DE2825400A1 - Stroemungsmaschine - Google Patents

Stroemungsmaschine

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DE2825400A1 DE19782825400 DE2825400A DE2825400A1 DE 2825400 A1 DE2825400 A1 DE 2825400A1 DE 19782825400 DE19782825400 DE 19782825400 DE 2825400 A DE2825400 A DE 2825400A DE 2825400 A1 DE2825400 A1 DE 2825400A1
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Description

PATENTANWÄLTE
DR. ERNST STURM
Anmelder in: OMYA GmbH ' dr. hörst Reinhard
DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ
8000 München 40, Leopoldstraße 20/IV Telefon: (089) 396451
Telegramm: Isarpatent Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nr. 21/14171 (B L Z 70070010) Postscheck: München 97 56-809
Datum 6. Juni 1978 Kr /h
Strömungsmas chine
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem in einem Gehäuse gelagerten Rotor mit einem radial durchströmten bzw. axial durchströmten Schaufelkranz. Derartige Strömungsmaschinen sind in vielfältigen Ausführungsformen vorbekannt, beispielsweise als Turbinen und Pumpen, Verdichter, Gebläse, Ventilatoren, Zentrifugen und Trennräder, deren Aufgabe es ist, flüssige oder gasförmige Medien zu transportieren, zu komprimieren und Trennvorgänge in oder mittels dieser Medien durchzuführen. Bei Gasturbinen bzw. Strahltriebwerken arbeiten Turbine und Verdichter zusammen. Vorwiegend handelt es sich dabei um hochtourige Rotoren.
Die erwähnten Trennmaschinen beruhen auf dem Prinzip daß die Strömung des Mediums durch eine gegengeschaltete stärkere Maschine umgekehrt wird und der - nun entgegen der Strömungs-
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richtung rotierende Rotor - als Widerstand wirkt und damit einen rotierenden Filter oder Separator bildet, der wohl ein entsprechendes Medium (Gas oder Flüssigkeit) passieren läßt, nicht aber darin enthaltene Fremdkörper wie Schmutz, Tropfen usw.
Bisher sind sämtliche Rotoren dieser Strömungsmaschinen mit einer zentralen Welle versehen, die in einem Gehäuse-durchbruch gelagert und von einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Motor angetrieben ist. Meist ist die Welle nur einseitig an dem Rotor vorgesehen, wobei an der der Welle gegenüberliegenden Seite des Rotors die zentrale Ansaugöffnung vorgesehen ist. Es gibt aber auch Strömungsmaschinen mit beidseitig gelagerter Welle. In jedem Fall bringt die zentrale Welle erhebliche Schwierigkeitea mit bezüglich ihrer Lagerung und dichten Durchführung durch das Gehäuse. Es sind aufwendige Lagerungen und Dichtungen erforderlich. Eine im Strömungskanal liegende Welle stört die Strömung. Die Welle und ihre Verbindung mit dem Rotor sowie der Rotor selbst müssen entsprechend kräftig ausgebildet sein, um die Antriebsenergie auf die Schaufelblätter zu übertragen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Vermeidung dieser auf der zentralen Welle beruhenden Nachteile eine Strömungsmaschine zu schaffen, die keine solche zentrale Welle benötigt. Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß der Sotor - bei radial durchströmten
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Maschinen - aus zwei mit ihren Außenumfäugen im Gehäuse gelager ten Stirnringen besteht, zwischen denen sich die Schaufeln erstrecken, bzw. daß der Läufer - bei axial durchströmten Maschinen - von einem an seinem Außenumfang im Gehäuse gelagerten, angetriebenen Ring besteht, an dessen Innenumfang die Schaufeln angebracht sind.
Gemäß der Erfindung sind also die erwähnten Stirnringe bzw. ist der Ring des Läufers an seinem Außenumfang im Gehäuse gelagert, wobei auch der Antrieb an diesem Ring angreift; damit entfällt in der Tat die bisherige zentrale Welle. Durch die Stirnringe hindurch kann das Medium durch einen relativ großen ungehinderten Strömungsquerschnitt einströmen. Auch bei der Ausführung mit axialem Schaufelkranz entfällt jegliche zentrale Welle und damit Wellenlagerung.
Besonders bei hochtourigen Maschinen sind die Lager vorzugsweise als elektromagnetische oder hydrostatische oder aerostatische Lager ausgebildet. Die elektromagnetische Lagerung erlaubt es, durch entsprechende Ausführung der Steuer-Elektronik den Rotor sowohl um seine geometrische als auch seine Trägheitsachse rotieren zu lassen. Im Falle der Rotation um die Trägheitsachse ist nur eiy grobes Auswuchten des Rotors notwendig, gerade so viel, daß der Rotor in den Lagern nicht den Stator berührt. Hierdurch ist ein vibrationsfreier Lauf gewährleistet, auch wenn der Rotor durch Ansätze und Verschleiß unwuchtig wird.
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Der Antrieb ist zweckmäßig als Elektromotor ausgebildet, dessen Rotor an bzw. auf wenigstens einem der Stirnringe bzw. auf dem Ring und dessen Stator in dem Gehäuse der Strömungsmaschine aus gebildet ist. Somit ist also kein separater Antriebsmotor erforderlich, vielmehr ist der Motor mit der Strömungsmaschine einstückig zusammengebaut bzw. in diese, den Rotor umgebend, integriert. Es können somit also Strömungsmaschinen gebaut werden, die in sich völlig geschlossen sind. Dies ist besonders wichtig für radioaktive, giftige, explosive, aggressive und schwierig abzudichtende Medien.
Die Maschine kann auch als Turbogenerator ausgebildet sein bzw. arbeiten, wobei dann also die elektrische Maschine statt als Elektronrtor als Generator ausgebildet ist und arbeitet.
Ist die Lagerung als hydrostatische oder aerostatische Lagerung ausgebildet, so kann ein abgeneigter Teil des Fördermediums bei entsprechender Druckerhöhung auch gleichzeitig als Trägermedium verwendet werden, womit also eine Verunreinigung bzw. Vermischung des Fördermediums durch ein fremdes Trägermedium vermieden ist.
Die doppelseitige Ansaugung und die erzielbaren hohen Umlaufgeschwindigkeiten erlauben die Konstruktion von im Verhältnis zur Leistung kleinen Maschinen.
Weitere wesentliche Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
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definiert.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeicheu beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Radial-Strömungsmaschine schematisch schräg von der Seite gesehen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Maschine in Fig. 1 nach Linie H-II, wobei das Gehäuse fortgelassen ist. In
Fig. 3 ist der Bereich III in Fig. 1 in größerem Maßstab herausgezeichnet, womit eine elektromagnetische Lagerung gemäß der Erfindung gezeigt ist. In
Fig. 4 ist in der Fig. 3 entsprechenden Darstellung ein elektromotorischer Antrieb des Rotors nebst weiteren Einzelheiten gezeigt.
Fig. 5 zeigt eine axial durchströmte Strömungsmaschine gemäß der Erfindung im Schnitt, entsprechend der Darstellung in Fig. 4.
Gemäß Fig. 1 bis 4 ist in einem Gehäuse 23 ein Rotor gelagert. Der Rotor besteht aus zwei Stirnringen 1, 2, zwischen denen sich relativ langgestreckte Radial-Schaufeln 3a-n erstrecken, Hiß fest mit den Stirnringen 1, 2 verbunden sind, so daß ein
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relativ starrer, fester Rotor gebildet ist. Jeder Stirnring 1, 2 ist in einem dicht in das Gehäuse 2 3 eingesetzten Lagerring 6, 7 gelagert. Der Spalt zwischen Stirnring 1, 2 und Lagerring 6, 7 ist als Dichtungsspalt 18 ausgebildet (vgl. Fig. 4).
Das Medium strömt - in der Ausbildung als Pumpe oder Ventilator - in Richtung der Pfeile durch die Maschine hindurch. Das Medium strömt beidseitig durch relativ große Ansaugöffnungen 4, 5 in den Rotor hinein; es sind also Ansaugöffnungen vom Innendurchmesser der Stirnscheiben, also praktisch mit dem Innendurchmesser des Scliaufelkranzes gegeben. Am Gehäuse sind einseitig Rohrstutzen 2 4, 2 5 zum Austritt des Mediums vorgesehen.
Rollenlagerungen und Gleitlagerungen können wegen der Fliehkräfte und der damit verbundenen Schmierprobleme nur bis zu einer begrenzten Lagergeschwindigkeit angewendet werden. Gemäß der Erfindung werden daher vorzugsweise elektromagnetische Lagerungen eingesetzt; eine solche Lagerung ist in Fig. 2 bis 5 gezeigt.
Diese magnetische Lagerung erlaubt große Durchmesser und hohe Drehzahlen, sie ist reibungsarm und schmiermittelfrei.
Auf jedem Stirnring 1, 2 sind im axialen Abstand voneinander zwei aus kreisringförmigen Blechen gebildete Bfcchpakete vorge-
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sehen, nämlich ein größeres Blechpaket 8 und ein kleineres Blechpaket 9. In jedem der Lagerringe 6, 7 sind in gleichmäßigen Winkelabständen vier Elcktromagnete 10 angeordnet, deren Pole 11 jeweils auf eines der größeren Blechpakete 8 der Stirnringe 1, 2 ausgerichtet sind, während dem kleineren Blechpaket 9 auf den Stirnringen 1, 2 eine entsprechende Anzahl elektromagnetischer Sensoren 12 zugeordnet ist, die gemäß Fig. 3 ebenfalls aus je einem Elektromagnet bestehen, dessen Pole dem kleinen Blechpaket 9 gegenüberliegen. Die Sensoren tasten also jeweils den Abstand zwischen Rotor und Stator ab und steuern die Erregung der Elektromagnete 10, womit also der Rotor berührungsfrei in den Lagerringen 6 gelagert ist. Die elektromagnetische Lagerung erlaubt es, durch entsprechende Ausführung der Steuer-Elektronik den Rotor um seine geometrische, oder aber um seine Trägheitsachse rotieren zu lassen. Bei Rotation um die Trägheitsachse ist nur ein relativ grobes Auswuchten des Rotors notwendig, gerade insoweit, daß im Bereich der Lagerung - sowie des Antriebs - keine Berührung zwischen Rotor und Stator erfolgt. Hierdurch ist ein vibrationsfreier Lauf gewährleistet, auch wenn der Rotor durch Materialansätze und/oder Verschluß unwuchtig wird.
Der Spaltraum zwischen Rotor und Stator bzw. zwfchen dem Blechpaket auf den Stirnringen und dem Lagerring 6, 7 ist konisch; auf diese Weise wird ein Axialschub ausgeglichen.
Gemäß Fig. 4 und 5 tritt ein elektromotorischer Antrieb hinzu.
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Und zwar ist ebenfalls auf deu Stirnringen 1, 2 seitlich neben der Lager-Anordnung, ein Blechpaket 14 angeordnet, dem statorseitig, also auf den Lagerringen, Wicklungen 15 und Magnetkerne 16 zugeordnet sind.
Der Raum zwischen den einzelnen Blechpaketen und Wicklungen ist mit einer Kunstharzmasse 17 ausgegossen, derart, daß nur ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator verbleibt. Die Vergußmasse isoliert die elektrischen Einbauten und schützt sie gleichzeitig gegen Korrosion und Abrasion. Dieser Luftspalt bildet eine Ringspaltdichtung 18. Damit ist die Druckseite der Strömungsmaschine auf einfache Weise zuverlässig gegen die Saugseite abgedichtet. Durch wenigstens eine Bohrung 19 kann ein Sperrmedium in den Ringspalt eingeführt werden; der Strömungsweg des Sperrmediums ist in Fig. 4 durch Pfeile angezeigt.
Mit Bezugszeichen 20 ist ein Kanal für die Durchführung des bzw. der elektrischen Kabel angedeutet. Durch einen Kanal 21 kann ein Kühlmedium in einen entsprechenden eingebauten Wärmetauscher eingegeben werden.
Mit Bezugszeichen 22 ist ein Notlauflager angedeutet, welches bei höheren Drehzahlen und größerem Gewicht des Rotors erforderlich sein mag.
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Fig. 5 zeigt - wie erwähnt - eine axial durchströmte Maschine gemäß der Erfindung. Vom Innenumfang eines Ringes I1 erstrecken sich Axialschaufeln 3'a - η radial nach innen bis etwa zur Mitte eines von einem rohrförmigen Gehäuse 23a gebildeten Strömungskauais hinein. Der Ring 1' hat den gleichen Innendurchmesser wie das Gehäuse 23 a.
Auf dem Außenumfang des Lauferringes I1 sind in analoger Veise die ringförmigen Blechpakete 8 und 9 für die Lagerung bzw. den Sensor und daneben das Ankerblechpaket 14 für den Motor angeordnet, denen statorseitig entsprechende, mit Wicklungen versehene Magnetpole 11, 13, 16 zugeordnet sind. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß Fig. 3, 4 und 5 sind die Sensoren 12 gegenüber deu Elektromagneten 10 axial versetzt, also seitlich daneben angeordnet, die Sensoren 12 mit ihren Polen 13 könnten aber auch in ein und dergleichen Ebene wie die Elektromagnete 10 angeordnet sein, wie dies der Einfachheit halber auch in Fig. 2 gezeichnet ist.
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Claims (9)

  1. Anmelderin: OMYA GmbH
    PATENTANWÄLTE
    DR. ERNST STURM
    DR. HORST REINHARD
    DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ
    8000 München 40, Leopoldstraße 20/IV Telefon: (089) 396451
    Telegramm: Isatpatcnt Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nr. 21/14171 (BLZ 70070010) Postscheck: München 97 56-809
    Datum 5. Juni 1978 Kr/h
    Patentansprüche
    Strömungsmaschine mit einem in einem Gehäuse gelagerten Rotor mit einem radial durchströmten Schaufelkranz, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Rotor aus zwei mit ihren Außenumfängen im Gehäuse gelagerten Stirnringen (l, 2) besteht, zwischen denen sich die Schaufeln (3a - n) erstrecken, und daß wenigstens einer der beiden Stirnringe angetrieben ist.
    Ib. Strömungsmaschine mit einem in einem Gehäuse gelagerten Rotor mit einem axial durchströmten Schaufelkranz, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Rotor aus einem an seinem Außenumfang im Gehäuse gelagerten, angetriebenen Sing (l1) besteht, an dessen Innenumfang die Schaufeln (3'a - n) angebracht sind.
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    ORIGINAL INSPECTED
  2. 2. Strömungsmaschine nach Anspruch la oder Ib, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Lager als hydrostatische, aerostatische oder magnetische Lager ausgebildet sind.
  3. 3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß auf jedem Stirnring (l, 2) bzw. Ring (l1) ein umlaufendes Blechpaket (8) sitzt, demgegenüber mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Elektromagnete (lO) am Gehäuse angeordnet sind, und daß ferner auf jedem Stirnring (l, 2) bzw. Ring (l1) ein weiteres umlaufendes Blechpaket (9) sitzt, welches mit elektromagnetischen Sensoren (12) zusammenarbeitet die ebenfalls am Stator, über den Umfang verteilt, angeordnet sind.
  4. 4. Strömungsmaschine nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Antrieb als Elektromotor ausgebildet ist, dessen Rotor (Ankerblechpaket 14) an bzw. auf wenigstens einem der
    bzw
    Stirnringe (l, 2)/auf dem Ring (l1) und dessen Stator (Wicklun 15, Pole 16) in dem Gehäuse ausgebildet ist.
  5. 5. Strömungsmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche
    1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Blechpakete (8, 9, 14; 11, 13, 16) auf dem Rotor und
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    an dem Stator in eine Kunstharzmasse (17) eingebettet sind, wobei ein Dichtungsspalt (18) zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist.
  6. 6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß am Gehäuse ein in den Dichtungsspalt (18) ausmündender Kanal (19) zur Zufuhr eines Sperrmediums vorgesehen ist.
  7. 7. Strömungsmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß am Gehäuse bzw. Stator eine Kühlvorrichtung (Kühlmittelanschluß 21) vorgesehen ist.
  8. 8. Strömungsmaschine nach wenigstens einem der vorhergehendeu Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Notlauflager (22) vorgesehen ist.
  9. 9. Strömungsmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Aufnahme axialen Schubes das Rotorblechpaket (8) der Lagerung und dementsprechend die Elektromagnete (lO) konisch ausgebildet sind.
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