Hirth coupling's design tolerances and their role on rotor assembly

Hirth couplings are widely used in turbomachinery to allow torque transmission along different rotor parts, guaranteeing precise centering, excellent structural stability, and reliable positioning. Except for some examples of rotors with disc and diaphragm usually rotating, machine design foresees to employee only few Hirth couplings. However, the increase of performance and efficiency in new developed products to satisfy the market, requires additional engineering and manufacturing complexity. This study, deals with rotor design of a turboexpander, using up to 16 Hirth couplings. Each joint is crucial to minimize center misalignments and rotations during the assembly to prevent inconvenient rotordynamic behaviors, especially when the number of parts involved is high. Aim of this research activity is to find correlations between machining results obtained on Hirth teeth and consequences on rotor assembly, focusing on its axial displacements. After wide literature research on the manufacturing process, a design of experiment on a single joint was set and analysed with FEM, changing the geometry parameters of the tooth. The model has been validated through a mesh sensitivity analysis and, by comparing the results of the simulations with nominal and with incorrect profiles of the teeth, the effects on actual rotor axis of each tooth design parameter have been combined together by means of a statistical analysis. Results show the correlation between Hirth’s teeth design parameters and the rotor’s axis displacements, allowing to determine which parameters have a stronger impact on rotor assembly.

I giunti Hirth sono ampiamente utilizzati nelle turbomacchine per consentire la trasmissione della coppia tra diverse parti del rotore, garantendo un centraggio preciso, un’eccellente stabilità strutturale e un posizionamento affidabile. Fatta eccezione per alcuni esempi di rotori con dischi e diaframmi solitamente rotanti, la progettazione delle macchine prevede l’impiego di un numero limitato di giunti Hirth. Tuttavia, l’aumento delle prestazioni e dell’efficienza nei nuovi prodotti sviluppati per soddisfare il mercato richiede una maggiore complessità ingegneristica e produttiva. Questo studio riguarda la progettazione del rotore di un turboespansore, utilizzando fino a 16 giunti Hirth. Ogni giunto è cruciale per minimizzare disallineamenti del centro e rotazioni durante l’assemblaggio, al fine di prevenire comportamenti rotodinamici indesiderati, soprattutto quando il numero di componenti coinvolti è elevato. L’obiettivo di questa attività di ricerca è trovare correlazioni tra i risultati di lavorazione ottenuti sui denti Hirth e le conseguenze sull’assemblaggio del rotore, concentrandosi sugli spostamenti dell’asse. Dopo un’ampia ricerca bibliografica sul processo di produzione, è stato progettato e analizzato un esperimento su un singolo giunto mediante FEM, variando i parametri geometrici del dente. Il modello è stato validato attraverso un’analisi di sensibilità della mesh e, confrontando i risultati delle simulazioni con profili nominali e non corretti dei denti, gli effetti sull’asse reale del rotore di ciascun parametro di progettazione del dente sono stati combinati mediante un’analisi statistica. I risultati mostrano la correlazione tra i parametri di progettazione dei denti Hirth e gli spostamenti dell’asse del rotore, permettendo di determinare quali parametri abbiano un impatto maggiore sull’assemblaggio del rotore.