DE102021105732A1 - Gas-bearing micro-turbo machine - Google Patents
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Abstract
Die Mikro-Turbomaschine, mit einem Rotor (1), mindestens einem Laufrad (4)und einer Spurlagerscheibe (5) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtrotor aus mehreren Teilwellenelementen besteht, die das Laufrad (1), die Spurlagerscheibe (5) und den E-Rotor (1) bilden und mittels einer konzentrischen selbstzentrierenden Verbindung zusammengesetzt ist, wobei der Gesamtrotor Gas/Luftlager aufweist und sich in einem Gehäuse, welches axial in mehrere Gehäuseteile unterteilt ist und die die Lagerstellen beinhaltenden Gehäuseteile mittels konzentrischen selbstzentrierenden Verbindungen (9), (10) zusammengefügt sind.Als Zeichnung für die Zusammenfassung wird Figur 1 vorgeschlagen.The micro-turbo machine with a rotor (1), at least one impeller (4) and a thrust bearing disc (5) is characterized in that the overall rotor consists of several partial shaft elements, which comprise the impeller (1), the thrust bearing disc (5) and the E-rotor (1) and is assembled by means of a concentric self-centering connection, the entire rotor having gas/air bearings and in a housing which is axially divided into several housing parts and the housing parts containing the bearing points by means of concentric self-centering connections (9), (10). Figure 1 is suggested as a drawing for the summary.
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Turbomaschine, mit einer aus mehreren Teilwellenelementen aufgebauten Welle, wobei die Teilwellenelemente selbstzentrierend miteinander verbunden sind.The invention relates to a micro-turbomachine with a shaft constructed from a plurality of partial shaft elements, the partial shaft elements being connected to one another in a self-centering manner.
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.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.
Ein Teilwellenelement beinhaltet 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 beinhalten oder aber auch ein weiteres Laufrad. Weitere Wellenelemente können für weitere Laufräder oder andere Funktionselemente, wie z.B. Radial- oder Axiallager ausgebildet sein.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.
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.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.
Der Antrieb kann nur mit dem E-Motor oder nur über das Turbinenlaufrad oder gemeinsam durch E-Motor und Turbine erfolgen.The drive can only be provided by the electric motor or only via the turbine impeller or together by the electric motor and turbine.
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 Verdichterlaufrad und Generatorrotor möglich.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.
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.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.
Die axiale Lagerung der Welle erfolgt mittels eines Gaslagers, welches gasdynamisch, gasstatisch oder aus einer gasdynamischen - gasstatischen Kombination ausgebildet ist.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.
Die axiale Lagerung kann auch als aktives oder passives Magnetlager realisiert werden.The axial bearing can also be implemented as an active or passive magnetic bearing.
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Turbomaschine deren Gehäuseteile, welche Lagerstellen beinhalten 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.The invention relates to a micro-turbomachine whose housing parts, which contain bearing points and any housing parts lying in between, 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.
Stand der TechnikState of the art
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).1. Micro-turbomachines with dynamic, static or combined dynamic/static gas or air bearings are used for very high-speed turbomachines, e.g. In the case of fuel cell systems, these are usually film bearings or so-called herringbone bearings (groove bearings).
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.The latter place high demands on the manufacture and precision of the components, since these bearings work with small bearing gaps. However, this makes it possible for the flow-guiding components such as impellers to work with small gaps. As a result, microturbines achieve very good volumetric efficiencies.
2. Bekannt sind hochtourige Mikroturboverdichter mit Fischgräten-Lagern, 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.2. High-speed microturbo compressors with herringbone bearings are known, in which the rotor consists of a shaft or two materially connected 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 during operation can destabilize the bearing or lead to the impeller failing in terms of strength. Furthermore, 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.
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.Assembly is complex, disassembly is even more difficult, and the manufacture of the complete rotor, including the bearing, requires a great deal of effort. 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. In the case of very high-speed turbomachines, it is recommended to balance the entire rotor, i.e. the shaft together with the components or masses on the shaft, such as impellers, thrust bearing disc and e-rotor. This requires an assembly and subsequent disassembly of the entire rotor unit. Shrinking an impeller onto the shaft thus makes it more difficult to reproduce the state of balance during subsequent final assembly.
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.Furthermore, very high-speed 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.
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.Extremely high-speed gas-bearing turbomachines with a central housing part are often designed in such a way that, if possible, both radial bearings are integrated into this housing part in order to ensure good alignment of the bearing bores. This further restricts the structural designs and mounting options.
3. Zum Stand der Technik werden außerdem genannt:
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EP- B1 3 008 344 - •
DE-C1 41 28 673 - •
DE-A1 10 2010 040 288: Rotor mit Hirth-Verzahnung zwischen Welle und Laufrad, - •
EP- B1 2 872 744 - •
DE-B 11 99 545 - •
DE-C2 30 21 318 - •
EP- A1 3 579 390 - •
EP-A1 775 830 - •
US-B2 88 27 634
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EP- B1 3 008 344 - •
DE-C1 41 28 673 - •
DE-A1 10 2010 040 288: Rotor with Hirth serration between shaft and impeller, - •
EP- B1 2 872 744 - •
DE-B 11 99 545 - •
DE-C2 30 21 318 - •
EP- A1 3 579 390 - •
EP-A1 775 830 - •
US-B2 88 27 634
Aufgabe und Lösung der ErfindungObject and solution of the invention
Aufgabe der Erfindung: Es sollen die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.Object of the invention: The disadvantages of the prior art mentioned above are to be avoided.
Diese Aufgabe wird bei einer Mikro-Turbomaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Welle in mindestens drei oder mehr Wellenelemente unterteilt wird, welche stirnseitig jeweils durch eine konische selbstzentrierende Verbindung zusammengesetzt werden. Dieser mehrfach geteilte Gesamtrotor beinhaltet mindestens ein erstes Teilwellenelement, welches als Laufrad ausgebildet ist, ein zweites Wellenelement mit einem zweiten Laufrad oder einer Spurlagerscheibe und ein drittes Wellenelement beinhaltet einen E-Rotor, wobei der zusammengesetzte Gesamtrotor in zwei oder mehr als zwei radialen Gas- bzw. Luftlagern gelagert ist.In a micro-turbomachine of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that the shaft is divided into at least three or more shaft elements which are each assembled at the end by a conical self-centering connection. This multiple-split overall rotor contains at least a first part-shaft element, which is designed as an impeller, a second shaft element with a second impeller or a thrust bearing disk, and a third shaft element contains an E-rotor, with the assembled overall rotor being divided into two or more than two radial gas or .Air bearings.
Gehäuseteile, die radiale Lagerstellen beinhalten, werden mit anderen Gehäuseteilen über stirnseitige konische selbstzentrierende Verbindungen zusammengesetzt.Housing parts that contain radial bearing points are assembled with other housing parts via end face conical self-centering connections.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
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.
- 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.
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 Selbstzentrierung.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 toothing ensures maximum flank and self-centering due to the conical inward spline.
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.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. In addition, 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
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.The merging of, in particular, gas-dynamic herringbone bearings in connection with a planar multi-spline connection allows for a simple structure 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.
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.The most important thing is the self-centering, conical multiple spline profile for the direct connection of the individual partial shaft elements, especially for an air-bearing e-rotor with the partial shaft elements impeller and thrust bearing or additional bearing points. This ensures easy assembly and reproduction of the state of balance, immediate high acceleration or deceleration by an electric motor/generator or by means of a turbine in combination with the particularly gas-dynamic bearing of the entire rotor and high-speed operation without the risk of an impeller bore or the like widening and the associated problems risks.
Der aus mehreren Hohl- oder/und Vollwellenelementen mittels selbstzentrierender konischer Vielkeilverbindung zusammengesetzte Gesamtrotor eröffnet mehr Freiheiten bei der rotordynamischen 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.The overall rotor, which is composed of several hollow and/or solid shaft elements by means of a self-centering conical splined connection, opens up more freedom in the rotordynamic design of the overall rotor, among other things because the partial shaft elements can be made of a wide variety of materials, such as steel, titanium or aluminum alloys, CFRP or plastic and much more . For example, not only 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, e.g. for an axial gas or air bearing or even higher speeds be able.
Weiterhin ermöglicht dies auch auf einfache Art und Weise die Möglichkeit zusätzlicher radialer Lagerstellen insbesondere mit einer gasdynamischen Lagerung für sehr hochtourige Anwendungen.Furthermore, this also enables the possibility of additional radial bearing points in a simple manner, in particular with a gas-dynamic bearing for very high-speed applications.
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.Due to the above-mentioned advantages of using different materials for the shaft elements, in particular for the impeller shaft element and for the thrust bearing shaft element and the possibility of additional radial bearing points, for the rotordynamic design of the entire rotor, operation of the microturbomachine in the subcritical range, i.e. below the first natural bending frequency, can be significantly improved be realized more easily. This applies in particular to the realization of greater performance at comparably high speeds, which is otherwise only found with lower performance.
Des Weiteren sind mehr konstruktive Freiheiten durch die Unterteilung in mehrere Teilwellenelemente und Kombinierbarkeit unterschiedlichster Durchmesser dieser Wellenelemente bei gleichzeitig gegebener Montierbarkeit möglich.Furthermore, more design freedom is possible due to the subdivision into several partial shaft elements and the ability to combine a wide variety of diameters of these shaft elements while still being able to assemble them.
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.The use of conical, self-centering multi-wedge connections for housing components on the face side simplifies manufacture and improves the alignment of the bearing bores with one another. The segmented design of the multi-wedge connection (9) or the design with a double wedge profile (10) combined with a double gap profile on the counterpart also simplify reliable assembly and disassembly, especially in series production.
Die Erfinder haben bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Mikro-Turbomaschine die folgenden technischen Schwierigkeiten in nicht naheliegender Weise überwunden.In developing the micro-turbomachine according to the invention, the inventors have overcome the following technical difficulties in a way that is not obvious.
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) beinhalten. A possibility was sought to subdivide an overall rotor into several partial shaft elements that can be easily connected or separated again and an E-rotor (1) as well as the sampling (grooving) for gas-dynamic radial bearings, at least one impeller (4) and a thrust bearing disc ( 5) include.
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.In this way, a simplification of a high-precision production necessary for gas-dynamic bearings should be achieved. At the same time, a reliable centering assembly / disassembly with reproducibility of the balancing condition and the reliable connection of the individual partial shaft elements should be guaranteed even at high speeds and temperature differences.
Weiterhin sollte die Möglichkeit größerer konstruktiver Freiheiten bezüglich der rotordynamischen Auslegung und der Einsatz verschiedener Werkstoffe geschaffen werden.Furthermore, the possibility of greater design freedom with regard to the rotordynamic design and the use of different materials should be created.
Eine weitere Aufgabenstellung bestand darin die die Lagerstellen / -bohrungen beinhaltenden 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.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.
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.It is known that Hirth couplings for large rotors can meet these requirements. However, the requirements there are not as high, since the rotors are usually filled with liquid lubricated bearings are mounted and larger tolerances are allowed here.
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.It should also be emphasized here, among other things, that self-centering conical multiple spline connections analogous to Hirth toothing are usually only used for shaft diameters of 50 mm and above. However, shaft diameters of very high-speed microturbo machines often have shaft diameters of less than 50 mm. With today's modern production possibilities, the production of such conical multi-wedge connections is possible without any problems and enables an overall rotor divided several times in the longitudinal direction, in particular for very high-speed microturbomachines designed with dynamic gas bearings.
Für den Mikroturbomaschinen-Bereich wurden diese Kupplungen bisher nicht eingesetzt.So far, these clutches have not been used for the micro-turbo machine sector.
Auch der Einsatz dieser Verbindungsform für Gehäusebauteile zur Gewährleistung von notwendigen guten Fluchtungen von Lagerstellen ist bisher im Bereich von Mikro-Turbomaschinen nicht bekannt.The use of this type of connection for housing components to ensure the necessary good alignment of bearing points is also not known in the field of micro-turbomachines.
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.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. At the same time, a very good alignment of the bearing bores could be achieved by using this connection on the housing components.
Darüber hinaus eröffnet die oben beschriebene Lösung eine ganze Reihe von konstruktiven und auslegungstechnischen neuen Möglichkeiten für gasgelagerte Mikro-Turbomaschinen.In addition, the solution described above opens up a whole range of new possibilities in terms of construction and design for gas-bearing micro-turbomachines.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
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 beinhaltet und das entsprechende Gegenstück eines zweiten Teilwellenelementes eine passende Doppellücke aufweist
- - dass der aus Teilwellenelementen zusammengesetzte Gesamtrotor in zwei oder mehr radialen Gas/Luftlagern 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) beinhaltet und sich der E-Rotor auf einem Wellenelement aus Stahl, vorzugsweise aus ferromagnetischem Stahl ausgeführt ist
- - dass mindestens ein Teilwellenelement ein Laufrad beinhaltet
- - dass das laufradbeinhaltende Wellenelement aus einer hochfesten Aluminium- oder Titanlegierung besteht
- - dass das laufradbeinhaltende Wellenelement aus einem Kunststoff besteht
- - dass das laufradbeinhaltende Wellenelement aus CFK besteht
- - dass das laufradbeinhaltende 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 Spurlagerscheibe beinhaltet
- - dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlagerscheibe beinhaltet, aus einer hochfesten metallischen Legierung besteht
- - dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlagerscheibe beinhaltet, aus einem Kunststoff besteht
- - dass das Teilwellenelement, welches eine Spurlagerscheibe beinhaltet, aus CFK besteht
- - dass Gehäusebauteile, die Lagerstellen bzw. entsprechende Bohrungen für die Radiallager beinhalten, stirnseitig mit einer konzentrisch selbstzentrierenden planaren Vielkeilprofilverbindung ausgeführt sind
- - dass die planaren Vielkeilverbindungen zum Gehäusezusammenbau segmentweise ausgeführt werden
- - dass die planare Vielkeilverbindungen auf einer Stirnseite einen Doppelkeil beinhaltet 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 beinhaltet und das entsprechende Gegenstück eines zugepaarten Gehäusebauteils ein Segment mit einer passenden Doppellücke aufweist
- - That the concentric self-centering connection is designed as a planar multi-spline connection (7) for connecting at least three partial shaft elements
- - That the planar splined connection for assembling the partial shaft elements includes a double wedge on one end face and the corresponding counterpart of a second partial shaft element has a matching double gap
- - that the entire rotor composed of partial shaft elements is mounted in two or more radial gas/air bearings
- - That the radial dynamic gas / air bearings (2) are designed as foil bearings or herringbone bearings
- - That the radial gas / air bearings (2) are designed as a static or as a combination of static / dynamic gas bearing
- - 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
- - That the partial wave elements are made of different materials
- - That a shaft element includes 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 includes an impeller
- - that the shaft element containing the impeller consists of a high-strength aluminum or titanium alloy
- - That the shaft element containing the impeller consists of a plastic
- - that the shaft element containing the impeller is made of CFRP
- - That 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 wave element includes a thrust bearing disc
- - That the partial shaft element, which includes a thrust bearing disc, consists of a high-strength metallic alloy
- - That the partial shaft element, which includes a thrust bearing disc, consists of a plastic
- - That the partial shaft element, which includes a thrust bearing disc, is made of CFRP
- - That housing components, which contain bearing points or corresponding bores for the radial bearings, are designed on the front side with a concentric self-centering planar splined connection
- - that the planar multi-wedge connections for assembling the housing are carried out in segments
- - That the planar multi-wedge connection includes a double wedge on one end face and the corresponding counterpart of a second housing component has a matching double gap
- - That the planar splined connections to the housing assembly are carried out segment by segment and one segment contains a double key and the corresponding counterpart of a mating housing component has a segment with a matching double gap
Ausführungsbeispielexample
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.An exemplary embodiment of the invention is described in more detail below with reference to drawings. In all drawings, the same reference numbers have the same meaning and are therefore only explained once where appropriate.
Es zeigen
-
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, -
2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Motorrotors mit Groove-Luftlagern (Fischgrätenbemusterung) und planaren Vielkeilprofilen links und rechts, -
3 den Aufbau des Vielkeilprofils stark vergrößert und -
4 Gehäusebauteil mit segmentweise angeordneten Vielkeilprofilen sowie mit einem Doppelkeil
-
1 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, -
2 a perspective view of the motor rotor according to the invention with groove air bearings (herringbone pattern) and planar multi-spline profiles left and right, -
3 the structure of the multi-wedge profile greatly enlarged and -
4 Housing component with multi-wedge profiles arranged in segments and with a double wedge
Aufbau der Mikro-TurbomaschineStructure of the micro turbomachine
In
In
Herstellung der Mikro-TurbomaschineManufacture of the micro-turbomachine
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 axialmit dem Motorrotor 1 verspannt und zentrieren sich selbsttätig über dieFlanken 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 (
4 ) eingeführt. Anschließendkann das Laufrad 4mit 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 (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.
- Step 1: The motor
rotor drive part 1 withgroove air bearings 2 and planarmulti-spline profiles 3 at the ends is manufactured separately and can also be tested separately. - Step 2: Components such as the
impeller 4 and thrustbearing 5 are docked onto the motor rotor and thus form a variable rotor system. - Step 3: The
components impeller 4 and thrustbearing 5 are each clamped axially to themotor rotor 1 via a screw and center themselves automatically via theflanks 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 (4 ) introduced. Theimpeller 4 can then be screwed axially to themotor rotor 1 via the self-centering planar spline connection. Then the assembly of the rear bearing flange, which also contains a planar wedge profile arranged in segments, with the housing component containing the motor stator (4 ) get connected. 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 be connected to the motor rotor to form the overall rotor.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Motorrotormotor rotor
- 22
- Groove-LuftlagerGroove Air Bearings
- 33
- planare Vielkeilprofileplanar splined profiles
- 44
- LaufradWheel
- 55
- Spurlagertrack bearing
- 66
- Wellenstumpfstub shaft
- 77
- konisches Keilprofilconical wedge profile
- 88th
- Flanken des Keilprofilsflanks of the wedge profile
- 99
- segmentweise angeordnete planare konische VielkeilprofilePlanar conical multi-spline profiles arranged in segments
- 1010
- Doppelkeilprofildouble wedge profile
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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