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Die Erfindung betrifft eine Axial-Radial-Strömungsmaschine, die einen Axialteil mit wenigstens einer axialen Stufe sowie einen Radialteil mit wenigstens einer radialen Stufe aufweist.
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Eine wie in 1 gezeigte Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 weist einen Axialteil 10 mit einer Mehrzahl von axialen Stufen 11, einen Radialteil 20 mit einer Mehrzahl von radialen Stufen 21, ein Gehäuse 30 mit einem Innenraum, der durch eine sich in einer Radialrichtung RR des Gehäuses 30 erstreckende Trennwand 40 in einer Axialrichtung AR des Gehäuses 30 in einen ersten Teilraum 31, in dem der Axialteil 10 aufgenommen ist, und einen zweiten Teilraum 32 geteilt ist, in dem der Radialteil 20 aufgenommen ist, und eine Welle 50 auf, die sich in Axialrichtung AR durch den Innenraum des Gehäuses 30 und dessen Trennwand 40 hindurch erstreckt und auf der Laufräder 12, 22 des Axialteils 10 und des Radialteils 20 aufgenommen sind.
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Da sich die Welle 50 durch die Trennwand 40 hindurch erstreckt, wird eine Festigkeitsstruktur der Trennwand 40 geschwächt, was die Trennwand 40 anfälliger gegen Verformungen z. B. in Axialrichtung AR des Gehäuses 30 macht. Aus diesem Grund wird gemäß dem Stand der Technik die Trennwand 40 mit einer so großen Wandstärke S (siehe 2) ausgebildet, dass Verformungen der Trennwand 40 auf ein zulässiges Maß reduziert werden.
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Ein Beispiel für eine solche massive bzw. große Wandstärke S ist in 2 gezeigt, welche eine vergrößerte Teilansicht eines Bereichs A in 1 zeigt. Beispielhaft könnte eine industrielle Großströmungsmaschine eine Außenabmessung in Radialrichtung RR von etwa, 4000 mm aufweisen, wobei die Wandstärke S (in Axialrichtung AR der Trennwand 40) etwa 500 mm betragen könnte.
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Wie leicht erkennbar, erhöht solche eine Wandstärkenvergrößerung die Materialkosten und das Gewicht der Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 erheblich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axial-Radial-Strömungsmaschine bereitzustellen, bei der die Trennwand zuverlässig gegen übermäßige Verformungen in Axialrichtung des Gehäuses geschützt ist und dadurch eine geringere Wandstärke als beim Stand der Technik aufweisen kann.
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Dies wird mit einer Axial-Radial-Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der Erfindung weist eine Axial-Radial-Strömungsmaschine auf: einen Axialteil mit wenigstens einer axialen Stufe, einen Radialteil mit wenigstens einer radialen Stufe, ein Gehäuse mit einem Innenraum, der durch eine sich in einer Radialrichtung des Gehäuses erstreckende Trennwand in einer Axialrichtung des Gehäuses in einen ersten Teilraum, in dem der Axialteil aufgenommen ist, und einen zweiten Teilraum geteilt ist, in dem der Radialteil aufgenommen ist, und eine Welle, die sich in Axialrichtung durch den Innenraum des Gehäuses und dessen Trennwand hindurch erstreckt und auf der Laufräder des Axialteils und des Radialteils aufgenommen sind, wobei zwischen der Trennwand und einem zur Trennwand benachbarten am Gehäuse axial fixierten Fluidleitelement des Radialteils ein Radialspalt gebildet ist, und wobei in dem Radialspalt eine Mehrzahl von in einer Umfangsrichtung des Gehäuses verteilten Fixiereinheiten angeordnet sind, die jeweils eine axiale Fixierung der Trennwand an dem Fluidleitelement bereitstellen.
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Dadurch, dass gemäß der Erfindung in dem Radialspalt eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Gehäuses verteilten Fixiereinheiten angeordnet sind, die jeweils eine axiale Fixierung der Trennwand gegenüber dem Fluidleitelement bereitstellen, ist die Trennwand zuverlässig gegen übermäßige Verformungen in Axialrichtung des Gehäuses geschützt, wodurch die Trennwand mit einer gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Wandstärke ausgebildet sein kann.
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Beispielsweise kann bei einer industriellen Großströmungsmaschine, welche beispielhaft eine Abmessung in Radialrichtung von etwa 4000 mm aufweisen könnte, eine Wandstärke (in Axialrichtung) der Trennwand erfindungsgemäß von 500 mm auf etwa 250 mm reduziert sein. Eine solche Wanddickenreduzierung der Trennwand kann somit eine Gewichtsreduzierung der Axial-Radial-Strömungsmaschine von mehreren Tonnen, wie im Beispiel etwa 25 Tonnen, ausmachen.
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Darüber hinaus kann durch die Wanddickenreduzierung der Trennwand ein axialer Lagerabstand von Rotationslagern für die die Laufräder tragende Welle (welche gemeinsam den Rotor der Axial-Radial-Strömungsmaschine bilden) geringer ausgeführt werden, womit die gesamte Axial-Radial-Strömungsmaschine kompakter und insbesondere axial kürzer ausgeführt werden kann.
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Das Fluidleitelement kann beispielsweise von einer Rückführung bzw. einem Diffusoreinsatz des Radialteils gebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Fixiereinheiten jeweils einen den Radialspalt in Axialrichtung des Gehäuses überbrückenden Vorsprung an der Trennwand und/oder dem Fluidleitelement auf.
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Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung wird auf einfache Weise eine axiale Fixierung der Trennwand in Form einer axialen Abstützung und/oder axialen Halterung dieser an dem Fluidleitelement bereitgestellt, wodurch axial vom Axialteil aus in Richtung zum Radialteil hin und/oder vom Radialteil aus in Richtung zum Axialteil hin auf die Trennwand wirkende Kräfte zuverlässig abgefangen werden können.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die Vorsprünge einstückig bzw. integral mit der Trennwand und/oder dem Fluidleitelement (z. B. als Angüsse) ausgebildet sein oder auch als separate Teile an diese(s) montiert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Fixiereinheiten jeweils einen Gewindebolzen auf, der sich in Axialrichtung des Gehäuses durch die Trennwand und das Fluidleitelement erstreckt, wobei der Gewindebolzen mit wenigstens einem von der Trennwand und dem Fluidleitelement in Gewindeeingriff steht.
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In diesem Fall würde sich der Gewindebolzen bevorzugt an dem jeweils nicht mit diesem in Gewindeeingriff stehenden Teil (Trennwand oder Fluidleitelement) axial abstützen, so dass auch hier eine axiale Fixierung der Trennwand in Form einer axialen Abstützung dieser an dem Fluidleitelement bereitgestellt wäre, wodurch axial vom Axialteil aus in Richtung zum Radialteil hin auf die Trennwand wirkende Kräfte zuverlässig abgefangen werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Gewindebolzen auch sowohl mit der Trennwand als auch mit dem Fluidleitelement in Gewindeeingriff stehen, womit eine beidseitig axiale Fixierung der Trennwand erzielt wird.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Fixiereinheiten ferner jeweils eine Distanzhülse auf, die in dem Radialspalt auf dem Gewindebolzen angeordnet ist und die den Radialspalt in Axialrichtung des Gehäuses überbrückt.
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In diesem Fall kann der Gewindebolzen, wenn gewünscht, lediglich als radiale Fixierung der Distanzhülse dienen, da die Distanzhülse axial sowohl an der Trennwand als auch an dem Fluidleitelement anliegt und somit eine axiale Fixierung der Trennwand in Form einer axialen Abstützung dieser an dem Fluidleitelement bereitstellt, wodurch axial vom Axialteil aus in Richtung zum Radialteil hin auf die Trennwand wirkende Kräfte zuverlässig abgefangen werden können.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist der Gewindebolzen von einer Gewindeschraube mit einem mit Außengewinde versehenen Schaftabschnitt und einem gegenüber dem Schaftabschnitt vergrößert ausgebildeten Kopfabschnitt gebildet, wobei der Gewindebolzen von dem ersten Teilraum aus durch eine Durchgangspassage in der Trennwand hindurch eingesetzt ist, so dass sich der Kopfabschnitt auf Seiten des ersten Teilraums an der Trennwand abstützt und das Außengewinde des Schaftabschnitts mit einem Innengewinde im Fluidleitelement in Eingriff steht.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung realisiert eine beidseitig axiale Fixierung der Trennwand, wobei sowohl axial in Richtung vom Radialteil aus zum Axialteil hin als auch vom Axialteil aus zum Radialteil hin auf die Trennwand wirkende Kräfte zuverlässig abgefangen werden können.
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Genauer gesagt würde in diesem Fall die Distanzhülse einerseits als Abstandshalter für ein axiales Spaltmaß des Radialspalts und andererseits als Abstützung der Trennwand gegen axial in Richtung vom Axialteil aus zum Radialteil hin auf die Trennwand wirkende Kräfte wirken. Der Gewindebolzen würde für eine axiale Halterung der Trennwand an dem Fluidleitelement gegen axial in Richtung vom Radialteil aus zum Axialteil hin auf die Trennwand wirkende Kräfte wirken.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Axial-Radial-Strömungsmaschine von einem Axial-Radial-Kompressor gebildet.
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Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung könnte ein beträchtlicher Druckunterschied zwischen Axialteil und Radialteil z. B. dadurch entstehen, dass sich eine letzte Stufe des Radialteils benachbart zur Trennwand befindet. In diesem Fall kann es sein, dass, selbst wenn eine letzte Stufe des Axialteils ebenfalls benachbart zur Trennwand angeordnet ist, eine druckunterschiedbasierte Kraft axial in Richtung vom Radialteil aus zum Axialteil hin auf die Trennwand einwirkt, da mit dem Radialteil höhere Drücke als mit dem Axialteil erzeugbar sind.
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Mit der erfindungsgemäßen axialen Fixierung der Trennwand, insbesondere jener mit als Gewindeschraube ausgeführtem Gewindebolzen (mit Kopfabschnitt und Schaftabschnitt), wird auch diese Belastungssituation für die Trennwand zuverlässig abgefangen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer Axial-Radial-Strömungsmaschine.
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2 zeigt eine schematische Teilansicht eines Bereichs A der Axial-Radial-Strömungsmaschine von 1 gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt eine schematische Teilansicht eines Bereichs A' der Axial-Radial-Strömungsmaschine von 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, gesehen in einer ersten Schnittebene.
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4 zeigt eine schematische Teilansicht des Bereichs A' der Axial-Radial-Strömungsmaschine von 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, gesehen in einer zweiten Schnittebene.
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5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, in der die Axial-Radial-Strömungsmaschine gemäß 3 und 4 in Bereich der Trennwand radial aufgeschnitten dargestellt ist.
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6 zeigt eine schematische Teilansicht des Bereichs A' der Axial-Radial-Strömungsmaschine von 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Verformungssituation der Trennwand dargestellt ist.
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In Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 und die 3 bis 6 eine Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 von einem Axial-Radial-Kompressor (einem Kompressor mit einem Axialkompressor und einem Radialkompressor, die zu einer Baueinheit zusammengefasst sind) gebildet.
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Die erfindungsgemäße Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 weist einen Axialteil 10 mit einer Mehrzahl von axialen Stufen 11, einen Radialteil 20 mit einer Mehrzahl von radialen Stufen 21, ein Gehäuse 30 mit einem Innenraum, der durch eine sich in einer Radialrichtung RR des Gehäuses 30 erstreckende Trennwand 40' in einer Axialrichtung AR des Gehäuses 30 in einen ersten Teilraum 31, in dem der Axialteil 10 aufgenommen ist, und einen zweiten Teilraum 32 geteilt ist, in dem der Radialteil 20 aufgenommen ist, und eine Welle 50 auf, die sich in Axialrichtung AR durch den Innenraum des Gehäuses 30 und dessen Trennwand 40 hindurch erstreckt und auf der Laufräder 12, 22 des Axialteils 10 und des Radialteils 20 aufgenommen sind.
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Der Radialteil 20 der erfindungsgemäßen Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 weist ein axial am Gehäuse 30 fixiertes hier als Rückführungseinsatz bzw. Diffusoreinsatz für die einzelnen Stufen 21 des Radialteils 20 ausgebildetes Fluidleitelement 23 auf, wobei zwischen der Trennwand 40 und einem zur Trennwand 40' benachbarten Abschnitt des Fluidleitelements 23 des Radialteils 20 ein Radialspalt RS gebildet ist, welcher in einen Diffusorkanal 24 des Radialteils 20 mündet.
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In dem Radialspalt RS sind eine Mehrzahl von in einer Umfangsrichtung UR (siehe 5) des Gehäuses 30 verteilten Fixiereinheiten 60 angeordnet, die jeweils eine axiale Fixierung der Trennwand 40' an dem Fluidleitelement 23 bereitstellen.
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Wie z. B. aus 3 ersichtlich, bilden die Fixiereinheiten 60 jeweils einen den Radialspalt RS in Axialrichtung AR des Gehäuses 30 überbrückenden Vorsprung, welcher gemäß dieser Ausführungsform und wie nachstehend noch detaillierter erläutert sowohl an der Trennwand 40' als auch an dem Fluidleitelement 23 montiert ist.
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Die Fixiereinheiten 60 weisen jeweils einen hier als Gewindeschraube ausgebildeten Gewindebolzen 61, der sich in Axialrichtung AR des Gehäuses 30 durch die Trennwand 40' und das Fluidleitelement 23 erstreckt, und eine Distanzhülse 62 auf, die in dem Radialspalt RS auf dem Gewindebolzen 61 angeordnet ist und die den Radialspalt RS in Axialrichtung AR des Gehäuses 30 überbrückt, so dass die Distanzhülse 62 sowohl an der Trennwand 40' als auch an dem Fluidleitelement 23 anliegt.
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Der Gewindebolzen 61 weist einen an einem Ende dessen mit Außengewinde versehenen Schaftabschnitt 61a und einen gegenüber dem Schaftabschnitt 61a vergrößert ausgebildeten Kopfabschnitt 61b auf.
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Der Gewindebolzen 61 ist von dem ersten Teilraum 31 aus (bzw. von dem Axialteil 10 aus) durch eine Durchgangspassage (nicht bezeichnet) in der Trennwand 40' hindurch derart eingesetzt, dass sich der Kopfabschnitt 61b auf Seiten des ersten Teilraums 31 in einer Ausnehmung bzw. Vertiefung (nicht bezeichnet) an der Trennwand 40 abstützt und das Außengewinde des Schaftabschnitts 61a mit einem Innengewinde (nicht bezeichnet) im Fluidleitelement 23 in Eingriff steht.
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Auf diese Weise bildet der Gewindebolzen 61 in Bezug auf axial vom Radialteil 20 aus in Richtung zum Axialteil 20 hin auf die Trennwand 40' einwirkende Kräfte einen Zuganker, welcher diese Kräfte zuverlässig aufnimmt und somit eine übermäßige Verformung der Trennwand 40' axial in Richtung zum Axialteil 10 hin verhindert.
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Andererseits wirkt die Distanzhülse 62 einerseits als Abstandshalter für ein axiales Spaltmaß des Radialspalts RS und gewährleistet andererseits eine axiale Abstützung der Trennwand 40' gegen axial in Richtung vom Axialteil 10 aus zum Radialteil 20 hin auf die Trennwand 40' wirkende Kräfte, wie hier z. B. die durch ein Anziehen des Gewindebolzens 61 durch dessen Kopfabschnitt 61b auf die Trennwand 40' ausgeübten Kräfte.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung sind exemplarisch zwölf (12) Fixiereinheiten 60 vorgesehen, wie in 5 ersichtlich, wobei der Gewindebolzen exemplarisch jeweils als M48 Gewindeschraube ausgebildet ist.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist die als Axial-Radial-Kompressor ausgebildete Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 eine industrielle Großströmungsmaschine mit einer exemplarischen Außenabmessung in Radialrichtung RR von etwa 4000 mm und einer Wandstärke S' der Trennwand 40' von etwa 250 mm. Damit ist bei der erfindungsgemäßen Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 eine Gewichtseinsparung gegenüber der eingangs mit Bezug auf 2 beschriebenen exemplarischen Axial-Radial-Strömungsmaschine aus dem Stand der Technik von etwa 25 Tonnen realisiert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die als Axial-Radial-Kompressor ausgebildete Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 im Betrieb dieser zwischen dem Axialteil 10 und dem Radialteil 20 exemplarischen einen Druckunterschied von etwa 14 bar aufweisen, wobei exemplarisch im Radialteil 20 der höhere Druck vorhanden ist.
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Dieser Druckunterschied führt zu einer Verformung der Trennwand 40' in Richtung zum Axialteil 10 hin. Allerdings haben von den Erfindern durchgeführte Untersuchungen ergeben, dass durch die Fixiereinheiten 60 diese Verformung der Trennwand 40' in akzeptablen Grenzen gehalten und bei gleichen Betriebsbedingungen gegenüber einer Verformung der Trennwand 40 der eingangs mit Bezug auf 2 beschriebenen Axial-Radial-Strömungsmaschine aus dem Stand der Technik sogar reduziert werden konnte.
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Genauer gesagt wurden (bei einem um ca. 14 bar höheren Druck im Radialteil 20 als im Axialteil 10 bei einer Axial-Radial-Strömungsmaschine mit ca. 4000 mm Außenabmessung) bei der Trennwand 40' (mit 250 mm Wandstärke) der erfindungsgemäßen Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 an einem zur Welle 50 benachbarten Ende der Trennwand 40' ein maximaler Verformungsweg der Trennwand 40' zum Axialteil 10 hin von etwa 1,3 mm sowie eine maximale Zugspannung im Gewindebolzen 61 von etwa 700 N/mm2 gemessen.
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Andererseits wurde (bei einem um ca. 14 bar höheren Druck im Radialteil 20 als im Axialteil 10 bei einer Axial-Radial-Strömungsmaschine mit ca. 4000 mm Außenabmessung) bei der Trennwand 40 (mit 500 mm Wandstärke) der eingangs mit Bezug auf 2 beschriebenen Axial-Radial-Strömungsmaschine aus dem Stand der Technik an einem zur Welle 50 benachbarten Ende der Trennwand 40 ein maximaler Verformungsweg der Trennwand 40 zum Axialteil 10 hin von etwa 1,7 mm gemessen.
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Damit beträgt der maximale Verformungsweg der Trennwand 40 der erfindungsgemäßen Axial-Radial-Strömungsmaschine 1 nur etwa 80 Prozent des maximalen Verformungsweges der Trennwand 40 der eingangs mit Bezug auf 2 beschriebenen Axial-Radial-Strömungsmaschine aus dem Stand der Technik.
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Von den Erfindern wurde im Rahmen von Untersuchungen ferner erkannt, dass die resultierende Verformung (z. B. der Verformungsweg) stark vom Aufbau des Fluidleitelements 23 des Radialteils 20 abhängt. D. h., das Fluidleitelement 23 sollte möglichst steif ausgebildet sein und die angreifenden Kräfte möglichst gut in den Außenbereich des Gehäuses 30 einleiten können, wie durch die in 6 dargestellte Verformungssituation angedeutet.
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Abschließend wurde von den Erfindern im Rahmen von Untersuchungen ferner erkannt, dass die Fixiereinheiten 60, insbesondere deren Distanzhülsen 62, den vom Radialspalt RS gebildeten Strömungskanal für ein im Radialteil 20 zu verdichtendes Arbeitsfluid nur zu etwa 10 Prozent sperren und sich der Wirkungsgrad des Radialteils 20 durch die Fixiereinheiten 60 nur um wenige Zehntel-Prozent vermindert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axial-Radial-Strömungsmaschine
- 10
- Axialteil
- 11
- axiale Stufe
- 12
- Laufrad
- 20
- Radialteil
- 21
- radiale Stufe
- 22
- Laufrad
- 23
- Fluidleitelement
- 24
- Diffusorkanal
- 30
- Gehäuse
- 31
- erster Teilraum
- 32
- zweiter Teilraum
- 40
- Trennwand
- 40
- Trennwand
- 50
- Welle
- 60
- Fixiereinheit
- 61
- Gewindebolzen
- 61a
- Schaftabschnitt
- 61b
- Kopfabschnitt
- 62
- Distanzhülse
- RS
- Radialspalt Wandstärke
- S'
- Wandstärke
- AR
- Axialrichtung
- RR
- Radialrichtung
- UR
- Umfangsrichtung
