DE4423784C2

DE4423784C2 - Ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine

Info

Publication number: DE4423784C2
Application number: DE19944423784
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl Ing Fingerhut; Bernhard Dipl Ing Kock
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE4423784A1

Description

Die Erfindung betrifft eine ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine mit einem ein zentrales Antriebsrad aufweisenden Getriebe gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Das jeweilige Laufrad der Turbomaschine rotiert in einem geschlossenen Raum eines Gehäuses, in dem die Strömungsenergie umgesetzt wird. Die Ausbildung des Laufrades, d. h. ob mit rückwärts gekrümmten Schaufeln oder als Radiallaufrad ist dabei ohne Bedeutung. Das Gehäuse, das vorzugsweise als Spiralgehäuse ausgebildet ist, wird entweder direkt oder über einen Flansch am Getriebegehäuse befestigt (siehe beispielsweise DE-A 32 25 760; DE-A 25 03 174). Im Falle des Einsatzes der Turbomaschine im Hochtemperaturbereich d. h. oberhalb 400 Grad Celsius, kann diese Art der Befestigung des Gehäuses zumindestens für die Hochtemperaturstufe zu Problemen führen. Die direkte Befestigung oder die über einen Flansch behindert die thermische Ausdehnung des Gehäuses in Folge der hohen Temperatur. Diese Behinderung führt zu Spannungen im Gehäuse und in der Verbindung der Strömungsmaschine mit dem Getriebekasten. Die dabei auftretenden Verformungen können dazu führen, daß die Zuordnung der Wellenmitte zur Gehäusemitte nicht gewährleistet bleibt.

Aus der DE 9 50 039 ist eine Dampfturbine bekannt, bei der das Gehäuse auf Pratzen gelagert ist und durch entsprechend angeordnete Stifte oder Zapfen eine Gleitrichtung festgelegt wird.

Ferner ist es aus der DE 71 24 691 bekannt, zumindest Teile des Gehäuses einer Turbomaschine so zu lagern, daß eine Höhen verstellung möglich ist, um fertigungsbedingte Ausrichtungenauig keiten ausgleichen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine anzugeben, bei der die zuvor geschilderten Nachteile vermieden werden. Eine weitergehende Aufgabe besteht darin, die Ausrichtungsmöglichkeiten einer mit der Getriebeturbomaschine verbundenen Einwellenmaschine zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die freie Ausdehnbarkeit des Gehäuses nach allen drei Achsrichtungen hin unter Beibehaltung der Mittelpunktslage wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Gehäuse thermisch vom Getriebegehäuse abgekoppelt angeordnet wird. Die Auflagerung erfolgt auf Stegblechen, die an der Längsseite des Getriebegehäuses befestigt, d. h. üblicherweise - angeschweißt sind. Zwei voneinander beabstandete Stegbleche dienen unmittelbar der Auflagerung, das dritte Stegblech der Festlegung einer Ausdehnungsrichtung. Die konstruktive Ausgestaltung der Festlegung der drei Achsrichtungen bei gleichzeitiger Ausdehnbarkeit in den jeweils anderen Achsrichtungen können sehr verschieden sein. Dies ist abhängig von der Größe und vom Werkstoff des Gehäuses sowie von den Platzverhältnissen. Die Werkstoffauswahl des Strömungsmaschinengehäuses richtet sich nach dem Prozeßeinsatz, der Werkstoff der Auflagen ist dagegen abhängig vom Material des Getriebegehäuses. Eine der Möglichkeiten der konstruktiven Ausgestaltung besteht darin, am Spiral bzw. Maschinengehäuse in der X-Achse auf beiden Seiten je ein T-förmig ausgebildetes Fixierelement zu befestigen. Dieses Element wird von zwei auf dem jeweiligen Stegblech angeordneten und voneinander beabstandeten Pratzen in Y-Richtung festgelegt.

Der Ast des T-förmigen Elementes ist zwischen den beiden Pratzen angeordnet, um das Spiralgehäuse in X-Richtung festzulegen. Zur Festlegung des Spiralgehäuses in Z-Richtung ist auf der Unterseite des Spiralgehäuses ein gerades Fixierelement befestigt, das in einer Ausnehmung des in diesem Bereich liegenden Stegbleches geführt wird. Wie zuvor schon erwähnt, gibt es noch andere konstruktive Möglichkeiten der Festlegung und Fixierung.

Die eingangs geschilderte Art der erfindungsgemäßen Anordnung des Spiralgehäuses kann man auch dann dazu verwenden, das Maschinengehäuse einer Einwellenmaschine einfacher zu einem Getriebe auszurichten. In diesem Falle wird anstatt eines Spiralgehäuses eine ein oder mehrere Laufräder aufweisende Einwellenmaschine mit der Turbomaschine verbunden. Das Laufrad bzw. die Laufräder der Einwellenmaschine werden mittels der Ritzelwelle angetrieben, die auf verschiedene Art und Weise gelagert sein kann. Bisher war es üblich die Einwellenmaschine separat auf dem Boden aufzustellen und mittels Einstellstücke die Maschinenachse mit der Laufradachse zur Deckung zu bringen. Während des Betriebes ändern sich bei einer auf dem Boden aufgestellten Einwellenmaschine die Mittelpunktslagen infolge ungleichmäßiger thermischer Dehnungen von Getriebe und Einwellenmaschine. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird dieser Nachteil ausgeschlossen. Die Mittelpunktslagen bleiben auch während des Betriebes identisch.

In der Zeichnung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele das erfindungsgemäße Prinzip der separaten Auflagerung des Spiral- bzw. Maschinengehäuses näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht mit Teilaufbruch einer erfindungsgemäßen Getriebeturbomaschine,

Fig. 2 eine Vorderansicht in Richtung X in Fig. 1,

Fig. 3 eine halbperspektivische Darstellung von Fig. 2,

Fig. 4 wie Fig. 3, jedoch unter Weglassen der Pratzen,

Fig. 5 ähnlich Fig. 1, aber mit einer angeschlossenen Einwellenmaschine,

Fig. 6 wie Fig. 5, jedoch eine andere Ausführungsform,

Fig. 7 wie Fig. 5, jedoch eine andere Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt skizzenhaft in einer Draufsicht mit Teilaufbruch einer erfindungsgemäßen Getriebeturbomaschine, wobei diese in diesem Ausführungsbeispiel vier Stufen aufweist. Durch die Nutzseite einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine, d. h. E-Motor oder Brennkraftmaschine, wird über eine Kupplung 1 ein in einem Getriebegehäuse 3 angeordnetes Großzahnrad 2 angetrieben. Dieses ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel im Eingriff mit zwei Ritzelwellen 4, 5, an deren freien Enden hier nicht sichtbare Radiallaufräder angeordnet sind. Die jeweilige Ritzelwelle 4, 5 ist im Getriebegehäuse 3 beidseitig gelagert 6, 7, 8, 9, wobei die Lager hier durch ein Kreissegmentsymbol gekennzeichnet sind. Die Laufräder rotieren in einem geschlossenen Raum eines Spiralgehäuses 10, 11, 12, bzw. eines Turbinengehäuses 13, in dem die Strömungsenergie umgesetzt wird. Die wesentlichen Elemente eines Turbomaschinengehäuses sind der Ansaugstutzen 14 bis 17, das eigentliche Gehäuse 10 bis 13 und der Diffusor 18, 19, 20, 24. Dabei ist es unerheblich, in welche Achslage der Ansaugstutzen bzw. Diffusor angeordnet wird, da sich dies aus den betrieblichen Platzverhältnissen ergibt. Die Verbindungsleitungen zu den einzelnen Stufen wurden der Übersichtlichkeit halber hier weggelassen.

Die Spiralgehäuse 10 bis 12 der ersten drei Stufen sind in üblicher Weise über einen Flansch 21 bis 23 mit dem Getriebegehäuse 3 fest verbunden. Der Flansch 21 bis 23 kann ein integraler Bestandteil des jeweiligen Spiralgehäuses 10 bis 12 oder ein separates Teil sein. Das Turbinengehäuse 13 der vierten Stufe, das hier beispielsweise als Hochtemperaturstufe für eine Temperatur im Bereich größer 400°C ausgebildet ist, ist erfindungsgemäß aufgelagert, und zwar so, daß es sich bei Einhaltung der Mittelpunktslage in bezug auf die Achse der Ritzelwelle 5 nach allen drei Achsrichtungen hin thermisch frei ausdehnen kann. Die Einzelheiten dazu sind in den Fig. 2 bis 4 dargestellt.

An der Außenseite des Getriebegehäuses 3 sind im Abstand voneinander zwei als Winkel ausgebildete Stegbleche 25, 26 befestigt, d. h. üblicherweise angeschweißt. Der Abstand zwischen den beiden Stegblechen 25, 26 ist so gewählt, daß das Turbinengehäuse 13 mittels der T-förmig ausgebildeten Fixierelemente 27, 28 auf den Stegblechen 25, 26 aufliegt. Zur Fixierung des Turbinengehäuses 13 in Y-Richtung drücken je zwei Pratzen 29, 30 bzw. 31, 32 das Fixierelement 27, 28 auf das Stegblech 25, 26, wobei in Fig. 4 zur Verdeutlichung der Ausgestaltung des Fixierelementes 28 die Pratzen 31, 32 weggelassen wurden. Da wie in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist, das Fixierelement 27, 28 T-förmig ausgebildet ist und der Ast des T-Profiles zwischen den beiden Pratzen 29, 30 bzw. 31, 32 liegt, wird damit das Turbinengehäuse 13 auch in X-Richtung fixiert (Fig. 3). Die Befestigung der Pratzen 29, 30 bzw. 31, 32 erfolgt mittels Schrauben, wie in Fig. 1 angedeutet. Die Fixierung des Turbinengehäuses 13 in Z-Richtung erfolgt über ein weiteres Fixierelement 33 (Fig. 2), das an der Unterseite befestigt ist. Dieses ist in einem eine Nut 34 aufweisenden Stegblech 35 geführt. Das Stegblech 35 wiederum ist an der Außenseite des Getriebegehäuses 3 befestigt. In der beschriebenen Art und Weise ist das Turbinengehäuse 13 thermisch vom Getriebe entkoppelt und es wird bei der thermischen Expansion gewährleistet, daß Wellenmitte und Gehäusemitte in ihrer Zuordnung unverändert bleiben.

Dieses Prinzip der entkoppelten Auflagerung eines Maschinenteiles kann man wie in den Fig. 5 bis 7 dargestellt auch anderweitig nutzen. Da die Darstellungen im Vergleich zu Fig. 1 annähernd gleich gewählt wurden, wurden für gleiche Teile auch gleiche Bezugszeichen verwendet. Statt eines Turbinengehäuses ist an einer Stufe eine mit einem Ansaugstutzen 17 und einem Diffusor 24 versehene Einwellenmaschine 40 angeordnet. Diese Einwellenmaschine 40 kann ein oder mehrere Laufräder aufweisen. Der vom Getriebe abgewandte Bereich der Einwellenmaschine 40 ist in der üblichen Weise auf dem Fundament gelagert. Die Auflagerung 41, 42 ist hier nur angedeutet. Der dem Getriebe zugewandte Bereich ist dagegen vergleichbar wie das zuvor erläuterte Turbinengehäuse 13 erfindungsgemäß aufgelagert. Dabei wurde die Anordnung zweier Stegbleche 25, 26 und die Fixierung mittels Pratzen 29, 30 bzw. 31, 32 übernommen, ebenso das T-förmig ausgebildete Fixierelement 27, 28. Die erfindungsgemäße Auflagerung ermöglicht eine einfache Justierung, so daß die Achse der Einwellenmaschine mit der Achse der Ritzelwelle 5 genau fluchtet. Die zweite Lagerung 43 der Ritzelwelle 5 erfolgt wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, in der Einwellenmaschine 40 selbst.

Fig. 6 zeigt eine andere Art der Lagerung der Ritzelwelle 5 in der Einwellenmaschine 40, die ansonsten vergleichbar wie in Fig. 5 schon erläutert, erfindungsgemäß aufgelagert ist. Da die Ritzelwelle 5 wegen des Wegfalls der einen Stufe keine weitere Abstützung hätte, wird sie einmal im Getriebegehäuse 3 über das Lager 9 und zum anderen im Gehäuse der Einwellenmaschine 40 gelagert 43.

Eine weitere Variante zeigt Fig. 7. Hier ist zwischen der Ritzelwelle 5 und der Eingangswelle 44 der Einwellenmaschine 40 eine Kupplung 45 angeordnet. Aus diesem Grunde muß die Eingangswelle 44 zweifach 43, 46 in der Einwellenmaschine 40 gelagert werden. Wegen des Platzbedarfes für die Kupplung 45 weisen die Stegbleche 25, 26 eine größere Erstreckung auf im Vergleich zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen.

Claims

1. Ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine mit einem ein zentrales Antriebsrad aufweisenden Getriebe, bei dem das Laufrad bzw. die Laufräder der einzelnen Stufe auf den Enden von Ritzel wellen angeordnet sind und im geschlossenen Raum eines mit dem Getriebegehäuse verbundenen Gehäuses rotieren, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Stegbleche (25, 26, 35) an der Außenseite des Getriebegehäuses in Laufradachsenrichtung befestigt sind, von denen zwei Stegbleche (25, 26) unmittelbar das Gehäuse (13) einer Turbine tragen und ein drittes Stegblech (35) die Ausdehnrichtung festlegt, so daß die Mittelpunktlage der Laufrad achsen zwischen der Turbinenwelle (44) und der Ritzelwelle (5) über die Kupplung (45) beibehalten wird.

2. Ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine mit einem ein zentrales Antriebsrad aufweisenden Getriebe, bei dem das Laufrad bzw. die Laufräder der einzelnen Stufen auf den Enden von Ritzelwellen angeordnet sind und im geschlossenen Raum eines mit dem Getriebegehäuse verbundenen Gehäuse rotieren, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stufe als eine oder mehrere Laufräder aufweisende Einwellenmaschine (40) ausgebildet ist,
daß mindestens drei Stegbleche (25, 26, 35) an der Außenseite des Getriebegehäuses in Laufradachsenrichtung befestigt sind, von denen zwei Stegbleche (25, 26) unmittelbar das Gehäuse (13) einer Turbine tragen und ein drittes Stegblech (35) die Ausdehnrichtung festlegt, so daß die Mittelpunktlage der Lauf radachsen zwischen der Turbinenwelle (44) und der Ritzelwelle (5) über die Kupplung (45) beibehalten wird.

3. Ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (13) bzw. Maschinengehäuse der Einwellenmaschine (40) in der X-Achse auf beiden Seiten je ein T-förmig ausgebildetes Fixierelement (27, 28) befestigt ist, das durch zwei auf dem jeweiligen Stegblech (25, 26) angeordnete und voneinander beabstandete Pratzen (29, 30; 31, 32) in Y-Richtung festgelegt wird und der Ast des T-förmigen Elementes (27, 28) zwischen beiden Pratzen (29, 30 bzw. 31, 32) zur Festlegung in X-Richtung angeordnet ist und zur Festlegung in Z-Richtung auf der Unterseite des Gehäuses bzw. Maschinengehäuses ein gerades Fixierelement (33) befestigt ist, das in einer Ausnehmung (34) des in diesem Bereich angeordneten Stegbleches (35) geführt wird.

4. Ein- oder mehrstufige Getriebeturbomaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Einwellenmaschine (40) antreibende Ritzelwelle (5) zweifach im Getriebegehäuse (3) gelagert ist und zwischen Ritzelwelle (5) und Eingangswelle (44) der Einwellenmaschine (40) eine Kupplung (45) angeordnet ist.