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Die Erfindung betrifft einen Turboverdichterrotor umfassend eine Welle, welche sich entlang einer Rotationsachse erstreckt, welche Welle mehrere axiale Bereiche umfasst:
- – mindestens einen Radiallagerbereich, zur Lagerung mittels eines aktiven Magnetlagers,
- – mindestens einen Wellendichtungsbereich zur Abdichtung eines Umfangsspalts zwischen der rotierenden Welle und einem stehenden Teil,
- – mindestens einen Aerodynamikbereich, welcher Laufräder trägt, die einer Fluidverdichtung dienen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung einen Turboverdichter umfassend einen Turboverdichterrotor der eingangs genannten Art.
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Turboverdichter umfassen generell neben einem Aerodynamikbereich – der auch als Strömungsbereich bezeichnet werden kann – Bereiche für die radiale Lagerung, die axiale Lagerung und in der Regel Bereiche für Wellendichtungen, die einen Umfangsspalt zwischen der rotierenden Welle und einem stehenden Teil, welches in der Regel mit dem Gehäuse in Verbindung steht, abdichtet. Die Wellendichtung ist nur notwendig, wenn mindestens ein Wellenende aus dem Gehäuse herausgeführt ist, beispielsweise zum Zweck des Übertragens von Drehmoment und Drehzahl aus einem externen Antrieb. Der Aerodynamikbereich ist in der Regel Träger von einer Beschaufelung oder ringförmigen Laufrädern, die insbesondere als Radialverdichterlaufräder ausgebildet sein können mit einer axialen Einströmung und einer radialen Abströmung. Bei einem mehrstufigen Radialverdichter schließt sich an jede Ausströmung aus einem Radialverdichterlaufrad ein Diffusorbereich an und außer an der letzten Stufe schließt sich an den Diffusorbereich eine Umlenkung von radial außen nach radial innen an, um ein zu verdichtendes Prozessfluid der nächsten Verdichtungsstufe zuzuführen.
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Die Antriebsleistung wird in den Turboverdichterrotor regelmäßig mittels einer Kupplung an einem Wellenende eingeleitet, welche Kupplung einen Flansch aufweist, der in seinem Außendurchmesser größer ist als benachbarte Wellenabschnitte, damit beispielsweise Kupplungsflanschbolzen montiert werden können.
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Bei den hier betrachteten Turboverdichtern werden Magnetlager, bevorzugt aktive Magnetlager, zur radialen Lagerung des Rotors eingesetzt, wobei der Turboverdichter bei Ausfall der Magnetlager mittels sogenannter konventioneller Hilfslager oder Fanglager geschützt wird, die benachbart der Magnetlager angeordnet sind. Der beschriebene Aufbau eines Turboverdichters führt zwangsläufig zu einem gestuften Aufbau der Welle, damit die Laufräder, Dichtungskomponenten und Lagerungselemente auf der Welle montiert werden können bzw. die Welle an den entsprechenden Stellen umgeben können. Hierbei ist zu beachten, dass die Magnetlager und die Wellendichtungen häufig in Umfangsrichtung ungeteilt ausgebildet sind, so dass eine bestimmte Stufung der Außendurchmesser der Welle für eine Fügbarkeit unabdingbar ist. Dadurch ergeben sich Einschränkungen für die Baugröße der Lagerung und Einschränkungen hinsichtlich der Zugänglichkeit zum Dichtungsbereich. Die Baugrößen der Lager sind jedoch entscheidend für die mit der Maschine einhergehenden Investitionskosten und für die Rotordynamik, welche wiederum in Folge der Spielauslegung in der Wellendichtung starken Einfluss auf den Wirkungsgrad der Maschine hat. Die durch die Bauart eingeschränkte Zugänglichkeit zu der Wellendichtung ist besonders nachteilhaft, weil dort der größte Wartungsaufwand verglichen mit den übrigen Komponenten der Maschine anfällt. Darüber hinaus führt die auch im Wartungsfall große Anzahl zu den demontierenden Bauteilen zu einem stets erforderlichen hochtourigen Auswuchtvorgang im Rahmen jeder Wartungsarbeit.
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Die Erfindung hat es sich ausgehend von dem vorher beschriebenen Sachverhalt zur Aufgabe gemacht, die Investitionskosten für die eingangs genannte Maschinen einerseits zu reduzieren und andererseits den Wartungsaufwand zu verringern bei gleichbleibendem oder verbesserten Wirkungsgrad.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Turboverdichterrotor der eingangs genannten Art bzw. ein Turboverdichter der eingangs genannten Art vorgeschlagen mit dem zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 14. Die abhängigen Unteransprüche beinhalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen.
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Die jeweils zur Definition der Welle des erfindungsgemäßen Turboverdichterrotors benutzten axialen Wellenbereiche, nämlich der Radiallagerbereich, der Wellendichtungsbereich und der Aerodynamikbereich, sind definiert durch ihre jeweilige Eignung für die definierte Funktion. Der Radiallagerbereich weist hierbei einen Werkstoff auf, der zur Lagerung der Welle mittels eines Magnetlagers, insbesondere eines aktiven Magnetlagers geeignet ist. Der Wellendichtungsbereich ist entweder selbst für den rotierenden Teil einer Wellendichtung vorbereitet oder zur Aufnahme eines koaxial zu der Rotationsachse angeordneten ringförmigen rotierenden Wellendichtungselementes vorbereitet. Der Aerodynamikbereich ist zur Aufnahme von Laufrädern oder einer Beschaufelung vorbereitet durch eine entsprechende Passung, eine Konizität oder die Ausbildung einer Kontur (beispielsweise einer Hammerkopfnut) zur Aufnahme von Schaufeln. Die axiale Trennstelle weist einen im Wesentlichen zu der Rotationsachse radial ebenen Verlauf auf und kann mit Formelementen versehen sein, die formschlüssig ein Drehmoment zu übertragen vermögen und/oder eine Zentrierung bewirken, wie beispielsweise eine Hirtverzahnung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die axialen Trennufer der angrenzenden Axialbereiche der Welle mittels mindestens eines axialen Zugankers oder mindestens einer axialen Dehnschraube gegeneinander verspannt sind. Zu diesem Zweck ist die Welle mit mindestens einer Bohrung für eine axiale Dehnschraube oder mit einer zentralen zu der Rotationsachse koaxialen Bohrung für einen zentralen Zuganker versehen.
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Damit die Rotordynamik möglichst einem Optimum nahe kommt und die Anzahl der erforderlichen Bauteile gering gehalten werden kann, ist es zweckmäßig, wenn die Welle neben axialen Trennstellen im Bereich der Wellendichtungen und Radiallagerungen keine weitere axialen Trennstellen aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wellen zwei Wellenenden aufweist und mindestens ein Wellenende einen integralen Kupplungsflansch aufweist, der einen größeren Außendurchmesser aufweist als der Wellendichtungsbereich oder der Radiallagerbereich. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat besondere Vorteile, weil durch die integrale Ausbildung des Kupplungsflansches die Anzahl der Bauteile reduziert wird und gleichzeitig die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich der Montage verwirklicht werden.
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Die Vorteile der Erfindung kommen darüber hinaus besonders zum Tragen, wenn der Aerodynamikbereich Impeller aufweist, welche die Welle jeweils ringförmig umgeben. Zweckmäßig können diese Impeller als Zentrifugallaufräder ausgebildet sein. Darüber hinaus ist es sinnvoll, wenn die Impeller auf die Welle aufgeschrumpft werden. Die Welle kann zur verbesserten Fügbarkeit im Aerodynamikbereich konisch ausgebildet sein.
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Weiterhin treten die Vorteile der Erfindung besonders zu Tage, wenn die Welle folgenden axialen Aufbau aufweist – in axialer Reihenfolge aufgezählt: erstes Wellenende, erster Radiallagerbereich, erste axiale Trennstelle, erster Wellendichtungsbereich, Aerodynamikbereich. Im Anschluss an den Aerodynamikbereich kann sich die Konstellation aus Wellendichtung, Trennstelle, Radiallager und Wellenende spiegelbildlich zu dem Aerodynamikbereich anschließen. In der obigen Reihenfolge ist es sinnvoll, wenn zwischen dem ersten Wellenende und dem ersten Radiallagerbereich ein integrierter Kupplungsflansch der vorgenannten Art Bestandteil der Welle ist. Alternativ zu der oben genannten Reihenfolge können die jeweils benachbarten Radiallagerbereiche und Wellendichtungsbereiche zueinander axiale vertauscht ausgebildet sein, wobei hierdurch sich die Rotordynamik in Folge der freien Wellenenden, an denen die Dichtung sich dann befinden würden, je nach sonstiger Rotorbeschaffenheit vorteilhaft oder nachteilhaft verändert. Auch von dem eingesetzten Dichtungstyp ist es abhängig, ob sich die Montage vereinfacht oder erschwert.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen den Wellendichtungen und den benachbarten Radiallagerbereichen jeweils ein radialer Hilfslagerbereich vorgesehen ist. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn zwischen mindestens einem Radiallagerbereich und dem benachbarten Wellendichtungsbereich ein Axiallagerbereich vorgesehen ist. Neben dem Axiallagerbereich ist es sinnvoll, einen Axialhilfslagerbereich vorzusehen.
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Der erfindungsgemäße Turboverdichter weist einen Turboverdichterrotor gemäß der vorhergehenden Beschreibung auf, wobei in verschiedenen Bereichen jeweils das dazugehörige Bauelement zugeordnet ist. Dementsprechend ist dem Radiallagerbereich jeweils ein Radiallager zugeordnet, dem Wellendichtungsbereich ist eine Wellendichtung zugeordnet, dem Aerodynamikbereich sind weitere aerodynamische Bauteile zugeordnet, die den rotierenden aerodynamischen Bauteilen stehende Strömungsführungen gegenüberstellen. Die Radiallager sind als Magnetlager ausgebildet, insbesondere als aktive Magnetlager. Die Wellendichtungen sind bevorzugt in Umfangsrichtung ungeteilt ausgebildet, was zu einer harmonischeren Verformung beiträgt. Besonders niedrige Leckagen sind mit Trockengasdichtungen erzielbar, die mit der erfindungsgemäßen Bauweise in Folge der Vorteile bei in Umfangsrichtung ungeteilter Wellendichtung bei der Montage zweckmäßig sind.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung zum Zwecke der Verdeutlichung näher erläutert. Dem Fachmann ergeben sich insbesondere aus der beliebigen Kombination von Merkmalen der Ansprüche weitere Möglichkeiten, die Erfindung umzusetzen. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine im Längsschnitt.
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Die 1 zeigt einen Turboverdichter TV in schematischer Darstellung in einem Längsschnitt, wobei insbesondere die nicht rotierenden Bauteile stark vereinfacht sind. Entlang einer Maschinenachse AX erstreckt sich eine Welle SH eines Turboverdichterrotors TVR. Die Welle SH ist Trägerin verschiedener rotierender Bauteile, wie eines Lamellenpaktes eines ersten magnetischen Radiallagers RB1, eines rotierenden Anteils eines ersten radialen Hilfslagers ARB1, rotierender Komponenten einer ersten Wellendichtung SS1, mindestens eines Impellers IMP, rotierender Komponenten einer zweiten Wellendichtung SS2, rotierender Komponenten eines zweiten radialen Hilfslagers ARB2, rotierender Komponenten eines zweiten Radiallagers RB2, rotierender Komponenten eines Axiallagers AB und rotierender Komponenten eines axialen Hilfslagers AAB. Die Welle SH ist besonders vorbereitet für die verschiedenen in axialer Reihenfolge angeordneten Bauteile durch Oberflächenbeschaffenheit, Offenflächenkonturierung, Materialauswahl und Geometrie. Dementsprechend speziell vorbereitet sind folgende Bereiche der Welle beginnend an einem ersten Wellenende SE1 aufgezählt in radialer Reihenfolge: Bereich für integrierten Kupplungsflansch ICFA, Bereich für einen ersten Sensor SEA11, erster Radiallagerbereich RBA1, Bereich für einen zweiten Sensor SEA12, radiale Hilfslagerbereich ARBA1, erster Wellendichtungsbereich SSA1, Aerodynamikbereich AERA, zweiter Wellendichtungsbereich SSA2, zweiter Radialhilfslagerbereich ARBA2, dritter Sensorbereich SEA22, zweiter Radiallagerbereich RBA2, vierter Sensorbereich SEA21, Axiallagerbereich ABA und Axialhilfslagerbereich AABA sowie weites Wellenende SE2. Zwischen den Bereichen erster Radiallagerbereich RBA1 und dem ersten Dichtungsbereich SSA1 ist eine Trennstelle DP1 vorgesehen, an der die Welle SH sich axial trennen lässt. Die sich an der Trennstelle DP1 gegenüberliegenden Trennufer sind jeweils mit einer Hirtverzahnung HS versehen und die beiden Trennufer sind mittels einer Dehnschraube TS gegeneinander verspannt. Analog ist eine zweite Trennstelle DP2 zwischen dem zweiten Wellendichtungsbereich SSA2 und dem zweiten Radiallagerbereich RBA2 ausgebildet. Der Aerodynamikbereich AERA weist, ebenso wie der integrierte Kupplungsflansch ICF einen größeren Außendurchmesser der Welle SH auf als der Bereich des ersten Radiallagers RBA1 und der ersten Wellendichtung SSA1. Gleichfalls ist der Aerodynamikbereich AERA hinsichtlich des Wellendurchmessers größer ausgebildet als der zweite Wellendichtungsbereich SSA2 und der zweite Radiallagerbereich RBA2. Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, ausgehend von dem Aerodynamikbereich AERA nur eine Seite des Turboverdichters TV bzw. des Turboverdichterrotors TVR bzw. der Welle SH erfindungsgemäß mit einer Trennstelle DP1, DP2 ausgebildet ist und die andere Seite kein Wellendichtungsbereich SSA1, SSA2 aufweist, weil die Welle SH dort nicht aus einem Gehäuse CHS herausgeführt ist. Das in der 1 abgebildete Gehäuse CHS weist einen Einlass IN und einen Auslass EX auf, durch welche ein Prozessfluid PF eintritt bzw. austritt. Stehende Komponenten sind vereinfacht mittels STAT bezeichnet.
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Die Wellendichtungen SS1 und SS2 sind in der Umfangsrichtung ebenso wie die Radiallager RB1, RB2 ungeteilt ausgebildet und werden auf die getrennte Welle SH im Bereich der Trennstelle DP1, DP2 aufgeschoben.
