DE102022130285A1 - Turbomachinery and processes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betritt eine Turbomaschine (1) mit einem Gehäuse (2) und einem an dem Gehäuse (2) mit einer ersten Hauptlageranordnung (5) und einer zweiten Hauptlageranordnung (6) um eine in einer Axialrichtung(x) verlaufende Drehachse (4) drehbar gelagerten Rotor (3). Dabei weist die erste Hauptlageranordnung (5) eine an dem Rotor (3) ausgebildete erste Lagerfläche (5a) und eine an dem Gehäuse (2) angeordnete und mit der ersten Lagerfläche (5a) wechselwirkende erste Lagervorrichtung (5b) auf. Die zweite Hauptlageranordnung (6) weist eine an dem Rotor (3) ausgebildete zweite Lagerfläche (6a) und eine an dem Gehäuse (2) angeordnete und mit der zweiten Lagerfläche (6a) wechselwirkende zweite Lagervorrichtung (6d) auf. Der der Rotor (3) umfasst zumindest ein Turbolaufrad (8b). Erfindungsgemäß weist der Rotor (3) zumindest einen das Turbolaufrad (8b) umfassenden Funktionsabschnitt (8), einen lösbar mit dem Funktionsabschnitt (8) verbundenen ersten Lagerabschnitt (11) und einen lösbar mit dem Funktionsabschnitt (8) und/oder dem ersten Lagerabschnitt (11) verbundenen zweiten Lagerabschnitt (12) auf. Die erste Lagerfläche (5a) ist dabei an dem ersten Lagerabschnitt (11) und die zweite Lagerfläche (6a) an dem zweiten Lagerabschnitt (12) angeordnet.The invention relates to a turbomachine (1) with a housing (2) and a rotor (3) which is mounted on the housing (2) with a first main bearing arrangement (5) and a second main bearing arrangement (6) so as to be rotatable about an axis of rotation (4) running in an axial direction (x). The first main bearing arrangement (5) has a first bearing surface (5a) formed on the rotor (3) and a first bearing device (5b) arranged on the housing (2) and interacting with the first bearing surface (5a). The second main bearing arrangement (6) has a second bearing surface (6a) formed on the rotor (3) and a second bearing device (6d) arranged on the housing (2) and interacting with the second bearing surface (6a). The rotor (3) comprises at least one turbo impeller (8b). According to the invention, the rotor (3) has at least one functional section (8) comprising the turbo impeller (8b), a first bearing section (11) detachably connected to the functional section (8), and a second bearing section (12) detachably connected to the functional section (8) and/or the first bearing section (11). The first bearing surface (5a) is arranged on the first bearing section (11) and the second bearing surface (6a) on the second bearing section (12).
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem Gehäuse und einem an dem Gehäuse mit einer ersten Hauptlageranordnung und einer zweiten Hauptlageranordnung um eine in einer Axialrichtung verlaufende Drehachse drehbar gelagerten Rotor. Die erste Hauptlageranordnung weist eine an dem Rotor ausgebildete erste Lagerfläche und eine an dem Gehäuse angeordnete und mit der ersten Lagerfläche wechselwirkende erste Lagervorrichtung auf. Die zweite Hauptlageranordnung weist analog eine an dem Rotor ausgebildete zweite Lagerfläche und eine an dem Gehäuse angeordnete und mit der zweiten Lagerfläche wechselwirkende zweite Lagervorrichtung auf. Ferner umfasst der Rotor zumindest ein Turbolaufrad.The invention relates to a turbomachine with a housing and a rotor mounted on the housing with a first main bearing arrangement and a second main bearing arrangement so as to be rotatable about an axis of rotation running in an axial direction. The first main bearing arrangement has a first bearing surface formed on the rotor and a first bearing device arranged on the housing and interacting with the first bearing surface. The second main bearing arrangement similarly has a second bearing surface formed on the rotor and a second bearing device arranged on the housing and interacting with the second bearing surface. The rotor also comprises at least one turbo impeller.
Bei einer Turbomaschine handelt es sich um eine Kraftmaschine, welche Druck- und Strömungsenergie eines Fluides (Prozessfluid) in eine Drehbewegung des Rotors umsetzen kann - und/oder umgekehrt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Turbokompressoren, Turbopumpen, Expander bzw. Turbinen und dergleichen. Um eine möglichst reibungs- und verschleißarme Drehbewegung des Rotors an dem Gehäuse zu ermöglichen, sind zumindest eine erste und eine zweite Hauptlageranordnung vorgesehen. Diese ist dazu eingerichtet, die Gewichtskraft des Rotors sowie weitere statische und dynamische Kräfte aufzunehmen, welche während des regulären Betriebs der Turbomaschine anfallen. Diese können beispielsweise auch durch Druckunterschiede des Prozessfluides entlang des Rotors, durch Druck- und/oder Drehzahl-Änderungen hervorgerufen werden.A turbomachine is a power machine that can convert the pressure and flow energy of a fluid (process fluid) into a rotary movement of the rotor - and/or vice versa. These are in particular turbo compressors, turbo pumps, expanders or turbines and the like. In order to enable the rotary movement of the rotor on the housing with as little friction and wear as possible, at least a first and a second main bearing arrangement are provided. This is designed to absorb the weight of the rotor as well as other static and dynamic forces that arise during regular operation of the turbomachine. These can also be caused, for example, by pressure differences in the process fluid along the rotor, by pressure and/or speed changes.
Je höher die (vorgesehene) Drehzahl des Rotors am Gehäuse ist, desto präziser und wirksamer muss die Lagerung funktionieren. Ein unkontrollierter Kontakt des Rotors mit dem Gehäuse bei Drehzahlen von mehreren 10.000 Umdrehungen pro Minute kann zu einem katastrophalen Versagen und zur Zerstörung der Turbomaschine führen.The higher the (intended) speed of the rotor on the housing, the more precise and effective the bearing must be. Uncontrolled contact between the rotor and the housing at speeds of several tens of thousands of revolutions per minute can lead to catastrophic failure and destruction of the turbomachine.
Neben der Ausgestaltung der Lagerung ist auch die Formgebung des Turbolaufrads für die Herstellung einer Turbomaschine wesentlich. Das Turbolaufrad bildet den strömungsaktiven Teil des Rotors, in dem die mechanische Wechselwirkung mit dem Prozessfluid erfolgt. Um diese Wechselwirkung zu optimieren, ist eine präzise Formgebung der daran angeordneten Strömungsleiteinrichtungen wie z.B. Leitschaufeln oder Strömungskanäle erforderlich. Weiterhin macht das Turbolaufrad einen nicht unwesentlichen Anteil an der Masse des Rotors aus. Infolgedessen muss zur Verhinderung von Unwuchten eine besonders gleichmäßige Massenverteilung eingehalten werden. Auch werden die Oberflächen von Turbolaufrädern mitunter nachträglich behandelt (insbesondere veredelt und/oder beschichtet), um die Reibung des Prozessfluides herabzusetzen und negative Effekte auf das Material des Rotors - beispielsweise durch Korrosion - zu vermindern. Infolgedessen ist die Herstellung des Turbolaufrads sehr aufwändig und kostenintensiv.In addition to the design of the bearing, the shape of the turbo impeller is also essential for the manufacture of a turbo machine. The turbo impeller forms the flow-active part of the rotor, in which the mechanical interaction with the process fluid takes place. In order to optimize this interaction, the flow guidance devices arranged on it, such as guide vanes or flow channels, must be precisely shaped. The turbo impeller also makes up a significant proportion of the mass of the rotor. As a result, a particularly even mass distribution must be maintained to prevent imbalances. The surfaces of turbo impellers are also sometimes subsequently treated (in particular refined and/or coated) in order to reduce the friction of the process fluid and to reduce negative effects on the material of the rotor - for example due to corrosion. As a result, the manufacture of the turbo impeller is very complex and costly.
Um den hohen auftretenden Belastungen zu widerstehen und dabei eine exakte Positionierung eines Turbolaufrads zu gewährleisten, werden Turbolaufräder häufig irreversibel mit dem Rotor verbunden - beispielsweise durch sogenanntes Aufschrumpfen. Auch werden Turbolaufräder gelegentlich aus dem Vollmaterial des Rotors hergestellt. In jedem Fall ist vom Nachteil, dass bei einer Beschädigung nur einer Komponente - beispielsweise eines Lagers - oder einer nachträglichen Änderung in der Auslegung der Turbomaschine ein kompletter Austausch des Rotors erfolgen muss. Dies ist sehr kosten- und ressourcenintensiv.In order to withstand the high loads that occur and to ensure that a turbo impeller is positioned precisely, turbo impellers are often irreversibly connected to the rotor - for example by shrinking. Turbo impellers are also occasionally made from the solid material of the rotor. In any case, the disadvantage is that if just one component - for example a bearing - is damaged or if there is a subsequent change in the design of the turbo machine, the rotor must be completely replaced. This is very costly and resource-intensive.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Einsatz der Turbomaschine flexibler und ressourcenschonender zu gestalten.Against this background, the invention is based on the task of making the use of turbomachines more flexible and more resource-efficient.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist eine Turbomaschine nach Anspruch 1, ein Betriebsverfahren nach Anspruch 8, sowie ein Verfahren zur Nachrüstung einer Turbomaschine nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.The subject matter of the invention and the solution to this problem is a turbomachine according to claim 1, an operating method according to
Ausgehend von der gattungsgemäßen Turbomaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Rotor zumindest einen das Turbolaufrad umfassenden Funktionsabschnitt, einen lösbar mit dem Funktionsabschnitt verbundenen ersten Lagerabschnitt und einen lösbar mit dem Funktionsabschnitt und/oder dem ersten Lagerabschnitt verbundenen zweiten Lagerabschnitt aufweist. Die erste Lagerfläche ist dabei an dem ersten Lagerabschnitt und die zweite Lagerfläche an den zweiten Lagerabschnitt angeordnet. Die Erfindung sieht einen modularen Aufbau des Rotors vor. Sowohl die erste Hauptlageranordnung, die zweite Hauptlageranordnung als auch die Funktionsanordnung mit dem Turbolaufrad sind jeweils separat als ein Modul gefertigt, welche unabhängig von den übrigen Komponenten hergestellt, gewartet, repariert oder ausgetauscht werden können. Dadurch ist es nicht erforderlich, ein komplett neues Turbolaufrad herzustellen, falls nur eine Lagervorrichtung beschädigt ist oder durch eine andere Lagerungsvariante ersetzt werden soll.Based on the generic turbomachine, the invention provides that the rotor has at least one functional section comprising the turbo impeller, a first bearing section detachably connected to the functional section and a second bearing section detachably connected to the functional section and/or the first bearing section. The first bearing surface is arranged on the first bearing section and the second bearing surface on the second bearing section. The invention provides for a modular structure of the rotor. Both the first main bearing arrangement, the second main bearing arrangement and the functional arrangement with the turbo impeller are each manufactured separately as a module, which can be manufactured, maintained, repaired or replaced independently of the other components. This means that it is not necessary to manufacture a completely new turbo impeller if only one bearing device is damaged or needs to be replaced by a different bearing variant.
Im Rahmen der Erfindung können der Funktionsabschnitt und/oder die Lagerabschnitte jeweils mehrteilig ausgebildet sein. Es ist jedoch bevorzugt vorgesehen, dass der Funktionsabschnitt, der erste Lagerabschnitt und/oder der zweite Lagerabschnitt jeweils einteilig bzw. einstückig - d. h. nicht zerstörungsfrei demontierbar zusammengesetzt - ausgebildet sind.Within the scope of the invention, the functional section and/or the bearing sections can each be designed in several parts. However, it is preferably provided that the functional section, the first The bearing section and/or the second bearing section are each formed as one piece or in one piece - ie they are not assembled in a way that can be dismantled non-destructively.
Die erste Lagerfläche und die zweite Lagerfläche können ohne Beschränkung der Erfindung senkrecht zu der Axialrichtung und/oder rotationssymmetrisch um die Drehachse ausgebildet sein. Sowohl die erste Lagerfläche als auch die zweite Lagerfläche können dafür vorgesehen sein, radiale und/oder axiale Kräfte aufzunehmen. Damit können die erste Hauptlageranordnung und die zweite Hauptlageranordnung jeweils als Axiallager, als Radiallager oder als kombinierte axial-radial-Lager ausgebildet sein.The first bearing surface and the second bearing surface can be designed perpendicular to the axial direction and/or rotationally symmetrical about the axis of rotation without limiting the invention. Both the first bearing surface and the second bearing surface can be provided to absorb radial and/or axial forces. The first main bearing arrangement and the second main bearing arrangement can thus each be designed as an axial bearing, as a radial bearing or as a combined axial-radial bearing.
Beispielsweise kann eine Lagerfläche abschnittsweise als Oberfläche einer Lagerscheibe ausgebildet sein, welche als Bestandteil eines Axiallagers dient. Alternativ oder zusätzlich kann die Lagerfläche auch - zumindest stellenweise - als zylindersymmetrische Außenfläche eines Wellenabschnitts gebildet sein, welche zur radialen Abstützung des Rotors dient.For example, a bearing surface can be designed in sections as the surface of a bearing disk, which serves as a component of an axial bearing. Alternatively or additionally, the bearing surface can also be designed - at least in places - as a cylindrically symmetrical outer surface of a shaft section, which serves to radially support the rotor.
Auch der Funktionsabschnitt kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Funktionsabschnitt eine zentrale Welle, insbesondere Hohlwelle, aufweisen, mit der die Lagerabschnitte lösbar verbindbar sind. Auf der Welle ist das zumindest eine Turbolaufrad ausgebildet bzw. angeordnet.The functional section can also be designed in one or more parts. In particular, the functional section can have a central shaft, in particular a hollow shaft, to which the bearing sections can be detachably connected. The at least one turbo impeller is designed or arranged on the shaft.
Das Turbolaufrad kann ohne Beschränkung der Erfindung geschmiedet, aus dem Vollmaterial gefräst oder in additiver Fertigung hergestellt sein. Auch kann das Turbolaufrad eine Vielzahl von Turbinenschaufeln umfassen, welche an einem Träger befestigt sind. Dieser Träger kann als separates Bauteil oder als Abschnitt einer zentralen Welle gebildet sein.Without limiting the invention, the turbo impeller can be forged, milled from solid material or manufactured using additive manufacturing. The turbo impeller can also comprise a plurality of turbine blades which are attached to a carrier. This carrier can be formed as a separate component or as a section of a central shaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Hauptlageranordnung von einem Typ ausgewählt der Gruppe fluidgeschmiertes Lager, Magnetlager oder Gaslager. Diese Lagertypen bieten eine zuverlässige und leistungsfähige Möglichkeit, den Rotor einer Turbomaschine reibungsarm am Gehäuse zu lagern.According to a preferred embodiment, the first main bearing arrangement is of a type selected from the group of fluid-lubricated bearings, magnetic bearings or gas bearings. These bearing types offer a reliable and efficient way of mounting the rotor of a turbomachine on the housing with low friction.
Unter einem Fluidlager ist dabei im engeren Sinne ein flüssigkeitsgeschmiertes, insbesondere ölgeschmiertes Lager zu verstehen. Dabei ist zwischen der Lagervorrichtung und der Lagerfläche ein Lagerspalt ausgebildet, in dem ein Fluid als Schmiermittel eingebracht wird. Die Abstützung kann dabei sowohl als hydrostatisches Gleitlager als auch als hydrodynamisches Gleitlager sowie als Mischform ausgebildet sein.In the narrower sense, a fluid bearing is understood to be a liquid-lubricated bearing, particularly an oil-lubricated bearing. A bearing gap is formed between the bearing device and the bearing surface, into which a fluid is introduced as a lubricant. The support can be designed as a hydrostatic plain bearing, a hydrodynamic plain bearing or a hybrid form.
Bei einem Magnetlager wird die Lagerfläche zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen bzw. magnetisierbarem oder magnetisierten Material gebildet. Die Lagervorrichtung umfasst dabei ein oder mehrere gesteuerte Elektromagneten, durch welche auf die Lagerfläche Kräfte in Abhängigkeit von Position und Bewegungsgeschwindigkeit des Rotors ausgeübt werden. Hierdurch ist eine berührungsfreie und schmiermittelfreie Hauptlagerung möglich.In a magnetic bearing, the bearing surface is at least partially made of a ferromagnetic or magnetizable or magnetized material. The bearing device comprises one or more controlled electromagnets, which exert forces on the bearing surface depending on the position and speed of movement of the rotor. This enables a contact-free and lubricant-free main bearing.
Unter einem gasgeschmierten Lager versteht die Anmeldung ein Fluidlager, bei dem ein gasförmiger Schmierstoff zur Abstützung zwischen der Lagervorrichtung und der Lagerfläche dient. Hierbei kann es sich insbesondere um Luft, das durch das Turbolaufrad geführte Prozessfluid und/oder ein Inertgas handeln. Insbesondere kann ein Lager vom Typ eines sogenannten „foil bearing“ - auch als „foil-air bearing“ bezeichnet - verwendet werden. Dabei handelt sich um eine Sonderform des hydrodynamischen Lagers, bei dem im Lagerspalt nahe der Lagerfläche eine Metallfolienanordnung positioniert ist. Diese kann zur Optimierung der Strömungseigenschaften sowohl glatte als auch strukturierte, insbesondere wellenförmig geprägte, Bereiche umfassen. The application defines a gas-lubricated bearing as a fluid bearing in which a gaseous lubricant serves as support between the bearing device and the bearing surface. This can be air, the process fluid guided through the turbo impeller and/or an inert gas. In particular, a bearing of the type known as a "foil bearing" - also referred to as a "foil-air bearing" - can be used. This is a special form of hydrodynamic bearing in which a metal foil arrangement is positioned in the bearing gap near the bearing surface. This can include both smooth and structured, in particular wave-shaped, areas to optimize the flow properties.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann alternativ oder zusätzlich die zweite Hauptlageranordnung von einem Typ ausgewählt aus der Gruppe fluidgeschmiertes Lager, Magnetlager oder Gaslager sein. Ganz besonders bevorzugt sind die erste Hauptlageranordnung und die zweite an Hauptlageranordnung von demselben Lagertyp. Dies hat insbesondere den Vorteil eines gleichen Verhaltens der beiden Hauptlageranordnungen im Betrieb. Außerdem können so Synergie-Effekte genutzt werden, da Versorgungs- und Steuerungseinrichtungen der beiden Hauptlageranordnungen gemeinsam ausgeführt sein können. Beispielsweise bei einem ölgeschmierten Lager können sich die beiden Hauptlageranordnungen einen gemeinsamen Ölsumpf und eine gemeinsame Ölpumpe teilen. Auch bei Magnetlagern ist eine gemeinsame Steuerung und Spannungsversorgung möglich.According to a preferred embodiment, the second main bearing arrangement can alternatively or additionally be of a type selected from the group of fluid-lubricated bearings, magnetic bearings or gas bearings. The first main bearing arrangement and the second main bearing arrangement are particularly preferably of the same bearing type. This has the particular advantage of the two main bearing arrangements behaving in the same way during operation. In addition, synergy effects can be used, since the supply and control devices of the two main bearing arrangements can be designed together. For example, in the case of an oil-lubricated bearing, the two main bearing arrangements can share a common oil sump and a common oil pump. A common control and power supply is also possible with magnetic bearings.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Funktionsabschnitt in der Axialrichtung zwischen dem ersten Lagerabschnitt und dem zweiten Lagerabschnitt angeordnet. Dabei berühren sich die beiden Lagerabschnitte nicht direkt und sind lediglich mittelbar über den Funktionsabschnitt miteinander verbunden. Die beidseitige Anordnung der Lagerabschnitte erleichtert die Aufnahme von Lagerkräften. So lassen sich Kippmomente und Kreiselkräfte des Turbolaufrads leichter abfangen und in das Gehäuse einleiten.According to a particularly preferred embodiment, the functional section is arranged in the axial direction between the first bearing section and the second bearing section. The two bearing sections do not touch each other directly and are only indirectly connected to each other via the functional section. The arrangement of the bearing sections on both sides makes it easier to absorb bearing forces. This makes it easier to absorb tilting moments and centrifugal forces of the turbo impeller and to introduce them into the housing.
Vorzugsweise ist der Rotor vollständig durch die erste Hauptlageranordnung und die zweite Hauptlageranordnung (in Axialrichtung und Radialrichtung) an dem Gehäuse gelagert. Zum Betrieb sind keine weiteren Lager erforderlich. Auch wenn diese in gewisser Weise radial und/oder axial stützend sein können, sind dabei mechanische Anschlüsse zum An- bzw. Abtrieb der Turbomaschine nicht als „Lager“ im Sinne der Erfindung zu verstehen. Beispielsweise sind eine axial endseitig mit dem Rotor verbundene Antriebs- bzw. Abtriebswelle oder ein am Rotor ausgebildetes Ritzel, welches mit einem Zahnrad kämmt, keine Lager im engeren Sinne.Preferably, the rotor is completely supported on the housing by the first main bearing arrangement and the second main bearing arrangement (in the axial direction and radial direction). No further bearings are required for operation. Even if these can provide radial and/or axial support to a certain extent, mechanical connections for driving or driving the turbomachine are not to be understood as "bearings" in the sense of the invention. For example, a drive or driven shaft connected axially to the rotor at the end or a pinion formed on the rotor that meshes with a gear are not bearings in the narrow sense.
Ebenso kann die Turboanordnung Fanglager beinhalten, welche im regulären Betrieb nicht wirksam sind. Diese dienen insbesondere beim An- oder Abfahren der Turbomaschine und/oder bei einem plötzlichen Versagen der Hauptlageranordnungen als Back-up, um eine Beschädigung der Turbomaschine zu verhindern. Die Fanglager können insbesondere als Wälzlager, insbesondere Nadellager ausgebildet sein, welche im regulären Betrieb keinen Kontakt mit dem Rotor haben, da die Hauptlageranordnungen diesen entsprechend auf Abstand halten.The turbo arrangement can also contain safety bearings that are not effective during normal operation. These serve as a backup in particular when starting up or shutting down the turbo machine and/or in the event of a sudden failure of the main bearing arrangements in order to prevent damage to the turbo machine. The safety bearings can in particular be designed as rolling bearings, in particular needle bearings, which have no contact with the rotor during normal operation, since the main bearing arrangements keep it at a corresponding distance.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen der erste Lagerabschnitt und der zweite Lagerabschnitt kein Turbolaufrad, insbesondere keinerlei daran unmittelbar befestigten strömungsaktiven Teile auf. Bei einer größeren Anzahl von Lagerabschnitten gilt dies in besonders bevorzugter Weise für sämtliche Lagerabschnitte. Unter einem strömungsaktiven Teil ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche zur Umwandlung von Strömungsenergie in Zusammenarbeit mit dem Prozessfluid wirksam ist. Gemäß dieser bevorzugten Variante wird die funktionale Trennung zwischen dem Funktionsabschnitt und den Lagerabschnitten vertieft. Bei einer Veränderung, Wartung oder Reparatur der Lager sind dabei jeweils nur die Lagerabschnitte betroffen. Entsprechend sind die strömungsaktiven Teile an einem oder mehreren Funktionsabschnitten konzentriert sein.According to a particularly preferred embodiment, the first bearing section and the second bearing section do not have a turbo impeller, in particular no flow-active parts directly attached to them. With a larger number of bearing sections, this particularly preferably applies to all bearing sections. A flow-active part is to be understood as a device which is effective for converting flow energy in cooperation with the process fluid. According to this preferred variant, the functional separation between the functional section and the bearing sections is deepened. When the bearings are modified, maintained or repaired, only the bearing sections are affected. Accordingly, the flow-active parts are concentrated in one or more functional sections.
Vorzugsweise sind an dem Funktionsabschnitt keinerlei Lagerflächen angeordnet. Dies betrifft nicht nur die erste Hauptlageranordnung und die zweite Hauptlageranordnung, sondern bevorzugt sämtliche im Normalbetrieb aktiven Lager der Turbomaschine und ganz besonders bevorzugt sämtliche Lager der Turbomaschine einschließlich etwaiger Fang- und Hilfslager. Preferably, no bearing surfaces are arranged on the functional section. This applies not only to the first main bearing arrangement and the second main bearing arrangement, but preferably to all bearings of the turbomachine that are active during normal operation and very particularly preferably to all bearings of the turbomachine, including any backup and auxiliary bearings.
Vorzugsweise weist der Rotor eine drehstarre Verbindung, insbesondere durch eine Hirth-Verzahnung oder eine Mikro-Verklammerung auf. Die drehstarre Verbindung ist vorzugsweise zwischen dem Funktionsabschnitt und zumindest einem Lagerabschnitt und/oder zwischen den Lagerabschnitten ausgebildet. Durch die drehstarre Verbindung ist einerseits die Übertragung von Drehmomenten von einem Abschnitt auf den anderen Abschnitt möglich. Zusätzlich kann auch ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung zwischen zwei Abschnitten verhindert werden. Beispielsweise können der Funktionsabschnitt und zumindest ein angrenzender Lagerabschnitt durch zumindest einen Spannbolzen miteinander in der Axialrichtung verspannt sein. Dieser Spannbolzen ist insbesondere koaxial zu der Drehachse ausgebildet. Durch die drehstarre Verbindung der beiden angrenzenden Abschnitte kann ein unbeabsichtigtes Lockern des Spannbolzens verhindert werden.The rotor preferably has a torsionally rigid connection, in particular by means of a Hirth toothing or a micro-clamping. The torsionally rigid connection is preferably formed between the functional section and at least one bearing section and/or between the bearing sections. The torsionally rigid connection makes it possible to transfer torque from one section to the other section. In addition, an unintentional loosening of the connection between two sections can also be prevented. For example, the functional section and at least one adjacent bearing section can be clamped together in the axial direction by at least one clamping bolt. This clamping bolt is in particular formed coaxially to the axis of rotation. The torsionally rigid connection of the two adjacent sections can prevent the clamping bolt from becoming unintentional.
Bei einer Hirth-Verzahnung handelt es sich um ein rotations-periodisches Formschlussprofil, mit dem die Verbindungspartner - zwei aneinander grenzende Abschnitte - aneinander flächig anliegen. Die Kontaktflächen sind dabei zumindest abschnittsweise nicht-senkrecht zu der Drehachse ausgerichtet. Infolgedessen würde eine relative Verdrehung in eine zumindest teilweise axiale Verlagerung umgesetzt werden. Sofern dieser axiale Versatz - etwa durch Spannmittel oder Spannbolzen - verhindert wird, ist auch gleichzeitig die relative Verdrehung unterbunden.Hirth gearing is a rotationally periodic form-fitting profile with which the connecting partners - two adjacent sections - lie flat against each other. The contact surfaces are not aligned perpendicular to the axis of rotation, at least in sections. As a result, a relative twist would be converted into an at least partial axial displacement. If this axial offset is prevented - for example by clamping devices or clamping bolts - the relative twist is also prevented at the same time.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine wie sie zuvor beschrieben ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rotor (insbesondere im Normalbetrieb) ausschließlich durch die erste Hauptlageranordnung, die zweite Hauptlageranordnung und gegebenenfalls weitere Hauptlageranordnungen, welche nicht unmittelbar auf den Funktionsabschnitt wirken, in der Axialrichtung und/oder senkrecht zu der Axialrichtung (in Radialrichtung) abgestützt ist. Gleichzeitig wird das Prozessmedium ausschließlich durch strömungsaktive Teile, insbesondere das Turbolaufrad, geleitet, welche nicht an den Lagerabschnitten, sondern lediglich an einem oder mehreren Funktionsabschnitten angeordnet sind. Die funktionale Trennung des Rotors in mehrere lösbar miteinander verbundene Abschnitte erleichtert sowohl die Herstellung als auch die Reparatur bzw. Überholung und Aufrüstung der Turbomaschine.The invention also relates to a method for operating a turbomachine as described above. According to the invention, the rotor (in particular in normal operation) is supported in the axial direction and/or perpendicular to the axial direction (in the radial direction) exclusively by the first main bearing arrangement, the second main bearing arrangement and optionally further main bearing arrangements which do not act directly on the functional section. At the same time, the process medium is guided exclusively through flow-active parts, in particular the turbo impeller, which are not arranged on the bearing sections but only on one or more functional sections. The functional separation of the rotor into several detachably connected sections facilitates both the manufacture and the repair or overhaul and upgrading of the turbomachine.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Überholen einer zuvor beschriebenen Turbomaschine. Hierbei handelt es sich besonders bevorzugt um eine gebrauchte Turbomaschine, welche bereits eingesetzt wurde. Ebenso ist das Verfahren auch auf Turbomaschinen anwendbar, welche bereits fertiggestellt, jedoch noch nicht eingesetzt wurden - etwa weil sich nachträglich die Auslegung und/oder die regulatorischen Vorgaben geändert haben.The invention also relates to a method for overhauling a previously described turbomachine. This is particularly preferably a used turbomachine that has already been used. The method can also be applied to turbomachines that have already been completed but have not yet been used - for example because the design and/or regulatory requirements have subsequently changed.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der erste Lagerabschnitt von dem Rotor gelöst und durch zumindest einen alternativen Lagerabschnitt ersetzt wird. Dadurch ist es möglich, mit geringem Aufwand und Fertigungskosten ein bestehendes Lager zu ersetzen. Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere nicht erforderlich, den Rotor komplett neu zu fertigen. Dies hat insbesondere aufgrund der hohen Kosten bei der Herstellung eines Turbolaufrads erhebliche ökonomische Vorteile. Auch wird die entsprechende Änderung der Turbomaschine erheblich beschleunigt.According to the invention, the first bearing section is detached from the rotor and replaced by at least one alternative bearing section. This makes it possible to replace an existing bearing with little effort and manufacturing costs. Within the scope of the invention, it is particularly not necessary to manufacture the rotor from scratch. This has significant economic advantages, particularly due to the high costs of manufacturing a turbo impeller. The corresponding modification of the turbo machine is also significantly accelerated.
Vorzugsweise ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Gehäuse zunächst geöffnet und der Rotor aus dem Gehäuse zumindest teilweise entnommen wird. Weiterhin wird die lösbare Verbindung zwischen dem ersten Lagerabschnitt und dem Funktionsabschnitt sowie gegebenenfalls zwischen dem ersten Lagerabschnitt und dem zweiten Lagerabschnitt gelöst. Anschließend wird ein alternativer Lagerabschnitt mit dem Funktionsabschnitt und gegebenenfalls im zweiten Lagerabschnitt lösbar verbunden. Der alternative Lagerabschnitt weist dabei vorzugsweise geometrisch identische Anschlussenden auf, mit denen dieser an den benachbarten Abschnitten anliegt. Anschließend wird der überholte Rotor wieder in das Gehäuse eingesetzt und das Gehäuse nachfolgend geschlossen.Preferably, within the scope of the method according to the invention, the housing is first opened and the rotor is at least partially removed from the housing. Furthermore, the detachable connection between the first bearing section and the functional section and, if applicable, between the first bearing section and the second bearing section is released. An alternative bearing section is then detachably connected to the functional section and, if applicable, to the second bearing section. The alternative bearing section preferably has geometrically identical connection ends with which it rests against the adjacent sections. The overhauled rotor is then reinserted into the housing and the housing is subsequently closed.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Überholen der Turbomaschine kann mehrere Beweggründe haben. Beispielsweise kann ein Lagerabschnitt nach einer Beschädigung der Lagerfläche ausgetauscht werden. Auch nach einem aufgrund einer langen Betriebsdauer vermuteten oder tatsächlichen Verschleiß kann Grund für den Austausch des Lagerabschnitts sein. Hierbei wird der erste Lagerabschnitt insbesondere durch einen identischen alternativen Lagerabschnitt ersetzt, um die ursprünglichen Eigenschaften wieder herzustellen.The overhaul of the turbomachine provided for in the invention can have several motives. For example, a bearing section can be replaced after damage to the bearing surface. Suspected or actual wear due to a long period of operation can also be a reason for replacing the bearing section. In this case, the first bearing section is replaced in particular by an identical alternative bearing section in order to restore the original properties.
Weiterhin ist es möglich, bei Beibehaltung der ersten Lagervorrichtung die Eigenschaften der ersten Hauptlageranordnung zu verbessern. Beispielsweise kann die alternative Lagerfläche an dem alternativen Lagerabschnitt eine abweichende Oberflächenbehandlung im Vergleich zu dem ersten Lagerabschnitt aufweisen. Bei identischer Geometrie ist es dabei z.B. möglich, eine größere Oberflächenhärte oder geringere Reibungskoeffizienten zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Oberflächenoptimierungen, wie beispielsweise Strukturierungen oder Profilierungen eingebracht werden.It is also possible to improve the properties of the first main bearing arrangement while retaining the first bearing device. For example, the alternative bearing surface on the alternative bearing section can have a different surface treatment compared to the first bearing section. With identical geometry, it is possible, for example, to achieve greater surface hardness or lower friction coefficients. Alternatively or additionally, further surface optimizations, such as structuring or profiling, can also be introduced.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Hauptlageranordnung von einem ersten Lagertyp ist und dass der alternative Lagerabschnitt eine alternative Lagerfläche für eine alternative Hauptlageranordnung aufweist, welche von einem anderen Lagertyp ist. Dadurch ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, mit relativ geringem Aufwand den Lagertyp - der ersten Hauptlageranordnung zu wechseln. Insbesondere wird dabei gleichzeitig die erste Lagervorrichtung durch eine angepasste alternative Lagervorrichtung ausgetauscht.According to a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the first main bearing arrangement is of a first bearing type and that the alternative bearing section has an alternative bearing surface for an alternative main bearing arrangement which is of a different bearing type. As a result, within the scope of the method according to the invention it is possible to change the bearing type of the first main bearing arrangement with relatively little effort. In particular, the first bearing device is simultaneously replaced by an adapted alternative bearing device.
Besonders bevorzugt ist die erste Lageranordnung vom Typ Fluidlager, insbesondere ölgeschmiertes Gleitlager und wird durch den anderen Typ, insbesondere vom Typ Magnetlager oder Gaslager ersetzt. Dies hat den Hintergrund, dass derzeit ölgeschmierte Gleitlager den größten Verbreitungsgrad aufweisen. Diese sind sehr leistungsfähig und vergleichsweise kostengünstig.The first bearing arrangement is particularly preferably of the fluid bearing type, in particular an oil-lubricated plain bearing, and is replaced by the other type, in particular a magnetic bearing or gas bearing type. The reason for this is that oil-lubricated plain bearings are currently the most widely used. They are very efficient and comparatively inexpensive.
Die Erfindung ermöglicht in Zukunft einen Wechsel auf einen anderen Lager-Typ - sofern dies nützlich ist. Dies könnte beispielsweise der Fall sein, wenn geeignete Schmiermittel - insbesondere auf Erdöl-Basis - nur schwer oder unter unverhältnismäßig hohen Kosten verfügbar sind oder aufgrund regulatorischer Einschränkungen nicht eingesetzt werden dürfen. Das Gleiche gilt, wenn nachträglich höhere Reinheits-Anforderungen an das Prozessfluid gestellt werden und der Eintrag von Fremdstoffen wie Schmiermittel sicher verhindert werden muss. In diesem Fall ist ein kontaktloses Magnetlager bzw. ein prozessgasgespültes Gaslager (foil-bearing) vorteilhaft. Die Erfindung ermöglicht es daher, sich nicht zum jetzigen Zeitpunkt festlegen zu müssen, sondern die Turbomaschine bei Bedarf an die Gegebenheiten anpassen zu können, ohne hierfür den gesamten Rotor neu fertigen zu müssen.The invention makes it possible to switch to a different type of bearing in the future - if this is useful. This could be the case, for example, if suitable lubricants - especially petroleum-based ones - are difficult to obtain or are disproportionately expensive, or if they cannot be used due to regulatory restrictions. The same applies if higher purity requirements are subsequently imposed on the process fluid and the entry of foreign substances such as lubricants must be reliably prevented. In this case, a contactless magnetic bearing or a process gas-flushed gas bearing (foil bearing) is advantageous. The invention therefore makes it possible not to have to commit to a particular type at this point in time, but to be able to adapt the turbomachine to the circumstances as required, without having to remanufacture the entire rotor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einer in Ausführungsbeispiel darstellenden Fig. erläutert. Diese zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Turbomaschine.The invention is explained below with reference to a figure showing an exemplary embodiment. This shows schematically the structure of a turbomachine according to the invention.
Die Turbomaschine 1 umfasst ein lediglich gestrichelt angedeutetes Gehäuse 2 mit einem Rotor 3, welcher um eine in einer Axialrichtung (x) verlaufende Drehachse 4 drehbar an dem Gehäuse 2 gelagert ist. Zur Lagerung sind eine erste Hauptlageranordnung 5 und eine zweite Hauptlageranordnung 6 vorgesehen.The turbomachine 1 comprises a
Die erste Hauptlageranordnung 5 weist eine an dem Rotor 3 ausgebildete erste Lagerfläche 5a und eine an dem Gehäuse 2 angeordnete und mit der ersten Lagerfläche 5a wechselwirkende erste Lagervorrichtung 5b auf. Die erste Hauptlageranordnung 5 ist im Ausführungsbeispiel als reines Radiallager mit einer zylindersymmetrisch um die Rotationssachse 4 ausgebildeten ersten Lagerfläche 5a verwirklicht.The first
Die zweite Hauptlageranordnung 6 ist im Ausführungsbeispiel als kombiniertes axial-radial-Lager ausgebildet. Dabei weist sie eine zweite Lagerfläche 6a und eine dritte Lagerfläche 6b und eine vierte Lagerfläche 6c auf, welche mit einer zweiten Lagervorrichtung 6d wechselwirken. Die vierte Lagerfläche 6c ist dabei ebenfalls als Radial-Lagerfläche zylindersymmetrisch um die Rotationssachse 4 ausgebildet. Die zweite Lagerfläche 6a und die dritte Lagerfläche 6b sind jeweils als senkrecht zu der Rotationssachse 4 ausgerichtete Außenflächen einer Lagerscheibe 7 gebildet.In the exemplary embodiment, the second
Die erste Hauptlageranordnung 5 und die zweite Hauptlageranordnung 6 sind lediglich schematisch angedeutet und sollen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vom Typ eines ölgeschmierten Fluidlagers sein. Dies stellt insbesondere auch den Zustand vor einer erfindungsgemäßen Überholung dar.The first
Der Rotor 3 umfasst weiterhin einen ersten Funktionsabschnitt 8 auf, welcher aus einer Hohlwelle 8a und einem darauf aufgeschrumpften Turbolaufrad 8b besteht.The
Weiterhin ist ein zweiter Funktionsabschnitt 9 vorgesehen, welche einen zweiten Hohlwellenabschnitt 9a und einem daran ausgebildeten Läufer 9b umfasst, welcher zur Wechselwirkung mit dem Stator 10 einer elektrischen Maschine vorgesehen ist. Die elektrische Maschine kann als Elektromotor und/oder Generator wirksam sein, um Drehenergie des Rotors 3 in elektrische Energie zu wandeln - und umgekehrt.Furthermore, a second
Erfindungsgemäß weist der Rotor 3 neben dem ersten Funktionsabschnitt 8 einen ersten Lagerabschnitt 11 und einen zweiten Lagerabschnitt 12 auf. Der erste Lagerabschnitt 11 ist dabei mittelbar über den zweiten Funktionsabschnitt 9 und der zweite Lagerabschnitt 12 unmittelbar mit dem ersten Funktionsabschnitt 8 lösbar verbunden. Dazu sind an den Übergängen zwischen den Lagerabschnitten 11, 12 und den Funktionsabschnitten 8, 9 jeweils Hirthverzahnungen 13 ausgebildet. Weiterhin sind die Abschnitte 8, 9, 11, 12 des Rotors 3 durch einen Spannbolzen 14 in Richtung der Drehachse 4 miteinander verspannt. Dabei weist der Spannbolzen 14 einen Bolzenkopf 14a auf, welcher endseitig an dem zweiten Lagerabschnitt 12 anliegt und ist an dem axial gegenüberliegenden Ende durch eine Spannmutter 14b gesichert.According to the invention, the
Durch das Lösen des Spannbolzens 14 ist es möglich, die Abschnitte 8, 9, 11, 12 des Rotors 3 voneinander zu trennen. Diese können dann separat voneinander gewartet und/oder ausgetauscht werden.By loosening the clamping
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US20110262284A1 (en) | 2010-04-21 | 2011-10-27 | Guernard Denis Guillaume Jean | Stack rotor with tie rod and bolted flange and method |
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