WO2009000618A1 - Nasenhaube für einen turbomaschinenrotor - Google Patents

Nasenhaube für einen turbomaschinenrotor Download PDF

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WO2009000618A1
WO2009000618A1 PCT/EP2008/056955 EP2008056955W WO2009000618A1 WO 2009000618 A1 WO2009000618 A1 WO 2009000618A1 EP 2008056955 W EP2008056955 W EP 2008056955W WO 2009000618 A1 WO2009000618 A1 WO 2009000618A1
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turbomachine
impeller
nose
rotor
wall
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PCT/EP2008/056955
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English (en)
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Thomas MÖNK
Axel Spanel
Wolfgang Zacharias
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F04D29/668—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps damping or preventing mechanical vibrations
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to a nose hood for a
  • a turbomachine is, for example, a conventional turbocompressor 101 as shown in FIGS. 8 and 9.
  • the turbocompressor 101 has a housing 102 and a turbocompressor rotor 103 surrounded by the housing 102.
  • the turbo compressor rotor 103 has a shaft 104 which is supported on a bearing 105 on the housing 102. Further, the turbo compressor rotor 103 has an impeller
  • the impeller 106 is a radial compressor impeller whose inflow in the axial direction of the shaft 104 and its outflow in the radial direction of the shaft 104 extends.
  • the inflow is guided in an inlet channel 107 of the turbocompressor 101 running in the axial direction of the shaft 104, so that the inflow into the shaft 106 in the axial direction of the shaft 104 hits the impeller 106.
  • a plurality of adjustable guide vanes 108 is arranged in the inlet passage 107, wherein the adjustable guide vanes 108 are combined to form a blade ring.
  • the hub portion is the
  • Leitschaufel 108 provided with a nose hood 110 which is fixed to the impeller 106 and thus rotates with the impeller 106 with.
  • the nose cap 110 is aerodynamically shaped and serves to minimize the interference of the hub portion of the impeller 106 in the inflow.
  • a stationary nose cap 111 may be provided in the area of the nose Hub region of the impeller 106 may be provided.
  • the nose cap 111 is held in position by a strut 109 fixed to the inlet passage 107.
  • the nose cap 111 is also aerodynamically shaped so as not to disturb the inflow to the impeller 106 as possible.
  • the strut 109 is aerodynamically shaped to minimize the interference of the strut 109 to the inflow as small as possible.
  • the strut 109 is disposed upstream of the adjustable vane 108, and the stationary nose dome 111 is formed longer than the rotating nose dome 110 in the axial direction of the shaft 104.
  • the nose cap 111 is spaced from the impeller 106 so that the impeller 106 does not contact the stationary nose cap 111 and thus can not grind and damage it.
  • the rotor dynamics of the turbocompressor rotor 103 i.
  • the dynamic vibration behavior of the turbocompressor rotor 103 during operation of the turbocompressor 101 depends essentially on the geometry and structural design of the turbocompressor rotor 103 and the dynamic properties inherent in the bearing 105, in particular the rigidity and damping of the bearing 105.
  • the bearing 105 is formed by a Kippsegmentgleitlager, which according to its design, construction and its operation has the appropriate stiffness and the corresponding damping.
  • Operating speed of the turbocompressor 103 passes usually at least one critical speed.
  • the radial oscillation amplitude of the turbocompressor rotor 103 must always be within design limits. These limits can be met if the rotor dynamics of the turbo compressor rotor 103 is set accordingly, in particular by the geometry and the structural design of the turbocompressor rotor 103 and the rigidity and the damping of the bearing 105.
  • the object of the invention is to provide a nose hood for a turbomachine rotor and a turbomachine with the turbomachine rotor having the nose hood, wherein the turbomachine has a balanced rotor dynamic behavior and thus is safe to operate.
  • the nose hood according to the invention for a turbomachine rotor which has an impeller arranged to fly to a bearing point of the turbomachine rotor, can be connected axially to guide an axial supply and / or outflow of the impeller and has a coupling device with which the impeller and the nose hood are radially connected are mechanically coupled, so that the vibration behavior of the turbomachine rotor can be influenced.
  • the turbomachine according to the invention has a turbomachine rotor, which has an impeller which is arranged to fly over the bearing point of the rotor, and the nose hood, wherein the impeller and the nose hood are radially coupled by means of the coupling device, so that the
  • Vibration behavior of the turbomachine rotor can be influenced.
  • the nose hood engages with the coupling device on the
  • Impeller which is cantilevered with respect to the bearing. Due to the flying bearing of the impeller is based on the bearing for the coupling device before a favorable lever arm for influencing the rotor dynamic behavior of the turbomachine rotor before. As a result, the rotor dynamic behavior of the turbomachine rotor can be influenced effectively and favorably by the nose hood.
  • the vibration of the turbomachine rotor is damped in operation by means of the coupling device, so that the maximum oscillation amplitude during operation of the turbomachine rotor is low.
  • the amplitude of vibration of the turbomachine rotor may be so great that operation of the turbomachinery with these gases results in damage to the turbomachine.
  • the oscillation amplitude of the turbomachine rotor is low, so that the turbomachine according to the invention can also be operated with these gases with high density and high reliability.
  • the provision of the nose hood according to the invention in the turbomachine according to the invention implements new machine concepts possible, especially in high gas density applications such as carbon dioxide compressed to a high pressure.
  • the nose cap thus provides an additional
  • Design element with which the damping of the vibration system can be favorably influenced.
  • the impeller has an externally accessible shaft bore having a cylindrical inner wall and the coupling means has a protrusion with a cylindrical outer wall insertable into the shaft bore forming a cylindrical annular gap between the outer wall of the protrusion and the inner wall of the shaft bore, and has a loading device, with which the annular gap for damping the vibration of the turbomachine rotor can be acted upon with pressurizing gas.
  • an annular, cylindrical gas cushion between the projection of the nose hood and the impeller is achieved with a flow of Beaufschlagungsgases through the annular gap.
  • the gas cushion has a damping characteristic with which the vibration of the turbomachine rotor can be damped.
  • the flow of the admission gas can be predetermined, so that the damping property of the gas cushion is adjustable.
  • the annular gap is provided, so that in spite of the damping coupling between the impeller and the nose hood, the impeller is not in contact with the nose hood. Therefore, the impeller and the nose hood are mechanically coupled without contact, so that mechanical wear in the coupling device on the impeller and the nose hood is prevented.
  • the loading device prefferable for feeding the pressurizing gas into the annular gap, the pressurizing gas being able to flow into the annular gap through the outer wall of the protrusion.
  • the supply gas is guided to the annular gap in the interior of the nose hood, so that an additional space outside the nose hood need not be provided for the supply of the annular gap with the pressurizing gas.
  • the loading device is designed to save space within the nose hood.
  • the coupling device has at least one labyrinth seal with labyrinth tips, which are attached to the outer wall of the projection and / or the inner wall of the impeller.
  • the apply gas flows through the labyrinth seal within the annular gap, i. around the labyrinth peaks, a multiplicity of vortices form at the labyrinth peaks, which increase the flow resistance of the admission gas in the annular gap.
  • the damping effect of the gas cushion which is formed with the pressurizing gas within the annular gap, improved.
  • the coupling device has a multiplicity of the labyrinth seals, between which in each case the admission gas for supplying the labyrinth seals can be fed into the annular gap.
  • the labyrinth seals can be individually designed individually so that an admission profile adapted to the rotor dynamics of the turbomachinery rotor can be generated within the annular gap.
  • the individual labyrinth seals in the axial direction of the turbomachine rotor and in the radial direction may be formed differently, so that the individual seals have different damping and stiffness properties.
  • the coupling means comprise a honeycomb honeycomb seal, which are attached to the outer wall of the projection and / or the inner wall of the impeller.
  • the coupling device has a plurality of the honeycomb seals, between each of which the pressurizing gas for supplying the honeycomb seal can be fed into the annular gap.
  • the individual honeycomb seals can be designed differently, so that the individual honeycomb seals have different damping and stiffness properties.
  • the nose cap is fixed stationary relative to the impeller.
  • the turbomachine is a radial compressor, which preferably has an inlet channel for the impeller and at least one strut with which the nose hood is suspended in the inlet channel.
  • the strut is stationarily stably positioned relative to the impeller, whereby forces from the impeller via the Coupling device can be transferred to the nose cap on the strut to the inlet channel.
  • the engagement of the projection of the nose cap in the impeller is safe and accurate, so that the damping effect of the coupling device is effective.
  • the strut is aerodynamically shaped.
  • the strut in the inlet channel has a low aerodynamic resistance, whereby the flow in the
  • the turbomachine has a high efficiency.
  • the strut is formed as a guide vane.
  • the strut is fixed in the inlet channel, it is stationary.
  • the strut is the guide vane, so that by means of the strut, the inlet flow in the direction of the impeller can be correspondingly advantageously deflected.
  • the inflow to the impeller is advantageously aerodynamically manipulatable.
  • the loading device can be supplied with the application gas through the strut.
  • the admission gas is guided from outside the inlet channel through the strut into the interior of the nose hood.
  • Inside the nosecap is that
  • Channel system provided by the supply gas is guided to the outer wall of the projection, wherein from the outer wall of the projection of the impingement gas flows into the annular gap.
  • the pressurizing gas is a process gas of the turbomachine.
  • the admission gas mixes with the process gas of the turbomachine. Since the apply gas has the same composition as the process gas, contamination of the process gas by the process takes place
  • the apply gas may be tapped from the turbomachine and a separate source of the apply gas need not be provided.
  • the turbomachine has at least one adjustable guide vane, which is arranged between the strut and the impeller.
  • the guide vane can advantageously be positively manipulated the inflow to the impeller, so that the impeller has a high efficiency.
  • Fig. 1 is a sectional view of the invention
  • FIG. 2 detail X from FIG. 1, FIG.
  • Fig. 4 shows a first embodiment of
  • Fig. 5 shows a second embodiment of
  • Fig. 6 shows a third embodiment of
  • Coupling device, 7 shows a fourth embodiment of the coupling device
  • Fig. 8 shows a first example of a conventional turbocompressor
  • FIG 9 shows a second example of a conventional turbocompressor.
  • a turbocompressor 1 has a housing 2 and a housing
  • Turbo compressor rotor 3 which is surrounded by the housing 2.
  • the turbocompressor rotor 3 has a shaft 4, which is supported on a bearing 5 on the housing 2. Furthermore, the turbocompressor rotor 3 has an impeller 6, which is fastened to the shaft 4.
  • the impeller 6 is arranged to be cantilevered relative to the bearing 5.
  • the impeller 6 has a shaft bore 7, in which the shaft 4 engages, wherein the shaft 4, the shaft bore 7 does not completely penetrate.
  • the shaft bore 7 is bounded by its inner wall 8, on which the shaft 4 rests firmly.
  • the turbocompressor 1 has an inlet channel 9, through which the inflow is guided to the impeller 6.
  • the impeller 6 is a Radialver Whyrrad with axial
  • a strut 10 is fixed to which a nose hood 11 is fixed, which is centered in the
  • Inlet channel 9 is arranged.
  • the nose hood 11 has a projection 12 which engages in the shaft bore 7 from the inlet channel 9 ago.
  • the projection 12 has an outer wall 13, which is located in the shaft bore 7. Due to the fact that the strut 10 holds the nose cap 11 centrally in the inlet channel 9, the outer wall 13 of the projection 12 is arranged concentrically with the inner wall 8 of the shaft bore 7. As a result, between the inner wall 8 of the Shaft bore 7 and the outer wall 13 of the projection 12, an annular gap 14 is formed.
  • a labyrinth seal 15 is provided which has two axially successive labyrinths 16, 16 a.
  • the labyrinths 16, 16 a are mounted on the outer wall 13 of the projection 12 and are arranged at a distance from the inner wall 8 of the shaft bore 7.
  • a channel system 17 is provided with which the annular gap 14 with a
  • the channel system has a channel system entrance 18 into which the admission gas flows into the channel system 17 and a channel system exit 19, which is located on the outer wall 13 of the projection 12.
  • the channel system outlet 19 is located inter alia between the two labyrinths 16, so that between the two labyrinths 16, the pressurizing gas flows into the annular gap 14.
  • the housing 2 has a feed nozzle 20 and a feed line 21, via which the admission gas is guided to the strut 10.
  • the strut 10 is hollow and is connected with its cavity to the channel system inlet 18 on the nose hood 11 gas-conducting, so that of the
  • the admission gas flowing through the channel system 17 splits into the stream (a) through the channel system exit 19 via the labyrinth 16 into the space immediately in front of the impeller 6 and into the stream (b) via the labyrinth 16a into the space between the projection 12 of FIG Shaft 4, from where it is also discharged through an end opening 19 a in the space immediately in front of the impeller 6. While the pressurizing gas flowing through the channel system outlets 19 flows along the labyrinths 16, 16a through the annular gap 14, it forms a gas cushion.
  • Turbo compressor rotor 3 Due to the rotor dynamic behavior of the turbocompressor rotor 3, this experiences a bending vibration, which leads to a dynamic radial movement of the impeller 6.
  • the nose hood 11 is held stable and stationary by means of the strut 10 in the inlet channel 9.
  • a radial relative movement between the outer wall 13 of the projection 12 and the inner wall 18 of the shaft bore 7 forms, whereby the annular gap 14 changes its shape dynamically.
  • the dynamic radial movement of the impeller 6 is restricted so that the rotor-dynamic behavior of the turbocompressor rotor 3 is improved.
  • the turbocompressor rotor 3 and thus the impeller 6 rotate. Since the nasal hood 11 is stationary, a shear flow in the gas cushion is formed in the annular gap 14. As a result, the gas cushion has a high damping effect.
  • the turbocompressor 1 further comprises an adjustable stator 22, which is arranged in the axial direction of the turbo compressor rotor 3 between the impeller 6 and the strut 10.
  • the adjustable stator 22 By means of the adjustable stator 22, the inflow can be manipulated to the impeller 6, in particular be subjected to a twist, so that the impeller 6 has a high thermodynamic efficiency.
  • Fig. 4 is a first embodiment of
  • Coupling device shown schematically, wherein the labyrinth 16 applied to the projection 12 of the nose hood 11 is stored stationary. Arranged in the annular gap 14 opposite the labyrinth 16, the inner wall 8 of the shaft bore 6, which is moved relative to the labyrinth 16, is located.
  • Fig. 5 is a second embodiment of
  • Coupling device shown schematically, wherein the labyrinth 16 is attached to the inner wall 8 of the shaft bore 7, so that the labyrinth 16 rotates relative to the outer wall 13 of the projection 12.
  • a third embodiment of the coupling device is shown, which is comparable to the first embodiment of FIG. 4, but with the difference that instead of the labyrinth 16 a honeycomb seal 23 is provided with a honeycomb 24.
  • the fourth embodiment of the coupling device shown in FIG. 7 is comparable to the second embodiment shown in FIG. 5, wherein, instead of the labyrinth 16, the honeycomb seal 23 with the honeycomb 24 is provided.

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Abstract

Eine Nasenhaube für einen Turbomaschinenrotor, der ein zu einer Lagerstelle des Turbomaschinenrotors fliegend angeordnetes Laufrad aufweist, ist zur Führung einer axialen Zu- und/oder Abströmung des Laufrads an dieses axial anschließbar und weist eine Kopplungseinrichtung auf, mit der das Laufrad und die Nasenhaube radial mechanisch koppelbar sind, so dass das Schwingungsverhalten des Turbomaschinenrotors beeinflussbar ist. Die Turbomaschine mit dem Turbomaschinenrotor weist die Nasenhaube auf, wobei das Laufrad und die Nasenhaube mittels der Kopplungseinrichtung radial gekoppelt sind, so dass die Schwingung des Turbomaschinenrotors gedämpft ist.

Description

Beschreibung
Nasenhaube für einen Turbomaschinenrotor
Die Erfindung betrifft eine Nasenhaube für einen
Turbomaschinenrotor und eine Turbomaschine mit einem Turbomaschinenrotor, der die Nasenhaube aufweist.
Eine Turbomaschine ist beispielsweise ein herkömmlicher Turboverdichter 101, wie er in Fig. 8 und 9 gezeigt ist. Der Turboverdichter 101 weist ein Gehäuse 102 und einen Turboverdichterrotor 103 auf, der von dem Gehäuse 102 umgeben ist. Der Turboverdichterrotor 103 weist eine Welle 104 auf, die an einer Lagerstelle 105 an dem Gehäuse 102 abgestützt ist. Ferner weist der Turboverdichterrotor 103 ein Laufrad
106 auf, das zu der Lagerstelle 105 fliegend angeordnet ist. Das Laufrad 106 ist ein Radialverdichterlaufrad, dessen Zuströmung in Axialrichtung der Welle 104 und dessen Abströmung in Radialrichtung der Welle 104 verläuft. Die Zuströmung wird in einem in Axialrichtung der Welle 104 verlaufenden Einlaufkanal 107 des Turboverdichters 101 geführt, so dass die Zuströmung in Axialrichtung der Welle 104 auf das Laufrad 106 trifft. Zur Manipulation der Zuströmung, beispielsweise zum Beaufschlagen der Zuströmung mit Drall, ist in dem Einlaufkanal 107 eine Vielzahl von verstellbaren Leitschaufeln 108 angeordnet, wobei die verstellbaren Leitschaufeln 108 zu einem Schaufelkranz zusammengefasst sind.
Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, ist der Nabenbereich der
Leitschaufel 108 mit einer Nasenhaube 110 versehen, die an dem Laufrad 106 befestigt ist und somit mit dem Laufrad 106 mit rotiert. Die Nasenhaube 110 ist aerodynamisch geformt und dient dazu den Störeinfluss des Nabenbereichs des Laufrads 106 in der Zuströmung möglichst gering zu halten.
Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, kann alternativ zur rotierenden Nasenhaube 110 eine stationäre Nasenhaube 111 im Bereich des Nabenbereichs des Laufrads 106 vorgesehen sein. Die Nasenhaube 111 ist von einer Strebe 109, die an dem Einlaufkanal 107 befestigt ist, in Position gehalten. Die Nasenhaube 111 ist ebenfalls aerodynamisch geformt, um die Zuströmung zu dem Laufrad 106 möglichst nicht zu stören. Ferner ist die Strebe 109 aerodynamisch geformt, um den Störeinfluss der Strebe 109 auf die Zuströmung möglichst gering zu halten. Die Strebe 109 ist stromauf der verstellbaren Leitschaufel 108 angeordnet und die stationäre Nasenhaube 111 ist in Axialrichtung der Welle 104 länger als die rotierende Nasenhaube 110 ausgebildet. Zwischen dem Laufrad 106 und der stationären Nasenhaube 111 findet beim Betrieb des Turboverdichters 101 eine Relativbewegung statt. Die Nasenhaube 111 ist im Abstand von dem Laufrad 106 angeordnet, so dass das Laufrad 106 nicht mit der stationären Nasenhaube 111 in Kontakt kommen und somit daran nicht schleifen und beschädigen kann.
Die Rotordynamik des Turboverdichterrotors 103, d.h. das dynamische Schwingungsverhalten des Turboverdichterrotors 103 beim Betrieb des Turboverdichters 101, hängt im Wesentlichen von der Geometrie und der konstruktiven Gestaltung des Turboverdichterrotors 103 und den der Lagerstelle 105 inhärenten dynamischen Eigenschaften, insbesondere der Steifigkeit und der Dämpfung der Lagerstelle 105, ab. Herkömmlich ist die Lagerstelle 105 von einem Kippsegmentgleitlager gebildet, das entsprechend seiner Auslegung, Konstruktion und seines Betriebs die entsprechende Steifigkeit und die entsprechende Dämpfung hat. Beim Hochfahren des Turboverdichterrotors 103 auf seine
Betriebsdrehzahl passiert der Turboverdichterrotor 103 in der Regel mindestens eine kritische Drehzahl. Um eine Beschädigung des Turboverdichterrotors 103 beim Durchfahren der kritischen Drehzahl abzuwenden, hat die radiale Schwingungsamplitude des Turboverdichterrotors 103 stets in konstruktiv vorgegebenen Grenzen zu liegen. Diese Grenzen können dann eingehalten werden, wenn die Rotordynamik des Turboverdichterrotors 103 entsprechend eingestellt ist, insbesondere durch die Geometrie und die konstruktive Gestaltung des Turboverdichterrotors 103 und der Steifigkeit und der Dämpfung der Lagerstelle 105.
Hervorgerufen durch die fliegende Lagerung des Laufrads 106 sind an dem Laufrad 106 beim Durchfahren der kritischen Drehzahl häufig hohe radiale Schwingungsamplituden zu verzeichnen. Dadurch ist der Turboverdichterrotor 103 mit seinem fliegend gelagerten Laufrad 106 aus rotordynamischer Sicht häufig schwer zu beherrschen.
Außerdem ist bekannt, dass insbesondere bei hohen Gasdichten eine Interaktion des Verdichterrotors mit dem verdichteten Gas in selbsterregte Schwingungen des Rotors resultieren kann, welche zur Zerstörung der Maschine führen können. Diesem Phänomen wird durch eine rotordynamisch günstige Konstruktion begegnet, wobei bisher nur die Drehzahl und die Massenverteilung des Rotors sowie die Dämpfung und die Steifigkeit der Lagerung zu variierende Parameter sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nasenhaube für einen Turbomaschinenrotor und eine Turbomaschine mit dem Turbomaschinenrotor, der die Nasenhaube aufweist, zu schaffen, wobei die Turbomaschine ein ausgeglichenes rotordynamisches Verhalten hat und somit sicher betreibbar ist .
Die erfindungsgemäße Nasenhaube für einen Turbomaschinenrotor, der ein zu einer Lagerstelle des Turbomaschinenrotors fliegend angeordnetes Laufrad aufweist, ist zur Führung einer axialen Zu- und/oder Abströmung des Laufrads an dieses axial anschließbar und weist eine Kopplungseinrichtung auf, mit der das Laufrad und die Nasenhaube radial mechanisch koppelbar sind, so dass das Schwingungsverhalten des Turbomaschinenrotors beeinflussbar ist . Die erfindungsgemäße Turbomaschine weist einen Turbomaschinenrotor, der ein zu der Lagerstelle des Rotors fliegend angeordnetes Laufrad aufweist, und die Nasenhaube auf, wobei das Laufrad und die Nasenhaube mittels der Kopplungseinrichtung radial gekoppelt sind, so dass das
Schwingungsverhalten des Turbomaschinenrotors beeinflussbar ist .
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass zusätzlich zu der Auslegung der Lagerstelle und der geometrischen Gestaltung des Turbomaschinenrotors mittels der Kopplungseinrichtung das rotordynamische Verhalten des Turbomaschinenrotors bestimmbar bzw. beeinflussbar ist.
Die Nasenhaube greift mit der Kopplungseinrichtung an dem
Laufrad an, das bezüglich der Lagerstelle fliegend gelagert ist. Aufgrund der fliegenden Lagerung des Laufrads liegt bezogen auf die Lagerstelle für die Kopplungseinrichtung ein günstiger Hebelarm zur Beeinflussung des rotordynamischen Verhaltens des Turbomaschinenrotors vor. Dadurch ist das rotordynamische Verhalten des Turbomaschinenrotors durch die Nasenhaube effektiv und günstig beeinflussbar.
Somit ist die Schwingung des Turbomaschinenrotors im Betrieb mittels der Kopplungseinrichtung dämpfbar, so dass die maximale Schwingungsamplitude beim Betrieb des Turbomaschinenrotors niedrig ist. Beim Betrieb der Turbomaschine mit Gasen mit einer hohen Dichte kann die Schwingungsamplitude des Turbomaschinenrotors so groß sein, dass der Betrieb der Turbomaschine mit diesen Gasen zu einer Beschädigung der Turbomaschine führt. Aufgrund der Dämpfungseigenschaft der Kopplungseinrichtung ist jedoch die Schwingungsamplitude des Turbomaschinenrotors niedrig, so dass die erfindungsgemäße Turbomaschine auch mit diesen Gasen mit hoher Dichte bei hoher Betriebssicherheit betrieben werden kann. Dadurch ist durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Nasenhaube in der erfindungsgemäßen Turbomaschine die Umsetzung von neuen Maschinenkonzepten möglich, insbesondere bei Einsatzbereichen mit Gasen mit hoher Gasdichte, wie beispielsweise auf einen hohen Druck verdichtetes Kohlendioxid.
Die Nasenhaube stellt somit ein zusätzliches
Konstruktionselement dar, mit dem die Dämpfung des Schwingungssystems günstig beeinflusst werden kann.
Es ist bevorzugt, dass das Laufrad eine von außen zugängliche Wellenbohrung mit einer zylindrischen Innenwand aufweist und die Kopplungseinrichtung einen Vorsprung mit einer zylindrischen Außenwand, der in die Wellenbohrung unter Ausbilden eines zylindrischen Ringspalts zwischen der Außenwand des Vorsprungs und der Innenwand der Wellenbohrung einsetzbar ist, und eine Beaufschlagungseinrichtung aufweist, mit der der Ringspalt zum Dämpfung der Schwingung des Turbomaschinenrotors mit Beaufschlagungsgas beaufschlagbar ist .
Dadurch wird mit einer Strömung des Beaufschlagungsgases durch den Ringspalt ein ringförmiges, zylindrisches Gaspolster zwischen dem Vorsprung der Nasenhaube und dem Laufrad erzielt. Das Gaspolster weist eine Dämpfungseigenschaft auf, mit der die Schwingung des Turbomaschinenrotors gedämpft werden kann. Mittels der Beaufschlagungseinrichtung kann die Strömung des Beaufschlagungsgases vorbestimmt sein, so dass die Dämpfungseigenschaft des Gaspolsters einstellbar ist. Zwischen dem Laufrad und dem Vorsprung der Nasenhaube ist der Ringspalt vorgesehen, so dass trotz der Dämpfungskopplung zwischen dem Laufrad und der Nasenhaube das Laufrad mit der Nasenhaube nicht in Kontakt steht. Von daher sind das Laufrad und die Nasenhaube berührungsfrei mechanisch gekoppelt, so dass ein mechanischer Verschleiß im Bereich der Kopplungseinrichtung an dem Laufrad und der Nasenhaube unterbunden ist. Bevorzugt ist, dass die Beaufschlagungseinrichtung ein in der Nasenhaube ausgebildetes Kanalsystem zum Zuführen des Beaufschlagungsgases in den Ringspalt aufweist, wobei das Beaufschlagungsgas in den Ringspalt durch die Außenwand des Vorsprungs strömbar ist.
Somit wird im Inneren der Nasenhaube das Beaufschlagungsgas zu dem Ringspalt geführt, so dass ein zusätzlicher Platz außerhalb der Nasenhaube für die Versorgung des Ringspalts mit dem Beaufschlagungsgas nicht vorgesehen zu werden braucht. Dadurch ist die Beaufschlagungseinrichtung platzsparend innerhalb der Nasenhaube ausgeführt.
Ferner ist bevorzugt, dass die Kopplungseinrichtung mindestens eine Labyrinthdichtung mit Labyrinthspitzen aufweist, die an der Außenwand des Vorsprungs und/oder der Innenwand des Laufrads angebracht sind.
Strömt das Beaufschlagungsgas durch die Labyrinthdichtung innerhalb des Ringspalts, d.h. um die Labyrinthspitzen, so bilden sich an den Labyrinthspitzen eine Vielzahl von Wirbeln aus, die den Strömungswiderstand des Beaufschlagungsgases in dem Ringspalt erhöhen. Dadurch ist die Dämpfungswirkung des Gaspolsters, das mit dem Beaufschlagungsgas innerhalb des Ringspalts ausgebildet ist, verbessert.
Bevorzugt weist die Kopplungseinrichtung eine Vielzahl von den Labyrinthdichtungen auf, zwischen denen jeweils das Beaufschlagungsgas zum Beaufschlagen der Labyrinthdichtungen in den Ringspalt zuführbar ist.
Die Labyrinthdichtungen sind einzeln individuell gestaltbar, so dass innerhalb des Ringspalts ein an die Rotordynamik des Turbomaschinenrotors angepasstes Beaufschlagungsprofil erzeugbar ist. So können die einzelnen Labyrinthdichtungen in Axialrichtung des Turbomaschinenrotors und in dessen Radialrichtung unterschiedlich ausgebildet sein, so dass die einzelnen Dichtungen unterschiedliche Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften haben.
Alternativ ist es bevorzugt, dass die Kopplungseinrichtung eine Wabendichtung mit Waben aufweist, die an der Außenwand des Vorsprungs und/oder der Innenwand des Laufrads angebracht sind.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Kopplungseinrichtung eine Vielzahl von den Wabendichtungen aufweist, zwischen denen jeweils das Beaufschlagungsgas zum Beaufschlagen der Wabendichtung in den Ringspalt zuführbar ist.
Somit können die einzelnen Wabendichtungen unterschiedlich ausgebildet sein, so dass die einzelnen Wabendichtungen unterschiedliche Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften haben .
Es ist bevorzugt, dass die Nasenhaube relativ zum Laufrad stationär festgelegt ist.
Dadurch ist die Versorgung des Ringspalts mit dem Beaufschlagungsgas innerhalb der Nasenhaube einfach zu bewerkstelligen, da zwischen der Nasenhaube und einer externen Quelle von dem Beaufschlagungsgas, die in der Regel auch stationär ist, keine Relativbewegung stattfindet.
Beim Betrieb der Turbomaschine rotiert das Laufrad und die Nasenhaube ist stationär. Dadurch bildet sich in dem Ringspalt eine Scherströmung aus, die eine hohe Dämpfung hat.
Bevorzugt ist die Turbomaschine ein Radialverdichter, der bevorzugt einen Einlaufkanal für das Laufrad und mindestens eine Strebe aufweist mit der die Nasenhaube in dem Einlaufkanal aufgehängt ist.
Die Strebe ist relativ zum Laufrad stationär stabil positioniert, wodurch Kräfte von dem Laufrad via der Kopplungseinrichtung auf die Nasenhaube über die Strebe zu dem Einlaufkanal übertragbar sind. Dadurch ist der Eingriff des Vorsprungs der Nasenhaube in das Laufrad sicher und maßgenau, so dass die Dämpfungswirkung der Kopplungseinrichtung effektiv ist.
Bevorzugt ist die Strebe aerodynamisch geformt.
Dadurch hat die Strebe in dem Einlaufkanal einen geringen aerodynamischen Widerstand, wodurch die Strömung in dem
Einlaufkanal von der Strebe wenig gestört ist. Somit hat die Turbomaschine einen hohen Wirkungsgrad.
Ferner ist bevorzugt, dass die Strebe als eine Leitschaufel ausgebildet ist.
Dadurch, dass die Strebe in dem Einlaufkanal befestigt ist, ist sie stationär. Vorteilhaft ist die Strebe die Leitschaufel, so dass mittels der Strebe die EinlaufStrömung in Richtung zu dem Laufrad entsprechend vorteilhaft umgelenkt werden kann. Dadurch ist vorteilhaft die Zuströmung zu dem Laufrad aerodynamisch manipulierbar.
Bevorzugt ist, dass durch die Strebe hindurch die Beaufschlagungseinrichtung mit dem Beaufschlagungsgas versorgbar ist.
Dadurch wird das Beaufschlagungsgas von außerhalb des Einlaufkanals durch die Strebe hindurch in das Innere der Nasenhaube geführt. Im Inneren der Nasenhaube ist das
Kanalsystem vorgesehen, durch das das Beaufschlagungsgas bis zu der Außenwand des Vorsprungs geführt wird, wobei von der Außenwand des Vorsprungs aus das Beaufschlagungsgas in den Ringspalt strömt.
Bevorzugt ist das Beaufschlagungsgas ein Prozessgas der Turbomaschine . Beim Austreten des Beaufschlagungsgases aus dem Ringspalt vermischt sich das Beaufschlagungsgas mit dem Prozessgas der Turbomaschine. Da das Beaufschlagungsgas die gleiche Zusammensetzung hat, wie das Prozessgas, findet eine Verunreinigung des Prozessesgases durch das
Beaufschlagungsgas nicht statt. Ferner kann vorteilhaft das Beaufschlagungsgas von der Turbomaschine abgezapft werden und eine separate Quelle für das Beaufschlagungsgas braucht nicht vorgesehen zu sein.
Bevorzugt weist die Turbomaschine mindestens eine verstellbare Leitschaufel auf, die zwischen der Strebe und dem Laufrad angeordnet ist.
Mittels der Leitschaufel kann vorteilhaft die Zuströmung zu dem Laufrad positiv manipuliert werden, so dass das Laufrad einen hohen Wirkungsgrad hat.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Turboverdichters anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Turboverdichters,
Fig. 2 Detail X aus Fig. 1,
Fig. 3 Detail Y aus Fig. 2,
Fig. 4 eine erste Ausführungsform der
Kopplungseinrichtung,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der
Kopplungseinrichtung,
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der
Kopplungseinrichtung, Fig. 7 eine vierte Ausführungsform der Kopplungseinrichtung,
Fig. 8 ein erstes Beispiel eines herkömmlichen Turboverdichters und
Fig. 9 ein zweites Beispiel eines herkömmlichen Turboverdichters .
Wie es aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, weist ein Turboverdichter 1 ein Gehäuse 2 und einen
Turboverdichterrotor 3 auf, der von dem Gehäuse 2 umgeben ist. Der Turboverdichterrotor 3 weist eine Welle 4 auf, die an einer Lagerstelle 5 an dem Gehäuse 2 abgestützt ist. Ferner weist der Turboverdichterrotor 3 ein Laufrad 6 auf, das an der Welle 4 befestigt ist. Das Laufrad 6 ist bezogen auf die Lagerstelle 5 fliegend gelagert angeordnet. Das Laufrad 6 weist eine Wellenbohrung 7 auf, in die die Welle 4 eingreift, wobei die Welle 4 die Wellenbohrung 7 nicht vollständig durchdringt. Die Wellenbohrung 7 ist begrenzt von ihrer Innenwand 8, an der die Welle 4 fest anliegt.
Der Turboverdichter 1 weist einen Einlaufkanal 9 auf, durch den die Zuströmung zu dem Laufrad 6 geführt wird. Das Laufrad 6 ist ein Radialverdichterrad mit axialer
Zuströmungscharakteristik, wobei der Einlaufkanal 9 in Axialrichtung des Turboverdichterrotors 3 angeordnet ist.
In dem Einlaufkanal 9 ist eine Strebe 10 befestigt, an der eine Nasenhaube 11 befestigt ist, die zentrisch in dem
Einlaufkanal 9 angeordnet ist. Die Nasenhaube 11 weist einen Vorsprung 12 auf, der von dem Einlaufkanal 9 her in die Wellenbohrung 7 eingreift. Der Vorsprung 12 weist eine Außenwand 13 auf, die in der Wellenbohrung 7 angesiedelt ist. Dadurch, dass die Strebe 10 die Nasenhaube 11 zentrisch in dem Einlaufkanal 9 hält, ist die Außenwand 13 des Vorsprungs 12 konzentrisch zu der Innenwand 8 der Wellenbohrung 7 angeordnet. Dadurch ist zwischen der Innenwand 8 der Wellenbohrung 7 und der Außenwand 13 des Vorsprungs 12 ein Ringspalt 14 ausgebildet.
In dem Ringspalt 14 ist eine Labyrinthdichtung 15 vorgesehen, die zwei axial hintereinanderliegenden Labyrinthen 16, 16a aufweist. Die Labyrinthe 16, 16a sind auf der Außenwand 13 des Vorsprungs 12 aufgezogen und sind im Abstand zu der Innenwand 8 der Wellenbohrung 7 angeordnet.
Innerhalb der Nasenhaube 11 ist ein Kanalsystem 17 vorgesehen, mit dem der Ringspalt 14 mit einem
Beaufschlagungsgas versehen wird. Das Kanalsystem weist einen Kanalsystemeintritt 18, in den das Beaufschlagungsgas in das Kanalsystem 17 einströmt und einen Kanalsystemaustritt 19 auf, der an der Außenwand 13 des Vorsprungs 12 angesiedelt ist. Der Kanalsystemaustritt 19 ist unter anderem zwischen den beiden Labyrinthen 16 angesiedelt, so dass zwischen den beiden Labyrinthen 16 das Beaufschlagungsgas in den Ringspalt 14 strömt.
Das Gehäuse 2 weist einen Zuführstutzen 20 und eine Zuführleitung 21 auf, via denen das Beaufschlagungsgas zu der Strebe 10 geführt wird. Die Strebe 10 ist hohl ausgeführt und ist mit ihrem Hohlraum an den Kanalsystemeintritt 18 an der Nasenhaube 11 gasleitend anschlössen, so dass von dem
Zuführstutzen 20 via die Zuführleitung 21, die Strebe 10, den Kanalsystemeintritt 18, das Kanalsystem 17 und den Kanalsystemaustritt 19 zwischen den Labyrinthen 16, 16a in den Ringspalt 14 das Beaufschlagungsgas geführt ist.
Das durch das Kanalsystem 17 strömende Beaufschlagungsgas teilt sich in den Strom (a) durch den Kanalsystemaustritt 19 über das Labyrinth 16 in den Raum unmittelbar vor dem Laufrad 6 und in den Strom (b) über das Labyrinth 16a in den Abstandsraum zwischen dem Vorsprung 12 der Welle 4, von wo aus es durch eine stirnseitige Öffnung 19a ebenfalls in den Raum unmittelbar vor dem Laufrad 6 abgeleitet wird. Während das durch die Kanalsystemaustritte 19 strömende Beaufschlagungsgas entlang den Labyrinthen 16, 16a durch den Ringspalt 14 strömt, bildet es dabei einen Gaspolster aus.
Beim Betrieb des Turboverdichters 1 rotiert der
Turboverdichterrotor 3. Aufgrund des rotordynamischen Verhaltens des Turboverdichterrotors 3 erfährt dieser eine Biegeschwingung, die zu einer dynamischen Radialbewegung des Laufrads 6 führt. Im Gegensatz zum Turboverdichterrotor 3 ist die Nasenhaube 11 mittels der Strebe 10 in dem Einlaufkanal 9 stabil und stationär gehalten. Dadurch bildet sich insbesondere eine radiale Relativbewegung zwischen der Außenwand 13 des Vorsprungs 12 und der Innenwand 18 der Wellenbohrung 7 aus, wodurch der Ringspalt 14 seine Gestalt dynamisch ändert. Dadurch wird die Dicke des Gaspolsters, der in dem Ringspalt 14 ausgebildet ist, verändert, wodurch der Gaspolster abgestützt an der Nasenhaube 11 auf das Laufrad dämpfend wirkt. Dadurch wird die dynamische Radialbewegung des Laufrads 6 eingeschränkt, so dass das rotordynamische Verhalten des Turboverdichterrotors 3 verbessert ist.
Beim Betrieb des Turboverdichters 1 rotiert der Turboverdichterrotor 3 und somit das Laufrad 6. Da die Nasenhaube 11 stationär angeordnet ist, bildet sich in dem Ringspalt 14 eine Scherströmung in dem Gaspolster aus. Dadurch hat der Gaspolster eine hohe Dämpfungswirkung.
Der Turboverdichter 1 weist ferner ein verstellbares Leitrad 22 auf, das in Axialrichtung des Turboverdichterrotors 3 gesehen zwischen dem Laufrad 6 und der Strebe 10 angeordnet ist. Mittels des verstellbaren Leitrads 22 kann die Zuströmung zu dem Laufrad 6 so manipuliert werden, insbesondere mit einem Drall beaufschlagt werden, so dass das Laufrad 6 einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad hat.
In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform der
Kopplungseinrichtung schematisch gezeigt, wobei das Labyrinth 16 auf dem Vorsprung 12 der Nasenhaube 11 aufgebracht stationär gelagert ist. In dem Ringspalt 14 dem Labyrinth 16 gegenüberliegend angeordnet ist die relativ zu dem Labyrinth 16 bewegte Innenwand 8 der Wellenbohrung 7 des Laufrads 6 angesiedelt .
In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform der
Kopplungseinrichtung schematisch gezeigt, wobei das Labyrinth 16 an der Innenwand 8 der Wellenbohrung 7 angebracht ist, so dass das Labyrinth 16 relativ zu der Außenwand 13 des Vorsprungs 12 rotiert.
In Fig. 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Kopplungseinrichtung gezeigt, die mit der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 4 vergleichbar ist, jedoch mit dem Unterschied, dass statt dem Labyrinth 16 eine Wabendichtung 23 mit einer Wabe 24 vorgesehen ist.
Die in Fig. 7 gezeigte vierte Ausführungsform der Kopplungseinrichtung ist mit der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform vergleichbar, wobei statt des Labyrinths 16 die Wabendichtung 23 mit der Wabe 24 vorgesehen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Nasenhaube für einen Turbomaschinenrotor (3), der ein zu einer Lagerstelle (5) des Turbomaschinenrotors (3) fliegend angeordnetes Laufrad (6) aufweist, wobei die Nasenhaube (11) zur Führung einer axialen Zu- und/oder Abströmung des Laufrads (6) an dieses axial anschließbar ist und eine Kopplungseinrichtung aufweist, mit der das Laufrad (6) und die Nasenhaube (11) radial mechanisch koppelbar sind, so dass das Schwingungsverhalten des Turbomaschinenrotors (3) beeinflussbar ist.
2. Nasenhaube gemäß Anspruch 1, wobei das Laufrad (6) eine von außen zugängliche Wellenbohrung (7) mit einer zylindrischen Innenwand (8) aufweist und die Kopplungseinrichtung einen Vorsprung (12) mit einer zylindrischen Außenwand (13), der in die Wellenbohrung (7) unter Ausbilden eines zylindrischen Ringspalts (14) zwischen der Außenwand (13) des Vorsprungs (12) und der Innenwand (8) der Wellenbohrung (7) einsetzbar ist, und eine Beaufschlagungseinrichtung aufweist, mit der der Ringspalt (14) zum Dämpfen der Schwingung des Turbomaschinenrotors (3) mit Beaufschlagungsgas beaufschlagbar ist.
3. Nasenhaube gemäß Anspruch 2, wobei die Beaufschlagungseinrichtung ein in der Nasenhaube (11) ausgebildetes Kanalsystem (17) zum Zuführen des Beaufschlagungsgases in den Ringspalt (14) aufweist, wobei das Beaufschlagungsgasgas in den
Ringspalt (14) durch die Außenwand (13) des Vorsprungs (12) strömbar ist.
4. Nasenhaube gemäß Anspruch 3, wobei die Kopplungseinrichtung mindestens eine Labyrinthdichtung (15) mit Labyrinthspitzen (16) aufweist, die an der Außenwand (13) des Vorsprungs (12) und/oder der Innenwand (8) der Wellenbohrung (7) angebracht sind.
5. Nasenhaube gemäß Anspruch 4, wobei die Kopplungseinrichtung eine Vielzahl von den Labyrinthdichtungen (15) aufweist, zwischen denen jeweils das Beaufschlagungsgas zum Beaufschlagen der Labyrinthdichtungen (15) in den Ringspalt (14) zuführbar ist .
6. Nasenhaube gemäß Anspruch 3, wobei die Kopplungseinrichtung eine Wabendichtung (23) mit Waben (24) aufweist, die in der Außenwand (13) des Vorsprungs (12) und/oder der Innenwand (8) der Wellenbohrung (7) angebracht sind.
7. Nasenhaube gemäß Anspruch 4, wobei die Kopplungseinrichtung eine Vielzahl von Wabendichtungen (23) aufweist, zwischen denen jeweils das Beaufschlagungsgas zum Beaufschlagen der Wabendichtungen (23) in den Ringspalt (14) zuführbar ist .
8. Turbomaschine mit einem Turbomaschinenrotor (3), der ein zu einer Lagerstelle (5) des Turbomaschinenrotors (3) fliegend angeordnetes Laufrad (6) aufweist, und einer
Nasenhaube (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Laufrad (6) und die Nasenhaube (11) mittels der Kopplungseinrichtung radial gekoppelt sind, so dass das Schwingungsverhalten des Turbomaschinenrotors (3) beeinflussbar ist.
9. Turbomaschine gemäß Anspruch 8, wobei die Nasenhaube (11) relativ zum Laufrad (6) stationär festgelegt ist.
10. Turbomaschine gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Turbomaschine ein Radialverdichter (1) ist.
11. Turbomaschine gemäß Anspruch 10, wobei der Radialverdichter (1) einen Einlaufkanal (9) für das Laufrad (6) und mindestens eine Strebe (10) aufweist, mit der die Nasenhaube (11) in dem Einlaufkanal (1) aufgehängt ist.
12. Turbomaschine gemäß Anspruch 11, wobei die Strebe (10) aerodynamisch geformt ist.
13. Turbomaschine gemäß Anspruch 12, wobei die Strebe (10) als eine Leitschaufel ausgebildet ist .
14. Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei durch die Strebe (10) hindurch die Beaufschlagungseinrichtung mit dem Beaufschlagungsgas versorgbar ist.
15. Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Beaufschlagungsgas ein Prozessgas der Turbomaschine ist.
16. Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Turbomaschine mindestes eine verstellbare Leitschaufel (22) aufweist, die zwischen der Strebe (10] und dem Laufrad (6) angeordnet ist
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