DE102009015862A1

DE102009015862A1 - Getriebeverdichterrotor für Kaltgasanwendungen

Info

Publication number: DE102009015862A1
Application number: DE102009015862A
Authority: DE
Inventors: Volker Hütten; Andreas Peters
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-07
Also published as: CN102388225A; EP2414684A1; US9500201B2; WO2010112423A1; CN102388225B; US20120039722A1; EP2414684B1; ES2401312T3

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Getriebeverdichterrotor (2) für Kaltgasanwendungen mit einer Ritzelwelle (16) mit einem Verzahnungssegment (18) mit einer Verzahnung (14), zumindest einem Laufrad (6) mit einer Laufradnabe (8) und einem zwischen dem Verzahnungssegment (14) und der Laufradnabe (8) angeordneten Dichtungssegment (10), das eine Dichtung (12) trägt.
Der Getriebeverdichterrotor (2) verfügt auch bei Tieftemperaturanwendungen über eine hohe Festigkeit, wenn die Laufradnabe (8) und das Dichtungssegment (10) einen gemeinsamen, einstückig zusammenhängenden Bereich (4) aus einem ersten Werkstoff bilden und das Verzahnungssegment (18) aus einem zweiten Werkstoff gefertigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Getriebeverdichterrotor für Kaltgasanwendungen mit einer Ritzelwelle mit einem Verzahnungssegment mit einer Verzahnung, zumindest einem Laufrad mit einer Laufradnabe und einem zwischen dem Verzahnungssegment und der Laufradnabe angeordneten Dichtungssegment, das eine Dichtung trägt.
Turboverdichter werden in der Industrie und in der Energieerzeugung in vielfältiger Weise eingesetzt. So werden beispielsweise Getriebeverdichter zur Luftzerlegung verwendet, bei der Sauerstoff und Stickstoff aus Umgebungsluft voneinander getrennt werden. Hierzu saugt ein Luftverdichter die gefilterte Luft an und komprimiert sie auf den erforderlichen Druck. Danach wird die Luft gekühlt und in die Hauptkomponenten zerlegt, also in Stickstoff und Sauerstoff sowie einen kleinen Anteil von Edelgas. Verdichtereinheiten komprimieren Sauerstoff und Stickstoff anschließend, um sie beispielsweise in ein Leitungssystem zur weiteren Verwendung einzuspeisen.
Bei der Verdichtung von Sauerstoff müssen Schmieröl für die Lager des Verdichterrotors und das Fördermedium Sauerstoff wegen Explosionsgefahr sorgsam voneinander getrennt werden. Daher ist zur Gastrennung und zur Aufrechterhaltung des prozessseitigen Drucks zwischen einem Lager und einem die Verdichtung bewirkenden Laufrad des Rotors üblicherweise eine Labyrinthdichtung angeordnet, insbesondere eine Mehrkammerdichtung.
Durch das Kühlen und anschließende Zerlegen der Luft ist das Laufrad des Turboverdichters sehr tiefen Temperaturen von unterhalb –30°C ausgesetzt. Bei anderen Gastrennungsprozessen können Temperaturen unter –150°C erreicht werden. Um ein Sprödbruchverhalten bei solchen tiefen Temperaturen zu vermeiden, sind für die Herstellung des Laufrads kaltzähe Werkstoffe zu verwenden. Werden tiefe Temperaturen in einem Getriebeverdichter realisiert, so sind nicht nur die Laufräder sondern auch die Rotorwelle innerhalb der Dichtungsbereiche bis zu den Lagerstellen vor Sprödbruch infolge der geringen Betriebstemperatur zu schützen.
Das Laufrad bzw. die Laufräder und die Rotorwelle im Dichtungsbereich werden bei Kaltgasanwendungen üblicherweise aus einem hoch legierten kaltzähen Stahl gefertigt. Aus Gründen der Herstellbarkeit und Montierbarkeit sind Ritzelwelle und Laufräder getrennt ausgeführt. Damit die Ritzelwelle, bzw. die Rotorwelle im Verzahnungsbereich, hohen mechanischen Anforderungen genügt, ist es bekannt, die Ritzelwelle aus einem anderen Werkstoff herzustellen als das Laufrad bzw. dessen Nabe.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Getriebeverdichterrotor für einen Turboverdichter anzugeben, der bei Tieftemperaturanwendungen über eine hohe Festigkeit verfügt.
Diese Aufgabe wird durch einen Getriebeverdichterrotor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß das Dichtungssegment und die Laufradnabe, insbesondere das gesamte Laufrad, einen gemeinsamen, einstückig zusammenhängenden Bereich aus einem ersten Werkstoff bilden und das Verzahnungssegment aus einem zweiten Werkstoff gebildet ist. Hierdurch ist ein großer Bereich des Rotors aus dem ersten Werkstoff gefertigt, der in seinen Eigenschaften an die Betriebsbedingungen des Laufrads angepasst ist. Die Gefahr der Kaltversprödung kann mit diesem Design vermieden werden. Außerdem ist die Verbindungsstelle zwischen den beiden Werkstoffen sehr weit nach innen in den betriebswarmen Bereich verlegt. Das Verzahnungssegment liegt in dem betriebswarmen Bereich und kann aus einem konventionellen Verzahnungswerkstoff ausgeführt werden. Dies führt zu sehr kleinen Getriebeabmessungen und somit zu geringen Kosten und auch geringen mechanischen Verlusten.
Der Turboverdichter ist zweckmäßigerweise ein Getriebeverdichter. Das Verzahnungssegment kann Teil eines Getriebes sein, das den Getriebeverdichterrotor mit einem Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor, mechanisch verbindet. Das Dichtungssegment kann einen Teil oder eine Hälfte einer Dichtung tragen, insbesondere einer Labyrinthdichtung zur Abdichtung einer Umgebung des Verdichterbereichs bzw. Laufrads gegen ein Lager des Rotors, insbesondere ein Öl führendes Lager.
Das Laufrad ist zweckmäßigerweise Teil einer Überhangstufe des Turboverdichters und ist zweckmäßigerweise fliegend gelagert. Das Laufrad muss hierdurch nur an einer Seite gegenüber einem Rotorlager abgedichtet werden, sodass der Dichtungsaufwand gering gehalten ist.
Besonders geeignet für die Anwendung im Tieftemperaturbereich von –30°C und tiefer ist der Getriebeverdichterrotor, wenn der erste Werkstoff ein kaltzäher Werkstoff ist, der kaltzäher ist als der zweite Werkstoff. Das Laufrad ist hierdurch besonders gut gegen ein Sprödbruchverhalten geschützt, wohingegen der innere Bereich der Rotorwelle entsprechend den an ihn gestellten Anforderungen ausgeführt sein kann. Der erste Werkstoff ist insbesondere ein kaltzäher Werkstoff, wie z. B. in der Norm EN 10.269 definiert.
Vorteilhafterweise ist der zweite Werkstoff härter bzw. höherfester als der erste Werkstoff. Der zweite Werkstoff kann ein einsatzgehärteter, nitrierter oder hoch vergüteter Stahl sein, wodurch den hohen mechanischen Anforderungen an ein Zahnradgetriebe Rechnung getragen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich des zweiten Werkstoffs ein Rotorlager angeordnet. Durch einen Wärmeeintrag des Rotorlagers kann der zweite Werkstoff vor zu starker Abkühlung geschützt werden.
Das Rotorlager kann ein Radiallager sein, das insbesondere als hydrodynamisches Gleitlager ausgeführt ist. Ein solches Lager kann mit warmem Schmieröl mit der Temperatur von beispielsweise 45°C versorgt werden, wodurch ein hoher Wärmeeintrag vom Rotorlager auf den Rotor erfolgt. Durch diesen Wärmeeintrag kann der Verzahnungsbereich aus dem zweiten Werkstoff gegen eine starke Abkühlung geschützt werden. Durch die Anordnung des Rotorlagers im Bereich des zweiten Werkstoffs wird außerdem eine unnötige größere Erwärmung des ersten Werkstoffs und damit des axial äußeren Teils des Rotors vermieden.
Das Wellenlager ist vorteilhafter Weise zwischen dem Dichtungssegment und dem Verzahnungssegment angeordnet. Durch die Lagerung des Rotors außerhalb der Verzahnung kann eine stabile fliegende Lagerung des Rotors erreicht werden.
Die beiden Werkstoffbereiche sind zweckmäßigerweise drehfest miteinander verbunden. Diese drehfeste Verbindung kann durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise eine Verschweißung, eine reibschlüssige Verbindung, wie beispielsweise eine Kupplung, oder eine formschlüssige Verbindung erreicht werden. Vorteilhafterweise ist diese Verbindung durch eine Stirnverzahnung gebildet, sodass die beiden Werkstoffbereiche formschlüssig ineinander greifen. Die Gefahr einer Unwucht durch eine Schweißverbindung oder eines Rutschens der beiden Bereiche gegeneinander durch eine nicht ausreichend feste reibschlüssige Verbindung kann vermieden werden. Die drehfeste Verbindung ist vorteilhafter Weise zwischen dem Dichtungssegment und einem Rotorlager angeordnet, beispielsweise dem Radiallager.
Besonders geeignet als drehfeste Verbindung zwischen den beiden Rotorbereichen bzw. Werkstoffbereichen des Rotors ist eine Hirthverbindung. Durch die Hirthverzahnung der Hirtverbindung wird eine feste, selbst zentrierende und lösbare Verbindung mit einfachen Mitteln erreicht. Die Zähne der Hirthverzahnung liegen im Sinne einer kraftschlüssigen Kupplung statisch und flächig aneinander und sind radial ausgerichtet, wodurch die Zentrierung erreicht wird. Mit Hilfe der Hirthverbindung kann eine sehr klein bauende Verbindung zwischen den Rotorbereichen erreicht werden. Zum Kraftschluss ist eine axiale Verspannung notwendig, die wiederum die Kraftübertragung von einem Bereich zum anderen begrenzt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in einer Zeichnung dargestellt ist. Deren einzige Figur zeigt einen Abschnitt eines Getriebeverdichterrotors 2, dessen axial äußerer Bereich 4 ein Laufrad 6 mit einer Laufradnabe 8 und ein Dichtungssegment 10 mit einer Dichtung 12 in Form einer Labyrinthdichtung umfasst. Das Laufrad 6 ist fliegend gelagert und ist Teil einer Überhangstufe des Getriebeverdichters.
Der Getriebeverdichterrotor 2 kann sowohl mit einem als auch mit zwei Laufrädern & ausgeführt sein. Bei einem Design mit zwei Laufrädern kann 1 als halbe Darstellung mit einer Spiegelebene im Verzahnungsbereich angesehen werden. Bei einer Ausführung mit nur einem Laufrad endet die Ritzelwelle 16 mit dem hinter der Verzahnung liegenden zweiten und nicht dargestellten Lagerbereich.
Der Getriebeverdichterrotor 2 ist Bestandteil eines Turbogetriebeverdichters mit einem Getriebe, das durch eine Verzahnung 14 einen Antrieb, beispielsweise eine Dampfturbine oder einen Elektromotor, zur Kraftübertragung mit dem Laufrad 6 verbindet. Die Verzahnung 14 des Rotors 2 ist an einer Ritzelwelle 16 gefertigt, die in ein Verzahnungssegment 18 und in einen Lagerbereich 20 eingeteilt werden kann, die wiederum einem inneren Bereich 22 des Rotors bilden. Im Lagerbereich 20 trägt die Ritzelwelle 16 ein Rotorlager 24 in Form eines Radiallagers, und zwar eines hydrodynamischen Gleitlagers.
Die beiden Bereiche 4, 22 sind durch eine formschlüssige Verbindung 26 miteinander verbunden, die durch einen Pfeil angedeutet ist. In der Verbindung 26 sind die Ritzelwelle 16 und das Laufrad 6 formschlüssig und drehfest miteinander verbunden. Die Verbindung 26 ist als Hirthverbindung ausgeführt, wobei eine Verschraubung 28 die beiden Bereiche 4, 22 des Getriebeverdichterrotors 2 axial gegeneinander presst, sodass durch die Hirthverbindung hohe Kräfte und Drehmomente von einem auf den anderen Bereich 4, 22 übertragen werden können.
Die beiden Bereiche 4, 22 sind aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Die Laufradnabe 8 und das Dichtungssegment 10 im äußeren Bereich 4 sind aus einem kaltzähen Werkstoff hergestellt, beispielsweise dem kaltzähen Stahl X8Ni9. Hierbei sind die Laufradnabe 8 und das Dichtungssegment 10 als ein einstückiges Teil hergestellt, beispielsweise als ein Schmiedestück. Auch auf eine Verschweißung zwischen der Laufradnabe 8 und dem Dichtungssegment 10 wurde verzichtet, um die Gefahr einer Unwucht aufgrund ungleichmäßiger Spannungsverteilung zu vermeiden.
Der innere Bereich 22 bzw. die Ritzelwelle 16 kann aus einem einsatzgehärteten Stahl, beispielsweise 18CrNiMo7-6 hergestellt sein. Auch ein hochfester Vergütungsstahl, beispielsweise 56NiCrMoV7, ist vorteilhaft. Sowohl der einsatzgehärtete Stahl als auch der hochfeste Vergütungsstahl sind besonders hart und abriebfest, so dass die Verzahnung 14 eine hohe Lebensdauer hat. Diese Stähle sind jedoch nur bedingt kaltzäh, sodass bei sehr tiefen Arbeitstemperaturen die Gefahr eines Sprödbruchs besteht. Gegen einen Sprödbruch ist der kaltzähe Stahl des äußeren Bereichs 4 besonders geeignet, sodass die Rotorwelle 2 für einen Betrieb bei besonders kalten Temperaturen, beispielsweise unter –30°C oder unter –120°C, z. B. zur Lufttrennung, besonders geeignet ist.
Während des Betriebs wird das Rotorlager 24 mit warmem Schmieröl versorgt, sodass die hydrodynamische Gleitlagerung des Rotors 2 gewährleistet ist. Mit dem warmen Schmieröl wird Wärme auf den inneren Bereich 22 des Rotors 2 übertragen, sodass dieser bei vorgesehenem Betrieb nie in einen Temperaturbereich abkühlt, der die Gefahr eines Sprödbruchverhaltens der Ritzelwelle 16 birgt. Durch die Anordnung der Verbindung 26 sehr weit innen in dem betriebswarmen Bereich des Rotors 2 ist der äußere Bereiche 4 aus dem ersten und kaltzähen Werkstoff sehr lang, so dass ein großer Teil des Rotors 2 für die tiefen Betriebstemperaturen geeignet ist. Trotz dieses großen kaltzähen Bereichs verbleibt durch die Trennung des Rotors 2 in die beiden verschiedenen Bereiche 4, 22 die Möglichkeit, das Verzahnungssegment 16 aus einem geeigneten Verzahnungswerkstoff herzustellen. Hierdurch kann das Getriebe besonders klein bauend und verschleißarm ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Norm EN 10.269 [0010]

Claims

Getriebeverdichterrotor (2) für Kaltgasanwendungen mit einer Ritzelwelle (16) mit einem Verzahnungssegment (18) mit einer Verzahnung (14), zumindest einem Laufrad (6) mit einer Laufradnabe (8) und einem zwischen dem Verzahnungssegment (18) und der Laufradnabe (8) angeordneten Dichtungssegment (10), das eine Dichtung (12) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradnabe (8) und das Dichtungssegment (10) einen gemeinsamen, einstückig zusammenhängenden Bereich (4) aus einem ersten Werkstoff bilden und das Verzahnungssegment (18) aus einem zweiten Werkstoff gebildet ist.
Getriebeverdichterrotor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (6) fliegend gelagert ist.
Getriebeverdichterrotor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkstoff kaltzäher ist als der zweite Werkstoff.
Getriebeverdichterrotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff härter ist als der erste Werkstoff.
Getriebeverdichterrotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (22) des zweiten Werkstoffs ein Rotorlager (24) angeordnet ist.
Getriebeverdichterrotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dichtungssegment (10) und dem Verzahnungssegment (18) ein Rotorlager (24) angeordnet ist.
Getriebeverdichterrotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine drehfeste Verbindung (26) der beiden Werkstoffbereiche (4, 22) zwischen dem Dichtungssegment (10) und einem Rotorlager (24) angeordnet ist.
Getriebeverdichterrotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine drehfeste Verbindung (26) zwischen den beiden Werkstoffbereichen (4, 22) eine Hirthverbindung ist.