DE102020134759A1

DE102020134759A1 - Turbomaschine und Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE102020134759A1
Application number: DE102020134759.6A
Authority: DE
Inventors: Norbert Schmied
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem Gehäuse (1), mit einem von dem Gehäuse (1) zumindest teilweise umschlossenen Laufradraum (2) und mit zumindest einem an dem Gehäuse (1) durch zumindest eine Lageranordnung um eine Drehachse (x) drehbar gelagerten Rotor (3). Der Rotor (3) weist zumindest eine Rotorwelle (4) und einen mit der Rotorwelle (4) verbundenen und zumindest teilweise in dem Laufradraum (2) angeordneten Impeller (5). Der Rotor (3) ist gegenüber dem Gehäuse (1) durch zumindest eine Wellendichtung (6) abgedichtet. Der Impeller (5) weist erfindungsgemäß ein Laufrad (5a) und einen an das Laufrad (5a) einstückig anschließenden Wellenfortsatz (5b) auf. Die Wellendichtung (6) dichtend das Gehäuse (1) gegenüber dem Wellenfortsatz (5b) ab.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem Gehäuse, mit einem zumindest durch das Gehäuse teilweise umschlossenen Laufradraum und zumindest einem an dem Gehäuse durch eine Lageranordnung um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor. Der Rotor umfasst zumindest eine Rotorwelle und einen mit der Rotorwelle verbundenen Impeller. Der Rotor ist gegenüber dem Gehäuse durch zumindest eine Wellendichtung abgedichtet.
Derartige Turbomaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei weist der Impeller Leiteinrichtungen, insbesondere Leitschaufeln, Kanäle Leitungen und dergleichen auf, welche dazu geeignet sind die Strömung und/oder den Druck eines Prozessmediums in eine Drehbewegung umzusetzen (Turbine, Expander) oder umgekehrt (Turbokompressor, Turbopumpe). Die Rotorwelle dient insbesondere zur Abstützung des Impellers sowie zur Übertragung einer Drehbewegung von und zu dem Impeller. Zur Kraftübertragung kann die Rotorwelle dazu insbesondere direkt, über eine Wellenkupplung und/oder einen Getriebesatz mit einem Antrieb und/oder einen Abtrieb verbunden sein. Hierzu kann insbesondere eine elektrische Maschine und/oder eine weitere Turbomaschine bzw. ein weiterer mit der Welle gekoppelter Turbosatz vorgesehen sein.
Um beim Zusammenbau eine gewisse Flexibilität zu ermöglichen, sind der Impeller und die Rotorwelle als separate Baugruppen ausgebildet, welche miteinander lösbar verbunden sind. Dadurch ist es unter anderem möglich, zu Reparatur- und Wartungszwecken den Impeller aus der Turbomaschine auszubauen, ohne dabei gleichzeitig auch die Rotorwelle entfernen zu müssen. Die Verbindung zwischen der Rotorwelle und dem Impeller muss konstruktionsbedingt große Lasten sowohl in Axialrichtung - d. h. in Richtung der Drehachse - als auch Torsionskräfte und Kippmomente aufnehmen.
Zur Reduktion von Materialkosten bei der Herstellung sowie der Masse des Rotors und des Platzbedarfs der Turbomaschine ist man stets bestrebt, den Rotor möglichst kompakt auszugestalten. Dabei werden die Belastungsgrenzen der Baugruppen sowie der in ihnen verwendeten Materialien bestmöglich ausgeschöpft. Dies kann jedoch problematisch sein, wenn zusätzliche Belastungen auftreten - etwa durch besonders starken Wärmeeintrag. So können beispielsweise bei besonders hohen Temperaturen in metallischen Materialien Gefügeveränderungen auftreten, welche die mechanische Festigkeit herabsetzen. Ebenso können auch tiefkalte Temperaturen des Prozessmediums zu einer Materialversprödung führen - dem auch eine erfindungsgemäße Abkapselung und ggf. Temperierung entgegenwirken kann. Insbesondere an kritischen Punkten - wie dem Verbindungsbereich zwischen den Impeller und der Rotorwelle - können derartige Materialschwächungen eine Gefahr für die Betriebssicherheit darstellen.
Daher ist es bisher nicht möglich, besonders kompakte und filigran gebaute Turbomaschinen in hochbeanspruchten Einsatzgebieten - beispielsweise in Hochtemperaturanwendungen wie beispielsweise thermischen Energiespeichern oder mit hohen Temperaturen operierenden Kraftwerken - einzusetzen. Bei herkömmlichen Turbomaschinen ist es erforderlich, den Impeller und die Rotorwelle insbesondere im Verbindungsbereich mit zusätzlichem Material auszulegen, um auch im thermischen Belastungsfall eine hinreichende Stabilität garantieren zu können. Dies führt zu zusätzlichen Material- und Produktionskosten sowie zu einer vergrößerten Masse und einem größeren Trägheitsmoment des Rotors, welche im Betrieb ungünstiger sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine anzugeben, welche die vorgenannten Problemstellungen überwindet. Insbesondere soll die Herstellung einer besonders kompakt und filigran gebauten Turbomaschine ermöglicht werden, welche auch zusätzlichen Belastungen, insbesondere thermischer Natur, standhält. Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist eine Turbomaschine gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine gemäß Anspruch 13. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Ausgehend von der gattungsgemäßen Turbomaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Impeller ein zumindest teilweise in dem Laufradraum angeordnetes Laufrad sowie einen daran einstückig anschließenden Wellenfortsatz aufweist und dass die Wellendichtung das Gehäuse gegenüber dem Wellenfortsatz abdichtet. Die (lösbare) Verbindung zwischen dem Impeller und der Rotorwelle erfolgt in einem Verbindungsbereich zwischen dem Wellenfortsatz und einem Wellenende der Rotorwelle. Durch die zwischen dem Wellenfortsatz und dem Gehäuse wirksame Wellendichtung ist dieser Verbindungsbereich von dem Laufradraum - und damit von einem potenziell die Stabilität und/oder Festigkeit der Verbindung beeinträchtigenden - Prozessgas abgeteilt und beabstandet. Die lösbare Verbindung zwischen dem Impeller und der Rotorwelle wird im Rahmen der Erfindung aus dem Prozessraum „zurückgesetzt“ und dadurch geschützt.
Unter „einstückig“ im Rahmen der Erfindung ist zu verstehen, dass das Laufrad und der Wellenfortsatz derart miteinander verbunden sind, dass sie nicht zerstörungsfrei getrennt werden können. Insbesondere ist darunter zu verstehen, dass das Laufrad und der Wellenfortsatz aus einem einzigen Materialstück gefertigt, miteinander verschweißt und/oder aufeinander thermisch aufgeschrumpften sind. Die einstückige Verbindung ist insbesondere so ausgebildet, dass sie hohen thermischen Beanspruchungen - vorzugsweise zwischen 400 °C und 900 °C, insbesondere zwischen 500 °C und 800 °C - standhalten kann.
Die Wellendichtung ist besonders bevorzugt als Labyrinthdichtung ausgebildet. Diese weist vorzugsweise eine Dichtungsstruktur aus senkrecht zu der Drehachse vorstehenden Rippen auf, welche an dem einen Dichtungspartner - dem Gehäuse oder dem Wellenfortsatz - ausgebildet sind. Diese Dichtungsstruktur wirkt mit einer Dichtungsfläche an dem jeweils anderen Dichtungspartner - dem Wellenfortsatz oder dem Gehäuse - zusammen, welche zylindersymmetrisch um die Drehachse angeordnet ist. Es sind auch Ausführungsformen von Labyrinthdichtungen bekannt, bei denen an beiden Dichtungspartnern Dichtungsstrukturen ausgebildet sind, welche im montierten Zustand ineinandergreifen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der Impeller ausschließlich mit dem Wellenfortsatz an der Rotorwelle an. Dadurch wird die Wärmeleitung innerhalb des Rotors vom Laufrad auf die Rotorwelle auf das Material des Wellenfortsatzes eingeengt und dadurch beschränkt.
Vorzugsweise weist der Wellenfortsatz eine zylinderförmige Außenform mit einem Zylinderdurchmesser und einer in der Axialrichtung (längs zur Drehachse) gemessenen Zylinderlänge aus. Dabei beträgt die Zylinderlänge besonders bevorzugt zumindest das 0,75-fache, insbesondere zumindest das 0,9-fache des Zylinderdurchmessers. In dieser langgestreckten Form ist eine besonders gute Abschirmung der Verbindungsstelle gegenüber dem Prozessmedium in der Umgebung des Laufrads möglich. Damit der insbesondere fliegend - d.h. axial einseitig gelagerte - gelagerte Impeller keinen zu großen Überhang erhält, ist die Zylinderlänge vorzugsweise nicht größer als der 3-fache Zylinderdurchmesser, insbesondere nicht größer als der 2-fache Zylinderdurchmesser.
Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Verbindungsbereich eine zusätzliche, den Wellenfortsatz mit der Rotorwelle verbindende, Wellenkupplung vorgesehen. Hierbei kann es sich insbesondere um einen mit der Rotorwelle und dem Wellenfortsatz kraft- und/oder reibschlüssig verbundenen Kupplungsring handeln. Der Kupplungsring wird durch die Wellendichtung von dem Prozessmedium abgekapselt. Besonders bevorzugt kann der Kupplungsring von einem Kühlmedium angeströmt und/ oder durchströmt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Wellenfortsatz und der Rotorwelle eine Formschluss-Verbindung, insbesondere eine Hirth-Verzahnung vorgesehen. Dabei weisen sowohl das Wellenende der Rotorwelle als auch der Wellenfortsatz des Impellers in dem aneinander anliegenden Verbindungsbereich eine Profilierung, insbesondere eine Verzahnung auf. Diese stellt eine formschlüssige Kupplung dar, welche die Kraftübertragung, insbesondere von Drehmomenten verbessert. Die Formschlussverbindung kann auch Elemente einer Klauenkupplung aufweisen.
Die Formschluss- Verbindung dient zur verbesserten Übertragung von Kräften zwischen der Rotorwelle und dem Impeller. Allerdings bedingen derartige Ausformungen stets eine Materialverjüngung (gegenüber dem Vollmaterial des Wellenzapfens bzw. der Rotorwelle) und sind daher besonders anfällig für Festigkeitsverluste - etwa infolge thermischer Belastungen. Um die optimale Funktion der Formschlussverbindung aufrechtzuerhalten, ist die erfindungsgemäße Anordnung in einem geschützten Bereich abseits des Prozessraums besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise sind der Impeller und die Welle durch zumindest einen Laufradbolzen miteinander verbunden. Der Laufradbolzen dient der axialen Verspannung des Rotors. Dadurch können axial ausgerichtete Zugkräfte übertragen werden. Auch können derartige Zugmomente erforderlich sein, um eine - vorzugsweise formschlüssige - Verbindung zwischen dem Impeller und der Rotorwelle zu bilden, zu unterstützen und/oder zu verstärken.
Der Laufradbolzen weist vorzugsweise einen zylinderförmigen Gewindeabschnitt mit einem Bolzendurchmesser und einem Außengewinde auf, welches in ein zugeordnetes Innengewinde der Rotorwelle eingreift. Vorzugsweise weist der Laufradbolzen ferner einen Anlageflansch auf, welcher an einer Schulterfläche des Impellers abgestützt ist. Um eine ausreichende Festigkeit des Wellenfortsatzes in dem Verbindungsbereich zu gewährleisten, beträgt der Abstand zwischen der Schulterfläche und der Rotorwelle vorzugsweise zumindest das 1-fache, vorzugsweise das 1-fache bis 2-fache, des Bolzendurchmessers.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein einziger Laufradbolzenvorgesehen, welcher konzentrisch um die Drehachse angeordnet ist. Hierdurch kann eine zentrale und besonders axiale Krafteinleitung gewährleistet werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der zumindest eine Laufradbolzen in der Axialrichtung ausschließlich in dem Bereich des Wellenfortsatzes und der Rotorwelle angeordnet. Insbesondere erstreckt sich der Laufradbolzen nicht bis in den Bereich des Laufrades. Dadurch wird das Material des Laufradbolzens von etwaigen thermischen Belastungen in Laufradnähe geschützt. Auch wird eine Beeinträchtigung der Verbindungsstelle durch Wärmeleitung in dem Material des Laufradbolzens vermieden. Dem Laufradbolzen kommt aufgrund seiner kritischen Bedeutung für den Zusammenhalt des Rotors eine besonders große Schutzbedürftigkeit zu. Besonders bevorzugt ist in der axialen Richtung zwischen dem Laufrad und dem Laufradbolzen ein Abstand von ungefähr der Hälfte des Axialen Abstands - insbesondere zwischen 40 % und 60 % des Axialen Abstands - zwischen dem Laufrad und der Rotorwelle vorgesehen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Laufradbolzen in einem Hohlraum innerhalb des Wellenzapfens angeordnet. Dabei verbleibt zwischen dem Wellenzapfen und einer Innenfläche des Wellenfortsatzes ein Abstand. Dieser Abstand beträgt insbesondere zumindest das 0,2-fache des Bolzendurchmessers. Durch diese Ausgestaltung wird einerseits die Wärmeübertragung von der - tendenziell stärker thermisch beanspruchten Außenseite des Wellenfortsatzes auf den Laufradbolzen reduziert. Zusätzlich besteht durch den Hohlraum die Möglichkeit, zusätzlich ein Kühlmittel in Kontakt mit dem Laufradbolzen zu bringen.
Vorzugsweise weist der Laufradbolzen einen Gewindeabschnitt auf, welcher in ein zugeordnetes Innengewinde an der Rotorwelle eingedreht ist. Ferner weist der Laufradbolzen einen Anlagebereich auf, welcher in radialer Richtung - senkrecht zur Drehachse - gegenüber dem Gewindeabschnitt vorsteht und an zumindest einer Schulterfläche des Impellers in Axialrichtung abgestützt ist. Insbesondere zwischen dem Anlagebereich und der Schulterfläche kann eine axiale Krafteinleitung des Laufradbolzens in den Impeller erfolgen. Besonders bevorzugt ist die Schulterfläche im Bereich des Wellenfortsatzes ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Hohlraum durch zumindest eine Öffnung mit der Außenseite des Wellenzapfens verbunden. Dadurch kann ein Austausch des in dem Hohlraum befindlichen Mediums - insbesondere Luft, Inertgas und/oder Prozessgas - mit der Außenseite - also dem Raumvolumen zwischen der Außenfläche und einer Innenseite des Gehäuses erfolgen. Hierdurch können schädliche Einflüsse, wie beispielsweise Wärme, besser abgeführt werden.
Vorzugsweise ist der Laufradbolzen in einer Sackbohrung und/oder Stufenbohrung des Impellers angeordnet, welcher sich von einer dem Wellenfortsatz abgewandten Außenseite des Laufrades bis in den Wellenfortsatz hinein erstreckt. An der der Rotorwelle zugewandten Seite des Wellenzapfens ist eine Durchgangsöffnung zum Durchtritt des Laufradbolzens vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Sackbohrung/Stufenbohrung an der Außenseite des Laufrades durch zumindest eine Kappe verschlossen und abgedichtet. Die Kappe lässt sich zu Montage- und Demontagezwecken des Impellers entfernen, damit der Laufradbolzen zugänglich ist.
Vorzugsweise sind die Öffnungen zumindest teilweise zwischen der Rotorwelle und dem Wellenzapfen ausgebildet. Die Öffnung wird dabei durch eine angepasste Profilierung der Stirnflächen des Wellenendes sowie des Wellenfortsatzes gebildet. Es entfallen dabei zusätzliche Arbeitsschritte, wie beispielsweise Bohren und dergleichen.
Vorzugsweise sind mehrere Öffnungen rotationssymmetrisch um die Drehachse und Äquidistant in Umlaufrichtung angeordnet. Hierdurch werden Unwuchten des Rotors im Vorhinein vermieden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind bei einer Formschluss-Verbindung ein Profil mit formschlüssigen Kontaktbereichen und Bereichen ohne Kontakt vorgesehen. Insbesondere ist die Formschluss-Verbindung als Hirth-Verzahnung mit abgeschnittenen Spitzen ausgebildet. In der klassischen Hirth-Verzahnung ist bei beiden Verbindungpartnern jeweils ein Profil mit dreiecksförmigen Zähnen und dazwischen entsprechenden dreiecksförmigen Einschnitten vorgesehen. Im Verbindungsfall greifen die Zähne des einen Verbindungspartners in die Einschnitte des jeweils anderen Verbindungspartners formschlüssig und mit im Wesentlichen durchgängigen Flächenkontakt ein. Im Rahmen der bevorzugten Erfindungsvariante weisen die Zähne ein gegenüber der Dreieckform reduziertes Profil - insbesondere eine Trapezform mit „abgeschnittener Spitze“ - auf. Gleichzeitig sind die Einschnitte weiterhin dreiecksförmig ausgebildet. Im montierten Fall verbleibt somit eine Lücke zwischen den beiden Verbindungspartnern, welche in radialer Richtung durchgängig ist und sich von dem Hohlraum bis in den Außenbereich/Kühlbereich erstreckt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine besonders filigrane Bauweise des Wellenfortsatzes zu ermöglichen. Dabei weist eine - insbesondere zylinderförmige - Außenfläche des Wellenfortsatzes einen maximalen Durchmesser auf, welcher nicht größer ist als die Hälfte, vorzugsweise nicht größer als ein Drittel des maximalen Durchmessers des Laufrades. Auch ist im Rahmen der Erfindung ein Durchmesser-Verhältnis von bis zu 1:10 möglich.
Zur zusätzlichen Verbesserung des Schutzes ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Lageranordnung vollständig auf der dem Laufradraum abgewandten Seite der Wellendichtung angeordnet ist. Die Lageranordnung meint dabei sämtliche im Normalbetrieb der Turbomaschine verwendeten Axial- und/oder Radial-Lager zur Stützung des Rotors. Hiervon unbenommen sind etwaige Fanglager, welche lediglich unter außergewöhnlichen Umständen - beispielsweise beim Ausfall eines Magnet- oder Fluidlagers benötigt werden. Durch die Verlagerung der Lageranordnung hinter die Wellendichtung - welche vorzugsweise unmittelbar und ohne eine weitere Dichtungseinrichtung an den Laufradraum anschließt - können ebenfalls die Lager vor schädlichen Einflüssen - wie beispielsweise hohen Temperaturen - geschützt werden.
Besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung in dem Gehäuse ein Kühlbereich ausgebildet, welcher durch eine Gehäuseinnenfläche, die Wellendichtung, eine Außenfläche des Wellenzapfens und die Rotorwelle begrenzt ist. Der Kühlbereich ist an eine Kühlmittelzuleitung angeschlossen. Da der Kühlbereich einerseits durch den Wellenfortsatz und andererseits durch die Rotorwelle begrenzt ist, schließt dieser dadurch auch an den Verbindungsbereich zwischen dem Wellenende und dem Wellenfortsatz an. Die Temperierung des Kühlbereichs kann daher dazu benutzt werden, den besonders beanspruchten und empfindlichen Verbindungsbereich zu temperieren - d. h. in der Regel zu kühlen. Über die Kühlmittelzuleitung kann ein Kühlmittel - insbesondere Luft, ein Inertgas und/oder Anteile des Prozessgases - mit einer geeigneten Temperatur in den Kühlbereich zugeführt werden. Das Kühlmittel kann dann einen Teil der durch das Material des Rotors transportierten Wärme aufnehmen und abführen.
Es ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der Kühlbereich an der der Wellendichtung abgewandten Seite einseitig offen ist. Das durch die Kühlmittelleitung zugeführt Kühlmittel kann zumindest teilweise dann entlang der Rotorwelle in einen Gehäuseinnenraum entweichen.
Alternativ oder zusätzlich kann an den Kühlbereich auch zumindest eine Kühlmittelabflussleitung anschließen, über die das (insbesondere zum Teil erwärmte) Kühlmittel aus dem Kühlbereich abgezogen werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind an dem Impeller zumindest eine Eintrittsöffnung und zumindest eine Austrittsöffnung vorgesehen, welche jeweils einen innerhalb des Impellers angeordneten Hohlraum mit dem den Impeller umgebenden Außenbereich verbinden. Die Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung sind in Axialrichtung beabstandet angeordnet. Hierdurch kann ein Kühlmittelfluss in axialer Richtung durch den Impeller hindurch erzeugt werden. Hierzu ist zumindest eine Kühlmittelzuleitung mit der Eintrittsöffnung assoziiert angeordnet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Mündung der Kühlmittelzuleitung bzw. eine darin ausgebildete Düse in Axialrichtung mit der Eintrittsöffnung überlappend angeordnet und/oder darauf ausgerichtet ist. Entsprechend ist eine Kühlmittelabflussleitung mit der Austrittsöffnung assoziiert angeordnet. Zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist vorzugsweise in dem Kühlbereich eine Zwischendichtung angeordnet, welcher eine Gehäuseinnenseite gegenüber einer Außenseite des Impellers abdichtet. Durch die Zwischendichtung wird der Kühlbereich in einen Zuleitungsbereich und in einen Ableitungsbereich unterteilt. Eine Druckdifferenz zwischen diesen beiden Bereichen kann infolge der Zwischendichtung nicht oder zumindest nicht ausschließlich direkt ausgeglichen werden, sondern erzeugt ein Kühlmittelfluss durch die Eintrittsöffnung in den inneren Hohlraum des Impellers in axialer Richtung durch diesen hindurch und anschließend durch die Austrittsöffnung in den Ableitungsbereich.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind innerhalb des Hohlraums - insbesondere an einem Laufradbolzen - Leitelemente zur Verteilung, Verwirbelung und/oder Förderung des Kühlmediums innerhalb des Hohlraums vorgesehen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlbereich zusätzlich durch eine weitere Wellendichtung begrenzt, welche eine Gehäuseinnenseite gegenüber der Rotorwelle abdichtet. Hierdurch wird ein allseitig geschlossener Bereich gebildet, welcher den Verbindungsbereich zwischen dem Impeller und der Rotorwelle umschließt. Die weitere Wellendichtung kann insbesondere als Labyrinthdichtung, als Kohleschwimmringdichtung oder als Gleitringdichtung ausgebildet sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlmittelzuleitung zumindest eine Düse auf, welche auf den Rotor gerichtet ist. Durch die Düse kann eine gezielte Anströmung des Rotors bewirkt werden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Rotor Öffnungen aufweist, welche einen Durchtritt des Kühlmediums in das Innere des Rotors ermöglichen. Hierdurch kann - auch bei einem rotierenden Objekt wie dem Rotor - eine externe und interne Kühlung gewährleistet werden. Besonders bevorzugt ist die Düse in einer Radialebene mit zumindest einer Öffnung des Rotors ausgerichtet.
Bevorzugt weisen die erste Wellendichtung und die zweite Wellendichtung denselben Abstand zur Drehachse auf. Hierdurch entstehen - infolge des Drucks bzw. infolge von Druckschwankungen innerhalb des Kühlbereichs keine axialen Schubkräfte aufgrund des Kolbeneffekts. Besonders bevorzugt sind die Wellendichtung und die weitere Wellendichtung an einem gemeinsamen Bauteil angeordnet. Dieses gemeinsame Bauteil kann vorzugsweise auch eine Kühlmittelzuleitung und/oder eine Kühlmittelabflussleitung beinhalten.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb bzw. die Verwendung einer zuvor beschriebenen Turbomaschine. Erfindungsgemäß ist dabei an dem Laufrad ein Prozessmedium von einem Laufradeinlass zu einem Laufradauslass geführt. Das Prozessmedium weist an dem Laufradeinlass und/oder dem Laufradauslass eine Temperatur von zumindest 400 °C auf. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Turbomaschine dazu geeignet, ein Prozessmedium mit mehr als 500 °C zu verarbeiten. Die maximale Temperatur des Prozessmediums ist in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien - insbesondere des Laufrads und des Laufradraums - zu bestimmen. Üblicherweise ist die Temperatur des Prozessmediums nicht größer 900 °C, insbesondere nicht größer als 800 °C. Derartig hohe Temperaturen kommen insbesondere bei stationären Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen, thermischen Energiespeichern oder auch Hochtemperaturkernreaktoren vor. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine in einer dieser Hochtem peraturanwendungen.
Vorzugsweise wird dem Wellenfortsatz und Rotorwelle ein Kühlmedium zugeführt, welches eine geringere Temperatur als das Prozessmedium an dem Laufradeinlass und im Laufradauslass aufweist. Durch die direkte Kühlung der Verbindungsstelle zwischen den Impeller (an dem Wellenfortsatz) und der Rotorwelle kann die dortige mechanische Verbindung gestärkt und geschützt werden. Als Kühlmedium kommt insbesondere Luft, ein Inertgas (wie beispielsweise Stickstoff, Lachgas, CO₂ oder Helium) und/oder abgezweigtes Prozessmedium in Betracht. Besonders bevorzugt weist das Kühlmedium, welches dem Rotor zugeführt wird, eine Temperatur von nicht mehr als 300 °C, vorzugsweise nicht mehr als 200 °C auf. Ganz besonders bevorzugt wird das Kühlmedium mit Raumtemperatur (weniger als 30 °C) zugeführt.
Bevorzugt wird das Kühlmedium der Verbindungsstelle mit einem Überdruck gegenüber dem Prozessmedium zugeführt. Dadurch entfaltet das Kühlmedium zusätzlich eine Sperrwirkung an der Wellendichtung. Entsprechend den hohen Temperaturen kann das Prozessmedium besonders hohe Drücke von mehr als 10 bar, vorzugsweise mehr als 100 bar, besonders bevorzugt 200 bar bis 250 bar aufweisen. Das Kühlmedium muss dann mit einem entsprechend höheren Druck zugeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmedium zumindest auch teilweise durch den Rotor hindurchgeführt. Hierdurch kann die Kühlleistung infolge einer erhöhten Übertragungsfläche erhöht werden. Weiterhin können besonders beanspruchte Bauteile im Innern des Rotors - etwa eine Laufradbolzen - auch direkt mit dem Kühlmedium beaufschlagt und gekühlt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen dabei schematisch:

1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine,
2 eine Detailansicht aus 1,
3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A in 1 und 2,
4A eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Impellers gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 und
4B eine Darstellung entsprechend 4A bei einer alternativen Ausführungsform.

Die Teil-Schnittdarstellung der 1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbomaschine mit einem lediglich ausschnittsweise dargestellten mehrteiligen Gehäuse 1 und einem von dem Gehäuse 1 umschlossenen Laufradraum 2. An dem Gehäuse ist ein Rotor 3 um eine Drehachse x drehbar gelagert. Die hierzu verwendete Lageranordnung ist in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der Rotor umfassend eine nur teilweise dargestellte Rotorwelle 4 und einen teilweise in der Laufradkammer 2 angeordneten Impeller 5. Der Rotor 3 ist gegenüber dem Gehäuse 1 über eine Wellendichtung 6 abgedichtet.
Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigt Turbomaschine ist beispielhaft als Expander - d. h. als Turbine - ausgebildet. Hierzu weist das Gehäuse 1 einen in einem Einlaufbauwerk angeordneten Leiterapparat 7 sowie eine Auslassleitung 8 auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch ohne Beschränkung auf Turbopumpen oder Turbokompressoren anwendbar.
Erfindungsgemäß weist der Impeller 5 ein in der Laufradkammer 2 angeordnetes Laufrad 5a sowie einen einstückig das Laufrad 5a anschließenden Wellenfortsatz 5b auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Wellendichtung 6 das Gehäuse 1 gegenüber dem Wellenfortsatz 5b abdichtet. Dadurch wird der Verbindungsbereich 9 zwischen einem Wellenende 4a der Rotorwelle und dem Wellenfortsatz 5b des Impellers 5 gegenüber den Bedingungen im Bereich des Laufrades 5a abgeschirmt. Zur zusätzlichen Isolation sind zwischen der Wellendichtung 6 und dem Laufrad 5a thermisch isolierende Abdeckstücke 10 angeordnet, welche mit geringer Toleranz der Kontur des Impellers 5 an der Laufradrückseite und Teilen der Außenfläche des Wellenfortsatz 5b folgt. Im Rahmen des gezeigten Ausführungsbeispiels liegt die Rotorwelle 4 (durch ihr Wellenende 4a) ausschließlich an dem Wellenfortsatz 5b des Impellers 5 an. Ein direkter Kontakt zu dem Laufrad 5a besteht nicht.
Das Laufrad weist umfangsseitig eine Vielzahl von angedeuteten Strömungskanälen 11 auf, welche sich von einem Laufradeinlass 11a zu einem Laufradauslass 11b erstrecken. In dem Prozessmedium am Laufradeinlass 11a in Form von Druck enthaltene Energie kann in dem dargestellten Expander beim durchströmen der Laufradkanäle 11 in ein Drehmoment umgesetzt werden, welches über den Wellenfortsatz 5b die Verbindungsstelle 9 auf das Wellenende 4a der Rotorwelle 4 übertragen wird.
In der 2 ist ein Detail der 1 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass in dem Verbindungsbereich 9 eine Hirth-Verzahnung als Formschluss-Verbindung zwischen dem Wellenfortsatz 5b und dem Wellenende 4a der Rotorwelle 4 ausgebildet ist. Diese Formschluss-Verbindung wird durch trapezförmige Zähne 12a gebildet, welche in zugeordnete dreieckförmige Aufnahmen 12b des jeweils anderen Verbindungspartners eingreifen. Dabei liegen die Flanken der trapezförmigen Vorsprünge 12a jeweils flächenbündig aneinander an und ermöglichen so in Kombination mit einer Verspannung in Richtung der Drehachse x eine stabile mechanische Verbindung. Am Grund der dreieckförmigen Aufnahmen 12b, welche nicht von dem Material eines trapezförmigen Vorsprungs ausgefüllt werden, verbleiben Öffnungen 13, durch welche das Innere des Rotors 3 zugänglich ist. Zur zusätzlichen Kühlung des Verbindungsbereichs 9 sind eine Kühlmittelzuleitung 14 sowie eine Kühlmittelabflussleitung 15 vorgesehen. Die Kühlmittelzuleitung 14 umfasst eine Düse 16, welche auf den Verbindungsbereich 9 des Impellers 5 und der Rotorwelle 4 gerichtet ist. Die Düse 16 ist dabei insbesondere so ausgerichtet, dass ein durch sie hindurchströmendes Kühlfluid in radialer Richtung durch die Öffnungen 13 in das Innere des Rotors 3 eintreten kann. Im Innern des Rotors ist eine zusätzliche Wärmeaufnahme durch das Kühlmedium möglich. Das erwärmte Kühlmedium kann dann wiederum durch die Öffnungen 13 entweichen und über die Kühlmittelabflussleitung 15 abgezogen werden.
In der 3 ist ein Querschnitt senkrecht zur Drehachse x in dem Verbindungsbereich 9 dargestellt: Um eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Verbindungsstelle 9 zu erzielen, sind in Umfangsrichtung äquidistant mehrere Kühlmittelzuleitungen 14 mit Düsen 16 vorgesehen, welche in Richtung der Drehachse x ausgerichtet sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Kühlmittelzuleitungen 14 sind Kühlmittelabflussleitungen 15 ebenfalls äquidistant in Umfangsrichtung angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die jeweils drei Kühlmittelzuleitungen 14 und diametral gegenüberliegend Kühlmittelabflussleitungen 15 vorgesehen.
In der 4A ist im Längsschnitt entlang der Drehachse x durch die erfindungsgemäße Turbomaschine dargestellt. Dabei wird zwischen der Wellendichtung 6, dem Wellenfortsatz 5b, der Rotorwelle 4, einer Gehäuseinnenseite 17 und einer weiteren Wellendichtung 18 ein Kühlbereich 19 umschlossen, in den eine Kühlmittelzuleitung 14 über eine Düse 16 mündet. Die Düse 16 ist dabei so ausgerichtet, dass durch sie hindurchströmendes Kühlmedium unmittelbar auf den Verbindungsbereich an der Nahtstelle zwischen dem Wellenfortsatz 5b und dem Wellenende 4a gerichtet ist. Durch die - mit den Vorsprüngen 12a und den Aufnahmen 12b gebildete - Hirth-Verzahnung und die darin ausgesparten Öffnungen 13 kann das Kühlmedium in einen Innenraum 20 des Rotors ein strömen. Dort ist das Kühlmedium unmittelbar in Kontakt mit einem Laufradbolzen 21, welcher den Impeller 5 gegenüber der Rotorwelle 4 verspannt. Der Laufradbolzen 21 weist dazu ein Außengewinde 21a auf, welcher in ein zugeordnetes Innengewinde 4b der Rotorwelle 4 eingreift. Der Laufradbolzen 21 ist über einen Anlageflansch 21b an einer Schulterfläche 5c des Impellers 5 abgestützt. Das Außengewinde 21a des Laufradbolzens weist einen Radius r₁ auf, welcher kleiner ist als der Radius r₂ des zylindersymmetrisch ausgebildeten Hohlraums 20. Hierdurch verbleibt ein Abstand a, durch welchen das Kühlmedium hindurchgeleitet werden kann. Der Anlageflansch 21b dichtet den Hohlraum 20 in Richtung des Impellers vollständig ab. Zum zusätzlichen Schutz vor schädlichen Einflüssen ist die zentrale Sackbohrung 5d des Impellers - welche den Hohlraum 20 umfasst - endseitig durch eine Kappe 22 verschlossen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wellendichtung 6 die weitere Wellendichtung 18 in einem gemeinsamen Träger 1a ausgebildet, welcher gleichzeitig die Düse 16 aufnimmt. Der Träger 1a kann nach dem Entfernen des Impellers 5 ebenfalls zu Wartungszwecken besonders einfach aus dem Gehäuse 1 ausgebaut werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bildet eine innenseitige Fläche des Trägers 1a die Gehäuseinnenseite 17.
Die Wellendichtung 6 und die weitere Wellendichtung 18 weisen denselben effektiven Radius auf, welcher dem Außenradius sowohl des Wellenfortsatzes 5b als auch des Wellenendes 4a entspricht. Axiale Schubmomenten infolge des Kolbeneffekts sind daher ausgeschlossen. In diesem Beispiel sind sowohl die Wellendichtung 6 als auch die weitere Wellendichtung 18 jeweils als Labyrinthdichtungen ausgebildet, bei denen an dem Träger 1a radial nach Innen vorstehende Spitzen mit einer zugeordneten Dichtfläche an der Außenseite des Wellenfortsatzes 5b bzw. des Wellenendes 4a angenähert sind. Durch die geringen Spaltmaße wird ein Fluidstrom in Axialrichtung x massiv gebremst.
Eine zu der Ausführungsvariante gemäß 4A alternative Ausführungsform ist in der 4B dargestellt. Dabei ist der Kühlbereich 19' durch eine Zwischendichtung 23 zweigeteilt in eine Zuleitungsbereich 19a' und einen Abflussbereich 19b'. Der Kühlbereich 19' wird in axialer Richtung x jeweils durch eine Wellendichtung 6' und eine weitere Wellendichtung 18' begrenzt.
Sowohl die weitere Wellendichtung 18' als auch die Zwischendichtung 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Kohleschwimmringdichtungen ausgebildet. Die an der Formschluss-Verzahnung zwischen dem Wellenfortsatz 5b und dem Wellenende 4a gebildeten Öffnungen 13' dienen in dieser Variante als Einlassöffnungen, durch welche ein Kühlmedium in den Hohlraum 20' im Innern des Rotors 3 eintreten kann. Anstatt in dem Einlassbereich 19a' wieder auszutreten, strömt das Kühlmedium entlang des Laufradbolzens 21' und kann durch zumindest eine Auslassöffnung 24 in den Abflussraum 19b', des Kühlbereichs 19' entweichen. Dort wird es von einer Kühlmittelabflussleitung 15 aufgenommen. Durch die gerichtete Bewegung des Kühlmediums innerhalb des Rotors 3 kann eine bessere Kühlwirkung erzielt werden. Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform dabei vorgesehen, dass das Kühlmedium auf der dem Laufrad 5a zugewandten Seite zugeführt wird. Dort hat das Kühlmedium die geringste Temperatur und kann daher im kritischen Bereich die höchste Kühlwirkung erzielen.

Claims

Turbomaschine mit einem Gehäuse (1), mit einem von dem Gehäuse (1) zumindest teilweise umschlossenen Laufradraum (2) und mit zumindest einem an dem Gehäuse (1) durch zumindest eine Lageranordnung um eine Drehachse (x) drehbar gelagerten Rotor (3), welcher zumindest eine Rotorwelle (4) und einen mit der Rotorwelle (4) verbundenen und zumindest teilweise in dem Laufradraum (2) angeordneten Impeller (5) aufweist, wobei der Rotor (3) gegenüber dem Gehäuse (1) durch zumindest eine Wellendichtung (6) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Impeller (5) ein Laufrad (5a) und einen an das Laufrad (5a) einstückig anschließenden Wellenfortsatz (5b) aufweist und dass die Wellendichtung (6) das Gehäuse (1) gegenüber dem Wellenfortsatz (5b) abdichtet.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (4) mit dem Impeller (5) ausschließlich an dem Wellenfortsatz (5b) anliegt.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wellenfortsatz (5b) und der Rotorwelle (4) eine Formschluss-Verbindung (12a, 12b), insbesondere eine Hirth-Verzahnung ausgebildet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Impeller (5) und die Rotorwelle (4) durch zumindest einen Laufradbolzen (21) miteinander verbunden sind.
Turbomaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradbolzen (21) in einem Hohlraum (20) innerhalb des Wellenfortsatzes (5b) angeordnet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (20) durch zumindest eine Öffnung (13) mit der Außenseite des Wellenfortsatzes (5b) verbunden ist.
Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (13) zwischen dem Wellenfortsatz (5b) und der Rotorwelle (4) ausgebildet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 7 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschluss-Verbindung (12a, 12b) ein Profil mit formschlüssigen Kontaktbereichen und Bereichen ohne Kontakt, insbesondere als Hirth-Verzahnung mit abgeschnittenen Spitzen ausgebildet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfortsatz (5b) einen maximalen Durchmesser aufweist, welcher nicht größer ist als die Hälfte, vorzugsweise nicht größer als ein Drittel des maximalen Durchmessers des Laufrades (5a).
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung vollständig auf dem der Laufradraum (2) abgewandten Seite der Wellendichtung (6) angeordnet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1) ein Kühlbereich (19) ausgebildet ist, welcher durch eine Gehäuseinnenfläche (17), die Wellendichtung (6), eine Außenfläche des Wellenfortsatzes (5b) und die Rotorwelle (4) begrenzt ist und dass der Kühlbereich (19) an eine Kühlmittelzuleitung (14) angeschlossen ist.
Turbomaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuleitung (14) zumindest eine Düse (16) aufweist, welche auf den Rotor (3) gerichtet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Laufrad (5a) ein Prozessmedium von einem Laufradeinlass (11 a) zu einem Laufradauslass (11b) geführt wird, welches an dem Laufradeinlass (11 a) und/oder dem Laufradauslass (11b) eine Temperatur von zumindest 400 °C, insbesondere zumindest 500 °C, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wellenfortsatz (5b) und der Rotorwelle (4) ein Kühlmedium zugeführt wird, welches eine geringere Temperatur als das Prozessmedium an dem Laufradeinlass (11 a) und dem Laufradauslass (11b) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch den Rotor (3) hindurchgeführt wird.