WO2011058042A2 - Rotor für eine strömungsmaschine - Google Patents

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    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a turbomachine with a shaft, an impeller arranged thereon and a shaft bearing.
  • a turbomachine for industrial plants rotates one or more wheels as fluid dynamic work performing rotating wheels on a shaft, for example, for the compression of a gaseous medium at a
  • the shaft is stored in at least two places.
  • a radial compressor may be mentioned, in which the wheels are arranged between the bearings and optionally also as a overhang stage at the free end of the shaft. Due to a high overhanging moment, it can lead to significant vibrations, so that a
  • a rotor of the type mentioned in which the impeller according to the invention has a recess towards the shaft, in which the shaft bearing is at least partially arranged. It allows a close storage of the shaft on the impeller. Due to the small distance of the bearing of the mass carrying impeller of the rotor is less sensitive to a swing, so that it can be moved at high speed.
  • the invention is particularly advantageous applicable when the turbomachine is a centrifugal compressor and in particular the impeller is part of an overhang stage.
  • Overhang level can be due to the lack of obstruction in the area the shaft axis an enlarged intake cross-section with respect to a radial suction of the air can be achieved with an impeller of the same diameter. Since the shaft ends expediently in the impeller, inevitably creates a free, so unsurfaced shaft end. In an arrangement of the impeller at the free shaft end bending of the shaft can not be supported there by a bearing, in particular a radial bearing. Accordingly, bending-critical moments and thus bending-critical
  • the recess is arranged wheel disc side in the impeller.
  • the Radommenseite an impeller is that side which faces away from the flow guide.
  • the impeller on an opposite cover plate side which is turned axially outward.
  • a high intake cross section of the impeller remains associated with a short shaft end and good rotor dynamics.
  • a seal can be arranged between the shaft bearing and the impeller, the advantageous manner is arranged in the recess, in particular completely within the recess.
  • Seal can be a labyrinth seal for sealing
  • the size of the recess is expediently dimensioned such that a stator-side bearing receptacle of the shaft bearing projects into the recess. As a result, a stable mounting of the shaft can be achieved near the shaft end.
  • stator bearing mount also carries the seal in addition to the shaft bearing.
  • the shaft 4 is part of a rotor 6 of the turbomachine 2 and carries at its one end an impeller 8 for sucking outside air in the axial direction 10 and compressing the sucked air in
  • the turbomachine 2 is a radial compressor with an overhang stage, ie a compressor stage with an impeller 8, which is arranged at an axial end of the shaft 4.
  • the centrifugal compressor is designed to be particularly large and is used for air compression with flow rates between 100,000 m 3 / h and 800,000 m 3 / h and a compression of atmospheric pressure to between 4 bar and 8 bar.
  • the shaft 4 is supported by a radial bearing
  • first shaft bearing 12 executed first shaft bearing 12 and designed as a thrust bearing second shaft bearing 14.
  • the shaft 4 is of a further radial shaft bearing mounted, but which is arranged outside the drawing area of the figure and therefore not shown. Between the radial
  • Shaft bearing 12 and the impeller 8 is a shaft seal 16 arranged in the form of a labyrinth seal for sealing the bearing oil to the outside.
  • the impeller 8 extends radially outward into blade segments 18 which form a recess 20 towards the shaft 4.
  • a wheel-disk-side boundary of this recess 20 is represented by a dashed line 22.
  • the radial shaft bearing 12 is partially disposed, to the extent that an axial center line 24 of the shaft bearing 12 is disposed in the recess 20.
  • the axial center line 24 is in this case by a parallel to the shaft 4 extending section in an imaginary axial
  • Shaft bearing 12 in the axial direction 10 cuts centrally.
  • a bearing surface of the radial shaft bearing 12 is thus more than halfway in the recess 20 of the impeller 8.
  • the shaft seal 16 is arranged around the shaft 4 around.
  • the recess is in this case on the Rad.nseite the
  • Impeller 8 arranged, ie on the side of the side of which the medium to be compressed, in this
  • Embodiment outside air is sucked, is averted.
  • wheel-side means
  • the shaft seal 16 and the radial shaft bearing 12 are by a stator bearing support 26 on the stator of
  • the bearing support 26 carries in this case with an integrally running element, both the radial shaft bearing 12 and the shaft seal 16.
  • the arrangement of the radial bearing 12 at least partially within the recess 20, the shaft 4 can be designed shortened constructively compared to known waves, creating a reference to Vibrations favorable rotor dynamics can be achieved.
  • the circumferentially extending and radially outer attachment of the impeller 8 projects with the blade segments 18 on the Radusionnseite at least partially over the radial bearing 12 away, so that the attachment of the radial bearing 12 laterally from the impeller 8 averted from the recess 20 led out.
  • the bearing receiver 26 of the shaft bearing 12 projects into the recess 20 together with the shaft bearing 12.
  • Recess 20 is achieved a shortening of the overhang and thereby reducing the vibration sensitivity.
  • the rotor dynamics improves with an increase of the critical bending speed at the free end, so that the centrifugal compressor compared with

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Rotor (6) für eine Strömungsmaschine (2), mit einer Welle (4), einem darauf angeordneten Laufrad (8) und einem Wellenlager (12). Eine verbesserte Rotordynamik kann erreicht werden, wenn das Laufrad (8) zur Welle (4) hin eine Ausnehmung (20) aufweist, in der das Wellenlager (12) zumindest teilweise angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Rotor für eine Strömungsmaschine Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine mit einer Welle, einem darauf angeordneten Laufrad und einem Wellenlager .
Bei einer Strömungsmaschine für Industrieanlagen rotiert ein oder mehrere Laufräder als strömungsdynamische Arbeit verrichtende rotierende Räder auf einer Welle, beispielsweise zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums bei einem
Kompressor oder zum Antrieb eines Generators bei einer
Dampfturbine. Die Welle ist hierbei an zumindest zwei Stellen gelagert. Als Beispiel kann ein Radialverdichter genannt werden, bei dem die Laufräder zwischen den Lagerstellen und gegebenenfalls auch als Überhangstufe am freien Wellenende angeordnet sind. Bedingt durch ein hohes Überhangmoment kann es zu erheblichen Schwingungen kommen, so dass eine
höchstmögliche Drehzahl unerwünscht niedrig sein kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine Strömungsmaschine anzugeben, der mit hoher Drehzahl bewegt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Laufrad erfindungsgemäß zur Welle hin eine Ausnehmung aufweist, in der das Wellenlager zumindest teilweise angeordnet ist. Es wird eine nahe Lagerung der Welle am Laufrad ermöglicht. Durch den geringen Abstand der Lagerung von dem Masse tragenden Laufrad ist der Läufer unempfindlicher gegen ein Aufschwingen, sodass er mit hoher Drehzahl bewegt werden kann. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn die Strömungsmaschine ein Radialverdichter ist und insbesondere das Laufrad Teil einer Überhangstufe ist. Bei einer
Überhangstufe kann durch die fehlende Versperrung im Bereich der Wellenachse ein vergrößerter Ansaugquerschnitt gegenüber einer radialen Ansaugung der Luft bei einem Laufrad gleichen Durchmessers erzielt werden. Da die Welle zweckmäßigerweise im Laufrad endet, entsteht zwangsläufig ein freies, also ungelagertes Wellenende. Bei einer Anordnung des Laufrads am freien Wellenende kann eine Verbiegung der Welle dort nicht durch ein Lager, insbesondere ein Radiallager, abgestützt werden. Dementsprechend können sich biegekritische Momente und somit biegekritische
Drehzahlen ergeben, die den Betriebsbereich der
Strömungsmaschine ungünstig einschränken. Durch die Erfindung können entsprechende Schwingungen reduziert und eine
erreichbare Drehzahl hoch gehalten werden. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lagerung der Welle liegt hierbei zusätzlich in einer konstruktiv ermöglichten
Verkürzung der Welle und insbesondere in einer Verkürzung des freien Wellenendes, wodurch sich eine vorteilhafte
Rotordynamik ergeben kann.
Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung radscheibenseitig im Laufrad angeordnet. Hierbei ist die Radscheibenseite eines Laufrads diejenige Seite, welche von der Strömungsführung abgewandt ist. Im Unterschied hierzu weist das Laufrad eine gegenüberliegende Deckscheibenseite auf, die nach axial außen gewandt ist. Bei einer solchen Ausführungsform bleibt ein hoher Ansaugquerschnitt des Laufrads erhalten verbunden mit einem kurzen Wellenende und einer guten Rotordynamik. Zweckmäßigerweise ist ein Teil der axialen Erstreckung des Wellenlagers und insbesondere eine axiale Mitte des
Wellenlagers in der Ausnehmung angeordnet, sodass der
überwiegende Teil der Lagerfläche innerhalb der Ausnehmung platziert und somit eine erhebliche Verkürzung des freien Wellenendes erreicht werden kann.
Insbesondere bei einem Radialverdichter kann zwischen dem Wellenlager und dem Laufrad eine Dichtung angeordnet sein, die vorteilhafter Weise in der Ausnehmung angeordnet ist, insbesondere vollständig innerhalb der Ausnehmung. Die
Dichtung kann eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung von
Lageröl nach außen sein und/oder zur Abdichtung eines im Innern des Verdichters aufgebauten Arbeitsdrucks nach außen dienen .
Die Größe der Ausnehmung ist zweckmäßigerweise so bemessen, dass eine statorseitige Lageraufnahme des Wellenlagers in die Ausnehmung hineinragt. Hierdurch kann eine stabile Lagerung der Welle nahe des Wellenendes erreicht werden.
Eine stabile Konstruktion und eine zuverlässige Abdichtung kann erreicht werden, wenn die statorseitige Lageraufnahme zusätzlich zum Wellenlager auch die Dichtung trägt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt Ist. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus einer als Radialverdichter ausgeführten Strömungsmaschine 2. Die
Darstellung zeigt in schematischer Ausführung einen Schnitt längs der Welle 4 der Strömungsmaschine 2. Die Welle 4 ist Teil eines Rotors 6 der Strömungsmaschine 2 und trägt an ihrem einen Ende ein Laufrad 8 zum Ansaugen von Außenluft in Axialrichtung 10 und Verdichten der angesaugten Luft in
Radialrichtung nach außen.
Die Strömungsmaschine 2 ist ein Radialverdichter mit einer Überhangstufe, also einer Verdichterstufe mit einem Laufrad 8, das an einem axialen Ende der Welle 4 angeordnet ist. Der Radialverdichter ist besonders groß ausgeführt und dient zur Luftverdichtung mit Volumenströmen zwischen 100.000 m3/h und 800.000 m3/h und einer Verdichtung von atmosphärischem Druck auf zwischen 4 bar und 8 bar.
Die Welle 4 ist gelagert durch ein als Radiallager
ausgeführtes erstes Wellenlager 12 und ein als Axiallager ausgeführtes zweites Wellenlager 14. Die Welle 4 ist von einem weiteren radialen Wellenlager gelagert, das jedoch außerhalb des Zeichnungsbereichs der Figur angeordnet und daher nicht dargestellt ist. Zwischen dem radialen
Wellenlager 12 und dem Laufrad 8 ist eine Wellendichtung 16 in Form einer Labyrinthdichtung angeordnet zum Abdichten des Lageröls nach außen.
Das Laufrad 8 läuft nach radial außen in Schaufelsegmente 18 aus, die zur Welle 4 hin eine Ausnehmung 20 bilden. Eine radscheibenseitige Grenze dieser Ausnehmung 20 ist durch eine gestrichelte Linie 22 dargestellt. Innerhalb dieser
Ausnehmung 20 ist das radiale Wellenlager 12 teilweise angeordnet, und zwar soweit, dass eine axiale Mittellinie 24 des Wellenlagers 12 in der Ausnehmung 20 angeordnet ist. Die axiale Mittellinie 24 ist hierbei durch einen parallel zur Welle 4 verlaufenden Schnitt in einer gedachten axialen
Mittelfläche des Wellenlagers 12 gebildet, die das
Wellenlager 12 in Axialrichtung 10 mittig schneidet. Eine Lagerfläche des radialen Wellenlagers 12 liegt somit mehr als zur Hälfte in der Ausnehmung 20 des Laufrads 8. Vollständig in der Ausnehmung 20 ist die Wellendichtung 16 um die Welle 4 herum angeordnet.
Die Ausnehmung ist hierbei auf der Radscheibenseite des
Laufrads 8 angeordnet, also auf derjenigen Seite, die von der Seite, von der das zu verdichtende Medium, in diesem
Ausführungsbeispiel Außenluft, angesaugt wird, abgewendet ist. Der Ausdruck „radscheibenseitig" bedeutet
dementsprechend auf der Seite der Nabe und von der axialen Seite des Laufrads mit der Strömungsführung abgewendet.
Die Wellendichtung 16 und das radiale Wellenlager 12 sind durch eine statorseitige Lageraufnahme 26 am Stator der
Strömungsmaschine 2 befestigt, sodass hierdurch die Welle 4 in ihrer gewünschten Position innerhalb des Stators fixiert ist. Die Lageraufnahme 26 ragt hierbei ein Stück weit in die Ausnehmung 20 des Laufrads 8 hinein und umgreift das
Wellenlager 12 und die Wellendichtung 16 zumindest teilweise von außen zur Fixierung. Die Lageraufnahme 26 trägt hierbei mit einem einstückig ausgeführten Element sowohl das radiale Wellenlager 12 als auch die Wellendichtung 16. Durch die Anordnung des Radiallagers 12 zumindest teilweise innerhalb der Ausnehmung 20 kann die Welle 4 konstruktiv gegenüber bekannten Wellen verkürzt ausgeführt werden, wodurch eine im Bezug auf Schwingungen günstige Rotordynamik erreichbar ist. Hierbei kragt der sich in Umfangsrichtung erstreckender und radial außen liegende Vorsatz des Laufrads 8 mit den Schaufelsegmenten 18 auf der Radscheibenseite zumindest teilweise über das Radiallager 12 hinweg, sodass die Befestigung des Radiallagers 12 seitlich vom Laufrad 8 abgewendet aus der Ausnehmung 20 herausgeführt ist.
Dementsprechend kragt die Lageraufnahme 26 des Wellenlagers 12 in die Ausnehmung 20 gemeinsam mit dem Wellenlager 12 hinein .
Durch die Anordnung des Wellenlagers teilweise in der
Ausnehmung 20 wird eine Verkürzung des Überhangs erreicht und hierdurch eine Reduzierung der Schwingungsempfindlichkeit. Im Einzelnen verbessert sich die Rotordynamik hierdurch mit einer Erhöhung der biegekritischen Drehzahl an dem freien Ende, sodass der Radialverdichter verglichen mit
herkömmlichen Ausbildungen von Überhangstufen in höheren Drehzahlen betrieben werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (6) für eine Strömungsmaschine (2), mit einer Welle (4), einem darauf angeordneten Laufrad (8) und einem
Wellenlager (12),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad (8) zur Welle (4) hin eine Ausnehmung (20) aufweist, in der das Wellenlager (12) zumindest teilweise angeordnet ist.
2. Rotor (6) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsmaschine (2) ein Radialverdichter ist.
3. Rotor (6) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad (8) Teil einer Überhangstufe ist.
4. Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Wellenlager (12) ein Radiallager ist.
5. Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausnehmung (20) radscheibenseitig im Laufrad (8) angeordnet ist.
6. Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine axiale Mitte des Wellenlagers (12) in der Ausnehmung (20) angeordnet ist.
7. Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Wellenlager (12) und dem Laufrad (8) eine
Dichtung (16) in der Ausnehmung (20) angeordnet ist.
8. Rotor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine statorseitige Lageraufnahme (26) des Wellenlagers (12) in die Ausnehmung (20) hineinragt.
9. Rotor (6) nach Anspruch 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die statorseitige Lageraufnahme (26) auch die Dichtung (16) trägt .
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