DE102010064215B4 - Rotor - Google Patents

Abstract

Rotor (R) eines Turboverdichters umfassend eine sich entlang einer Längsachse (X) erstreckende Welle (SH) und eine Axiallagerscheibe (TD),
wobei die Welle Laufräder (IMP) von Verdichterstufen trägt,
wobei die Welle den rotierenden Anteil eines Elektromotors M trägt,
wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Teil (SH1) alle Laufräder (IMP) der einzelnen Verdichterstufen,
wobei ausschließlich der erste Teil SH1 den rotierenden Anteil eines Elektromotors M trägt,
wobei keine Radiallagerung an dem zweiten Teil SH2 vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rotor umfassend eine sich entlang einer Langsachse 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 fur die Bestandteile des Rotors, insbesondere fur die Welle und die Axiallagerscheibe. Bei der Axiallagerscheibe handelt es sich um einen scheibenförmigen Wellenabsatz, der in der Regel beidseitig eine sich senkrecht zur Langsachse 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 gegenuber 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 fur 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 atmospharischen 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.
• Aus der GB 866 710 A ist es bereits bekannt, eine Axiallagerscheibe mittels einer festen lösbaren Kupplung an einer Welle zu befestigen. Aus der GB 562 138 A ist bereits eine Verbindung zweier Wellenenden mittels einer konischen Kupplung bekannt. Die EP 1 707850 B1 offenbart eine Getriebevorrichtung mit Magnetlager in Verbindung mit mehreren Wellen und die EP 1 191 230 B1 zeigt einen Turboverdichter mit elektrischem Antrieb.
• 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 nachtraglich mit dem ersten Teil der Welle losbar fest verbunden.
• Eine Moglichkeit, die beiden Teile miteinander zu verbinden, besteht darin, eine Hirtverzahnung jeweils stirnseitig vorzusehen und eine zentrale Schraube koaxial zur Langsachse 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.
• Zweckmaßig 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 erfindungsgemaßen Ausbildung ergibt sich eine reduzierte Masse fur die Axiallagerscheibe und den dazugehorigen Wellenabschnitt, weil die Axiallagerscheibe nicht mehr fur ein Aufschrumpfen auf die Welle ausgebildet sein muss, sondern erfindungsgemaß 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 erfindungsgemaße Konstruktion, wenn fur den ersten Teil und im zweiten Teil der Welle unterschiedliche Materialien vorgesehen sind. Dies kann besonders zweckmaßig 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 mogen, 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 einstuckig 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 Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher beschrieben. Fur den Fachmann ergeben sich insbesondere aus beliebiger Kombination der in den Unteranspruchen und im Hauptanspruch definierten Merkmale weiter Moglichkeiten der Ausbildung der Erfindung. Es zeig:
• 1 eine schematische Darstellung durch einen Langsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor.
• 1 zeigt einen erfindungsgemaßen 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 scheibenformige Ausformung radial hervorsteht. Axial wird die Axiallagerscheibe TD von zwei sich senkrecht zur Langsachse X des Rotors R erstreckenden Seitenflachen SF begrenzt.
• Der erste Teil SH1 und der zweite Teil SH2 sind mittels einer festen losbaren 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 zusammengefugten 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. Grundsatzlich kommt die dargestellte konische Verbindung ohne eine Hirthverzahnung aus.

Claims (8)

1. Rotor (R) eines Turboverdichters umfassend eine sich entlang einer Längsachse (X) erstreckende Welle (SH) und eine Axiallagerscheibe (TD), wobei die Welle Laufräder (IMP) von Verdichterstufen trägt, wobei die Welle den rotierenden Anteil eines Elektromotors M trägt, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (SH1) alle Laufräder (IMP) der einzelnen Verdichterstufen, wobei ausschließlich der erste Teil SH1 den rotierenden Anteil eines Elektromotors M trägt, wobei keine Radiallagerung an dem zweiten Teil SH2 vorgesehen ist.
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.
4. Rotor (R) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teil (SH1) 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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