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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rotorwelle für einen Turbokompressor und insbesondere für einen Turbokompressor mit hoher Drehzahl.
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Hintergrund der Erfindung
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US4063850 offenbart einen Gasturbinenmotor mit einem Turbokompressor, der insbesondere Folgendes umfasst:
- - eine Turbokompressorwelle, die außerdem als eine Rotorwelle bezeichnet wird, die Folgendes enthält:
- - einen röhrenförmigen Lagerabschnitt, der einen ersten axialen Endabschnitt und einen zweiten axialen Endabschnitt, der dem ersten axialen Endabschnitt gegenüberliegt, aufweist
- - einen Laufradabschnitt, der an dem ersten axialen Endabschnitt des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet ist, und
- - einen Antriebsabschnitt, der an dem zweiten axialen Endabschnitt des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet ist,
- - wenigstens eine Kompressionsstufe, die konfiguriert ist, ein Kältemittel zu komprimieren, wobei die wenigstens eine Kompressionsstufe wenigstens ein Laufrad enthält, das mit dem Laufradabschnitt der Turbokompressorwelle verbunden ist,
- - eine Radiallageranordnung, die konfiguriert ist, den röhrenförmigen Lagerabschnitt zu stützen, und
- - eine axiale Lageranordnung, die konfiguriert ist, eine axiale Bewegung der Turbokompressorwelle während des Betriebs zu begrenzen.
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Gemäß
US4063850 sind der röhrenförmige Lagerabschnitt und der Antriebsabschnitt als ein einteiliger Abschnitt ausgebildet und durch eine ringförmige Schmelzverbindung mit dem Laufradabschnitt verbunden.
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Ungeachtet dessen, dass eine derartige Turbokompressorwelle im Vergleich zu den monolithischen Turbokompressorwellen kostengünstig herzustellen ist, ist die Herstellung einer derartigen Turbokompressorwelle aufgrund des harten Materials, das verwendet wird, um den Antriebsabschnitt herzustellen, immer noch teuer und zeitaufwendig. In der Tat ist ein derartiges hartes Material aufgrund seiner hohen Oberflächenhärte schwierig zu bearbeiten.
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Ferner kann die offenbarte Schmelzverbindungskonfiguration der Verbindung zwischen dem röhrenförmigen Lagerabschnitt und dem Laufradabschnitt zu einem Bruch der Verbindung führen und folglich die Zuverlässigkeit einer derartigen Turbokompressorwelle beeinträchtigen, insbesondere wenn die Turbokompressorwelle bei sehr hohen Drehzahlen angetrieben wird. Derartige Schmelzverbindungen können außerdem aufgrund der Ergänzung spezieller Materialien und der notwendigen genauen Steuerung der Temperaturprofile während des Verbindungsprozesses teuer herzustellen sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Turbokompressorwelle bereitzustellen, die die Nachteile überwinden kann, die bei den herkömmlichen Turbokompressorwellen angetroffen werden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Turbokompressorwelle bereitzustellen, die zuverlässiger ist und einfacher und kostengünstig herzustellen ist.
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Gemäß der Erfindung umfasst eine derartige modulare Turbokompressorwelle Folgendes:
- - einen röhrenförmigen Lagerabschnitt, der einen ersten axialen Endabschnitt und einen zweiten axialen Endabschnitt, der dem ersten axialen Endabschnitt gegenüberliegt, aufweist,
- - einen Laufradabschnitt, der an dem ersten axialen Endabschnitt des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet ist, und
- - einen Antriebsabschnitt, der an dem zweiten axialen Endabschnitt des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet ist,
wobei der röhrenförmige Lagerabschnitt aus einem harten Material hergestellt ist und der Laufradabschnitt und/oder der Antriebsabschnitt im Vergleich zu dem harten Material des röhrenförmigen Lagerabschnitts aus einem relativ weichen Material hergestellt sind,
wobei sich der Laufradabschnitt und/oder der Antriebsabschnitt wenigstens teilweise in den röhrenförmigen Lagerabschnitt erstrecken und mit dem röhrenförmigen Lagerabschnitt fest verbunden sind, und
wobei der röhrenförmige Lagerabschnitt, der Laufradabschnitt und der Antriebsabschnitt so konfiguriert sind, dass die radialen Deformationen, die während der Montage des Laufradabschnitts und/oder des Antriebsabschnitts an dem röhrenförmigen Lagerabschnitt auftreten, im Wesentlichen auf den Antriebsabschnitt und/oder den Laufradabschnitt begrenzt sind.
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Eine derartige Konfiguration der modularen Turbokompressorwelle verringert die Bearbeitungskosten, da nur der röhrenförmige Lagerabschnitt, der kleine Toleranzen und eine höhere Verschleißfestigkeit erfüllen muss, aus einem harten Material hergestellt wird. Die anderen Wellenabschnitte werden aus weicheren (und weniger steifen) Materialien, die leichter zu bearbeiten sind, hergestellt und absorbieren den Hauptteil der radialen Deformationen, die während des Zusammenbauprozesses (z. B. des Wärmeschrumpfungsprozesses) der modularen Turbokompressorwelle auftreten. Folglich können die Toleranzen der Außenflächen des Laufradabschnitts und/oder des Antriebsabschnitts ohne irgendein Risiko einer übermäßigen Einschränkung an den röhrenförmigen Lagerabschnitt vergrößert werden.
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Ferner nehmen die weicheren Wellenabschnitte die Deformationen auf, die während des Kompressorbetriebs auftreten, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der harten und der weichen Materialien verursacht werden.
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Deshalb sind die Deformationen des röhrenförmigen Lagerabschnitts, die während des Zusammenbaus der modularen Turbokompressorwelle auftreten und die im Betrieb auftreten, begrenzt. Dies führt zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der radialen und axialen Lager, die die modulare Turbokompressorwelle stützen, insbesondere wenn Gaslager verwendet werden, da sie einen sehr kleinen Spielraum erfordern, um stabil zu sein, während sie ausreichend Spielraum erfordern, um ein Lagerfressen zu vermeiden.
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Folglich ist die modulare Turbokompressorwelle gemäß der vorliegenden Erfindung zuverlässiger, leichter und einfacher und kostengünstig herzustellen als die herkömmlichen Turbokompressorwellen.
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Die Turbokompressorwelle kann außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale, allein genommen oder in Kombination enthalten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich der Laufradabschnitt und der Antriebsabschnitt wenigstens teilweise in den röhrenförmigen Lagerabschnitt, wobei sie mit dem röhrenförmigen Lagerabschnitt fest verbunden sind, wobei der röhrenförmigen Lagerabschnitt, der Laufradabschnitt und der Antriebsabschnitt so konfiguriert sind, dass die radialen Deformationen, die während der Montage des Laufradabschnitts und des Antriebsabschnitts an dem röhrenförmigen Lagerabschnitt auftreten, im Wesentlichen auf den Antriebsabschnitt und den Laufradabschnitt begrenzt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der Laufradabschnitt und/oder der Antriebsabschnitt durch eine Presspassung oder eine Schrumpfpassung mit dem röhrenförmigen Lagerabschnitt verbunden, wobei der röhrenförmige Lagerabschnitt, der Laufradabschnitt und der Antriebsabschnitt so konfiguriert sind, dass die radialen Deformationen, die während der Presspassungs- oder Schrumpfpassungsmontage des Laufradabschnitts und/oder des Antriebsabschnitts an dem röhrenförmigen Lagerabschnitt auftreten, im Wesentlichen auf den Antriebsabschnitt und/oder den Laufradabschnitt begrenzt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der Laufradabschnitt und/oder der Antriebsabschnitt durch eine Wärmeschrumpfpassung mit dem röhrenförmigen Lagerabschnitt verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der Laufradabschnitt und/oder der Antriebsabschnitt während der Montage des Laufradabschnitts und/oder des Antriebsabschnitts an dem röhrenförmigen Lagerabschnitt radial deformierbar.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Vickers-Härte des harten Materials des röhrenförmigen Lagerabschnitts und der Vickers-Härte des relativ weichen Materials des Laufradabschnitts höher als 3.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Vickers-Härte des harten Materials des röhrenförmigen Lagerabschnitts und der Vickers-Härte des relativ weichen Materials des Antriebsabschnitts höher als 3.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der röhrenförmige Lagerabschnitt Folgendes:
- -einen röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt, der eine Außenfläche aufweist, die konfiguriert ist, mit einer Radiallageranordnung eines Turbokompressors zusammenzuarbeiten, und
- - einen flachen scheibenförmigen Abschnitt, der einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts ist, wobei der flache scheibenförmige Abschnitt eine erste axiale Stirnfläche und eine zweite axiale Stirnfläche, die der ersten axialen Stirnfläche gegenüberliegt, aufweist, wobei die erste und die zweite axiale Stirnfläche konfiguriert sind, mit einer axialen Lageranordnung zusammenzuarbeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Antriebsabschnitt fest mit dem röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Laufradabschnitt fest mit dem röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt und mit dem flachen scheibenförmigen Abschnitt verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der flache scheibenförmige Abschnitt eine zentrale Öffnung, die einen Durchmesser aufweist, der dem Innendurchmesser des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts im Wesentlichen entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der röhrenförmige zylindrische Abschnitt und der flache scheibenförmige Abschnitt als ein einteiliger Abschnitt oder als zwei getrennte Abschnitte ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der röhrenförmige Lagerabschnitt aus einem Material mit hoher Festigkeit, das eine hohe Oberflächenhärte aufweist, hergestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der röhrenförmige Lagerabschnitt aus Wolframcarbid oder Keramikmaterialien hergestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das harte Material des röhrenförmigen Lagerabschnitts eine Vickers-Härte von größer als 1500 HV auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das relativ weiche Material des Laufradabschnitts eine Vickers-Härte von kleiner als 500 HV auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Laufradabschnitt aus Titanlegierungen oder Aluminiumlegierungen hergestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Antriebsabschnitt Folgendes:
- - einen Montageabschnitt, der innerhalb des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet ist, und
- - einen Rotorbefestigungsabschnitt zur Befestigung eines Rotors des Turbokompressors.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Montageabschnitt des Antriebsabschnitts innerhalb des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Montageabschnitt des Antriebsabschnitts durch Schrumpfpassung oder Presspassung innerhalb des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Montageabschnitt des Antriebsabschnitts eine zylindrische Außenfläche.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Rotorbefestigungsabschnitt eine axiale Bohrung, die sich entlang wenigstens einem Abschnitt der Länge des Rotorbefestigungsabschnitts erstreckt, wobei die axiale Bohrung konfiguriert ist, den Rotor aufzunehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Rotor Permanentmagneten umfassen, wobei er innerhalb der axialen Bohrung des Rotorbefestigungsabschnitts, z. B. durch Presspassung oder Schrumpfpassung eingepasst, fest eingepasst sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rotorbefestigungsabschnitt röhrenförmig.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Montageabschnitt des Antriebsabschnitts ein axiales Loch, das sich entlang wenigstens einem Abschnitt der Länge des Montageabschnitts des Antriebsabschnitts erstreckt. Eine derartige Konfiguration des Antriebsabschnitts verringert das Gewicht des Letzteren und folglich der Turbokompressorwelle.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das in dem Antriebsabschnitt bereitgestellte axiale Loch wenigstens teilweise in den röhrenförmigen Lagerabschnitt. Eine derartige Konfiguration des Antriebsabschnitts vergrößert die Flexibilität des Montageabschnitts des Antriebsabschnitts und ermöglicht folglich, die radialen Deformationen des röhrenförmigen Lagerabschnitts, die während des Zusammenbaus der Turbokompressorwelle auftreten, weiter zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Antriebsabschnitt aus einer Titanlegierung oder einem anderen nichtmagnetischen Material hergestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das relativ weiche Material des Antriebsabschnitts eine Vickers-Härte von kleiner als 500 HV auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Laufradabschnitt Folgendes:
- - einen Montageabschnitt, der wenigstens teilweise innerhalb des röhrenförmigen Lagerabschnitts angeordnet ist, und
- - einen Laufradbefestigungsabschnitt für die Befestigung wenigstens eines Laufrads.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Montageabschnitt des Laufradabschnitts wenigstens teilweise innerhalb des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Montageabschnitt des Laufradabschnitts durch Schrumpfpassung oder Presspassung mit dem röhrenförmigen Lagerabschnitt verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Montageabschnitt des Laufradabschnitts eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Montageabschnitt des Laufradabschnitts ein axiales Loch, das sich entlang wenigstens einem Abschnitt der Länge des Montageabschnitts erstreckt. Eine derartige Konfiguration des Laufradabschnitts verringert das Gewicht des Letzteren und folglich der Turbokompressorwelle.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das in dem Laufradabschnitt bereitgestellte axiale Loch wenigstens teilweise in den röhrenförmigen Lagerabschnitt. Eine derartige Konfiguration des Laufradabschnitts vergrößert die Flexibilität des Montageabschnitts des Laufradabschnitts und ermöglicht folglich, die radialen Deformationen des röhrenförmigen Lagerabschnitts, die während des Zusammenbaus der Turbokompressorwelle auftreten, weiter zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der flache scheibenförmige Abschnitt mit dem Montageabschnitt des Laufradabschnitts verbunden, wobei er um den Montageabschnitt angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der flache scheibenförmige Abschnitt einem axialen Ende des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts benachbart.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der flache scheibenförmige Abschnitt bezüglich des Montageabschnitts des Laufradabschnitts radial nach außen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich der röhrenförmige Lagerabschnitt, der Laufradabschnitt und der Antriebsabschnitt entlang derselben Längsachse.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Turbokompressorwelle konfiguriert, durch Gaslageranordnungen, die auf den Außenflächen des röhrenförmigen Lagerabschnitts ausgebildet sind, axial und radial gestützt zu sein.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Zentrifugalturbokompressor, der eine modulare Turbokompressorwelle gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Zentrifugalturbokompressor ferner Folgendes:
- - wenigstens eine Kompressionsstufe, die konfiguriert ist, ein Kältemittel zu komprimieren, wobei die wenigstens eine Kompressionsstufe wenigstens ein Laufrad enthält, das mit dem Laufradabschnitt der Turbokompressorwelle verbunden ist,
- - einen Elektromotor, der konfiguriert ist, die Turbokompressorwelle in Rotation um eine Rotationsachse anzutreiben, wobei der Elektromotor einen Stator und einen Rotor enthält, wobei der Rotor mit dem Antriebsabschnitt der Turbokompressorwelle verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Zentrifugalturbokompressor ferner eine Radiallageranordnung, die konfiguriert ist, den röhrenförmigen Lagerabschnitt drehbar zu stützen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Radiallageranordnung eine Gaslageranordnung.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Radiallageranordnung konfiguriert, mit einer Außenfläche des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts zusammenzuarbeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Radiallageranordnung ein Radiallager, das sich entlang wenigstens einem Abschnitt der Länge des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts erstreckt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Zentrifugalturbokompressor eine Axiallageranordnung, die konfiguriert ist, eine axiale Bewegung der Turbokompressorwelle während des Betriebs zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Axiallageranordnung zwischen dem Elektromotor und der ersten Kompressionsstufe.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Axiallageranordnung konfiguriert, mit der ersten und der zweiten axialen Stirnfläche des flachen scheibenförmigen Abschnitts zusammenzuarbeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Axiallageranordnung eine Gaslageranordnung.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Axiallageranordnung ein erstes ringförmiges Axiallagerelement, das eine erste Axiallagerfläche aufweist, und ein zweites ringförmiges Axiallagerelement, das eine zweite Axiallagerfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Axiallagerfläche konfiguriert sind, mit der ersten bzw. der zweiten axialen Stirnfläche des flachen scheibenförmigen Abschnitts zusammenzuarbeiten.
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Diese und andere Vorteile werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Anbetracht der hier beigefügten Zeichnung offensichtlich, die als ein nicht einschränkendes Beispiel eine Ausführungsform einer Turbokompressorwelle gemäß der Erfindung repräsentiert.
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Figurenliste
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Die folgende ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung wird besser verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei es jedoch selbstverständlich ist, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte spezifische Ausführungsform eingeschränkt ist.
- 1 ist eine Längsschnittansicht eines Zentrifugalturbokompressors, der eine Turbokompressorwelle gemäß der Erfindung enthält.
- 2 ist eine Längsschnittansicht der Turbokompressorwelle nach 1.
- 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Turbokompressorwelle nach 1.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 repräsentiert einen Zentrifugalturbokompressor 2 und insbesondere einen zweistufigen Zentrifugalturbokompressor. Der Zentrifugalturbokompressor 2 enthält ein hermetisches Gehäuse 3 und eine Turbokompressorwelle 4, die innerhalb des hermetischen Gehäuses 3 drehbar angeordnet ist und sich entlang einer Längsachse A erstreckt.
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Wie in den 2 und 3 besser gezeigt ist, enthält die Turbokompressorwelle 4 einen röhrenförmigen Lagerabschnitt 5, einen Laufradabschnitt 6, der an einem ersten axialen Endabschnitt 5a des röhrenförmigen Lagerabschnitts 5 angeordnet ist, und einen Antriebsabschnitt 7, der an einem zweiten axialen Endabschnitt 5b des röhrenförmigen Lagerabschnitts 5 angeordnet ist. Der Laufradabschnitt 6 und der Antriebsabschnitt 7 erstrecken sich teilweise in den röhrenförmigen Lagerabschnitt 5 und sind durch Presspassung oder Schrumpfpassung fest mit dem röhrenförmigen Lagerabschnitt 5 verbunden. Insbesondere sind der röhrenförmige Lagerabschnitt 5, der Laufradabschnitt 6 und der Antriebsabschnitt 7 so definiert, dass die radialen Deformationen, die während der Schrumpfpassungs- oder Presspassungsmontage des Laufradabschnitts 6 und des Antriebsabschnitts 7 an dem röhrenförmigen Lagerabschnitt 5 auftreten, im Wesentlichen auf den Antriebsabschnitt 7 und den Laufradabschnitt 6 begrenzt sind.
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Der röhrenförmige Lagerabschnitt 5 enthält einen röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt 8, der eine Außenfläche 9 aufweist, die konfiguriert ist, mit einer Radiallageranordnung zusammenzuarbeiten, die für das drehbare und radiale Stützen der Turbokompressorwelle 4 konfiguriert ist.
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Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform enthält die Radiallageranordnung wenigstens ein Radiallager 7, wie z. B. ein radiales Gleitlager, das sich innerhalb des hermetischen Gehäuses 3 befindet und eine Innenfläche 12 aufweist, die konfiguriert ist, mit der Außenfläche 9 des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 zusammenzuarbeiten. Das oder jedes Radiallager 11 kann ein Fluidradiallager und z. B. ein Gasradiallager sein. Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform enthält die Radiallageranordnung mehrere Radiallager 11, z. B. zwei, die entlang der axialen Länge des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 verteilt sind. Die Radiallageranordnung kann jedoch nur ein Radiallager 11 enthalten, das sich entlang dem röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt 8 erstreckt.
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Der röhrenförmige Lagerabschnitt 5 enthält ferner einen flachen scheibenförmigen Abschnitt 13, der sich koaxial mit dem röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt 8 erstreckt. Der flache scheibenförmige Abschnitt 13 weist einen Außendurchmesser auf, der größer als der Außendurchmesser des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 ist, und enthält eine erste axiale Stirnfläche 13a und eine zweite axiale Stirnfläche 13b, die der ersten axialen Stirnfläche 13a gegenüberliegt. Die erste und die zweite axiale Stirnfläche 13a, 13b sind konfiguriert, mit einer axialen Lageranordnung, die außerdem als eine Axiallageranordnung bezeichnet wird, zusammenzuarbeiten, die konfiguriert ist, eine axiale Bewegung der Turbokompressorwelle 4 während des Betriebs zu begrenzen. Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform enthält die axiale Lageranordnung ein erstes ringförmiges Axiallagerelement 14 und ein zweites ringförmiges Axiallagerelement 5 sind, die sich innerhalb des hermetischen Gehäuses 3 befinden. Das erste ringförmige Axiallagerelement 14 weist eine erste Axiallagerfläche 16 auf, die konfiguriert ist, mit der ersten axialen Stirnfläche 13a des flachen scheibenförmigen Abschnitts 13 zusammenzuarbeiten, wobei das zweite ringförmige Axiallagerelement 15 eine zweite Axiallagerfläche 17 aufweist, die konfiguriert ist, mit der zweiten axialen Stirnfläche 13b des flachen scheibenförmigen Abschnitts 13 zusammenzuarbeiten.
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Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform befindet sich der flache scheibenförmige Abschnitt 13 einem axialen Ende des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 benachbart, das dem Antriebsabschnitt 7 gegenüberliegt, wobei er eine zentrale Öffnung 18 enthält, die einen Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 entspricht. Ferner sind gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der röhrenförmige zylindrische Abschnitt 8 und der flache scheibenförmige Abschnitt 13 als zwei getrennte Abschnitte ausgebildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung könnten jedoch der röhrenförmige zylindrische Abschnitt 8 und der flache scheibenförmige Abschnitt 13 als ein einteiliger Abschnitt ausgebildet sein.
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Vorteilhaft ist der röhrenförmige Lagerabschnitt 5 (d. h., der röhrenförmige zylindrische Abschnitt 8 und der flache scheibenförmige Abschnitt 13) aus einem harten Material hergestellt, das eine Vickers-Härte von größer als 1500 HV aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der röhrenförmige Lagerabschnitt 5 aus einem Material mit hoher Festigkeit hergestellt, das eine hohe Oberflächenhärte aufweist. Der röhrenförmige Lagerabschnitt 5 kann z. B. aus Wolframcarbid oder Keramikmaterialien hergestellt sein. Wolframcarbid ist aufgrund seines relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, kombiniert mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit, was vorteilhaft ist, um den Spielraum der Gaslager zu steuern und die Wärme während des Kompressorbetriebs abzuleiten, besonders bevorzugt. Hierdurch wird das Risiko von Lagerfressen weiter verringert.
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Wie in 2 besser gezeigt ist, umfasst der Antriebsabschnitt 7 einen Montageabschnitt 19 und einen röhrenförmigen Rotorbefestigungsabschnitt 20, die sich jeder entlang der Längsachse A der Turbokompressorwelle 4 erstrecken. Der Montageabschnitt 19 ist innerhalb des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 des röhrenförmigen Lagerabschnitts 5 angeordnet und weist eine zylindrische Außenfläche auf, die konfiguriert ist, mit der Innenfläche des röhrenförmigen Lagerabschnitts 5 zusammenzuarbeiten. Ferner enthält der Montageabschnitt 19 des Antriebsabschnitts 7 ein axiales Loch 21, das sich entlang wenigstens einem Abschnitt der Länge des Montageabschnitts 19 erstreckt und in einer Stirnfläche des Montageabschnitts 19, die dem Rotorbefestigungsabschnitt 20 gegenüberliegt, austritt. Vorteilhaft erstreckt sich das axiale Loch 21 in den röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt 8.
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Der röhrenförmige Rotorbefestigungsabschnitt 20 enthält eine axiale Bohrung 22, die in einer Stirnfläche des röhrenförmigen Rotorbefestigungsabschnitts 20, die dem Laufradabschnitt 6 gegenüberliegt, austritt. Die axiale Bohrung 22 kann außerdem in dem axialen Loch 21 austreten.
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Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform befindet sich der Antriebsabschnitt 7 in einem Stück. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung könnten jedoch der Montageabschnitt 19 und der röhrenförmige Rotorbefestigungsabschnitt 20 als zwei getrennte Teile ausgebildet sein, die miteinander verbunden sind.
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Vorteilhaft ist der Antriebsabschnitt 7 im Vergleich zu dem harten Material des röhrenförmigen Lagerabschnitts 5 aus einem relativ weichen Material hergestellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das relativ weiche Material des Antriebsabschnitts 7 eine Vickers-Härte von kleiner als 500 HV auf. Der Antriebsabschnitt 7 ist z. B. aus einer Titanlegierung oder einem anderen nichtmagnetischen Material hergestellt.
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Der Laufradabschnitt 6 umfasst einen Montageabschnitt 23 und einen Laufradbefestigungsabschnitt 24, die sich jeder entlang der Längsachse A der Turbokompressorwelle 4 erstrecken. Der Montageabschnitt 23 ist teilweise innerhalb des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 angeordnet und enthält eine Außenfläche, die im Wesentlichen zylindrisch ist und konfiguriert ist, mit der Innenfläche des röhrenförmigen zylindrischen Abschnitts 8 zusammenzuarbeiten. Ferner enthält der Montageabschnitt 23 des Laufradabschnitts 6 ein axiales Loch 25, das sich entlang wenigstens einem Abschnitt der Länge des Montageabschnitts 23 erstreckt und in einer Stirnfläche des Montageabschnitts 23, die dem Laufradbefestigungsabschnitt 24 gegenüberliegt, austritt. Vorteilhaft erstreckt sich das axiale Loch 25 teilweise in den röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt 8.
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Es sollte angegeben werden, dass der flache scheibenförmige Abschnitt 13 durch Presspassung oder Schrumpfpassung fest mit dem Montageabschnitt 23 des Laufradabschnitts 6 verbunden ist und sich bezüglich des Montageabschnitts 23 des Laufradabschnitts 6 radial nach außen erstreckt.
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Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform befindet sich der Laufradabschnitt 6 in einem Stück. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung könnten jedoch der Montageabschnitt 23 und der Laufradbefestigungsabschnitt 24 als zwei getrennte Teile ausgebildet sein, die miteinander verbunden sind.
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Vorteilhaft ist der Laufradabschnitt 6 im Vergleich zu dem harten Material des röhrenförmigen Lagerabschnitts 5 aus einem relativ weichen Material hergestellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das relativ weiche Material des Laufradabschnitts 6 eine Vickers-Härte von kleiner als 500 HV auf. Der Laufradabschnitt 6 ist z. B. aus Titanlegierungen oder Aluminiumlegierungen hergestellt.
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Der Zentrifugalkühlkompressor 2 enthält ferner eine erste Kompressionsstufe 26 und eine zweite Kompressionsstufe 27, die konfiguriert sind, ein Kältemittel zu komprimieren. Die erste Kompressionsstufe 26 enthält einen Fluideinlass 28 und einen Fluidauslass 29, während die zweite Kompressionsstufe 27 einen Fluideinlass 31 und einen Fluidauslass 32 enthält, wobei der Fluidauslass 29 der ersten Kompressionsstufe 26 fluidtechnisch mit dem Fluideinlass 31 der zweiten Kompressionsstufe 27 verbunden ist.
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Das hermetische Gehäuse 3 enthält deshalb eine Niederdruckkammer, die sich stromaufwärts der ersten Kompressionsstufe 26 befindet, eine Hochdruckkammer, die sich stromabwärts der zweiten Kompressionsstufe 27 befindet, und eine Zwischendruckkammer, die zwischen dem Fluidauslass 29 der ersten Kompressionsstufe 26 und dem Fluideinlass 31 der zweiten Kompressionsstufe 27 bereitgestellt ist.
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Die erste und die zweite Kompressionsstufe 26, 27 enthalten ein erstes Laufrad 33 bzw. ein zweites Laufrad 34. Das erste und das zweite Laufrad 33, 34 sind mit dem Laufradbefestigungsabschnitt 24 verbunden. Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform sind das erste und das zweite Laufrad 33, 34 mit einem Laufradelement 35 bereitgestellt, das an dem Laufradbefestigungsabschnitt 24 befestigt ist, wobei sie in einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration angeordnet sind, so dass die Richtungen der Fluidströmungen am Fluideinlass 28, 31 der ersten und der zweiten Kompressionsstufe 26, 27 zueinander entgegengesetzt sind.
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Jedes des ersten und des zweiten Laufrads 33, 34 enthält eine Vorderseite, die mit mehreren Schaufeln ausgerüstet sind, die konfiguriert sind, während der Rotation der Turbokompressorwelle 4 das Kältemittel, das in die entsprechende Kompressionsstufe der ersten und der zweiten Kompressionsstufe 26, 27 eintritt, zu beschleunigen und das beschleunigte Kältemittel einem Diffusor zuzuführen, der am radialen Außenrand des entsprechenden Laufrads des ersten und des zweiten Laufrads 33, 34 angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Zentrifugalturbokompressor 2 so konfiguriert, dass ein Teil des durch die erste und die zweite Kompressionsstufe 26, 27 komprimierten Kältemittels als ein Schmierfluid in der Gasradiallageranordnung und in der Gasaxiallageranordnung verwendet wird.
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Der Zentrifugalkühlkompressor 2 enthält ferner einen Elektromotor 36, der konfiguriert ist, die Turbokompressorwelle 4 in Rotation um ihre Längsachse A anzutreiben. Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist der Elektromotor 3 in der Niederdruckkammer angeordnet, die durch das hermetische Gehäuse 3 definiert ist.
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Der Elektromotor 36 enthält einen Stator 37 und einen Rotor 38. Der Rotor 38 umfasst vorteilhaft Permanentmagneten und ist innerhalb der axialen Bohrung 22 des Rotorbefestigungsabschnitts 20, z. B. durch Presspassung oder Schrumpfpassung, fest eingepasst. Gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform befindet sich die Axiallageranordnung zwischen dem Elektromotor 36 und der ersten Kompressionsstufe 26.
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Die verschiedenen Abschnitte einer Rotorwelle gemäß der Erfindung sind in Bezug auf ihre Funktion, Herstellbarkeit und Kosten optimiert:
- Lagerabschnitt: leichtes Gewicht, hohe Festigkeit, kleine Maßtoleranzen und hohe Härte auf der Außenfläche für die Gaslager, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, gute Wärmeleitfähigkeit für die Wärmeableitung,
- Antriebsabschnitt: hohe Festigkeit, um einen Rotor mit hoher Drehzahl aufzunehmen, nichtmagnetisch, gute Wärmeleitfähigkeit für die Wärmeableitung, aufgrund der größeren Toleranzen leicht zu bearbeiten, relativ weich, um die Beanspruchung während der Verbindung mit dem Rotor und dem Lagerabschnitt zu begrenzen,
- Laufradabschnitt: hohe Festigkeit, um wenigstens ein Laufrad mit hoher Drehzahl aufzunehmen, aufgrund der größeren Toleranzen leicht zu bearbeiten, relativ weich, um die Beanspruchung während der Verbindung mit dem Laufrad und den Lagerabschnitten zu begrenzen.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben über ein nicht einschränkendes Beispiel beschriebene Ausführungsform eingeschränkt, wobei sie im Gegensatz alle ihre Ausführungsformen umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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