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Die
Erfindung betrifft eine Turbomaschine für Tieftemperaturanwendungen
mit einem Gehäuse,
einer in dem Gehäuse
gelagerten Rotorwelle, einem an einem Wellenende der Rotorwelle
angeordneten und von einem kalten Gas beaufschlagten Laufrad und
einer im Gehäuse
integrierten elektrischen Maschine, die einen auf der Rotorwelle
angeordneten Läufer und
im Gehäuse
angeordnete Statorwicklungen aufweist, wobei sich beim Betrieb der
Turbomaschine innerhalb des Gehäuses
am laufradseitigen Ende eine kalte Zone und an dem vom Laufrad abgewandten Ende
eine warme Zone ausbildet.
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Turbomaschinen
mit den genannten Merkmalen sind aus der Druckschrift
DE 103 10 677 A1 und in
verschiedenen Ausführungen
der Praxis bekannt und werden beispielsweise zur Verdichtung und
zum Transport von verdampfendem Flüssiggas (LNG) oder zum Entspannen
von Gasen bei der kryogenen Zerlegung von Luft eingesetzt. Dabei
arbeitet die elektrische Maschine entweder als Antriebsmotor eines
Turboverdichters oder als energierückgewinnender Stromgenerator
zur Abbremsung einer Expansionsturbine. Turbomaschinen, bei denen
das Laufrad und der Läufer
der elektrischen Maschine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet
sind, werden mit hohen Drehzahlen betrieben, woraus eine beachtliche
Wärmeentwicklung
sowohl in der elektrischen Maschine als auch in den Wellenlagern
resultiert. Durch den Betrieb der Turbomaschine mit Gasen im Tieftemperaturbereich
können
große
Temperaturgradienten im Gehäuse
auftreten, wobei der Temperaturverlauf abhängig ist von der Betriebsweise
der Turbomaschine. So wird, z. B. im Volllastbetrieb, bei maximaler
Betriebsdrehzahl die nicht unerhebliche Wärmeentwicklung in der elektrischen
Maschine sowie in den Lagern insbesondere am freien Wellenende zu
einer erheblichen Aufheizung führen, die
eine Kühlung
erfordert, um Lager und Teile der elektrischen Maschine vor einer
thermischen Überhitzung
zu schützen.
Im Teillastbetrieb hingegen, also bei geringer Leistung der elektrischen
Maschine mit eventuell reduzierter Drehzahl, wird das laufradseitige
Ende der elektrischen Maschine sowie das laufradseitige Lager extrem
abgekühlt,
und zwar durch den Wärmeaustausch
vom Gehäuseinnern
der elektrischen Maschine und vom Lager hin zur Tieftemperaturstufe
der Turbomaschine. Hinzu kommen etwaige Kaltgas-Leckagen aus der Turbomaschinenstufe
in das angeflanschte Gehäuse
der elektrischen Maschine. Falls dann für die verwendeten Werkstoffe in
der elektrischen Maschine und in den Lagern eine erlaubte Mindesttemperatur
unterschritten wird, muss dieser Bereich erwrärmt werden.
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Zum
Kühlen
und Aufwärmen
steht in der Regel nur eine Druckgasquelle zur Verfügung, etwa
Instrumentenluft, Sperrstickstoff oder sauberes Prozessgas, welches
zumeist mit einer Temperatur zwischen 10°C und 40°C zur Verfügung steht. Das als Druckgasquelle
zur Verfügung
stehende Gas, sei es Instrumentenluft, Sperrstickstoff oder Prozessgas,
ist zum effektiven Kühlen
zu warm und zum effektiven Aufheizen zu kalt. Sowohl zum Erwärmen der
kalten Zone als auch zum Kühlen
der warmen Zone des Gehäuses
ist ein beachtlicher Druckgasmengenstrom notwendig, der die Betriebskosten
der Turbomaschine negativ beeinflusst oder sogar Zusatzinvestitionen für eine Druckgasmengenproduktion
notwendig macht.
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Aus
der Druckschrift
US 4 792 278 ist
eine Turbomaschine bekannt, die als mehrstufiger Turboexpander ausgeführt ist.
Der Turboexpander weist eine in einem Gehäuse gelagerte Rotorwelle mit
zwei endseitigen Laufrädern
und einem auf die Welle aufgesetzten Läufer auf, der zusammen mit
Statorwicklungen im Gehäuse
als Generator arbeitet. Ein Druckgas wird zunächst in einer ersten Turbinenstufe und
nachfolgend in einer zweiten Turbinenstufe eines der Laufräder expandiert,
wobei das Gas unter Druckabfall den Generator antreibt und abgekühlt wird.
Das Gas wird zunächst
an dem der Welle zugeordneten Ende des Laufrades durch die erste
Expansionsstufe und nachfolgend am vorderen Ende des Laufrades durch
die zweite Expansionsstufe geführt. Der
durch die erste Expansionsstufe geführte Gasstrom kühlt das
Laufrad und isoliert den durch die zweite Expansionsstufe geführten Gasstrom
von dem Gehäuse.
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Die
Druckschrift
US 5 980 218 betrifft
einen zweistufigen Kompressor mit einer in einem Gehäuse gelagerten
Rotorwelle. Die die Welle antreibende elektrische Maschine ist von
einem auf der Rotorwelle angeordneten Läufer und einer im Gehäuse angeordneten
Statorwicklung gebildet. An den Enden der Rotorwelle ist jeweils
ein Laufrad angeordnet. Aus der Umgebung angesaugte Luft wird in
einer ersten Kompressionsstufe komprimiert und in einem Gaskühler abgekühlt. Ein
Teil des in der ersten Kompressionsstufe komprimierten und nachfolgend
abgekühlten
Gases wird als Kühlgasstrom über Bypass-Ventile
zur Kühlung
der elektrischen Maschine in das Gehäuse geleitet. Das Kühlgas durchströmt die elektrische
Maschine im Wesentlichen radial und wird durch Auslassöffnungen
zu dem Vorlauf der ersten Kompressionsstufe geleitet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Turbomaschine mit den
eingangs beschriebenen Merkmalen eine Einrichtung anzugeben, welche die ' für den Temperaturausgleich
im Gehäuse
notwendige Druckgasmenge für
alle Betriebsbedingungen der Turbomaschine automatisch minimiert.
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Gegenstand
der Erfindung und Lösung
dieser Aufgabe ist eine Turbomaschine für Tieftemperaturanwendungen
mit
einem Gehäuse,
einer
in dem Gehäuse
gelagerten Rotorwelle,
einem an einem Wellenende der Rotorwelle
angeordneten und von einem kalten Gas beaufschlagten Laufrad und
einer
im Gehäuse
integrierten elektrischen Maschine, die einen auf der Rotorwelle
angeordneten Läufer und
im Gehäuse
angeordnete Statorwicklungen aufweist,
wobei sich beim Betrieb
der Turbomaschine innerhalb des Gehäuses am laufradseitigen Ende
eine kalte Zone und an dem vom Laufrad abgewandten Ende eine warme
Zone ausbildet, wobei das Gehäuse
mindestens zwei Druckgasanschlüsse
für ein
Druckgas aufweist, von denen ein Anschluss an einem der kalten Zone
zugeordneten Gehäuseabschnitt
und der andere Anschluss an einem der warmen Zone zugeordneten Gehäuseabschnitt
angeordnet ist, wobei den Druckgasanschlüssen jeweils eine Ventileinrichtung
zugeordnet ist, die den Druckgasanschluss wechselweise mit einer
Druckgaszuleitung oder einer Abströmleitung verbindet, und wobei
die Ventileinrichtungen an eine Steuereinrichtung angeschlossen sind,
welche nach Maßgabe
der in der kalten Zone und der warmen Zone auftretenden Temperaturen die
Durchströmungsrichtung
für das
Druckgas festlegt und die Ventileinrichtungen entsprechend steuert.
Zum Abbau einer Überhitzung
in der warmen Zone, z. B. im Volllastbetrieb, strömt das Druckgas durch
den der kalten Zone zugeordneten Druckgasanschluss in das Gehäuse ein
und verlässt
das Gehäuse
durch den Druckgasanschluss in der warmen Zone. Das einströmende Druckgas
wird durch die kalte Umgebung der kryogenen Turbomaschinenstufe
und durch etwaige Kaltgasleckagen aus dieser Stufe zunächst weiter
abgekühlt,
bevor es die überhitzten
Bereiche der elektrischen Maschine und der Lager erreicht und diese
somit effektiver, das heißt mit
geringerer Gasmenge, abkühlt.
Zum Zwecke einer Erwärmung
der kalten Zone, z. B. im Teillastbetrieb der Turbomaschine, sind
die Ventileinrichtungen so geschaltet, dass das Druckgas durch den
der warmen Zone zugeordneten Druckgasanschluss in das Gehäuse einströmt und das
Gehäuse
durch den Druckgasanschluss in der kalten Zone verlässt. Das in
das Gehäuse
einströmende
Druckgas wird in diesem Fall durch die warme Umgebung der elektrischen
Maschine zunächst
weiter aufgeheizt, bevor es die unterkühlten Bereiche der elektrischen
Maschine sowie der Lagerung erreicht und diese somit effektiver,
das heißt
mit geringerer Gasmenge, erwärmt.
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Die
Rotorwelle, die Statorwicklungen der elektrischen Maschine und Lager
an beiden Enden der Rotorwelle stehen mit dem Druckgas im Wärmeaustausch.
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Die
dem Gehäuse
zugeführte
Druckgasmenge wird temperaturabhängig
so geregelt, dass im Volllastbetrieb die Temperatur in der warmen
Zone innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches bleibt und
sich im Teillastbetrieb in der kalten Zone eine Temperatur einstellt,
die ebenfalls innerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters liegt.
In der Druckgaszuleitung ist daher vorzugsweise ein Regelventil
zur Regelung des Gasmengenstroms in Abhängigkeit der in der kalten
Zone und warmen Zone auftretenden Temperaturen angeordnet.
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Die
Ventileinrichtungen können
als 3-Wege-Ventile ausgebildet sein, die mittels Leitungen jeweils
mit einem Druckgasanschluss des Gehäuses, der Druckgaszuleitung
und der Abströmleitung
verbunden sind.
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In
weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass das Gehäuse in einem
mittleren Gehäuseabschnitt
zwischen der warmen Zone und der kalten Zone einen dritten Druckgasanschluss
aufweist, der mit der Druckgaszuleitung verbunden ist, wobei in der
Verbindungsleitung zwischen dem dritten Druckgasanschluss und der
Druckgaszuleitung ein von der Steuereinrichtung geschaltetes Auf/Zu-Ventil
angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht auch eine symmetrische
Gasverteilung des Druckgases innerhalb des Gehäuses.
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Eine
symmetrische Gasverteilung stellt sich ein, wenn das Druckgas bei
geöffnetem
Ventil durch den dritten Druckgasanschluss in das Gehäuse eingespeist
wird und die Ventileinrichtungen der beiden anderen Druckgasanschlüsse so geschaltet
sind, dass ein Teil des Druckgases den Druckgasanschluss in der
kalten Zone und ein anderer Teil des Druckgases den Druckgasanschluss
in der warmen Zone verlässt.
Die symmetrische Druckgasverteilung im Gehäuse ist für den Fall einer in der Regel
kurzzeitigen indifferenten Temperaturentwicklung in der elektrischen
Maschine vorgesehen. Eine solche indifferente Temperaturentwicklung
tritt beispielsweise dann auf, wenn die Turbomaschine vorübergehend mit
einem warmen, statt – wie
im Dauerbetrieb – mit einem
kryogenen Gas betrieben werden muss und während dieses kurzzeitigen Betriebs
beide Enden der elektrischen Maschine und beide endseitigen Lager
gekühlt
werden müssen.
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Eine
weitere Ausführung
sieht vor, dass das Gehäuse
zwischen dem dritten Druckgasanschluss und dem Druckgasanschluss
der kalten Zone einen mit der Abströmleitung verbundenen Gasauslass
für das
Druckgas aufweist und dass in der Verbindungsleitung zwischen den
Gasauslass und der Abströmleitung
ein von der Steuereinrichtung geschaltetes Absperrventil angeordnet
ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht
gleichzeitig eine Kühlung
des warmen Bereiches sowie eine Erwärmung des kalten Bereiches, wobei
ein Mehrverbrauch an Druckgas in Kauf genommen werden muss. Das
Druckgas strömt
bei geöffnetem
Ventil durch den dritten Druckgasanschluss in das Gehäuse ein
und verlässt
das Gehäuse
durch den Druckgasanschluss in der warmen Zone. Die in diesem Druckgasanschluss
zugeordnete Ventileinrichtung ist so geschaltet, dass der Druckgasanschluss
der warmen Zone mit der Abströmleitung
verbunden ist. Ein zweiter Druckgasstrom strömt durch den in der kalten
Zone angeordneten Druckgasanschluss unmittelbar in den Abschnitt
des Gehäuses ein,
der dem Laufrad bzw. der Tieftemperaturstufe der Turbomaschine benachbart
ist und verlässt
das Gehäuse
durch den mit der Abströmleitung verbundenen
Gasauslass, der zwischen dem Druckgasanschluss der kalten Zone und
dem dritten Druckgasanschluss angeordnet ist. Die beschriebene Strömungsführung ist
für den
eher seltenen Fall gedacht, dass eine Überhitzung am freien Ende der
elektrischen Maschine gleichzeitig einhergeht mit einer unzulässigen Unterkühlung des
laufradseitigen Endes. Dieser Fall tritt nur kurzzeitig auf und
kann beispielsweise dadurch ausgelöst werden, dass durch schadhafte
Dichtungen ein größerer Leckagestrom
an kaltem Gas in das Gehäuse
eintritt oder durch einen beginnenden Lagerschaden am freien Wellenende
eine starke Erhitzung auftritt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Turbomaschine mit
integriertem Motorantrieb.
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Bei
der im Ausführungsbeispiel
dargestellten Turbomaschine handelt es sich um ein einstufigen Turboverdichter
zum Absaugen und Verdichten Kohlenwassergas, welches bei der Lagerung
einer kryogenen Flüssigkeit
durch Verdampfung entsteht. Die Turboverdichterstufe saugt das Gas
bei Umgebungsdruck und bei einer Temperatur von beispielsweise –140° C an und
verdichtet es mit Hilfe des Laufrades auf ca. 2 bar (1 bar Überdruck),
wobei sich das Gas auf ca. –110° C erwärmt. Der
integrierte elektrische Antrieb hat typischerweise eine Leistung
von etwa 1200 kW bei einer Drehzahl von 12000 min–1.
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Die
Turbomaschine weist einem im Tieftemperaturbereich arbeitende Verdichterstufe 1 und
ein an die Verdichterstufe angeflanschtes Gehäuse 2 auf. In dem
Gehäuse 2 ist
eine Rotorwelle 3 gelagert, an deren Wellenende das von
einem kalten Gas beaufschlagte Laufrad 4 der Verdichterstufe 1 angeordnet
ist. Im Gehäuse 2 ist
eine elektrische Maschine 5 integriert, die einen auf der
Rotorwelle 3 angeordneten Läufer 6 und im Gehäuse angeordnete
Stator wicklungen 7 aufweist. Beim Betrieb der Turbomaschine
bildet sich innerhalb des Gehäuses 2 am
laufradseitigen Ende eine kalte Zone K und an dem vom Laufrad abgewandten
Ende eine warme Zone W. Das Gehäuse 2 weist
mindestens zwei Druckgasanschlüsse 8, 9 für ein Druckgas
auf, von denen ein Anschluss 8 an einem der kalten Zone
K zugeordneten Gehäuseabschnitt
und der andere Anschluss 9 an einem der warmen Zone W zugeordneten
Gehäuseabschnitt
angeordnet ist. Den Druckgasanschlüssen 8, 9 ist
jeweils eine Ventileinrichtung 10, 11 zugeordnet, die
den Druckgasanschluss wechselweise mit einer Druckgaszuleitung 12 oder
einer Abströmleitung 13 verbindet
und im Ausführungsbeispiel
ein 3-Wege-Ventil aufweist, das mit dem Druckgasanschluss 8 bzw. 9 des
Gehäuses,
der Druckgaszuleitung 12 und der Abströmleitung 13 verbunden
ist. Die Ventileinrichtungen 10, 11 sind an eine
Steuereinrichtung 14 angeschlossen, welche nach Maßgabe der
in der kalten Zone K und der warmen Zone W auftretenden Temperaturen
die Durchströmungsrichtung
für das Druckgas
festlegt und die Ventileinrichtungen 10, 11 entsprechend
steuert. Bei der Durchströmung
des Gehäuses 2 stehen
die Rotorwelle 3, die Statorwicklungen 7 und Lager 15, 15' an beiden Enden
der Rotorwelle 3 mit dem Druckgas im Wärmeaustausch.
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Zum
Abbau einer vornehmlich im Volllastbetrieb auftretenden Überhitzung
in der warmen Zone W sind die Ventileinrichtungen 10, 11 so
geschaltet, dass das Druckgas durch den der kalten Zone K zugeordneten
Druckgasanschluss 8 in das Gehäuse 2 einströmt und das
Gehäuse
durch den Druckgasanschluss 9 in der warmen Zone W verlässt. Das
Druckgas wird in diesem Fall zunächst
in den kalten Bereich der elektrischen Maschine 5 eingeleitet,
von wo es durch Spalte und geeignete Wärmeaustauscherflächen im
Gehäuse
der elektrischen Maschine und des entsprechenden Lagers 15 geleitet
wird und sich dort zunächst
weiter abkühlt,
bevor es zwangsläufig zu
den überhitzten
Teilen der elektrischen Maschine und des Lagers 15' gelangt, wo
es dann mehr Wärme pro
Mengenstromeinheit zur Kühlung
dieser Teile aufnehmen kann, als wenn es ungekühlt dort eingeleitet würde. Vornehmlich
im Teillastbetrieb der Turbomaschine ist nicht die Erwärmung am
freien Wellenende kritisch, sondern eine Abkühlung am laufradseitigen Ende,
also nahe der Turboverdichterstufe 1. Im Teillastbetrieb,
also bei geringer Leistung der elektrischen Maschine mit eventuell
reduzierter Drehzahl, wird das laufradseitige Ende der elektrischen
Maschine 5 sowie das laufradseitige Lager 15 durch
den Wärmeaustausch
vom Gehäuseinnern
der elektrischen Maschine 5 und vom Lager 15 hin
zur Tieftemperaturstufe der Turbomaschine sowie etwaigen Kaltgasleckagen
aus der Verdichterstufe 1 in das angeflanschte Gehäuse 2 der
elektrischen Maschine 5 abgekühlt. In diesem Fall werden
die Ventileinrichtungen 10, 11 von der Steuereinrichtung 14 so
geschaltet, dass das Druckgas zum Zwecke einer Erwärmung der
kalten Zone K durch den der warmen Zone W zugeordneten Druckgasanschluss 9 in
das Gehäuse 2 einströmt und das
Gehäuse
durch den Druckgasanschluss 8 in der kalten Zone K verlässt. Das
Druckgas wird zunächst
in den warmen Bereich der elektrischen Maschine 5 eingeleitet,
von wo es durch die Spalte und Wärmeaustauscherflächen im Gehäuse der
elektrischen Maschine sowie des entsprechenden Lagers 15' geleitet wird
und sich dort zunächst
weiter aufheizt, bevor es zu den unterkühlten Teilen gelangt, wo es
dann mehr Wärme
pro Mengenstromeinheit zur Aufheizung dieser Teile abgeben kann,
als wenn es ungeheizt dort eingeleitet würde.
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Der
Druckgasmengenstrom wird in Abhängigkeit
der in der kalten Zone K und warmen Zone W auftretenden Temperaturen
geregelt. Dazu ist in der Druckgaszuleitung 12 ein Regelventil 16 angeordnet, welches
mit der Steuereinrichtung 14 verbunden ist. In Abhängigkeit
des im Gehäuse 2 auftretenden
Temperaturprofils werden dann die Ventileinrichtungen 10, 11 geschaltet.
In einem sogenannten "Kühlmodus" wird der Druckgasmengenstrom
dem Druckgasanschluss 9 in der warmen Zone W zugeführt. In
einem "Heizmodus" strömt das Druckgas
durch den Druckgasanschluss 8 der kalten Zone K zu. Die
Steuereinrichtung legt nach Maßgabe
des im Gehäuse
ermittelten Temperaturprofils fest, ob der "Kühlmodus" oder der "Heizmodus" eingestellt wird.
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Das
Gehäuse 2 weist
in einem mittleren Gehäuseabschnitt
zwischen der warmen Zone W und der kalten Zone K noch einen dritten
Druckgasanschluss 17 auf, der mit der Druckgaszuleitung 12 verbunden
ist. In der Verbindungsleitung zwischen dem dritten Druckgasanschluss 17 und
der Druckgaszuleitung 12 ist ein von der Steuereinrichtung 14 geschaltetes
Auf/Zu-Ventil 18 angeordnet. Ferner weist das Gehäuse 2 zwischen
dem dritten Druckgasanschluss 17 und dem Druckgasanschluss 8 der
kalten Zone K einen mit der Abströmleitung 13 verbundenen Gasauslass 19 für das Druckgas
auf, wobei in der Verbindungsleitung zwischen dem Gasauslass 19 und
der Abströmleitung 13 ein
ebenfalls von der Steuereinrichtung geschaltetes Absperrventil 20 angeordnet
ist. Mit der Anordnung ist es möglich,
das Druckgas in einem mittleren Gehäuseabschnitt zwischen der kalten
Zone K und der warmen Zone W in das Gehäuse 2 einzuspeisen,
wobei der Druckgasstrom sich aufteilt und sowohl durch den Druckgasanschluss 9 der
warmen Zone W als auch durch den in der kalten Zone K oder nahe
der kalten Zone angeordneten Gasauslass 19 das Gehäuse verlässt. Mit der
beschriebenen Anordnung ist eine symmetrisch geteilte Durchströmung der
elektrischen Maschine 5 möglich. Zusätzlich kann Druckgas durch
den laufradseitigen Druckgasanschluss 8 gezielt der kalten Zone
K zugeführt
werden, welches die der Verdichterstufe 1 benachbarten
Teile der elektrischen Maschine 5 und das in diesem Bereich
auch angeordnete Lager 15 erwärmt und durch den Gasauslass 19 das
Gehäuse
verlässt.
Die beschriebene symmetrisch geteilte Durchströmung der elektrischen Maschine 5 gegebenenfalls
in Verbindung mit einem zusätzlich
in die kalte Zone eingespeisten Druckgasstrom ist für die eher
seltenen Fälle
vorgesehen, bei denen gleichzeitig das freie Ende der elektrischen Maschine 5 in
der warmen Zone W überhitzt
und der zur Verdichterstufe 1 benachbarte Bereich unterkühlt wird
oder beide Bereiche überhitzt
sind. Diese Betriebsfälle sind
im Regelfall von kurzer Dauer und treten dann auf, wenn die Turbomaschine
vorübergehend
mit einem warmen, statt – wie
im Dauerbetrieb – einem
tiefkalten Fördergas
betrieben werden muss, oder beispielsweise durch eine schadhafte
Dichtung ein größerer Leckagestrom
von kaltem Gas in das die elektrische Maschine umgebende Gehäuse 2 eintritt.
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Im
Ausführungsbeispiel
weist die Turbomaschine als Lager 15, 15' Magnetlager
auf. An Stelle von Magnetlagern sind auch Gaslager oder Wälzlager
einsetzbar.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist das Laufrad 4 ein Turboverdichterrad, welches vom Läufer 6 der
elektrischen Maschine 5 angetrieben wird. Die Turbomaschine
arbeitet als Turboverdichter. Die Erfindung ist ebenso geeignet,
wenn die Turbomaschinenstufe nicht eine Verdichterstufe sondern
eine Turbinenstufe ist, d. h. das Laufrad 4 als Turbinenrad
ausgelegt ist und die elektrische Maschine 5 als Generator
betrieben wird.