DE102006052990B4

DE102006052990B4 - Anordnung mit einer Turbomaschine, einem Kühler und einem Tragrahmen

Info

Publication number: DE102006052990B4
Application number: DE102006052990A
Authority: DE
Inventors: Henning Dr.-Ing. Struck
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2026-11-11
Also published as: KR100966428B1; FI20070799A0; KR20080042760A; US20080112825A1; NO20075714L; JP4996421B2; JP2008121669A; FR2908496B1; DE102006052990A1; FI122981B; US7975505B2; NO337781B1; ITTO20070797A1; FR2908496A1; FI20070799A; CN101201006A

Abstract

Anordnung mit einer Turbomaschine (1), einem Kühler (2) und einem die Turbomaschine (1) und den Kühler (2) aufnehmenden Tragrahmen (3) mit Rahmensegmenten (4), wobei der Kühler (2) zumindest ein im Wesentlichen rohrförmiges, liegend angeordnetes Kühlelement (5) aufweist und wobei die Rahmensegmente (4) in Längsrichtung des liegend angeordneten Kühlelementes (5) mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und unterseitige Auflagepunkte (6) zur Abstützung der Anordnung an einer Bodenfläche oder einem Grundrahmen (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) an den Rahmensegmenten (4) über flexible Abschnitte (9) zur Aufnahme von thermischen Verformungen des Kühlelementes (5) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Turbomaschine, einem Kühler und einem die Turbomaschine und den Kühler aufnehmenden Tragrahmen mit Rahmensegmenten, wobei der Kühler zumindest ein im Wesentlichen rohrförmiges, liegend angeordnetes Kühlelement aufweist und wobei die Rahmensegmente in Längsrichtung des liegend angeordneten Kühlelementes mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und unterseitige Auflagepunkte zur Abstützung der Anordnung an einer Bodenfläche oder einem Grundrahmen aufweisen. Die Turbomaschine kann beispielsweise als Kompressor, Expander oder auch als kombinierte Expander/Kompressor-Anordnung (Kompander) für verschiedene Gasprozesse eingesetzt werden. Aufgrund der Zustandsänderung des Arbeitsmediums der Turbomaschine werden extreme Temperaturunterschiede erzeugt, die zu unterschiedlichen Ausdehnungen der Teile der Anordnung führen können. Insbesondere in den Kühlern treten große Temperaturdifferenzen auf, die zu großen thermischen Deformationen führen können.
Anordnungen mit den eingangs beschriebenen Merkmalen sind aus der Praxis bekannt, wobei aufgrund der Anordnung der Turbomaschine und des Kühlers auf einem gemeinsamen Tragrahmen eine sehr kompakte und verwindungssteife Bauweise erreicht werden kann, wobei die Turbomaschine und eine optional vorgesehene elektrische Maschine typischerweise oberhalb des Kühlers an den Rahmensegmenten angeordnet sind. Um Materialspannungen und eine Dejustage der Turbomaschine und der optional vorgesehenen elektrischen Maschine durch die thermische Ausdehnung des Kühlers zu vermeiden, sind die bekannten Anordnungen lediglich mit den Auflagepunkten nur eines Rahmensegmentes an einem Grundrahmen oder einer Bodenfläche, beispielsweise einem Fundament oder einem Schiffsdeck befestigt, während die anderen Auflagepunkte infolge einer thermischen Deformation des zumindest einen Kühlelementes auf der Bodenfläche bzw. dem Grundrahmen gleiten können. Nachteilig ist, dass Kräfte durch Schiffsbewegungen nur in einem beschränkten Bereich aufgenommen werden können, was zu Verformungen des Rahmens führen kann. Aus diesem Grund muss der Rahmen an mehreren Kontaktstellen mit dem Untergrund fixiert werden, wodurch wiederum eine thermische Verformung des Rahmens behindert wird. Das kann zu hohen Reaktionskräften an den Fixierungen mit dem Untergrund führen wie auch zu Materialermüdungen im Rahmen oder an den Kühlern.
Die Druckschrift US 5 243 815 beschreibt eine Anordnung mit einem Gasturbinentriebwerk und einem Wärmetauscher. Die beiden Rohre des Wärmetauschers sind an ihren Enden so gelagert, dass thermisch oder mechanisch bedingte Spannungen in den Bauteilen der Anordnungen durch ein Lagerspiel, das eine Relativbewegung der Rohre um die Lagerstellen gestattet, sowie durch beweglich angeordnete Lager für die Rohre ausgeglichen werden können. Aus der Druckschrift US 4 458 866 ist ein Tragrahmen für einen Wärmetauscher bekannt, bei dem die Rohre des Wärmetauschers über Flansche in dem Tragrahmen einerseits thermisch isoliert gelagert sind, aber andererseits auch ein thermisch bedingtes Ausdehnen der Rohre in axialer bzw. radialer Richtung sowie eine bedingte Seitwärtsbewegung der Rohre möglich sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, die sicher an einer Bodenfläche fixierbar ist und gleichzeitig Dehnungen des Kühlers ermöglicht, ohne dass dabei eine Materialüberlastung oder eine übermäßige Dejustage der Turbomaschine auftritt.
Ausgehend von einer Anordnung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zumindest eine Kühlelement an den Rahmensegmenten über flexible Abschnitte zur Aufnahme von thermischen Verformungen des Kühlelementes befestigt ist. Erfindungsgemäß werden die thermischen Dehnungen des Kühlers nicht wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen durch ein Gleiten mehrerer Lagerpunkte, sondern durch eine gezielt eingebrachte Nachgiebigkeit im Rahmen aufgenommen. Diese Nachgiebigkeit wird durch die konstruktive Ausführung des Rahmens erreicht. So können die flexiblen Abschnitte beispielsweise auch verformbare Verbindungslaschen aufweisen, an denen das zumindest eine Kühlelement gehalten ist. Die flexiblen Abschnitte mit den verformbaren Verbindungslaschen können dabei zusammen mit den Auflagepunkten und dem Grundrahmen so weit verformt werden, dass die thermische Verformung des zumindest einen Kühlelementes aufgenommen werden kann.
Die Auflagepunkte von zwei oder mehreren, im Abstand zueinander angeordneten Rahmensegmenten können fest, beispielsweise durch Schraub- und/oder Schweißverbindungen, mit der Bodenfläche oder dem Grundrahmen verbunden werden. Zur Erhöhung des Reibwertes zwischen den Auflagepunkten einerseits und der Bodenfläche bzw. dem Grundrahmen andererseits kann dabei vorgesehen sein, dass die Auflagepunkte und die zugeordneten Aufstandsflächen angeraut oder profiliert sind. Vorzugsweise werden sämtliche Auflagepunkte, mit denen die Anordnung über den Tragrahmen an der Bodenfläche bzw. dem Grundrahmen abgestützt ist, an der Bodenfläche bzw. dem Grundrahmen beispielsweise durch Schraubverbindungen, Bolzenverbindungen, formschlüssige Passungen oder Verschweißen befestigt.
Zur stufenweisen Kühlung oder zur Kühlung verschiedener Prozessstufen sind in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zwei nebeneinander liegende rohrförmige Kühlelemente des Kühlers vorgesehen. Die im Wesentlichen rohrförmigen Kühlelemente weisen vorzugsweise einen runden Querschnitt auf. Es sind aber auch andere Querschnitte möglich, die über die Länge der Kühler nicht notwendigerweise konstant sein müssen. Die Kühlelemente können im Rahmen der Erfindung auch ohne Einschränkungen Verjüngungen, Kragen, Rohranschlüsse und Flansche aufweisen.
Die Turbomaschine kann als Verdichter, Expander oder Kompander mit zumindest einer Kompressionsstufe und/oder einer Expansionsstufe ausgeführt sein, wobei die Turbomaschine vorzugsweise als Radialmaschine ausgeführt ist. Typischerweise ist die Turbomaschine direkt oder über ein Getriebe mit einer als Generator oder Elektromotor ausgeführten elektrischen Maschine verbunden, die als Abtrieb bzw. Antrieb für die Turbomaschine dient. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbomaschine auf einem ersten Rahmensegment und die elektrische Maschine auf einem zweiten und einem dritten Rahmensegment angeordnet, wobei die Turbomaschine und die elektrische Maschine durch eine Kupplung verbunden sind. Da thermische Verformungen des zumindest einen Kühlelementes von flexiblen Abschnitten der Rahmensegmente aufgenommen werden, ist stets eine exakte Ausrichtung von Turbomaschine und elektrischer Maschine gewährleistet.
Um eine einfache Befestigung der Anordnung auf einer Bodenfläche oder einem Grundrahmen zu ermöglichen, ist vorzugsweise an sämtlichen Auflagepunkten zumindest eine Befestigungseinrichtung, beispielsweise in Form einer Schraub- oder Schweißlasche zur Fixierung der Rahmensegmente vorgesehen. Durch die Fixierung der Anordnung an mehreren, vorzugsweise allen Auflagepunkten kann der Tragrahmen deutlich höhere seitliche Kräfte ertragen, die beispielsweise bei einem stationären Aufbau an Land während eines Erdbebens oder bei einem mobilen Einsatz auf einem Gastankschiff bei Schiffsbewegungen auftreten können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Anordnung mit einer Turbomaschine, einem Kühler und einem die Turbomaschine und den Kühler aufnehmenden Tragrahmen;
2 die in 1 dargestellte Turbomaschine in einer Schnittdarstellung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Turbomaschine 1, einem Kühler 2 und einem die Turbomaschine 1 und den Kühler 2 aufnehmenden Tragrahmen 3 mit Rahmensegmenten 4. Der Kühler 2 ist aus zwei nebeneinander liegenden rohrförmigen Kühlelementen 5 gebildet, die als Wärmetauscher ausgeführt sind und im Betrieb von einem Kühlmittel durchströmt werden. Der Tragrahmen 3 weist drei Rahmensegmente 4 auf, die in Längsrichtung der liegend angeordneten Kühlelemente 5 mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und unterseitig Auflagepunkte 6 zur Abstützung der Anordnung an einem Grundrahmen 7 oder an einer Bodenfläche aufweisen. Die Rahmensegmente 4 weisen formstabile vertikale Metallprofile 8 auf, die an ihrem oberen Ende von einem horizontalen Metallprofil 8' verbunden sind. An den Vorder- und Rückseiten der Rahmensegmente 4 sind aus biegsamen Blechen 17 und verformbaren Verbindungslaschen 18 gebildete flexible Abschnitte 9 angeordnet. Die Kühlelemente 5 sind an den flexiblen Abschnitten 9, die thermische Verformungen der Kühlelemente 5 bei dem Betrieb der Anordnung aufnehmen können, befestigt. An den Auflagepunkten 6 des in der Ansicht vorderen Rahmensegments 4 sind Laschen 10 angeordnet, die mit dem Grundrahmen 7 verschraubt, verschweißt oder auf andere Weise fest mit diesem verbunden sind. Zur Erhöhung des Reibwertes zwischen den Auflagepunkten 6 und der Bodenfläche bzw. dem Grundrahmen 7 können die Kontaktflächen aufgeraut sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es, den Tragrahmen 3 an sämtlichen Auflagepunkten fest mit dem Grundrahmen 7 zu verbinden. Der Grundrahmen 7 ist nicht zwingend notwendig. Die Rahmensegmente 4 können auch unmittelbar, d. h. ohne Grundrahmen 7, auf eine Bodenfläche aufgestellt werden.
Die Turbomaschine 1 ist auf einem ersten Rahmensegment 4 angeordnet und über eine Kupplung 11 mit einer elektrischen Maschine 12 verbunden, die auf einem zweiten und einem dritten Rahmensegment 4 angeordnet ist. Abhängig von der Ausgestaltung der Turbomaschine 1, die vorzugsweise als Radialverdichter, Radialexpander oder kombinierter Radial-Kompander ausgeführt ist, kann die elektrische Maschine 12 als Generator oder Elektromotor ausgeführt sein.
2 zeigt lediglich beispielhaft eine mögliche Ausgestaltung der Turbomaschine 1 gemäß 1 als Kompander zur Kühlung eines Arbeitsgases. Der Kompander weist vier Stufen 13, 13', 13'', 13''' mit jeweils einem Laufrad 14 auf, wobei die Laufräder 14 über Rotorwellen 15, ein Getriebe 16 und eine Kupplung 11 an die als Elektromotor ausgeführten elektrischen Maschine 12 angeschlossen sind. Das Arbeitsgas wird in einer ersten, einer zweiten und einer dritten Stufe 13, 13', 13'' stark komprimiert, wobei zwischen den Kompressionsstufen das stark erwärmte Arbeitsgas in den rohrförmigen Kühlelementen 5 des Kühlers 2 abgekühlt wird. Nach der Kompression in der dritten Stufe 13'' und einer nachfolgenden Abkühlung wird das stark komprimierte aber vergleichsweise kalte Arbeitsgas zu der als Expander ausgeführten vierten Stufe 13'' geleitet. Bei der Expansion des Arbeitsgases erfolgt dann eine Abkühlung auf kryogene Temperaturen.

Claims

Anordnung mit einer Turbomaschine (1), einem Kühler (2) und einem die Turbomaschine (1) und den Kühler (2) aufnehmenden Tragrahmen (3) mit Rahmensegmenten (4), wobei der Kühler (2) zumindest ein im Wesentlichen rohrförmiges, liegend angeordnetes Kühlelement (5) aufweist und wobei die Rahmensegmente (4) in Längsrichtung des liegend angeordneten Kühlelementes (5) mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und unterseitige Auflagepunkte (6) zur Abstützung der Anordnung an einer Bodenfläche oder einem Grundrahmen (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) an den Rahmensegmenten (4) über flexible Abschnitte (9) zur Aufnahme von thermischen Verformungen des Kühlelementes (5) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (3) zwei nebeneinander liegende rohrförmige Kühlelemente (5) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) bzw. die Kühlelemente (5) als Wärmetauscher ausgeführt sind, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens drei Auflagepunkten (6) jeweils zumindest eine Befestigungseinrichtung zur Fixierung der Rahmensegmente (4) an der Bodenfläche oder einem Grundrahmen (7) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmensegmente (4) im Bereich ihrer Auflagepunkte (6) durch Schraub- und/oder Schweißverbindungen an der Bodenfläche oder dem Grundrahmen (7) befestigbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagepunkte (6) angeraut sind, um in Zusammenwirkung mit zugeordneten angerauten Abschnitten der Bodenfläche oder des Grundrahmens (7) einen erhöhten Reibwert zu erzielen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragrahmen (3) eine mit der Turbomaschine (1) mechanisch gekoppelte und als Generator oder Elektromotor ausgeführte elektrische Maschine (12) aufnimmt.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine (1) mit einem Laufradgehäuse und zumindest einem Laufrad auf einem ersten Rahmensegment (4) und die elektrische Maschine (12) auf einem zweiten und einem dritten Rahmensegment (4) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine (1) als Radialverdichter, Radialexpander oder kombinierter Radial-Kompander mit zumindest einer Kompressionsstufe und einer Expansionsstufe ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) an verformbaren Verbindungslaschen (18) der flexiblen Abschnitte (9) gehalten ist.