DE102019215444A1

DE102019215444A1 - Rotor für eine Turbomaschine, Turbomaschine mit Rotor

Info

Publication number: DE102019215444A1
Application number: DE102019215444.1A
Authority: DE
Inventors: Sietze Van Buuren; Steffen Derhardt; Michael Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-04-15
Also published as: WO2021069134A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine Turbomaschine (10), insbesondere einen Turboverdichter, umfassend eine Hülse (2), einen in der Hülse (2) aufgenommenen Magneten (3) sowie mindestens ein mit der Hülse (2) drehfest verbundenes Wellenende (4). Erfindungsgemäß ist die drehfeste Verbindung über eine vorzugsweise umlaufende Schweißnaht (5) realisiert.Die Erfindung betrifft ferner eine Turbomaschine (10') mit einem erfindungsgemäßen Rotor (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Turbomaschine, insbesondere für einen Turboverdichter, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere einen Turboverdichter, mit einem derartigen Rotor.
Stand der Technik
Eine Turbomaschine bzw. ein Turboverdichter ist eine hochdrehende Maschine. Derartige hochdrehende Maschinen finden sich beispielsweise in Brennstoffzellensystemen, Klimaanlagen und Wärmepumpen, in der Regel um Luft oder ein Kältemittel zu verdichten. Typischerweise werden dabei Drehzahlen von mehr als 80.000 l/min erreicht. Das heißt, dass sich die Rotoren derartiger Maschinen sehr schnell drehen. Ein Rotor für eine Turbomaschine der vorstehend genannten Art sollte demnach möglichst kompakt und steif sein, so dass derart hohe Drehzahlen problemlos realisierbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind mehrteilig ausgeführte Rotoren bekannt, wobei die mehreren Teile mit Hilfe eines Zugankers axial verspannt werden. Derartige Rotoren gehen beispielhaft aus der US 2014/0186745 A1 und der US 2005/0099079 A1 hervor.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor anzugeben, der einen vereinfachten Aufbau aufweist und kostengünstig zu fertigen ist, dabei zugleich ausreichend steif ist, um hohe Drehzahlen realisieren zu können.
Zur Lösung der Aufgabe werden der Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Der für eine Turbomaschine, insbesondere einen Turboverdichter, vorgeschlagene Rotor umfasst eine Hülse, einen in der Hülse aufgenommenen Magneten sowie mindestens ein mit der Hülse drehfest verbundenes Wellenende. Erfindungsgemäß ist die drehfeste Verbindung über eine vorzugsweise umlaufende Schweißnaht realisiert. Das heißt, dass das mindestens eine Wellenende und die Hülse miteinander verschweißt sind, wobei die Schweißnaht auch mehrere, beispielsweise punktuell gesetzte Schweißnähte umfassen kann. Eine umlaufende Schweißnaht wird jedoch bevorzugt, da zum Einen eine höhere Festigkeit der Schweißverbindung erreicht wird, zum Anderen das Innere der Hülse über eine umlaufende Schweißnaht hermetisch abgeschlossen ist. Der sich im Inneren der Hülse befindende Magnet ist somit optimal geschützt. Da ein Magnet in der Regel wenig korrosionsbeständig gegenüber Feuchtigkeit und/oder anderen korrosiven Medien ist, kann er mit Hilfe der umlaufenden Schweißnaht insbesondere vor einem korrosiven Angriff geschützt werden.
Die Schweißverbindung zwischen dem Wellenende und der Hülse besitzt darüber hinaus weitere Vorteile. Beispielsweise kann auf einen Zuganker zum Verspannen der Rotorbauteile verzichtet werden. Dadurch reduziert sich die Teilezahl des Rotors und der Aufbau des Rotors vereinfacht sich. Mit der reduzierten Teilezahl kann auch das Gewicht des Rotors verringert werden. Ferner minimieren die wenigen Teile die Gefahr einer Unwucht des Rotors. Schließlich wirkt sich die reduzierte Teilezahl auch positiv auf die Kosten aus.
Die vorgeschlagene Schweißverbindung führt somit zu einem Rotor, der gegenüber dem Stand der Technik kompakter und leichter aufgebaut ist sowie aufgrund seiner Steifigkeit hohe Drehzahlen ermöglicht. Die Schweißverbindung erhöht zudem die Eigenfrequenz des Rotors, was ebenfalls dazu beiträgt, dass höhere Betriebsdrehzahlen gefahren werden können.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Wellenende und die Hülse axial gestoßen. Die Schweißnaht ist zudem im Bereich einer umlaufenden Stoßfuge zwischen dem Wellenende und der Hülse ausgebildet. Zur Zentrierung der beiden Fügepartner während der Herstellung der Schweißverbindung kann temporär ein Zentrierwerkzeug eingesetzt werden, das anschließend wieder entfernt wird. Durch axiales Stoßen der beiden Fügepartner kann Bauraum eingespart werden. Insbesondere kann die Hülse verkürzt werden, so dass sich die Länge des Rotors reduziert. Die reduzierte Länge wiederum führt zu einer höheren Steifigkeit bei zugleich reduzierter Masse. Dadurch erhöht sich die biegekritische Drehzahl des Rotors, so dass höhere Betriebsdrehzahlen ermöglicht werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist das Wellenende einen Verbindungsabschnitt auf, der in die Hülse eingesetzt, vorzugsweise eingepresst, ist. Die Schweißnaht ist in diesem Fall im Bereich des Verbindungsabschnitts ausgebildet. Der in die Hülse eingesetzte bzw. eingepresste Verbindungsabschnitt erhöht zusätzlich die Steifigkeit des Rotors. Ist der Verbindungsabschnitt in die Hülse eingepresst, werden Drehmomente und Axialkräfte nicht nur über die Schweißverbindung, sondern zusätzlich über die Pressverbindung übertragen und die Schweißverbindung damit entlastet. Im Ergebnis steigt damit die Belastbarkeit der Schweißnaht.
Das mindestens eine Wellenende ist vorzugsweise aus Stahl, weiterhin vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Stahl, gefertigt. Stahl ist zum Einen ein sehr fester Werkstoff, zum Anderen gut schweißbar. Bevorzugt wird das mindestens eine Wellenende aus einem korrosionsbeständigen Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil gefertigt.
Die Hülse des Rotors kann insbesondere aus einer Nickelbasislegierung gefertigt sein. Eine aus einem derartigen Werkstoff gefertigte Hülse ist einfach mit einem Wellenende aus Stahl, insbesondere aus einem korrosionsbeständigen Stahl, verschweißbar.
Vorteilhafterweise ist der Magnet in die Hülse eingepresst. Über die Pressverbindung zwischen dem Magneten und der Hülse kann die Steifigkeit des Rotors weiter erhöht werden.
Um einen Kantenausbruch im Bereich einer Kante des Magneten zu verhindern, beispielsweise beim Einpressen in die Hülse, kann auf mindestens einer Stirnfläche des Magneten eine Scheibe aufgesetzt, insbesondere aufgeklebt, sein. In diesem Fall weist zumindest die Scheibe ein Pressübermaß gegenüber dem Innendurchmesser er Hülse auf. Vorteilhafterweise ist auf beide Stirnflächen des Magneten jeweils eine Scheibe aufgesetzt, insbesondere aufgeklebt, so dass beide Kanten vor Kantenausbrüchen geschützt sind.
Bevorzugt ist die Hülse umfangseitig vollständig geschlossen ausgeführt. Das heißt, dass die Hülse keine umfangseitigen Durchbrechungen, Öffnungen, Bohrungen oder dergleichen aufweist, da diese die Hülse schwächen würden. Aufgrund der hohen Drehzahlen und damit verbundenen Fliehkräfte könnte es bei einer umfangseitigen Bohrung zu hohen Bauteilspannungen und damit zu einem Versagen der Hülse kommen. Ist die Hülse jedoch frei von derartigen Durchbrechungen und/oder Öffnungen ist diese Gefahr weitgehend gebannt.
Darüber hinaus wird eine Turbomaschine, insbesondere ein Turboverdichter, mit einem erfindungsgemäßen Rotor sowie einem Elektromotor vorgeschlagen, welcher den Rotor zumindest abschnittsweise umgibt. Der Rotor ist dabei über mindestens ein Radiallager und/oder Axiallager drehbar gegenüber dem Elektromotor gelagert. Bei dem Radial- und/oder Axiallager kann es sich um ein aerodynamisches oder -statisches Lager handeln. Ferner kann das mindestens eine Radial- und/oder Axiallager als Folienlager, Kippsegmentlager oder Spiralrillenlager ausgeführt sein. Alternativ kann auch ein hydrodynamisches oder -statisches Lager zum Einsatz gelangen. Das mindestens eine Radial- und/oder Axiallager kann zudem ein Kugellager oder ein Magnetlager sein. Vorzugsweise sind mindestens zwei Radiallager vorgesehen, über welche der Rotor radial abgestützt ist. Darüber hinaus kann ein Axiallager zur axialen Abstützung vorgesehen sein.
Bevorzugt ist auf mindestens einem Wellenende des Rotors ein Verdichterrad angeordnet, das drehfest mit dem Wellenende verbunden ist. Die Turbomaschine ist in diesem Fall ein Turboverdichter, der ein- oder mehrstufig und/oder ein- oder mehrflutig ausgeführt ist. Entsprechend erhöht sich die Anzahl der auf dem Rotor angeordneten Verdichterräder. Alternativ oder ergänzend kann auf dem Rotor mindestens ein Turbinenrad angeordnet sein. Über das mindestens eine Turbinenrad kann der Elektromotor entlastet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Rotors,
3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 schematisch dargestellte Turbomaschine 10 umfasst einen Rotor 1 mit zwei Wellenenden 4, auf denen jeweils ein Verdichterrad 14 angeordnet ist. Der Rotor 1 ist über zwei Radiallager 12 und einem Axiallager 13 drehbar gelagert. Der Antrieb der Rotors 1 erfolgt mittels eines Elektromotors 11, der den Rotor 1 im Bereich eines Magneten 3 umgibt. Der Magnet 3 ist in einer Hülse 2 aufgenommen, die zwischen den beiden Wellenenden 4 angeordnet ist.
Wie der 2 zu entnehmen ist, weisen beide Wellenenden 4 jeweils einen Verbindungsabschnitt 7 auf, mittels welcher sie in die Hülse 2 eingepresst sind. Da die Wellenenden 4 im Bereich der Verbindungsabschnitte 7 einen geringeren Außendurchmesser aufweisen, bilden sie einen ringförmigen Absatz 15 aus, gegen den die Hülse 2 jeweils beidseits gestoßen ist. Dadurch bildet sich eine Stoßfuge 6 jeweils zwischen einem Wellenende 4 und der Hülse 2 aus, im Bereich welcher die Wellenenden 4 mit der Hülse 2 jeweils verschweißt sind. In den Stoßfugen 6 angeordnete Schweißnäht 5 sind dabei umlaufend ausgebildet, so dass hierüber das Innere der Hülse 2 zugleich abgedichtet ist. Der im Inneren der Hülse 2 aufgenommene Magnet 3 ist somit optimal vor Korrosion geschützt.
Da auch der Magnet 3 in die Hülse 2 eingepresst ist, weist er auf beiden Stirnflächen 8 aufgeklebte Scheiben 9 auf, die eine Kantenausbruch verhindern sollen.
Der 3 ist eine Abwandlung des Rotors 1 der 2 zu entnehmen. Im Unterschied zur 2 sind die Schweißnähte 5 nicht im Bereich der Stoßfugen 6 angeordnet, sondern zurückgesetzt von den Stoßfugen 6, aber immer noch im Bereich der Verbindungsabschnitte 7 der beiden Wellenenden 4.
Eine weitere Abwandlung ist der 4 zu entnehmen. Hier weisen die Wellenenden 4 keine Verbindungsabschnitte 7 auf, sondern sind axial an die Hülse 2 gestoßen und im Bereich der Stoßfugen 6 mit der Hülse 2 verschweißt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0186745 A1 [0003]
US 2005/0099079 A1 [0003]

Claims

Rotor (1) für eine Turbomaschine (10), insbesondere einen Turboverdichter, umfassend eine Hülse (2), einen in der Hülse (2) aufgenommenen Magneten (3) sowie mindestens ein mit der Hülse (2) drehfest verbundenes Wellenende (4), dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung über eine vorzugsweise umlaufende Schweißnaht (5) realisiert ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenende (4) und die Hülse (2) axial gestoßen sind und die Schweißnaht (5) im Bereich einer umlaufenden Stoßfuge (6) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenende (4) einen Verbindungsabschnitt (7) aufweist, der in die Hülse (2) eingesetzt, vorzugsweise eingepresst, ist und die Schweißnaht (5) im Bereich des Verbindungsabschnitts (7) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenende (4) aus Stahl, vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Stahl, gefertigt ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (2) aus einer Nickelbasislegierung gefertigt ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (3) in die Hülse (2) eingepresst ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Stirnfläche (8) des Magneten (3) eine Scheibe (9) aufgesetzt, insbesondere aufgeklebt, ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (2) umfangseitig vollständig geschlossen ausgeführt ist.
Turbomaschine (10), insbesondere Turboverdichter, mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einem Elektromotor (11), welcher den Rotor (1) zumindest abschnittsweise umgibt, wobei der Rotor (1) über mindestens ein Radiallager (12) und/oder Axiallager (13) drehbar gegenüber dem Elektromotor (11) gelagert ist.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem Wellenende (4) ein Verdichterrad (14) angeordnet ist, das drehfest mit dem Wellenende (4) verbunden ist.