DE102010064215A1 - Rotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (R) umfassend eine sich entlang einer Längsachse (X) erstreckende Welle (SH) und eine Axiallagerscheibe (TD). Um eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Materialauswahl und des zulässigen Betriebsbereichs, insbesondere hinsichtlich der Drehzahl, zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Welle (SH) mindestens axial zweiteilig ausgebildet ist umfassend einen ersten Teil (SH1) und einen zweiten Teil (SH2), wobei der zweite Teil (SH2) die. Axiallagerscheibe (TD) umfasst, wobei der erste Teil (SH1) und der zweite Teil (SH2) mittels einer festen lösbaren Kupplung (CP) aneinander befestigt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rotor umfassend eine sich entlang einer Längsachse erstreckenden Welle und eine Axiallagerscheibe.
• Bei Rotationsmaschinen, insbesondere bei hochtourigen Anlagen, ist in der Regel die Rotordynamik von entscheidender Bedeutung. Gleichsam wichtig ist die Auswahl des Materials für die Bestandteile des Rotors, insbesondere für die Welle und die Axiallagerscheibe. Bei der Axiallagerscheibe handelt es sich um einen scheibenförmigen Wellenabsatz, der in der Regel beidseitig eine sich senkrecht zur Längsachse der Welle erstreckende Begrenzungsfläche aufweist. Das herkömmliche Rotordesign sieht vor, dass die Axiallagerscheibe auf die Welle aufgeschrumpft wird, insbesondere deshalb, weil der Außendurchmesser der Axiallagerscheibe gegenüber dem sonstigen Durchmesser der Welle verhältnismäßig groß ist und eine Fertigung aus dem Vollen dementsprechend unakzeptable aufwändig wäre. Die Axiallagerscheibe unterliegt aus fertigungstechnischen Gründen in der Regel den Spannungen aus dem Schrumpfsitz und in Folge der Rotordynamik zusätzliche Spannungen aus den Zentrifugalkräften. Die Massenkonzentration im Bereich der Axiallagerscheibe beeinflusst zusätzlich die Rotordynamik insbesondere hinsichtlich der Biegeschwingungen. Da die Axiallagerscheibe auch häufig fliegend angeordnet ist – d. h., dass sie nicht beidseitig von jeweils mindestens einem Radiallager eingefasst ist – ist das Gewicht der Axiallagerscheibe für die Rotordynamik von besonderer Bedeutung. Weiterhin kritisch sind Erosions- und Korrosionsanforderungen, da die auch im sog. NACE-Standard (National Assosiation of Corrosion Engineers) zusammengefasst sind, zu beachten, wenn die Axiallagerscheibe nicht atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt wird, beispielsweise einem aggressiven Prozessgas.
• Ein Nachteil der aufgeschrumpften Axiallagerscheibe ist, dass sich durch die Konstruktion ergebende hohe Gewicht, welches bei einer fliegenden Anordnung als Überhanggewicht mit einem Hebel in der Länge des Abstandes zu den nächstem Radiallager stark auf die Rotordynamik auswirkt. Trotz beispielsweise besonderer Beschichtungen, um einerseits die Festigkeitsanforderungen und andererseits die Korrosionsanforderungen zu erfüllen, ist die herkömmliche Konstruktion von Axiallagerscheiben einer starken Einschränkung für die Auslegung von Turbomaschinen, beispielsweise Turboverdichtern.
• Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Welle der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Materialauswahl und des zulässigen Betriebsbereichs, insbesondere hinsichtlich der Drehzahl, möglich wird.
• Zur Lösung wird erfindungsgemäß ein Rotor der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die Zweiteiligkeit der Welle im erfindungsgemäßen Sinne hat den besonderen Vorteil, dass auch mit eingeschränkten Fertigungsmitteln die Einzelbauteile hergestellt werden können und beispielsweise besonders lange Wellen aufgrund der Zweiteiligkeit auf Maschinen gefertigt werden können, die die Teilstücke zu bearbeiten vermögen. Hinzu kommt, dass die beiden Teilstücke der Welle völlig unterschiedlichen Bearbeitungsschritten unterzogen werden können. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht beispielsweise vor, dass es sich bei dem Rotor um einen Rotor eines Elektromotors handelt und der erste Teil einem Fertigungsschritte eines heißisostatischen Pressens unterzogen wird, bei dem Kupferelemente in nutförmige Ausnehmungen der Rotorwelle eingebracht werden und dort mit dem Grundwerkstoff der Rotorwelle durch eine Diffusionsschicht verbunden werden während eines heißisostatischen Pressens. Der zweite Teil der Welle kann vollkommen unabhängig von diesen Fertigungsschritten gefertigt werden und wird erst nachträglich mit dem ersten Teil der Welle lösbar fest verbunden.
• Eine Möglichkeit, die beiden Teile miteinander zu verbinden, besteht darin, eine Hirtverzahnung jeweils stirnseitig vorzusehen und eine zentrale Schraube koaxial zur Längsachse zur axialen Verspannung der beiden Stirnseiten gegeneinander vorzusehen. Zweckmäßig kann hierbei der zweite Teil der Welle eine zentrale Durchgangsbohrung aufweisen, durch welche die koaxiale Schraube in einen Gewindebohrung des ersten Teiles der Welle eingeschraubt wird, so dass die beiden Teile gegeneinander verspannt sind.
• Da insbesondere bei großen Abmessungen der Welle die Fertigungen einer Hirtverzahnung problematisch sein kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn statt einer Hirtverzahnung der erste Teil der Welle an der dem zweiten Teil der Welle zugewandten Seite eine koaxial ausgebildeten Konus aufweist und der zweite Teil der Welle an der dem ersten Teil der Welle zugewendeten Seite eine dem Konus entsprechende koaxiale konische Ausnehmung aufweist, wobei im zusammengefügten Zustand der Konus und die konische Ausnehmung axial gegeneinander mittels mindestens einer Schraube verspannt sind. Ein derartiger Konus kann bzw. eine derart konische Ausnehmung kann auch ohne Probleme auf einer gewöhnlichen Drehmaschine gefertigt werden, ohne besondere Anforderungen, wie sie für eine Hirtverzahnung fertigungstechnisch erforderlich sind.
• Das bevorzugte Anwendungsfeld der Erfindung sind Rotoren für Elektromotoren, Verdichter oder sonstige Turbomaschinen.
• Zweckmäßig weist der erste Teil der Welle zwei Radiallagerstellen auf und der zweite Teil der Welle sollte keine Radiallagerstelle aufweisen, so dass die Vorteile der Erfindung bei einer fliegenden Anordnung des zweiten Teils der Welle in Bezug auf die Lager besonders zum Tragen kommen.
• In Folge der erfindungsgemäßen Ausbildung ergibt sich eine reduzierte Masse für die Axiallagerscheibe und den dazugehörigen Wellenabschnitt, weil die Axiallagerscheibe nicht mehr für ein Aufschrumpfen auf die Welle ausgebildet sein muss, sondern erfindungsgemäß axial an die Welle angebunden ist. Der Durchmesser des zweiten Teils der Welle kann geringer ausgebildet sein, als der erste Teil der Welle auf der dem zweiten Teil der Welle zugewandten Stirnseite. Dementsprechend ergibt sich eine weitere Massenreduktion, die insbesondere für eine fliegende Anordnung von Vorteil ist.
• Besonders zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Konstruktion, wenn für den ersten Teil und im zweiten Teil der Welle unterschiedliche Materialien vorgesehen sind. Dies kann besonders zweckmäßig sein, wenn die Axiallagerscheibe für eine Magnetlagerung ausgebildet ist und dementsprechend besondere elektrische und ferromagnetische Eigenschaften erforderlich sind, die in Kombination mit wiederum anderen Eigenschaften, die für den ersten Teil der Welle wichtig sein mögen, beispielsweise Korrosionsbeständigkeit, in einem Material vereint, nicht erhältlich sind.
• Für eine gute Zentrierung und eine feste Anbindung des zweiten Teils an den ersten Teil der Welle ist es zweckmäßig, wenn der Konuswinkel zwischen 1:10 und 1:30 liegt, insbesondere 1:24 ist.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Axiallagerscheibe mit dem zweiten Teil der Welle einstückig ausgebildet ist. Der zweite Teil der Welle kann verhältnismäßig kurz hinsichtlich der Axiallänge ausgebildet sein und daher ist eine Fertigung aus den Vollen auch wirtschaftlich.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Für den Fachmann ergeben sich insbesondere aus beliebiger Kombination der in den Unteransprüchen und im Hauptanspruch definierten Merkmale weiter Möglichkeiten der Ausbildung der Erfindung. Es zeig:
• 1 eine schematische Darstellung durch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor R umfassend eine Welle SH, die zweiteilig ausgebildet ist und an einen ersten Teil SH1 und einen zweiten Teil SH2 umfasst. Die Welle SH erstreckt sich entlang einer Längsachse X, auf die sich die Angaben axial, radial und ggf. Umfangsrichtung dieser Beschreibung beziehen. Eine radiale Lagerung mittels eines Loslagers RB1 und eines Festlagers RB2 ist an dem ersten Teil SH1 vorgesehen, wobei der zweite Teil SH2 keine Radiallagerung aufweist und dementsprechend fliegend angeordnet ist. Die schematische Darstellung mit dem Festlager RB2 und dem Loslager RB1 ist im Fall einer magnetischen Lagerung derart zu verstehen, dass dies Lager auch jeweils noch ein Hilfslager bzw. Fanglager in unmittelbarer Nachbarschaft umfassen kann. Derartige Hilfs- oder Fanglager können als Gleitlager oder Welzlager ausgebildet sein. Der erste Wellenteil SH1 der Welle SH ist außerdem Träger aerodynamischer Vorrichtungen AD einer Turbomaschine, wobei der zweite Teil SH2 nicht Träger aerodynamischer Vorrichtungen einer Turbomaschine ist. Zweckmäßig trägt der erste Teil SH1 im Fall eines Turboverdichters alle Laufräder IMP der einzelnen Verdichterstufen. Weiterhin kann ausschließlich der erste Teil SH1 der Welle SH – wie in der 1 abgebildet – den rotierenden Anteil eines Elektromotors M tragen, da keine Radiallagerung an den zweiten Teil SH2 vorgesehen ist.
• Der Teil SH2 weist eine Axiallagerschreibe TD auf, die als scheibenförmige Ausformung radial hervorsteht. Axial wird die Axiallagerscheibe TD von zwei sich senkrecht zur Längsachse X des Rotors R erstreckenden Seitenflächen SF begrenzt.
• Der erste Teil SH1 und der zweite Teil SH2 sind mittels einer festen lösbaren Kupplung CP aneinander befestigt.
• Auf der dem ersten Teil SH1 zugewendeten Seite des Teils SH2 ist ein koaxial ausgebildeter Konus CO vorgesehen. Auf dem zweiten Teil SH2 zugewendeten Seite des Teils SH1 ist eine koaxiale konische Ausnehmung CR vorgesehen, in die im zusammengefügten Zustand der Konus CO eingesetzt ist und axial mittels einer Schraube SCR gegeneinander verspannt ist. Die Schraube SCR erstreckt sich durch koaxial durch eine Durchgangsbohrung BH durch den zweiten Teil SH2 und ist in den ersten Teil SH1 koaxial in eine Gewindebohrung TH eingeschraubt. Der Konus CO weist einen Konuswinkel von 1:24 auf. Der an den ersten Teil SH1 angrenzende Außendurchmesser des zweiten Teils SH2 weist einen geringeren Radius R2 auf, als der erste Teil SH1 an der angrenzenden Stirnseite mit Radius R1.
• Optional kann die Kupplung CP auch eine Hirthverzahnung HT umfassen, wie in der Zeichnung dargestellt an einer stirnseitigen axialen Kontaktfläche zwischen dem ersten Teil SH1 und dem zweiten Teil SH2. Diese Hirthverzahnung kann bevorzugt die konische Kupplung vollständig ersetzten, so dass kein Konus CO und koaxiale konische Ausnehmung CR vorgesehen sind sondern stattdessen mit korrespondierenden Hirthverzahnungen HT versehene Oberflächen. Die in der Figur eingezeichnete Hirthverzahnung soll lediglich illustrieren, an welchen Oberflächen eine derartige lösbare Kupplung verwirklicht werden kann. Grundsätzlich kommt die dargestellte konische Verbindung ohne eine Hirthverzahnung aus.

Claims (8)

1. Rotor (R) umfassend eine sich entlang einer Längsachse (X) erstreckende Welle (SH) und eine Axiallagerscheibe (TD), dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (SH) mindestens axial zweiteilig ausgebildet ist umfassend einen ersten Teil (SH1) und einen zweiten Teil (SH2), wobei der zweite Teil (SH2) die Axiallagerscheibe (TD) umfasst, wobei der erste Teil (SH1) und der zweite Teil (SH2) mittels einer festen lösbaren Kupplung (CP) aneinander befestigt sind.
2. Rotor (R) nach Anspruch 1, wobei die dem ersten Teil (SH1) zugewendete Seite des zweiten Teils (SH2) einen koaxial ausgebildeten Konus (CO) aufweist und die dem zweiten Teil (SH2) zugewendete Seite des ersten Teils (SH1) eine dem Konus (CO) entsprechende koaxiale konische Ausnehmung (CR) aufweist, wobei im zusammengefügten Zustand der Konus (CO) und die konische Ausnehmung (CR) axial gegeneinander mittels mindestens einer Schraube (SCR) verspannt sind.
3. Rotor (R) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Teil (SH1) zwei Radiallagerstellen umfasst und der zweite Teil (SH2) keine Radiallagerstellen umfasst.
4. Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teil (SR1) und der zweite Teil (SH2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
5. Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konus (CO) einen Konuswinkel zwischen 1:10 und 1:30 aufweist.
6. Rotor (R) nach mindesten einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Axiallagerscheibe (TD) einstückig mit dem zweiten Teil (SH2) verbunden ist.
7. Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Axiallagerscheibe (TD) für die Lagerung mittels eines Magnetlagers ausgebildet ist.
8. Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplung (CP) eine Hirtverzahnung (HT) umfasst.

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