ringförmig umgebende, mit Schaufeln 32 ausgerüstete Zwischenkörper 24 angesetzt ist. Um einen biegungssteifen Gesamtkörper zu erhalten, erfolgt die Zentrierung zwischen Wellenzapfen 29 und Läuferscheibe 34 über den einen größeren Durchmesser als die Nabe 15 aufweisenden Zwischenkörper 24. Damit die Zentrierung zwischen der Läuferscheibe 34 und dem Zwischenkörper 24 auch im Betrieb gewahrt bleibt, ist der ringförmige Zwischenkörper mit Bezug auf seine Wandstärke derart bemessen und aus einem solchen Werkstoff hergestellt, daß er im Betrieb die gleiche oder eine etwas größere Dehnung erfährt als die Zentrierfläche 25. Überdies ist die Elastizität des Zwischenkörpers 24 so groß, daß im Betrieb die radialen Dehnungen seines linken Endes dank seiner axialen Länge und seiner Wandstärkenbemessung sein rechtes Ende und demzufolge seine Zentrierung gegen den Wellenzapfen 29 kaum beeinflussen.

In der Nabe 15 ist der Gewindekopf 26 des axialen Bolzens 27 eingeschraubt; auf dessen gegenüberliegendem Gewinde 28 ist entsprechend der auf der linken Seite der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Wellenzapfen 29 aufgeschraubt und an der Paßfläche 30 des Zwischenkörpers 24 zentriert. Der Wellenzapfen 29 ist mittels eines oder mehrerer Sicherungsstifte 31 mit dem Zwischenkörper 24 und mit der Nabe 15 drehsicher verbunden. Durch Drehen des Schraubeubolzens 27 mittels eines am Vielkantkörper 33 anzusetzenden Schraubenschlüssels wird zufolge des Steigungsunterschiedes zwischen den Gewinden 26 und 28 der Wellenzapfen 29 an den Zwischenkörper 24 und dieser an die Läuferscheibe 34 gezogen, wobei der Bolzen 27 eine Zugvorspannung aufnimmt, deren Größe so bemessen ist, daß im Betrieb ein einseitiges Abheben des Zwischenkörpers 24 und des Wellenzapfens 29 von ihren Gegenflächen sicher verhindert wird.

Die Ausbildung und Bemessung der verschiedenen Teile des Bolzens 27 sind aus festigkeitstechnischen Gründen dieselben wie diejenigen der Bolzen 4 und 17. Sowohl der Wellenzapfen 21 als auch der Wellenzapfen 29 können in einem Lager gelagert sein und für die Leistungsübertragung von und zu der Läuferscheibe 34 herangezogen werden, ohne daß hierfür die axialen Bolzen 17 und 27 zusätzlich beansprucht werden.

Die Turbomaschinen-Läufer, auf welche sich die beschriebene Erfindung bezieht, können natürlich auch je zwei oder mehrere Läuferscheiben 1 oder 34 aufweisen, welche auf der gleichen Achse hintereinander angeordnet sind und deren Formen unter sich gleich oder verschieden sein können. Auch ist es natürlich möglich, an Stelle nur eines ringförmigen Zwischenkörpers, wie er in Fig. 2 mit 24 bezeichnet ist, deren mehrere vorzusehen, wobei die Zwischenkörper nach Bedarf mit oder ohne Schaufelungen ausgebildet sein können.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ι . Turbomaschinen-Läufer mit auf wesentlich gleiche Festigkeit profilierter, nicht durchbohrter Läuferscheibe und mit wenigstens einem hohlen, an einer außerhalb des Profils hohlen Nabe der Läuferscheibe befestigten, gegen eine Auflagefläche der Nabe angeschraubten, zentrierten Wellenzapfen, wobei sowohl die Auflagefläche und die Zentrierung für den Wellenzapfen als auch die Schraubverbindung außerhalb des Scheibenprofils gleicher Festigkeit und so angeordnet sind, daß sie von der radialen Dehnung der Läuferscheibe möglichst unbeeinflußt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Läuferscheibe (1 bzw. 34) angrenzende Hohlraum (3 bzw. 13) der Nabe (2 bzw. 14) eine zur Aufnahme der Dehnung in radialer Richtung elastisch nachgiebige Umfangswandung aufweist und daß als Mittel für das Anschrauben des Wellenzapfens (5 bzw. 21) ein axial in die Nabe eingeschraubter, unter Vorspannung gesetzter Bolzen (4 bzw. 17) dient, durch den der Wellenzapfen (5 bzw. 21) gegen die Zentrierfläche (6 bzw. 20) der Nabe angepreßt wird. χ
2. 2. Turbomaschinen-Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Bolzens (4 bzw. 17) gleich oder vorzugsweise etwas kleiner als der Querschnitt des Wellenzapfens (5 bzw. 21) ist, wobei der Bolzen auf mindestens 50% seiner Streckgrenze vorgespannt ist.
3. 3. Turbomaschinen-Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft des Bolzens (4 bzw. 17) mindestens viermal so lang ist iao wie sein Durchmesser.
4. 4. Turbomaschinen-Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung des Bolzens (4 bzw. 17 bzw. 27) mittels Difrerentialgewinde (10/7 bzw. 16/18 bzw. 26/28) erzeugt wird.
5. 5· Turbomaschinen-Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrate der Durchmesser beider an dem Bolzen (4 bzw. 17 bzw. 27) angeordneten Gewinde (10/7 bzw. 16/18 bzw. 26/28) umgekehrt proportional sind zu den Dauerstandfestigkeiten der auf ihnen wirkenden Mutterwerkstoffe.
6. 6. Turbomaschinen-Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wellenzapfen (29) und der Läuferscheibe (34) mindestens ein ringförmiger Zwischenkörper (24) eingespannt ist.
7. 7. Turbomaschinen-Läufer nach den Ansprüchen ι und 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Befestigung des Bolzens (27) an der Nabe (15) erfolgt, daß aber zur Auflage und Zentrierung an der Läuferscheibe (34) eine die erste Nabe (15) ringförmig umgebende und mit einer Zentrierfläche (25) versehene zweite Nabe vorgesehen und der Zwischenkörper (24) zwischen dieser zweiten Nabe und dem Wellenzapfen (29) eingespannt ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 749753, 712859, 686814, 567576, 707342;

   Buch von Stodola, »Dampf- und Gasturbinen«, 5. Auflage, S. 316 u. 1004;

   Buch »Technische Dynamik«, 1939, 1. Auflage, S. 461, 464, 465 u. 681; BBC-Mitteilungen v. Juni 1939, S. 129;

   MAN-Mitteilungen Nr. 59, Juni 1929, Abb. 7.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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