WO2019179843A1

WO2019179843A1 - Turbomaschine mit kippbarem gehäuseteil

Info

Publication number: WO2019179843A1
Application number: PCT/EP2019/056240
Authority: WO
Inventors: Nadja Eisenmenger; Jochen Doehring; Guido Daimer; Juliane TRAUTMANN; Markus PECHINGER; Joerg Schoefer; Felix FOERSTER; Michael Mayer
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-09-26
Also published as: DE102018204289A1; JP2021516743A; CN111886400A; EP3768948A1; JP7058752B2; CN111886400B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem um eine Drehachse (A) drehbar gelagerten Laufrad (1), das vorderseitig einen Einströmbereich (2) und einen Ausströmbereich (3) definiert und rückseitig mit einem Gehäuseteil (4) einen Axialspalt (5) ausbildend zusammenwirkt. Erfindungsgemäß bildet das Gehäuseteil (4) ein Axiallager für das Laufrad (1) aus. Zum Ausgleich einer Schrägstellung des Laufrads (1) ist das Gehäuseteil gegenüber einem weiteren Gehäuseteil (6) kippbeweglich gelagert.

Description

TURBOMASCHINE MIT KIPPBAREM GEHAUSETEIL

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Turbomaschine kann beispielsweise in einem Abwärmerückgewinnungssystem zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine verwendet werden.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 226 951 Al geht beispielhaft eine Turbomaschine für ein Abwärmerückgewinnungssystem einer

Brennkraftmaschine hervor, die ein Gehäuse und ein auf einer Antriebswelle angeordnetes Laufrad umfasst. Die Turbomaschine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf und wird im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt. Das Arbeitsmedium strömt in den Einströmbereich, entlang einer an dem Laufrad ausgebildeten Vorderseite und anschließend aus dem

Ausströmbereich, wobei ein Druckgefälle auf der Vorderseite zwischen dem Einströmbereich und dem Ausströmbereich besteht. Zugleich wirkt auf das Laufrad eine Axialkraft, die zu einer hohen Beanspruchung eines Axiallagers führt. Zur Reduzierung der Axialkraft wird daher vorgeschlagen, dass an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Laufrads ein Druckteiler angeordnet ist. Der Druckteiler führt zu einem Sprung im Druckverlauf des auf die Rückseite wirkenden Druckes bzw. senkt den Druck, der zumindest auf einen Teil der Rückseite wirkt, gegenüber dem Druckniveau des Einströmbereichs. Auf diese Weise kann eine auf das Laufrad wirkende resultierende hydraulische Kraft eingestellt werden. Der Druckteiler kann dabei als Drossel, dampfgeschmierte Dichtung, Labyrinthdichtung oder als mediendichte Dichtung ausgeführt sein. Bei einem als Drossel ausgeführten Druckteiler wirkt das Laufrad mit dem Gehäuse der Turbomaschine spaltbildend, insbesondere einen Axialspalt ausbildend, zusammen. Aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen kann es einerseits zu einer Aufweitung des Axialspalts und einer damit einhergehenden, den Wirkungsgrad der Turbomaschine verringernden Leckage kommen. Andererseits können Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen zu einer Verringerung des Axialspalts oder sogar zu einem Kontakt des Laufrads mit dem Gehäuseteil führen, so dass das Axiallager einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine anzugeben, bei welcher die vorstehend genannten Nachteile nicht auftreten oder zumindest deutlich vermindert sind. Insbesondere soll eine Turbomaschine geschaffen werden, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und weniger verschleißbehaftet ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird eine Turbomaschine mit einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Laufrad, das vorderseitig einen Einströmbereich und einen

Ausströmbereich definiert und rückseitig mit einem Gehäuseteil einen Axialspalt ausbildend zusammenwirkt. Erfindungsgemäß bildet das Gehäuseteil ein Axiallager für das Laufrad aus. Zum Ausgleich einer Schrägstellung des Laufrads ist das Gehäuseteil gegenüber einem weiteren Gehäuseteil kippbeweglich gelagert.

Die kippbewegliche Lagerung des das Axiallager ausbildenden Gehäuseteils ermöglicht einen Ausgleich etwaiger Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen.

Im Bereich des Axiallagers bildet sich somit ein gleichbleibender Axialspalt aus, der zu einer gleichmäßigen Belastung des Axiallagers führt. Damit steigt die Belastbarkeit bzw. die Tragfähigkeit des Axiallagers. Zugleich sinkt der Verschleiß, da der gleichbleibende Axialspalt einen Kontakt des Laufrads mit dem Gehäuseteil verhindert.

Der Axialspalt zwischen dem Laufrad und dem kippbeweglich gelagerten Gehäuseteil kann zugleich einen Druckteiler gemäß dem eingangs zitierten Stand der Technik ausbilden. Auf diese Weise kann die auf das Laufrad wirkende Axialkraft gemindert werden. Da der Axialspalt über den Umfang eine

gleichbleibende Breite besitzt, kann der Axialspalt zur Verringerung der Leckage minimiert werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad der Turbomaschine.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wirken das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil und das weitere Gehäuseteil ein Gelenk ausbildend zusammen. Die kippbewegliche Lagerung des das Axiallager ausbildenden ersten Gehäuseteils wird demnach über das weitere Gehäuseteil bewirkt. Der Aufbau der Turbomaschine kann auf diese Weise einfach gehalten werden. Insbesondere kann auf zusätzliche Lagerbauteile verzichtet werden.

Das Gelenk umfasst vorzugsweise mindestens eine sphärisch und/oder konisch geformte Gelenkfläche, die mittig in Bezug auf die Drehachse des Laufrads angeordnet ist. Das heißt, dass die Drehachse mittig durch die jeweilige

Gelenkfläche verläuft. Über das Gelenk kann somit eine beliebige Schräglage des Laufrads ausgeglichen werden.

Bevorzugt ist eine sphärisch geformte erste Gelenkfläche an einem

vorstehenden Zapfen ausgebildet. Der Zapfen kann dabei am kippbeweglich gelagerten ersten Gehäuseteil oder am weiteren Gehäuseteil angeordnet sein. Das jeweils andere Gehäuseteil weist in diesem Fall eine sphärisch oder konisch geformte zweite Gelenkfläche auf, die in einer stirnseitigen Ausnehmung ausgebildet ist, so dass in der Ausnehmung der Zapfen aufnehmbar ist. Eine konisch geformte zweite Gelenkfläche weist den Vorteil auf, dass diese die sphärisch geformte erste Gelenkfläche lediglich in einem ringförmigen

Kontaktbereich berührt. Über die auf das kippbeweglich gelagerte erste

Gehäuseteil wirkende Axialkraft kann somit zugleich eine Dichtkraft erzielt werden. Dies kann sich beispielsweise dann als vorteilhaft erweisen, wenn mittig durch das Gelenk ein Fluidkanal führt, den es nach außen abzudichten gilt. Bevorzugt ist das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil im Wesentlichen scheibenförmig und/oder als rotationssymmetrischer Körper ausgeführt. Die Scheibenform reduziert die Masse des kippbeweglich gelagerten Gehäuseteils und erleichtert damit eine Kippbewegung des Gehäuseteils. Ferner wird die Gefahr eines radialen Anschlagens und damit eines Blockierens des

Gehäuseteils im Falle einer Kippbewegung verringert. Die Ausbildung als rotationssymmetrischer Körper stellt eine gleichmäßige Lastverteilung sicher. Ferner kann bei der Montage der Turbomaschine die Winkellage des

kippbeweglich gelagerten Gehäuseteils in Bezug auf das weitere Gehäuseteil vernachlässigt werden.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das kippbeweglich gelagerte

Gehäuseteil gegenüber dem weiteren Gehäuseteil gegen Verdrehen gesichert ist. Das heißt, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil und das weitere Gehäuseteil unmittelbar oder mittelbar über mindestens ein Element zur

Herstellung einer Verdrehsicherung drehfest verbunden ist. Denn eine

Verdrehung der beiden Gehäuseteile relativ zueinander würde zu einem erhöhten Verschleiß im Kontaktbereich führen, so dass die Vorteile der Erfindung zunichte gemacht werden würden.

Vorzugsweise begrenzen das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil und das weitere Gehäuseteil gemeinsam einen Radialspalt. Dabei weist mindestens ein Gehäuseteil eine umlaufende Dichtgeometrie und/oder ein umlaufendes elastisch verformbares Dichtelement zur Abdichtung des Radialspalts auf. Die

Dichtgeometrie bzw. das Dichtelement müssen derart gestaltet sein, dass die Kippbeweglichkeit des ersten Gehäuseteils gegenüber dem weiteren Gehäuseteil nicht beeinträchtigt wird. Wird ein elastisch verformbares Dichtelement zur Abdichtung des Radialspalts eingesetzt, kann hierüber zugleich eine auf das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil wirkende Rückstellkraft realisiert werden.

Vorteilhafterweise ist die Dichtgeometrie bzw. das Dichtelement auf einem Durchmesser angeordnet, der gegenüber dem Außendurchmesser des kippbeweglich gelagerten Gehäuseteils deutlich reduziert ist. Bei dem

Durchmesser kann es sich um einen Außendurchmesser des kippbeweglich gelagerten Gehäuseteils oder um einen Innendurchmesser des weiteren

Gehäuseteils handeln. Das heißt, dass die Dichtgeometrie bzw. das

Dichtelement sowohl am kippbeweglich gelagerten Gehäuseteil als auch am weiteren Gehäuseteil angeordnet sein kann. Über den Durchmesser der

Dichtgeometrie bzw. des Dichtelements können die auf das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil wirkenden Druckverhältnisse eingestellt werden.

Insbesondere kann der auf das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil wirkenden Axialkraft eine Gegenkraft entgegengesetzt werden, die kleiner als die Axialkraft ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Axialkraft das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil in Anlage mit dem weiteren Gehäuseteil hält. Zugleich kann über die Gegenkraft die Axialkraft gemindert werden, um die Belastung zu reduzieren.

Das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil ist vorzugsweise von einem zentral angeordneten Fluidkanal durchsetzt. Über den Fluidkanal kann der Axialspalt, der zwischen dem kippbeweglich gelagerten Gehäuseteil und dem Laufrad ausgebildet wird, mit einem Fluid, beispielsweise mit einem Gas, beaufschlagt werden. Das Axiallager kann in diesem Fall als extern druckbeaufschlagtes Gaslager ausgeführt werden. Der Fluidkanal erstreckt sich vorzugsweise bis in das weitere Gehäuseteil hinein, um die Fluidversorgung des Fluidkanals zu gewährleisten. Das heißt, dass sich der Fluidkanal vorzugsweise über das Gelenk zur kippbeweglichen Lagerung des ersten Gehäuseteils hinweg erstreckt. In dieser Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die beiden Gehäuseteile dichtend Zusammenwirken, beispielsweise über einen ringförmigen Dichtkontakt, wie zuvor bereits erwähnt.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil mindestens einen Leckage- Rückführkanal aufweist, der den Axialspalt unmittelbar oder mittelbar über eine den Axialspalt erweiternde umlaufende Nut mit einem rückwärtigen Druckraum verbindet. Der Leckage- Rückführkanal kann als axial und/oder schräg durch das Gehäuseteil verlaufender Kanal ausgeführt sein, um eine Verbindung zwischen dem Axialspalt und dem rückwärtigen Druckraum herzustellen. Ferner kann der Leckage-Rückführkanal im Bereich des Gelenks in eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Zapfens münden. Über einen ringförmigen Dichtkontakt beider Gehäuseteile kann eine Trennung des Leckage- Rückführkanals vom zentral angeordneten Fluidkanal bewirkt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Axiallager als Gaslager, insbesondere als ein extern druckbeaufschlagtes Gaslager, ausgeführt ist. In dieser Ausgestaltung kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbomaschine.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Dargestellt ist eine Turbomaschine mit einem um eine Drehachse A drehbar gelagerten Laufrad 1. Die Darstellung ist der Einfachheit halber auf den

Längsschnitt oberhalb der Drehachse begrenzt. Zur Vervollständigung der Zeichnung kann diese um die Drehachse gespiegelt werden.

Das Laufrad 1 weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf, wobei die

Vorderseite einen Einströmbereich 2 und einen Ausströmbereich 3 für ein Prozessgas definiert. Die Rückseite ist eben ausgeführt und begrenzt

gemeinsam mit einer Axiallagerfläche 16 eines Gehäuseteils 4 einen Axialspalt 5. Der Axialspalt 5 ist über einen das Gehäuseteil 4 mittig durchsetzenden

Fluidkanal 12 mit einem Fluid beaufschlagbar, wobei es sich insbesondere um das Prozessgas handeln kann. Die Fluidbeaufschlagung des Axialspalts 5 führt zur Ausbildung eines Gaslagers.

Im Gehäuseteil 4 ist ferner ein Leckage- Rückführkanal 13 ausgebildet, der sich von einer in der Axiallagerfläche 16 ausgebildeten ringförmigen Nut 14 bis zu einer zentralen Ausnehmung 9 des Gehäuseteils 4 erstreckt. Über die

Ausnehmung 9 ist eine Verbindung des Leckage- Rückführungskanals 13 mit einem rückwärtigen Druckraum 15 hergestellt, der als Leckagesammelraum dient.

Um eine etwaige Schrägstellung des Laufrads 1 ausgleichen zu können, ist das Gehäuseteil 4 kippbeweglich gelagert. Die kippbewegliche Lagerung wird über ein weiteres Gehäuseteil 6 erreicht, das mit dem ersten Gehäuseteil 4 ein Gelenk 7 ausbildend zusammenwirkt. Das weitere Gehäuseteil 6 weist hierzu einen Zapfen 8 auf, der in die Ausnehmung 9 des kippbeweglich gelagerten Gehäuseteils 4 eingreift und an seinem freien Ende eine sphärisch geformte Gelenkfläche 7.1 aufweist. In der Ausnehmung 9 des ersten Gehäuseteils 4 ist eine konisch geformte Gelenkfläche 7.2 ausgebildet, über welche das erste Gehäuseteil 4 an dem Zapfen 8 abgestützt ist. Die beiden Gelenkflächen 7.1, 7.2 bilden gemeinsam einen ringförmigen Dichtkontakt aus, der den Fluidkanal 12 vom Leckage- Rückführkanal 13 trennt. Dadurch ist sichergestellt, dass im Fluidkanal ein Versorgungsdruck pi herrscht, der größer als ein im Druckraum 15 herrschender Rücklaufdruck p₂ ist und der Axialspalt 5 möglichst verlustfrei mit Gas versorgt wird.

Zur Einstellung der auf das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil 4 wirkenden Druckverhältnisse ist ferner eine Nebenabdichtung in Form einer am weiteren

Gehäuseteil 6 ausgebildeten Dichtgeometrie 11 vorgesehen. Die

Dichtgeometrie 11 bewirkt eine Abdichtung im Bereich eines zwischen den beiden Gehäuseteilen 4, 5 ausgebildeten Radialspalts 10. Die Dichtgeometrie 11 ist derart gestaltet, dass sie eine Kippbewegung des Gehäuseteils 4 zulässt.

Claims

Ansprüche

1. Turbomaschine mit einem um eine Drehachse (A) drehbar gelagerten Laufrad (1), das vorderseitig einen Einströmbereich (2) und einen

Ausströmbereich (3) definiert und rückseitig mit einem Gehäuseteil (4) einen Axialspalt (5) ausbildend zusammenwirkt,

dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (4) ein Axiallager für das Laufrad (1) ausbildet und zum Ausgleich einer Schrägstellung des Laufrads (1) gegenüber einem weiteren Gehäuseteil (6) kippbeweglich gelagert ist.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil (4) und das weitere Gehäuseteil (6) ein Gelenk (7) ausbildend Zusammenwirken.

3. Turbomaschine nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (7) mindestens eine sphärisch und/oder konisch geformte Gelenkfläche (7.1, 7.2) umfasst, die mittig in Bezug auf die Drehachse (A) angeordnet ist.

4. Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass eine sphärisch geformte erste

Gelenkfläche (7.1) an einem vorstehenden Zapfen (8) und eine sphärisch oder konisch geformte zweite Gelenkfläche (7.2) in einer stirnseitigen Ausnehmung (9) jeweils eines der beiden Gehäuseteile (4, 6) ausgebildet ist.

5. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil (4) im Wesentlichen scheibenförmig und/oder als rotationssymmetrischer Körper ausgeführt ist.

6. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil (4) gegenüber dem weiteren Gehäuseteil (6) gegen Verdrehen gesichert ist.

7. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil (4) und das weitere Gehäuseteil (6) gemeinsam einen Radialspalt (10) begrenzen, wobei mindestens ein Gehäuseteil (4, 6) eine umlaufende Dichtgeometrie (11) und/oder ein umlaufendes elastisch verformbares Dichtelement zur Abdichtung des Radialspalts (10) aufweist.

8. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil (4) von einem zentral angeordneten Fluidkanal (12) durchsetzt ist.

9. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das kippbeweglich gelagerte Gehäuseteil (4) mindestens einen Leckage- Rückführkanal (13) aufweist, der den Axialspalt (5) unmittelbar oder mittelbar über eine den Axialspalt (5) erweiternde umlaufende

Nut (14) mit einem rückwärtigen Druckraum (15) verbindet.

10. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager als Gaslager ausgeführt ist.