Turbogebläseanlage Die Erfindung bezieht sieh auf eine Turbo gebläseanlage, bei welcher Turbinen- und Ge- bläserad fliegend auf einer Welle angeordnet sind, und welche eine topfförmige I3ohlwelle aufweist, an deren Aussenseite das Turbinen rad und auf deren Mantelteil das Gebläserad angeschlossen ist und mit einem die Lager der Läuferwelle aufnehmenden, in die Topf welle hineinragenden Rohrträger.
Die besonderen baulichen Gegebenheiten derartiger Triebwerke, verbunden mit ihren hohen Betriebsdrehzahlen, bedingen fast immer eine kritische Drehzahl der Welle irn Betriebsbereich, und ausserdem besteht die Ge fahr, dass die Wellenlagerung von der heissen Turbine her Wärmebeanspruchungen ausge setzt ist., die insbesondere nach dem Abstellen der Maschine unzulässig hohe Werte anneh men können.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Läufer von Anlagen der eingangs genannten Art so aufzubauen, dass die Wärmeleitung von der Turbine in die Lagerung beeinflusst und be herrscht werden kann.
Die Erfindung besteht darin, dass an der Bodeninnenseite der Topfwelle die Läufer welle angeschlossen ist, wobei der Querschnitt des Bodenteils der Topfwelle in Richtung der Wärmeleitung zum Gebläse hin grösser ist als der Gesamtquerschnitt der Berührungsstel- len zwischen diesem Bodenteil und der Läufer welle.
Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass die grösste Menge der vom Turbinenrotor ab gegebenen Wärme an das Gebläse und nur ein ganz geringer Teil über die Läuferwelle zu deren Lagerstellen durchfliessen kann, wo sie dann durch entsprechende Anordnung von Kühlmitteln, z. B. Durchspülung von Schmier öl usw. abgeführt werden kann.
Vorteilhaft werden die Berührungsstellen bzw. die Berührungsflächen des Turbinen rades mit der Aussenseite des Bodens der Hohlwelle und gegebenenfalls der Läuferwelle mit der Innenseite des Bodens so klein wie mög-. ].ich gehalten und beschränken sieh vorzugs weise in Form kleiner Butzen nur auf die unmittelbare Umgebung der Befestigungs- und Zentrierstellen.
Durch die zuletzt genannte zusätzliche Massnahme wird bewirkt, dass schon die vom Turbinenrad kommende Wärmemenge klein gehalten wird.
Durch Anordnung zusätzlicher wärmeiso lierender Körper zwischen der Turbinen scheibe und der topfförmigen Hohlwelle und gegebenenfalls auch zwischen der Läuferwelle und der Innenseite des Wellenbodens kann der Wärmefluss noch verstärkt gedrosselt wer den. Ausserdem kann eine Verstärkung des Wärmesehutzes der Lagerstellen durch die Anordnung zusätzlicher, z. B. mit Luft, oder Öl arbeitender Kühleinrichtungen, vorzugs weise an der Welle oder an den Lagern selbst erreicht werden.
Durch entsprechende Wahl der Steifigkeit eines nachgiebigen Bauelementes, das zwischen einem steifen Lagerträger und einem Lager der Läuferwelle angeordnet werden kann, kann man ferner die kritische Drehzahl des Rotors so wählen, wie man sie im Einzelfall benötigt, da die kritische Drehzahl der Welle in erster Linie von dieser Nachgiebigkeit. ab hängt.
Durch die Anordnung von die Verformung des nachgiebigen Bauelementes begrenzenden Anschlägen, vorzugsweise am Lagerträger, kann zudem erreicht werden, dass beim Durch gang durch die kritische Drehzahl die Aus schläge des nachgiebigen Bauelementes be grenzt werden. Durch die Abstützung der Welle auf den genannten Anschlägen wird das elastische Stützs7stem der Welle geändert und die Resonanz der ursprünglichen Anord nung gestört.
In der beigefügten Zeichnung ist als Aus führungsbeispiel der Längsschnitt eines Ab gasturbogebläses dargestellt.
Die Läuferwelle 1 der dargestellten Ma schine ist an ihrem Ende mit einer topfför migen Hohlwelle 2 verbunden. wobei die Be rührungsfläche der beiden Teile kleiner ist. als der für die Wärmeableitung zur Verfügung stehende Querschnitt des Bodenteils der Hohl welle. Die topfförmige Hohlwelle 2 ist an der Aussenseite ihres Bodens mit dem eine Hülse bildenden Nabenteil 3a der Turbinenseheibe 3 mittels Passstiften 20 und Sehraubenbolzen 21 verbunden. Durch ihre Formgebung kaün die Turbinenscheibe 3 Wärmedehnungen aus gleichen.
Das Schaufelrad 4 des Gebläses ist auf dem Mantelteil der Topfwelle 2 befestigt.. Die Welle 1 ist in zwei Lagern 5 und 6 ge lagert. Das Lager 5 ist ein Festlager und in einer rohrförmigen Hülse 7 angeordnet, die ihrerseits fest im Lagerträger 8 angeordnet. ist. Die rohrförmige Hülse 7 verläuft von ihrem im Lagerträger 8 eingespannten Ende ab freitragend und nimmt an ihrem andern Ende das Lager 6 auf. Das dem belasteten Wellenende zugekehrte Lager 6 ist also ein Loslager.
Die rohrförmige Hülse 7 ist vorteilhaft in ihrer Längsrichtung zwischen den beiden La gern 5 und 6 geschlitzt. Je nach Zahl, Länge und Breite der Schlitze bzw. je nach der Wandstärke der Hülse 7 ergibt sich eine ganz bestimmte Biegesteifigkeit in radialer Rich tung. Der steife Lagerträger 8 verläuft im Be reich der Lager 5 und 6 rohrförmig. Dieser rohrförmig verlaufende Teil ist mit 8a be zeichnet und umgibt die rohrförmige Hülse 7, und zwar zweckmässig mit einem bestimmten Spiel, so dass im Falle eines Ausschlages des Lagers 6 bzw. des freien Endes der Hülse 7 dieser Ausschlag durch den koaxial zu ihr ver laufenden rohrförmigen Teil 8a des steifen Lagerträgers begrenzt wird und bei Durch gang durch die kritische Drehzahl die auf tretenden Schwingungen gestört werden.
Die möglichen Berührungsstellen zwischen der Hülse 7 und dem Rohrstück 8a können ausser dem noch durch entsprechende Abfräsungen reduziert werden. Ferner kann man im Be reich der möglichen Berührungsstellen zwi schen der Hülse 7 und dem Rohrträger 8a zweckmässig Ölzuführungen vorsehen, durch welche Öl zwischen die Hülse 7 und den diese umhüllenden Teil 8a des Lagerträgers 8 zu geführt wird, so dass das Anschlagen der Hülse 7 am Träger 8a gedämpft wird. Der Lager träger 8 besitzt eine Steifigkeit, die erheblich grösser ist. als die der Hülse 7, soweit es die Stützung des Lagers 6 betrifft.
Um eine be sonders hohe Steifigkeit zu erreichen, ist der Lagerträger 8 vorteilhaft als Kegelscheibe aus gebildet und mit starken Zwischenarmen 9 mit den durchgehenden, steifen Befestigungs flanschen 10 und 11 verbunden. Die Befesti-, gungsarme 9 sind durch den Zuströmkanal 12 des Gebläses hindurchgeführt und besitzen vorteilhaft Profilform und können gegebenen falls sogar als Vorleitschaufeln ausgebildet sein, uni der angesaugten Luft z. B. einen leichten Gegendrall zu erteilen, wodurch sich die Druckziffer des Kompressors erhöhen und somit schon bei niedrigeren Drehzahlen der ge wünschte Druck erreichen lässt.
Die steife Kegelscheibe 8 umschliesst den Ölsammelraum 13 sowie einen besonderen Behälter 14, der durch eine Ölpumpe 15 dauernd vollgehalten wird und einen Abfluss über eine Düse in die hohl ausgebildete Welle 1 hat, von der aus das Schmieröl in die Lager 5 und 6 austreten kann, sowie zwecks Kühlung zwischen den Boden der Hohlwelle 2 und die Welle 1 ge leitet wird. Die Berührungsstellen zwischen der Turbinenscheibe 3 und der Hohlwelle 2 sowie zwischen der Läuferwelle 1 und der Hohlwelle 2 sind butzenartig ausgebildet und so klein wie möglich gehalten und beschränken sich auf die unmittelbare Umgebung der Pass stifte 20 und der Schraubenbolzen 21, welche die Übertragung des Drehmomentes und die Zentrierung und Befestigung der drei Teile 3, 2 und 1 gegeneinander bewirken.
Die zwei fach gelagerte hohle Läuferwelle 1 wird von Kühlöl durchspült, welches an dem Flansch stück zwischen dem Wellenende und der Innenseite des Bodens der topfförmigen Welle 2 sowie zu den Lagern 5 und 6 nach aussen austreten kann. Hierdurch wird erreicht, dass die Läuferwelle 1 durch das Öl während des Betriebes der Maschine dauernd auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird;
ausser dem nimmt der Gebläserotor durch seine Be rührung mit der geförderten Luft eine be stimmte Temperatur an, die nur sehr wenig durch die geringe Wärmemenge beeinflusst wird, welche von der Turbine über deren Nabenteil 3a und die Hohlwelle 2 dem Ge- bläserotor zugeführt werden kann. Hierdurch wird ein Temperaturgleichgewicht erreicht, welches sich so einstellt, dass sowohl die Läu ferwelle 1 als auch die Hohlwelle 2 und das Gebläse 4 keine unzulässigen Temperaturen annehmen können.
Nach dem Abstellen der Maschine wird die von der heissen Turbine ab gegebene Wärme zunächst die Hohlwelle 2 und das kalte Gebläse 4 aufheizen, bevor eine grössere Wärmemenge in die Läuferwelle 1 ein treten kann, die zur Beschädigung der Lager 5 und 6 führen könnte. Zwecks sicherer Ver- hinderung dieser Möglichkeit ist der Ölbehäl ter 14 vorgesehen, der in Bezug auf die Ver- ; Bindungsstelle der Welle 1 mit der Hohlwelle 2 und die Lager 5 und 6 ein solches Niveau be sitzt, dass er sich nach dem Abstellen der Ma schine durch die Bohrung der Welle 1 hin durch über die drei genannten Stellen entleert, wodurch die noch gegebenenfalls anfallende geringe Restwärme durch das ausfliessende Öl abgeführt wird. Der Ölbehälter 14 wird durch eine Ölfördereinrichtung, z.
B. die Pumpe 15, während des Betriebes der Aniage dauernd voll Öl gehalten, wobei das zuviel geförderte Öl über den Überlauf 16 in den Ölsumpf 15a abfliessen kann. Vorteilhaft wird in dem Öl behälter 14 ein zusätzlicher, von aussen dreh bar ausgebildeter Behälter 17 angeordnet, der nach dem Abfliessen des Öls aus dem Haupt behälter 14 noch gefüllt bleibt. Dieser Be hälter 17 wird vor oder während des Anlass- vorganges in den Behälter 14 entleert und versorgt also sofort die angeschlossenen Schmier- bzw. Kühlstellen mit Schmier- bzw. Kühlmittel, bis die Ölförderung des normalen Ölkreislaufes in Gang gekommen ist.
Die zen trale Anordnung des Ölbehälters 14 bzw. 15a im Mittelteil des Ansaugschachtes 18 des Ge bläses 4 sorgt für eine ausreichende Rück kühlung des durchlaufenden Öls.
Zwecks weiterer Drosselung des Wärme überganges von der Turbine an andere Bau elemente wird vorteilhaft auf der dem Ge bläse zugewandten Seite der Turbinenscheibe ein gegen Wärmestrahlung schützender Schirm 22 vorgesehen, der durch Leckluft des Ge bläses, die auf einer oder auf beiden Seiten des Schirmes entlanggeführt werden kann, kühlgehalten wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die bei 23 austre tende Leckluft durch den Spaltraum 24 und das Labyrinth 25 auf die dem Gebläse zuge kehrte Seite des Schirmes 22 geführt und durch den Kanal 26 und über die Gehäuse trennstel.le 27 nach aussen abgeführt.
Der starke Wärmeschutz ist erwünscht, um den Gebläserotor möglichst kalt zu halten, damit er ausreichend viel Wärme aus der Hohlwelle 2 aufnehmen kann, um die Läuferwelle 1 bzw. deren Lagerstellen gegen schädlichen Wärme- einfluss zu schützen.
Bei der beschriebenen Turbogebläseanlage werden also nicht nur die gefährlichen Aus wirkungen kritischer Drehzahlen vermieden, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass sich sowohl während des Betriebes als auch nach dem Abstellen der Maschine zwischen Turbine und Gebläse ein Temperaturgleieh- gewichtszustand einstellen kann, der die Tem peratur der Läuferwelle nur wenig beeinflusst und so einen wirksamen Temperaturschutz für die Lagerstellen bildet.
Durch Anordnung zusätzlicher wärmeiso lierender Körper zwischen der Turbinen scheibe und der topfförmigen Hohlwelle und gegebenenfalls auch zwischen der Läuferwelle und der Innenseite des Wellenbodens kann der Wärmefluss noch verstärkt gedrosselt wer den.
Die Erfindung ist nicht auf das darge stellte Ausführungsbeispiel beschränkt, son dern kann überall da Verwendung finden, wo ähnliche Betriebs- und Gestaltungsbedingun gen vorliegen, z. B. wie bei einem Abgast.urbo gebläse.
Turbo blower system The invention relates to a turbo blower system in which the turbine and blower wheel are arranged overhung on a shaft, and which has a cup-shaped hollow shaft, on the outside of which the turbine wheel and on the casing part of which the blower wheel is connected and with a die Bearings of the rotor shaft receiving, protruding into the pot shaft tube carrier.
The special structural features of such engines, combined with their high operating speeds, almost always result in a critical speed of the shaft in the operating range, and there is also the risk that the shaft bearings are exposed to thermal loads from the hot turbine, especially after shutdown the machine can assume impermissibly high values.
The object of the invention is to build the rotor of systems of the type mentioned at the beginning in such a way that the conduction of heat from the turbine into the bearing can be influenced and controlled.
The invention consists in that the rotor shaft is connected to the bottom inside of the pot shaft, the cross section of the bottom part of the pot shaft in the direction of heat conduction to the fan being greater than the total cross section of the contact points between this bottom part and the rotor shaft.
This training ensures that the largest amount of heat given by the turbine rotor from the fan and only a very small part can flow through the rotor shaft to their bearings, where they can then by appropriate arrangement of coolants such. B. flushing of lubricating oil, etc. can be discharged.
Advantageously, the points of contact or the contact surfaces of the turbine wheel with the outside of the bottom of the hollow shaft and optionally the rotor shaft with the inside of the bottom are as small as possible. ] .I hold and limit it, preferably in the form of small slugs, only to the immediate vicinity of the fastening and centering points.
The last-mentioned additional measure has the effect that the amount of heat coming from the turbine wheel is kept small.
By arranging additional heat-insulating bodies between the turbine disk and the cup-shaped hollow shaft and possibly also between the rotor shaft and the inside of the shaft bottom, the heat flow can be throttled even more. In addition, a reinforcement of the thermal protection of the bearings by the arrangement of additional, z. B. with air, or oil working cooling devices, preferably as can be achieved on the shaft or on the bearings themselves.
By appropriate choice of the stiffness of a flexible component that can be arranged between a stiff bearing bracket and a bearing of the rotor shaft, you can also choose the critical speed of the rotor as you need it in the individual case, since the critical speed of the shaft primarily from this indulgence. depends.
By arranging the deformation of the resilient component limiting stops, preferably on the bearing bracket, it can also be achieved that the blows of the resilient component be limited when passing through the critical speed. By supporting the shaft on the abovementioned stops, the elastic support system of the shaft is changed and the resonance of the original arrangement is disturbed.
In the accompanying drawing, the longitudinal section of a gas turbo blower is shown as an exemplary embodiment.
The rotor shaft 1 of the machine shown is connected at its end to a topfför-shaped hollow shaft 2. where the contact area of the two parts is smaller. than the cross section of the bottom part of the hollow shaft available for heat dissipation. The cup-shaped hollow shaft 2 is connected on the outside of its bottom to the hub part 3 a of the turbine disk 3, which forms a sleeve, by means of dowel pins 20 and screw bolts 21. Due to its shape, the turbine disk 3 can compensate for thermal expansion.
The impeller 4 of the fan is attached to the casing part of the pot shaft 2. The shaft 1 is in two bearings 5 and 6 ge superimposed. The bearing 5 is a fixed bearing and is arranged in a tubular sleeve 7, which in turn is fixedly arranged in the bearing bracket 8. is. The tubular sleeve 7 extends from its end clamped in the bearing bracket 8 in a self-supporting manner and receives the bearing 6 at its other end. The bearing 6 facing the loaded shaft end is therefore a floating bearing.
The tubular sleeve 7 is advantageously slotted 5 and 6 in its longitudinal direction between the two La. Depending on the number, length and width of the slots or depending on the wall thickness of the sleeve 7 there is a very specific flexural rigidity in the radial direction Rich. The rigid bearing bracket 8 extends in the Be rich of the bearings 5 and 6 tubular. This tubular part is marked 8a and surrounds the tubular sleeve 7, with a certain amount of play, so that in the event of a deflection of the bearing 6 or the free end of the sleeve 7, this deflection runs through the coaxial ver with her tubular part 8a of the rigid bearing bracket is limited and the vibrations occurring are disturbed when passing through the critical speed.
The possible points of contact between the sleeve 7 and the pipe section 8a can also be reduced by appropriate millings. Furthermore, one can in the Be rich of possible points of contact between tween the sleeve 7 and the pipe support 8a expediently provide oil feeds through which oil between the sleeve 7 and the enveloping part 8a of the bearing support 8 is guided so that the sleeve 7 hits the Carrier 8a is damped. The bearing carrier 8 has a rigidity that is significantly greater. than that of the sleeve 7, as far as the support of the bearing 6 is concerned.
In order to achieve a particularly high rigidity, the bearing bracket 8 is advantageously formed as a conical disk and flanges 10 and 11 with strong intermediate arms 9 with the continuous, rigid fastening. The fastening, fastening arms 9 are passed through the inflow channel 12 of the fan and advantageously have a profile shape and can, if necessary, even be designed as a guide vanes, uni the sucked air z. B. to issue a slight counter-twist, which increases the pressure factor of the compressor and thus the ge desired pressure can be achieved even at lower speeds.
The stiff conical disk 8 encloses the oil collecting space 13 and a special container 14, which is permanently kept full by an oil pump 15 and has an outlet via a nozzle into the hollow shaft 1, from which the lubricating oil can escape into the bearings 5 and 6, and for the purpose of cooling between the bottom of the hollow shaft 2 and the shaft 1 ge is directed. The points of contact between the turbine disk 3 and the hollow shaft 2 and between the rotor shaft 1 and the hollow shaft 2 are slug-like and kept as small as possible and are limited to the immediate vicinity of the fitting pins 20 and the screw bolts 21, which transmit the torque and cause the centering and fastening of the three parts 3, 2 and 1 to each other.
The two-fold mounted hollow rotor shaft 1 is flushed through by cooling oil, which piece on the flange between the shaft end and the inside of the bottom of the cup-shaped shaft 2 and to the bearings 5 and 6 can escape to the outside. This ensures that the rotor shaft 1 is kept permanently at a certain temperature by the oil while the machine is in operation;
In addition, the fan rotor assumes a certain temperature due to its contact with the conveyed air, which is only very little influenced by the small amount of heat which can be supplied to the fan rotor by the turbine via its hub part 3a and the hollow shaft 2. As a result, a temperature equilibrium is achieved which is set in such a way that neither the rotor shaft 1 nor the hollow shaft 2 and the fan 4 can assume any impermissible temperatures.
After turning off the machine, the heat given off by the hot turbine will first heat the hollow shaft 2 and the cold fan 4 before a larger amount of heat can enter the rotor shaft 1, which could damage the bearings 5 and 6. In order to reliably prevent this possibility of the Ölbehäl ter 14 is provided, which in relation to the supply; Binding point of the shaft 1 with the hollow shaft 2 and the bearings 5 and 6 be seated at such a level that it is emptied through the bore of the shaft 1 through the three points mentioned after turning off the Ma machine, whereby the possibly occurring low Residual heat is dissipated by the oil flowing out. The oil tank 14 is supplied by an oil conveyor, e.g.
B. the pump 15, while the system is in operation, kept full of oil, the excess oil being pumped out through the overflow 16 into the oil sump 15a. Advantageously, in the oil container 14, an additional, externally rotating bar trained container 17 is arranged, which remains filled after the oil has drained from the main container 14. This container 17 is emptied into the container 14 before or during the starting process and thus immediately supplies the connected lubrication or cooling points with lubricant or coolant until the oil supply of the normal oil circuit has started.
The zen tral arrangement of the oil container 14 and 15a in the middle part of the intake duct 18 of the Ge blower 4 ensures sufficient cooling back of the oil flowing through.
For the purpose of further throttling the heat transfer from the turbine to other construction elements, a shield 22 protecting against thermal radiation is advantageously provided on the side of the turbine disk facing the blower, which blows through leakage air of the Ge, which are guided along on one or both sides of the shield can be kept cool. In the illustrated embodiment, the leakage air escaping at 23 is guided through the gap 24 and the labyrinth 25 to the side of the screen 22 facing the fan and discharged through the channel 26 and via the housing 27 trennstel.le to the outside.
The strong thermal protection is desired in order to keep the fan rotor as cold as possible so that it can absorb sufficient heat from the hollow shaft 2 to protect the rotor shaft 1 or its bearing points against the harmful effects of heat.
In the case of the turbo blower system described, not only the dangerous effects of critical speeds are avoided, but there is also the possibility that an equilibrium temperature can set between the turbine and the blower during operation and after the machine has been switched off, which the tem temperature of the rotor shaft is only slightly influenced and thus forms an effective temperature protection for the bearing points.
By arranging additional heat-insulating bodies between the turbine disk and the cup-shaped hollow shaft and possibly also between the rotor shaft and the inside of the shaft bottom, the heat flow can be throttled even more.
The invention is not limited to the Darge presented embodiment, son countries can be used anywhere where there are similar operating and design conditions such. B. as in an Abgast.urbo blower.