DE102006049516B3 - Turbomaschine - Google Patents
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Abstract
Die
Erfindung betrifft eine Turbomaschine (1) mit einem Gehäuse (2)
und einem in dem Gehäuse
(2) radial und axial gelagerten Rotor (3), der eine Welle (4) und
zumindest ein an der Welle (4) befestigtes Laufrad (5, 5', 5") aufweist.
Erfindungsgemäß sind zur
axialen Lagerung des Rotors (3) zwei entgegengesetzt wirkende Kippsegmentlager
(9, 9') mit Kippsegmenten (11) vorgesehen, die jeweils mit einer
zugeordneten Anschlagfläche
(10, 10') der Welle (4) zusammenwirken, wobei zumindest eines der
Kippsegmente (11) jedes Kippsegmentlagers (9, 9') eine Kraftmesseinrichtung
(12, 12') zur direkten Erfassung der auf das zugeordnete Kippsegment
(11) wirkenden Axialkraft aufweist und wobei die Kraftmesseinrichtungen
(12, 12') an eine elektronische Steuereinrichtung (13) angeschlossen
sind.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse radial und axial gelagerten Rotor, der eine Welle und zumindest ein an der Welle befestigtes Laufrad aufweist. Die Turbomaschine kann ohne Einschränkung als schnell laufende Strömungsmaschine mit axialer oder radialer Durchströmung ausgeführt sein und dient zur Förderung, Expansion und/oder Kompression eines Mediums.
- Eine als Turboverdichter ausgeführte Turbomaschine mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus der Druckschrift
DE 100 03 018 A1 bekannt, wobei der Rotor aus einer Welle und einem an einem Wellenende fliegend angeordneten Laufrad des Turboverdichters gebildet ist. Die über ein Getriebe antreibbare Welle ist an Radial-Gleitlagern im Gehäuse gelagert. Zur Axialführung der Welle sind beidseitig eines Getrieberitzels der Welle einfache Gleitringe auf der Welle vorgesehen, die als Achsschubbegrenzung mit Ringflächen eines Antriebszahnrades zusammenwirken. Um die in axialer Richtung auf die Welle wirkenden Kräfte zu kompensieren, ist an dem dem Laufrad gegenüberliegenden Ende der Welle ein Druckraum vorgesehen, wobei der dort herrschende Druck eine auf die Welle in axialer Richtung wirkende Kraft ausübt. Um eine möglichst vollständige Kompensation der auf die Welle wirkenden Axialkräfte zu erreichen, wird der Druck in dem Druckraum abhängig von dem Vordruck des Turboverdichters geregelt. Da die indirekte Bestimmung der Axialkraft aus dem herrschenden Vordruck mit einer gewissen Unsicherheit behaftet ist, kann es zu einem erhöhten Verschleiß der Axialführung kommen, die typischerweise nicht zur Aufnahme großer Axialkräfte geeignet ist. Des Weiteren müssen die stark von den Auslegungsbedingungen der Turbomaschine abhängigen Zusammenhänge zwischen Vordruck und der resultierenden axialen Kraft für jeden Maschinentypen aufwendig bestimmt werden. Schließlich können auch schnelle Änderungen des Betriebszustandes aufgrund der Trägheit des Systems nicht kompensiert werden und zu einer Zerstörung der aus Gleitringen gebildeten Axialführung führen. - Die Druckschrift
DE 101 38 056 A1 betrifft eine Turbomaschine mit einer Expansionsturbinenstufe und einer Turboverdichterstufe. Der Rotor ist von einem Laufrad der Expansionsturbinenstufe, einem Laufrad der Turboverdichterstufe und einer Welle gebildet, wobei die Laufräder jeweils an einem Wellenende fliegend angeordnet und radial durchströmbar sind. Die Welle ist an Wälzlagern in dem Gehäuse gelagert, wobei zwischen einem Lagerring eines Wälzlagers und einer zugeordneten Anschlagfläche des Gehäuses eine Kraftmesseinrichtung angeordnet ist. Zur Kompensation der auf die Wälzlager in axialer Richtung wirkenden Kräfte ist zumindest an der Rückseite eines der Laufräder ein abgedichteter Druckraum zwischen der Laufradrückseite und der angrenzenden Gehäusefläche gebildet, wobei der Druck in dem Druckraum zur Kompensation der auf die Welle wirkenden Axialkräfte abhängig von dem Messwert der Kraftmesseinrichtung geregelt wird. Die Lagerung des schnelldrehenden Rotors der Turbomaschine erfordert eine exakt fluchtende und damit aufwendige Ausrichtung der Wälzlager in dem Gehäuse, wobei insbesondere auch die Ausdehnung des Gehäuses bei Temperaturschwankungen oder -gradienten während des Betriebs der Turbomaschine berücksichtigt werden müssen. Während die dargestellten Wälzlager geeignet sind, um große Kräfte in radialer Richtung aufzunehmen, können bereits vergleichsweise geringe axiale Belastungen zu einer Zerstörung der Wälzlager führen. - In der Druckschrift
US 5 741 116 wird ein einstufiger, Verdichter beschrieben, dessen Welle an einem Ende mit einem Laufrad verbunden ist. Ferner sind an der Welle zwei Lagerringe sowie zwei den Lagerringen zugeordnete Kippsegmentlager angeordnet. Die beiden Kippsegmentlager wirken mit jeweils einer zugeordneten Anschlagfläche zusammen. Des Weiteren sind zwei Federelemente zwischen den beiden Anschlagflächen und dem Verdichtergehäuse um die Welle herum angeordnet. Ungleichmäßig auf das Laufrad wirkende Axialkräfte werden über die Welle auf die Lagerringe übertragen und an die Kippsegmentlager weitergegeben. Die Kippsegmentlager leiten diese Axialkräfte an die Anschlagflächen weiter, von wo sie an die Federelemente übertragen werden. Die Federelemente geben die Axialkräfte an das Verdichtergehäuse weiter, in dem sie axial im Verhältnis zu der auf sie wirkenden Kraft ausgelenkt werden. Wenn ein Lagerring zuviel belastet wird, wird daher das diesen Lagerring zugeordnete Federelement mehr ausgelenkt als das andere, so dass die Last auf den zweiten Lagerring verlagert wird. - Die Druckschrift
US 4 578 018 bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Vorrichtung, um einen auf den Turbinenrotor wirkenden, ungleichmäßigen Axialdruck auszugleichen. Im Betrieb ist der Rotor axial angreifenden Kräften ausgesetzt, die aufgrund von statischen oder dynamischen Kräften auf die unterschiedlichen Komponenten des Rotors entstehen. Der Axialdruck wird durch den Rotor und einer axialen Gleitlageranordnung auf das Lagergehäuse und die Maschinenrahmenteile übertragen. Die Höhe des Axialdruckes kann dabei von einer am Lagergehäuse angebrachten Dehnmesseinrichtung aufgenommen werden. Das Signal dieser Dehnmesseinrichtung wird verstärkt und an einen Regler übermittelt, der automatisch den Druck eines hydraulischen Fluids reguliert, welches in eine Druckkammer hinter den Rotor geleitet wird und so den auf den Rotor wirkenden Axialdruck auszugleichen vermag. - Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Turbomaschine mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, die eine verschleißarme Lagerung aufweist und eine direkte Bestimmung der auf die Welle wirkenden Axialkraft ermöglicht.
-
- (Hieran schließen sich die ursprünglichen Beschreibungsseiten 3 bis 8 an.)
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur axialen Lagerung des Rotors zwei entgegengesetzt wirkende Kippsegmentlager mit Kippsegmenten vorgesehen sind, die jeweils mit einer zugeordneten Anschlagfläche der Welle zusammenwirken, wobei zumindest eines der Kippsegmente jedes Kippsegmentlagers eine Kraftmesseinrichtung zur direkten Erfassung der auf das zugeordnete Kippsegment wirkende Axialkraft aufweist und wobei die Kraftmesseinrichtungen an eine elektronische Steuereinrichtung angeschlossen sind.
- Die Erfassung der auf den Rotor der Turbomaschine wirkenden Axialkraft (Achsschub) ist eine notwendige Voraussetzung für die automatische Regelung einer die Axialkraft kompensierenden Größe. So kann beispielsweise zwischen einer Rotorfläche und einer zugeordneten Gehäusefläche ein abgedichteter Druckraum gebildet sein, wobei der Druckraum über eine Zuleitung und ein von der Steuereinrichtung gesteuertes Druckregelventil an eine Hochdruckleitung und einen Gasauslass angeschlossen ist und wobei der in dem Druckraum herrschende Druck p eine auf den Rotor in axialer Richtung wirkende Kraft ausübt. Zur Kompensation der auf den Rotor wirkenden Axialkraft wird mit Hilfe des Regelventils der in dem Druckraum herrschende Druck p abhängig von der Richtung des sich aufbauenden Achsschubs und der Anordnung des Druckraumes zwischen Gehäuse und Rotor entweder erhöht oder reduziert. An die Abdichtung des Druckraumes sind im Rahmen der Erfindung keine besonders hohen Anforderungen zu stellen. Ausreichend ist dabei, dass durch die Beaufschlagung des Druckraumes mit einem Druckmedium oder durch das Ablassen des Druckmediums aus dem Druckraum mit dem Druckregelventil einer Druckänderung bewirkt wird, die zur Kompensation der auf den Rotor wirkenden Axialkraft geeignet ist. So können beispielsweise zwischen dem Rotor und dem Gehäuse zur Abdichtung des Druckraumes einfache Labyrinthdichtungen vorgesehen sein. Die Hochdruckleitung kann im Rahmen der Erfindung an einen Hochdruckbereich im Vorlauf oder Auslass einer Druckstufe der Turbomaschine angeschlossen sein, wobei dann das Arbeitsmedium der Turbomaschine auch als Druckmedium eingesetzt wird. Entsprechend kann auch der Gasauslass an einen Niederdruckbereich der Turbomaschine angeschlossen sein.
- In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Laufrand an einem Ende der Welle fliegend angeordnet ist und dass der Druckraum zwischen der Laufradrückseite als Rotorfläche und der angrenzenden Gehäusefläche gebildet ist, wobei im Rahmen dieser Ausgestaltung der Druckraum vorzugsweise von einem Laufradlabyrinth zwischen der Laufradrückseite und dem Gehäuse einerseits und einem Wellenlabyrinth zwischen der Welle und dem Gehäuse andererseits begrenzt und abgedichtet ist. Sofern in weiterer Ausgestaltung an beiden Enden der Welle ein fliegend angeordnetes Laufrad vorgesehen ist, können ohne Einschränkung an beiden Laufrädern entsprechende Druckräume mit jeweils einem zugeordneten Druckregelventil vorgesehen sein, wobei der Druck in den Druckräumen abhängig von der mit den Kraftmesseinrichtungen bestimmten Messwerten geregelt wird.
- Ohne Einschränkung können der Druckraum oder auch mehrere Druckräume in einem mittleren Abschnitt der Welle, beispielsweise im Bereich der Kippsegmentlager oder an einem der Wellenenden angeordnet sein, sofern an dem entsprechenden Wellenende kein Laufrad vorgesehen ist. Sofern mehrere Druckräume vorgesehen sind, können diese ohne Einschränkung räumlich voneinander getrennt oder auch unmittelbar benachbart von einer Dichtung, beispielsweise einer Labyrinthdichtung, getrennt angeordnet sein.
- Die direkte Erfassung der auf das der Kraftmesseinrichtung zugeordnete Kippsegment wirkenden Axialkraft, aus der sich bei einer Multiplikation mit der Anzahl der Kippsegmente die insgesamt wirkende Axialkraft ergibt, kann eine sich anbahnende Axiallager-Überlastung, die nicht vollständig kompensiert werden kann, rechtzeitig erkannt werden, worauf der Betrieb der Turbomaschine durch die elektronische Steuereinrichtung unterbrochen werden kann. Bei Turbomaschinen kann es in einem sogenannten Pumpgrenzbereich zu starken Druckschwankungen und damit zu starken Änderungen der Axialkraft auf den Rotor kommen, wenn die Strömung des in der Turbomaschine geförderten Mediums in der Laufradbeschaufelung eines Laufrades abrupt abreißt. Erfindungsgemäß können durch die direkte Erfassung der Axialkraft solche kritischen Betriebszustände ermittelt werden, wobei dann die Turbomaschine durch Regeleingriffe in einen stabilen Fahrbereich gebracht oder abgeschaltet werden kann.
- Kippsegmentlager sind allgemein aus der Praxis bekannt und werden beispielsweise in Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, 2005, Seiten G 100 bis G 102, beschrieben. Die Kippsegmentlager weisen typischerweise zwischen vier und zwölf einzelne Kippsegmente auf, die um den Umfang des Kippsegmentlagers angeordnet sind. Die einzelnen Kippsegmente sind in Drehrichtung kippbeweglich über eine Unterstützungsstelle abgestützt und mit einem Schmiermedium beaufschlagt. Aufgrund der Relativbewegung zwischen den Kippsegmenten des Kippsegmentlagers, der zugeordneten Anschlagsfläche und dem in dem dazwischen liegenden Spalt vorliegenden Schmiermedium erfolgt eine hydrodynamische Schmierung, wobei sich die einzelnen Kippsegmente aufgrund der Strömungsbedingungen keilförmig schräg stellen. Erfindungsgemäß weisen die beiden entgegengesetzt wirkenden Kippsegmentlager jeweils zumindest ein Kippsegment mit einer Kraftmesseinrichtung auf. Aus dem Vergleich der beiden ermittelten Kraftwerte können unabhängig von der Rotordrehzahl und der genauen Ausgestaltung der Kraftmesseinrichtungen die Richtung und der Betrag der insgesamt wirkenden Axialkraft direkt und mit sehr hoher Genauigkeit von der Steuereinrichtung bestimmt werden.
- Die weitere konstruktive Ausgestaltung kann im Rahmen der Erfindung weitgehend frei gewählt werden. So können Antrieb und Abtrieb des Rotors durch ein oder mehrere Laufräder einer Expansionsturbine, ein Verzahnungsgetriebe einen integrierten elektrischen Motor, eine flexible Kupplung oder eine Kombination dieser Abtriebsmittel erfolgen, wobei erfindungsgemäß als Abtrieb und/oder Antrieb zumindest ein Laufrad vorgesehen ist. Vorzugsweise ist an den gegenüberliegenden Enden der Welle jeweils ein Laufrad vorgesehen, wobei eines der Laufräder einer Turboverdichterstufe zugeordnet ist und über die Welle von dem anderen einer Expansionsturbinenstufe zugeordneten Laufrad angetrieben ist. Um der Turbomaschine im Rahmen dieser Ausgestaltung zusätzliche Leistung zuzuführen oder zu entnehmen, können optional ein Getriebeanschluss oder eine integrierte elektrische Maschine vorgesehen sein.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
-
1 eine erfindungsgemäße Turbomaschine; -
2 eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine. -
1 zeigt eine Turbomaschine1 mit einem Gehäuse2 und einem in dem Gehäuse2 gelagerten Rotor3 , der eine Welle4 und an den Enden der Welle4 fliegend angeordnete Laufräder5 ,5' aufweist, wobei ein Laufrad5 einer Expansionsturbinenstufe6 und das andere Laufrad5' einer Turboverdichterstufe7 zugeordnet ist. Der Rotor3 ist mit der Welle4 an zwei Radiallagern8 und zwei entgegengesetzt wirkenden hydrodynamischen Kippsegmentlagern9 ,9' als Axiallager in dem Gehäuse2 gehalten, wobei die Kippsegmentlager9 ,9' jeweils mit einer zugeordneten Anschlagfläche10 ,10' der Welle4 zusammenwirken. Zumindest eines der Kippsegmente11 jedes Kippsegmentlagers9 ,9' weist eine Kraftmesseinrichtung12 ,12' zur direkten Erfassung der auf das zugeordnete Kippsegment11 wirkenden Axialkraft auf, wobei die Kraftmesseinrichtung12 ,12' an eine elektronische Steuereinrichtung13 angeschlossen ist. Der von einer Kraftmesseinrichtung12 ,12' bestimmte Messwert gibt entsprechend der Gesamtzahl der Kippsegmente11 pro Kippsegmentlager9 ,9' anteilmäßig die auf das Lager wirkende Kraft wieder. Aus dem Vergleich der beiden Messwerte für beide Kippsegmentlager9 ,9' können die Richtung und der Betrag der auf den Rotor3 wirkenden gesamten Axialkraft genau bestimmt werden. Weist die Richtung der gesamten Axialkraft zur Expansionsturbinenstufe6 , so wird die entsprechende Kraftmesseinrichtung12 stärker beaufschlagt; kehrt die auf den Rotor3 wirkende Axialkraft ihre Richtung zu der Turboverdichterstufe7 um, so wird entsprechend die andere Kraftmesseinrichtung12' stärker belastet. Um die wirkende Axialkraft zu minimieren ist zwischen der Laufradrückseite14 des Laufrades5 der Expansionsturbinenstufe6 und der angrenzenden Gehäusefläche15 ein Druckraum16 gebildet, wobei der Druckraum16 über eine Zuleitung17 und ein von der Steuereinrichtung13 gesteuertes Druckregelventil18 an einer Hochdruckleitung19 und einem Gasauslass20 angeschlossen ist und wobei der in dem Druckraum16 herrschende Druck p eine auf den Rotor3 in axialer Richtung wirkende Kraft ausübt. Der Druckraum16 ist von einem Laufradlabyrinth21 zwischen der Laufradrückseite14 und dem Gehäuse2 einerseits und einem Wellenlabyrinth22 zwischen der Welle4 und dem Gehäuse2 andererseits begrenzt und abgedichtet. Zur Minimierung der auf den Rotor3 wirkenden Axialkraft wird abhängig von den Messwerten der Kraftmesseinrichtungen12 ,12' durch das Druckregelventil18 der Druck p in dem Druckraum16 erhöht oder verringert. Alternativ oder zusätzlich kann auch im Bereich der Turboverdichterstufe7 ein entsprechender Druckraum vorgesehen sein. Um je nach Bedarf der als Turboexpander ausgeführten Turbomaschine1 Leistung zu oder abführen zu können kann optional eine als Motor oder Generator ausgeführte elektrische Maschine23 vorgesehen sein. -
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer als Turboverdichter ausgeführten Turbomaschine1 , wobei der Rotor3 lediglich ein fliegend angeordnetes Laufrad5'' einer Verdichterstufe24 aufweist. An dem dem Laufrad5'' gegenüberliegenden Wellenende25 der Welle4 ist ein abgedichteter Druckraum16' angeordnet, der auf das zugeordnete Wellenende25 wirkt und wie auch in1 an ein Druckregelventil18 angeschlossen ist. Die Regelung des Druckregelventils18 erfolgt wie zuvor beschrieben durch die elektronische Steuereinrichtung13 , an der auch die erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtungen12 ,12' zur direkten Erfassung der Axialkraft angeschlossen sind. Zur Anzeige der Betriebsparameter ist wie bei der Ausgestaltung gemäß1 ein Anzeigeelement A an die Steuereinrichtung13 angeschlossen. Der Rotor3 weist einen Getriebeverzahnungseingriff26 auf und ist von einem Getriebe27 angetrieben. Neben einer elektrischen Maschine23 , wie sie in1 dargestellt ist, und einem Getriebe27 gemäß2 kann als Abtrieb oder Antrieb auch der Anschluss an eine flexible Kupplung vorgesehen sein.
Claims (8)
- Turbomaschine (
1 ) mit einem Gehäuse (2 ) und einem in dem Gehäuse (2 ) radial und axial gelagerten Rotor (3 ), der eine Welle (4 ) und zumindest ein an der Welle (4 ) befestigtes Laufrad (5 ,5' ,5'' ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Lagerung des Rotors (3 ) zwei entgegengesetzt wirkende Kippsegmentlager (9 ,9' ) mit Kippsegmenten (11 ) vorgesehen sind, die jeweils mit einer zugeordneten Anschlagfläche (10 ,10' ) der Welle (4 ) zusammenwirken, und dass zumindest eines der Kippsegmente (11 ) jedes Kippsegmentlagers (9 ,9' ) eine Kraftmesseinrichtung (12 ,12' ) zur direkten Erfassung der auf das zugeordnete Kippsegment (11 ) wirkenden Axialkraft aufweist, wobei die Kraftmesseinrichtungen (12 ,12' ) an eine elektronische Steuereinrichtung (13 ) angeschlossen ist. - Turbomaschine (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Rotorfläche und einer zugeordneten Gehäusefläche (15 ) ein abgedichteter Druckraum (16 ,16' ) gebildet ist, wobei der Druckraum (16 ,16' ) über eine Zuleitung (17 ) und ein von der Steuereinrichtung (13 ) gesteuertes Druckregelventil (18 ) an einer Hochdruckleitung (19 ) und einem Gasauslass (20 ) angeschlossen ist und wobei der in dem Druckraum (16 ,16' ) herrschende Druck (p) eine auf den Rotor (3 ) in axialer Richtung wirkende Kraft ausübt. - Turbomaschine (
1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (5 ) an einem Ende der Welle (4 ) fliegend angeordnet ist und dass der Druckraum (16 ) zwischen der Laufradrückseite (14 ) als Rotorfläche und der angrenzenden Gehäusefläche (15 ) gebildet ist. - Turbomaschine (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (16 ) von einem Laufradlabyrinth (21 ) zwischen der Laufradrückseite (14 ) und dem Gehäuse (2 ) einerseits und einem Wellenlabyrinth (22 ) zwischen der Welle (4 ) und dem Gehäuse (2 ) andererseits begrenzt und abgedichtet ist. - Turbomaschine (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3 ) an den gegenüberliegenden Enden der Welle jeweils ein Laufrad (5 ,5' ) aufweist. - Turbomaschine (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3 ) zumindest ein Laufrad (5 ) einer Expansionsturbinenstufe (6 ) als Antrieb und/oder zumindest ein Laufrad (5' ) einer Turboverdichterstufe (7 ) als Abtrieb aufweist. - Turbomaschine (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4 ) an ein Getriebe (27 ) und/oder flexible Kupplung angeschlossen ist. - Turbomaschine (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2 ) eine elektrische Maschine (23 ) angeordnet ist, die mit der Welle (4 ) verbunden ist und als Antriebsmotor oder Generator ausgeführt ist.
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