EP4596891A1 - Turbokompressor - Google Patents

Turbokompressor

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EP4596891A1
EP4596891A1 EP25154984.6A EP25154984A EP4596891A1 EP 4596891 A1 EP4596891 A1 EP 4596891A1 EP 25154984 A EP25154984 A EP 25154984A EP 4596891 A1 EP4596891 A1 EP 4596891A1
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EP
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bearing
impeller
diffuser
axial
clamping ring
Prior art date
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Pending
Application number
EP25154984.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mihai B. DOBRICA
Michael Wilke
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Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Original Assignee
Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F04D29/5806—Cooling the drive system

Definitions

  • the invention relates to a turbocompressor with a diffuser and a clamping ring, which are formed integrally and in one piece as a unit, wherein the term turbocompressor is understood to mean axial, radial and diagonal compressors.
  • Turbocompressors which include radial compressors, axial compressors, and diagonal compressors, as well as their basic design, are well known in the art. In these systems, a fluid or gas, particularly air, is accelerated by a motor-driven impeller, and the fluid's kinetic energy is converted into pressure in a downstream diffuser.
  • the impeller which is usually connected to a shaft, is mounted axially and radially via a bearing, whereby the bearing depends on the Depending on the specific application and the prevailing boundary conditions, this could, for example, involve an aerodynamic bearing, which can also be referred to as a gas bearing or air bearing.
  • an aerodynamic bearing which can also be referred to as a gas bearing or air bearing.
  • the aerodynamic bearing in the state of the art often comprises a dedicated and separate bearing assembly, which determines the cohesion of the individual components of the axial bearing as well as the assembly of the bearing assembly in the compressor.
  • the invention is therefore based on the object of overcoming the aforementioned disadvantages and of realizing an axial or radial or diagonal compressor with a simple and thus cost-effective design.
  • a turbo compressor i.e. an axial, diagonal or axial compressor
  • a turbo compressor comprising an impeller rotatable about a rotational axis for conveying a fluid, a diffuser fluidically connected downstream of the impeller and a clamping ring for fixing an axial bearing axially supporting the impeller in a bearing receptacle, wherein hereinafter the radial compressor/diagonal compressor/axial compressor is generally referred to as a compressor.
  • the bearing of the impeller is preferably carried out by an axial bearing designed as an aerodynamic bearing, which can be combined with a radial bearing and/or via a shaft rotatable about the rotational axis, to which the impeller is fixed or with which the impeller is formed.
  • the compressor which in the case of a radial compressor can also be referred to as a centrifugal compressor or radial compressor, is preferably used in cooling applications in which the The fluid pumped by the compressor or impeller is a coolant.
  • the diffuser and the clamping ring are formed integrally and in one piece as a unit.
  • axial direction, radial direction and circumferential direction refer to the axis of rotation unless otherwise stated in the specific case.
  • the compressor further comprises an inner housing for receiving a bearing formed by the axial bearing and/or a radial bearing, wherein the unit comprising diffuser and clamping ring forms a front housing cover of the inner housing.
  • the inner housing can have a pot as a bearing receptacle for receiving the bearing, wherein the housing cover formed by the unit of diffuser and clamping ring can be connected to the pot by at least one fastening element and the bearing can be fixed in the pot by the housing cover or an axial clamping force that can be generated via the housing cover and, as mentioned below, by, for example, at least one clamping section provided on the housing cover.
  • the invention provides that the inner housing is designed to accommodate an electric motor that drives the impeller, possibly via the shaft, and that it forms cooling elements for cooling the electric motor, for example in the form of cooling channels that run in the axial direction and are furthermore connected in particular to a stator of the motor in a thermally conductive manner.
  • the inner housing determines the bearing receptacle or provides it.
  • the unit consisting of the diffuser and clamping ring is designed to be To direct the fluid pumped by the impeller into and/or onto the cooling elements of the inner casing.
  • the axial bearing is an aerodynamic axial bearing with at least one axial bearing disk, wherein an advantageous development of the invention for such a case provides that the unit comprising diffuser and clamping ring forms a clamping section which projects in the axial direction for contact with one of the axial bearing disks, which clamping section is formed in particular by an annular projection running in the circumferential direction, so that the axial clamping or fixing of one of the axial bearing disks, in particular against the other components of the bearing, i.e. via a spacer disk or a spacer ring against a second axial bearing disk and via this against, for example, a front end of the pot for receiving the bearing, can be carried out in a simple manner and without intermediate elements.
  • the clamping section can also be formed by an annular projection running circumferentially and perforated by channels running in the radial direction for flow decoupling and, if necessary, for homogenizing an ambient pressure in the bearing cup.
  • the unit consisting of diffuser and clamping ring has a plurality of guide elements and/or cooling elements for cooling and pressure conversion of the fluid conveyed by the impeller, by means of which the fluid can be cooled on the one hand or heat can be removed from the
  • the unit formed by the diffuser and clamping ring can be transferred to the fluid and, on the other hand, the kinetic energy of the fluid can be converted into pressure.
  • the unit comprising diffuser and clamping ring also preferably provides at least one directional element for concentric alignment with respect to the rotation axis and/or for concentric alignment of the axial bearing with respect to the rotation axis and/or for concentric alignment of an inlet nozzle arranged on the inflow side of the impeller with respect to the rotation axis.
  • the figure is exemplary schematic and shows a compressor 1 designed according to the invention in longitudinal section along the rotation axis A.
  • the compressor 1 is provided with an impeller 10 which can be rotated about a rotation axis A for conveying a fluid and pressurizing, i.e. compressing, the fluid, wherein an inlet nozzle 60 is arranged upstream of the impeller 10 with respect to the conveying direction and a diffuser 21 is arranged downstream, by means of which kinetic energy can be converted into pressure.
  • an axial bearing 30 For supporting the impeller 10 or a shaft to which the impeller 10 is attached, an axial bearing 30 and in this case a combination bearing as A combination of an axial bearing 30 and a radial bearing is provided. Furthermore, these bearings are designed as aerodynamic bearings.
  • a clamping ring 22 is usually provided, with which a clamping force can be applied to the axial bearing 30 and this can be fixed accordingly in the pot 41.
  • the diffuser 21 and the clamping ring 22 are formed integrally with one another, i.e. in one piece as a unit 20, which not only reduces the number of parts of the compressor, but also simplifies the concentric alignment with respect to the rotation axis A.
  • the unit 20 forms a clamping section 23 which runs annularly around the rotation axis A in the circumferential direction U, with which the unit 20 lies directly against the axial bearing disk 31 and exerts a clamping force on it in the axial direction, i.e. parallel to the rotation axis A.
  • the clamping section 23 is cut in the radial direction R by channels 24, through which a radially inner cavity is connected to a radially outer cavity, so that an ambient pressure around the aerodynamic axial bearing 30 can be homogenized and any undesired overpressures arising at the axial bearing 30 can be dissipated.
  • the unit 20 can be connected to the inner housing 40 via fastening elements 42 and screwed together, whereby a concentric alignment of the unit 20 with the inner housing 40 is achieved by a straightening element 26, which is designed as a fitting surface that runs around the rotation axis A in a ring shape.
  • the diffuser 21 has a plurality of guide elements 25, which are designed in the present case to direct the fluid between cooling elements 43 provided on the inner housing 40 and designed as cooling fins, so that efficient cooling of the inner housing 40 and the electric motor 50 accommodated therein for driving the impeller 10 is possible.
  • the invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a number of variants are conceivable that utilize the presented solution even in fundamentally different embodiments.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbokompressor (1) mit einem um eine Rotationsachse (A) rotierbaren Laufrad (10) zur Förderung eines Fluides, einem dem Laufrad (10) strömungstechnisch nachgeschalteten Diffusor (21) und einem Klemmring (22) zur Fixierung eines das Laufrad (10) axial lagernden Axiallagers (30) in einer Lageraufnahme (41), wobei der Diffusor (21) und der Klemmring (22) integral und einstückig miteinander als Einheit (20) ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbokompressor mit einem Diffusor und einem Klemmring, welche integral und einstückig als Einheit ausgebildet sind, wobei als Turbokompressor Axial-, Radial- und Diagonalkompressoren verstanden werden.
  • Turbokompressoren, zu welchen Radialkompressoren, Axialkompressoren und Diagonalkompressoren zählen sowie ihr prinzipieller Aufbau sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Dabei wird ein Fluid bzw. Gas und insbesondere Luft von einem mittels eines Motors angetriebenen Laufrad beschleunigt und die Bewegungsenergie des Fluides in einem strömungstechnisch nachgeschalteten Diffusor in Druck umgewandelt.
  • Das meist mit einer Welle verbundene Laufrad ist dabei über eine Lagerung axial und radial gelagert, wobei es sich bei der Lagerung abhängig von der konkreten Anwendung und den dabei herrschenden Randbedingungen beispielsweise um eine aerodynamische Lagerung handeln kann, welche auch als Gaslagerung oder Luftlagerung bezeichenbar ist. Die aerodynamische Lagerung umfasst hinsichtlich eines axialen Lagers im Stand der Technik oftmals eine dezidierte und separierte Lagerbaugruppe, durch welcher der Zusammenhalt der einzelnen Komponenten des Axiallagers als auch die Montage der Lagerbaugruppe in dem Kompressor bestimmt wird.
  • Das führt jedoch zu einer Vielzahl unterschiedlicher Komponenten, welche aufeinander abgestimmt und montiert werden müssen.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und einen Axial- bzw. Radial- bzw. Diagonalkompressor mit einfachem und damit kostengünstigen Aufbau zu realisieren.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Turbokompressor, d.h. ein Axial-, Diagonal- bzw. Axialkompressor, mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Laufrad zur Förderung eines Fluides, einem dem Laufrad strömungstechnisch nachgeschalteten Diffusor und einem Klemmring zur Fixierung eines das Laufrad axial lagernden Axiallagers in einer Lageraufnahme vorgeschlagen, wobei im Weiteren auf den Radialkompressor / Diagonalkompressor / Axialkompressor allgemein als Kompressor Bezug genommen wird. Dabei erfolgt die Lagerung des Laufrades vorzugsweise mit einem als aerodynamischen Lager ausgebildeten Axiallager, welches mit einem Radiallager kombiniert sein kann und/oder über eine um die Rotationsachse rotierbare Welle, an welcher das Laufrad fixiert oder mit welcher das Laufrad ausgebildet ist. Der Kompressor, welcher im Falle eines Radialkompressors auch als Zentrifugalkompressor oder Radialverdichter bezeichnet werden kann, dient dabei vorzugsweise dem Einsatz bei Kühlanwendungen, bei welchen das von dem Kompressor bzw. dem Laufrad geförderte Fluid ein Kühlmittel ist. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass der Diffusor und der Klemmring integral und einstückig miteinander als Einheit ausgebildet sind.
  • Entsprechend wird die Teilezahl und die Montage deutlich vereinfacht, wobei sich auch zusätzliche und im Weiteren noch erläuterte vorteilhafte Effekte ergeben.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Axialrichtung, Radialrichtung und Umfangsrichtung - soweit nicht im konkreten Fall anders angegeben - auf die Rotationsachse.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kompressor ferner ein Innengehäuse zur Aufnahme einer durch das Axiallager und/oder ein Radiallager gebildeten Lagerung aufweist, wobei die Einheit aus Diffusor und Klemmring einen stirnseitigen Gehäusedeckel des Innengehäuses bildet.
  • Weiter kann das Innengehäuse einen Topf als Lageraufnahme zur Aufnahme der Lagerung aufweisen, wobei der durch die Einheit aus Diffusor und Klemmring gebildete Gehäusedeckel durch zumindest ein Befestigungselement mit dem Topf verbindbar und die Lagerung in dem Topf durch den Gehäusedeckel bzw. eine über den Gehäusedeckel und wie im Weiteren noch genannt durch z.B. zumindest einem an dem Gehäusedeckel vorgesehenen Klemmabschnitt erzeugbare axiale Klemmkraft fixierbar ist.
  • Ferner sieht die Erfindung vor, dass das Innengehäuse zur Aufnahme eines das Laufrad ggfs. über die Welle antreibenden Elektromotor ausgebildet ist und Kühlelemente zur Kühlung des Elektromotors, beispielsweise in Form von in Axialrichtung verlaufenden und weiter insbesondere mit einem Stator des Motors wärmeleitfähig verbundenen Kühlkanälen, ausbildet. Dabei bestimmt das Innengehäuse die Lageraufnahme bzw. sieht diese vor. Die Einheit aus Diffusor und Klemmring ist hierbei ausgebildet, das von dem Laufrad geförderte Fluid in und/oder an die Kühlelemente des Innengehäuses zu lenken.
  • Entsprechend wird zumindest ein Teil des von dem Laufrad geförderten Fluides aus der Radialrichtung in die Axialrichtung umgelenkt.
  • Wie einführend bereits erläutert kann vorgesehen sein, dass das Axiallager ein aerodynamisches Axiallager mit zumindest einer Axiallagerscheibe ist, wobei eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung für einen solchen Fall vorsieht, dass die Einheit aus Diffusor und Klemmring einen in Axialrichtung hervorstehenden Klemmabschnitt zur Anlage an einer der Axiallagerscheiben ausbildet, welcher insbesondere durch einen ringförmigen, in Umfangsrichtung umlaufenden Vorsprung gebildet ist, sodass also die axiale Klemmung bzw. Fixierung der einen Axiallagerscheiben insbesondere gegen die weiteren Komponenten der Lagerung, d.h. über eine Distanzscheibe bzw. einen Distanzring gegen eine zweite Axiallagerscheibe und über diese gegen beispielsweise ein stirnseitiges Ende des Topfes zur Aufnahme der Lagerung, in einfacherweise und ohne Zwischenelemente ausführbar ist.
  • Um die durch die aerodynamische Lagerung bedingten aerostatischen Effekte an der Welle bzw. an einer Axiallagerfläche zu entkoppeln und einen Druckausgleich mit einem in dem Lagertopf herrschenden Umgebungsdruck zu ermöglichen, kann der Klemmabschnitt zudem durch einen ringförmigen, in Umfangsrichtung umlaufenden Vorsprung gebildet sein, welcher von in Radialrichtung verlaufenden Kanälen zur Strömungsentkopplung sowie ggfs. zur Homogenisierung eines Umgebungsdrucks in dem Lagertopf durchbrochen ist.
  • Typischerweise kann zudem vorgesehen sein, dass die Einheit aus Diffusor und Klemmring eine Vielzahl von Leitelementen und/oder Kühlelementen zur Kühlung und Druckwandlung des durch das Laufrad geförderten Fluides aufweist, durch welche das Fluid einerseits gekühlt oder Wärme von der aus Diffusor und Klemmring gebildeten Einheit auf das Fluid übertragen werden kann und andererseits die Bewegungsenergie des Fluides in einen Druck umgewandelt werden kann.
  • Die Einheit aus Diffusor und Klemmring sieht zudem vorzugsweise zumindest ein Richtelement zur konzentrischen Ausrichtung gegenüber der Rotationsachse und/oder zur konzentrischen Ausrichtung des Axiallagers zu der Rotationsachse und/oder zur konzentrischen Ausrichtung einer einströmseitig an dem Laufrad angeordneten Einströmdüse zu der Rotationsachse vor.
  • Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinanderstehen.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:
    • Fig. 1
    ein Längsschnitt durch einen Kompressor.
  • Die Figur ist beispielhaft schematisch und zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kompressor 1 im Längsschnitt entlang der Rotationsachse A.
  • Dabei ist durch den Kompressor 1 ein um eine Rotationsachse A rotierbares Laufrad 10 zur Förderung eines Fluides und Druckbeaufschlagung d.h. Kompression des Fluides vorgesehen, wobei dem Laufrad 10 bezüglich der Förderrichtung eine Einströmdüse 60 vorgeschalten und ein Diffusor 21 nachgeschalten ist, durch welche kinetische Energie in Druck umgewandelt werden kann.
  • Zur Lagerung des Laufrades 10 bzw. einer Welle, an welcher das Laufrad 10 befestigt ist, ist ferner ein Axiallager 30 und vorliegend ein Kombilager als Kombination eines Axiallagers 30 und eine Radiallagers vorgesehen. Weiter sind diese vorliegend als aerodynamische Lager ausgebildet.
  • Um das Axiallager 30 in einem von einem Innengehäuse 40 des Kompressors 1 konkret als Topf 41 bereitgestellte Lageraufnahme 41 fixieren zu können, wird üblicherweise ein Klemmring 22 vorgesehen, mit welchem eine Klemmkraft auf das Axiallager 30 aufgebracht und dieses entsprechend in dem Topf 41 fixiert werden kann.
  • Vorliegend ist dabei vorgesehen, dass der Diffusor 21 und der Klemmring 22 integral miteinander, d.h. einstückig als eine Einheit 20 ausgebildet sind, wodurch sich nicht nur die Teilezahl des Kompressors reduzieren, sondern auch die konzentrische Ausrichtung gegenüber der Rotationsachse A vereinfachen lässt.
  • Zur Fixierung des Axiallagers 30, welches als aerodynamisches Lager eine Axiallagerscheibe 31 aufweist, bildet die Einheit 20 einen die Rotationsachse A in Umfangsrichtung U ringförmig umlaufenden Klemmabschnitt 23 aus, mit welchem die Einheit 20 unmittelbar an der Axiallagerscheibe 31 anliegt und in Axialrichtung d.h. parallel der Rotationsachse A eine Klemmkraft auf diese ausübt.
  • Dabei wird der Klemmabschnitt 23 in Radialrichtung R von Kanälen 24 geschnitten, durch welche ein radialinnerer Hohlraum mit einem radialäußeren Hohlraum verbunden wird, sodass ein Umgebungsdruck um das aerodynamische Axiallager 30 homogenisiert und gegebenenfalls an dem Axiallager 30 entstehende ungewünschte Überdrücke abgeführt werden können.
  • Weiter ist die Einheit 20 über Befestigungselemente 42 mit dem Innengehäuse 40 verbind- und vorliegend verschraubbar, wobei eine konzentrische Ausrichtung der Einheit 20 mit dem Innengehäuse 40 durch ein Richtelement 26 erfolgt, welches als eine die Rotationsachse A ringförmig umlaufende Passfläche ausgebildet ist.
  • Der Diffusor 21 weist eine Vielzahl von Leitelementen 25 auf, welche vorliegend ausgebildet sind, das Fluid zwischen an dem Innengehäuse 40 vorgesehene und als Kühlrippen ausgebildete Kühlelemente 43 zu lenken, sodass eine effiziente Kühlung des Innengehäuses 40 und des darin aufgenommenen Elektromotors 50 zum Antrieb des Laufrades 10 ermöglicht wird.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (7)

  1. Turbokompressor (1) mit einem um eine Rotationsachse (A) rotierbaren Laufrad (10) zur Förderung eines Fluides, einem dem Laufrad (10) strömungstechnisch nachgeschalteten Diffusor (21) und einem Klemmring (22) zur Fixierung eines das Laufrad (10) axial lagernden Axiallagers (30) in einer Lageraufnahme (41),
    wobei der Diffusor (21) und der Klemmring (22) integral und einstückig miteinander als Einheit (20) ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Turbokompressor (1) ferner ein Innengehäuse (40) zur Aufnahme einer durch das Axiallager und/oder ein Radiallager gebildeten Lagerung aufweist, welches die Lageraufnahme (41) vorsieht,
    wobei die Einheit (20) aus Diffusor (21) und Klemmring (22) einen stirnseitigen Gehäusedeckel des Innengehäuses (40) bildet,
    wobei das Innengehäuse (40) ferner zur Aufnahme eines das Laufrad (10) antreibenden Elektromotors (50) ausgebildet ist und Kühlelemente (43) zur Kühlung des Elektromotors (50) ausbildet,
    und wobei die Einheit (20) aus Diffusor (21) und Klemmring (22) ausgebildet ist, das von dem Laufrad (10) geförderte Fluid in und/oder an die Kühlelemente (43) des Innengehäuses (40) zu lenken.
  2. Turbokompressor nach Anspruch 1,
    wobei das Innengehäuse (40) einen Topf (41) als Lageraufnahme (41) zur Aufnahme der Lagerung aufweist und
    der durch die Einheit (20) aus Diffusor (21) und Klemmring (22) gebildete Gehäusedeckel durch zumindest ein Befestigungselement (42) mit dem Topf (41) verbindbar und die Lagerung in dem Topf (41) durch eine über den Gehäusedeckel erzeugbare axiale Klemmkraft fixierbar ist.
  3. Turbokompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das Axiallager (30) ein aerodynamisches Axiallager mit zumindest einer Axiallagerscheibe (31) ist und wobei die Einheit (20) aus Diffusor (21) und Klemmring (22) einen in Axialrichtung hervorstehenden Klemmabschnitt (23) zur Anlage an einer der Axiallagerscheiben (31) ausbildet, welcher insbesondere durch einen ringförmigen, in Umfangsrichtung (U) umlaufenden Vorsprung gebildet ist.
  4. Turbokompressor nach dem vorhergehenden Anspruch,
    wobei der Klemmabschnitt (23) durch einen ringförmigen, in Umfangsrichtung (U) umlaufenden Vorsprung gebildet ist, welcher von in Radialrichtung (R) verlaufenden Kanälen (24) zur Strömungsentkopplung durchbrochen ist.
  5. Turbokompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Einheit (20) aus Diffusor (21) und Klemmring (22) eine Vielzahl von Leitelementen (25) und/oder Kühlelementen zur Kühlung und Druckwandlung des durch das Laufrad (10) geförderten Fluides aufweist.
  6. Turbokompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Einheit (20) aus Diffusor (21) und Klemmring (22) zumindest ein Richtelement (26) zur konzentrischen Ausrichtung gegenüber der Rotationsachse (A) und/oder zur konzentrischen Ausrichtung des Axiallagers (30) zu der Rotationsachse (A) und/oder zur konzentrischen Ausrichtung einer einströmseitig an dem Laufrad (10) angeordneten Einströmdüse (60) zu der Rotationsachse (A) aufweist.
  7. Turbokompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Turbokompressor ein Radialkompressor oder ein Axialkompressor oder ein Diagonalkompressor ist.
EP25154984.6A 2024-01-31 2025-01-30 Turbokompressor Pending EP4596891A1 (de)

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EP4596891A1 true EP4596891A1 (de) 2025-08-06

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EP25154984.6A Pending EP4596891A1 (de) 2024-01-31 2025-01-30 Turbokompressor

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US (1) US20250243871A1 (de)
EP (1) EP4596891A1 (de)
CN (1) CN120402412A (de)
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