CN105264192A - 设备和包括这种设备的、尤其用于船舶的驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备(100)，包括：-能由电动机式运行切换到发电机式运行和反向切换的电动机/发电机单元(200)，其具有定子(200a)和转子(200b)，该转子具有转子旋转轴线(200c)，以及具有相对于转子旋转轴线(200c)同心地布置的并且与转子(200b)连接的驱动轴(300)；-压缩机(400)；-涡轮机(500)，其装配在转子(200b)的与压缩机叶轮(400a)相对置的一侧，并且其中压缩机(400)和涡轮机(500)通过至少一个退耦装置(600a，600b)彼此退耦地布置，其中，存在至少两个退耦装置(600a，600b)，其中退耦装置(600a，600b)的第一退耦装置(600a)布置在压缩机(400)和电动机/发电机单元(200)之间，并且第二退耦装置(600b)布置在涡轮机(500)和电动机/发电机单元(200)之间。

Description

设备和包括这种设备的、尤其用于船舶的驱动系统
技术领域
本发明涉及一种设备，包括：能由电动机式运行切换到发电机式运行和反向切换的电动机/发电机单元，其具有定子和转子，该转子具有转子旋转轴线，以及相对于转子旋转轴线同心地布置的并且与转子连接的驱动轴。此外，本发明涉及一种包括至少一个这样的设备的驱动系统以及其运行还有配备有这样的驱动系统的船舶。
背景技术
内燃机，尤其是柴油发动机为了对注入的燃料进行燃烧而需要大量的空气。在燃烧时的尽可能大量的空气或者空气过量改善了燃烧性能并由此提高了内燃机的功率。尽可能完全的燃烧仅在有足够的空气过量的情况下实现。同时有利的是，输送具有尽可能低的温度的空气，从而在给定压力的情况下提供尽可能大量的空气。在对空气进行压缩时，空气的温度上升，由此较小量的氧气到达内燃机的燃烧室中。如果在压缩的过程中使用通过内燃机的热废气流驱动的废气涡轮增压器，那么其变热能够通过压缩单元而对于空气进行附加地加热并且导致待压缩的空气的进一步加热。
在GB2477548A中作为现有技术描述了一种气体涡轮机，其中出现了该效果。在此，来自燃烧室的废气流驱动涡轮增压器或者其涡轮机叶轮。涡轮机叶轮装配在驱动轴的一个端部处。驱动轴的另一端部处装配有压缩机的压缩机叶轮，该压缩机叶轮与驱动轴一同旋转并且用于对空气进行压缩。压缩的空气被输送给燃烧室，以改善注入的燃料的燃烧。
此外，GB2477548A描述了一种气体涡轮机，其中，存在用于涡轮机叶轮的驱动轴和与其间隔开的用于压缩机叶轮的另外的驱动轴，并且这些驱动轴因此热学上彼此退耦。由涡轮机叶轮驱动的驱动轴与发电机连接，而驱动了压缩机叶轮的另外的驱动轴与电动机连接，该电动机通过发电机供能。
在燃料燃烧大约3至5次产生比为燃烧而提供的空气更多的废气体积之后(在标准大气压时的体积比)，并且此外废气被加热之后，涡轮机通常提供比仅为了压缩空气而需要的能量更多的能量。
根据GB2477548A，该过量的能量被存储到电池中并且可以在燃烧过程开始时用于驱动电动机和用于产生压缩的空气，而无需使涡轮机已经工作。
即使在短暂的过程中，如负载要求快速地接通到内燃机上时，有利的是，在准备阶段中已经提供了更多的压缩功率。根据GB2477548A，能够使用存储的能量，从而压缩机叶轮与当前的涡轮机运行无关地被继续加速并且借此快速地对负载变换做出反应。
然而，用于提供根据GB2477548A的退耦的装置的设备有较大的设施耗费，以及必要的空间需求以及设备的与之相关的故障率或者错误率。
由DE19518317C2公开一种设备，其用于运行用于燃烧机的电辅助的涡轮增压器，其中该涡轮增压器具有废气涡轮机和压缩机，二者通过驱动轴彼此耦联，在该驱动轴上直接布置有第一电动机-发电机设施，其中，还存在另外的一个对燃烧机产生作用的第二电动机-发电机设施，并且第一电动机-发电机设施和第二电动机-发电机设施的定子绕组彼此连接，其中，第一电动机-发电机设施是多相、多极异步电机并且第二电动机-发电机设施是他励的同步电机，其在定子中的励磁场在其频率和环绕方向方面受到控制。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种快速地对负载变换做出响应的设备，其包括压缩机和涡轮机，该设备克服了现有技术中的缺陷。此外，本发明的目的还在于给出一种包括至少一个这样设备的驱动系统，以及一种该驱动系统的应用。
该目的在设备方面由以下方式实现，该设备包括：
-能由电动机式运行切换到发电机式运行和反向切换的电动机/发电机单元，具有：定子和转子，该转子具有转子旋转轴线；以及相对于转子旋转轴线同心地布置的并且与转子连接的驱动轴；
-压缩机，具有用于压缩空气的能旋转的压缩机叶轮，其中，压缩机叶轮在转子的一侧装配在相对于转子轴线同心地布置的驱动轴上；以及
-涡轮机，该涡轮机包括能由废气流驱动的涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮在转子的与压缩机叶轮相对置的一侧装配在相对于转子轴线同心地布置的驱动轴上，以及
其中，压缩机和涡轮机通过至少一个退耦装置彼此退耦地布置，其中，存在至少两个退耦装置，其中退耦装置的第一退耦装置布置在压缩机和电动机/发电机单元之间并且第二退耦装置布置在涡轮机和电动机/发电机单元之间。
电动机和发电机在根据本发明的设备中在结构上组合成电动机/发电机单元，其能够或者以发电机式运行来运行或者以电动机式运行来运行，并且其中在运行模式之间的转换能够快速和不复杂地实现。电动机/发电机单元在此形成在涡轮机和压缩机之间的结构上的边界。因此，其尽管通过贯穿的驱动轴直接节省位置和节省资源地彼此连接，然而在通过驱动轴的热传导方面，电动机/发电机单元起到了在热的涡轮机和应当尽可能在低温下运行的压缩机之间的热绝缘器的作用。由此，涡轮机和压缩机能够尽可能热退耦地运行。
至少一个退耦装置作为涡轮机和压缩机的功能腔的分隔装置起作用。由此尤其实现了从涡轮机至压缩机的热绝缘并且在需要时也设置在涡轮机和压缩机之间的气密分离。由于布置在涡轮机和电动机/发电机单元之间的第二退耦装置以及布置在压缩机和电动机/发电机单元之间的第一退耦装置，能够可靠地避免电动机/发电机单元的过热。
通过存在至少两个退耦装置，尤其进一步改善了在涡轮机和压缩机之间的热绝缘。优选的是，退耦在此理解为热退耦，其中借助相应的退耦装置尤其能够实现热退耦。例如，相应的退耦装置设计用于，利用冷却介质，优选是水或者油冷却，其中相应的退耦装置的冷却介质例如能够通过用于介质供给或介质排出的接口输入和排出。
特别地，电动机/发电机单元与变流器电连接并且变流器与变压器电连接。这允许将产生的电能输送到网络，如优选的船载电网中。
在本发明的一个特别优选的设计方案中，存在用于冷却电动机/发电机单元的至少一个冷却单元。由此，涡轮机和压缩机的热隔离以理想的方式执行并且产生的压缩空气的温度在充分利用开头所述的优点的情况下被保持得尽可能低。
优选的是，电动机/发电机单元是基于高温超导的机器，其中设置至少一个冷却单元用于机器冷却。基于高温超导的机器在电方面高效地工作并且特征通常在于具有质量非常低的转子的电动机/发电机单元，该转子为此具有很小的空间尺寸。这类转子在根据本发明的设备中的应用在通过其提供的震动质量方面是理想的，因为能够特别迅速地对负载变化做出反应。
本发明的涉及到驱动系统方面的目的由以下方式实现，该系统包括：
-至少一个根据本发明的设备，
-至少一个燃烧系统，用于在产生废气流的情况下燃烧燃料流和压缩的空气流，该废气流用于供给到至少一个根据本发明的设备的涡轮机中并且用于驱动相应的压缩机叶轮，
-空气输送装置，用于将未压缩的空气输送给至少一个根据本发明的设备的压缩机，以及
-供给装置，用于使借助压缩机叶轮由未压缩的空气形成的压缩的空气流输送给至少一个燃烧系统。
这样的燃烧系统具有紧凑的构造以及在涡轮机和压缩机之间的尽可能的热隔离。其适用于与不同的燃烧系统结合。其尤其能够特别快速地对燃烧系统的负载接通和断开做出反应，其中在此提及的反应时间在小于1ms的范围内。此外在随涡轮机运行产生问题时，可以通过对压缩机叶轮的有目的的加速进行相对控制，从而降低压缩机的故障概率并进而尽可能排除在为燃烧系统供应压缩空气时的损害。
燃烧系统特别是内燃机，优选是柴油发动机。在发动机的低转速范围中已经可以提供压缩的空气并进而改善排放特性。在此，燃烧系统尤其形成主机或者辅机的一部分。
特别优选的是根据本发明的驱动系统对于船舶的应用。尤其是实现了将驱动系统集成到根据DE102006020144A1的已经公开的船舶驱动系统中。
因此，根据本发明也提供了包括根据本发明的驱动系统和船载电网的船舶，其中，至少一个根据本发明的设备的电动机/发电机单元与船载电网这样地连接，即在发电机式运行中实现了能量向船载电网的输送并且在电机运行中实现了从船载电网获取能量。
一种用于运行根据本发明的驱动系统的方法包括以下步骤：
通过使燃料流和压缩的空气彼此混合燃烧的方式，借助燃烧系统产生废气流；
在产生电能的情况下以发电机式运行来运行至少一个设备的电动机/发电机单元，其中，将废气流输送给涡轮机，并且在形成压缩的空气的情况下驱动涡轮机叶轮以及同时由此驱动压缩机叶轮；
将借助电动机/发电机单元产生的电能供给到电网中，尤其是船载电网中。
在燃烧系统有自发的负载要求的情况中，为了动态地改善燃烧系统，优选地实现从发电机式运行到电动机式运行的切换，其中，为电动机/发电机单元输送来自电网的电能，其中，驱动轴被加速，并且其中形成提高的压缩空气量。
电动机/发电机单元从发电机式运行到电动机式运行的切换以及反向切换可以非常短的时间地实现，从而能够特别迅速和不复杂地对负载变换做出反应。
附图说明
图1至6应该示例性地对根据本发明的设备、配备该设备的驱动系统和这样的驱动系统在已知的船舶驱动系统中的集成进行阐述。因此示出：
图1是包括涡轮机和压缩机的设备，
图2是根据图1的设备的运行，
图3是包括根据图1的设备的驱动系统，
图4是包括根据图3的驱动系统的第一示意性船舶驱动系统，
图5是包括根据图3的驱动系统的第二示意性船舶驱动系统，
图6是包括根据图3的驱动系统的第三示意性船舶驱动系统。
具体实施方式
图1示出了设备100，其包括压缩机400，电动机/发电机单元200和涡轮机500。电动机/发电机单元200包括定子200a和转子200b，该转子具有转子旋转轴线200c，以及相对于转子旋转轴线200c同心地布置的并且与转子200b连接的驱动轴300。压缩机400包括用于压缩空气的能旋转的压缩机叶轮400a，其中，压缩机叶轮400a在转子200b的一侧装配在相对于转子轴线200c同心地布置的驱动轴300上。涡轮机500包括能由废气流驱动的涡轮机叶轮500a，该涡轮机叶轮在转子200b的与压缩机叶轮400a相对置的一侧装配在相对于转子轴线200c同心地布置的驱动轴300上。压缩机400和涡轮机500在此通过两个退耦装置600a，600b彼此分离地并进而也与电动机/发电机单元200分离地布置。为了简化视图，在此既没有示出电动机/发电机单元200的电接口也没有示出其余的介质供应口或者排放口。
图2示出了根据图1的设备的运行。相同的参考标号在此表示相同的部件。为涡轮机500输送热的废气流510，其驱动了在此没有详细地示出的涡轮机叶轮500a(参考图1)以及进而还驱动了驱动轴300。同时随驱动轴300一起也使压缩机叶轮400a运动(参考图1)，并且由输送给压缩机400的未经压缩的空气410产生压缩的空气流410’。由于驱动轴300旋转，转子200b也旋转并且在定子200a中感应出电压U，该电压能够通过接线柱200d分接出。
通过在此进一步设置的冷却单元130，为电动机/发电机单元200或者其壳体供应冷却介质130a并且对其进行冷却。变热的冷却介质130b从电动机/发电机单元200中排出，并且吸收的热量例如通过在此没有详细示出的热交换器被再次排出。再次被冷却的冷却介质130a以循环过程再次被输送给电动机/发电机单元200，以用于冷却。
图3示出了驱动系统110，其包括根据图1和2的设备100。相同的参考标号在此表示相同的部件。驱动系统110具有主机2，其包括燃烧系统800。该燃烧系统800尤其是柴油发动机，为燃烧系统供应燃料流900，尤其是由柴油和压缩的空气流410’构成的燃料流，该压缩的空气流由压缩机400提供并且通过仅仅示意性地示出的供给装置412输送给燃烧系统800。在燃烧系统800中实现了燃料与压缩空气中的氧气的燃烧，其中形成较热的废气流510。热的废气流510驱动涡轮机500的涡轮机叶轮500a并且作为废气流510’从涡轮机500中逸出，该废气流具有与热的废气流510相比较小的能量。未压缩的空气410通过仅仅示意性地示出的空气输送装置411提供给压缩机。
图4示出了例如用于大型集装箱船舶的、具有废热回收系统的极示意性的第一船舶驱动系统1的形式的、根据本发明的驱动系统的应用实例。在DE102006020144A1中公开的船舶驱动系统的基础上集成了根据图3的驱动系统100。与图1至3中相同的参考标号表示相同的部件。
第一船舶驱动系统1的驱动系统具有设计成慢速运行的二冲程柴油发动机的主机2，其通过螺旋桨轴3与船舶螺旋桨4连接，以用于驱动船舶。
船载电网5用于为船载的电设备和系统提供电能。在此区分关键的耗电器6和不关键的耗电器7(例如酒店负载)，关键的耗电器的断开导致船载系统的断电，不关键的耗电器不导致断电。出于简明起见，在图4中相应地仅仅示出唯一的关键耗电器6和唯一的不关键耗电器7。在实践中，相应地由船载电网5为更多的这种类型的耗电器6，7供电。
为了产生用于船载电网5的能量而设置有多个发电机8，其相应地由比主机2运行更快的辅机9驱动。辅机9通常是快速运行的、具有例如直至5MW功率的四冲程柴油发动机。通常，发电机8和柴油发动机9相应地组合成柴油发电机设施10。
从主机2的在此没有详细地示出的燃烧系统流出的、热的废气流510输送给设备100的涡轮机500。由压缩机400随后提供的压缩的空气流410’输送给主机2的燃烧系统并且在那里与燃料流900共同燃烧成为热的废气510。
电动机/发电机单元200通过变流器51’和变压器35’与船载电网5连接。变流器51’设计为直流电压中间电路变流器并且由发动机侧的整流器13’和电网侧的整流器14’构成。
在电动机式运行向发电机式运行转换期间，中间电路电容器52’将电能输入到船载电网5中，从而使船载电网5的电压和频率不低于相应的预设的极限值。为此，使从电动机式运行转换至发电机式运行的时间和中间电路电容器52’的在转换时间中能够输入到船载电网5中的能量方面的规格确定彼此协调。
用于电动机/发电机单元200的激励电流IE’同样从船载电网5获得并且通过激励整流器15’控制和调节。通过优选地以数字技术实施的控制和调节系统16’实现由变流器51’和激励整流器15’控制和调节电动机/发电机单元200。整流器13’、另外的整流器14’和激励整流器15’在此同样能够通过控制和调节系统16’彼此不相关地进行控制和调节。
用于电动机/发电机单元200的冷却单元130在此出于更好视图的目的而没有示出。
附加地，废热回收系统20将主机2的、通过从涡轮机500逸出的能量较少的废气流510’提供的余热转换成用于船载电网5的电能。为此，来自能量较少的废气流510’的热量通过热交换器21传输到未详细示出的蒸汽循环，蒸汽涡轮机22连接到该蒸汽循环中，该蒸汽涡轮机与涡轮发电机23耦联。由涡轮发电机23产生的电能被输送到船载电网5中。
软件控制的能量管理系统30负责根据需求为不同的耗电器6，7提供电能，并且其根据要求和可用的功率通过开关31，32，32’，33，33’将各个耗电器6，7、柴油发电机组10、涡轮发电机23或者电动机/发电机单元200与船载电网5接通或者断开。为此，功率管理系统30通过控制线路34，34’或者另外的连接与开关31，32，32’，33’、柴油发电机设施10、控制和调节系统16’以及废热回收系统20的、在此未详细示出的控制和调节系统连接。此外，在主机2的未详细示出的控制和调节系统与控制和调节系统16’之间存在通信连接17，以便尽可能快速和高效地向控制和调节系统16’报告例如在螺旋桨4离开水中时的快速的负载变化。
在运行船舶驱动系统1时的首要目的是将由设备100和废热回收系统200提供的全部电能输送到船载电网5中。一旦电动机/发电机单元200和/或涡轮发电机23将能量输入到船载电网中，那么就通过能量管理系统30对柴油发电机组10去负载，并且如果可能，甚至断开。通过该措施能够明显地减少燃料和运行成本以及柴油发电机组10的排放。
有利的是，电动机/发电机单元200不仅在电动机式运行中而且在发电机式运行中都是转矩调节的并且因此与获得或者输出的电功率成比例地被调节。
在对主机有高负载要求时，电动机/发电机单元200以电动机式运行来运行并且被输入来自船载电网3的电能，以便继续对驱动轴300(参考图1)进行加速并且由此尽可能快速地提供短时需要的大量压缩空气。
图5示出了例如用于大型集装箱船舶的、具有废热回收系统的极示意性地示出的第二船舶驱动系统1’的形式的、根据本发明的驱动系统的另外的应用实例。在DE102006020144A1中公开的船舶驱动系统的基础上集成了根据图3的驱动系统100。与图1至4中的相同的参考标号表示相同的部件。
第二船舶驱动系统1’的驱动系统具有构造成慢速运行的二冲程柴油发动机的主机2，其通过螺旋桨轴3与船舶螺旋桨4连接，以用于驱动船舶。
船载电网5在此也再次用于为船载的电设备和系统提供电能。在此区分关键的耗电器6和不关键的耗电器7(例如酒店负载)，关键的耗电器的断开导致船载系统的断电，并且不关键的耗电器不导致船载系统的断电。出于简明起见，在图5中相应地仅仅示出唯一的关键耗电器6和唯一的不关键耗电器7。在实践中，相应地由船载电网5为大量的这种类型的耗电器6，7供电。
为了产生用于船载电网5的能量而设置有多个发电机8，其分别由比主机2运行更快的辅机9驱动。辅机9通常是快速运行的、具有例如直至5MW功率的四冲程柴油发动机。通常，发电机8和柴油发动机9相应地组合成柴油发电机设施10。
轴发电机/电动机11与螺旋桨轴3机械地耦联并且通过变流器51和变压器35与船载电网5电连接。变流器51设计成直流电压中间电路变流器并且由发动机侧的整流器13和电网侧的整流器14构成。
在电动机式运行向发电机式运行转换期间，中间电路电容器52将电能输入到船载电网5中，从而使船载电网5的电压和频率不低于相应的预设的极限值。为此，使从电动机式运行转换至发电机式运行的时间和中间电路电容器52的在转换时间中能够输入到船载电网5中的能量方面的规格确定彼此协调。
轴发电机/电动机11设计成慢速运行的同步电机并且优选地直接地在没有中间连接的变速装置的情况下对螺旋桨轴3产生作用。轴发电机/电动机11但是也可以通过变速装置与螺旋桨轴3耦联或者与主机2的曲柄轴耦联，也就是连接在远离螺旋桨轴3的端部处。
用于轴发电机/电动机11的激励电流IE同样从船载电网5获得并且通过激励整流器15控制和调节。
通过控制和调节穿过变流器51的电能量流以及控制和调节激励电流IE，轴发电机/电动机11也可以或者作为电动机或者作为发电机运行。在电动机式运行中，此时来自船载电网5的电能转换成机械能，以驱动船舶螺旋桨4。在船载电网5中的功率储备因此可以用于增大船舶的驱动功率，由此或者能够提高船舶航速或者在保持相同的船舶航速的情况下能够为主机2去负载。在发电机式运行中，螺旋桨轴3的机械能转换成用于船载电网5的电能。由此，主机2的功率储备能够用于产生用于船载电网5的能量。优选地，轴发电机/电动机11的额定功率为主机2的额定功率的至少5％。
通过优选以数字技术实施的控制和调节系统16实现经由变流器51和激流整流器15控制和调节轴发电机/电动机。整流器13、另外的整流器14和激励整流器15在此同样能够通过控制和调节系统16彼此不相关地进行控制和调节。
为此，控制和调节系统16通过没有详细示出的测量装置检测轴发电机/电动机的转速、电动机电压、电动机频率、中间电路电流、电网电压和电网频率。
从主机2的没有详细地示出的燃烧系统流出的、热的废气流510输送给设备100的涡轮机500。由压缩机400随后提供的压缩的空气流410’输送给主机2的燃烧系统并且在那里与燃料流900共同燃烧成为热的废气510。
电动机/发电机单元200通过另外的变流器51’和另外的变压器35’与船载电网5连接。用于电动机/发电机单元200的激励电流IE’同样从船载电网5获得并且通过另外的激励整流器15’来控制和调节。
通过另外的控制和调节系统16’实现经由另外的变流器51’和另外的激励整流器15’控制和调节电动机/发电机单元200。另外的变流器51’与变流器51一样地构造并且包括另外的整流器13’，14’。另外的整流器13’，另外的整流器14’和另外的激励整流器15’在此同样能够通过控制和调节系统16’彼此不相关地进行控制和调节。
此外，在主机2的未详细示出的控制和调节系统与控制和调节系统16’之间存在通信连接17，以便尽可能快速和高效地向控制和调节系统16’报告例如在螺旋桨4离开水中时的快速的负载变化。
另外的通信电缆17’连接了这两个控制和调节系统16，16’，以便在此实现直接和高效的相互干预。
用于电动机/发电机单元200的冷却单元130在此为更好的视图而没有示出。
附加地，废热回收系统20将主机2的、通过从涡轮机500逸出的能量较少的废气流510’提供的余热转换成用于船载电网5的电能。为此，来自能量较少的废气流510’的热量通过热交换器21传输到未详细示出的蒸汽循环，蒸汽涡轮机22连接到该蒸汽循环中，该蒸汽涡轮机与涡轮发电机23耦联。由涡轮发电机23产生的电能被输送到船载电网5中。
软件控制的能量管理系统30负责根据需求为不同的耗电器6，7提供电能并且根据要求和可用的功率通过开关31，32，32’，33，33’将各个耗电器6，7、柴油发电机组10、涡轮发电机23、轴发电机/电动机11或者电动机/发电机单元200与船载电网5接通或者断开。为此，功率管理系统30通过控制线路34，34’或者另外的连接与开关31，32，32’，33，33’、柴油发电机设施10、控制和调节系统16、另外的控制和调节系统16’以及废热回收系统20的、在此没有详细示出的控制和调节系统连接。
在运行船舶驱动系统1时的首要目的是将由设备100和废热回收系统20提供的全部电能输送到船载电网5中。一旦电动机/发电机单元200和/或涡轮发电机23将能量输入到船载电网中，那么就通过能量管理系统30为柴油发电机组10去负载，并且如果可能，甚至断开。通过该措施能够明显地减少燃料和运行成本以及柴油发电机组10的排放。
如果电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20甚至产生比船舶耗电器6，7所需要的更多的能量，那么利用该过剩能量以电动机式运行来运行轴发电机/电动机11，并因此将附加的驱动力输出到螺旋桨轴3上。因此，在该运行情况中仅仅电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20将电能输入到船载电网中；相反，切断柴油发电机组10。
然而，例如在干扰的情况中非计划停止通过电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20产生能量，会因此导致船载电网5的电压和频率的中断，带来的结果是关键的和不关键的耗电器6，7的安全性断开，以及因此导致船舶的停电，因为这会持续几秒钟直至柴油发电机组10启动并且提供用于船载电网5的能量供给。
为了避免这种情况，轴发电机/电动机11在信号通知了干扰之后的小于1秒钟的时间内从电动机式运行切换到发电机式运行。在切换时间期间，船载电网5的能量需求由在中间电路电容器52，52’中存储的能量提供。该能量短时地承担对关键的耗电器6的能量供给并且为此将能量输入到船载电网5中，而且这样地实现，即船载电网5的电压和频率不低于相应预设的极限值。该极限值在此如此地选择，即避免关键的耗电器6的可能导致船舶停电的安全性断开。为此，使转换时间和中间电路电容器52，52’的在转换时间期间的能量输出能力彼此协调。
短的转换时间一方面能够由此实现，即电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20通过直接的线路连接36，也就是在绕开软件控制的能量管理系统30的情况下向控制和调节系统16，16’以信号告知干扰。因此可以避免信号传输中的由于能量管理系统30的软件引起的延迟。
控制和调节系统16为此具有信号输入端，其通过线路连接36，即通过“硬”布线直接与电动机/发电机单元200和废热回收系统20的用于干扰触发的信号发射器连接。在该实施例中，信号发射器是开关32，32’的未详细示出的无电位的辅助触点，其在干扰时断开，从而将电动机/发电机单元200和/或涡轮发电机23与船载电网5分开。
此外，这类短的转换时间能够由此实现，即在从电动机式运行向发电机式运行转换时，整流器13，13’，14，14’和激励整流器15，15’的控制没有脉冲断开地，即仅通过改变接通时间点以及进而改变整流器阀的接通持续时间来实现。在使用闸流晶体管作为整流器阀时，在此通常仅仅通过所谓的控制角α来控制接通时间点。在使用GTOs，IGBTs或者IGCTs时不仅可以控制接通时间点也可以控制切断时间点。
没有脉冲断开地对整流器阀进行这类控制能够由此实现，即在电动机式运行和发电机式运行中，控制和调节系统16以相同的调节类型通过变流器51和整流器15调节轴发电机/电动机11，或者控制和调节系统16’以相同的调节类型通过变流器51’和整流器15’调节电动机/发电机单元200。由此能够避免在从电动机式运行向发电机式运行过渡时的脉冲断开以及由此引起的延迟，其例如在对于电动机式运行和发电机式运行有不同的调节类型中必然发生。
有利的是，轴发电机/电动机11以及还有电动机/发电机单元200不仅在电动机式运行中而且也在发电机式运行中进行转矩调节并且因此与获取的或者输出的电功率成比例地转矩调节，因为转速较慢地变化。
在对主机有高负载要求时，电动机/发电机单元200以电动机式运行来运行并且输入来自船载电网5的电能，以便继续对驱动轴300(参见图1)进行加速并由此尽可能快速地提供短时需要的大量压缩空气。
图6示出了例如用于大型集装箱船舶的、具有废热回收系统的极示意性地示出的第三船舶驱动系统1”的形式的、根据本发明的驱动装置的应用实例。在DE102006020144A1中公开的船舶驱动系统的基础上集成根据图3的驱动系统100。与图1至5中的相同的参考标号表示相同的部件。
第三船舶驱动系统1”的驱动系统具有构造成慢速运行的二冲程柴油发动机的主机2，其通过螺旋桨轴3与船舶螺旋桨4连接，以用于驱动船舶。
船载电网5用于为船载的电设备和系统提供电能。在此区分关键的耗电器6和不关键的耗电器7(例如酒店负载)，其中该关键的耗电器的断开导致船载系统的断电，并且不关键的耗电器不导致船载系统的断电。出于清晰的原因，在图4中相应地仅仅示出唯一的关键耗电器6和唯一的不关键耗电器7。在实践中，相应地由船载电网5为大量的这种类型的耗电器6，7供电。
为了产生用于船载电网5的能量而设置有多个发电机8，其分别由比主机2运行更快的辅机9驱动。辅机9通常是快速运行的、具有例如直至5MW功率的四冲程柴油发动机。通常，发电机8和柴油发动机9相应地组合成柴油发电机设施10。
轴发电机/电动机11与螺旋桨轴3机械地耦联并且通过变流器51和变压器35与船载电网5电连接。变流器51设计成直流电压中间电路变流器并且由发动机侧的整流器13和电网侧的整流器14构成。
在电动机式运行向发电机式运行转换期间，中间电路电容器52将电能输入到船载电网5中，从而使船载电网5的电压和频率不低于相应的预设的极限值。为此，使从电动机式运行转换至发电机式运行的时间和中间电路电容器52的在转换时间中能够输入到船载电网5中的能量方面的规格确定彼此协调。
轴发电机/电动机11设计成慢速运行的同步电机并且优选地直接地在没有中间连接的变速装置的情况下对螺旋桨轴3产生作用。轴发电机/电动机11但是也可以通过变速装置与螺旋桨轴3耦联或者与主机2的曲柄轴耦联，也就是连接在远离螺旋桨轴3的端部处。
用于轴发电机/电动机11的激励电流IE同样从船载电网5获得并且通过激励整流器15控制和调节。
通过控制和调节穿过变流器51的电能量流以及控制和调节激励电流IE，轴发电机/电动机11也可以或者作为电动机或者作为发电机运行。在电动机式运行中，此时来自船载电网5的电能转换成机械能，以驱动船舶螺旋桨4。在船载电网5中的功率储备因此可以用于增大船舶的驱动功率，由此或者能够提高船舶航速或者在保持相同的船舶航速的情况下能够为主机2去负载。在发电机式运行中，螺旋桨轴3的机械能转换成用于船载电网5的电能。由此，主机2的功率储备能够用于产生用于船载电网5的能量。优选地，轴发电机/电动机11的额定功率为主机2的额定功率的至少5％。
通过共同的、优选以数字技术实施的控制和调节系统16实现经由变流器51和激流整流器15控制和调节轴发电机/电动机。整流器13、另外的整流器14和激励整流器15在此同样能够通过控制和调节系统16彼此不相关地进行控制和调节。
为此，控制和调节系统16通过没有详细示出的测量装置检测轴发电机/电动机的转速，电动机电压，电动机频率，中间电路电流，电网电压和电网频率。
从主机2的没有详细地示出的燃烧系统流出的、热的废气流510输送给设备100的涡轮机500。由压缩机400随后提供的压缩的空气流410’输送给主机2的燃烧系统并且在那里与燃料流900共同燃烧成为热的废气510。
电动机/发电机单元200通过另外的变流器51’和另外的变压器35’与船载电网5连接。用于电动机/发电机单元200的激励电流IE’同样从船载电网5获得并且通过另外的激励整流器15’来控制和调节。通过另外的控制和调节系统16’实现通过另外的变流器51’和另外的激励整流器15’对电动机/发电机单元200进行控制和调节。另外的变流器51’如变流器51一样设计并且包括另外的整流器13’、整流器14’。另外的整流器13’，另外的整流器14’和另外的激励整流器15’在此同样能够通过另外的控制和调节系统16’彼此不相关地进行控制和调节。
用于电动机/发电机单元200的冷却单元130在此为更好的视图而没有示出。
附加地，废热回收系统20将主机2的、通过从涡轮机500逸出的能量较少的废气流510’提供的热量转换成用于船载电网5的电能。为此，来自能量较少的废气流510’的热量通过热交换器21传输给未详细示出的蒸汽循环，蒸汽涡轮机22连接到该蒸汽循环中，该蒸汽涡轮机与涡轮发电机23耦联。由涡轮发电机23产生的电能被输送到船载电网5中。
软件控制的能量管理系统30负责根据需求地为不同的耗电器6，7提供电能并且根据要求和可用的功率通过开关31，32，32’，33，33’将各个耗电器6，7、柴油发电机组10、涡轮发电机23、轴发电机/电动机11或者电动机/发电机单元200与船载电网5接通或者断开。功率管理系统30为此通过控制线路34，34’或者另外的通信连接与开关31，32，32’，33，33’、柴油发电机设施10、控制和调节系统16、以及废热回收系统20的、在此没有详细示出的控制和调节系统连接。
在运行船舶驱动系统1时的首要目的是将由设备100和废热回收系统20提供的全部电能输送到船载电网5中。一旦电动机/发电机单元200和/或涡轮发电机23将能量输入到船载电网中，那么就通过能量管理系统30为柴油发电机组10去负载，并且如果可能，甚至断开。通过该措施能够明显地减少燃料和运行成本以及柴油发电机组10的排放。
如果电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20甚至产生比船舶耗电器6，7所需要的更多的能量，那么利用该过剩能量以电动机式运行来运行轴发电机/电动机11并因此将附加的驱动力输出到螺旋桨轴3上。因此，在该运行情况中仅仅电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20将电能输入到船载电网中；相反，切断柴油发电机组10。
然而，例如在干扰的情况中非计划停止通过电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20产生能量，会因此导致船载电网5的电压和频率的中断，带来的结果是关键的和不关键的耗电器6，7的安全性断开，以及因此导致船舶的停电，因为这会持续几秒钟直至柴油发电机组10启动并且提供用于船载电网5的能量供给。
为了避免这种情况，轴发电机/电动机11在信号通知了干扰之后的小于1秒钟的时间内从电动机式运行切换到发电机式运行。在切换时间期间，船载电网5的能量需求由在中间电路电容器52，52’中存储的能量提供。其短时地承担对关键的耗电器6的能量供给并且为此将能量输入到船载电网5中，而且这样地实现，即船载电网5的电压和频率不低于相应预设的极限值。该极限值在此如此地选择，即避免关键的耗电器6的可能导致船舶停电的安全性断开。为此，使转换时间和中间电路电容器52，52’的在转换时间期间的能量输出能力彼此协调。
短的转换时间一方面能够由此实现，即电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20通过直接的线路连接36，也就是在绕开软件控制的能量管理系统30的情况下向控制和调节系统16，16’以信号告知干扰。因此可以避免信号传输中的由于能量管理系统30的软件引起的延迟。
控制和调节系统16为此具有信号输入端，其通过线路连接36，也就是通过“硬”布线直接与电动机/发电机单元200和/或废热回收系统20的用于干扰触发的信号发射器连接。在该实施例中，信号发射器是开关32，32’的未详细示出的无电位的辅助触点，其在干扰时断开，从而将电动机/发电机单元200和/或涡轮发电机23与船载电网5分开。
此外，这类短的转换时间能够由此实现，即在从电动机式运行向发电机式运行转换时，整流器13，13’，14，14’和激励整流器15，15’的控制没有脉冲断开地，即仅通过改变接通时间点以及进而改变整流器阀的接通持续时间来实现。在使用闸流晶体管作为整流器阀时，在此通常仅仅通过所谓的控制角α来控制接通时间点。在使用GTOs，IGBTs或者IGCTs时不仅可以控制接通时间点也可以控制切断时间点。
没有脉冲断开地对整流器阀进行这类控制能够由此实现，即在电动机式运行和发电机式运行中，控制和调节系统16以相同的调节类型通过变流器51和整流器15调节轴发电机/电动机11，或者通过变流器51’和整流器15’调节电动机/发电机单元200。由此能够避免在从电动机式运行向发电机式运行过渡时的脉冲断开以及由此引起的延迟，其例如在对于电动机式运行和发电机式运行有不同的调节类型中必然发生。
有利的是，轴发电机/电动机11以及还有电动机/发电机单元200不仅在电动机式运行中而且也在发电机式运行中进行转矩调节并且因此与获取的或者输出的电功率成比例地转矩调节，因为转速较慢地变化。
在对主机有高负载要求时，电动机/发电机单元200以电动机式运行来运行并且输入来自船载电网5的电能，以便继续对驱动轴300(参见图1)进行加速并由此尽可能快速地提供短时需要的大量压缩空气。
设备100在此能够不仅仅如在图4至6中所示的那样使用主机2的废气流。辅机9的废气流也可以-单独或者共同地-输送给至少一个另外的设备100，从而在相应的电动机/发电机单元的发电机式运行中提供电能，其能够输入到船载电网5中，或者在电动机式运行中能够对辅机9的负载变换做出反应并且短时提供辅机9所需要的压缩空气量。
此外，取代中间电路电容器52，52’也可以使用直流中间电路，如在根据DE102006020144A1的实施方案中所示出的那样。

Claims (10)

1.一种设备(100)，包括：
-能由电动机式运行切换到发电机式运行并且反向切换的电动机/发电机单元(200)，所述电动机/发电机单元具有定子(200a)和转子(200b)，所述转子具有转子旋转轴线(200c)，以及具有相对于所述转子旋转轴线(200c)同心地布置的并且与所述转子(200b)连接的驱动轴(300)，
-压缩机(400)，具有用于压缩空气(410)的能旋转的压缩机叶轮(400a)，其中，所述压缩机叶轮(400a)在所述转子(200b)的一侧装配在相对于转子轴线(200c)同心地布置的所述驱动轴(300)上；以及
-涡轮机(500)，所述涡轮机包括能够由废气流(510)驱动的涡轮机叶轮(500a)，所述涡轮机叶轮在所述转子(200b)的与所述压缩机叶轮(400a)相对置的一侧装配在同心地相对于所述转子轴线(200c)布置的所述驱动轴(300)上，并且
其中，所述压缩机(400)和所述涡轮机(500)通过至少一个退耦装置(600a，600b)彼此退耦地布置，
其中，存在至少两个所述退耦装置(600a，600b)，其中所述退耦装置(600a，600b)的第一退耦装置(600a)布置在所述压缩机(400)和所述电动机/发电机单元(200)之间，并且第二退耦装置(600b)布置在所述涡轮机(500)和所述电动机/发电机单元(200)之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电动机/发电机单元(200)与变流器(51’)电连接，并且其中，所述变流器(51’)与变压器(35’)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，存在用于对所述电动机/发电机单元(200)进行冷却的至少一个冷却单元(130)。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述电动机/发电机单元(200)是基于高温超导的机器，并且设置所述至少一个冷却单元(130)对所述机器进行冷却。
5.一种特别是用于船舶的驱动系统(110)，包括：
-至少一个根据权利要求1至4中任一项所述的设备(100)，
-至少一个燃烧系统(800)，用于在产生废气流(510)的情况下燃烧燃料流(900)和压缩的空气流(410’)，所述废气流用于供给到至少一个所述设备(100)的(这些)所述涡轮机(500)中并且用于驱动相应的压缩机叶轮(500a)，
-空气输送装置(411)，用于将未压缩的空气(410)输送给至少一个所述设备(100)的所述压缩机(400)，以及
-供给装置(412)，用于使借助所述压缩机叶轮(400a)由所述未压缩的空气(410)形成的压缩的空气流(410’)输送给至少一个所述燃烧系统(800)。
6.根据权利要求5所述的驱动系统，其中，所述燃烧系统(800)是内燃机。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的驱动系统，其中，所述燃烧系统(800)形成了主机或者辅机(2，9)的一部分。
8.一种船舶，包括根据权利要求5至7中任一项所述的驱动系统(110)以及船载电网(5)，其中，至少一个所述设备(100)的所述电动机/发电机单元(200)与所述船载电网(5)相连，使得在发电机式运行时实现了能量向所述船载电网(5)的供给并且在电动机式运行时实现了从所述船载电网(5)获取能量。
9.一种用于运行根据权利要求5至7中任一项所述的驱动系统(110)的方法，包括以下步骤：通过使燃料流(900)和压缩空气(410’)彼此混合燃烧，借助燃烧系统(800)产生废气流(510)；在产生电能的情况下，以发电机式运行来运行至少一个设备(100)的电动机/发电机单元(200)，其中，为涡轮机(500)供给废气流(510)，并且在形成压缩空气(410’)的情况下驱动涡轮机叶轮(500a)以及由此同时驱动压缩机叶轮(400a)；将借助所述电动机/发电机单元(200)产生的电能供给到电网中，尤其是船载电网(5)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述燃烧系统(800)有自发负载要求的情况中，实现从发电机式运行到电动机式运行的切换，其中，为所述电动机/发电机单元(200)输送电能，其中，加速所述驱动轴(300)，并且其中形成所述压缩空气(410’)的提高了的量。
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