-
Die
Erfindung betrifft einen Maschinensatz mit einem Antrieb und einer
Arbeitsmaschine. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Maschinensatz, bei
dem der Antrieb ein Elektromotor oder eine Gasturbine ist, und die
Arbeitsmaschine ein Kompressor. Dabei geht es um außerordentlich
hohe Leistungen, die in der Größenordnung von
20 Megawatt und darüber liegen. Aufgrund dieser extremen
Leistungen weisen die Maschinen auch außerordentlich hohe umlaufende
Massen auf, die naturgemäß wieder zu besonderen
Problemen führen.
-
Die
Anforderungen an einen Maschinensatz der genannten Art, insbesondere
mit einer Gasturbine und einem Kompressor, sind die folgenden:
- – der Kompressor muss in einer Weise
angefahren werden, ohne dass der Antrieb überlastet wird
- – der Kompressor muss auf eine Drehzahl hochgefahren
werden, die gleich der Drehzahl des Antriebs ist, das heißt
die beiden Maschinen müssen synchron zueinander laufen
- – nach Erreichen des Synchronlaufes muss eine direkte
mechanische Triebverbindung zwischen Antrieb und Arbeitsmaschine
hergestellt werden
- – bei manchen Maschinensätzen der genannten Art,
insbesondere umfassend eine Gasturbine als Antrieb und einen Kompressor
als Arbeitsmaschine, kann es notwendig sein, die Gasturbine dauernd
laufen zu lassen, und zwar auch dann, wenn der Kompressor abgeschaltet
wird.
-
WO 02/14716 beschreibt
einen Maschinensatz der eingangs genannten Art. Dabei ist zwischen Gasturbine
und Kompressor ein hydrodynamischer füll- und entleerbarer
Wandler geschaltet.
-
Beim
Betrieb des genannten Wandlers muss aktiv eingegriffen werden. Hierzu
bedarf es eines Reglers.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Maschinensatz mit einem
Antrieb, einer Arbeitsmaschine und einem zwischen diesen beiden
geschaltetes Übertragungsglied vorzusehen, insbesondere
mit einer Gasturbine und einem Kompressor, der für extrem
hohe Leistungen und Drehzahlen ausgelegt ist, mit dem sich die Arbeitsmaschine
zuverlässig und für den Antrieb schonend anfahren
lässt, bei dem der Antrieb und die Arbeitsmaschine auf
synchrone Drehzahlen hochgefahren werden können, und wobei
der Antrieb weiterlaufen kann, obwohl die Arbeitsmaschine stillgesetzt
wird. Der Maschinensatz soll insbesondere einfacher und kostengünstiger gestaltet
werden.
-
Die
Erfinder haben damit eine perfekte Lösung des Problems
gefunden, bei Lösung aller genannter Teilaufgaben.
-
Die
erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung ist
füll- und entleerbar. Die eine Kupplungshälfte
der mechanischen Kupplung ist dem Pumpenrad der hydrodynamischen
Kupplung zugeordnet, und die andere Kupplungshälfte dem
Turbinenrad. Die mechanische Kupplung kann beispielsweise eine Schiebeschaltkupplung
sein, bei welcher die beiden Kupplungshälften durch Verschieben
in axialer Richtung in Eingriff gebracht werden können.
Bei der mechanischen Kupplung kann es sich um eine Reibkupplung
handeln.
-
Das
Prinzip der Reibkupplung ist beispielsweise in
DE 199 42 578 A1 beschrieben.
Dabei ist eine Synchronkupplung in einer hydrodynamischen Kupplung
integriert. Sie umfasst zwei Kupplungselemente, die reibschlüssig
miteinander in Wirkverbindung verbringbar sind. Diese Kupplungselemente werden
von der Kupplungsschale und vom Innenrad der hydrodynamischen Kupplung
gebildet. Siehe
1a der genannten Schrift.
-
Das
Anfahren vollzieht sich wie folgt, dargestellt am Beispiel eines
Maschinensatzes mit einer Gasturbine und einem Kompressor:
- (1) Zunächst wird die Gasturbine gestartet;
der Kompressor steht still.
- (2) Die hydrodynamische Kupplung wird gefüllt.
- (3) Der Kompressor wird vom Antrieb aufgrund der Füllung
der hydrodynamischen Kupplung hochgefahren, und zwar bis zum Erreichen
des Synchronlaufes mit dem Antrieb.
- (4) Das Vorliegen des Synchronlaufes wird mittels Sensoren erfasst.
- (5) Sodann wird die mechanische Kupplung geschaltet. Nach dem
Schalten der mechanischen Kupplung wird Drehmoment auf zwei Wegen
von der Gasturbine zum Kompressor übertragen, und zwar
einmal auf dem Wege über die hydrodynamische Kupplung,
und zum anderen auf dem Wege über die mechanische Kupplung.
Die beiden Kraftflüsse verlaufen parallel zueinander.
- (6) Anschließend wird die hydrodynamische Kupplung
entleert, so dass nur noch die mechanische Kupplung Drehmoment von
der Gasturbine auf den Kompressor überträgt.
-
Als
mechanische Kupplung kann eine Reibkupplung verwendet werden.
-
Beim
Abschalten gibt es zwei Möglichkeiten des Betreibens des
Maschinensatzes.
-
Möglichkeit A:
-
- (1) Die Gasturbine wird abgeschaltet und läuft mehr
oder minder mit dem Kompressor langsam aus.
- (2) Die Kupplung wird geöffnet, was durch gewollten
Eingriff oder durch eine Automatik erfolgen kann.
- (3) Antrieb und Kompressor gelangen voneinander entkuppelt zum
Stillstand.
-
Als
mechanische Kupplung kann eine Reibkupplung verwendet werden.
-
Möglichkeit B:
-
- (1) Die leere hydrodynamische Kupplung wird wieder
mit Arbeitsmedium gefüllt.
- (2) Die mechanische Kupplung wird geöffnet.
- (3) Der hydrodynamische Kupplung wird entleert. Obwohl die Gasturbine
weiterläuft, wird kein Drehmoment mehr auf den Kompressor übertragen,
so dass dieser zum Stillstand gelangt.
-
Die
Möglichkeit B kann besonders vorteilhaft sein. Es sind
Anwendungsfälle denkbar, bei welchen der Kompressor nur
intermittierend eingesetzt wird, die Gasturbine aber aus Gründen
des Gasturbinenprozesses weiterlaufen soll.
-
Die
Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.
Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
-
1 zeigt
einen Maschinensatz in schematischer Darstellung.
-
2 zeigt
eine hydrodynamische Kupplung mit integrierter mechanischer Kupplung
in einem Axialschnitt.
-
3 zeigt
den Gegenstand von 2 in einer Ansicht I-I von 2.
-
Die
schematische Darstellung gemäß 1 zeigt
eine Antriebsmaschine 100. Diese kann eine Gasturbine oder
ein Elektromotor oder eine andere Maschine zum Erzeugen eines Drehmomentes
sein.
-
Der
Antriebsmaschine 100 ist ein Getriebe 101 nachgeschaltet.
Dies kann auch von Fall zu Fall weggelassen werden.
-
Es
folgt eine hydrodynamische Kupplung 103. Diese ist füll-
und entleerbar. Eine mechanische Kupplung 104 kann geschlossen
werden, so dass sie Drehmoment überträgt.
-
Ein
weiteres Getriebe 105 kann nachgeschaltet sein.
-
Es
folgt schließlich eine Arbeitsmaschine 106. Diese
ist beispielsweise ein Kompressor zum Verdichten von Erdgas.
-
Die 2 und 3 zeigen
eine besonders günstige Ausführungsform von hydrodynamischer und
mechanischer Kupplung.
-
Die
hydrodynamische Kupplung umfasst zwei Schaufelräder, ein
Außenrad 30 und ein von einer mit dem Außenrad 30 gekoppelten
Kupplungsschale 40 wenigstens teilweise umschlossenes Innenrad 50.
Das Außenrad 30 fungiert dabei vorzugsweise als
Pumpenrad, während das Innenrad 50 die Funktion
des Turbinenrades übernimmt. Das Außenrad 30 ist
zu diesem Zweck beim Einsatz in Antriebssträngen wenigstens
mittelbar mit der Antriebsseite, insbesondere einer Antriebsmaschine,
drehfest verbunden, während das, das Turbinenrad bildende
Innenrad 50 mit der Abtriebsseite gekoppelt ist. Dies gilt
für die Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang
im Traktionsbetrieb von der Antriebsmaschine zur Abtriebsseite betrachtet.
Die Synchronkupplung 20 ist in der hydrodynamischen Kupplung 10 integriert
und umfasst wenigstens zwei reibschlüssig miteinander in
Wirkverbindung bringbare Kupplungselemente, ein erstes Kupplungselement 61 und
ein zweites Kupplungselement 62. Erfindungsgemäß werden
die Kupplungselemente von der Kupplungsschale 40 und dem
Innenrad 50 der hydrodynamischen Kupplung gebildet. Das
Innenrad 50 bildet dabei das Kupplungselement 61 und
ist erfindungsgemäß als mehrteiliger Fliehkraftkörper
ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Innenrad 50 beziehungsweise
das Kupplungselement 61 in Umfangsrichtung in wenigstens
zwei Segmente unterteilt ist, welche in ihrer Gesamtheit bei Lagerung
beziehungsweise Führung auf einer Profilwelle beziehungsweise
-nabe 70 unter Fliehkrafteinwirkung wenigstens in radialer Richtung
bewegbar sind. Vorzugsweise erfolgt die Unterteilung in drei einzelne
Segmente 81, 82, und 83. Die einzelnen
Segmente bilden dabei bei Aneinanderreibung in Umfangsrichtung die
bauliche Einheit Innenrad 50 und sind vorzugsweise hinsichtlich ihrer
geometrischen Abmessungen zueinander identisch ausgeführt.
Da über das Innenrad 50 in einer hydrodynamischen
Kupplung 10 Drehmomente zu übertragen sind, ist
es erforderlich, dass das Innenrad 50, insbesondere die
einzelnen Segmente in Umfangsrichtung betrachtet zumindest derart
geführt sind, dass eine Mitnahmefunktion gewährleistet
ist, während in radialer Richtung eine Bewegbarkeit unter
Fliehkraftwirkung der einzelnen Segmente 81 bis 83 gegeben
ist. Zu diesem Zweck sind Mittel zur Führung der einzelnen
Segmente 81 bis 83 vorgesehen, welche in der Regel
von der Profilwelle beziehungsweise -nabe 70 gebildet werden.
Diese ist wenigstens mittelbar – je nach Funktion des Innenrades 50 – mit
der Abtriebsseite drehfest verbindbar. Die Profilwelle beziehungsweise
-nabe 70 weist dazu ein entsprechendes Mitnehmerprofil 90 auf.
-
Während
des Anfahrvorganges beim Einsatz der hydrodynamischen Kupplung 10 mit
einem Antriebsstrang wird dabei das Drehmoment weiterhin größtenteils
hydrodynamisch über den zwischen Außenrad 30 und
Innenrad 50 bei Funktion als Pumpenrad P und Turbinenrad
T über die sich im torusförmigen Arbeitsraum 100 einstellende
Strömung von Betriebsmittel übertragen. Der sanfte
Anlauf unter Ausnutzung der Vorteile einer hydrodynamischen Leistungsübertragung
bleibt damit erhalten. Allerdings werden mit zunehmender Abtriebsdrehzahl
aufgrund der bei Rotation sich einstellenden Fliehkraftwirkung auf
die einzelnen Segmente 81 bis 83 des Innenrades
diese immer stärker in Richtung der Kupplungsschale 40 gedrückt,
bis aufgrund der Anpressung der Segmente 81 bis 83 gegen
die Kupplungsschale 40 ein Reibschluss entsteht. In diesem
Zustand ist die Kupplung aufgrund der Kopplung zwischen Außenrad 30,
das heißt Pumpenrad P und Kupplungsschale 40,
synchronisiert. Alle Elemente laufen mit der gleichen Drehzahl um.
-
Da
während des Anfahrvorganges die einzelnen Segmente 81 bis 83 am
Innenumfang 110 der Kupplungsschale 40 gleiten,
bedeutet dies, dass die einzelnen Elemente der Reibpaarung zumindest
im Bereich des zu bildenden Reibschlusses gute Gleit- und Verschleißeigenschaften
aufweisen müssen. Maßgeblich für die
Verschleißfestigkeit der sich bei der Synchronkupplung 20 einstellenden
Reibpaarung zwischen Innenrad 50 und Kupplungsschale 40 sind
dabei die sich einstellende Flächenpressung, die spezifische
Reibleistung und die spezifische Reibarbeit. Zur Minimierung des
Verschleißes werden daher entweder entsprechende Werkstoffe
für die Kupplungsschale 40 und das Innenrad 50,
insbesondere die einzelnen Segmente 81 bis 83,
verwendet oder diese mit einer entsprechenden Beschichtung versehen.
Vorzugsweise wird wenigstens für die Herstellung von Kupplungsschale 40 und
Pumpenrad, das heißt Außenrad 30, auf
konventionelle Materialien zurückgegriffen, welche üblicherweise
für die Herstellung der einzelnen Elemente der hydrodynamischen
Kupplung 10 Verwendung finden, beispielsweise Späroguss.
-
Für
die Wahl des Materials für das Innenrad 50 beziehungsweise
die einzelnen Innenradsegmente 81 bis 83 werden
nachfolgende Überlegungen berücksichtigt. Dabei
ist es zur Erhöhung der Verfügbarkeit vorteilhaft,
eine geeignete Reibpaarung zwischen Kupplungsschale 40 und
den Segmenten 81 bis 83 des Innenrades 50 vorzusehen.
Dabei werden entweder an einem der Elemente oder an beiden – insbesondere
am Innenumfang 110 der Kupplungsschale und am Außenumfang 120 des
Innenrades 50, insbesondere jeweils am Außenumfang 121 des Segmentes 82 und 123 des
Segmentes 83 Beschichtungen mit einem Reibbelag 130 vorgesehen.
Dabei kann der Reibbelag zum einen lediglich am Innenumfang 110 der
Kupplungsschale 40 oder am Außenumfang 120 des
Innenrades 50 beziehungsweise der einzelnen Segmente 81 bis 83 angebracht
werden, denkbar ist jedoch auch, beide – die Kupplungsschale 40 an
deren Innenumfang 110 und das Innenrad 50 am Außenumfang 120 beziehungsweise
den einzelnen Außenumfängen 121 bis 123 in
den einzelnen Segmenten 81 bis 83 mit einem entsprechenden Reibbelag
zu beschichten-, wobei in diesem Fall Reibpaarungen mit gleichen
Materialien oder aber verschiedenen Materialien erzeugt werden können.
-
Bei
der hydrodynamischen Leistungsübertragung wirkt auf das
Innenrad 50 eine Axialkraft. Zur Aufnahme dieser Axialkraft
auf das Innenrad 50, insbesondere die einzelnen Segmente 81 bis 83 des
Innenrades 50, sind entsprechende Mittel 140 zur
Aufnahme der Axialkraft vorgesehen. Diese werden entweder von den
Mitteln zur Führung 90, insbesondere dem Mitnehmerprofil 90 an
der Profilwelle beziehungsweise -nabe 70 gebildet oder
mittels einer, hier nicht dargestellten zusätzlichen weiteren
Führung 150 am Umfang der Kupplungsschale 40 aufgenommen.
Die Mittel zur Aufnahme der Axialkräfte 140 sind
dabei für die Aufnahme einer in beiden Richtungen wirkenden
Axialkraft auszulegen, da die Axialkraft wechselnd wirkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 02/14716 [0003]
- - DE 19942578 A1 [0008]