DE69506069T2 - Rotierende Maschine mit Axialschub - Google Patents

Description

• Die Wellen der Rotoren von Turbomaschinen, wie z.B. Gas- oder Dampfturbinen, und die Turboverdichter oder Axialverdichter tragen Arbeitsorgane wie z.B. Schaufelräder. Diese Organe gewährleisten eine Umwandlung zwischen einer in einem typischerweise gasförmigen Arbeitsmilieu vorhandenen Wärmeenergie und einer mechanischen Energie, die an der Welle des Rotors vorliegt.
• Der Rotor einer solchen Maschine wird in der radialen Position von Lagern und in der axialen Position von einem Gegenlager gehalten. Seine Drehverbindung mit anderen drehenden Elementen der Maschine wird von einem Kupplungssystem gewährleistet, das ein Arbeitsmoment überträgt.
• Bei industriellen Maschinen, wie z.B. denjenigen, die in der Gas- oder Erdölindustrie verwendet werden, gibt es eine Steigerung der spezifischen Kräfte und der Leistungen. Diese Steigerung ist mit der Erhöhung der Drehgeschwindigkeiten verbunden, die mehrere zehntausend Umdrehungen pro Minute erreichen. Diese Erhöhung der Drehgeschwindigkeiten stößt auf das Problem der zu durchquerenden kritischen Geschwindigkeiten, deren Anzahl begrenzt bleiben muß, um die Integrität des Rotors zu gewährleisten. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, um den Wert dieser kritischen Geschwindigkeiten anzuheben, und folglich auf einfachere Weise einen Betrieb mit hoher Leistung zu gewährleisten.
• Zum Beispiel sind bei einem vielstufigen Turboverdichter die die Komprimierung gewährleistenden Arbeitsorgane des Rotors Schaufelräder. Die sie tragende Welle wird von Lagern gestützt, die die dynamischen Steifigkeits- und Dämpfungsmerkmale liefern, welche notwendig sind, um ihre Drehstabilität zu gewährleisten. Es werden zwei Arten von Lagern verwen det: die hydrodynamischen Öllager und die aktiven Magnetlager.
• Die komprimierten Gase sind oft gefährlich und müssen innerhalb des Verdichtergehäuses eingeschlossen bleiben. Zu diesem Zweck wird an jeder Stelle, an der die Welle dieses Gehäuse durchquert, eine Dichtung angeordnet. Je nach der Verwendungsart sind verschiedene Dichtungen anwendbar: Ölringe, Gleitring-Öldichtungen und jetzt auch trockene Dichtungen.
• Der durch die Komprimierung erzeugte Axialdruck wird Zum Teil durch einen Ausgleichkolben kompensiert; der Restdruck wird durch den Druck eines Axiallagers ausgeglichen, das entweder ölgeschmierte Lagersegmente aufweist oder magnetisch ist.
• Es ist anzumerken daß, obwohl sie andererseits unbestreitbare Vorteile haben, die "trockenen" Bauteile (trockene Dichtungen und Magnetlager), die neuerdings auf den Markt kommen, zur Herstellung von Rotoren führen, die länger und elastischer sind als früher und deren Masse und Raumbedarf größer sind.
• Insbesondere bei einer Verwendung dieser trockenen Bauteile kann die Erhöhung der Drehgeschwindigkeit durch eine verstärkte globale Steifigkeit des Rotors in Bezug auf seine Masse ermöglicht werden. Ein bekanntes Mittel, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, eine Rotorwelle größeren Durchmessers zu verwenden. Dieses Mittel ist allgemein gesehen aber teuer.
• Die vorliegende Erfindung hat auch die Aufgabe, die einfache und kostengünstige Herstellung eines Rotors zu ermöglichen, der große Axialdrücke aushalten kann, während er mit großer Geschwindigkeit dreht und große Momente überträgt.
• Sie hat eine Rotationsmaschine mit Axialdruck zum Gegenstand, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
• Es zeigt sich, daß diese Erfindung eine zumindest teilweise Integration derjenigen Teile des Rotors vorschlägt, die die Funktion eines Axiallagers und die einer Kupplungsplatte gewährleisten, die das Arbeitsmoment überträgt. Diese Integration ermöglicht es, die überstehenden Massen zu verringern, die insbesondere durch ihre gyroskopischen Wirkungen die dynamische Stabilität des Rotors beeinträchtigen und somit den Bereich der Drehgeschwindigkeiten der Maschine verringern.
• Anhand der beiliegenden schematischen Figuren wird nun im Detail als nicht einschränkend zu verstehendes Beispiel beschrieben werden, wie die vorliegende Erfindung angewendet werden kann.
• Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines bekannten Verdichters im halben Axialschnitt.
• Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters im halben Axialschnitt.
• Zunächst einmal werden Anordnungen beschrieben, die diesen beiden Verdichtern gemeinsam sind, und dies unter der gleichzeitigen Bezugnahme auf beide Figuren, wobei die Elemente, deren Bezugszeichen höher als 50 sind, zum bekannten Verdichter der Fig. 1 gehören und die Elemente, deren Bezugszeichen unter 50 liegen, zum Verdichter der Fig. 2 gehören, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Allgemein gesagt weisen die Bezugszeichen zweier Elemente dieser beiden Verdichter, die die gleiche Funktion ausüben, eine Differenz von 50 auf.
• Gemäß diesen gemeinsamen Anordnungen enthält jeder dieser Verdichter die folgenden Hauptelemente:
• - einen Stator 52 oder 2;
• - einen Rotor 54 oder 4, der um eine im wesentlichen waagrechte Achse 56 oder 6 dreht, um in einem flüssigen Arbeitsmilieu eine Arbeit derart durchzuführen, daß dieser Ro tor von diesem Milieu sowohl ein Moment als auch einen Axialdruck empfängt. Bei einem Rotor eines vielstufigen Turboverdichters, der auf ein gasförmiges Arbeitsmilieu einwirkt, ist das von diesem Milieu erhaltene Moment ein Widerstandsmoment. Ein solches Moment kann aber auch ein Antriebsmoment sein, zum Beispiel bei einem Rotor einer Gasturbine;
• - schließlich ein Organ zum Momentausgleich 58 oder 8, das wie dieser Rotor dreht und auf ihn ein Arbeitsmoment ausübt, das das Moment ausgleicht, welches dieser Rotor vom Arbeitsmilieu empfängt. Dieses Arbeitsmoment ist ein Antriebsmoment oder ein Widerstandsmoment, je nachdem, ob das vom Arbeitsmilieu empfangene Moment ein Widerstandsmoment oder ein Antriebsmoment ist, wobei das Ausgleichorgan dann ein Motor bzw. ein angetriebenes Organ ist.
• Der Stator enthält mindestens:
• - zwei Lager 60 und 62 bzw. 10 und 12, um den Rotor zu stützen,
• - und ein Axiallager-Statorteil 64 oder 14, um diesen Rotor axial zu halten, indem es einen Axiallagerdruck auf ihn ausübt.
• Der Rotor enthält mindestens die folgenden Elemente:
• - eine Welle 66 oder 16, die sich entlang der Achse 56 oder 6 erstreckt;
• - zwei auf dieser Welle ausgebildete Wellenlager 68 und 70 bzw. 18 und 20, die mit den beiden Lagern 60 und 62 bzw. 10 und 12 zusammenwirken, um diese Welle zu stützen. Diese beiden Wellenlager definieren zwischen sich auf dieser Welle ein Arbeitssegment 72 oder 22;
• - Arbeitsorgane 74, 76 und 78 bzw. 24, 26 und 28, die auf dieser Welle in diesem Arbeitssegment angebracht sind, um die Arbeit auszuführen, wenn dieser Rotor sich in Drehung befindet. Ihre Anzahl ist variabel und abhängig von den geforderten Leistungen;
• - eine Axiallager-Rotoreinheit 80 und 82 bzw. 30 und 32, die einerseits eine rohrförmige Axiallager-Anschlußfläche 80 oder 30, die außerhalb dieses Arbeitssegments koaxial auf dieser Welle aufliegt, und andererseits ein Drehlager aufweist, das einen peripheren Bereich 82 oder 32 besitzt, der radial über diese Welle und diese Axiallager-Anschlußfläche vorsteht. Dieses Drehlager wirkt mit dem Axiallager-Statorteil zusammen, um den Axiallagerdruck mittels dieser Axiallager-Anschlußfläche auf diese Welle zu übertragen;
• - schließlich eine Kupplungs-Rotoreinheit 81 und 84 bzw. 30 und 34, die einerseits eine rohrförmige Kupplungs- Anschlußfläche 81 oder 30, die außerhalb des Arbeitssegments koaxial auf dieser Welle aufliegt, und andererseits eine Kupplungswand 84 oder 34 aufweist, die über diese Welle und über diese Kupplungs-Anschlußfläche radial vorsteht. Diese Kupplungswand ist an das Momentausgleichorgan 58 oder 8 gekoppelt, um das Arbeitsmoment mittels dieser Kupplungs- Anschlußfläche auf diese Welle zu übertragen.
• Das Drehlager und die Kupplungswand besitzen typischerweise die Form einer Druckscheibe bzw. einer Kupplungsplatte. Ihre Anschlußflächen sind außerhalb des Arbeitssegments angebracht, um die Lauffläche der Welle und die von der Welle zwischen den Lagern getragenen Massen zu verringern. Das Lager 62 oder 12, das der Kupplungsplatte am nächsten liegt, wird nachfolgend "vorderes Lager" genannt.
• Das Momentausgleichorgan überträgt das Arbeitsmoment auf die Kupplungsplatte mittels eines elastischen Kupplungssystems 87 oder 37, das Fluchtfehler bei der Drehung zwischen der Welle des Rotors und der des Momentausgleichorgans ermöglicht und gleichzeitig die Biegeschwingungen der beiden Wellen voneinander trennt.
• Im als Beispiel angegebenen Fall eines vielstufigen Turboverdichters sind die Arbeitsorgane des Rotors Schaufelräder wie 24, 26 und 28. Der Stator weist dann auch Arbeitsorgane auf, die aus nicht dargestellten, feststehenden Schaufelkränzen bestehen, die mit diesen Schaufelrädern zusammenwirken. Der Rotor besitzt außerdem in üblicher Weise:
• - einen Ausgleichkolben 86 oder 36, der in der Nähe der Räder auf die Welle montiert ist, um einen Teil des vom Arbeitsgas empfangenen Axialdrucks auszugleichen, wobei diese Räder und dieser Kolben eine zentrale Einheit bilden,
• - zwei Labyrinthe 88 und 90 oder 38 und 40, die auf die Welle im Arbeitssegment zu beiden Seiten dieser zentralen Einheit montiert sind, um die Bewegungen des Gases zu den Lagern hin einzuschränken,
• - und zwei Dichtungen 92 und 94 oder 42 und 44, die zwischen diesen beiden Labyrinthen und den beiden Lagern 60 und 62 bzw. 10 und 12 auf der Welle angeordnet sind, um Austritte des Arbeitsgases zu verhindern.
• In der in Fig. 1 dargestellten, bekannten Maschine ist die Druckscheibe 82 nahe dem hinteren Lager 60 montiert, um die Länge des Überstehens der Welle über das vordere Lager hinaus zu begrenzen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen die Anschlußflächen des Axiallagers und der Kupplung aus ein und derselben Anschlußfläche 30.
• Diese Integration der beiden vorher verwendeten Anschlußflächen in eine einzige ermöglicht es, die von der Welle jenseits der Lager überstehend getragene Gesamtmasse zu begrenzen. Sie beseitigt jedes hinderliche Überstehen über das hintere Lager hinaus.
• Vorzugsweise bestehen die Axiallager- und Kupplungs- Rotoreinheiten aus einem einzigen Übertragungsteil 30, 32, 34, das die Anschlußfläche 30 enthält. Diese Fläche schließt an den inneren Rand einer ringförmigen Übertragungsscheibe 32, 34 an. Ein zentraler Bereich 34 dieser Übertragungsschei be bildet die Kupplungswand, während ein peripherer Bereich 32 dieser Übertragungsscheibe das Drehlager bildet.
• Die Anschlußfläche könnte um die Welle herum montiert sein. Gemäß der Erfindung ist jedoch vorzugsweise die Welle 16 zumindest in der Nähe ihres vorderen Endes 17 hohl, und die Anschlußfläche 30 ist an der Innenfläche dieser Welle in der Nähe dieses Endes befestigt. Das Drehlager 32 und die Kupplungswand verlaufen radial und befinden sich somit axial vor diesem vorderen Ende.
• Die auf der Welle aufliegende Fläche der Anschlußfläche 30 kann, wie dargestellt, konisch, oder zylindrisch sein. Sie wird durch hydraulisches Aufschrumpfen oder Wärmeschrumpfen montiert, praktisch im Inneren der Lagerfläche des vorderen Lagers.
• Sie wird axial durch eine axiale Schraube 46 blockiert, die sich in der Anschlußfläche 30 erstreckt und sich in eine Innenschulter 48 der Welle 6 schraubt. Zwischenscheiben 47 ermöglichen es, die Position der Anschlußfläche 30 in Längsrichtung präzise zu definieren.

Claims (2)

1. Rotationsmaschine mit Axialdruck, wobei diese Maschine enthält:

- einen Stator (2),

- einen Rotor (4), der um eine im wesentlichen waagrechte Achse (6) dreht, um in einem Arbeitsmilieu eine Arbeit derart durchzuführen, daß dieser Rotor von diesem Milieu sowohl ein Moment als auch einen Axialdruck empfängt,

- und ein Organ zum Momentausgleich (8), das wie dieser Rotor dreht und auf ihn ein Arbeitsmoment ausübt, das das Moment ausgleicht, welches dieser Rotor vom Arbeitsmilieu empfängt,

wobei dieser Stator mindestens aufweist:

- zwei Lager (10, 12), um den Rotor zu stützen,

- und ein Axiallager-Statorteil (14), um diesen Rotor axial zu halten, indem es einen Axiallagerdruck auf ihn ausübt,

wobei dieser Rotor mindestens aufweist:

- eine Welle (16), die sich entlang der Achse erstreckt,

- zwei auf dieser Welle ausgebildete Wellenlager (18, 20), die je mit den beiden Lagern (10, 12) zusammenwirken, um diese Welle zu stützen, wobei diese beiden Wellenlager zwischen sich auf dieser Welle ein Arbeitssegment (22) definieren,

- Arbeitsorgane (24, 26, 28), die auf dieser Welle in diesem Arbeitssegment angebracht sind, um die Arbeit auszuführen, wenn dieser Rotor sich in Drehung befindet,

- eine Axiallager-Rotoreinheit (30, 32), die einerseits eine rohrförmige Anschlußfläche (30), die außerhalb dieses Arbeitssegments koaxial auf dieser Welle aufliegt, und andererseits ein Drehlager aufweist, das einen peripheren Bereich (32) besitzt, der radial über diese Welle und diese Axiallager-Anschlußfläche vorsteht, wobei dieses Drehlager mit dem Axiallager-Statorteil zusammenwirkt, um den Axiallagerdruck mittels dieser Axiallager-Anschlußfläche auf diese Welle zu übertragen,

- und eine Kupplungs-Rotoreinheit (30, 34), die einerseits die Anschlußfläche und andererseits eine Kupplungswand (34) aufweist, die über diese Welle und über diese Kupplungs- Anschlußfläche radial vorsteht, wobei diese Kupplungswand an das Momentausgleichorgan (8) gekoppelt ist, um das Arbeitsmoment mittels dieser Kupplungs-Anschlußfläche auf diese Welle zu übertragen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfläche (30) an den Innenrand einer ringförmigen Übertragungsscheibe (32, 34) anschließt, wobei ein zentraler Bereich (34) dieser Übertragungsscheibe die Kupplungswand und ein peripherer Bereich (32) dieser Übertragungsscheibe das Drehlager bildet.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (16) mindestens nahe einem ihrer Enden, das ein vorderes Ende (17) bildet, hohl ist, wobei die Anschlußfläche (30) an der Innenfläche dieser Welle nahe diesem vorderen Ende befestigt ist, wobei das Drehlager (32) und die Kupplungswand radial verlaufen und sich axial vor diesem vorderen Ende befinden.