DE102009052931A1

DE102009052931A1 - Rotor für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009052931A1
Application number: DE102009052931A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-05-26
Also published as: US20120275923A1; CN102686831A; WO2011058042A3; WO2011058042A2; EP2499339A2

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Rotor (6) für eine Strömungsmaschine (2), mit einer Welle (4), einem darauf angeordneten Laufrad (8) und einem Wellenlager (12). Eine verbesserte Rotordynamik kann erreicht werden, wenn das Laufrad (8) zur Welle (4) hin eine Ausnehmung (20) aufweist, in der das Wellenlager (12) zumindest teilweise angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine mit einer Welle, einem darauf angeordneten Laufrad und einem Wellenlager.
Bei einer Strömungsmaschine für Industrieanlagen rotiert ein oder mehrere Laufräder als strömungsdynamische Arbeit verrichtende rotierende Räder auf einer Welle, beispielsweise zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums bei einem Kompressor oder zum Antrieb eines Generators bei einer Dampfturbine. Die Welle ist hierbei an zumindest zwei Stellen gelagert. Als Beispiel kann ein Radialverdichter genannt werden, bei dem die Laufräder zwischen den Lagerstellen und gegebenenfalls auch als Überhangstufe am freien Wellenende angeordnet sind. Bedingt durch ein hohes Überhangmoment kann es zu erheblichen Schwingungen kommen, so dass eine höchstmögliche Drehzahl unerwünscht niedrig sein kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine Strömungsmaschine anzugeben, der mit hoher Drehzahl bewegt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Laufrad erfindungsgemäß zur Welle hin eine Ausnehmung aufweist, in der das Wellenlager zumindest teilweise angeordnet ist. Es wird eine nahe Lagerung der Welle am Laufrad ermöglicht. Durch den geringen Abstand der Lagerung von dem Masse tragenden Laufrad ist der Läufer unempfindlicher gegen ein Aufschwingen, sodass er mit hoher Drehzahl bewegt werden kann.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn die Strömungsmaschine ein Radialverdichter ist und insbesondere das Laufrad Teil einer Überhangstufe ist. Bei einer Überhangstufe kann durch die fehlende Versperrung im Bereich der Wellenachse ein vergrößerter Ansaugquerschnitt gegenüber einer radialen Ansaugung der Luft bei einem Laufrad gleichen Durchmessers erzielt werden.
Da die Welle zweckmäßigerweise im Laufrad endet, entsteht zwangsläufig ein freies, also ungelagertes Wellenende. Bei einer Anordnung des Laufrads am freien Wellenende kann eine Verbiegung der Welle dort nicht durch ein Lager, insbesondere ein Radiallager, abgestützt werden. Dementsprechend können sich biegekritische Momente und somit biegekritische Drehzahlen ergeben, die den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ungünstig einschränken. Durch die Erfindung können entsprechende Schwingungen reduziert und eine erreichbare Drehzahl hoch gehalten werden. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lagerung der Welle liegt hierbei zusätzlich in einer konstruktiv ermöglichten Verkürzung der Welle und insbesondere in einer Verkürzung des freien Wellenendes, wodurch sich eine vorteilhafte Rotordynamik ergeben kann.
Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung radscheibenseitig im Laufrad angeordnet. Hierbei ist die Radscheibenseite eines Laufrads diejenige Seite, welche von der Strömungsführung abgewandt ist. Im Unterschied hierzu weist das Laufrad eine gegenüberliegende Deckscheibenseite auf, die nach axial außen gewandt ist. Bei einer solchen Ausführungsform bleibt ein hoher Ansaugquerschnitt des Laufrads erhalten verbunden mit einem kurzen Wellenende und einer guten Rotordynamik.
Zweckmäßigerweise ist ein Teil der axialen Erstreckung des Wellenlagers und insbesondere eine axiale Mitte des Wellenlagers in der Ausnehmung angeordnet, sodass der überwiegende Teil der Lagerfläche innerhalb der Ausnehmung platziert und somit eine erhebliche Verkürzung des freien Wellenendes erreicht werden kann.
Insbesondere bei einem Radialverdichter kann zwischen dem Wellenlager und dem Laufrad eine Dichtung angeordnet sein, die vorteilhafter Weise in der Ausnehmung angeordnet ist, insbesondere vollständig innerhalb der Ausnehmung. Die Dichtung kann eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung von Lageröl nach außen sein und/oder zur Abdichtung eines im Innern des Verdichters aufgebauten Arbeitsdrucks nach außen dienen.
Die Größe der Ausnehmung ist zweckmäßigerweise so bemessen, dass eine statorseitige Lageraufnahme des Wellenlagers in die Ausnehmung hineinragt. Hierdurch kann eine stabile Lagerung der Welle nahe des Wellenendes erreicht werden.
Eine stabile Konstruktion und eine zuverlässige Abdichtung kann erreicht werden, wenn die statorseitige Lageraufnahme zusätzlich zum Wellenlager auch die Dichtung trägt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt Ist. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus einer als Radialverdichter ausgeführten Strömungsmaschine 2. Die Darstellung zeigt in schematischer Ausführung einen Schnitt längs der Welle 4 der Strömungsmaschine 2. Die Welle 4 ist Teil eines Rotors 6 der Strömungsmaschine 2 und trägt an ihrem einen Ende ein Laufrad 8 zum Ansaugen von Außenluft in Axialrichtung 10 und Verdichten der angesaugten Luft in Radialrichtung nach außen.
Die Strömungsmaschine 2 ist ein Radialverdichter mit einer Überhangstufe, also einer Verdichterstufe mit einem Laufrad 8, das an einem axialen Ende der Welle 4 angeordnet ist. Der Radialverdichter ist besonders groß ausgeführt und dient zur Luftverdichtung mit Volumenströmen zwischen 100.000 m³/h und 800.000 m³/h und einer Verdichtung von atmosphärischem Druck auf zwischen 4 bar und 8 bar.
Die Welle 4 ist gelagert durch ein als Radiallager ausgeführtes erstes Wellenlager 12 und ein als Axiallager ausgeführtes zweites Wellenlager 14. Die Welle 4 ist von einem weiteren radialen Wellenlager gelagert, das jedoch außerhalb des Zeichnungsbereichs der Figur angeordnet und daher nicht dargestellt ist. Zwischen dem radialen Wellenlager 12 und dem Laufrad 8 ist eine Wellendichtung 16 in Form einer Labyrinthdichtung angeordnet zum Abdichten des Lageröls nach außen.
Das Laufrad 8 läuft nach radial außen in Schaufelsegmente 18 aus, die zur Welle 4 hin eine Ausnehmung 20 bilden. Eine radscheibenseitige Grenze dieser Ausnehmung 20 ist durch eine gestrichelte Linie 22 dargestellt. Innerhalb dieser Ausnehmung 20 ist das radiale Wellenlager 12 teilweise angeordnet, und zwar soweit, dass eine axiale Mittellinie 24 des Wellenlagers 12 in der Ausnehmung 20 angeordnet ist. Die axiale Mittellinie 24 ist hierbei durch einen parallel zur Welle 4 verlaufenden Schnitt in einer gedachten axialen Mittelfläche des Wellenlagers 12 gebildet, die das Wellenlager 12 in Axialrichtung 10 mittig schneidet. Eine Lagerfläche des radialen Wellenlagers 12 liegt somit mehr als zur Hälfte in der Ausnehmung 20 des Laufrads 8. Vollständig in der Ausnehmung 20 ist die Wellendichtung 16 um die Welle 4 herum angeordnet.
Die Ausnehmung ist hierbei auf der Radscheibenseite des Laufrads 8 angeordnet, also auf derjenigen Seite, die von der Seite, von der das zu verdichtende Medium, in diesem Ausführungsbeispiel Außenluft, angesaugt wird, abgewendet ist. Der Ausdruck „radscheibenseitig” bedeutet dementsprechend auf der Seite der Nabe und von der axialen Seite des Laufrads mit der Strömungsführung abgewendet.
Die Wellendichtung 16 und das radiale Wellenlager 12 sind durch eine statorseitige Lageraufnahme 26 am Stator der Strömungsmaschine 2 befestigt, sodass hierdurch die Welle 4 in ihrer gewünschten Position innerhalb des Stators fixiert ist. Die Lageraufnahme 26 ragt hierbei ein Stück weit in die Ausnehmung 20 des Laufrads 8 hinein und umgreift das Wellenlager 12 und die Wellendichtung 16 zumindest teilweise von außen zur Fixierung. Die Lageraufnahme 26 trägt hierbei mit einem einstückig ausgeführten Element sowohl das radiale Wellenlager 12 als auch die Wellendichtung 16.
Durch die Anordnung des Radiallagers 12 zumindest teilweise innerhalb der Ausnehmung 20 kann die Welle 4 konstruktiv gegenüber bekannten Wellen verkürzt ausgeführt werden, wodurch eine im Bezug auf Schwingungen günstige Rotordynamik erreichbar ist. Hierbei kragt der sich in Umfangsrichtung erstreckender und radial außen liegende Vorsatz des Laufrads 8 mit den Schaufelsegmenten 18 auf der Radscheibenseite zumindest teilweise über das Radiallager 12 hinweg, sodass die Befestigung des Radiallagers 12 seitlich vom Laufrad 8 abgewendet aus der Ausnehmung 20 herausgeführt ist. Dementsprechend kragt die Lageraufnahme 26 des Wellenlagers 12 in die Ausnehmung 20 gemeinsam mit dem Wellenlager 12 hinein.
Durch die Anordnung des Wellenlagers teilweise in der Ausnehmung 20 wird eine Verkürzung des Überhangs erreicht und hierdurch eine Reduzierung der Schwingungsempfindlichkeit. Im Einzelnen verbessert sich die Rotordynamik hierdurch mit einer Erhöhung der biegekritischen Drehzahl an dem freien Ende, sodass der Radialverdichter verglichen mit herkömmlichen Ausbildungen von Überhangstufen in höheren Drehzahlen betrieben werden kann.

Claims

Rotor (6) für eine Strömungsmaschine (2), mit einer Welle (4), einem darauf angeordneten Laufrad (8) und einem Wellenlager (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) zur Welle (4) hin eine Ausnehmung (20) aufweist, in der das Wellenlager (12) zumindest teilweise angeordnet ist.
Rotor (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (2) ein Radialverdichter ist.
Rotor (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) Teil einer Überhangstufe ist.
Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (12) ein Radiallager ist.
Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) radscheibenseitig im Laufrad (8) angeordnet ist.
Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Mitte des Wellenlagers (12) in der Ausnehmung (20) angeordnet ist.
Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wellenlager (12) und dem Laufrad (8) eine Dichtung (16) in der Ausnehmung (20) angeordnet ist.
Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine statorseitige Lageraufnahme (26) des Wellenlagers (12) in die Ausnehmung (20) hineinragt.
Rotor (6) nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitige Lageraufnahme (26) auch die Dichtung (16) trägt.