DE102006049516B3

DE102006049516B3 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE102006049516B3
Application number: DE102006049516A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Boven
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2026-10-21
Also published as: JP2008101621A; JP4863962B2; US8113798B2; FR2907495A1; US20080095610A1; ITTO20070729A1; FR2907495B1

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 Turbomaschine 1 mit einem Gehäuse 2 und einem in dem Gehäuse 2 gelagerten Rotor 3, der eine Welle 4 und an den Enden der Welle 4 fliegend angeordnete Laufräder 5, 5' aufweist, wobei ein Laufrad 5 einer Expansionsturbinenstufe 6 und das andere Laufrad 5' einer Turboverdichterstufe 7 zugeordnet ist. Der Rotor 3 ist mit der Welle 4 an zwei Radiallagern 8 und zwei entgegengesetzt wirkenden hydrodynamischen Kippsegmentlagern 9, 9' als Axiallager in dem Gehäuse 2 gehalten, wobei die Kippsegmentlager 9, 9' jeweils mit einer zugeordneten Anschlagfläche 10, 10' der Welle 4 zusammenwirken. Zumindest eines der Kippsegmente 11 jedes Kippsegmentlagers 9, 9' weist eine Kraftmesseinrichtung 12, 12' zur direkten Erfassung der auf das zugeordnete Kippsegment 11 wirkenden Axialkraft auf, wobei die Kraftmesseinrichtung 12, 12' an eine elektronische Steuereinrichtung 13 angeschlossen ist. Der von einer Kraftmesseinrichtung 12, 12' bestimmte Messwert gibt entsprechend der Gesamtzahl der Kippsegmente 11 pro Kippsegmentlager 9, 9' anteilmäßig die auf das Lager wirkende Kraft wieder. Aus dem Vergleich der beiden Messwerte für beide Kippsegmentlager 9, 9' können die Richtung und der Betrag der auf den Rotor 3 wirkenden gesamten Axialkraft genau bestimmt werden. Weist die Richtung der gesamten Axialkraft zur Expansionsturbinenstufe 6, so wird die entsprechende Kraftmesseinrichtung 12 stärker beaufschlagt; kehrt die auf den Rotor 3 wirkende Axialkraft ihre Richtung zu der Turboverdichterstufe 7 um, so wird entsprechend die andere Kraftmesseinrichtung 12' stärker belastet. Um die wirkende Axialkraft zu minimieren ist zwischen der Laufradrückseite 14 des Laufrades 5 der Expansionsturbinenstufe 6 und der angrenzenden Gehäusefläche 15 ein Druckraum 16 gebildet, wobei der Druckraum 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 herrschende Druck p eine auf den Rotor 3 in axialer Richtung wirkende Kraft ausübt. Der Druckraum 16 ist 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. Zur Minimierung der auf den Rotor 3 wirkenden Axialkraft wird abhängig von den Messwerten der Kraftmesseinrichtungen 12, 12' durch das Druckregelventil 18 der Druck p in dem Druckraum 16 erhöht oder verringert. Alternativ oder zusätzlich kann auch im Bereich der Turboverdichterstufe 7 ein entsprechender Druckraum vorgesehen sein. Um je nach Bedarf der als Turboexpander ausgeführten Turbomaschine 1 Leistung zu oder abführen zu können kann optional eine als Motor oder Generator ausgeführte elektrische Maschine 23 vorgesehen sein.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer als Turboverdichter ausgeführten Turbomaschine 1, wobei der Rotor 3 lediglich ein fliegend angeordnetes Laufrad 5'' einer Verdichterstufe 24 aufweist. An dem dem Laufrad 5'' gegenüberliegenden Wellenende 25 der Welle 4 ist ein abgedichteter Druckraum 16' angeordnet, der auf das zugeordnete Wellenende 25 wirkt und wie auch in 1 an ein Druckregelventil 18 angeschlossen ist. Die Regelung des Druckregelventils 18 erfolgt wie zuvor beschrieben durch die elektronische Steuereinrichtung 13, an der auch die erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtungen 12, 12' zur direkten Erfassung der Axialkraft angeschlossen sind. Zur Anzeige der Betriebsparameter ist wie bei der Ausgestaltung gemäß 1 ein Anzeigeelement A an die Steuereinrichtung 13 angeschlossen. Der Rotor 3 weist einen Getriebeverzahnungseingriff 26 auf und ist von einem Getriebe 27 angetrieben. Neben einer elektrischen Maschine 23, wie sie in 1 dargestellt ist, und einem Getriebe 27 gemäß 2 kann als Abtrieb oder Antrieb auch der Anschluss an eine flexible Kupplung vorgesehen sein.

Claims

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.