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Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere Turboverdichter, umfassend einen Rotor, der zumindest teilweise in einem Gehäuse angeordnet ist und sich entlang einer Rotationsachse erstreckt, wobei die Turbomaschine mindestens ein Radiallager aufweist, in dem der Rotor an einer Radiallagerstelle radial gelagert ist, wobei das Radiallager als ölgeschmiertes Gleitlager ausgebildet ist, wobei der Rotor im Axialbereich der Radiallagerstelle eine sich ringförmig in einer Umfangsrichtung im Bereich der äußeren 20% des Durchmessers der Radiallagerstelle des Rotors befindliche Hohlkammer aufweist, die zwischen einem radial innen befindlichen Kernbereich des Rotors im Bereich der Radiallagerstelle und dem radial außen befindlichen Bereich des Rotors im Bereich der Radiallagerstelle thermisch isoliert.
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Aus der
EP 983 448 B1 ist bereits eine Rotorwelle für Turbomaschinen bekannt, bei der eine thermisch isolierende Hohlkammer im Bereich einer radialen Lagerung vorgesehen ist.
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Es hat sich gezeigt, dass nicht bei allen Turbomaschinen eine derartige Maßnahme zur Vermeidung des Morten-Effekts gleich sinnvoll ist. Die mit dieser Maßnahme einhergehende Vergrößerung des Durchmessers im Radiallagerbereich verändert ungewollt die Rotordynamik ohne im gleichen Maße positive Verbesserungen für die Wellenfestigkeit zu bewirken. Der zusätzliche Fertigungsaufwand und der größere benötigte Bauraum der Anordnung sind ebenfalls unerwünscht. Andererseits ist diese Maßnahme in bestimmten Fällen eine sehr gute Möglichkeit, die Laufruhe der Maschine zu verbessern, Betriebszustände zu realisieren, die ansonsten nicht möglich wäre oder auch Schäden zu vermeiden. Grundsätzlich hat die Laufruhe der Maschine auch Auswirkungen auf den Spielbedarf an z.B. Wellendichtungen und damit auch auf deren Dichtigkeit, so dass hier auch Verbesserungen im Wirkungsgrad erzielt werden können.
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Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, entsprechende Rotoren von Turbomaschinen mit einer derartigen thermischen Isolierung an der Lagerstelle zu versehen, wenn eine derartige Maßnahme sinnvoll ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung der eingangs definierten Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Begriffe wie radial, axial, tangential oder Umfangsrichtung sind jeweils auf die Achse des Rotors bezogen, sofern dies nicht anders angegeben ist. Das Radiallager nach der Erfindung kann auch als kombiniertes Radial-Axiallager ausgebildet sein und dient jedenfalls zur Abstützung statischer und dynamischer Radiallagerkräfte.
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Der von der Erfindung benutzte Begriff „Kernbereich des Rotors“ bezieht sich auf denjenigen Bereich, der sich radial innen von der erfindungsgemäßen Hohlkammer zur thermischen Isolierung befindet. Der Kernbereich ist hierbei der für die Aufnahme von statischen und dynamischen Kräften wesentliche Bestandteil des Rotors im Bereich der Radiallagerstelle. Die Hohlkammer in dem Bereich der Radiallagerstelle schwächt den Rotorquerschnitt, so dass die wesentlichen Festigkeitseigenschaften durch den Kernbereich bestimmt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsmöglichkeit der Hohlkammer besteht darin, dass eine Hülse im Bereich der Radiallagerstelle auf den Rotor aufgebracht wird, die mit einer radial innen befindlichen Oberfläche die Hohlkammer nach radial außen hin definiert. Diese Hülse kann auf der radial innen befindlichen Oberfläche eine Aussparung aufweisen und/oder über eine entsprechende Aussparung an dem Rotor in dem Bereich der Radiallagerstelle positioniert werden, so dass die Hohlkammer sich radial in den Bereich der Hülse hinein erstreckt und/oder den Kernbereich des Rotors radial dezimiert.
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Eine entscheidende Erkenntnis der Erfindung liegt darin begründet, dass eine Turbomaschine besonders vorteilhaft mit einer derartigen thermischen Isolierung im Bereich der Radiallagerstelle ausgestattet werden sollte, wenn ein erstes Wellenende des Rotors von der axialen Mitte der Radiallagerstelle aus um einen Überhang über die Radiallagerstelle hinausragt, wobei ein erster Quotient aus diesem axialen Überhang zu einer Gesamtlänge des Rotors größer als 0,15 ist. Diese Formulierung geht davon aus, dass auf einer Seite der Radiallagerstelle die Hauptmasse des Rotors angeordnet ist und auf der axial anderen Seite der Radiallagerstelle ein Überhang über die Radiallagerstelle hinaus ragt. Auf der Seite, auf der sich der größere Massenanteil des Rotors befindet, ist in einem gewissen Lagerabstand auch eine zweite Radiallagerstelle bzw. ein zweites Radiallager vorgesehen. In einer Gleichung lässt sich der obige Sachverhalt hinsichtlich der Längenverhältnismäßigkeit von Gesamtlänge zu Überhang derart ausdrücken:
wobei
- QLO:
- 1. Quotient
- OVH
- Überhang (in Längeneinheit, z. B. mm)
- TLE:
- Gesamtlänge (Längeneinheit, z. B. mm).
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die axiale Erstreckung des Überhangs des Rotors eine Überhangmasse aufweist und der gesamte Rotor eine Gesamtmasse aufweist, wobei ein Quotient aus Überhangmasse zu Gesamtmasse > 0,06 ist. In einer Gleichung lässt sich dieser Sachverhalt wie folgt ausdrücken:
wobei
- QUT:
- 2. Quotient
- OVM:
- Überhangmasse (in kg)
- TMS:
- Gesamtmasse (in kg).
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Radiallager derart ausgebildet ist, so dass eine statische Lagerpressung größer 6bar ist. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung besonders zu der Ausbildung des Morten-Effekts neigt.
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Besonders zweckmäßig ist die Ausstattung einer Turbomaschine mit der definierten thermischen Isolierung, wenn die Anordnung aus Rotor und Radiallager eine relative Exzentrizität von mindestens 0,1 aufweist.
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Hierbei meint der Begriff „relative Exzentrizität“ den Abstand zwischen der radialen Mittelachse des Radiallagers und der Rotorachse an der Lagerstelle normiert auf das Radialspiel zwischen Rotor und Gleitlagerfläche des Radiallagers. Die Zusammenhänge sind aus der
4 erkennbar und im Folgenden im Einzelnen erläutert.
wobei:
- RAJ =
- Radius des Rotors an dem Lager (gemittelt über die Axialerstreckung)
- RAB =
- Radius des Lagers bezogen auf die Gleitflächen(gemittelt über die Axialerstreckung)
- Cb =
- Radiales Spiel zwischen Rotor und Lager = RAB-RAJ
- h =
- Radiales Spiel als Funktion der Umfangsposition an der das Spiel gemessen wird
- hmin =
- MOFT = Minimales Öl-Film-Spiel
- e =
- Exzentrizität - der radiale Abstand zwischen der radialen Mitte des Lagers und der radialen Mitte der Rotors
- ecb =
- e/Cb = relative Exzentrizität - falls Null, ist der Rotor in dem Lager zentriert; falls ecb den Wert 1 erreicht, berührt der Rotor das Lager, so dass der Schwerpunkt des Rotors zu der Rotorachse exzentrisch liegt und dementsprechend eine Unwucht ausbildet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Turbomaschine für einen Nennbetriebszustand mit einer Umfangsgeschwindigkeit >60m/s am äußersten Umfang des Lagerzapfens (Abschnitt der Welle bzw. des Rotors im Bereich des Radiallagers) ausgebildet ist. Hierbei bezeichnet der Nennbetriebszustand das Vorliegen derjenigen Betriebsparameter der Maschine, mit denen der Betrieb die meiste Zeit stattfindet.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausbildung des Radiallagers als eine isentrope Lagerung.
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Mit besonderem Vorteil kommt die Erfindung zum Einsatz, wenn das überstehende erste Wellenende eine Kupplung aufweist, wobei die Masse der Kupplung mindestens 2% der Gesamtmasse des Rotors beträgt. Für eine derartige Anordnung ist eine Maßnahme gegen den Morten-Effekt äußerst zweckmäßig.
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Besonders bevorzugt ist der Einsatz der Erfindung, wenn die Gewichtskraft der Überhangmasse mindestens 12% der Lagerlast des Radiallagers beträgt. Weiterhin ist der Einsatz der Erfindung besonders zweckmäßig, wenn der Überhang einen Massenschwerpunkt aufweist, der sich näher am axialen Ende des Rotors als am axialen Mittelpunkt des Radiallagers befindet.
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Desweiteren ist der Einsatz der Erfindung besonders sinnvoll, wenn der Rotor für den Nennbetrieb derart ausgelegt ist, dass bei Nenndrehzahl eine Unwuchtfliehkraft des Überhangs bei 1° Biegung am Radiallager mindestens 60% der statischen Lagerkraft im Radiallager beträgt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine radiale Höhe der Hohlkammer kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5% des Rotordurchmessers an der Radiallagerposition ist.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher verdeutlicht. Es zeigen:
- 1 eine schematische stark vereinfachte Darstellung eines Turboverdichters nach der Erfindung
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hohlkammer im Längsschnitt,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine mit einer Biegung von 1% im Bereich des Radiallagers des Rotors.
- 4 eine schematische Darstellung der geometrischen Zusammenhänge an der Radiallagerstelle in einem Axialschnitt.
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1 zeigt eine schematische Wiedergabe einer erfindungsgemäßen Turbomaschine, nämlich eines Turboverdichters TCO. Stark simplifiziert ist der Längsschnitt als einfache Strichzeichnung wiedergegeben, mit einem Rotor R und einem Gehäuse CAS, das den Rotor R teilweise umgibt. Der Rotor R trägt in diesem Beispiel drei rotierende Impeller, nämlich ein erstes Laufrad IMP1, ein zweites Laufrad IMP2 und ein drittes Laufrad IMP3.
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Die Begriffe „rechts“ und „links“ werden hier nur mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet. Tatsächlich kann die Anordnung auch umgekehrt sein, so dass links nur eine erste Seite und rechts die andere zweite Seite der Anordnung bezeichnen.
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Der Rotor R erstreckt sich entlang einer Rotorachse X und ist radial mittels zweier Radiallager RB gelagert. Das links angeordnete Radiallager RB ist als Festlager ausgebildet und weist dementsprechend ein angeschlossenes Axiallager auf, das nicht im weiteren Detail dargestellt ist. Dieses Radiallager lagert den Rotor R zwischen einem ersten Wellenende RN1 und dem Rest des Rotors R. Das rechts angeordnete Radiallager RB teilt den Rotor mittels dieser Radiallagerstelle in ein zweites Wellenende RN2 und den Rest des Rotors R. Die Radiallagerstelle RBP des linksseitigen Radiallagers RB ist rechtsseitig von dem ersten Laufrad IMP1 angeordnet, so, dass das erste Laufrad IMP1 als Überhang und dementsprechend als Bestandteil eines Überhangs OVH des Rotors R ausgebildet ist. Am Ende des ersten Wellenendes RN1 befindet sich noch eine Kupplung CP zur Ankupplung an andere Rotationsmaschinen, beispielsweise einen Antrieb. Alternativ kann eine Kupplung CP` (hier optional ausgeführt) auch an dem zweiten Wellenende RN2 vorgesehen sein. Der Rotor R hat die Gesamtlänge TLE und der Überhang OVH weist eine Überhanglänge OVL auf. Der Überhang OVH weist darüber hinaus eine Überhangmasse OVM auf, die in einem bestimmten Verhältnis der Gesamtmasse TMS des Rotors R steht. Beispielhaft an dem linken Radiallager RB ist eine Lagerlast BLO eingezeichnet und eine statische Lagerpressung SBP resultierend aus der Lagerlast BLU. An dem ersten Impeller IMP1 ist ebenfalls schematisch der äußerste Umfang CMX des Rotors R eingetragen, an dem sich die maximale Umfangsgeschwindigkeit RSP in Umfangsrichtung CDR in einem Nennbetrieb ergibt.
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2 zeigt Einzelheiten zu der Ausbildung eines thermisch isolierenden Hohlraums an der Radiallagerstelle RBP des linken Radiallagers RB in der 1. Die Hohlkammer CAV wird hier mittels einer Hülse SLV ausgebildet, die auf das erste Wellenende RN1 im Bereich der Radiallagerstelle RBP aufgeschrumpft ist. Zwischen zwei Schrumpfsitzen der Hülse SLV befindet sich axial auf der radialen Innenseite der Hülse SLV eine radiale Ausnehmung mit der radialen Höhe RHT. Im Bereich der Radiallagerstelle RBP hat der Rotor R einen Rotordurchmesser RDM, wobei die radiale Höhe RHT der Hohlkammer kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5% des Rotordurchmessers RDM ist. Auf diese Weise wird der gewünschte thermische Isoliereffekt erreicht.
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3 zeigt schematisch eine Biegung des ersten Wellenendes RN1 um einen Winkel α im Bereich der Radiallagerstelle RBP, so dass der Massenschwerpunkt MSPOV des Überhangs OV (zu unterscheiden von dem Massenschwerpunkt MSP des gesamten Rotors R und die Exzentrizität EXT des Massenschwerpunkt MSP zu der Rotorachse X) sich exzentrisch um eine Exzentrizität EXT2 verlagert. In Folge der Exzentrizität des ersten Wellenendes RN1 ergibt sich eine Zentrifugalkraft CFF aufgrund der resultierenden Unwucht.
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In den 1, 3 ragt das erste Wellenende RN1 des Rotors R von der axialen Mitte der Radiallagerstelle RBP aus um den Überhang OVH über die Radiallagerstelle RBP hinaus, wobei ein erster Quotient QLO aus Überhang OVH zu einer Gesamtlänge TLE des Rotors R QLO=OVH/TLE > 0,15 beträgt.
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Die axiale Erstreckung des Überhangs OVH des Rotors R weist eine Überhangmasse OVM auf und der gesamte Rotor R weist eine Gesamtmasse TMS auf, wobei ein zweiter Quotient QOT aus Überhangmasse OVM zu Gesamtmasse TMS QOT=OVM/TMS > 0,06 bträgt. Das Radiallager RB ist derart ausgebildet, dass eine statische Lagerpressung SBP > 6bar beträgt.
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Die Turbomaschine ist für einen Nennbetriebszustand mit einer Umfangsgeschwindigkeit RSP RSP > 60m/s am äußersten Umfang CMX des Rotors R ausgebildet. Das Radiallager RB ist für eine isentrope Lagerung ausgebildet. Das überstehende erste Wellenende RN1 weist eine Kupplung CP auf, wobei die Masse der Kupplung CP mindestens 2% der Gesamtmasse TMS des Rotors R beträgt.
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Die Gewichtskraft der Überhangmasse OVM beträgt mindestens 12% der Lagerlast BLO des Radiallagers RB.
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Der Überhang weist einen Massenschwerpunkt auf, wobei der Massenschwerpunkt des Überhangs sich näher am axialen Ende des Rotors R als am axialen Mittelpunkt des Radiallagers RB befindet.
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Der Rotor R ist für den Nennbetrieb derart ausgelegt, dass bei Nenndrehzahl NN eine Unwucht-Fliehkraft des Überhangs bei 1° Biegung am Radiallager RB mindestens 60% der statischen Lagerkraft im Radiallager RB beträgt.
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In 2 ist eine radiale Höhe RHT der Hohlkammer CAV kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5% des Rotordurchmessers RDM an der Radiallagerposition RBP.
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Das Lager RB weist eine relative Exzentrizität EXT von EXT < 0,1 auf.
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4 zeigt eine schematische axiale Schnittdarstellung des Rotors R bzw. der Welle des Rotors R im Bereich des linken Axiallagers RB. Der Rotor R ist in der 4 in einer Rotation ROT gegenüber dem stehenden Radiallager RB dargestellt. Der Rotor R erstreckt sich axial in Richtung der Rotorachse X. Das Radiallager RB weist einen radialen Mittelpunkt X' auf. Die Darstellung der 4 zeigt einen spezifischen Axialschnitt, der geometrische Parameter wiedergibt, die in Axialrichtung über die Länge des Radiallagers RB gemittelt sind. Das Radiallager RB weist hinsichtlich der inneren Oberfläche der Gleitflächen einen Radiallagerradius RAB auf. Der Rotor R weist einen Radius RAJ auf. Der Radius des Rotors RAJ ist geringer ausgebildet als der Radius des Lagers RAB. Infolge der Rotation ROT positioniert sich der Rotor R in dem Radiallager RB in einer bestimmten Radiallage. In dieser Radiallage befinden sich die Rotationsachse X und der radiale Mittelpunkt X' des Radiallagers RB auf einer Achse der Achsen LOC. In Verlängerung der Achse der Achsen LOC befindet sich in diesem Betriebszustand ein minimales Radialspiel zwischen der Oberfläche des Rotors R und der Gleitfläche des Radiallagers RB. Das minimale Radialspiel HMIN ist hier auch als OFT bezeichnet. Im Allgemeinen ist das Radialspiel zwischen der Oberfläche des Rotors R und der Gleitfläche des Radiallagers RB als H bezeichnet mit einer Funktion der Umfangsposition AAG (die hier als Winkel angegeben ist). Der Abstand zwischen der Rotorachse X und der radialen Mitte X' des Radiallagers RB ist die Exzentrizität E. Hieraus errechnet sich in Kombination mit dem theoretischen Radialspiel (Differenz zwischen Radius des Lagers RAB und Radius des Rotors RAJ) die relative Exzentrizität.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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