WO2001020168A1

WO2001020168A1 - Turbogebläse

Info

Publication number: WO2001020168A1
Application number: PCT/DE1999/002946
Authority: WO
Inventors: Gunther Weser; Jörg WESER
Original assignee: Gwj Engineering Gbr
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Turbogebläse, das eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite, zwei oder mehr Laufräder (12, 16) und eine mit Rotor (22) und Antriebswelle (20) versehene elektrische Antriebseinheit aufweist. Zur Erschaffung eines kompakten mehrstufigen Turbogebläses, bei dem eine Verunreinigung des Fördermediums in allen Betriebszuständen vermieden wird, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Laufräder (12, 16) auf beiden Seiten des Rotors (22) der elektrischen Antriebseinheit (22, 24) in Richtung der Antriebswellenachse gleich orientiert hintereinander angeordnet sind, und dass jeweils das eingangsseitig dem Rotor (22) nächstgelegenen Laufrad (16) mit dem ausgangsseitig dem Rotor (22) nächstgelegenen Laufrad (16) durch einen mantelförmigen Raum (42) strömungstechnisch verbunden ist, und die Antriebswelle (20) mindestens zwei Lagerstellen (32, 34, 36) aufweist, wobei sich eine Lagerstelle (32) auf der eingangsseitigen Rotorseite zwischen dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad (12) und dem Rotor (22) und eine zweite (34, 36) auf der ausgangsseitigen Rotorseite zwischen dem Rotor (22) und dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad (16) und/oder hinter dem ausgangsseitig ersten Laufrad (16) des Turbogebläses (10) auf der Antriebswelle (20) befinden.

Description

Turbogebläse

Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Turbogebläse, das eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite, zwei oder mehr Laufräder und eine mit Rotor und Antriebswelle versehene elektrische Antriebseinheit aufweist.

Bislang bekannte mehrstufige Turbogebläse werden beispielsweise in schnellgeströmten axialen Kohlendioxidlasern für Laserschneid- und Schweißanlagen zur Umwälzung des Lasergases eingesetzt. Bei diesem Anwendungsfall ist es erforderlich, daß das Gebläse heliumdicht ist, da sonst ein unkontrollierter Gasaus- tausch die Entladungsstabilität beeinträchtigt, was eine Verminderung der Ausgangsleistung des Lasers verursachen kann. Das Turbogebläse darf keine Stoffe enthalten oder während des Betriebes entstehen lassen, die eine Kontamination des Fördermedi- ums verursachen können. Hier sind in erster Linie Kohlenwasser- Stoffe zu nennen. Gelangen Kohlenwasserstoffe in das Fördermedium und somit in den Resonator des Lasers, so werden diese durch Einwirkung der Entladungswärme gecrackt. Der Kohlenstoff schlägt sich dann auf den gekühlten Optiken nieder, vermindert deren Reflektionsgrad und führt zu deren Zerstörung.

Resonator, Kühler und Turbogebläse des Lasers arbeiten unter Vakuumbedingungen. Dies und die Forderung, daß eine Verunreinigung des Fördermediums nicht zulässig ist, stellt u.a. besondere Anforderungen an die Lagerung des Turbogebläses . Zur Zeit werden in Turbogebläsen vorwiegend öl- oder fettgeschmierte Kugellager eingesetzt. Um eine Verunreinigung des Fördermediums zu verhindern, wird in beiden Fällen mit einer Gasabsaugung im Lagerstel- lenbereich gearbeitet.

Bei einer vorbekannten Aus führungs form eines solchen zweistufigen Turbogebläses befinden sich zwei Laufräder direkt hintereinander in Richtung der Längsachse einer gemeinsamen Welle, an - deren Enden sich jeweils eine fettgeschmierte Lagerstelle befindet. Eine elektrische Antriebseinheit ist nach den beiden Lauf- rädern in Richtung der Wellenachse auf der gemeinsamen Welle angeordnet. Diese als Außenlagerung bekannte Anordnungsweise eines typischen mehrstufigen Gebläses weist einen großen Raumbedarf auf, da hier u.a. der platzsparende axiale Eintritt der Strömung in das Gebläse nicht möglich ist. Weiterhin setzt der große Lagerabstand die erste Biegeeigenfrequenz der Welle, auch biegekritische Drehzahl genannt, herab und somit auch die maximale Betriebsdrehzahl für unterkritischen Betrieb. Daraus resultieren nach dem Wachstumsgesetz der Kreiselmaschinen wiederum größere Laufräder. Angesprochene Ausführungen mehrstufiger Turbogebläse weisen deshalb, falls sie für einen unterkritischen Betrieb ausgelegt sind, ein relativ großes Bauvolumen auf, das einem gewünschten kompakten Aufbau der Strahlquelle entgegenwirkt .

Bei einer weiteren bekannten Ausführung eines zweistufigen Tur- bogebläses für diesen Einsatzfall sind zwei Laufräder direkt nacheinander in Richtung der Wellenachse an einem Wellenende angeordnet. Eine elektrische Antriebseinheit befindet sich dabei zwischen zwei Lagerstellen. Diese typische Anordnung der Lager und Laufräder wird fliegende Lagerung genannt. Um hier die not- wendig hohe Betriebsdrehzahl für den geforderten kleinen Raumbedarf zu erreichen, wird diese im allgemeinen über die erste Biegeeigenfrequenz der Welle gelegt. Dies hat zur Folge, daß beim Anfahren des Turbogebläses immer ein kritischer Zustand durchfahren werden muß. Weiterhin ist der Arbeitsbereich des Turboge- bläses eingeschränkt, da sich der Betriebspunkt bzw. die Betriebsdrehzahl zwischen der ersten und zweiten Biegeeigenfrequenz befinden muß. Da mit normalen Wälzlagern in der Regel ein Durchfahren einer Biegeeigenfrequenz der Welle aufgrund zu großer Ausbiegungen und somit der Gefahr des Anstreifens des Rotors bzw. der Laufräder am Gehäuse nicht möglich ist, müssen hierbei besondere Maßnahmen zur Dämpfung der Lagerung getroffen werden. Diese Maßnahmen sind immer mit einem zusätzlichen Mehraufwand

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gangsseitig dem Rotor nächstgelegene Laufrad mit dem ausgangs- seitig dem Rotor nächstgelegenen Laufrad durch einen mantelför- migen Raum strömungstechnisch verbunden ist, und die Antriebs- welle mindestens zwei Lagerstellen aufweist, wobei sich eine Lagerstelle auf der eingangsseitigen Rotorseite zwischen dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad und dem Rotor und eine zweite auf der ausgangsseitigen Rotorseite zwischen dem Rotor und dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad und/oder hinter dem aus- gangsseitig ersten Laufrad des Turbogebläses auf der Antriebswelle befinden.

Soweit bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Turbogebläse nur eine geringere Betriebsdrehzahl vorgesehen ist, brauchen für die Antriebswelle nur zwei Lagerstellen vorgesehen zu werden, soweit aufgrund einer Anordnung der Laufräder auf beiden Seiten der elektrischen Antriebseinheit die gute Massenverteilung eine ausreichend gute Rotordynamik zur Vermeidung der ersten Biegeeigen- frequenz gewährleistet. Bei höheren Betriebsdrehzahlen sind hin- gegen drei Lagerstellen erforderlich, so daß die erste biegekritische Drehzahl immer über der maximalen Betriebsdrehzahl liegt.

Erfindungsgemäß sind somit für die Lagerung der Antriebswelle drei Alternativen vorgesehen, bei denen die erste Lagerstelle immer auf der eingangsseitigen Rotorseite zwischen dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad und dem Rotor liegt. Hinsichtlich der zusätzlichen Lagerstelle (n) sind folgende Alternativen möglich:

- Die zweite Lagerstelle liegt hinter dem ausgangsseitig ersten Laufrad des Turbogebläses: diese Anordnung ist nur für sehr niedrige Betriebsdrehzahlen geeignet.

Die zweite Lagerstelle befindet sich auf der ausgangsseiti- gen Rotorseite zwischen dem Rotor und dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad: diese Konstruktion läßt mittlere Betriebsdrehzahlen zu.

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dermedium beim Durchströmen des mantelförmigen Raumes abgekühlt, bevor es in die an den mantelförmigen Raum anschließende Stufe eintritt. Dies führt zu einer thermodynamischen Leistungserspar- nis, die eine geringere erforderliche Antriebsleistung des Turbogebläses zur Folge hat. Das wirkt sich besonders bei höheren Verdichtungsverhältnissen aus . Durch diese erfindungsgemäße Lösung können z.B. auch konventionelle mehrstufige Verdichter mit Zwischenkühlung mit einer deutlich verringerten Baugröße ausge- führt werden.

Eine in den mantelförmigen Raum integrierte Zwischenkühlung bietet weiterhin den Vorteil einer geringeren thermischen Belastung der Bauteile des Gebläses .

Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Gehäusekühlung in den Wandungen des den mantelförmigen Raum bildenden Bauteiles integriert wird. Aufgrund des großen zur Verfügung stehenden Platzes ist eine sehr gute thermische Entlastung der Gehäuseteile er- reichbar. Weiterhin wird dadurch die Wärmeabstrahlung vom Gehäuse an die Umgebung verringert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Gebläse z.B. zusammen mit anderen Geräten in einen Schrank eingebaut wird. Der sonst auftretende Aufheizeffekt , der z.B. bei elektronischen Geräten zur Funktionsbeeinträchtigung oder sogar zum Ausfall führen kann, wird dadurch verringert oder beseitigt .

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfin- düng anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes zweistufiges Turbogebläse 10 zur Förderung von Lasergas. Das Turbogebläse besteht aus einer ersten und einer zweiten Gebläse- stufe. Die erste Gebläsestufe besteht aus einem Laufrad 12 und einem Leitrad 14, die zweite aus einem Laufrad 16 und einem Leitrad 18.

Die beiden Laufräder 12 und 16 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 20. Zwischen den beiden Laufrädern 12 und 16 befindet sich ein Rotor 22 einer elektrischen Antriebseinheit auf der Welle 20. Die elektrische Antriebseinheit besteht weiterhin aus einem Stator 24, der in einem Gehäuse 26 sitzt. Das Gehäuse 26 besitzt einen Saugstutzen und zwei Druckstutzen 30.

Die Laufräder 12, 16 sind als Radiallaufräder ausgeführt, die auch durch Halbaxial- oder Axiallaufräder ersetzt werden können. Der Rotor 22 der elektrischen Antriebseinheit und die Laufräder 12, 16 sitzen auf der gemeinsamen Welle 20, die drei Lagerstellen 32, 34 und 36 aufweist. Die Welle 20 befindet sich in senkrechter Lage zur Aufstellungsebene 38 des Turbogebläses 10.

Die Lagerstelle 32 ist als sogenanntes Festlager und die Lagerstellen 34 und 36 als Loslager ausgeführt. Die Lagerstelle 32 besteht aus einem Schrägkugellagerpaar in O-Anordnung, die Lagerstelle 34 und 36 jeweils aus einem Zylinderrollenlager.

Die Lagerstelle 32 befindet sich zwischen dem Laufrad 12 der ersten Gebläsestufe und dem Rotor 22. Die Lagerstelle 34 ist zwischen dem Rotor 22 und dem Laufrad 16 der zweiten Gebläsestufe angeordnet. Die dritte Lagerstelle 36 befindet sich zwischen dem Laufrad 16 und dem unteren Ende der Welle 20.

Wird die Welle 20 durch die elektrische Antriebseinheit in Rotation versetzt, so wird das Fördermedium über den Saugstutzen 28 durch das Laufrad 12 angesaugt. Im Laufrad 12 wird das Fördermedium von der axialen in die radiale Strömungsrichtung umgelenkt. Anschließend durchströmt das Fördermedium einen schaufellosen Ringraum 40, um dann in das Leitrad 14 einzutreten. Nach dem Verlassen des Leitrades 14 durchströmt das Fördermedium einen durch das Gehäuse 26 gebildeten mantelförmigen Raum 42 und wird dann über Rückführschaufeln 44 dem Laufrad 16 der zweiten Gebläsestufe zugeführt. Nach dem Verlasssen des Laufrades 16 strömt das Fördermedium durch einen schaufellosen Ringraum 46 und durch das Leitrad 18, um dann über einen Sammelraum 48 an den beiden Druckstutzen 30 aus dem Turbogebläse auszutreten.

Die Einzellager der Lagerstellen 32, 34 und 36 sind fettge- schmiert. Eine Olschmierung der Lager ist ebenfalls möglich. Bei Fettschmierung ist der Einsatz synthetischer Hochgeschwindigkeitsfette vorteilhaft, deren Grundöle einen sehr niedrigen Dampfdruck haben und dadurch entsprechend vakuumtauglich sind. Zur zusätzlichen Sicherheit gegen Ausdampfungsprodukte ist es vorteilhaft, eine Gasabsaugung im Lagerstellenbereich vorzusehen. Diese ist hier über Kanäle 50, 52, 54 und 56 sowie über Verbindungsleitungen 58 und 60 realisiert, an die eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Durch die Vakuumpumpe wird in der Lagerstellenumgebung ein unter dem Systemdruck liegender Druck erzeugt und somit eine Kontamination des Fördermediums zuverlässig verhindert.

Besonders vorteilhaft ist eine Kühlung des Stators 24. Diese kann z.B. durch einen um den Stator 24 spiralförmig umlaufenden Kühlkanal realisiert werden, der in das Gehäuse 26 in unmittelbarer Nähe zum Stator 24 integriert ist und z.B. mit Kühlwasser versorgt wird.

Vorteilhaft kann auch eine Gehäusekühlung ausgeführt werden. Die Gehäusekühlung kann z.B. ebenfalls durch einen spiralförmig umlaufenden, in der äußeren Wandung 27 des Gehäuses 26 integrierten Kühlkanal verwirklicht werden.

Besonders vorteilhaft ist zur Leistungsersparnis bei höheren Druckverhältnissen die Integration einer Zwischenkühlung in den mantelförmigen Raum 42. Die Realisierung einer solchen Zwischenkühlung kann z.B. durch den Einbau eines berippten Rohrschlan- genpaketes bzw. von Rippen erfolgen. Als Kühlmittel kann Wasser eingesetzt werden, das durch das berippte Rohrschlangenpaket bzw. durch die Rippen geleitet wird. Diese Rippen können zugleich auch als Strömungsleitelemente für das den mantelförmigen Raum 42 durchströmende Fördermedium ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufiges Turbogebläse, das eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite, zwei oder mehr Laufräder (12, 16) und eine mit Rotor (22) und Antriebswelle (20) versehene elektrische Antriebseinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder (12, 16) auf beiden Seiten des Rotors (22) der elektrischen Antriebseinheit (22, 24) in Richtung der Antriebswellenachse gleich orientiert hintereinander angeordnet sind, und daß jeweils das eingangsseitig dem Rotor (22) nächstgelegene Laufrad (12) mit dem ausgangsseitig dem Rotor (22) nächstgelegenen Laufrad (16) durch einen mantelförmigen Raum (42) strömungstechnisch verbunden ist, und die Antriebswelle (20) mindestens zwei Lagerstellen (32, 34, 36) aufweist, wobei sich eine Lagerstelle (32) auf der eingangsseitigen Rotorseite zwischen dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad (12) und dem Rotor (22) und eine zweite (34, 36) auf der ausgangsseitigen Rotorseite zwischen dem Rotor (22) und dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad (16) und/oder hinter dem ausgangsseitig ersten Laufrad (16) des Turbogebläses (10) auf der Antriebswelle (20) befinden.

2. Turbogebläse gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in den Mantelraum (42) integrierte Zwischenkühlung.

3. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die äußere Gehäusewandung (27) eine Kühlung integriert ist.

4. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Antriebswelle (20) mittels Wälzlagern erfolgt.

5. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Antriebswelle (20) mittels Gleitlagern erfolgt.

5. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Antriebswelle (20) durch eine Kombination von Wälz- und Gleitlagern erfolgt.

7. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mantelförmige Raum (42) konzentrisch zur Längsachse der Antriebswelle (20) ausgebildet ist.

Turbogebläse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Lagerstellenbereiche der fett- oder ölgeschmierten Lagerstellen (32, 34, 36) eine Gasabsaugung (50 - 60) angeschlossen ist.

9. Turbogebläse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellenbereiche beidseitig des Rotors (22) der elektrischen Antriebseinheit (22, 24) an eine externe Vakuumpumpe über Verbindungsleitungen (58, 60) angeschlossen sind, die durch den mantelförmigen Raum (42) hindurchgeführt sind.

10. Turbogebläse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in den mantelförmigen Raum (42) integrierte Zwischenkühlung für das Fördermedium.

11. Turbogebläse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenkühlung im mantelförmigen Raum (42) kühlmitteldurchströmte Rippen angeordnet sind.

12. Turbogebläse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Rippen als Strömungsleitelemente für das den mantelförmigen Raum (42) durchströmende Fördermedium ausgebildet sind.

13. Turbogebläse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühlung für den Stator (24) der elektrischen Antriebseinheit (22, 24).

14. Turbogebläse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kühlung einen den Stator (24) spiralförmig umlaufenden, von einem Kühlmittel durchströmten Kühlkanal aufweist .

15. Turbogebläse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kühlkanal in ein stationäres Gehäuse (26) in unmittelbarer Nähe zum Stator (24) integriert ist.