Turbomaschinengehäuse mit mindestens einem Deckel, Turboma- schine, Verfahren zur Herstellung eines Deckels

Die Erfindung betrifft ein Turbomaschinengehäuse, insbesonde re einer Radialturbomaschine, die technische Arbeit auf ein Prozessfluid oder von einem Prozessfluid fort überträgt, um fassend :

- einen Gehäusemantel, der eine im Wesentlichen zy

lindrische Form aufweist, wobei die Zylinderform sich entlang einer Achse erstreckt,

- einen ersten Deckel, der axial an einer ersten

Stirnseite des Turbomaschinengehäuses abnehmbar be festigt verschließend vorgesehen ist,

- eine Zuströmung, die eine Einströmung eines Prozess fluids in das Turbomaschinengehäuse ermöglicht,

- eine Abströmung, die ein Ausströmen des Prozessflu ids aus dem Turbomaschinengehäuse ermöglicht.

Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Deckels eines Turbomaschinengehäuse und eine Turbomaschine mit einem derartigen Turbomaschinengehäuse.

Die meisten Turbomaschinen erfahren eine in Axialrichtung der Welle gerichtete Anströmung einer Beschaufelung oder von Laufrädern mittels des Prozessfluids. Eine Einströmung in ein Turbomaschinengehäuse mit einem Deckel der eingangs definier ten Art erfolgt herkömmlich meist in radialer Richtung. Hier zu weist das Turbomaschinengehäuse in der Regel einen radial zu der Drehachse ausgerichteten Zuströmstutzen . Eine andere Möglichkeit, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, sieht vor, dass beispielsweise ein Radialverdichterlaufrad zum Zwe cke der axialen Zuströmung an einem Wellenende fliegend gela gert ist, wie es beispielsweise von Verdichtern für Getriebe verdichter bekannt ist. Der radiale Einströmstutzen an dem Gehäuse geht mit verhältnismäßig hohen Kosten für diese auf wändige Geometrie einher und vergrößert den radialen Bauraum- bedarf erheblich. Hinzu kommt, dass die notwendige Umlenkung aus der Radialrichtung in die Axialrichtung zur Zuströmung zu der Beschaufelung bzw. den Laufrädern einerseits verlustbe haftet ist und andererseits axialen sowie radialen Bauraum verbraucht .

Aus den Dokumenten WO 2016/041841 Al, US 3 131 877 A ,

US 2 760 719 A, US 979 634 A, GB 780 463 A, US 2 775 945 A , US 2017/082070 Al ist es teilweise bekannt, einen Deckel mit integrierten Strömungsleitungen für unterschiedliche Zwecke auszubilden .

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, derartige Nachteile zu vermeiden. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Auf gabe wird ein Deckel, ein Turbomaschinengehäuse, ein Verfah ren zur Herstellung eines Deckels und eine Turbomaschine der eingangs definierten Art vorgeschlagen mit den jeweils in den Ansprüchen definierten zusätzlichen kennzeichnenden Merkmalen der Erfindung. Das verbindende Element der Erfindung ist der erfindungsgemäße Deckel, wobei die rückbezogenen Unteransprü che vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beinhalten.

Ausdrücke, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf die zentrale Achse der Öffnung des Deckels bzw. die Achse einer sich durch die Öffnung des De ckels erstreckenden Welle im Falle einer bereits zusammenge fügten Turbomaschine.

Unter einem Hauptanteil des Prozessfluids versteht die Erfin dung einen Anteil von mindestens 51%, bevorzugt mindestens 80%, besonders bevorzugt 100%. Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass eine als Zuströmung oder Abströmung des Prozessfluids vorgesehene Strömungsleitung für zumindest einen Hauptanteil des Prozessfluids vorgesehen ist,

dass eine als Zuströmung oder Abströmung des Prozessfluids vorgesehene Strömungsleitung als integraler Bestandteil des Deckels ausgebildet ist, so dass ein Hauptanteil des Prozess fluids von außen durch die Zuströmung des Deckels in das In- nere des Turbomaschinengehäuses geleitet wird oder dass das ein Hauptanteil des Prozessfluids vom Inneren des Turboma schinengehäuses durch die Abströmung des Deckels nach außen geleitet wird.

Dadurch, dass der erfindungsgemäße Deckel eine integrierte Strömungsleitung aufweist, die als Zuströmung oder Abströmung ausgebildet ist, können entsprechende Turbomaschinengehäuse, die einen derartigen Deckel aufweisen, ansonsten ohne eine herkömmliche Zuströmung oder Abströmung gestaltet werden. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen neuen Funktionsmodu larität liegt nicht nur darin, dass an einem Gehäusemantel eine entsprechende Strömungsleitung eingespart werden kann, wenn diese an einem erfindungsgemäßen Deckel vorgesehen wird, sondern auch darin, dass infolge der Zuleitung des Prozess fluids im Bereich des Deckels das Prozessfluid bereits vor Eintritt in die Turbomaschine besser in Richtung der Zuströ mung zu der Beschaufelung bzw. den Laufrädern ausgerichtet ist. In anderen Worten: Erfindungsgemäß ist die Zuleitung des Prozessfluids zu der Turbomaschine mit einem erfindungsgemä ßen Deckel bereits erheblich axialer als bei einer herkömm lich radialen Zuströmung durch einen radialen Einströmstutzen des Gehäuses.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Deckel Versorgungsleitungen für eine Gasdichtung und/oder eine Ölheizung und/oder Sensoren, insbesondere Drucksensoren, als in den Deckel integrierte Bestandteile aufweist. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, weil der Deckel besonders bevorzugt Träger einer Wellendichtung und/oder Träger eines Radiallagers und/oder Installationsort für Drucksensoren und/oder Temperatursensoren sein kann.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die integrierte Strömungsleitung den Gesamtstrom des Prozessflu ids in Teilströme aufteilende Kanäle aufweist. Diese derart aufteilende Kanalstruktur ermöglicht besonders zweckmäßig die strömungstechnische Vorbereitung des Prozessfluids auf die Zuströmung zu der nachfolgenden aerodynamischen Komponente. Diese ist in der Regel ein rotierendes Bauteil, beispielswei se ein Radialverdichterlaufrad oder eine Axialbeschaufelung. Die einzelnen Kanäle können hierbei lediglich durch Leit schaufeln voneinander in Umfangsrichtung getrennt sein oder auch als Kanäle im engeren Sinn mit voneinander in Umfangs richtung trennenden massiveren Kanalwänden ausgebildet sein. Auf diese Weise ist es möglich, dem aus den Kanälen ausströ menden Prozessfluid einen bestimmten Drall aufzuprägen, der für eine optimale Zuströmung zu dem Rotor sorgt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Lagerbockunterteil zur Unterstützung eines Ra diallagers für die entlang der Achse sich erstreckende Welle als integraler Bestandteil des Deckels ausgebildet ist.

Bei einer Turbomaschine, die ein Gehäuse mit einem stirnsei tig vorgesehenen erfindungsgemäßen Deckel aufweist, muss der Deckel zahlreiche Funktionen erfüllen. In der Regel erfordern diese Funktionen Zu- und Ableitungsleitungen für verschiedene Betriebsfluide und daneben auch Durchführungen für Versor gungsleitungen für elektrischen Strom sowie für Signalleitun gen. Daneben kann der Deckel selbst auch als Träger für zahl reiche mittels dieser Leitungen zu versorgende Aggregate sein. Beispielsweise kann der Deckel Träger einer Wellendich tung und der Wellenlagerung sein, insbesondere Träger für ein Radiallager. Werden entsprechend die Versorgungsleitungen für diese Aggregate zumindest teilweise durch das Volumen des De ckels verlaufend gelegt, so werden herkömmlich Bohrungen für den entsprechenden Leitungsverlauf in dem Deckel vorgesehen. Das ist sehr aufwändig, zumal entsprechende Bohrungen nur mit gerader Verlaufsachse möglich sind und bei jedem Knick des Leitungsverlaufs eine separate Bohrung gefertigt werden muss, die häufig verschlossen werden muss, da nur ein axialer Teil bereich der Bohrung für den Leitungsverlauf benötigt wird.

Eine konventionelle spanende Fertigung eines erfindungsgemä ßen Deckels ist verhältnismäßig schwierig bzw. aufwändig. Als eine bevorzugte Herstellungsmöglichkeit erkennt die Erfin dung, dass der Deckel oder Teile einer Gussform des Deckels mittels eines additiven Fertigungsverfahrens vorteilhaft her gestellt werden können. Die besonderen Freiheitsgrade in der volumetrisch geometrischen Erzeugung freier dreidimensionaler Formen mittels eines additiven Fertigungsverfahrens können von der Erfindung sehr gut ausgenutzt werden, da die strö mungstechnische Optimierung der Strömungsleitung zur Zuströ mung oder Abströmung eines Prozessfluids zu der Turbomaschine durch den Deckel auf diese Weise kompromisslos durchgeführt werden kann. Daneben ist es möglich, die entsprechenden Ver sorgungsleitungen als integralen Bestandteil des Deckels für Wellendichtungen, Radiallagerungen, Ölheizungen und verschie dene Sensoren in den verbleibenden volumetrischen Freiräumen optimiert zu verlegen. Versorgungsleitungen für die Versor gung einer Wellendichtung bzw. einer Gasdichtung, für die Öl heizung können als Leitungen - vergleichbar wie Schläuche - in dem Volumen des Deckels gelegt werden, so dass zur Opti mierung der Strömungsleitung für das Prozessfluid nahezu kei ne Einschränkungen vorliegen. Eine Zuleitung von Prozessflu id, die erfindungsgemäß als eine Strömungsleitung integraler Bestandteil des Deckels ist, kann mittels moderner Strö- mungsoptimierer derart geometrisch gestaltet werden, dass das Prozessfluid zunächst in einem in dem Deckel vorgesehenen Sammelringraum eingeleitet wird und anschließend der Sammel ringraum den Gesamtstrom des Prozessfluids in verschiedene Teilströme verteilt auf anschließende Kanäle zur Zuführung zu dem strömungsleitenden Rotor der Turbomaschine aufteilt. Be sonders vorteilhaft weist der Sammelringraum einen entlang des Umfangs nicht konstanten Querschnitt auf. Zweckmäßig ist der Sammelringraum im Bereich der Zuströmung des Prozessflu ids am geräumigsten ausgebildet.

Die in den Deckel integrierte Strömungsleitung im Falle der Zuleitung des Prozessfluids zu dem Rotor kann das Prozessflu id axial direkt vor beispielsweise das erste Laufrad eines Radialverdichters führen, so dass einerseits eine strö mungsoptimierte Zuströmung erfolgt und andererseits eine gro ße Einsparung axialen Bauraums stattfindet. Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be schrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts entlang einer Achse durch einen erfindungsgemäßen Deckel ,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines axialen Längs schnitts durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine mit einem erfindungsgemäßen Turbomaschinengehäuse .

Figur 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen er findungsgemäßen Deckel COV eines Turbomaschinengehäuses TMC, wie es im Zusammenhang mit einer Turbomaschine TRM in Figur 2 dargestellt ist. Die in Figur 2 dargestellte Turbomaschine TRM ist als Radialturbomaschine RTM ausgeführt, wobei die Er findung grundsätzlich auch in axialen Turbomaschinen angewen det werden kann. Identische Bezugszeichen in den Figuren be zeichnen jeweils funktionsidentische Gegenstände.

Die in Figur 2 dargestellte Turbomaschine TRM ist ein Radial verdichter, der technische Arbeit auf ein Prozessfluid PFL überträgt. Konkret wird das Prozessfluid PFL mittels Laufrä dern IMP eines Rotors ROT bei der Durchströmung beschleunigt und in Diffusoren hinter den entsprechenden Laufrädern IMP unter Ausbildung einer Druckerhöhung abgebremst. Das Prozess fluid PFL durchläuft dementsprechend nach Einströmung durch eine Zuströmung INL in die Turbomaschine TRM bis zum Austritt durch eine Abströmung EXL aus der Turbomaschine TRM eine Druckerhöhung. Grundsätzlich ist die Erfindung auch für einen umgekehrten Prozess - eine Entspannung eines Prozessfluids unter Gewinnung technischer Arbeit - möglich.

Der in Figur 1 dargestellte Deckel COV weist eine sich ent lang einer Achse X erstreckende Öffnung OP auf. Zur axialen Hindurchführung einer sich entlang dieser Achse X erstrecken- den Welle SH, wie dies auch in Figur 2 dargestellt ist. Zum Zwecke der Anlage an einem Gehäusemantel CCT des Turbomaschi- nengehäuses TMC weist der Deckel eine sich entlang einer Um fangsrichtung CTR zu der Achse X erstreckende Anlagefläche SF auf. Die Anlagefläche dient einerseits dem mechanischen Wi derstand gegen den Differenzdruck zwischen dem Innendruck und dem Umgebungsdruck im Betrieb der Turbomaschine und anderer seits der Abdichtung gegen einen Austritt des Prozessflu ids PFL aus der Turbomaschine TRM in die Umgebung. Zum Zwecke der Abdichtung können auch hier nicht dargestellte Dichtungs elemente vorgesehen sein.

Der Deckel COV weist eine als Zuströmung INL oder Abströmung EXL des Prozessfluids PFL vorgesehene Strömungsleitung PFC als integralen Bestandteil des Deckels COV auf. In Figur 2 ist linksseitig ein erster Deckel COV1 vorgesehen, der zeigt, dass ein entsprechender Deckel COV eine als Zuströmung INL vorgesehene Strömungsleitung PFC aufweist und rechtsseitig ist ein zweiter Deckel COV2 wiedergegeben, der den Fall zeigt, dass eine Strömungsleitung PFC, die in den Deckel COV integriert ist, als Abströmung EXL für das Prozessfluid PFL ausgebildet ist. Der erste Deckel COV1 befindet sich auf ei ner ersten Stirnseite FF1 des Turbomaschinengehäuses TMC und der zweite Deckel COV2 befindet sich auf einer zweiten Stirn seite FF2.

Die Figur 1 zeigt den ersten Deckel COV1 mit der als Zuströ mung INL ausgebildeten Strömungsleitung PFC für das Prozess fluid PFL, der in der Figur 2 auf der ersten Stirnseite FF1 vorgesehen ist. Der Deckel COV bzw. der erste Deckel COV1, der in der Figur 1 dargestellt ist, ist mittels „Additive Ma nufacturing" hergestellt, ebenso wie der zweite Deckel COV2. Diese Herstellungsmethode ermöglicht eine besonders freie Ge staltung der dreidimensionalen Geometrie der verschiedenen Funktionselemente des Deckels COV. Der erste Deckel COV1 ist Träger von zusätzlichen Funktionselementen, beispielsweise einer Ölheizung OLH, eines Radiallagers RBE und einer Wellen dichtung SHS, die als Gasdichtung ausgebildet ist. Es sind Versorgungsleitungen SPL vorgesehen für die Wellendich tung SHS, das Radiallager RBE und Sensoren SNR, einen Tempe ratursensor TSN und einen Drucksensor PSN zur Messung von Druck und Temperatur des Prozessfluids PFL in der Zuströmung INL . Die Ölheizung OLH bereitet ein Lageröl zur Versorgung des Radiallagers RBE vor, wobei die Versorgungsleitungen SPL für diese Ölheizung OLH integraler Bestandteil des Deckels COV sind. Diese Versorgungsleitungen SPL für die Ölhei zung OLH können einerseits eine elektrische Heizung versorgen und andererseits ein erhitztes Fluid der Ölheizung OLH zufüh ren bzw. von der Ölheizung OLH fortführen.

Die Strömungsleitung PFC, die als Zuleitung INL oder auch als Ableitung EXL ausgebildet sein kann, umfasst einen Sammel raum COL (Sammelringraum) , der sich im Wesentlichen ringför mig in Umfangsrichtung CDR um die Achse X erstreckt und von diesem Sammelraum ausgehende einzelne Kanäle CHV, die der nachfolgenden Beschaufelung bzw. Laufrädern IMP des Rotors ROT das Prozessfluid PFL strömungstechnisch optimiert ausge richtet zuführen. Der Sammelraum COL weist einen entlang des Umfangs nicht konstanten Querschnitt auf.