DE10003018A1 - Turboverdichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter, der ein Gehäuse (1) und mindestens eine im Gehäuse (1) gelagerte Rotorwelle (4) mit einem freien Wellenende und mit einem an das andere Ende der Rotorwelle (4) angeschlossenen Laufrad (6) aufweist. Erfindungsgemäß ragt das von dem Laufrad (6) abgewandte, freie Ende der Rotorwelle (4) in einen an das Gehäuse (1) angeschlossenen Druckraum (8) und ist stirnseitig von einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagbar, dessen auf das freie Wellenende der Rotorwelle (4) wirkende Druckkraft eine auf das Laufrad (6) wirkende Achsschubkraft kompensiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter, der ein Gehäuse und mindestens eine im Gehäuse gelagerte Rotorwelle mit einem freien Wellenende und mit einem an das andere Wellenende angeschlossenen Laufrad aufweist. Die Rotorwelle ist z. B. in hydraulischen Lagern oder Magnetlagern in dem Gehäuse gelagert und vorzugsweise etwa mittig angetrieben, wobei Hochfrequenzantriebe oder andere Antriebsmotoren eingesetzt werden können. Der Verdichter kann auch als Getriebeturboverdichter ausgebildet sein, in dessen Getriebegehäuse eine Antriebswelle mit Antriebszahnrad und mindestens eine von dem Antriebszahnrad angetriebene Rotor­ welle mit einem fliegend gelagerten Laufrad gelagert sind.

Infolge axialer Druckunterschiede am Laufrad entsteht ein Achsschub auf die Rotorwelle, der im Rahmen bekannter Maß­ nahmen durch ein hydraulisches Axiallager aufgenommen wird (z. B. EP-A 0 008 616). In der Praxis ist das hydraulische Axiallager oft als Axial-Kippsegmentdrucklager ausgebildet. Das beim Anfahren des Turboverdichters zu überwindende Anfahrmoment des hydraulischen Axiallagers ist erheblich. So muss zunächst die große Reibung der Ruhe überwunden werden. Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit nimmt im Bereich der Mischreibung der Anteil der Flüssigkeitsreibung zu, und die Reibung sinkt bis zu einem Minimum. Bei weiterer Drehzahlerhöhung steigt die Reibung im Gebiet der flüssigen Reibung wieder an, so dass auch bei Nenndrehzahl merkliche Reibungsverluste auftreten, die in Wärme umge­ wandelt werden und durch Kühlung abgeführt werden müssen.

Zur Versorgung des hydraulischen Axiallagers ist ein auf­ wendiges Ölsystem mit Umwälzeinrichtung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbo­ verdichter des eingangs beschriebenen Aufbaus so weiter auszubilden, dass sowohl beim Anfahren als auch bei der Nenndrehzahl eine wirksame, mit möglichst geringen Ver­ lusten behaftete Achsschubkompensation gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, dass das von dem Laufrad abgewandte freie Ende der Rotorwelle in einen an das Gehäuse angeschlossenen Druckraum ragt und stirn­ seitig von einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt ist, dessen auf das freie Wellenende der Rotorwelle wirkende Druckkraft eine auf das Laufrad wirkende Achs­ schubkraft kompensiert. Der auf das Laufrad wirkende Vor­ druck und der im Druckraum am freien Wellenende einge­ stellte Fluiddruck können mit den Mitteln der Steuerungs- und Regelungstechnik in geeigneter Weise so aufeinander abgestimmt werden, dass stets eine vollständige Kompen­ sation der auf das Laufrad wirkenden axialen Kraft gewähr­ leistet ist. Ein am Gehäuse abgestütztes Axiallager, z. B. in Form eines hydrostatischen Gleitlagers, ist auch dann nicht mehr erforderlich, wenn der Turboverdichter zur Ver­ dichtung von Fluiden mit hohem Vordruck eingesetzt wird. Durch den Wegfall eines hydrostatischen Gleitlagers ver­ einfacht sich der Getriebeaufbau oder Aufbau des Rotor­ gehäuses.

Vorzugsweise sind zur Axialführung der Rotorwelle beidseits eines angetriebenen Rotorwellenabschnittes Druckkämme auf der Rotorwelle angeordnet, die als Achsschubbegrenzung mit dem Antriebsmittel zusammenwirken. Bei einem Getriebeturbo­ verdichter sind die Druckkämme beiderseits eines mit der Rotorwelle verbundenen Ritzels angeordnet und weisen zweck­ mäßig Gleitringe auf, die als Achsschubbegrenzung mit Ring­ flächen eines mit dem Ritzel kämmenden Antriebszahnrades zusammenwirken. Die Anordnung ist möglich, da keine großen Axialkräfte übertragen werden müssen.

Die Wellendurchführungen an beiden Enden der Rotorwelle bedürfen einer Abdichtung. Vorzugsweise weist die Wellen­ durchführung am freien Ende der Rotorwelle eine Dichtungs­ anordnung mit mindestens einer Gleitringdichtung oder einer ähnlichen Dichtung zur Abdichtung des Druckraumes auf. Besonders geeignet ist eine Dichtungsanordnung aus zwei hintereinander angeordneten Gleitringdichtungen oder ähnlichen Dichtungen, wobei der Raum zwischen den Dichtungen mit einem Sperrmedium beaufschlagbar ist. Eine entsprechende Dichtungsanordnung empfiehlt sich auch für die Abdichtung der Wellendurchführung am vorderen, dem Laufrad zugeordneten Wellenende. Vorzugsweise sind die Wellendurchführungen zum Laufrad und die Wellendurchführung zum Druckraum mit identischen Dichtungsanordnungen ausge­ rüstet, was die Lagerhaltung von Ersatzteilen vereinfacht.

Die Rotorwelle ist vorzugsweise an radialen Gleitlagern gelagert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Turboverdichter.

Bei dem in der Figur dargestellten Turboverdichter handelt es sich um einen einstufigen Radialverdichter in der Bauform eines Getriebeturboverdichters. Zum grund­ sätzlichen Aufbau des Turboverdichters gehören ein Gehäuse 1, eine Antriebswelle 2 mit einem Antriebszahnrad 3, eine Rotorwelle 4 mit einem Ritzel 5 und ein fliegend gelagertes Laufrad 6, das an einem Wellenende der Rotorwelle 4 ange­ schlossen ist. Die Antriebswelle 2 und die Rotorwelle 4 sind im Gehäuse 1 an Radial-Gleitlagern 7 gelagert. Das Antriebszahnrad 3 kämmt mit dem Ritzel 5.

Das von dem Laufrad 6 abgewandte freie Ende der Rotorwelle 4 ragt in einen an das Gehäuse 1 angeschlossenen Druckraum 8 und ist stirnseitig von einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt. Die von dem Fluid auf das freie Wellenende der Rotorwelle 4 wirkende Druckkraft kompensiert eine durch axiale Druckunterschiede am Laufrad 6 auf die Rotorwelle 4 wirkende Achsschubkraft. Der im Druckraum 8 eingestellte Fluiddruck wird mit Mitteln der Steuerungs- und Regelungs­ technik auf den am Laufrad 6 herrschenden Vordruck so abge­ stimmt, dass die an den beiden Wellenenden auf die Rotor­ welle 4 wirkenden Axialkräfte sich gegenseitig aufheben.

Zur Axialführung der Rotorwelle 4 sind beidseitig des Ritzels 5 Druckkämme, vorzugsweise mit Gleitringen 9, ange­ ordnet, die als Achsschubbegrenzung mit Ringflächen des Antriebszahnrades 3 zusammenwirken.

Die Wellendurchführung am rückwärtigen Ende der Rotorwelle 4 ist mit einer Dichtung versehen. Im Ausführungsbeispiel besteht die Dichtungsanordnung 10 aus zwei hintereinander angeordneten Gleitringdichtungen, wobei der Raum zwischen den Gleitringdichtungen mit einem Sperrmedium beaufschlagbar ist. Eine identisch oder ähnlich ausge­ bildete Dichtungsanordnung 10 ist auch für die Wellen­ durchführung zum Laufrad 8 vorgesehen. Bei einer identischen Ausführung der Dichtungsanordnungen 10 an beiden Wellenenden der Rotorwelle 4 vereinfacht sich die Lagerhaltung der Ersatzteile.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine wirksame Achsschubkompensation sowohl beim Anfahren des Turbo­ verdichters als auch bei Erreichen der Nenndrehzahl. Sie ist insbesondere für einstufige Getriebeturboverdichter geeignet. Sie ist ferner einsetzbar für Getriebeturbo­ verdichter mit mehreren Rotorwellen, die jeweils nur ein Laufrad tragen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist anwendbar, wenn an dem Laufrad 6 ein hoher Vordruck ansteht. Bei einem hohen Vordruck des zu verdichtenden Fluids ist das beim Start zu überwindende Anfahr- bzw. Losbrechmoment der Rotorwelle 4 klein. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Ausbildung durch verhältnismäßig geringe Energieverluste aus, wenn die Rotorwelle 4 die Nenndrehzahl erreicht hat. Im Ergebnis können leistungs­ schwächere Antriebsmotoren eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Turboverdichter, der ein Gehäuse (1) und mindestens eine im Gehäuse (1) gelagerte Rotorwelle (4) mit einem freien Wellenende und mit einem an das andere Ende der Rotorwelle (4) angeschlossenen Laufrad (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Laufrad (6) abge­ wandte, freie Ende der Rotorwelle (4) in einen an das Gehäuse (1) angeschlossenen Druckraum (8) ragt und stirn­ seitig von einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt ist, dessen auf das freie Wellenende der Rotorwelle (4) wirkende Druckkraft eine auf das Laufrad (6) wirkende Achs­ schubkraft kompensiert.

2. Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rotorwelle (4) beidseits eines angetriebenen Rotorwellenabschnittes Druckkämme angeordnet sind, die als Achsschubbegrenzung mit dem Antriebsmittel zusammenwirken.

3. Turboverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkämme beidseits eines mit der Rotorwelle ver­ bundenen Ritzels angeordnet sind und Gleitringe aufweisen, die als Achsschubbegrenzung mit Ringflächen eines mit dem Ritzel kämmenden Antriebszahnrades zusammenwirken.

4. Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendurchführung am rückwärtigen Ende der Rotorwelle (4) eine Dichtungs­ anordnung (10) mit mindestens einer Gleitringdichtung oder ähnlichen Dichtung zur Abdichtung des Druckraumes (8) auf­ weist.

5. Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (10) zwei hintereinander angeordnete Gleitringdichtungen oder ähnliche Dichtungen aufweist, wobei der Raum zwischen den Dichtungen mit einem Sperrmedium beaufschlagbar ist.

6. Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendurchführung zum Laufrad (6) und die Wellendurchführung zum Druckraum (8) mit identischen Dichtungsanordnungen (10) ausgerüstet sind.

7. Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (4) an radialen Gleitlagern (7) gelagert ist.