DE19814485A1

DE19814485A1 - Mehrstufiges Turbogebläse

Info

Publication number: DE19814485A1
Application number: DE19814485A
Authority: DE
Inventors: Gunther Weser; Joerg Weser
Original assignee: GWJ ENGINEERING GbR DIPL ING G
Current assignee: GWJ ENGINEERING GbR DIPL ING G
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Turbogebläse, bestehend aus mindestens zwei auf einer gemeinsamen an drei oder mehr Stellen gelagerten Welle befindlichen Laufrädern, einer zwischen den Laufrädern angeordneten elektrischen Antriebseinheit und einem die Laufräder verbindenden Mantelraum.

Description

Bislang bekannte mehrstufige Turbogebläse werden beispielsweise in schnellgeströmten axialen Kohlendioxidlasern für Laserschneid- und Schweißanlagen zur Umwälzung des Lasergases eingesetzt. Bei diesem Anwendungsfall ist es erforderlich, daß das Gebläse heliumdicht ist, da sonst ein unkontrollierter Gasaustausch die Entladungsstabilität beein trächtigt, was eine Verminderung der Ausgangsleistung des Lasers verursachen kann. Das Turbogebläse darf keine Stoffe enthalten oder während des Betriebes entstehen lassen, die eine Kontamination des Fördermediums verursachen können. Hier sind in erster Linie Koh lenwasserstoffe zu nennen. Gelangen Kohlenwasserstoffe in das Fördermedium und somit in den Resonator des Lasers, so werden diese durch Einwirkung der Entladungswärme gecrackt. Der Kohlenstoff schlägt sich dann auf den gekühlten Optiken nieder, vermindert deren Reflektionsgrad und führt zu deren Zerstörung.

Resonator, Kühler und Turbogebläse des Lasers arbeiten unter Vakuumbedingungen. Dies und die Forderung, daß eine Verunreinigung des Fördermediums nicht zulässig ist, stellt u. a. besondere Anforderungen an die Lagerung des Turbogebläses. Zur Zeit werden in Turbogebläsen vorwiegend öl- oder fettgeschmierte Kugellager eingesetzt. Um eine Ver unreinigung des Fördermediums zu verhindern wird in beiden Fällen mit einer Gasabsaugung im Lagerstellenbereich gearbeitet.

Bei einer bekannten Ausführung eines solchen zweistufigen Turbogebläses befinden sich zwei Laufräder direkt hintereinander in Richtung der Längsachse einer gemeinsamen Welle, an deren Enden sich jeweils eine fettgeschmierte Lagerstelle befindet. Eine elektrische Antriebseinheit ist nach den beiden Laufrädern in Richtung der Wellenachse auf der gemeinsamen Welle angeordnet. Diese als Außenlagerung bekannte Anordnungsweise eines typischen mehrstufigen Gebläses weist einen großen Raumbedarf auf, da hier u. a. der platzsparende axiale Eintritt der Strömung in das Gebläse nicht möglich ist. Weiterhin setzt der große Lagerabstand die erste Biegeeigenfrequenz der Welle, auch biegekritische Drehzahl genannt, herab und somit auch die maximale Betriebsdrehzahl für unterkritischen Betrieb. Daraus resultieren nach dem Wachstumsgesetz der Kreiselmaschinen, wiederum größere Laufräder. Angesprochene Ausführungen mehrstufiger Turbogebläse weisen deshalb, falls sie für einen unterkritischen Betrieb ausgelegt sind, ein relativ großes Bauvolumen auf, das einem gewünschten kompakten Aufbau der Strahlquelle entgegenwirkt.

Bei einer weiteren bekannten Ausführung eines zweistufigen Turbogebläses für diesen Ein satzfall sind zwei Laufräder direkt nacheinander in Richtung der Wellenachse an einem Wellenende angeordnet. Eine elektrische Antriebseinheit befindet sich dabei zwischen zwei Lagerstellen. Diese typische Anordnung der Lager und Laufräder wird fliegende Lagerung genannt. Um hier die notwendig hohe Betriebsdrehzahl für den geforderten kleinen Raum bedarf zu erreichen, wird diese im allgemeinen über die erste Biegeeigenfrequenz der Welle gelegt. Dies hat zur Folge, daß beim Anfahren des Turbogebläses immer ein kritischer Zu stand durchfahren werden muß. Weiterhin ist der Arbeitsbereich des Turbogebläses einge schränkt, da sich der Betriebspunkt bzw. die Betriebsdrehzahl zwischen der ersten und zweiten Biegeeigenfrequenz befinden muß. Da mit normalen Wälzlagern in der Regel ein Durchfahren einer Biegeeigenfrequenz der Welle auf Grund zu großer Ausbiegungen und somit der Gefahr des Anstreifens des Rotors bzw. der Laufräder am Gehäuse nicht möglich ist, müssen hierbei besondere Maßnahmen zur Dämpfung der Lagerung getroffen werden. Diese Maßnahmen sind immer mit einem zusätzlichen Mehraufwand bei der Auslegung, Konstruktion und dem Bau des Turbogebläses verbunden.

Ebenfalls ist eine Ausführung eines mehrstufigen Turbogebläses bekannt, bei der zwei Lauf räder spiegelbildlich fliegend an den Enden der gemeinsamen Welle angeordnet sind. Zwischen den beiden Laufrädern befindet sich eine elektrische Antriebseinheit, zwei Lager stellen sind jeweils zwischen einem Laufrad und elektrischer Antriebseinheit angeordnet. Die Zuführung des Fördermediums zur zweiten Stufe erfolgt über eine außerhalb des Turboge bläsegehäuses befindliche Rohrleitung, welche das Fördermedium vom Druckstutzen der ersten Stufe zum Saugstutzen der zweiten Stufe leitet. Diese Anordnung gleicht einen Teil des Axialschubes aus und führt auf Grund der symmetrisch verteilten Massen zu einer guten Rotordynamik. Nachteilig ist bei dieser Anordnung der größere Raumbedarf durch die Rohr leitung zwischen Druckstutzen der ersten Stufe und dem Saugstutzen der zweiten Stufe.

Die bei mehrstufigen Gebläsen oder Verdichtern konventioneller Bauart übliche Zwischen- oder Stützlagerung ist zur Verbesserung der Rotordynamik bei der Forderung nach kleiner Baugröße diffizil, wenn eine Verunreinigung des Fördermediums verhindert werden soll und keine Gas- oder Magnetlager zum Einsatz kommen, da sich die Realisierung der dann not wendigen Gasabsaugung oder zuverlässigen Abdichtung der Zwischenlagerstelle äußerst schwierig gestaltet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes mehrstufiges Turbogebläse zu schaffen, bei welchem die erste biegekritische Drehzahl über der maximalen Betriebs drehzahl liegt und bei dem eine Verunreinigung des Fördermediums auch bei Unterdruck des Gleichen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Laufräder eines mehrstufigen Turbogebläses auf beiden Seiten einer elektrischen Antriebseinheit auf einer gemeinsamen Antriebswelle in Richtung der Antriebswellenachse hintereinander gleich orientiert ange ordnet sind, und daß jeweils das der elektrischen Antriebseinheit nächstgelegene und auf der einen Seite von ihr befindliche Laufrad mit dem der elektrischen Antriebseinheit auf der anderen Seite nächstgelegenem Laufrad durch einen mantelförmigen Raum strömungs technisch verbunden ist und die gemeinsame Welle mindestens drei Lagerstellen aufweist, wobei sich eine Lagerstelle auf der eingangsseitigen Rotorseite zwischen dem rotorseitig nächstgelegenem Laufrad und dem Rotor, eine zweite auf der ausgangsseitigen Rotorseite zwischen dem Rotor und dem rotorseitig nächstgelegenem Laufrad auf der Antriebswelle befindet und sich mindestens eine weitere Lagerstelle hinter dem ausgangsseitig ersten Laufrad des Turbogebläses auf der Antriebswelle befindet.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, daß durch die An ordnung der Laufräder auf beiden Seiten der elektrischen Antriebseinheit eine gute Massen verteilung erzielt wird, die gemeinsam mit der Anzahl und Anordnung der Lagerstellen zu einer wesentlich verbesserten Rotordynamik führt. Es wird dadurch eine deutliche Erhöhung der ersten Biegeeigenfrequenz der Welle erreicht. Somit ist eine höhere maximale Betriebs drehzahl bei unterkritischem Betrieb möglich. Ein überkritischer Betrieb und damit das Durchfahren eines kritischen Zustandes ist nicht nötig. Die höhere Maximaldrehzahl sowie die Anordnung der Laufräder und Lagerstellen ermöglichen einen kompakten Aufbau, d. h. eine kleine Baugröße des Turbogebläses. Eine notwendige Gasabsaugung bei fett- oder ölge schmierten Lagern zur Vermeidung der Kontamination des Fördermediums läßt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Lagerstellen einfach verwirklichen. Durch die erfindungs gemaße Gestaltung ist eine Ausführung des Turbogebläses mit mehr als zwei Stufen ins besondere bei dem beschriebenen Einsatz als Lasergasgebläse und den damit verbundenen Anforderungen möglich.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die im Rotor der elektrischen Antriebseinheit entstehenden Verluste in Form von Wärme, welche bei Vakuum betrieb nur schlecht über den Stator der elektrischen Antriebseinheit an das Gehäuse abge führt werden können, hier auf Grund der Anordnung der Laufräder gleichmäßig über die Antriebswelle und die Laufräder an das Fördermedium abgeführt werden.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, daß eine Zwischenkühlung in den mantelförmigen Raum integriert wird. Dadurch wird das Fördermedium beim Durchströmen des mantelförmigen Raumes abgekühlt, bevor es in die an den mantelförmigen Raum anschließende Stufe eintritt. Dies führt zu einer thermodynamischen Leistungsersparnis, die eine geringere erforderliche Antriebsleistung des Turbogebläses zur Folge hat. Das wirkt sich besonders bei höheren Ver dichtungsverhältnissen aus. Durch diese erfindungsgemäße Lösung können z. B. auch konventionelle mehrstufige Verdichter mit Zwischenkühlung mit einer deutlich verringerten Baugröße ausgeführt werden.

Eine in den mantelförmigen Raum integrierte Zwischenkühlung bietet weiterhin den Vorteil einer geringeren thermischen Belastung der Bauteile des Gebläses.

Vorteilhaft vorgesehen kann es sein, daß eine Gehäusekühlung in die Wandungen des den mantelförmigen Raum bildenden Bauteiles integriert wird. Auf Grund des großen zur Ver fügung stehenden Platzes ist eine sehr gute thermische Entlastung der Gehäuseteile erreich bar. Weiterhin wird dadurch die Wärmeabstrahlung vom Gehäuse an die Umgebung ver ringert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Gebläse z. B. zusammen mit anderen Geräten in einen Schrank eingebaut wird. Der sonst auftretende Aufheizeffekt, der z. B. bei elektroni schen Geräten zur Funktionsbeeinträchtigung oder sogar zum Ausfall führen kann, wird dadurch verringert oder beseitigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Turbogebläse.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes zweistufiges Turbogebläse 10 zur Förderung von Laser gas. Das Turbogebläse besteht aus einer ersten und einer zweiten Gebläsestufe. Die erste Gebläsestufe besteht aus einem Laufrad 12 und einem Leitrad 14, die zweite aus einem Laufrad 16 und einem Leitrad 18.

Die beiden Laufräder 12 und 16 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 20. Zwischen den beiden Laufrädern 12 und 16 befindet sich ein Rotor 22 einer elektrischen Antriebseinheit auf der Welle 20. Die elektrische Antriebseinheit besteht weiterhin aus einem Stator 24, welcher in einem Gehäuse 26 sitzt. Das Gehäuse 26 besitzt einen Saugstutzen 28 und zwei Druck stutzen 30.

Die Laufräder 12, 16 sind als Radiallaufräder ausgeführt, welche auch durch Halbaxial- oder Axiallaufräder ersetzt werden können. Der Rotor 22 der elektrischen Antriebseinheit und die Laufräder 12, 16 sitzen auf der gemeinsamen Welle 20, welche drei Lagerstellen 32, 34 und 36 aufweist. Die Welle 20 befindet sich in senkrechter Lage zur Aufstellungsebene 38 des Turbogebläses 10.

Die Lagerstelle 32 ist als sogenanntes Festlager und die Lagerstellen 34 und 36 als Loslager ausgeführt. Lagerstelle 32 besteht aus einem Schrägkugellagerpaar in O-Anordnung, die Lagerstelle 34 und 36 jeweils aus einem Zylinderrollenlager.

Lagerstelle 32 befindet sich zwischen dem Laufrad 12 der ersten Gebläsestufe und dem Rotor 22. Die Lagerstelle 34 ist zwischen dem Rotor 22 und dem Laufrad 16 der zweiten Gebläse stufe angeordnet. Die dritte Lagerstelle 36 befindet sich zwischen dem Laufrad 16 und dem unteren Ende der Welle 20.

Wird die Welle 20 durch die elektrische Antriebseinheit in Rotation versetzt, so wird das Fördermedium über den Saugstutzen 28 durch das Laufrad 12 angesaugt. Im Laufrad 12 wird das Fördermedium von der axialen in die radiale Strömungsrichtung umgelenkt. An schließend durchströmt das Fördermedium einen schaufellosen Ringraum 40, um dann in das Leitrad 14 einzutreten. Nach dem Verlassen des Leitrades 14 durchströmt das Fördermedium einen durch das Gehäuse 26 gebildeten mantelförmigen Raum 42 und wird dann über Rückführschaufeln 44 dem Laufrad 16 der zweiten Gebläsestufe zugeführt. Nach dem verlassen des Laufrades 16 strömt das Fördermedium durch einen schaufellosen Ringraum 46 und durch das Leitrad 18, um dann über einen Sammelraum 48 an den beiden Druckstutzen 30 aus dem Turbogebläse auszutreten.

Die Einzellager der Lagerstellen 32, 34 und 36 sind fettgeschmiert. Eine Ölschmierung der Lager ist ebenfalls möglich. Bei Fettschmierung ist der Einsatz synthetischer Hochge schwindigkeitsfette vorteilhaft, deren Grundöle einen sehr niedrigen Dampfdruck haben und dadurch entsprechend vakuumtauglich sind. Zur zusätzlichen Sicherheit gegen Aus dampfungsprodukte ist es vorteilhaft eine Gasabsaugung im Lagerstellenbereich vorzusehen. Diese ist hier über Kanäle 50, 52, 54 und 56 sowie über Verbindungsleitungen 58 und 60 realisiert, an welche eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Durch die Vakuumpumpe wird in der Lagerstellenumgebung ein unter dem Systemdruck liegender Druck erzeugt und somit eine Kontamination des Fördermediums zuverlässig verhindert.

Besonders vorteilhaft ist eine Kühlung des Stators 24 vorzusehen. Diese kann z. B. durch einen um den Stator 24 spiralförmig umlaufenden Kühlkanal, welcher in das Gehäuse 26 in unmittelbarer Nähe zum Stator 24 integriert ist und z. B. mit Kühlwasser versorgt wird, realisiert werden.

Vorteilhaft kann auch eine Gehäusekühlung ausgeführt werden. Die Gehäusekühlung kann z. B. ebenfalls durch einen spiralförmig umlaufenden in der äußeren Wandung 27 des Gehäuses 26 integrierten Kühlkanal verwirklicht werden.

Besonders vorteilhaft ist zur Leistungsersparnis bei höheren Druckverhältnissen die Inte gration einer Zwischenkühlung in den mantelförmigen Raum 42. Die Realisierung einer solchen Zwischenkühlung kann z. B. durch den Einbau eines berippten Rohrschlangenpaketes bzw. von Rippen erfolgen. Als Kühlmittel kann Wasser eingesetzt werden, welches durch das berippte Rohrschlangenpaket bzw. durch die Rippen geleitet wird.

Bezugszeichenliste

10

Turbogebläse

12

Laufrad der 1. Gebläsestufe

14

Leitrad der 1. Gebläsestufe

16

Laufrad der 2. Gebläsestufe

18

Leitrad der 2. Gebläsestufe

20

Welle

22

Rotor der elektrischen Antriebseinheit

24

Stator der elektrischen Antriebseinheit

26

Gehäuse

27

Äußere Wandung des Gehäuses

26

28

Saugstutzen

30

Druckstutzen

32

Lagerstelle (Festlager)

34

Lagerstelle (Loslager)

36

Lagerstelle (Loslager)

38

Aufstellungsebene

40

schaufelloser Ringraum der 1. Gebläsestufe

42

konzentrisch zur Wellenachse mantelförmiger Raum

44

Rückführschaufeln

46

schaufelloser Ringraum der 2. Gebläsestufe

48

Sammelraum

50

,

52

,

54

,

56

Kanal zur Gasabsaugung

58

,

60

Verbindungsleitung für Gasabsaugung

Claims

1. Mehrstufiges Turbogebläse, welches eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite, zwei oder mehr Laufräder und eine mit Rotor und Antriebswelle versehene elektrische An triebseinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder auf beiden Seiten des Rotors der elektrischen Antriebseinheit in Richtung der Antriebswellenachse gleich orientiert hintereinander angeordnet sind und das jeweils das eingangsseitig dem Rotor nächstgelegene Laufrad mit dem ausgangsseitig dem Rotor nächstgelegenem Laufrad durch einen mantelförmigen Raum strömungstechnisch verbunden ist und die Antriebs welle mindestens drei Lagerstellen aufweist, wobei sich eine Lagerstelle auf der eingangs seitigen Rotorseite zwischen dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad und dem Rotor, eine zweite auf der ausgangsseitigen Rotorseite zwischen dem Rotor und dem rotorseitig nächstgelegenen Laufrad auf der Antriebswelle befindet und sich mindestens eine weitere Lagerstelle hinter dem ausgangsseitig ersten Laufrad des Turbogebläses auf der Antriebs welle befindet.

2. Turbogebläse gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in den Mantelraum integrierte Zwischenkühlung.

3. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die äußere Gehäusewandung eine Kühlung integriert ist.

4. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Antriebswelle mittels Wälzlagern erfolgt.

5. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Antriebswelle mittels Gleitlagern erfolgt.

6. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Antriebswelle durch eine Kombination von Wälz- und Gleitlagern erfolgt.

7. Turbogebläse gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mantelförmige Raum konzentrisch zur Längsachse der Antriebswelle ausgebildet ist.