WO2022189256A1 - Gasgelagerte mikro-turbomaschine - Google Patents

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Hansjörg Weser
Jörg WESER
Gunther Weser
Shanfeng LIU
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3w Turbo GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a micro-turbomachine consisting of an overall rotor composed of several partial shaft elements, the assembled overall rotor being mounted in gas and/or air bearings (2).
  • the self-centering function takes place by means of conical multi-wedge profiles.
  • the conical multi-spline profiles are pronounced over the entire circumference or in segments on the front connecting surface of the individual partial shaft elements.
  • a partial shaft element contains the impeller of the turbomachine. At least one other shaft element is designed as a thrust bearing disk for axial storage.
  • a third partial shaft element can contain an e-rotor as a motor or generator, or an additional impeller. Additional shaft elements can be designed for additional impellers or other functional elements, such as radial or axial bearings.
  • the invention relates to a micro-turbomachine that functions as a compressor and is driven by an electric motor seated on a common overall rotor composed of several partial shaft elements. A drive is also possible via a turbine wheel seated on the entire rotor.
  • the drive can only be provided by the electric motor or only via the turbine impeller or together by the electric motor and turbine.
  • the microturbomachine can also function as a turbine, with a generator rotor acting as a brake on the assembled overall rotor.
  • a compressor impeller or a combination of compressor impeller and generator rotor can also be used as a brake.
  • the invention relates to a micro-turbo machine whose overall rotor composed of several shaft elements is mounted in two or more radial gas bearings.
  • the radial gas bearings can be designed as gas-dynamic bearings or as static gas bearings or a gas-dynamic - gas-static combination.
  • the shaft is supported axially by means of a gas bearing, which is designed to be gas-dynamic, gas-static or a combination of gas-dynamic and gas-static.
  • the axial bearing can also be implemented as an active or passive magnetic bearing.
  • the invention relates to a micro-turbomachine whose housing parts, which contain bearing points and any housing parts lying between them, are connected to one another with self-centering, conical multi-spline profiles on the face side.
  • the conical multi-wedge profiles are pronounced over the entire circumference or in segments on the front connecting surfaces of the individual housing parts and can contain a double wedge profile and a double wedge gap profile in the counterpart.
  • a turbomachine of the type mentioned is known from JP 2016-102480 A.
  • US Pat. Nos. 3,174,680 A and US 2020/0 325 906 A1 are also mentioned as prior art.
  • Micro-turbomachines with dynamic, static or combined dynamic/static gas or air bearings are used for very high-speed turbomachines, e.g.
  • these are film bearings or so-called herringbone bearings (groove bearings).
  • herringbone bearings groove bearings
  • the latter place high demands on the manufacture and precision of the components, since these bearings work with small bearing gaps.
  • this makes it possible for the flow-guiding components such as impellers to work with small gaps.
  • microturbines achieve very good volumetric efficiencies.
  • High-speed microturbo compressors with herringbone bearings are known, in which the rotor consists of a shaft or two materially bonded shaft elements and is mounted radially in two dynamic gas bearings.
  • the components such as the impeller and other parts are heat shrunk onto the shaft. Due to the high speeds and existing shrinkage stresses, the components are exposed to very high stresses. Deformations and high stresses in the operating state can destabilize the bearing or affect the strength lead to impeller failure.
  • the integral connection of two shaft elements places further increased demands on production in order to produce a connection that is flawless in terms of strength.
  • Rotors or turbo machines for very high speeds must also be very well balanced so that harmful imbalance forces are avoided or reduced as far as possible.
  • microturbomachines are designed to be as short as possible and with only two radial bearing points with regard to rotor dynamics and to avoid passing through the first bending-critical speed or natural frequency of the rotor. This severely limits the constructive possibilities for the design of such a rotor and thereby also limits certain performance-related designs to lower speeds.
  • DE-C2 3021 318 pump shaft with self-centering splines for impeller and track disc
  • At least one partial shaft element is an impeller (4)
  • a second partial shaft element is a thrust bearing (5)
  • a third partial shaft element is an electric rotor (1) and/or another Contains impeller
  • the partial shaft elements are connected to one another with a concentric self-centering connection and that housing components ( Figure 4), which contain bearing points and/or corresponding bores for the radial bearings, are frontally designed with a concentric self-centering planar splined connection.
  • Housing parts that contain radial bearing points are assembled with other housing parts via end face conical self-centering connections.
  • the partial shaft elements such as impeller (4), thrust bearing disc (5) and the electric rotor as well as their arrangement and the arrangement of the radial bearings within the overall rotor as well as other elements have a great influence on the rotor dynamics and a stable bearing of the entire rotor for very high speeds.
  • a conical self-centering connection of the individual partial shaft elements is immanently important here in order to avoid displacements and deformations in connection with high operating speeds and temperatures and to achieve reliable reproducibility of the balancing state.
  • a planar multi-spline connection (7) analogous to a Hirth tooth system ensures maximum flank and self-centering due to the conical inward spline.
  • the e-rotor partial shaft element (1) with two radial gas or air bearings (2) can thus be manufactured separately and precisely and then connected to other partial shaft elements to form an overall rotor.
  • assembly is very simple, since the individual shaft elements can be connected with low axial forces.
  • the positional fixation is ensured at all times by the conical keyways, so that assembly and disassembly do not affect the concentricity with the gas or air bearings 2 .
  • gas-dynamic herringbone bearings in particular in connection with a planar multi-spline profile connection allows for a simple design and precise manufacture of the entire rotor, the reliable reproducibility of the balancing quality required for functionality at very high speeds and is therefore very well suited for the production of large quantities .
  • a double-tooth profile or wedge on one end face and a double-tooth gap profile on the counterpart can increase the reliability for the reproducibility of the balance state for series production for assembly and disassembly.
  • the overall rotor composed of several hollow and/or solid shaft elements by means of a self-centering conical splined connection, opens up more freedom in the rotor-dynamic design of the overall rotor, among other things because the partial shaft elements are made of a wide variety of materials, such as steel, titanium or aluminum alloys, CFRP or plastic and many more be able.
  • the partial shaft element of an impeller but also the partial shaft element of the thrust bearing disc can be made of other materials, in particular the thrust bearing disc made of high-strength plastic or CFRP, which allows larger diameters, among other things, for an axial gas or air bearing or even higher speeds be able.
  • Another task was to produce the housing parts containing the bearing points / bores as simply as possible and at the same time to achieve very good alignment of the bearing points in the housing components to be connected in order to ensure or improve the functionality of the gas bearing.
  • Hirth couplings for large rotors can meet these requirements.
  • a high-precision, concentric, self-centering connection with the shaft elements for a gas-dynamic bearing could be created by means of a conical multi-wedge profile on the planar shaft ends to be connected.
  • a very good alignment of the bearing bores could be achieved by using this connection on the housing components.
  • concentric self-centering connection is designed as a planar multi-spline connection (7) for connecting at least three partial shaft elements
  • planar multi-wedge connection for assembling the partial shaft elements contains a double wedge on one end face and the corresponding counterpart of a second partial shaft element has a matching double gap
  • That the axial bearing is also designed as a dynamic gas bearing
  • That the axial bearing is designed as a static gas bearing or as a combination of static/dynamic gas bearings - That the axial bearing is designed as an active magnetic bearing
  • That the axial bearing is designed as a passive magnetic bearing
  • a shaft element contains an E-rotor (motor or generator) and the E-rotor is carried out on a shaft element made of steel, preferably ferromagnetic steel
  • That at least one partial wave element contains an impeller
  • the shaft element containing the impeller consists of a high-strength aluminum or titanium alloy
  • the impeller-containing shaft element consists of a plastic
  • the shaft element containing the impeller consists of a material mixture, for example a supporting structure of a high-strength material which is overmoulded with plastic or 3D printed
  • That at least one partial shaft element contains a thrust bearing disc
  • That the partial shaft element, which contains a thrust bearing disc, consists of a high-strength metallic alloy
  • That the partial wave element, which contains a thrust bearing disc, consists of a plastic
  • That housing components which contain bearing points or corresponding bores for the radial bearings, are designed on the face side with a concentric self-centering planar splined connection
  • planar multi-wedge connections for assembling the housing are carried out in segments
  • planar multi-wedge connections contain a double wedge on one face and the corresponding counterpart of a second housing component has a matching double gap
  • planar splined connections to the case assembly are made segment by segment and one segment contains a double key and the corresponding counterpart of a mated case component has a segment with a matching double gap.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an exemplary embodiment of a rotor system according to the invention, consisting of a motor rotor with groove air bearings (herringbone pattern), which is connected to the impeller and thrust bearing via a planar multi-spline profile,
  • FIG. 2 shows a perspective representation of the motor rotor according to the invention with groove air bearings (herringbone pattern) and planar multi-spline profiles on the left and right,
  • FIG. 3 shows the structure of the multi-wedge profile greatly enlarged; and FIG. 4 housing component with multi-wedge profiles arranged in segments and with a double wedge.
  • FIG. 2 shows the drive part, namely the motor rotor 1 with the groove air bearings 2 and the planar multi-spline profiles 3.
  • the multi-spline profile 3 is shown greatly enlarged.
  • FIG. 4 shows a housing component which contains the stator of the electric motor and is provided with multiple wedge profiles 9 arranged in segments on the end face. A double wedge 10 is also shown here.
  • Step 1 The motor rotor drive part 1 with groove air bearings 2 and planar multi-spline profiles 3 at the ends is manufactured separately and can also be tested separately.
  • Step 2 Components such as the impeller 4 and thrust bearing 5 are docked onto the motor rotor and thus form a variable rotor system.
  • Step 3 The components impeller 4 and thrust bearing 5 are each clamped axially to the motor rotor 1 via a screw and center themselves automatically via the flanks 8 of the wedge profile.
  • Step 4 Now the entire rotor can be balanced as a unit. After balancing, the entire rotor can be dismantled again for the subsequent assembly of the complete turbo compressor and reassembled in individual steps together with the housing components during assembly. First, the motor rotor 1 is inserted into the housing component (FIG. 4). The impeller 4 can then be screwed axially to the motor rotor 1 via the self-centering planar spline connection.
  • the assembly of the rear bearing flange which also contains a planar wedge profile arranged in segments, is connected to the housing component containing the motor stator ( Figure 4). Due to the double wedge gap, which represents the counterpart of the double wedge (10), the bearing flange (not shown here) can only be connected to the motor stator housing in a defined position. Then the thrust bearing disc can then be connected to the motor rotor to form the overall rotor.

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Abstract

Die Mikro-Turbomaschine, bestehend aus einem aus mehreren Teilwellenelementen zusammengesetzten Gesamtrotor, wobei der zusammengesetzte Gesamtrotor in Gas- und/oder Luftlagern (2) gelagert ist, ist dadurch gekennzeichnet, und/oder Luftlagern (2) gelagert ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilwellenelement ein Laufrad (4), ein zweites Teilwellenelement ein Spurlager (5) und ein drittes Teilwellenelement einen E-Rotor (1) oder/und ein weiteres Laufrad enthält, die Teilwellenelemente mit einer konzentrischen selbstzentrierenden Verbindung miteinander verbunden sind und dass Gehäusebauteile (Figur 4), die Lagerstellen und/oder entsprechende Bohrungen für die Radiallager enthalten, stirnseitig mit einer konzentrisch selbstzentrierenden planaren Vielkeilprofilverbindung ausgeführt sind.

Description

GASGELAGERTE MIKRO-TURBOMASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Turbomaschine, bestehend aus einem aus mehreren Teilwellenelementen zusammengesetzten Gesamtrotor, wobei der zusammengesetzte Gesamtrotor in Gas- und/oder Luftlagern (2) gelagert ist.
Die selbstzentrierende Funktion erfolgt mittels konischer Vielkeilprofile. Die konischen Vielkeilprofile sind über den ganzen Umfang oder segmentweise an der stirnseitigen Verbindungsfläche der einzelnen Teilwellenelementen ausgeprägt.
Ein Teilwellenelement enthält dabei das Laufrad der Turbomaschine. Mindestens ein weiteres Wellenelement ist als Spurlagerscheibe für eine axiale Lagerung ausgebildet. Ein drittes Teilwellenelement kann einen E-Rotor als Motor oder Generator enthalten oder aber auch ein weiteres Laufrad. Weitere Wellenelemente können für weitere Laufräder oder andere Funktionselemente, wie z.B. Radial- oder Axiallager ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Turbomaschine, die als Verdichter fungiert und über einen E-Motor auf einem gemeinsamen aus mehreren Teilwellenelementen zusammengesetzten Gesamtrotor sitzend angetrieben wird. Ein Antrieb ist auch über ein auf dem Gesamtrotor sitzendes Turbinenlaufrad möglich.
Der Antrieb kann nur mit dem E-Motor oder nur über das Turbinenlaufrad oder gemeinsam durch E-Motor und Turbine erfolgen.
Die Mikroturbomaschine kann auch als Turbine fungieren, wobei sich auf dem zusammengesetzten Gesamtrotor ein Generatorrotor als Bremse befindet. Als Bremse ist ebenfalls ein Verdichterlaufrad oder eine Kombination von Verdi chterlaufr ad und Generatorrotor möglich.
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Turbomaschine deren aus mehreren Wellenelementen zusammengesetzter Gesamtrotor in zwei oder mehreren radialen Gaslagern gelagert ist. Die radialen Gaslager können als gasdynamische Lager oder als statische Gaslager oder einer gasdynamischen - gasstatischen Kombination ausgeführt werden.
Die axiale Lagerung der Welle erfolgt mittels eines Gaslagers, welches gasdynamisch, gasstatisch oder aus einer gasdynamischen - gasstatischen Kombination ausgebildet ist. Die axiale Lagerung kann auch als aktives oder passives Magnetlager realisiert werden.
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Turbomaschine deren Gehäuseteile, welche Lagerstellen enthalten und gegebenenfalls dazwischen liegende Gehäuseteile, mit stirnseitig selbstzentrierenden konischen Vielkeilprofilen miteinander verbunden werden. Die konischen Vielkeilprofile sind über den ganzen Umfang oder segmentweise an den stirnseitigen Verbindungsflächen der einzelnen Gehäuseteile ausgeprägt und können dabei ein Doppelkeilprofil und im Gegenstück ein Doppelkeillückenprofil enthalten.
Stand der Technik
Eine Turbomaschine der eingangs genannten Art ist aus der JP 2016 - 102480 A bekannt. Als Stand der Technik werden außerdem US 3 174 680 A und US 2020 / 0 325 906 Al genannt.
1. Für sehr hochdrehende Turbomaschinen z.B. Expander für Verflüssigungsanlagen und bei besonderen Reinheitsanforderungen bzw. geforderter Ölfreiheit, wie z.B. für Brennstoffzellensysteme, werden Mikro-Turbomaschinen mit dynamischen, statischen oder kombinierten dynamischen / statischen Gas- bzw. Luftlagern eingesetzt. In der Regel sind dies bei Brennstoffzellensystemen Folienlager oder sogenannte Fischgräten- Lager (Groove-Lager). Letztere stellen hohe Anforderungen an die Herstellung und Präzision der Bauteile, da diese Lager mit geringen Lagerspalten arbeiten. Dadurch ist es aber möglich, dass auch die strömungsführenden Bauteile wie Laufräder mit geringen Spalten arbeiten können. Mikroturbinen erreichen dadurch sehr gute volumetrische Wirkungsgrade.
2. Bekannt sind hochtourige Mikroturboverdichter mit Fischgräten-Lagem, bei denen der Rotor aus einer Welle oder zwei stoffschlüssig verbundenen Wellenelementen besteht und radial in zwei dynamischen Gaslagern gelagert wird. Die Bauelemente wie das Laufrad und andere Teile werden warm auf die Welle aufgeschrumpft. Aufgrund der hohen Drehzahlen und vorhandenen Schrumpfspannungen sind die Bauelemente sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Verformungen und hohe Spannungen im Betriebszustand können die Lagerung destabilisieren oder zum festigkeitstechnischen Versagen des Laufrades führen. Des Weiteren stellt die stoffschlüssige Verbindung von zwei Wellenelementen einen weiteren erhöhten Anspruch an die Fertigung, um eine festigkeitstechnisch einwandfreie Verbindung herzustellen.
Die Montage ist aufwendig, die Demontage noch schwieriger, und die Herstellung des kompletten Rotors einschließlich der Lagerung erfordert einen hohen Aufwand.
Rotoren bzw. Turbomaschinen für sehr hohe Drehzahlen müssen auch sehr gut ausgewuchtet werden, damit schädliche Unwuchtkräfte vermieden bzw. weitestgehend reduziert werden. Empfehlenswert ist bei sehr hochtourigen Turbomaschinen ein Auswuchten des gesamten Rotors, also der Welle zusammen mit den auf der Welle befindlichen Bauteilen bzw. Massen, wie Laufräder, Spurlagerscheibe und E-Rotor. Dies erfordert eine Montage und anschließende Demontage der gesamten Rotoreinheit. Das Aufschrumpfen eines Laufrades auf die Welle erschwert somit die Reproduzierbarkeit des Auswuchtzustandes bei der späteren Endmontage.
Weiterhin werden sehr hochtourige Mikroturbomaschinen mit Hinblick auf die Rotordynamik und der Vermeidung des Durchfahrens der ersten biegekritischen Drehzahl bzw. Eigenfrequenz des Rotors möglichst kurz und mit nur zwei radialen Lagerstellen ausgeführt. Dies schränkt die konstruktiven Möglichkeiten für die Ausführung eines solchen Rotors sehr stark ein und begrenzt dadurch auch bestimmte leistungstechnische Ausführungen auf niedrigere Drehzahlen.
Häufig werden extrem hochdrehende gasgelagerte Turbomaschinen mit einem zentralen Gehäuseteil so ausgeführt, dass möglichst beide Radiallager in dieses Gehäuseteil integriert werden, um eine gute Fluchtung der Lagerbohrungen zu gewährleisten. Dies schränkt die konstruktiven Ausführungen und Montagemöglichkeiten weiter ein.
3. Zum Stand der Technik werden außerdem genannt:
• EP -Bl 3 008 344: Turbo-Expander/Kompressor-Welle mit Hirth-Verzahnung,
• DE-Cl 41 28 673: Strömungsmaschine mit zentrierenden Stirnverzahnungen zwischen Rotorteilen und Laufrädem,
• DE-Al 102010040288: Rotor mit Hirth-Verzahnung zwischen Welle und Laufrad,
• EP -Bl 2 872744: Radialkompressor-Rotor mit Hirth-Verzahnung, • DE-B 11 99 545: Naben-Wellen-Zentrierung (insb. für Turbomaschinen) durch Hirth- V erzahnung,
• DE-C2 3021 318: Pumpenwelle mit selbstzentrierender Stimverzahnung für Laufrad und Spurscheibe,
• EP-Al 3 579390 Turbo-Kompressor mit dynamischem bzw. statischem Gaslager,
• EP-Al 775 830 Turbo-Kompressor mit dynamischen Gaslagern und Spiralrillen,
• US-B2 88 27634: Turbo-Kompressor mit Folien-Gaslager.
Aufgabe und Lösung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung: Es sollen die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Mikro-Turbomaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Teilwellenelement ein Laufrad (4), ein zweites Teilwellenelement ein Spurlager (5) und ein drittes Teilwellenelement einen E-Rotor (1) oder/und ein weiteres Laufrad enthält, die Teilwellenelemente mit einer konzentrischen selbstzentrierenden Verbindung miteinander verbunden sind und dass Gehäusebauteile (Figur 4), die Lagerstellen und/oder entsprechende Bohrungen für die Radiallager enthalten, stimseitig mit einer konzentrisch selbstzentrierenden planaren Vielkeilprofilverbindung ausgeführt sind.
Gehäuseteile, die radiale Lagerstellen enthalten, werden mit anderen Gehäuseteilen über stirnseitige konische selbstzentrierende Verbindungen zusammengesetzt.
Vorteile der Erfindung Unter anderem werden die folgenden Vorteile erreicht:
Großen Einfluss auf die Rotordynamik und eine stabile Lagerung des Gesamtrotors für sehr hohe Drehzahlen haben hier die Teilwellenelemente wie Laufrad (4), Spurlagerscheibe (5) als auch der E-Rotor sowie deren Anordnung und die Anordnung der Radiallager innerhalb des Gesamtrotors sowie andere Elemente. Immanent wichtig ist hier eine konische selbstzentrierende Verbindung der einzelnen Teilwellenelemente, um Verlagerungen und Verformungen in Verbindung mit hohen Betriebsdrehzahlen und Temperaturen zu vermeiden sowie eine zuverlässige Reproduzierbarkeit des Auswuchtzustandes zu erreichen. Eine planare Vielkeilprofilverbindung (7) analog einer Hirth-Verzahnung gewährleistet hier durch die konisch nach innen ausgeführten Keil-Profile eine maximale Flanken- und S elb stzentri erung .
Das E-Rotor-Teilwellenelement (1) mit zwei radialen Gas- bzw. Luftlagern (2) kann somit separat präzise gefertigt und anschließend mit anderen Teilwellenelementen zu einem Gesamtrotor verbunden werden. Die Montage ist darüber hinaus sehr einfach, da die einzelnen Wellenelemente mit geringen axialen Kräften verbunden werden können. Die Lagefixierung ist durch die konischen Keilnuten jederzeit gewährleistet, so dass die Montage als auch die Demontage die Konzentrizität zu den Gas- bzw. Luftlagern 2 nicht beeinflussen.
Die Zusammenführung von insbesondere gasdynamischen Fischgräten-Lagern in Verbindung mit einer planaren Vielkeilprofilverbindung gestattet einen einfachen Aufbau und eine präzise Fertigung des Gesamtrotors, die zuverlässige und für die Funktionsfähigkeit bei sehr hohen Drehzahlen notwendige Reproduzierbarkeit der Auswuchtgüte und ist somit für die Herstellung großer Stückzahlen sehr gut geeignet. Durch ein Doppelzahnprofil bzw. -keil an einer Stirnseite und einem Doppelzahnlückenprofil am Gegenstück kann für die Montage und Demontage die Zuverlässigkeit zur Reproduzierbarkeit des Auswuchtzustandes für eine Serienproduktion gesteigert werden.
Am wichtigsten ist die selbstzentrierende konische Vielkeilprofilierung für die direkte Verbindung der einzelnen Teilwellenelemente, insbesondere für einen luftgelagerten E- Rotor mit den Teilwellenelementen Laufrad und Spurlager oder zusätzlicher Lagerstellen. Diese sichert eine einfache Montage und Reproduzierung des Auswuchtzustandes, eine unverzüglich hohe Beschleunigung oder Abbremsung durch einen E-Motor/Generator oder mittels Turbine in Kombination mit der insbesondere gasdynamischen Lagerung des Gesamtrotors und den Hochgeschwindigkeitsbetrieb ohne Gefahr der Aufweitung einer Laufradbohrung oder ähnlichem und der damit verbundenen Risiken. Der aus mehreren Hohl- oder/und Vollwellenelementen mittels selbstzentrierender konischer Vielkeilverbindung zusammengesetzte Gesamtrotor eröffnet mehr Freiheiten bei der rotor dynamischen Auslegung des Gesamtrotors u.a. dadurch, dass die Teilwellenelemente aus unterschiedlichsten Werkstoffen, wie z.B. Stahl, Titan- oder Aluminiumlegierungen, CFK oder Kunststoff u.v.m. ausgeführt werden können. So kann beispielsweise nicht nur das Teilwellenelement eines Laufrades, sondern auch das Teilwellenelement der Spurlagerscheibe aus anderen Materialien hergestellt werden, so insbesondere die Spurlagerscheibe aus hochfestem Kunststoff oder CFK, womit größere Durchmesser u.a. für eine axiale Gas- bzw. Luftlagerung oder noch höhere Drehzahlen ermöglicht werden können.
Weiterhin ermöglicht dies auch auf einfache Art und Weise die Möglichkeit zusätzlicher radialer Lagerstellen insbesondere mit einer gasdynamischen Lagerung für sehr hochtourige Anwendungen.
Durch die oben genannten Vorteile des Einsatzes unterschiedlicher Materialien für die Wellenelemente, insbesondere für das Laufradwellenelement sowie für das Spurlagerwellenelement und die Möglichkeit zusätzlicher radialer Lagerstellen, für die rotordynamische Auslegung des Gesamtrotors kann ein Betrieb der Mikroturbomaschine im unterkritischen Bereich, also unterhalb der ersten Biegeeigenfrequenz, deutlich einfacher realisiert werden. Das gilt besonders für die Realisierung größerer Leistungen bei vergleichbar hohen Drehzahlen wie man diese sonst nur bei niedrigeren Leistungen findet.
Des Weiteren sind mehr konstruktive Freiheiten durch die Unterteilung in mehrere Teilwellenelemente und Kombinierbarkeit unterschiedlichster Durchmesser dieser Wellenelemente bei gleichzeitig gegebener Montierbarkeit möglich.
Der Einsatz stirnseitig konischer selbstzentrierender Vielkeilverbindungen für Gehäusebauteile vereinfacht die Herstellung und verbessert die Fluchtung der Lagerbohrungen zueinander. Durch segmentweise Ausführung der Vielkeilverbindung (9) oder die Ausführung mit einem Doppelkeilprofil (10) kombiniert mit einem Doppellückenprofil am Gegenstück vereinfachen auch hier die zuverlässige Montage und Demontage insbesondere bei einer Serienproduktion. Die Erfinder haben bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Mikro-Turbomaschine die folgenden technischen Schwierigkeiten in nicht naheliegender Weise überwunden.
Gesucht wurde eine Möglichkeit zur Unterteilung eines Gesamtrotors in mehrere Teilwellenelemente, die auf einfache Weise verbunden oder wieder getrennt werden können und einen E-Rotor (1) sowie die Bemusterung (Berillung) für gasdynamische Radiallager, mindestens ein Laufrad (4) und eine Spurlagerscheibe (5) enthalten.
Hierdurch sollte eine Vereinfachung einer für gasdynamische Lagerungen notwendigen hochpräzisen Fertigung erzielt werden. Gleichzeitig sollte eine zuverlässige zentrierende Montage / Demontage bei Reproduzierbarkeit des Auswuchtzustandes und die zuverlässige Verbindung der einzelnen Teilwellenelemente auch bei hohen Drehzahlen und Temperaturunterschieden gewährleistet werden.
Weiterhin sollte die Möglichkeit größerer konstruktiver Freiheiten bezüglich der rotordynamischen Auslegung und der Einsatz verschiedener Werkstoffe geschaffen werden.
Eine weitere Aufgabenstellung bestand darin, die die Lagerstellen / -bohrungen enthaltenden Gehäuseteile möglichst einfach herzustellen und gleichzeitig eine sehr gute Fluchtung der Lagerstellen in den zu verbindenden Gehäusebauteilen zu erzielen, um so die Funktionsfähigkeit der Gaslagerung zu gewährleisten bzw. zu verbessern.
Es ist bekannt, dass Hirth-Kupplungen für große Rotoren diese Anforderungen erfüllen können. Allerdings sind dort die Anforderungen nicht so hoch, da die Rotoren in der Regel in mit Flüssigkeit geschmierten Lagern gelagert sind und hier größere Toleranzen zugelassen werden.
Hervorzuheben sei hier u.a. auch, dass selbstzentrierende konische Vielkeilverbindungen analog von Hirthverzahnungen üblicherweise erst ab Wellendurchmesser von 50 mm zum Einsatz kommen. Wellendurchmesser von sehr hochtourigen Mikroturbomaschinen haben jedoch häufig Wellendurchmesser kleiner 50 mm. Mit den heutigen modernen Fertigungsmöglichkeiten ist die Herstellung solch konischer Vielkeilverbindungen problemlos möglich und ermöglicht einen in Längsrichtung mehrfach geteilten Gesamtrotor insbesondere für mit dynamischen Gaslagern ausgeführte sehr hochtourige Mikroturbomaschinen. Für den Mikroturbomaschinen-Bereich wurden diese Kupplungen bisher nicht eingesetzt.
Auch der Einsatz dieser Verbindungsform für Gehäusebauteile zur Gewährleistung von notwendigen guten Fluchtungen von Lagerstellen ist bisher im Bereich von Mikro- Turbomaschinen nicht bekannt.
Durch eine konische Vielkeilprofilierung an den zu verbindenden planaren Wellenenden konnte eine hochpräzise konzentrische selbstzentrierende Verbindung mit den Wellenelementen für eine gasdynamische Lagerung geschaffen werden. Gleichzeitig konnte durch den Einsatz dieser Verbindung an den Gehäusebauteilen eine sehr gute Fluchtung der Lagerbohrungen erzielt werden.
Darüber hinaus eröffnet die oben beschriebene Lösung eine ganze Reihe von konstruktiven und auslegungstechnischen neuen Möglichkeiten für gasgelagerte Mikro-Turbomaschinen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden angeführt:
So wird vorgeschlagen,
- dass die konzentrische selbstzentrierende Verbindung als eine planare Vielkeilprofilverbindung (7) ausgebildet ist zur Verbindung von mindestens drei Teilwellenelementen
- dass die planare Vielkeilverbindungen zum Zusammenbau der Teilwellenelemente auf einer Stirnseite einen Doppelkeil enthält und das entsprechende Gegenstück eines zweiten Teilwellenelementes eine passende Doppellücke aufweist
- dass der aus Teilwellenelementen zusammengesetzte Gesamtrotor in zwei oder mehr radialen Gas/Luftlagem gelagert wird
- dass die radialen dynamischen Gas/Luftlager (2) als Folienlager oder Fischgräten-Lager ausgebildet sind
- dass die radialen Gas/Luftlager (2) als statisches oder als Kombination statischer / dynamischer Gaslager ausgebildet sind
- dass die Axiallagerung ebenfalls als dynamisches Gaslager ausgebildet ist
- dass die Axiallagerung als statisches oder als Kombination statischer / dynamischer Gaslager ausgebildet ist - dass die Axiallagerung als aktives Magnetlager ausgebildet ist
- dass die Axiallagerung als passives Magnetlager ausgebildet ist
- dass die Teilwellenelemente aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt sind
- dass ein Wellenelement einen E-Rotor (Motor oder Generator) enthält und sich der E-Rotor auf einem Wellenelement aus Stahl, vorzugsweise aus ferromagnetischem Stahl ausgeführt ist
- dass mindestens ein Teilwellenelement ein Laufrad enthält
- dass das laufradenthaltende Wellenelement aus einer hochfesten Aluminium oder Titanlegierung besteht
- dass das laufradenthaltende Wellenelement aus einem Kunststoff besteht
- dass das laufradenthaltende Wellenelement aus CFK besteht
- dass das laufradenthaltende Wellenelement aus einer Materialmischung besteht, beispielsweise aus einer tragenden Struktur eines hochfesten Werkstoffes welche mit Kunststoff umspritzt oder 3D gedruckt wird
- dass mindestens ein Teilwellenelement eine Spurlager scheibe enthält
- dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlager scheibe enthält, aus einer hochfesten metallischen Legierung besteht
- dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlager scheibe enthält, aus einem Kunststoff besteht
- dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlager scheibe enthält, aus CFK besteht
- dass Gehäusebauteile, die Lagerstellen bzw. entsprechende Bohrungen für die Radiallager enthalten, stirnseitig mit einer konzentrisch selbstzentrierenden planaren Vielkeilprofilverbindung ausgeführt sind
- dass die planaren Vielkeilverbindungen zum Gehäusezusammenbau segmentweise ausgeführt werden
- dass die planaren Vielkeilverbindungen auf einer Stirnseite einen Doppelkeil enthalten und das entsprechende Gegenstück eines zweiten Gehäusebauteils eine passende Doppellücke aufweist
- dass die planaren Vielkeilverbindungen zum Gehäusezusammenbau segmentweise ausgeführt werden und ein Segment einen Doppelkeil enthält und das entsprechende Gegenstück eines zugepaarten Gehäusebauteils ein Segment mit einer passenden Doppellücke aufweist.
Ausführungsbeispiel Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Rotorsystems, bestehend aus Motorrotor mit Groove-Luftlagern (Fischgrätenbemusterung), welches über ein planares Vielkeilprofil mit Laufrad und Spurlager verbunden ist,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Motorrotors mit Groove-Luftlagern (Fischgrätenbemusterung) und planaren Vielkeilprofilen links und rechts,
Figur 3 den Aufbau des Vielkeilprofils stark vergrößert und Figur 4 Gehäusebauteil mit segmentweise angeordneten Vielkeilprofilen sowie mit einem Doppelkeil.
Aufbau der Mikro-Turbomaschine
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Rotorsystem mit dem Motorrotor 1 mit Groove- Luftlagern 2, den planaren Vielkeilprofilen 3 für die Verbindungen des Laufrades 4 und des Spurlagers 5 dargestellt.
Figur 2 zeigt das Antriebsteil, nämlich den Motorrotor 1 mit den Groove-Luftlagern 2 und den planaren Vielkeilprofilen 3. In Figur 3 ist das Vielkeilprofil 3 stark vergrößert dargestellt.
Figur 4 zeigt ein Gehäusebauteil, welches den Stator des Elektromotors enthält und mit stirnseitig segmentweise angeordneten Vielkeilprofilen 9 versehen ist. Hier ist auch ein Doppelkeil 10 dargestellt.
Herstellung der Mikro-Turbomaschine Im Folgenden wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Mikro-Turbomaschine im Detail erläutert:
Schritt 1: Das Antriebsteil Motorrotor 1 mit Groove-Luftlagern 2 und planaren Vielkeilprofilen 3 an den Enden wird separat hergestellt und kann auch separat erprobt werden.
Schritt 2: Bauteile wie Laufrad 4 und Spurlager 5 werden an den Motorrotor angedockt und bilden so ein variables Rotorsystem.
Schritt 3: Die Bauteile Laufrad 4 und Spurlager 5 werden jeweils über eine Schraube axial mit dem Motorrotor 1 verspannt und zentrieren sich selbsttätig über die Flanken 8 des Keilprofils. Schritt 4: Nun kann der Gesamtrotor als eine Einheit ausgewuchtet werden. Nach dem Auswuchten kann der Gesamtrotor für die anschließende Montage des kompletten Turbokompressors wieder demontiert und bei der Montage wieder in einzelnen Schritten zusammen mit den Gehäusebauteilen montiert werden. Dabei wird zuerst der Motorrotor 1 in das Gehäusebauteil (Figur 4) eingeführt. Anschließend kann das Laufrad 4 mit dem Motorrotor 1 axial über die selbstzentrierende planare Keilverbindung verschraubt werden. Danach ist die Montage des hinteren Lagerflansches, welcher ebenfalls eine planare und segmentweise angeordnete Keilprofile enthält, mit dem den Motorstator beinhalteten Gehäusebauteil (Figur 4) verbunden werden. Dabei kann auf Grund der Doppelkeillücke, welche das Gegenstück des Doppelkeils (10) darstellt, der Lagerflansch (hier nicht dargestellt) nur in einer definierten Position mit dem Motorstatorgehäuse verbunden werden. Danach kann dann die Spurlagerscheibe mit dem Motorrotor zum Gesamtrotor verbunden werden.
B e z u g s z e i c h e n l i s t e 1 Motorrotor
2 Groove-Luftl ager
3 planare Vielkeilprofile
4 Laufrad
5 Spurlager 6 Wellenstumpf
7 konisches Keilprofil
8 Flanken des Keilprofils
9 segmentweise angeordnete planare konische Vielkeilprofile
10 Doppelkeilprofil

Claims

A n s p r ü c h e
1. Mikro-Turbomaschine, bestehend aus einem aus mehreren Teilwellenelementen zusammengesetzten Gesamtrotor, wobei der zusammengesetzte Gesamtrotor in
Gas- und/oder Luftlagem (2) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilwellenelement ein Laufrad (4), ein zweites Teilwellenelement ein Spurlager (5) und ein drittes Teilwellenelement einen E- Rotor (1) oder/und ein weiteres Laufrad enthält, die Teilwellenelemente mit einer konzentrischen selbstzentrierenden Verbindung miteinander verbunden sind und dass Gehäusebauteile (Figur 4), die Lagerstellen und/oder entsprechende Bohrungen für die Radiallager enthalten, stimseitig mit einer konzentrisch selbstzentrierenden planaren Vielkeilprofilverbindung ausgeführt sind.
2. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrische selbstzentrierende Verbindung als eine planare Vielkeilprofilverbindung (7) ausgebildet ist.
3. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Vielkeilprofilverbindung über den ganzen Umfang an der stirnseitigen Verbindungsfläche der einzelnen Teilwellenelemente ausgeprägt ist.
4. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Vielkeilprofilverbindung segmentweise an der stirnseitigen
Verbindungsfläche der einzelnen Teilwellenelemente ausgeprägt ist.
5. Mikro-Turbomaschine nach den vorgenannten Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Vielkeilprofilverbindung einen Doppelkeil und das Gegenstück eine entsprechende Doppellücke enthält.
6. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Luftlager (2) als dynamische Gas/Luftlager ausgebildet sind.
7. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen dynamischen Gas/Luftlager als Folienlager oder Fischgräten- Lager, insbesondere Groove-Lager ausgebildet sind.
8. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Luftlager als statische Gas/Luftlager ausgebildet sind.
9. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Luftlager als Kombination statischer und dynamischer Gas/Luftlager ausgebildet sind.
10. Mikro-Turbomaschine nach den vorgenannten Ansprüchen 1 und 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager als Gas/Luftlager und die axiale Lagerung als Magnetlagerung ausgebildet sind.
11. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, dass die axiale Lagerung als aktive Magnetlagerung ausgebildet ist.
12. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, dass die axiale Lagerung als passive Magnetlagerung ausgebildet ist.
13. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1 und/oder den weiteren vorgenannten Ansprüchen, dadurchgekennzeichnet, dass die Teilwellenelemente aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
14. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 13, dadurchgekennzeichnet, dass ein Teilwellenelement einen E-Rotor (Motor oder Generator) enthält und sich der E-Rotor auf einem Teilwellenelement (1) aus Stahl, vorzugsweise aus ferromagnetischem Stahl befindet.
15. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das laufradenthaltende Teilwellenelement (4) 25 aus einer hochfesten Aluminium- oder Titanlegierung besteht.
16. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das laufradenthaltende Teilwellenelement (4) aus einem Kunststoff besteht.
17. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, 35 dass das laufradenthaltende Teilwellenelement (4) aus CFK besteht.
18. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das laufradenthaltende Teilwellenelement (4) aus einer Materialmischung besteht, beispielsweise aus einer tragenden Struktur eines hochfesten Werkstoffes welche mit Kunststoff umspritzt oder 3D gedruckt wird.
19. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlagerscheibe (5) enthält, aus einer hochfesten metallischen Legierung besteht.
20. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlagerscheibe (5) enthält, aus einem Kunststoff besteht.
21. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlagerscheibe (5) enthält, aus CFK besteht.
22. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 21, dadurchgekennzeichnet, dass mindestens ein Teilwellenelement eine Spurlagerscheibe (5) enthält, welche zweiseitig wirkt.
23. Mikro-Turbomaschine nach vorgenannten Ansprüchen, dadurchgekennzeichnet, dass mindestens eine Rückseite eines Laufrades mit als Gegenlauffläche der axialen Lagerung ausgeprägt ist.
24. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die planaren Vielkeilverbindungen zum Gehäusezusammenbau auf dem vollen Umfang stirnseitig ausgeführt sind.
25. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die planaren Vielkeilverbindungen zum Gehäusezusammenbau segmentweise (9) über dem stimseitigen Umfang ausgeführt sind.
26. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, 25 und 26, dadurchgekennzeichnet, dass die planaren Vielkeilverbindungen auf einer Stirnseite einen Doppelkeil (10) enthalten und das entsprechende Gegenstück eines zweiten Gehäusebauteils eine passende Doppellücke aufweist.
27. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, für mobile Anwendungen.
28. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, für stationäre Anwendungen.
29. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, 27 und 28, dadurchgekennzeichnet, dass mindestens ein Laufrad als Kompressorlaufrad (1) und der E-Rotor als E- Motor ausgebildet sind.
30. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, 27 und 28, dadurchgekennzeichnet, dass mindestens ein Laufrad als Turbinenlaufrad und der E-Rotor als E- Generator ausgebildet sind.
31. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, 27 und 28, dadurchgekennzeichnet, dass ein Laufrad als Kompressorlaufrad und ein zweites als Turbinenlaufrad und der E-Rotor als E-Motor ausgebildet sind.
32. Mikro-Turbomaschine nach Anspruch 1, 27 und 28, dadurchgekennzeichnet, dass ein Teilwellensegment als Kompressorlaufrad und ein zweites Teilwellensegment statt als E-Rotor als Turbinenlaufrad ausgebildet ist.
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