BE1028803A1 - Turbomachine - Google Patents

Abstract

Turbomachine, omvattende een as met een eerste uiteinde en een schoepenrad, ingericht aan en gekoppeld met het eerste uiteinde van de as, samen ingericht om te roteren rond een rotatieas, daardoor gekenmerkt dat de turbomachine een wrijvingsring omvat die ingeklemd is tussen een axiaal oppervlak aan het eerste uiteinde van de as en een tegenoverliggend axiaal oppervlak van het schoepenrad.

Description

+ BE2020/5829 Turbomachine Technisch domein Deze uitvinding heeft betrekking op turbomachines. Stand der techniek Een turbomachine is een machine waarin energie uitgewisseld wordt tussen een stroming van een fluïidum en één of meerdere schoepenraderen, ingericht en gekoppeld aan een as, waarbij de as en de schoepenraderen ingericht zijn om samen te roteren rond een rotatieas.

Turbomachines omvatten vaak slechts één schoepenrad, waarbij dit schoepenrad in overhang ingericht en gekoppeld is aan een axiaal vlak (kopvlak) van de as van de machine door middel van een boutverbinding. Deze koppeling brengt uitdagingen met zich mee. Zo moet er een groot koppel overgebracht worden over een beperkt raakvlak. Verder stelt de bevestiging in overhang, waarbij er slechts langs één axiale zijde van het schoepenrad lagers aanwezig zijn, gekoppeld met de zeer hoge toerentallen van de machine die kunnen oplopen tot meerdere tienduizenden toeren per minuut, zeer hoge eisen aan de uitlijning van het schoepenrad en de as teneinde de onbalans van de roterende massa te minimaliseren.

Vooral tijdens het opstarten van de turbomachine heeft het tegenoverliggende kopvlak van het schoepenrad de neiging om zich relatief te verplaatsen ten opzichte van het kopvlak van de as, hetgeen de onbalans van de roterende massa vergroot en de trillingen van de machine boven een aanvaardbaar niveau kan brengen. Deze relatieve verplaatsing kan een relatieve radiale verplaatsing van beide kopvlakken tegenover elkaar, een kanteling van beide kopvlakken tegenover elkaar, een torsionele verplaatsing van beide kopvlakken tegenover elkaar of een combinatie van twee of meer van deze verplaatsingsvormen omvatten. Deze neiging tot relatieve verplaatsing wordt groter naarmate het schoepenrad zwaarder wordt in

° BE2020/5829 verhouding tot de as en naarmate de koppels inwerkend op de as en/of het schoepenrad hoger worden en/of sneller variëren.

De zogeheten Hirth-koppeling, waarbij het kopvlak van de as en het tegenoverliggende kopvlak van het schoepenrad beiden voorzien zijn van complementaire taps toelopende tanden die in elkaar grijpen, is een geijkte oplossing voor het realiseren van een dergelijke koppeling tussen schoepenrad en as, die door haar zelfcentrerende karakter bovengenoemde relatieve radiale of torsionele verplaatsingen tegengaat. De fabricage van het benodigde tandprofiel op de kopvlakken van het schoepenrad en de as is echter omslachtig en tijdrovend en daarom ook duur. Document DE102010040288A1 poogt dit probleem op te lossen door één of meerdere tussenstukken - concentrisch ingericht rond de bout die de as en het schoepenrad met elkaar verbindt - te plaatsen tussen het kopvlak van de as van de turbomachine en het tegenoverliggende kopvlak van het schoepenrad. Eén kopvlak van een tussenstuk wordt door middel van een boutverbinding gekoppeld met het kopvlak van de as of het schoepenrad, terwijl het andere kopvlak voorzien wordt van een tandprofiel. Bij gebruik van twee complementaire tussenstukken, één ervan bevestigd aan het kopvlak van de as en het andere bevestigd aan het tegenoverliggende kopvlak van het schoepenrad, kan er dus een Hirth-koppeling tussen as en schoepenrad gerealiseerd worden zonder de moeilijkheid om vertanding aan te brengen op de kopvlakken van as en schoepenrad. In het systeem van DE102010040288A1 moeten er echter boutverbindingen tussen de één of meerdere tussenstukken en de as en/of het schoepenrad gerealiseerd worden. Dit brengt extra stappen in het fabricageproces en dus een hogere kostprijs met zich mee. Verder moeten deze boutverbindingen ook op hun beurt uitgelijnd blijven tijdens de werking van de machine; het probleem van de relatieve radiale verplaatsing tussen twee axiaal gekoppelde roterende onderdelen wordt dus verschoven van het raakvlak tussen het schoepenrad en de as naar het raakvlak tussen de één of meerdere tussenstukken en de as en/of het schoepenrad.

Er is dus nood aan een andere oplossing voor het tegengaan van de relatieve radiale verplaatsing tussen de as en het schoepenrad van een turbomachine.

Samenvatting De onderhavige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voornoemde nadelen een oplossing te bieden.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding wordt een turbomachine openbaar gemaakt, omvattende een as met een eerste uiteinde en een schoepenrad (Eng. : impeller), ingericht aan en gekoppeld met het eerste uiteinde van de as, samen ingericht om te roteren rond een rotatieas, daardoor gekenmerkt dat de turbomachine een wrijvingsring omvat die ingeklemd is tussen een axiaal oppervlak (kopvlak) aan het eerste uiteinde van de as en een tegenoverliggend axiaal oppervlak (kopvlak) van het schoepenrad.

In sommige uitvoeringsvormen is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat het schoepenrad door middel van een trekbout- of trekstaafverbinding gekoppeld is met het eerste uiteinde van de as. Bij een trekbout- of trekstaafverbinding zijn de as en het schoepenrad uitgerust om de trekbout of trekstaaf te ontvangen. De trekbout of trekstaaf wordt vast bevestigd aan één van beide onderdelen, bijvoorbeeld door een eerste uiteinde van de trekbout of trekstaaf vast te schroeven in daartoe voorziene schroefdraad in één van beide onderdelen. Vervolgens wordt de bout of staaf onder voorspanning gebracht door een trekkracht uit te oefenen tussen zijn beide uiteinden. Daarna wordt het tweede onderdeel, dat de bout of staaf eveneens ontvangt maar er nog niet vast aan bevestigd is, ingeklemd tussen het eerste onderdeel en het sluitstuk van de verbinding. Dit sluitstuk kan bijvoorbeeld een moer zijn die geschroefd wordt op het tweede uiteinde van de bout of staaf. Zodra het sluitstuk op de gewenste manier bevestigd is, bijvoorbeeld door

° BE2020/5829 de moer aan te draaien tot het gewenste draaimoment, wordt de trekkracht losgelaten.

Het is een voordeel van deze uitvoeringsvormen dat een trekbout- of trekstaafverbinding een eenvoudige en goedkope verbindingstechniek is. In sommige uitvoeringsvormen, waarin het schoepenrad door middel van een trekboutverbinding gekoppeld is met het eerste uiteinde van de as, is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat de wrijvingsring ingeklemd wordt tussen het axiaal oppervlak (kopvlak) aan het eerste uiteinde van de as en het tegenoverliggend axiaal oppervlak (kopvlak) van het schoepenrad door middel van de trekboutverbinding. Het is een voordeel van deze uitvoeringsvormen dat er geen extra onderdelen nodig zijn om de wrijvingsring in te klemmen. In sommige uitvoeringsvormen is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat het schoepenrad en de as substantieel uit een verschillend materiaal bestaan, waarbij het materiaal van het schoepenrad een lagere massadichtheid heeft dan het materiaal van de as. Het is een voordeel van deze uitvoeringsvormen dat een lagere massadichtheid van het schoepenrad een betere dynamica van het schoepenrad toelaat. Het schoepenrad kan bijvoorbeeld substantieel uit aluminium bestaan, terwijl de as substantieel uit staal bestaat. In sommige uitvoeringsvormen is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat de wrijvingsring aangepast is om relatieve verplaatsing tussen het axiaal oppervlak (kopvlak) aan het eerste uiteinde van de as en het tegenoverliggend axiaal oppervlak (kopvlak) van het schoepenrad tegen te gaan. In het algemeen vallen de massamiddelpunten van de roterende onderdelen van de turbomachine niet allen exact samen met de rotatieas van de machine. Tijdens werking van de turbomachine leiden schokbelastingen die aangrijpen op de massamiddelpunten van de

> BE2020/5829 roterende onderdelen, tot schuifkrachten tussen het kopvlak aan het eerste uiteinde van de as en het tegenoverliggende kopvlak van het schoepenrad. Deze schuifkrachten worden tegengewerkt door de statische en dynamische wrijvingskrachten tussen bovengenoemde kopvlakken. Indien de schuifkrachten groter worden dan de statische wrijvingskrachten kan er een relatieve verplaatsing optreden tussen de bovengenoemde kopvlakken. Een dergelijke relatieve verplaatsing kan de onbalans van de machine vergroten tot een onaanvaardbaar niveau.

Het is een voordeel van deze uitvoeringsvormen dat de turbomachine geen koppeling die een zelfcentrerend karakter heeft door haar geometrie, zoals bijvoorbeeld een Hirth-koppeling, nodig heeft tussen het schoepenrad en de as. De koppeling tussen het schoepenrad en de as krijgt een grotere zelfcentrerende neiging door de aanwezigheid van de wrijvingsring. Bij voorkeur is de wrijvingsring zo dun en licht tegenover het schoepenrad en de as dat deze de kwaliteitsgraad van de uitlijning van de turbomachine niet negatief beïnvloedt, zelfs als de wrijvingsring zelf niet gecentreerd is tegenover de rotatieas van de machine. Het is een bijkomend voordeel van deze uitvoeringsvormen dat de turbomachine aan een hoger toerental, een hoger vermogen, een hoger massadebiet of een combinatie van twee of meer van voorgaande kan opereren dan een turbomachine zonder de wrijvingsring voor eenzelfde kwaliteitsgraad van uitlijning van de turbomachine. Het is een bijkomend voordeel van deze uitvoeringsvormen dat de turbomachine sneller van toerental kan veranderen dan een turbomachine zonder de wrijvingsring voor hetzelfde toelaatbare trillingsniveau. Het is een bijkomend voordeel van deze uitvoeringsvormen dat de verhouding tussen de massa van het schoepenrad en de massa van de as groter kan zijn dan bij een turbomachine zonder de wrijvingsring voor hetzelfde toelaatbare trillingsniveau.

° BE2020/5829 Het is een bijkomend voordeel van deze uitvoeringsvormen dat de as van de turbomachine een kleinere diameter en/of een lagere massa kan hebben dan de as bij een turbomachine zonder de wrijvingsring voor hetzelfde toelaatbare trillingsniveau.

Het is een bijkomend voordeel van deze uitvoeringsvormen van de turbomachine dat een groter koppel kan overgedragen worden tussen de as en het schoepenrad dan bij een turbomachine zonder de wrijvingsring voor eenzelfde diameter van de as of voor eenzelfde contactdruk op de kopvlakken van de as en het schoepenrad. In sommige uitvoeringsvormen, waarin de wrijvingsring aangepast is om relatieve verplaatsing tussen het axiaal oppervlak (kopvlak) aan het eerste uiteinde van de as en het tegenoverliggend axiaal oppervlak (kopvlak) van het schoepenrad tegen te gaan, is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat de axiale oppervlakken van de wrijvingsring minstens gedeeltelijk bedekt zijn door een coating, waarbij de coating een substantieel uniforme laag van een metaal of metaallegering omvat, evenals discrete partikels die minstens gedeeltelijk ingesloten zitten in de laag van het metaal of de metaallegering, waarbij de mediaan diameter van de partikels groter is dan de dikte van de laag van het metaal of de metaallegering. In sommige uitvoeringsvormen, waarin de axiale oppervlakken van de wrijvingsring minstens gedeeltelijk bedekt zijn door een coating, waarbij de coating een substantieel uniforme laag van een metaal of metaallegering omvat, evenals discrete partikels die minstens gedeeltelijk ingesloten zitten in de laag van het metaal of de metaallegering, waarbij de mediaan diameter van de partikels groter is dan de dikte van de laag van het metaal of de metaallegering, is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat de hardheid van de partikels groter is dan de hardheid van het materiaal van het tegenoverliggend axiaal oppervlak (kopvlak) van het schoepenrad.

Het is een voordeel van deze uitvoeringsvormen dat partikels op de wrijvingsring in het axiaal oppervlak van het schoepenrad kunnen dringen en daardoor de wrijvingscoëfficiënt tussen het schoepenrad en de wrijvingsring verhogen. Dit maakt bijvoorbeeld het gebruik van een aluminium schoepenrad mogelijk, bijvoorbeeld in combinatie met een as in staal. Laatstgenoemde combinatie is moeilijk te realiseren zonder de aanwezigheid van de wrijvingsring aangezien de toelaatbare oppervlaktedruk van aluminum of de wrijvingscoëfficiënt tussen twee oppervlakken in respectievelijk staal en aluminium te laag is om onaanvaardbare verplaatsingen tussen de kopvlakken van respectievelijk het schoepenrad en de as voldoende tegen te gaan bij normale werking van de turbomachine.

In sommige uitvoeringsvormen, waarin de hardheid van de partikels in de coating van de wrijvingsring groter is dan de hardheid van het materiaal van het tegenoverliggend axiaal oppervlak (kopvlak) van het schoepenrad, is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat de partikels substantieel bestaan uit diamant of een keramisch materiaal.

In sommige uitvoeringsvormen is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat het schoepenrad een centrifugaal schoepenrad is.

In sommige uitvoeringsvormen is de turbomachine daardoor gekenmerkt dat de turbomachine een compressor, blower of turbine is. Volgens een tweede aspect van de uitvinding wordt een werkwijze voor het tegengaan van een relatieve verplaatsing tussen een schoepenrad van een turbomachine en een as van de turbomachine beschreven, waarbij het schoepenrad gekoppeld is met een eerste uiteinde van de as en beide ingericht zijn om samen te roteren rond een rotatieas, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze het inklemmen van een wrijvingsring tussen een axiaal oppervlak aan het eerste uiteinde van de as en een tegenoverliggend axiaal oppervlak van het schoepenrad omvat. De technische effecten en voordelen van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding corresponderen, mutatis mutandis, met deze van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding.

Volgens een derde aspect van de uitvinding wordt een gebruik van een wrijvingsring in een turbomachine beschreven, de turbomachine omvattende een as met een eerste uiteinde en een schoepenrad, ingericht aan en gekoppeld met het eerste uiteinde van de as, samen ingericht om te roteren rond een rotatieas, waarbij de wrijvingsring ingeklemd wordt tussen een axiaal oppervlak aan het eerste uiteinde van de as en een tegenoverliggend axiaal oppervlak van het schoepenrad, om relatieve verplaatsing tussen het axiaal oppervlak aan het eerste uiteinde van de as en het tegenoverliggend axiaal oppervlak van het schoepenrad tegen te gaan.

De technische effecten en voordelen van het gebruik van een wrijvingsring volgens de onderhavige uitvinding corresponderen, mutatis mutandis, met deze van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding.

Korte beschrijving van de figuren - Fig. 1 toont een schematische explosietekening van een uitvoeringsvorm van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding. - Fig. 2 toont een schematische dwarsdoorsnede volgens de as 1 in Fig. 1. - Fig. 3 toont een schematische uitvergroting van het gebied X volgens de dwarsdoorsnede van Fig. 2. Gedetailleerde beschrijving De onderhavige uitvinding wordt hieronder geïllustreerd aan de hand van specifieke uitvoeringsvormen.

Deze specifieke uitvoeringsvormen zijn representatief voor de uitvinding, maar mogen niet als beperkend beschouwd worden.

De uitvinding is niet beperkt tot de specifieke uitvoeringsvormen die hieronder getoond en/of beschreven worden en alternatieve uitvoeringsvormen kunnen ontwikkeld worden naar de geest van de beschrijving.

De figuren zijn zuiver schematisch, geven niet noodzakelijk alle onderdelen van de uitvinding weer, zijn niet beperkend en zijn niet noodzakelijk op schaal.

Wanneer in de beschrijving gerefereerd wordt naar “een uitvoeringsvorm” houdt deze verwijzing in dat een bepaalde eigenschap, structuur of kenmerk beschreven aan de hand van deze specifieke uitvoeringsvorm, inbegrepen is in één of meerdere uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding. Verwijzingen naar “een uitvoeringsvorm”, “sommige uitvoeringsvormen, “een voorkeurdragende uitvoeringsvorm” en dergelijke in deze beschrijving verwijzen mogelijks maar niet noodzakelijkerwijze naar dezelfde uitvoeringsvorm. Voorts kunnen de specifieke eigenschappen, structuren of kenmerken van de specifieke uitvoeringsvormen gecombineerd worden op elke gepaste manier in één of meerdere uitvoeringsvormen. Fig. 1 toont een schematische explosietekening van een uitvoeringsvorm van een turbomachine volgens de onderhavige uitvinding. Niet alle onderdelen van de turbomachine zijn zichtbaar op de figuur. De getoonde uitvoeringsvorm omvat een as 10, een schoepenrad 20, een wrijvingsring 30, een trekbout 40 en een moer 50. Bij voorkeur is elk van deze onderdelen substantieel axisymmetrisch, waarbij afwijkingen van voornoemde axisymmetrie voortvloeien uit de tolerantielimitieten van de gebruikte fabricageprocessen, slijtage, of de toevoeging van één of meerdere structuren waarvan de totale massa kleiner is dan 10%, bij voorkeur kleiner is dan 1%, meer bij voorkeur kleiner is dan 0,1%, nog meer bij voorkeur kleiner is dan 0,01%, meest bij voorkeur kleiner is dan 0,001% van de massa van het onderdeel waaraan deze één of meerdere structuren worden toegevoegd. Bij voorkeur voldoet de uitlijning (Eng. : balancing) van elk van deze onderdelen afzonderlijk aan de ISO 21940 standaard met kwaliteitsgraad G 1, meer bij voorkeur met kwaliteitsgraad G 0,7.

Bij voorkeur zijn deze onderdelen zodanig uitgelijnd ten opzichte van elkaar dat hun individuele symmetrieassen substantieel samenvallen. Deze onderdelen zijn ingericht om samen te roteren rond de rotatieas 1 van de turbomachine. Bij voorkeur zijn deze onderdelen zodanig uitgelijnd dat hun individuele symmetrieassen substantieel samenvallen met de rotatieas 1.

Fig. 2 en Fig. 3 tonen meer details van deze onderdelen. Hieronder worden de onderdelen en de assemblage van de geïllustreerde uitvoeringsvorm beschreven en vervolgens wordt hun samenwerking in de geïllustreerde uitvoeringsvorm uiteengezet.

De as 10 omvat een eerste axiale boring 11, welke substantieel concentrisch is met de symmetrieas van de as 10. De as 10 omvat een tweede axiale boring 12, welke substantieel concentrisch is met de eerste axiale boring 11 en met de symmetrieas van de as 10. De eerste axiale boring 11 is dieper dan de tweede axiale boring 12. De eerste axiale boring 11 heeft een kleinere diameter dan de tweede axiale boring 12. Bij voorkeur heeft de tweede axiale boring 12 een diepte groter dan l mm, meer bij voorkeur een diepte groter dan 3 mm, nog meer bij voorkeur een diepte groter dan 5 mm, meest bij voorkeur een diepte groter dan 10 mm. Bij voorkeur heeft de tweede axiale boring 12 een diepte kleiner dan 50 mm, meer bij voorkeur een diepte kleiner dan 40 mm, nog meer bij voorkeur een diepte kleiner dan 30 mm, meest bij voorkeur een diepte kleiner dan 20 mn. Bij voorkeur heeft de eerste axiale boring 11 een diepte die minstens 20 mm groter is dan de diepte van de tweede axiale boring 12, meer bij voorkeur een diepte die minstens 30 mm groter is, nog meer bij voorkeur een diepte die minstens 40 mm groter is, meest bij voorkeur een diepte die minstens 50 mm groter is. Bij voorkeur heeft de eerste axiale boring 11 een diepte die minder dan 100 mm groter is dan de diepte van de tweede axiale boring 12, meer bij voorkeur een diepte die minder dan 90 mm groter is, nog meer bij voorkeur een diepte die minder dan 80 mm groter is, meest bij voorkeur een diepte die minder dan 70 mm groter is.

Bij voorkeur heeft de tweede axiale boring 12 een diameter groter dan 60% van de diameter van de as 10, meer bij voorkeur een diameter groter dan 65% van de diameter van de as, nog meer bij voorkeur een diameter groter dan 70% van de diameter van de as, meest bij voorkeur een diameter groter dan 75% van de diameter van de as. Bij voorkeur heeft de tweede axiale boring 12 een diameter kleiner dan 95% van de diameter van de as 10, meer bij voorkeur een diameter kleiner dan 90% van de diameter van de as, nog meer bij voorkeur een diameter kleiner dan 85% van de diameter van de as, meest bij voorkeur een diameter kleiner dan 80% van de diameter van de as. Bij voorkeur heeft de eerste axiale boring 11 een diameter groter dan 10% van de diameter van de as 10, meer bij voorkeur een diameter groter dan 15% van de diameter van de as, nog meer bij voorkeur een diameter groter dan 20% van de diameter van de as, meest bij voorkeur een diameter groter dan 25% van de diameter van de as. Bij voorkeur heeft de eerste axiale boring 11 een diameter kleiner dan 50% van de diameter van de as 10, meer bij voorkeur een diameter kleiner dan 45% van de diameter van de as, nog meer bij voorkeur een diameter kleiner dan 40% van de diameter van de as, meest bij voorkeur een diameter kleiner dan 35% van de diameter van de as. De eerste axiale boring 11 en de tweede axiale boring 12 definiëren twee substantieel concentrische ringvormige kopvlakken op de as 10.

Het eerste kopvlak 13 bevindt zich aan het uiteinde van de as en wordt gedefiniëerd door de diameter van de as en de diameter van de tweede axiale boring 12. Het tweede kopvlak 14 zit verzonken in de tweede axiale boring 12 en wordt gedefinieerd door de diameters van de eerste en tweede axiale boring. Bij voorkeur zijn beide kopvlakken substantieel vlak, op uitzondering van afronding of afschuining aan hun randen, en gelegen in een vlak dat substantieel loodrecht staat op de symmetrieas van de as 10. Bij voorkeur is de as 10 in staal uitgevoerd. Dit staal kan ongelegeerd, laaggelegeerd of hooggelegeerd zijn. De as 10 kan ook uitgevoerd worden in andere geschikte materialen die gekend zijn voor de vakman.

De getoonde uitvoeringsvorm omvat een centrifugaal schoepenrad 20. Dergelijk schoepenrad kan bijvoorbeeld aangewend worden in een centrifugale compressor, blower of turbine. Aan het axiaal uiteinde dat naar de as 10 gericht is, omvat het schoepenrad 20 een axiale protrusie 22, welke substantieel cylindrisch is en substantieel concentrisch is met de symmetrieas van het schoepenrad 20. Het schoepenrad 20 en de axiale protrusie 22 omvatten een axiale boring 21, welke substantieel concentrisch is met de symmetrieas van het schoepenrad 20 en de axiale protrusie 22 en zich uitstrekt over de volledige axiale diepte van het schoepenrad 20 en de axiale protrusie 22. De axiale protrusie 22 definieert twee kopvlakken op het axiale uiteinde van het schoepenrad 20 waar zij zich bevindt. De binnendiameter van het eerste kopvlak 23 wordt gedefineerd door de buitendiameter van de axiale protrusie 22. De buitendiameter van het eerste kopvlak 23 wordt gedefineerd door de diameter waarop het axiale uiteinde niet langer substantieel vlak is, en gelegen in een vlak dat substantieel loodrecht staat op de symmetrieas van het schoepenrad 20. Het tweede kopvlak 24 bevindt zich aan het axiale uiteinde van de axiale protrusie 22. De binnendiameter van het tweede kopvlak 24 wordt gedefineerd door de diameter van de axiale boring 21. De buitendiameter van het tweede kopvlak 24 wordt gedefineerd door de buitendiameter van de axiale protrusie 22. Bij voorkeur heeft het eerste kopvlak 23 van het schoepenrad 20 een buitendiameter die groter is dan de buitendiameter van het eerste kopvlak 13 van de as 10.

De axiale protrusie 22 heeft een buitendiameter die kleiner is dan de binnendiameter van de tweede axiale boring 12 in de as 10. Dit heeft als voordeel dat, bij assemblage van de turbomachine, de axiale protrusie 22 in de tweede axiale boring 12 ingebracht kan worden. Bij voorkeur is de buitendiameter van de axiale protrusie 22 hoogstens 10% kleiner dan de binnendiameter van de tweede axiale boring 12 in de as 10, meer bij voorkeur hoogstens 1% kleiner, meest bij voorkeur hoogstens 0,1% kleiner, Dit geringe verschil in diameter heeft als voordeel dat de buitenwand van de axiale protrusie 22 bij assemblage van de turbomachine contact maakt met de binnenwand van de tweede axiale boring 12 en hierdoor bijdraagt aan de relatieve uitlijning van het schoepenrad 20 tegenover de as 10. Bij voorkeur is de buitendiameter van de axiale protrusie 22 minstens 0,01% kleiner dan de binnendiameter van de tweede axiale boring 12.

Bij voorkeur is de lengte van de axiale protrusie 22 kleiner dan de diepte van de tweede axiale boring 12 in de as 10. Dit heeft als voordeel dat de tweede kopvlakken 14 en 24 op respectievelijk de as 10 en het schoepenrad 20 geen contact kunnen maken bij assemblage van de turbomachine. Bij voorkeur is de lengte van de axiale protrusie 22 minstens 5% kleiner dan de diepte van de tweede axiale boring 12 in de as 10. Echter, in somnige niet geïllustreerde en niet-voorkeurdragende uitvoeringsvormen kan de lengte van de axiale protrusie 22 gelijk aan of groter zijn dan de diepte van de tweede axiale boring 12 waardoor de kopvlakken 14 en 24 contact kunnen maken bij assemblage van de turbomachine.

In sommige uitvoeringsvormen kan het schoepenrad 20 substantieel uit staal bestaan. Dit staal kan ongelegeerd, laaggelegeerd of hooggelegeerd zijn. In sommige uitvoeringsvormen kan het schoepenrad 20 substantieel uit aluminium of een aluminiumlegering bestaan. In sommige uitvoeringsvormen kan het schoepenrad 20 substantieel uit een metaal, ander dan staal of aluminium en bij voorkeur met een lagere massadichtheid dan staal, of uit een legering van dit metaal bestaan.

In sommige uitvoeringsvormen kan het schoepenrad 20 substantieel uit een ander materiaal bestaan dan de as 10, waarbij de hardheid van beide materialen niet noodzakelijk dezelfde is. Een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvat een schoepenrad 20 dat substantieel uit aluminium of een aluminiumlegering bestaat en een as 10 die substantieel uit staal bestaat.

De wrijvingsring 30 omvat een substantieel cirkelvormige en substantieel vlakke schijf met een concentrische binnen- en buitendiameter. Bij voorkeur heeft de wrijvingsring 30 een binnendiameter die groter is dan de buitendiameter van de axiale protrusie 22. Dit heeft als voordeel dat de wrijvingsring 30 bij assemblage van de turbomachine rond de axiale protrusie 22 aangebracht kan worden. Bij voorkeur is de binnendiameter van de wrijvingsring 30 hoogstens 10% groter dan de buitendiameter van de axiale protrusie 22, meer bij voorkeur hoogstens 1% groter, meest bij voorkeur hoogstens 0,05% groter. Dit geringe verschil in diameter heeft als voordeel dat de buitenwand van de axiale protrusie 22 bij assemblage van de turbomachine contact maakt met ce binnenwand van de wrijvingsring 30 en hierdoor bijdraagt aan de relatieve uitlijning van de wrijvingsring 30 tegenover het schoepenrad 20. Bij voorkeur is de binnendiameter van de wrijvingsring 30 minstens 0,01% groter dan de buitendiameter van de axiale protrusie 22. In sommige niet geillustreerde uitvoeringsvormen kan de wrijvingsring 30 een axiale protrusie omvatten op zijn buitendiameter. Deze protrusie kan bijvoorbeeld dienen ter visuele controle van de aanwezigheid van de wijrvingsring. In sommige niet geïllustreerde uitvoeringsvormen kan de wrijvingsring 30 een andere vorm aannemen dan een substantieel cirkelvormige en substantieel vlakke schijf met een concentrische binnen- en buitendiameter.

Beide kopvlakken 33a en 33b van de wrijvingsring 30 zijn substantieel bedekt met een coating. Bij voorkeur is minstens 50% van beide kopvlakken bedekt met de coating, meer bij voorkeur minstens 60%, nog meer bij voorkeur minstens 70%, meest bij voorkeur zijn beide kopvlakken substantieel volledig bedekt. De coating omvat een substantieel uniforme laag van een metaal of metaallegering, evenals discrete partikels die deels ingesloten zitten in de laag van het metaal of de metaallegering. De mediaan diameter van de discrete partikels is groter dan de mediaan dikte van de uniforme laag en de gemiddelde diameter van de discrete partikels is groter dan de gemiddelde dikte van de uniforme laag. De discrete partikels bestaan substantieel uit diamant of een keramisch materiaal. De hardheid van de discrete partikels is groter dan de hardheid van staal. Bij voorkeur hebben de discrete partikels een gemiddelde diameter groter dan 10 micron, meer bij voorkeur groter dan 20 micron, nog meer bij voorkeur groter dan 30 micron, meest bij voorkeur groter dan 40 micron. Bij voorkeur is de gemiddelde dikte van de uniforme laag groter dan 60% van de gemiddelde dikte van de discrete partikels. Bij voorkeur is de gemiddelde dikte van de uniforme laag kleiner dan 90% van de gemiddelde dikte van de discrete partikels. Bij voorkeur bedraagt de oppervlaktedichtheid van discrete partikels meer dan 50 partikels/mm?, meer bij voorkeur meer dan 100 partikels/mm?, nog meer bij voorkeur meer dan 200 partikels/mm?, meest bij voorkeur meer dan 500 partikels/mm?è. Bij voorkeur zijn de discrete partikels substantieel uniform verdeeld over de kopvlakken 33a en 33b opdat zij de kwaliteitsgraad van de uitlijning van de wrijvingsring niet zouden verlagen. In de getoonde uitvoeringsvorm is het schoepenrad 20 in overhang gekoppeld met een uiteinde van de as 10, door het inbrengen van de trekbout 40 in de axiale boringen 11 en 21 van respectievelijk de as 10 en het schoepenrad 20. Hierbij is het schoepenrad 20 zodanig georiënteerd ten opzichte van de as 10 dat de axiale protrusie 22 in de richting van de as 10 wijst. Bij voorkeur wordt de wrijvingsring 30 rond de axiale protrusie 22 geplaatst zodat deze zich bevindt tussen de kopvlakken 13 en 23. Echter, in sommige niet geïllustreerde uitvoeringsvormen kan de wrijvingsring 30 in de tweede axiale boring 12 geplaatst worden zodat deze zich bevindt tussen de kopvlakken 14 en 24. De trekbout is voorzien van schroefdraad aan zijn beide uiteinden 4la en 41b. Bij voorkeur is de trekbout voorzien van een insnoering 43, met een diameter kleiner dan de diameter van de axiale boring

21. Bij voorkeur is de trekbout voorzien van een schouder 42. Bij voorkeur is de diameter van de schouder 42 substantieel gelijk aan de diameter van de axiale boring 21, Bij voorkeur ondergaat de trekbout 40 voor inbrenging een behandeling, zoals bijvoorbeeld afkoeling door middel van vloeibare stikstof, zodanig dat de schouder 42 ingebracht en gepositioneerd kan worden in de axiale boring 21. Het uiteinde 41b, dat voorzien is van schroefdraad, wordt vastgeschroefd in de eerste axiale boring 11 van de as 10 die voorzien is van compatibele schroefdraad.

De moer 50, die voorzien is van compatibele schroefdraad, wordt op het uiteinde ‘la geschroefd.

Door het aandraaien van de moer 50 bewegen het schoepenrad 20 en de as 10 zich naar elkaar toe.

De axiale protrusie

22 wordt ingebracht in de tweede axiale boring 12. De moer 50 wordt minstens zolang aangedraaid totdat de eerste kopvlakken 13 en 23 van respectievelijk de as 10 en het schoepenrad 20 contact maken met respectievelijk de beide kopvlakken 33a en 33b van de wrijvingsring 30, of, in sommige niet geïllustreerde en niet- voorkeurdragende uitvoeringsvormen, tot de tweede kopvlakken 14 en 24 van respectievelijk de as 10 en het schoepenrad 20 contact maken met respectievelijk de beide kopvlakken 33a en 33b van de wrijvingsring 30 Bij voorkeur maakt de moer 50 in haar finale positie contact met het derde kopvlak 25 van het schoepenrad 20. Bij voorkeur wordt de trekbout 40 voorgespannen alvorens de moer 50 wordt aangedraaid.

Bij voorkeur gebeurt de voorspanning van de trekbout met een trekkracht groter dan of gelijk aan 200kN.

Bij voorkeur gebeurt de voorspanning van de trekbout met een trekkracht kleiner dan of gelijk aan 350kN.

Bij voorkeur wordt de moer 50 aangedraaid totdat de eerste axiale kopvlakken 13 en 23 tegen de respectievelijke kopvlakken 33a en 33b worden gedrukt met een contactdruk groter dan of gelijk aan 500MPa.

Bij voorkeur wordt de moer 50 aangedraaid totdat de eerste axiale kopvlakken 13 en 23 tegen de respectievelijke kopvlakken 33a en 33b worden gedrukt met een contactdruk kleiner dan of gelijk aan 800MPa.

Door het voorspannen van de trekbout 40 en het aandraaien van de moer 50 worden de discrete partikels op de kopvlakken 33a en 33b van de wrijvingsring in de kopvlakken 13 en 23 van respectievelijk de as 10 en het schoepenrad 20 gedrukt.

Bij voorkeur dringen de discrete partikels meer dan 2 micron in de kopvlakken 13 en 23, meer bij voorkeur meer dan 5 micron, meest bij voorkeur meer dan 10 micron.

Aangezien het schoepenrad 20 in overhang gekoppeld is met de as 10, bevinden er zich slechts lagers (niet getoond op de figuren) langs één axiale zijde van het schoepenrad 20. Bij voorkeur draait het schoepenrad 20 van de turbomachine op het normale werkingspunt van de machine met een snelheid van meer dan 5000 toeren per minuut omheen de rotatieas 1, meer bij voorkeur meer dan 10000 toeren per minuut, meest bij voorkeur meer dan 20000 toeren per minuut. Bij voorkeur is de massa van het schoepenrad 20 groter dan of gelijk aan 50% van de massa van de as 10. Bij voorkeur is de massa van het schoepenrad 20 kleiner dan of gelijk aan 400% van de massa van de as

10. De éénzijdige lagering, samen met de bereikte toerentallen en de massa-verhouding tussen schoepenrad en as stellen zeer hoge eisen aan de uitlijning van de turbomachine. Bij voorkeur voldoet de uitlijning van de turbomachine voor rotatie rond rotatiesas 1 na assemblage aan de ISO 21940 standaard met kwaliteitsgraad G 6,3, meer bij voorkeur met kwaliteitsgraad G 2,5, meest bij voorkeur met kwaliteitsgraad Gl. Tijdens werking van de turbomachine leiden de centrifugale krachten die aangrijpen op de massamiddelpunten van de roterende onderdelen, die in het algemeen niet allen exact samenvallen met de rotatieas 1, tot schuifkrachten tussen het kopvlak 33a van de wrijvingsring 30 en het kopvlak 13 van de as 10 en tussen het kopvlak 33b van de wrijvingsring 30 en het kopvlak 23 van het schoepenrad 20. Deze schuifkrachten worden tegengewerkt door de statische en dynamische wrijvingskrachten tussen bovengenoemde kopvlakken. Indien de schuifkrachten groter worden dan de statische wrijvingskrachten kan er een radiale verplaatsing optreden tussen de bovengenoemde kopvlakken. Een dergelijke radiale verplaatsing kan de onbalans van de machine vergroten tot een onaanvaardbaar niveau.

Door de aanwezigheid van de wrijvingsring 30 worden de discrete partikels, omvat in de coating van de kopvlakken 33a en 33b, in de kopvlakken 13 en 23 gedrukt tijdens assemblage van de turbomachine zoals hierboven beschreven. Door deze indrukking vergroten de wrijvingscoefficiënten, en dus ook de wrijvingskrachten, tussen het kopvlak 33a van de wrijvingsring 30 en het kopvlak 13 van de as de as 10 en tussen het kopvlak 33b van de wrijvingsring 30 en het kopvlak 23 van het schoepenrad 20. Bij voorkeur is de statische wrijvingscoëfficiënt tussen bovengenoemde kopvlakken groter dan 0,4, meer bij voorkeur groter dan 0,5, nog meer bij voorkeur groter dan 0,6, meest bij voorkeur groter dan 0,7.

Tengevolge van de grotere wrijvingscoëfficiënten en de resulterende grotere wrijvingskrachten tussen de tegenoverliggende kopvlakken worden radiale verplaatsing tussen de kopvlakken tegengegaan en in amplitude verminderd of vermeden.

Het is een voordeel dat een uitvoeringsvorm van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding dat het schoepenrad in aluminium uitgevoerd kan worden. Een aluminium schoepenrad is lichter, laat een meer dynamisch rotorgedrag toe en dient minder nauwkeurig uitgelijnd te worden, maar zonder wrijvingsring zijn de wrijvingskrachten tussen een aluminium schoepenrad en een stalen as te gering om radiale verplaatsingen tussen schoepenrad en as tegen te gaan onder normale werkingsomstandigheden van de turbomachine. De vakman zal begrijpen dat de andere genoemde voordelen van de uitvoeringsvorm evenzeer gelden voor elke combinatie van materialen voor as en schoepenrad, zoals bijvoorbeeld voor de combinatie van een stalen schoepenrad met een stalen as.

Het is een voordeel dat een uitvoeringsvorm van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding geen zelfcentrerende koppeling, zoals bijvoorbeeld een Hirth-koppeling, nodig heeft tussen het schoepenrad 20 en de as 10.

Het is een voordeel dat een uitvoeringsvorm van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding aan een hoger toerental kan opereren dan een turbomachine zonder de wrijvingsring voor hetzelfde toelaatbare trillingsniveau.

Het is een voordeel dat een uitvoeringsvorm van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding sneller van toerental kan veranderen dan een turbomachine zonder de wrijvingsring voor hetzelfde toelaatbare trillingsniveau.

Het is een voordeel dat een uitvoeringsvorm van de turbomachine volgens de onderhavige uitvinding dat de verhouding tussen de massa van het schoepenrad en de massa van de as groter kan zijn dan bij een turbomachine zonder de wrijvingsring voor hetzelfde toelaatbare trillingsniveau.

Claims (12)

Conclusies

1. Turbomachine, omvattende een as (10) met een eerste uiteinde en een schoepenrad (20), ingericht aan en gekoppeld met het eerste uiteinde van de as, samen ingericht om te roteren rond een rotatieas (1), daardoor gekenmerkt dat de turbomachine een wrijvingsring (30) omvat die ingeklemd is tussen een axiaal oppervlak (13) aan het eerste uiteinde van de as (10) en een tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20).

2. Turbomachine volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het schoepenrad (20) door middel van een trekboutverbinding gekoppeld is met het eerste uiteinde van de as (10).

3. Turbomachine volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de wrijvingsring (30) ingeklemd wordt tussen het axiaal oppervlak (13) aan het eerste uiteinde van de as (10) en het tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20) door middel van de trekboutverbinding.

4. Turbomachine volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het schoepenrad (20) en de as (10) substantieel uit een verschillend materiaal bestaan, waarbij het materiaal van het schoepenrad (20) een lagere massadichtheid heeft dan het materiaal van de as (10).

5. Turbomachine volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de wrijvingsring (30) aangepast is om een relatieve verplaatsing tussen het axiaal oppervlak (13) aan het eerste uiteinde van de as (10) en het tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20) tegen te gaan.

6. Turbomachine volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de axiale oppervlakken (33a, 33b) van de wrijvingsring (30) minstens gedeeltelijk bedekt zijn door een coating, waarbij de coating een substantieel uniforme laag van een metaal of metaallegering omvat, evenals discrete partikels die minstens gedeeltelijk ingesloten zitten in de laag van het metaal of de metaallegering, waarbij de mediaan diameter van de partikels groter is dan de dikte van de laag van het metaal of de metaallegering.

7. Turbomachine volgens conclusie 6, daardoor gekenmerkt dat de hardheid van de partikels groter is dan de hardheid van het materiaal van het tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20).

8. Turbomachine volgens conclusie 7, daardoor gekenmerkt dat de partikels substantieel bestaan uit diamant of een keramisch materiaal.

9. Turbomachine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het schoepenrad (20) een centrifugaal schoepenrad is.

10. Turbomachine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de turbomachine een compressor, blower of turbine is.

11. Werkwijze voor het tegengaan van een relatieve verplaatsing tussen een schoepenrad (20) van een turbomachine en een as (10) van de turbomachine, waarbij het schoepenrad (20) gekoppeld is met een eerste uiteinde van de as en beide ingericht zijn om samen te roteren rond een rotatieas (1), daardoor gekenmerkt dat de werkwijze het inklemmen van een wrijvingsring (30) tussen een axiaal oppervlak (13) aan het eerste uiteinde van de as (10) en een tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20) omvat.

12. Gebruik van een wrijvingsring (30) in een turbomachine omvattende een as (10) met een eerste uiteinde en een schoepenrad (20), ingericht aan en gekoppeld met het eerste uiteinde van de as, samen ingericht om te roteren rond een rotatieas (1), waarbij de wrijvingsring (30) ingeklemd wordt tussen een axiaal oppervlak (13) aan het eerste uiteinde van de as (10) en een tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20), om relatieve verplaatsing tussen het axiaal oppervlak (13) aan het eerste uiteinde van de as (10) en het tegenoverliggend axiaal oppervlak (23) van het schoepenrad (20) tegen te gaan.