Kupplung von zwei Wellen mit mechanisch vorgegebenem

Kuppelwinkel und zugehöriges Kuppelverfahren

Bei Gasturbinenkraftwerken wird häufig zur Erhöhung des Wirkungsgrads aus der Abhitze der Gasturbine Dampf erzeugt, mit dem eine Dampfturbine zur Stromerzeugung betrieben werden kann. Dabei sind die Gasturbine und der Generator fest mit ^¬ einander verbunden. Die Dampfturbine kuppelt mit der Gasturbine, sobald die Frequenz der Dampfturbine der Gasturbine entspricht. Im Regelfall erfolgt das Kuppeln mit einem zufäl ^¬ ligen Kuppelwinkel. Ein zufälliger Kuppelwinkel kann zu höhe- rer Unwucht führen. Daher ist es günstig mit einem gezielten Kuppelwinkel zu kuppeln, der für eine reduzierte Unwucht sorgt. Das Kuppeln einer Gasturbine und einer Dampfturbine ist ein wichtiges Beispiel; Kuppeln mit einem gezielten Kup ^¬ pelwinkel ist jedoch in vielen Fällen erwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Kupplung bereitzustellen, welche ein Kuppeln mit einem gezielten Kuppelwinkel ermög ^¬ licht . Es wurde erkannt, dass eine Kupplung von einer ersten Welle mit einer zweiten Welle bereit zu stellen ist, die so ausge ^¬ bildet ist, dass ein Kuppeln der ersten Welle mit der zweiten Welle erfolgt, wenn die erste Welle eine höhere Geschwindig ^¬ keit hat als die zweite Welle. Dabei ist ein Kuppelwinkel zwischen erster Welle und zweiter Welle durch die Kupplung mechanisch vorgegeben. Kupplungen, bei denen das Kuppeln erfolgt, wenn die erste Welle eine höhere Geschwindigkeit er ^¬ reicht hat, als die zweite Welle, sind im Stand der Technik verbreitet. Es versteht sich, dass die erste Welle dabei nur vorübergehend eine höhere Geschwindigkeit haben kann als die zweite Welle. Nach Abschluss des Kuppeins ist die Geschwin ^¬ digkeit der beiden Wellen gleich. Allerdings sind dabei verschiedene Kuppelwinkel möglich. Der jeweilige Kuppelwinkel ergibt sich weitgehend zufällig. Die Erfindung setzt im Gegensatz dazu darauf, dass die Kupplung von ihrer Ausgestaltung her nur einen bestimmten Kuppelwinkel gestattet, also dass der Kuppelwinkel mechanisch vorgegeben ist. Hierfür sind verschiedene Maßnahmen denkbar. Ein wichti ^¬ ges Beispiel wird nachfolgend näher beschrieben.

Bei der ersten Welle kann es sich um eine Dampfturbine und bei der zweiten Welle um eine Gasturbine handeln. Dies ist aus derzeitiger Sicht die wesentliche Anwendung der Erfindung. Da auch viele andere Anwendungen möglich sind, werden die allgemeinen Begriffe erste Welle und zweite Welle ge ^¬ wählt .

Die Kupplung ist als selbst synchronisierende Schaltkupplung ausgebildet mit folgendem Aufbau:

Die erste Welle weist einen Bereich mit schraubenförmigen Rillen auf, an den schraubenförmigen Rillen ist eine Gleit- komponente derart angebracht, dass die Gleitkomponente sich aufgrund der schraubenförmigen Rillen in Axialrichtung der ersten Welle bewegt, wenn die Drehgeschwindigkeit der ersten Welle und der Gleitkomponente nicht übereinstimmt.

Die Gleitkomponente kann durch Bewegung in Axialrichtung der ersten Welle in eine Position gebracht werden, dass die erste Welle und die zweite Welle kraftschlüssig verbunden sind. An der Gleitkomponente ist eine Sperrradanordnung angebracht. Die zweite Welle weist eine Sperrklinkenanordnung auf, welche in die Sperrradanordnung eingreift, sobald die erste Welle eine höhere Drehgeschwindigkeit als die zweite Welle auf ^¬ weist. Damit wird erreicht, dass die Gleitkomponente sich mit der Drehgeschwindigkeit der zweiten Welle dreht, wodurch sich die Gleitkomponente in Axialrichtung der ersten Welle bewegt und die erste Welle und die zweite Welle kraftschlüssig ver- bindet.

Der oben beschriebene Aufbau ist bei selbst synchronisieren ^¬ den Schaltkupplungen verbreitet. Als Sperrradanordnung dient dabei ein Sperrrad mit einer Vielzahl von asymmetrischen Zähnen, die gleichmäßig um den Umfang verteilt ist. Damit ist eine Vielzahl an Kuppelwinkeln möglich. Um einen mechanisch vorgegebenen Kuppelwinkel zu erreichen, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Sperrradanordnung so ausgebildet, dass nur an genau einer Umfangsposi- tion ein Eingriff der Sperrklinkenanordnung möglich ist. Bei der Sperrklinkenanordnung kann es sich um eine gewöhnliche Sperrklinke handeln. Es ist aber eine Vielzahl ähnlicher Aufbauten denkbar, die ein Einrasten in die Sperrradanordnung an der einen Umfangsposition bewirkt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der mechanisch vorgegebene Kuppelwinkel einstellbar, insbesondere im Hin ^¬ blick auf die Vermeidung von Unwuchten. Es ist also möglich, den Kuppelwinkel nicht etwa einmal bei der Produktion vorzu ^¬ geben, sondern anzupassen. Dies erlaubt die Kupplung für verschiedene vorgegebene Kuppelwinkel in derselben Weise zu fer- tigen und anhand der konkreten Situation den gewünschten mechanisch vorgegebenen Kuppelwinkel einzustellen. Vor allem aber ist zu beachten, dass der gewünschte mechanisch vorgegebene Kuppelwinkel oft nicht im Vorhinein bekannt ist. Viel ^¬ mehr ergibt sich dieser aus Versuchen, bei denen untersucht wird, bei welchem Kuppelwinkel die Unwucht der gekuppelten

Wellen am niedrigsten ist. Darüber hinaus kann sich der Kuppelwinkel, bei dem die Unwucht am niedrigsten ist, im Be ^¬ trieb, insbesondere aber bei erforderlichen Wartungsarbeiten ändern .

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sperrradanordnung so ausgebildet, dass die Umfangsposition einstellbar ist. Dies erlaubt den mechanisch vorgegebenen Kuppelwinkel einzustellen. Wie oben geschildert ist dies gerade im Hin- blick der Vermeidung von Unwuchten sehr gewünscht. Dies kann durch eine Einstellung der Umfangsposition, bei der die

Sperrklinkenanordnung in die Sperrradanordnung eingreifen kann, erfolgen. In einer Ausführungsform weist die Sperrradanordnung ein Sperrrad mit einer Mehrzahl von über den Umfang verteilten asymmetrischen Zahnflanken auf. Dabei befindet sich neben dem Sperrrad ein Kodierrad, welches nur an der genau einen Um- fangsposition eine Aussparung aufweist, so dass die Sperrklinkenanordnung nur an der genau einen Umfangsposition eingreifen kann. Es versteht sich, dass dies voraussetzt, dass die Sperrklinkenanordnung entsprechend ausgestaltet ist. So ist etwa eine übliche Sperrklinke einzusetzen, welche in Axi ^¬ alrichtung der beiden Wellen so ausgedehnt ist, dass das da ^¬ neben angeordnete Kodierrad eine Vertiefung aufweisen muss, damit ein Eingriff in das Sperrrad erfolgen kann. In einer Ausführungsform ist mindestens ein weiteres Kodierrad vorhanden, welches genau eine Vertiefung am Umfang aufweist. Dies gestattet unter Umständen eine erleichterte und genauere Auswahl des mechanisch vorgegebenen Kuppelwinkels. Durch eine drehbare Ausführung des Kodierrads oder der

Kodierräder kann der mechanisch vorgegebene Kuppelwinkel durch Drehen des Kodierrads in einfacher Weise gewählt werden . Es sei darauf hingewiesen, dass etwa zum Kuppeln einer Gasturbine mit einer Dampfturbine eine mehrstufige Schaltung eingesetzt werden kann. Das heißt innerhalb einer Kupplung werden mehrere Anordnungen der oben beschriebenen Art eingesetzt. Dies senkt die mechanische Belastung einer einzelnen Anordnung.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Kuppeln einer ersten Welle mit einer zweiten Welle vor, wobei eine Kuppeleinrichtung eingesetzt wird, mit der ein Kuppelwinkel zwischen erster Welle und zweiter Welle mechanisch vorgegeben ist. Dabei erfolgt zugleich eine Steuerung des Kuppeins durch Beeinflussung der Drehgeschwindigkeit der ersten Welle und oder der zweiten Welle. Zusätzlich oder alternativ wird der der Kuppelzeitpunkt beeinflusst. Die Beeinflussungen erfolgen derart, dass die Steuerung des Kuppeins das Erreichen des me ^¬ chanisch vorgegebenen Kuppelwinkels unterstützt. Die Kombi ^¬ nation der beiden Maßnahmen, also der Einsatz einer Kupplung mit mechanisch vorgegebenem Kuppelwinkel und eine entspre ^¬ chende Ansteuerung, ist vielversprechend. Der mechanisch vorgegebene Kuppelwinkel stellt sicher dass der Kuppelwinkel eingehalten wird. Eine entsprechende Ansteuerung sorgt dafür, dass dies vergleichsweise schnell erfolgen kann.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbei- spiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematischer und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind da ^¬ bei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Weitere Einzelheiten sollen anhand der Figuren erläutert wer- den. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sperrradanord ^¬ nung Fig. 2 eine seitliche schematische Darstellung einer

Sperrradanordnung Fig. 3 eine im Stand der Technik bekannte selbst synchro ^¬ nisierende Schaltkupplung

Fig. 4, 5 und 6

schematisch die Bewegung einer Gleitkomponente der

Schaltkupplung nach Figur 3.

Zunächst soll anhand von Fig. 3 eine aus dem Stand der Tech ^¬ nik bekannte selbst synchronisierende Schaltkupplung 1 erläu- tert werden. Es ist eine erste Welle 2 zu erkennen. Auf der ersten Welle 2 ist ein Bereich 3 mit schraubenförmigen Rillen. Am Bereich 3 mit den Rillen ist eine Gleitkomponente 4 angebracht. Die schraubenförmigen Rillen bewirken, dass die Gleitkomponente 4 sich in Axialrichtung der ersten Welle 2 bewegt, wenn die Drehgeschwindigkeiten der Gleitkomponente 4 und der ersten Welle 2 nicht übereinstimmen. An der Gleitkomponente 4 sind symmetrische Zähne 5 zu erkennen.

Ebenfalls zu erkennen ist ein zu einer zweiten Welle gehöri- ger Kuppelring 6. Der Kuppelring 6 weist einen Eingriffsbereich 7 auf. Im Eingriffsbereich 7 sind Nuten 8 angebracht, in die die symmetrischen Zähne 5 eingreifen können. Durch Bewegung der Gleitkomponente 4 zum Eingriffsbereich 7 gelangen die Zähne 5 in die Nuten 8. Damit sind die erste Welle 2 und die zweite Welle gekuppelt.

An der Gleitkomponente 4 ist ein Sperrrad 9 angebracht. Am Kuppelring 6 ist eine Sperrklinke 10 angeordnet. Am Pfeil ist die Drehrichtung der ersten Welle und der zweiten Welle zu erkennen. Solange sich die zweite Welle und damit der Kuppel ^¬ ring 6 schneller dreht als die erste Welle 2 kann sich die Gleitkomponente 4 frei mit der ersten Welle 2 mitdrehen. So ^¬ bald sich aber die erste Welle 2 schneller dreht als der Kup ^¬ pelring 6 der zweiten Welle, greift die Sperrklinke 10 in das Sperrrad 9 ein. Damit kann sich die Gleitkomponente 4 nicht schneller drehen als der Kuppelring 6, an dem die Sperrklinke 10 befestigt ist. Die höhere Geschwindigkeit der ersten Welle 2 führt dazu, dass sich die Gleitkomponente 4 in Axialrich- tung der ersten Welle bewegt. Somit wird erreicht, dass die Zähne 5 in die Nuten 8 des Eingriffsbereichs 7 eingreifen. Damit ist eine Kupplung zwischen erster Welle 2 und zweiter Welle erreicht.

Durch geeignete Anordnung wird erreicht, dass bei eingegrif ^¬ fener Sperrklinke 10 die Zähne 5 tatsächlich in die Nuten 8 eingreifen können, also die Drehlagen übereinstimmen. Die Figuren 4 bis 6 sind eine seitliche Ansicht eines Aus ^¬ schnitts der oben beschriebenen Schaltkupplung nach Figur 3. Figur 4 zeigt dabei den Zustand, bei dem die Sperrklinke 10 eingegriffen ist. Dies führt dazu, dass sich die Gleitkompo ^¬ nente 4 nach links bewegt, wie in Figur 5 gezeigt. Damit ergibt sich schließlich der in Figur 6 gezeigte Zustand, bei dem die erste Welle 2 und die zweite Welle gekuppelt sind.

Nach der Schilderung dieser im Stand der Technik bekannten Kupplung nun zur erfindungsgemäßen Abwandlung.

Um zu erreichen, dass die Kupplung zwischen der ersten Welle 2 und der zweiten Welle nur in einem mechanisch vorgegebenen Kuppelwinkel möglich ist, wird das Sperrrad 9 modifiziert. Dies ist in Fig. 1 gezeigt. Dazu wird eine Sperrradanordnung geschaffen, bei dem neben dem Sperrrad 9 noch ein Kodierrad 11 angeordnet ist.

In Figur 1, die eine Draufsicht in Axialrichtung der beiden Wellen zeigt, ist eine Linie mit asymmetrischen Zähnen zu er- kennen, welche das Sperrrad 9 darstellt. Die äußere kreisför ^¬ mige Linie stellt das Kodierrad 11 dar. Wie zu erkennen hat das Kodierrad 11 in der Fig. 1 oben eine Aussparung 12. An der Aussparung 12 kann die Sperrklinke 10 eingreifen. Freilich muss die Sperrklinke 10 in Axialrichtung der Wellen so ausgedehnt sein, dass sowohl ein Eingriff in das Sperrrad 9 als auch das Kodierrad 11 erfolgen muss. Der innere Kreis in der Figur 1 zeigt den Bereich 3 der ersten Welle 2 mit den schraubenförmigen Rillen.

In Figur 2 ist eine seitliche Darstellung von Figur 1 zu er- kennen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .