DE102015225428A1

DE102015225428A1 - Läufer für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102015225428A1
Application number: DE102015225428.3A
Authority: DE
Inventors: Steffen Jahrmarcht; Kevin Miny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-07-06
Also published as: CN108368742A; WO2017102254A1; CN108368742B; EP3337958B1; EP3337958A1; US10718212B2; US20180371916A1; RU2700846C1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine Strömungsmaschine, umfassend eine Mehrzahl von Läufersegmenten, die jeweils mit einer mittigen Öffnung versehen und axial benachbart zueinander angeordnet sind, einen einzelnen sich durch die Öffnungen der Läufersegmente erstreckenden Zuganker und zwei Spannmittel, die an axial gegenüberliegenden Enden des Zugankers angeordnet sind und die Läufersegmente gegeneinander verspannen, wobei die Läufersegmente wenigstens zwei Läufersegmentgruppen bilden, zwischen denen wenigstens ein weiteres Spannmittel angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine Strömungsmaschine, umfassend eine Mehrzahl von Läufersegmenten, die jeweils mit einer mittigen Öffnung versehen und axial benachbart zueinander angeordnet sind, einen einzelnen sich durch die Öffnungen der Läufersegmente erstreckenden Zuganker und zwei Spannmittel, die an axial gegenüberliegenden Enden des Zugankers angeordnet sind und die Läufersegmente gegeneinander verspannen.
Derartige Läufer sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und dienen in Strömungsmaschinen dazu, Energieformen ineinander umzuwandeln. Beispielsweise kann die Strömungsenergie und/oder Enthalpie eines Arbeitsfluids in einer Dampf-/Gasturbine in Rotationsenergie eines Läufers umgewandelt werden (Turbinenläufer). Alternativ kann ein rotierend angetriebener Läufer verwendet werden, um ein beliebiges Gas anzusaugen und zur weiteren Verwendung innerhalb eines industriellen Prozesses zu verdichten (Verdichterläufer).
Bekannte Läufer umfassen eine Mehrzahl von Läufersegmenten, die jeweils mit einer mittigen Öffnung versehen und axial benachbart zueinander angeordnet sind. Einige der Läufersegmente sind dabei als sogenannte Radscheiben ausgebildet, die jeweils einen Kranz sich radial erstreckender Schaufeln tragen (Laufschaufeln). Ferner umfasst ein solcher Läufer zumeist einen einzelnen sich durch die Öffnungen der Läufersegmente ersteckenden zentralen Zuganker. An axial gegenüberliegenden Enden des Zugankers sind zwei Spannmittel angeordnet, welche die Läufersegmente gegeneinander verspannen.
Während des Betriebs einer Strömungsmaschine wird der Zuganker zu Schwingungen angeregt. Dabei sind Schwingungsfrequenzen in Höhe oder nahe bei der Eigenfrequenz des Zugankers zu vermeiden, da solche Resonanzschwingungen des Zugankers die Funktion der Strömungsmaschine beeinträchtigen oder zu einer Schädigung/Zerstörung des Zugankers führen können.
Turbinenläufer werden üblicherweise mit einer niedrigen Rotationsfrequenz betrieben, die im Wesentlichen der Netzfrequenz des jeweiligen Stromnetzes entspricht. Die Eigenfrequenzen der in Turbinenläufern verbauten Zuganker liegen entsprechend regelmäßig deutlich oberhalb dieser Rotationfrequenz, weshalb ein Auftreten schädlicher Resonanzschwingungen des Zugankers in Turbinenstufen kaum auftreten kann.
Anders stellt sich die Situation für Verdichterläufer dar, da diese mit möglichst hohen Rotationsfrequenzen betrieben werden. Denn je höher die Rotationsfrequenz ist, desto größer ist die erzielbare Verdichterleistung. Sofern die Eigenfrequenz des Zugankers eines Verdichterläufers nicht unterhalb der Rotationsfrequenz des Verdichterläufers liegen darf, stellt diese daher einen leistungsbegrenzenden Faktor für die Verdichterleistung dar.
Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, die Eigenfrequenz des Zugankers insbesondere eines Verdichtungsläufers zu erhöhen, die grundsätzlich durch die Abmessungen und Materialeigenschaften des Zugankers sowie durch die mit Hilfe der Spannmittel auf den Zuganker ausgeübte Zugkraft bestimmt wird. Dabei wirken sich die genannten Faktoren unterschiedlich auf die Eigenfrequenz des Zugankers aus.
Die Eigenfrequenz des Zugankers liegt desto tiefer, je länger die freie Schwingungslänge des Zugankers ist. Infolge der Mehrzahl von Radscheiben und weiterer Läufersegmente kann sich für den Verdichterläufer – und damit auch für den ihn durchsetzenden Zuganker – durchaus eine Länge ergeben, die mit einer relativ niedrigen Eigenfrequenz des Zugankers einhergeht, was die möglichen Rotationsfrequenzen des Verdichterläufers stark einschränkt.
Dagegen liegt die Eigenfrequenz des Zugankers desto höher, je höher die über die Spannmittel auf den Zuganker ausgeübte Zugkraft ist. Infolgedessen lässt sich die Eigenfrequenz eines Zugankers dadurch erhöhen, dass die Läufersegmente stärker gegeneinander verspannt werden. Allerdings kann die Zugkraft des Zugankers nicht beliebig gesteigert werden, da für den Zuganker material- und abmessungsbedingt eine maximal zulässige Zugkraft nicht überschritten werden darf, um eine Beschädigung bzw. ein Reißen des Zugankers zu vermeiden.
In der Praxis ist es daher nicht immer möglich, eine genügend hohe Eigenfrequenz des Zugankers konstruktiv einzustellen, um eine gewünschte Verdichterleistung zu erreichen.
Diesem Problem wurde bislang entgegengetreten, indem abweichende Zugankeranordnungen verwendet wurden, die in der Regel aus mehreren kürzeren, dezentral angeordneten Zugankern bestehen. Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass mit einem einzelnen zentralen Zuganker verbundene Vorteile, wie beispielsweise eine einfache Herstellung und Montage, nicht mehr realisierbar sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Läufer zu schaffen, der die genannten Nachteile überwindet und höhere Rotationsfrequenzen erlaubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen Läufer der eingangs genannten Art, dessen Läufersegmente wenigstens zwei Läufersegmentgruppen bilden, zwischen denen wenigstens ein weiteres Spannmittel angeordnet ist.
Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, die Läufersegmente in wenigstens zwei Läufersegmentgruppen aufzuteilen und zwischen diesen wenigstens ein weiteres Spannmittel vorzusehen. Dieses wenigstens eine weitere Spannmittel wird verwendet, um zusammen mit einem endseitigen Spannmittel die Läufersegmente einer der beiden Läufersegmentgruppen gegeneinander zu verspannen. Die Läufersegmente der zweiten Läufersegmentgruppe werden dann durch das gegenüberliegende endseitige Spannmittel gegen die bereits verspannte Läufersegmentgruppe verspannt. Auf diese Weise wird die ursprüngliche Schwingungslänge des Zugankers zwischen den beiden endseitigen Spannmitteln in zwei kürzere Schwingungslängen unterteilt, wodurch die ursprüngliche Eigenfrequenz des Zugankers durch zwei höhere Eigenfrequenzen der kürzeren Zugankerabschnitte ersetzt wird. Entsprechend wird die maximal mögliche Rotationsfrequenz des Läufers erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Spannmittel ein Anschlagelement und ein zum Verspannen verstellbares Druckelement, mit dem die Läufersegmente einer Läufersegmentgruppe mit einer Axialkraft in Richtung des Anschlagelements beaufschlagt sind. Anschlagelemente und Druckelemente stellen gängige Spannmittel dar, um Läufersegmente gegeneinander zu verspannen. Durch Verstellen des Druckelements in Richtung des Anschlagelements lassen sich die Läufersegmente der Läufersegmentgruppe mit der axialen Zugkraft des Zugankers beaufschlagen.
Vorteilhaft ist wenigstens ein Anschlagelement von einem Läuferelement gebildet. Dies verringert die Zahl der erforderlichen Spannmittel und infolgedessen der für den Läufer benötigten Komponenten.
Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung ist das wenigstens eine Anschlagelement von einem Läufersegment gebildet, das eine sich axial erstreckende Gewindebohrung aufweist, in die ein an einem freien Ende des Zugankers ausgebildetes Außengewinde geschraubt ist. Dieses Läufersegment bildet dann ein Ende des Zugankers und kann beispielsweise der Lagerung des Läufers in einem Gehäuse der Strömungsmaschine dienen.
Gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung kann das wenigstens eine Anschlagelement von einem Läufersegment einer benachbarten Läufersegmentgruppe gebildet sein.
Bevorzugt ist wenigstens ein Druckelement von einer auf ein Außengewinde des Zugankers geschraubten Mutter gebildet, die in einem wenigstens durch ein Läufersegment definierten Aufnahmeraum angeordnet ist und gegen ein benachbartes Läufersegment drückt. Derartige Muttern stellen standardisierte, leicht verfügbare Bauteile dar, die bei entsprechend geringer Steigung des Außengewindes des Zugankers eine präzise Einstellung der auf die Läufersegmente ausgeübten Kraft erlauben.
Vorteilhaft umfasst der Zuganker eine Mehrzahl von Zugankerabschnitten, die axial benachbart zueinander angeordnet sind und vorteilhaft jeweils einer Läufersegmentgruppe zugeordnet sind. Ein derart in mehrere Abschnitte unterteilter Zuganker kann im Hinblick auf die unterschiedlichen Läufersegmentgruppen optimal angepasst sein und die Anordnung und Funktion weiterer Spannmittel zwischen den Läufersegmentgruppen erleichtern.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die Zugankerabschnitte zylinderförmig ausgebildet, wobei die Zylinderdurchmesser der Zugankerabschnitte ausgehend von einem Ende des Zugankers unter Bildung einer abgestuften Außenkontur schrittweise abnehmen. Ein derart abgestufter Zuganker erlaubt eine einfache Handhabung der weiteren Spannmittel bei dem Anordnen und Verstellen. Ferner kann ein solcher Zuganker problemlos einteilig hergestellt werden.
Benachbarte Zugankerabschnitte können auch miteinander verschraubt sein, wobei ein Zugankerabschnitt eine sich axial erstreckende Gewindebohrung aufweist, in die ein an einem freien Ende des benachbarten Zugankerabschnitts ausgebildetes Außengewinde geschraubt ist. Ein zerlegbarer Zuganker bietet Vorteile beim Transport und bei der Herstellung. Schraubverbindungen erleichtern das Zusammenfügen der einzelnen Zugankerabschnitte.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Läufers unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
1 eine Querschnittsansicht eine Läufers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen Läufer 1 für eine Strömungsmaschine(nicht dargestellt), der beispielsweise als Verdichterläufer in einem Radialverdichter verbaut sein kann. Der Läufer 1 umfasst eine Mehrzahl von Läufersegmenten 2, die axial benachbart zueinander angeordnet sind. Die Läufersegmente 2 weisen Hirthverzahnungen auf und sind jeweils mit einer mittigen Öffnung versehen, durch welche sich ein einzelner Zuganker 3 erstreckt. Der Zuganker 3 umfasst eine Mehrzahl von Zugankerabschnitten 4, die axial benachbart zueinander angeordnet sind. Die Zugankerabschnitte 4 sind zylinderförmig ausgebildet, wobei die Zylinderdurchmesser der Zugankerabschnitte 4 ausgehend von einem Ende des Zugankers 3 unter Bildung einer abgestuften Außenkontur schrittweise abnehmen. Benachbarte Zugankerabschnitte 4 sind miteinander durch eine Schraubverbindung verbunden. Dabei weist jeweils ein Zugankerabschnitt 4 eine sich axial erstreckende Gewindebohrung 5 auf, in die ein an einem freien Ende des benachbarten Zugankerabschnitts 4 ausgebildetes Außengewinde 6 geschraubt ist. Selbstverständlich können die Zugankerabschnitte auch auf andere Weise miteinander verbunden oder verschraubt sein. Auch eine einteilige Ausbildung ist möglich.
Ferner umfasst der Läufer 1 Spannmittel 7, 8, die an axial gegenüberliegenden Enden des Zugankers 3 angeordnet sind und die Läufersegmente 2 gegeneinander verspannen, sowie weitere Spannmittel 7, 8, die zwischen den Läuferelementen 2 angeordnet sind.
Die Spannmittel 7, 8 umfassen einerseits Anschlagelemente 7, die vorliegend jeweils von einem Läufersegment 2 gebildet sind. Dabei ist ein als Anschlagelement 7 dienendes Läufersegment 2 an einem freien Ende des Zugankers 3 angeordnet und weist eine sich axial erstreckende Gewindebohrung 5 auf, in die ein an dem freien Ende des Zugankers 3 ausgebildetes Außengewinde 6 geschraubt ist. Anschlagelemente 7 können aber auch als separate Bauteile vorgesehen sein, die kein Läufersegment 2 bilden.
Andererseits umfassen die Spannmittel 7, 8 mehrere zum Verspannen axial verstellbare Druckelemente 8, mit denen die Läufersegmente 2 mit einer Axialkraft in Richtung jeweils korrespondierender Anschlagelemente 7 beaufschlagt sind. Jedes Druckelement 8 wird vorliegend von einer auf ein Außengewinde 6 des Zugankers 3 geschraubten Mutter 8 gebildet, die in einem durch ein Läufersegment 2 definierten Aufnahmeraum 9 angeordnet ist und gegen dieses Läufersegment 2 drückt. Alternativ können Druckelemente aber auch durch Läufersegmente gebildet sein, deren mittige Öffnung beispielsweise als Gewindebohrung ausgeformt ist.
Die Läufersegmente 2 bilden bei der dargestellten Ausführungsform drei Läufersegmentgruppen 10, zwischen denen jeweils ein Anschlagelement 7 und ein Druckelement 8 angeordnet sind. Dabei kann eine Läufersegmentgruppe 10 ein einzelnes Läufersegment 2 oder eine Mehrzahl von Läufersegmenten 2 umfassen. Jede Läufersegmentgruppe 10 ist einem Zugankerabschnitt 4 zugeordnet. Die Zahl der Läufersegmentgruppen 10 kann aber je nach Aufbau des Läufers 1 variieren.
Während des Betriebs der Strömungsmaschine rotiert der Läufer 1 um eine Drehachse X. Die Rotation des Läufers 1 versetzt den Zuganker 3 in Schwingungen, wobei die Schwingungen des Zugankers 3 in jedem Zugankerabschnitt 4 isoliert erfolgen. Da die Längen der einzelnen Zugankerabschnitte 4 kürzer als die Länge des gesamten Zugankers 3 sind, liegen die Eigenfrequenzen der Zugankerabschnitte 4 jeweils deutlich oberhalb der Eigenfrequenz eines nicht in mehrere Abschnitte unterteilten Zugankers gleicher Gesamtlänge. Dies stellt sicher, dass die Schwingungsfrequenzen des Zugankers 3 während des Betriebs der Strömungsmaschine deutlich unterhalb der jeweiligen Eigenfrequenzen bleiben. Auf diese Weise wird das Auftreten schädlicher Resonanzschwingungen des Zugankers 3 verlässlich ausgeschlossen, ohne allerdings die mit einem einzelnen zentralen Zuganker 3 verbundenen Vorteile aufzugeben, wie beispielsweise eine einfache Herstellung und Montage.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Läufer (1) für eine Strömungsmaschine, umfassend eine Mehrzahl von Läufersegmenten (2), die jeweils mit einer mittigen Öffnung versehen und axial benachbart zueinander angeordnet sind, einen einzelnen sich durch die Öffnungen der Läufersegmente (2) erstreckenden Zuganker (3) und zwei Spannmittel (7, 8), die an axial gegenüberliegenden Enden des Zugankers (3) angeordnet sind und die Läufersegmente (2) gegeneinander verspannen, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufersegmente (2) wenigstens zwei Läufersegmentgruppen (10) bilden, zwischen denen wenigstens ein weiteres Spannmittel (7, 8) angeordnet ist.
Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (7, 8) ein Anschlagelement (7) und ein zum Verspannen verstellbares Druckelement (8) umfassen, mit dem die Läufersegmente (2) einer Läufersegmentgruppe (10) mit einer Axialkraft in Richtung des Anschlagelements (7) beaufschlagt sind.
Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anschlagelement (7) von einem Läufersegment (2) gebildet ist.
Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Anschlagelement (7) von einem Läufersegment (2) gebildet ist, das eine sich axial erstreckende Gewindebohrung (5) aufweist, in die ein an einem freien Ende des Zugankers (3) ausgebildetes Außengewinde (6) geschraubt ist.
Läufer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Anschlagelement (7) von einem Läufersegment (2) einer benachbarten Läufersegmentgruppe (10) gebildet ist.
Läufer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Druckelement (8) von einer auf ein Außengewinde (6) des Zugankers (3) geschraubten Mutter (8) gebildet ist, die in einem durch wenigstens ein Läufersegment (2) definierten Aufnahmeraum (9) angeordnet ist und gegen ein benachbartes Läufersegment (2) drückt.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (3) eine Mehrzahl von Zugankerabschnitten (4) umfasst, die axial benachbart zueinander angeordnet sind und vorteilhaft jeweils einer Läufersegmentgruppe (10) zugeordnet sind.
Läufer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugankerabschnitte (4) zylinderförmig ausgebildet sind, wobei die Zylinderdurchmesser der Zugankerabschnitte (4) ausgehend von einem Ende des Zugankers (3) unter Bildung einer abgestuften Außenkontur schrittweise abnehmen.
Läufer nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zugankerabschnitte (4) miteinander verschraubt sind, wobei ein Zugankerabschnitt (4) eine sich axial erstreckende Gewindebohrung (5) aufweist, in die ein an einem freien Ende des benachbarten Zugankerabschnitts (4) ausgebildetes Außengewinde (6) geschraubt ist.