CN103806957A - 齿轮传动式涡轮机 - Google Patents

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CN103806957A CN201310757233.1A CN201310757233A CN103806957A CN 103806957 A CN103806957 A CN 103806957A CN 201310757233 A CN201310757233 A CN 201310757233A CN 103806957 A CN103806957 A CN 103806957A
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Abstract

一种齿轮传动式涡轮机，其通过集成的传动机构将驱动和／或从动装置集成成机械传动线路，其中，集成的传动机构包括带有大齿轮轴的居中的大齿轮、带有小齿轮轴的至少两个小齿轮以及带有驱动轴的驱动小齿轮，其中，在大齿轮以及第一小齿轮之间布置有驱动小齿轮，其不仅与大齿轮相啮合，而且与第一小齿轮相啮合，其中，大齿轮与第二小齿轮处于有效连接中，其中，大齿轮轴与至少一个驱动或从动装置抗扭地相连接，其中，驱动小齿轮的驱动轴与至少一个驱动装置抗扭地相连接，其中，小齿轮轴的端部相应与至少一个驱动或从动装置抗扭地相连接，其特征在于，大齿轮如此与第二小齿轮处于有效连接中，即在大齿轮与小齿轮之间布置有带有中间齿轮轴的中间齿轮，其不仅与大齿轮相啮合，而且与第二小齿轮相啮合。

Description

齿轮传动式涡轮机
技术领域
本发明涉及一种带有权利要求1的前序部分的特征的齿轮传动式涡轮机(Getriebeturbomaschine)，其通过集成的传动机构将驱动和／或从动装置集成成机械传动线路(Maschinenstrang)。
背景技术
齿轮传动式涡轮机例如用于在所谓的PTA设备(PTA＝PurifiedTerephthalic Acid，精对苯二甲酸)中的空气分离以制造对苯二甲酸，其中，在此整个齿轮传动式涡轮机构造为传动线路且通过传动机构使压缩机、扩展器(Expander)、蒸汽涡轮、马达以及发电机彼此在工艺技术方面共同作用。
在压缩机中由此引起流体的压力提高，即通过压缩机的旋转的、沿径向延伸的且具有叶片的转动轮提高流体从进入到压缩机中直至其出口的角动量。流体的压力和温度在该级的压缩机中升高，而流动的流体在转动轮处的相对速度降低。为了达到流体的尽可能高的压力升高，可使多个这样的压缩机级相继连接。压缩机主要分成径向式压缩机和轴向式压缩机，其中，在轴向式压缩机中使待压缩的流体在轴向方向上流动通过压缩机，而在径向式压缩机中使待压缩的流体首先沿轴向流到压缩机级的转动轮中，且然后使之在径向方向上向外转向。因此在多级的径向式压缩机中在每级之后必需流偏转部。径向式压缩机和轴向式压缩机的组合的结构型式以其轴向级抽吸很大的体积流，其被以很大的压力压缩到紧接的径向级中。如果在多级的齿轮传动式涡轮机中使用多个压缩机，压缩机作为压缩机级经由小齿轮轴与大齿轮且可选地与附加的驱动小齿轮处于有效连接中。
因此，如同压缩机那样，齿轮传动式涡轮机的取决于待操作的工艺的其余的装置同样与大齿轮处于有效连接中。例如，马达或发电机可直接与大齿轮处于有效连接中，从而使得马达(在马达线路(Motorschaltung)中的马达／发电机)可首先承担齿轮传动式涡轮机的驱动。当由于运行的工艺在起动后首次产生蒸汽时，那时蒸汽机作为驱动装置通过与大齿轮相啮合的附加的驱动小齿轮进一步驱动齿轮传动式涡轮机且马达可从马达线路转变到发电机线路(Generatorschaltung)中以进行发电。如果齿轮传动式涡轮机附加地还包括与大齿轮处于有效连接中的扩展器，那么扩展器可在进入到运行工艺之后通过现存的(多余的)过程气体来驱动且同样有助于能量产生。如果缺乏扩展器且安装了仅仅一个发电机(在发电机线路中的马达／发电机)，那么蒸汽涡轮如此发出很多功率使得齿轮传动式涡轮机运行且可将附加功率作为电能从发电机输入到电网中。
在文献EP1 691 081B1中如上所述的那样说明了一种带有集成的传动机构和驱动和／或从动装置的多级的齿轮传动式涡轮机，在此，驱动和从动装置可为压缩机、蒸汽涡轮、燃气涡轮、马达、发电机以及扩展器。特别有利地，在此装置的组件一方面处在同一水平面中，且另一方面通过存在的大齿轮与从动小齿轮以及附加的驱动小齿轮使得能够实现集成可使用的驱动和从动装置的多种可能性。驱动和因此功率从大齿轮到小齿轮轴上的传输通过在大齿轮和小齿轮轴中的彼此啮合的齿部来实现。通过齿部的不同的齿数或不同的分度圆直径在单个的传动级中实现所期望的传动或传动比(功率级)。因此，单个的小齿轮轴一方面在其齿部几何结构方面且另一方面在小齿轮轴的中心位置方面与大齿轮彼此联结。
在多个小齿轮轴直接或间接通过附加的驱动轴围绕大齿轮布置时，必须从理想的和可实现的传动比中找到折衷，在此，可提供的和／或可实现的结构空间是决定性地起影响作用的和／或限制性的参数。特别用于通过小齿轮轴连接的驱动或从动装置的壳体附件(导流构件，例如压缩机的螺旋室或扩展器、蒸汽涡轮或马达／发电机的壳体)的在齿轮传动式涡轮机的壳体之外所需的结构空间通常明显限定和限制客户方所要求的总是更有效率的齿轮传动式涡轮机的设计。
因此，小齿轮轴与大齿轮通过小齿轮轴的位置和齿部几何结构建立的有效连接在开发、设计、构造以及建造齿轮传动式涡轮机时具有重要意义。
直到现在，受限地更有效率的齿轮传动式涡轮机通常还可通过增大大齿轮来实现，从而可为邻接到传动机构处的驱动或从动装置的壳体提供结构空间。在文献EP1691081B1中说明的附加的驱动轮同样为更有效率的齿轮传动式涡轮机的设计提供一定的优点，然而由于其作为驱动轮的功能在可能的分度圆直径方面产生不可避免的限制。如同用于驱动的大齿轮一样，附加的驱动轮针对其驱动功能需要最小转速，并且因此限定了在驱动轮与大齿轮之间的尺寸比。因此在最大允许的圆周速度方面且接下来还在更大的直径方面设定有限制。
发明内容
因此，本发明的目的在于如此设计一种带有集成的传动机构的这种类型的齿轮传动式涡轮机使得能够在避免上述缺点的情况下实现更有效率的齿轮传动式涡轮机。
对于带有集成的传动机构的这种类型的齿轮传动式涡轮机，根据本发明，该目的通过权利要求1的特征部分的特征来实现。本发明的有利的设计方案为从属权利要求的对象。
借助根据本发明的齿轮传动式涡轮机可建立这种机械传动线路，其满足迄今不是为了可能或必需被维持的机器的要求，但满足将来可能一直更有效率的机器的要求(优选更高的体积流)。
除了已经已知的且与大齿轮处于有效连接中的小齿轮轴以及附加的驱动小齿轮之外，根据本发明的齿轮传动式涡轮机现在包括新的中间齿轮，其布置在大齿轮与迄今和大齿轮处于直接的有效连接中的、布置在相同的水平面中的小齿轮轴之间。
本发明基于抛弃在齿轮传动式涡轮机的领域中的现有技术，因为以前的组件包括这样的原则，即所有在传动机构中彼此相啮合的构件(大齿轮、小齿轮轴、附加的驱动轮)还必须一直承担用于驱动和输出的功能以及连接到其他的相邻的用于操纵所要求的工艺的机器处。因此，以前的观念基于为了实现所要求的功率特征应使用尽可能少的构件，且构件应主要仅在其几何的设计方面不同。在用于实现还要更有效率的齿轮传动式涡轮机的开发行为的范围中，通过大量计算和成本考虑已经令人吃惊地证实：将中间齿轮附加地集成在传动机构中，虽然构件增加，但带来可实现的效率的显著提升且可附加地避免上述以及随后还要说明的技术上的缺点以及附加地同样还可引起其他的技术上的优点。
为了基于现有技术说明齿轮传动式涡轮机的布置方案，下面与不带有中间齿轮的布置方案相比概括性体提出并阐述带有中间齿轮的布置方案的所有的优点。
在考虑到小齿轮轴彼此的通过当前的附件(主要驱动和从动装置)的尺寸预定的最小间距以及空间节省的情况下，可通过附加的中间齿轮而灵活选择大齿轮和小齿轮的分度圆直径。迄今，分度圆直径通过预定的最小间距和确定的传动比(大齿轮关于小齿轮的传动比)来预定。
在大齿轮带有不可变的分度圆直径的情况下，相对于没有中间齿轮的组件和附加的中间齿轮，将增大用于将驱动或从动装置安装到壳体处的可提供的结构空间或增大传动机构的小齿轮。
大齿轮的更小的分度圆直径使得能够在更小的且现在已经存在的加工设备上进行加工，从而使得尽管齿轮传动式涡轮机更有效率，但不必提供新的且成本密集的加工设备以及加工技术。
与仅仅一个更大的大齿轮相比，使用相对更小的大齿轮和附加的中间齿轮在总成本方面并未成本更高，因为一方面在传动机构中的总材料使用有时更低，且另一方面负载还更小地以及更好地分布到传动机构的壳体或基座上且还可因此更有效地以及更均衡地构造所有的单个构件的支承。
迄今使用越来越大的大齿轮还并未在齿轮传动式涡轮机的整体结构高度方面引起已知的问题，恰恰在运输和装配方面带有中间齿轮的新的组件在处理期间提供显著的优点。齿轮传动式涡轮机的附加的长度在引起的问题方面比较少，因为一方面占用位置主要仅在高度方面触及其界限，且另一方面齿轮传动式涡轮机的重心的降低改善了运输、装配以及因此还改善了安全性。
以前的顾虑来自：由于附加的中间齿轮代替更大的大齿轮而显著增大机械的传动损失，且因此包含在传动线路中的齿轮传动式涡轮机的总效率明显更低。然而在本发明的设计的范围中的研究已经令人吃惊地得到传动损失在带有中间齿轮的组件中并没有显著提高，而在本发明的齿轮传动式涡轮机的优点的总评价方面，其使用价值得到显著提高。
大齿轮的转速主要通过将大齿轮可能地连接到发电机处来确定，因此太大的大齿轮导致更高的且部分地不允许的分度圆速度。相对于带有附加的中间齿轮和更小的大齿轮的组件，在太大的大齿轮的情况下不可可靠地保证规定的润滑油供给和允许的离心力负载。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例。其中，
图1显示了带有传动机构以及驱动和从动装置的齿轮传动式涡轮机的示意性的图示；
图2以透视图显示了齿轮传动式涡轮机的传动机构。
参考标号列表
1   齿轮传动式涡轮机
2   传动机构
3   水平面
4   机座
6   驱动轴
7   传动机构的壳体
8   驱动小齿轮
9   大齿轮
10  第一小齿轮
11  第一小齿轮轴
13  大齿轮轴
14  第二小齿轮
15  第三小齿轮
16  第二小齿轮轴
17  第三小齿轮轴
18  中间齿轮
19  中间齿轮轴
21  流进入区域
22  过渡区域
23  用于冷却的通道
24  间壁
I至VI 压缩机级
A1-A9 驱动或从动装置
A1  第I级的压缩机
A2  第II级的压缩机
A3  第III级的压缩机
A4  第IV级的压缩机
A5  第V级的压缩机
A6  第VI级的压缩机
A7  马达／发电机
A8  涡轮机、马达、燃气涡轮、蒸汽涡轮
A9  扩展器。
具体实施方式
在图1中示出的齿轮传动式涡轮机为用于气体的处理和再加工的化学设备的一部分。这种齿轮传动式涡轮机(1)通过传动机构(2)将驱动和／或从动机械(A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9)集成成机械传动线路，其中，一方面可作为驱动装置蒸汽涡轮、燃气涡轮、扩展器以及马达，且一方面可作为从动装置压缩机以及发电机。
单个的装置彼此相联结且装配在一个或多个机架(在图2中示例性地示出的机座(4))上。在机座(4)下方存在未在图1和2中示出的冷却器、冷凝器以及其他的对于本发明不重要的但对于机械传动线路的运行是必需的装置。
根据待操作的工艺的总要求(Anforderungsprofil)可将马达(A7)、蒸汽涡轮(A8)以及扩展器(A9)一起或单独构造为驱动装置(A7，A8，A9)。蒸汽涡轮(A8)通过驱动轴(6)与传动机构(2)处于有效连接中，马达(A7)和扩展器(A9)通过齿轮传动式涡轮机(1)的大齿轮(9)的轴(13)与传动机构(2)处于有效连接中。
根据图2，齿轮传动式涡轮机(1)的传动机构(2)包括壳体(7)，在其中布置有驱动小齿轮(8)、大齿轮(9)、中间齿轮(18)以及其他的小齿轮(10，14，15)。驱动小齿轮(8)固定在支承在齿轮传动式涡轮机(1)的壳体(7)中的驱动轴(6)上。驱动小齿轮(8)与抗扭地固定在第一小齿轮轴(11)上的第一小齿轮(10)相啮合。第一小齿轮轴(11)在其端部处与驱动和／或从动装置(A1，A6)的转动轮(优选压缩机级I和VI的转动轮)抗扭地相连接。
驱动小齿轮(8)在背对第一小齿轮(10)的侧部上与大齿轮(9)相啮合，大齿轮(9)抗扭地固定在支承在壳体(7)中的轴(13)上。驱动装置(A8)的通过驱动小齿轮(8)引入的功率同时交付到大齿轮(9)和属于压缩机级I和VI的小齿轮(10)处。
大齿轮(9)一方面与第三小齿轮(15)(其抗扭地固定在支承在壳体(7)中的第三小齿轮轴(17)上)相啮合，且另一方面与中间齿轮(18)相啮合。中间齿轮(18)在背对大齿轮(9)的侧部上与第二小齿轮(14)相啮合。第二小齿轮和第三小齿轮(14，15)相应抗扭地固定在支承在壳体(7)中的第二小齿轮轴和第三小齿轮轴(16，17)上。
第二小齿轮轴(16)在其端部处承载第二压缩机级和第三压缩机级(II，III)的转动轮，而第三小齿轮轴(17)在其端部处承载压缩机级(IV，V)的转动轮。在本实施例中，所有的压缩机级浮动地(fliegend)支承在相应的小齿轮轴上。
驱动轴(6)、第一小齿轮轴(11)、中间齿轮轴(19)、第二小齿轮轴(16)以及大齿轮(9)的轴(13)处在同一水平面(3)中。第三小齿轮轴(17)处在该平面(3)之上。
在图2的图示中，参考大齿轮(9)，驱动小齿轮(8)优选位于9点钟位置中，第二小齿轮(14)优选位于3点钟位置中，而第三小齿轮(15)优选位于12点钟位置中。参考驱动小齿轮(8)，第一小齿轮(10)优选位于9点钟位置中，而大齿轮(9)优选位于3点钟位置中。中间齿轮(18)参考大齿轮(9)优选位于9点钟位置中。可选地，参考大齿轮(9)设置成(未示出)不仅小齿轮(15)优选位于12点钟位置中，而且存在的小齿轮优选位于11:30点钟位置中，而附加的小齿轮优选位于13点30的位置中。
根据图2，上述说明的传动机构(2)形成整个齿轮传动式涡轮机(1)的基础，在此，传动机构(2)为主要包括驱动和／或从动装置(A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9)的机械传动线路的核心部件。
在本实施例中，集成在机械传动线路中的传动机构(2)主要包括带有大齿轮轴(13)的居中的大齿轮(9)、带有小齿轮轴(11，16，17)的多个小齿轮(10，14，15)和带有驱动轴(6)的驱动小齿轮(8)以及带有中间齿轮轴(19)的中间齿轮(18)。大齿轮(9)与小齿轮(15)相啮合，且小齿轮轴(17)的端部与从动装置(A4，A5)抗扭地处于连接中；优选地，从动装置为压缩机级IV和V的压缩机(A4，A5)。同样，大齿轮(9)一方面与中间齿轮(18)相啮合，而另一方面与驱动小齿轮(8)(其通过驱动轴(6)的端部与驱动装置(A8)抗扭地相连接)相啮合。在本实施例中，大齿轮(9)的大齿轮轴(13)与马达或发电机(A7)相连接。驱动小齿轮(8)又与小齿轮(10)相啮合，而小齿轮轴(11)的端部与用作从动装置的压缩机(A1)抗扭地相连接。根据存在的其余的驱动和／或从动装置或其布置方案，同样还可将附加的压缩机(A6)布置在小齿轮轴(11)的另一端部处。中间齿轮与小齿轮(14)相啮合，而小齿轮轴(16)的端部与驱动装置(A2，A3)抗扭地处于连接中；优选地，驱动装置为压缩机级II和III的压缩机(A2，A3)。
为了最优地充分利用有创造性的潜力以提高齿轮传动式涡轮机(1)的有效功率，首先设置成中间齿轮(18)为所谓的惰轮且未直接连接到可能的驱动或从动装置处。如果允许配置齿轮传动式涡轮机且如果不必考虑开头所阐述的缺点，可可选地且在技术方面在次级在中间齿轮处设置驱动或从动装置。
为了根据本发明的机械传动线路的功能性，安装在小齿轮轴(16，17)处的从动装置(A2，A3，A4，A5)构造为压缩机级(II，III，IV，V)；蒸汽或燃气涡轮(A8)作为驱动装置(A8)与驱动小齿轮(8)抗扭地处于有效连接中。在此，抗扭的连接不仅理解成可分开的连接(其例如可包括花键轴和／或螺旋部)，而且可理解成不可分开的连接，尤其焊接连接或集成的构造方案，例如作为一件式的成形件和／或变形件。然而，作为驱动装置还可考虑其他的涡轮机以及电的驱动机械或燃烧式驱动机械。
马达／发电机(A7)和扩展器(A9)作为驱动装置优选通过未示出的传动接合器与大齿轮轴(13)处于有效连接中且可根据待操作的工艺的类型集成到机械传动线路的总工艺中。
齿轮传动式涡轮机(1)可利用电的驱动机械的涡轮机(例如蒸汽或燃气涡轮(A8))或在特殊情况下还可利用作为驱动装置的内燃机来起动。然后，马达(A7)(在马达线路中的马达／发电机(A7))自马达(A7)的同步转速起承担机械传动线路的驱动。当机械传动线路以及相关的工艺进入到运行中且来自总工艺的废气、废汽或其他的工艺介质驱动扩展器(A9)时，扩展器(A9)发出第一功率。扩展器(A9)还可利用由齿轮传动式涡轮机(1)的压缩机(A1，A2，A3，A4，A5，A6)压缩的空气来使之运行，从而使得可回收利用一部分能量。

Claims (11)

1.一种齿轮传动式涡轮机(1)，其通过集成的传动机构(2)将驱动和／或从动装置(A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9)集成成机械传动线路，
其中，所述集成的传动机构(2)包括带有大齿轮轴(13)的居中的大齿轮(9)、带有小齿轮轴(11，16)的至少两个小齿轮(10，14)以及带有驱动轴(6)的驱动小齿轮(8)，
其中，在所述大齿轮(9)以及第一小齿轮(10)之间布置有驱动小齿轮(8)，其不仅与所述大齿轮(9)相啮合，而且与所述第一小齿轮(10)相啮合，
其中，所述大齿轮(9)与所述第二小齿轮(14)处于有效连接中，
其中，所述大齿轮轴(13)与至少一个驱动或从动装置(A7，A9)抗扭地连接，
其中，所述驱动小齿轮(8)的驱动轴(6)与至少一个驱动装置(A8)抗扭地相连接，
其中，所述小齿轮轴(11，16)的端部相应与至少一个驱动或从动装置(A1，A2，A3，A6，)抗扭地相连接，
其特征在于，所述大齿轮(9)如此与所述第二小齿轮(14)处于有效连接中，即在所述大齿轮(9)与所述小齿轮(14)之间布置有带有中间齿轮轴(19)的中间齿轮(18)，其不仅与所述大齿轮(9)相啮合，而且与所述第二小齿轮(14)相啮合。
2.根据权利要求1所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，所述驱动轴(6)、所述第一小齿轮轴(11)、所述中间齿轮轴(19)、所述第二小齿轮轴(16)以及所述大齿轮(9)的轴(13)处在同一水平面(3)中。
3.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，所述中间齿轮轴(19)的端部不与驱动或从动装置(A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9)相连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，所述大齿轮(9)与带有小齿轮轴(17)的至少一个其他的驱动小齿轮(15)相啮合，其中，至少一个所述小齿轮轴(17)的端部与至少一个驱动或从动装置(A4，A5)抗扭地相连接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，安装在所述小齿轮轴(11，16，17)处的驱动和／或从动装置(A1，A2，A3，A4，A5，A6)中的至少一个为压缩机级(I，II，III，IV，V，VI)的转动轮。
6.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，安装在所述小齿轮轴(11，16，17)处的驱动和／或从动装置(A1，A2，A3，A4，A5，A6)中的至少一个为扩展器级(I，II，III，IV，V，VI)的转动轮。
7.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，与所述驱动小齿轮(8)抗扭地处于连接中的驱动装置(A8)为涡轮机、电的驱动机械或燃烧式驱动机械。
8.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，与所述大齿轮轴(13)抗扭地处于连接中的至少一个驱动或从动装置(A7)为马达和／或发电机(A7)，其在马达线路中构造为驱动装置，而在发电机线路中构造为从动装置。
9.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，与所述大齿轮轴(13)抗扭地处于连接中的至少一个驱动或从动装置(A9)为扩展器(A9)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，与所述大齿轮轴(13)抗扭地处于连接中的驱动和／或从动装置(A7，A9)串联地布置，其中，为了起动所述齿轮传动式涡轮机(1)，所述马达／发电机(A7)在马达线路中首先用作驱动装置，并且其中，在起动之后在扩展器(A9)的运行中用作驱动装置，且所述马达／发电机(A7)在发电机线路中用作从动装置。
11.根据上述权利要求中任一项所述的齿轮传动式涡轮机(1)，其特征在于，所述集成的传动机构(2)以及所述驱动和／或从动装置(A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9)中的至少一个通过其壳体(20)固定在共同的机座(4)处。
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