DE102008031994A1

DE102008031994A1 - Fluidenergiemaschine

Info

Publication number: DE102008031994A1
Application number: DE102008031994A
Authority: DE
Inventors: Theo Nijhuis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-07-08
Also published as: WO2009133125A1; BRPI0911583A2; US20110044832A1; EP2279351A1; CN102016322B; RU2449178C1; CN102016322A; DE102008031994B4; US8579608B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine (1), insbesondere einen Verdichter (45), der einen mittels Magnetlagern (11, 12, 13) gelagerten gemeinsamen Rotor (5) für die Strömungsmaschine (2) und den Antrieb (3) aufweist. Neben den Magnetlagern (11, 12, 13) sind Hilfslager (15) vorgesehen, wobei am unteren Teil des vertikal ausgerichteten Rotors (5) ein Gleitlager (21) vorgesehen ist und am oberen Ende ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager (22), das sowohl radial als auch axial lagert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine zur Erhöhung des Drucks eines Prozessfluids, insbesondere eine Pumpe oder einen Verdichter, mit einer Strömungsmaschine, die den Druck des Prozessfluids erhöht, mit einem Antrieb, der die Strömungsmaschine antreibt, wobei die Strömungsmaschine einen Rotor aufweist, der rotierende Strömungsleitelemente der Strömungsmaschine trägt, mit mindestens einem Axiallager, das als Magnetlager ausgebildet ist und mittels dessen der Rotor gelagert ist, mit mindestens zwei Radiallagern, einem ersten Radiallager und einem zweiten Radiallager, die als Magnetlager ausgebildet sind und mittels dessen der Rotor gelagert ist und zwischen denen die Strömungsmaschine angeordnet ist.
Eine derartige Fluidenergiemaschine ist bereits aus der PCT/EP2007/051393 bekannt. Ein besonderes Anwendungsfeld für derartige Maschinen ist die Verdichtung von Erdgas, das nicht mehr mittels einer Plattform aus maritimen Vorkommen gefördert wird, sondern unmittelbar am Meeresboden unterseeisch verdichtet wird und mittels einer entsprechenden Pipeline vorzugsweise an eine Landstation geleitet wird. Dieser Anwendungsfall ist von besonderer wirtschaftlicher Attraktivität, da herkömmliche Plattformen eingespart werden können, dementsprechend auch deren immense Betriebskosten.
Aufwendige Entwicklungsprojekte suchen zurzeit nach einer Lösung für eine Verdichtungseinheit, die den rauen Bedingungen der unterseeischen Verdichtung gewachsen ist. Neben der Schwierigkeit des unter einem kontinuierlich abnehmenden, schwankenden Druck stehenden verunreinigten und chemisch aggressiven Prozessfluids, dass es zu verdichten gilt, liegt dieses teilweise flüssig und teilweise gasförmig vor, und der Zugang zu der Verdichtereinheit ist naturgemäß äußerst schwierig, so dass die Einheit vorzugsweise wartungsfrei oder mit einer 100-prozentigen Verfügbarkeit auszubilden ist. Daneben ist das Prozessmedium chemisch aggressiv, ebenso, wie das Umgebungsmedium und aus Gründen des Umweltschutzes darf kein Austausch zwischen dem Prozessmedium und dem Umgebungsmedium und auch nicht zwischen sonstigen Arbeitsfluiden und dem Umgebungsmedium stattfinden.
Eine besondere Herausforderung stellt die Lagerung eines Rotors einer solchen Fluidenergiemaschine dar, welche vorzugsweise kein Arbeitsfluid benötigen sollte, da eine etwaige Aufbereitung oder ein Austausch mit einer Landstation zu aufwendig wären.
Daneben muss die Lagerung des Rotors auch höchsten Anforderungen an die Verfügbarkeit, Ausfallsicherheit und Notlaufeigenschaften genügen. Bei einem Gewicht von mehreren Tonnen des Rotors und einer Drehzahl von bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute werden an eine derartige Lagerung erhebliche Anforderungen gestellt, so dass an dieser Stelle sowohl für die radiale Lagerung als auch für die axiale Lagerung Magnetlager bevorzugt sind. Ein weiterer Vorteil der Magnetlagerung liegt in der Möglichkeit der Kapselung, so dass die Aggregate auch von dem Prozessfluid umspült werden können. Danben benötigen die Magnetlager kein Arbeitsfluid, welches das Umgebungsmedium oder das Prozessfluid kontaminieren könnte.
Ausgehend von den geschilderten Anforderungen und Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fluidenergiemaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche mit einer Lagerung ausgestattet ist, die bei nur geringem Wartungsaufwand und besonderes hoher Verfügbarkeit selbst bei hoher dynamischer Beanspruchung einen zuverlässigen Betrieb bei gleichzeitig langer Lebensdauer und hervorragenden Notlaufeigenschaften bereit stellt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fluidenergiemaschine der eingangs genannten Art, die die in dem Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmale aufweist.
Die Anordnung von Hilfslagern gemäß der Erfindung weist den besonderen Vorteil auf, dass für die ausschließlich radiale Lagerung ein robustes Gleitlager gewählt wird, das in der Auflagefläche derart gewählt werden kann, dass eine nur niedrigere Flächenlast entsteht. Mit einem Radial-Lagerspiel von vorzugsweise 25/100 mm bis 3/10 mm ist die Maschine hinreichend schmutzunempfindlich und dem Rotor bleibt an der Stelle des Hilfslagers genügend Raum für die entstehenden Schwingungen im Betrieb oder, dass das Hilfslager mitgenommen wird.
Das Wälzlager vermag neben den anfallenden Radialkräften auch Axialkräfte aufzunehmen, so dass sich an dieser Stelle für die komplexere Lageraufgabe eine kompaktere Maschine ergibt. Hierbei ist der Innendurchmesser des Wälzlagers bevorzugt zu dem Rotor mit einem Radial-Spiel von etwa 25/100 mm bis zu 3/10 mm versehen. In axialer Richtung ist ein Summenspiel von etwa 5/10 mm bis 6/10 mm zweckmäßig.
Zur zerstörungsfreien Aufnahme der anfallenden Lagerlasten auch bei Einsparungen jeglichen Schmiermittels ist es zweckmäßig das Wälzlager als Kugellager auszubilden, dass sowohl die axialen als auch die radialen Lagerlasten aufzunehmen vermag.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Gleitlagers sieht vor, dass dieses aus Stahl gefertigt ist und dementsprechend insbesondere durch die Exponation gegenüber den chemisch aggressiven Medien nicht beschädigt wird.
Damit das Gleitlager im Fall eines Notstopps bzw. Trips der Maschine durch beispielsweise hohe Schwingungen nicht beschädigt wird, ist es zweckmäßig, die Gleitfläche des Gleitlagers segmentiert auszubilden und die einzelnen Segmente federnd zu lagern.
Der Antrieb der Fluidenergiemaschine ist vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet, so dass insbesondere ein Unterwasserbetrieb möglich wird. Bevorzugt befindet sich ein derartiger Elektromotor auf einer Welle mit der Strömungsmaschine und bildet gemeinsam mit dieser einen einzigen Rotor. Eine derartige Anordnung ist besonders kompakt.
Signifikante Vorteile bringt eine vertikale Anordnung einer gemeinsamen Drehachse des Motors und der Strömungsmaschine, so dass die Lagerlasten insbesondere der Radiallager auf ein Minimum abgesenkt werden können, da keine Gewichtskräfte des Rotors mehr aufgenommen werden müssen.
Diese Anordnung wirkt sich auch positiv auf die Dimensionierung der radialen Hilfslager aus, die selbst bei einem Auslauf aus beispielsweise 12.000 Umdrehungen pro Minute nicht zerstört werden sondern in der Lage sind, diese Belastung mehrfach zu ertragen, ohne jegliches Schmiermittel.
Die vertikale Anordnung entfaltet besondere Vorteile, wenn eine radiale Lagerung und die axiale Lagerung am oberen Ende des Rotors und eine radiale Lagerung am unteren Ende des Rotors angeordnet ist und gleichzeitig das als Gleitlager ausgebildete Hilfslager am unteren Ende des Rotors und das als Wälzlager ausgebildete Hilfslager am oberen Ende des Rotors vorgesehen ist. Naturgemäß ist das unten befindlich Gleitlager einer stärkeren Schmutzbelastung ausgesetzt, als das oben befindliche Wälzlager, wobei das Gleitlager besser für diese widrigen Betriebsbedingungen geeignet ist.
Bevorzugt sind außerdem die Hilfslager weiter außen auf dem Rotor angeordnet als die als Magnetlager ausgeführten Radiallager und das Axiallager. Dies insbesondere deshalb, weil sich dadurch eine bessere Rotordynamik, insbesondere bessere Schwingungsdämpfung im Normalbetrieb ergibt. Von besonderem Vorteil ist das bisher beschriebene Lagerkonzept, wenn zwischen dem Motor und der Strömungsmaschine kein zusätzliches Radiallager vorgesehen ist bzw. sich der Motor und die Strömungsmaschine zwischen den beiden Radiallagern befinden. Eine alternative Lagerung ergibt sich, wenn sowohl die Strömungsmaschine als auch der Motor jeweils zwei eigene Radiallager aufweisen und der Rotor zwischen den beiden sich zwischen der Strömungsmaschine und dem Motor befindlichen Radiallagern einen biegeschlaffen Bereich aufweist, der im Wesentlichen die Torsionsmomente überträgt (auch als Quillschaft bezeichnet).
Insbesondere für den Unterwasserbetrieb aber auch für den Betrieb mit toxischen Gasen oder in explosionsgefährdeter Umgebung ist ein gasdichtes gemeinsames Gehäuse zweckmäßig, das die Lager, die Strömungsmaschine und den Motor umgibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Fluidenergiemaschine eine Steuereinheit umfasst, die mit mindestens einer axialen und/oder radialen Positions- und/oder Vibrationsmessstelle an dem Rotor und/oder einer Strom- und/oder Spannungsmessstelle an mindestens einem Magnetlager in Verbindung steht und derart ausgebildet ist, dass bei mindestens einem Messwert der Messstelle, der von dem Normalbetrieb um eine bestimmtes Ausmaß abweicht, die Energiezufuhr zu dem Motor derart verändert, dass der Motor den Rotor abbremst. Der Bremseffekt kann durch Wirbelströme oder durch ein der gegenwärtigen Rotation entgegenwirkendes Magnetfeld verursacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen Rotor mit einem Gewicht von mehreren Tonnen aus einer Drehzahl von ca. 12.000 Umdrehungen pro Minute innerhalb weniger als 10 Sekunden auf Stillstand abzubremsen. Dies begrenzt im Fall des Ausfalls der Magnetlager oder im Fall besonders hoher Schwingungen die Wärmeentwicklung in den Hilfslagern, die dadurch weitestgehend beschädigungsfrei bleiben.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine.
Die Figur zeigt eine Fluidenergiemaschine 1 gemäß der Erfindung mit einer Strömungsmaschine 2 und einem Antrieb 3, der als Elektromotor 4 ausgebildet ist. Der Antrieb 3 und die Strömungsmaschine 2 weisen einen gemeinsamen Rotor 5 bzw. eine gemeinsame Welle 6 auf, die sich um eine vertikale Drehachse 7 dreht. Die Welle 6 trägt im Bereich der Strömungsmaschine 2 Strömungsleitelemente 8, die als Laufräder eines Zentrifugalkompressors ausgebildet sind. Zur Lagerung des Rotors 6 sind ein unteres erstes Radiallager 11 und ein oberes, zweites Radiallager 12 sowie ein ebenfalls oben angeordnetes Axiallager 13 vorgesehen. Die beiden Radiallager 11, 12 und das Axiallager 13 sind gekapselte Magnetlager.
Sollten die Magnetlager 11, 12, 13 ausfallen, wird der Rotor 5 mittels Hilfslagern 15, 16 gelagert, die jeweils in dem weiter außen gelegenen Bereich bezogen auf die Magnetlager 11, 12, 13 an der Welle 6 positioniert sind. Es ist ein erstes Hilfslager 15 zur radialen Lagerung und ein zweites Hilfslager 16 zur radialen und axialen Lagerung vorgesehen. Dementsprechend ist der Lagerabstand der Hilfslager 15, 16 größer, als derjenige der Magnetlager 11, 12, 13. Das an der vertikalen Welle 6 unten angeordnete erste Hilfslager 15 ist als Gleitlager mit einem radialen Wellenspiel von etwa 25/100 mm ausgebildet, so dass im Normalbetrieb der Rotor 5 frei in dem Gleitlager ohne jeglichen Kontakt drehen kann. Das gleiche Lagerspiel weist das am oberen Ende der vertikalen Welle 6 befindliche zweite Hilfslager 16, das als Wälzlager 22 bzw. Kugellager ausgebildet ist. Das Wälzlager 22 hat radial 25/100 mm Spiel. Axial ist ein Summenspiel von etwa 5/10 mm bis 6/10 mm vorgesehen.
Die Lagerung 15, 16, 21, 11, 12, 13, 22, die Strömungsmaschine 2 und der Antrieb 3 befinden sich in einem gasdichten Gehäuse 30, welches einen Einlass 31 und einen Auslass 32 für zu verdichtendes bzw. verdichtetes Prozessfluid 33 aufweist.
Die Magnetlager 11, 12, 13, das erste Hilfslager 15 und ein Spalt zwischen dem Stator 36 und dem rotierenden Element 37 des Elektromotors 4 werden mittels des Prozessfluids 33 gekühlt, das aus einer Überströmleitung 40 zwischen einer ersten Stufe 41 und einer zweiten Stufe 42 der als Kompressor 45 ausgeführten Strömungsmaschine 2 entnommen wird. Aus dieser Anzapfung 46 wird das Prozessfluid 33 den Lagern 15, 11, 12, 13 und dem Spalt 38 zugeführt, wobei es anschließend wieder in die erste Stufe 41 des Kompressors 45 eintritt. Der Stator 36 weist noch einen eigenen Kühlkreislauf 55 auf.
Eine Regelung zur Steuereinheit CU versorgt die Radiallager 11, 12 und das Axiallager 13 jeweils mit einem Betriebsstrom IB und den Antrieb 3 mit einem Betriebsstrom IM. Daneben wird die axiale Wellenposition X mittels eines Sensors 61 und das Schwingungsaufkommen Y mittels eines Sensors 62 erfasst und in der Regelungseinheit CU ausgewertet. Sollte die Axialposition X eine zu starke Abweichung vom Normalwert aufweisen oder das Schwingungsaufkommen Y vorgegebene Grenzwerte Überschreiten, wird die Maschine angehalten (Trip). Gleiches gilt, wenn mindestens ein Lagerstrom IB auf eine zu hohe Lagerlast schließen lässt. Im Falle des Trips moduliert die Steuereinheit CU den Strom zum Motor IM derart, dass die Rotation des Rotors 5 gebremst wird. Auf diese Weise kann der Rotor 5 von einer Drehzahl von 12.000 Umdrehungen pro Minute in etwa 10 Sekunden zum Stillstand gebracht werden. Sollten eine oder mehrere Magnetlager 11, 12, 13 ausgefallen sein, übernehmen die Hilfslager 15 die Lagerung des Rotors 5. Obwohl die Hilfslager 15 keine Schmierung bzw. keine gesonderte Zufuhr eines Schmiermittels aufweisen, können sie während der kurzen Zeit des Trips die Lageraufgabe beschädigungsfrei übernehmen.
Das unten angeordnete Hilfslager bzw. Gleitlager 21 ist mit einem Radial-Lagerspiel von 25/100 mm besonders unempfindlich gegenüber Verschmutzung, so dass eine Funktion trotz der sich durch die Schwerkraft absetzenden Schmutzpartikel im unteren Maschinenbereich gewährleistet ist. Das oben befindliche Wälzlager 22 kombiniert die radiale Lagerung mit der axialen Lagerung und ist in Folge der Anordnung am oberen Ende der Welle 6 einer weniger starken Verschmutzung ausgesetzt.
Das Gleitlager 21 weißt federnde Segmente 27 auf, die nachgiebig gestaltet sind, so dass es bei einer zu hohen Lagerlast nicht zu einer Zerstörung der stählernen Laufflächen des Lagers kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 2007/051393 [0002]

Claims

Fluidenergiemaschine (1) zur Erhöhung des Drucks eines Prozessfluids (33), insbesondere Pumpe oder Verdichter (45), – mit einer Strömungsmaschine (2), die den Druck des Prozessfluids (33) erhöht, – mit einem Antrieb (3), der die Strömungsmaschine (2) antreibt, wobei die Strömungsmaschine (2) einen Rotor (5) aufweist, der rotierende Strömungsleitelemente (8) der Strömungsmaschine (2) trägt, – mit mindestens einem Axiallager (13), das als Magnetlager ausgebildet ist und mittels dessen der Rotor (5) gelagert ist, – mit mindestens zwei Radiallagern (11, 12), einem ersten Radiallager (11) und einem zweiten Radiallager (12), die als Magnetlager ausgebildet sind und mittels denen der Rotor (5) gelagert ist, – zwischen denen die Strömungsmaschine (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite der Strömungsmaschine (2), wo das erste Radiallager (11) angeordnet ist, ein Hilfslager (15) vorgesehen ist, das als Gleitlager (21) ausgebildet ist und auf der Seite, auf der das zweite Radiallager (12) angeordnet ist, ein Hilfslager (15) vorgesehen ist, das als Wälzlager (22) ausgebildet ist, wobei das Wälzlager (22) sich auf derjenigen Seite der Strömungsmaschine (2) befindet, auf der auch das Axiallager (13) angeordnet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Wälzlager (22) als Kugellager ausgebildet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Gleitlager (21) Gleitflächen aus Stahl aufweist.
Fluidenergiemaschine (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der keine gesonderte Zuführung eines Schmierfluids zu den Hilfslagern (15) vorgesehen ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem mindestens eine Gleitfläche des Gleitlagers (21) segmentiert ist und die Segmente federnd ausgebildet sind.
Fluidenergiemaschine (1), bei der zwischen dem Rotor (5) und den Hilfslagern (15) ein Spiel zwischen einem 1/10 mm und 4/10 mm vorgesehen ist, so dass sich die Hilfslager (15) im Normalbetrieb nicht mitdrehen.
Fluidenergiemaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Antrieb (3) als Elektromotor (4) ausgebildet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Elektromotor (4) auf einer Welle (6) mit der Strömungsmaschine (2) angeordnet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Drehachse (7) des Rotors (5) vertikal ausgerichtet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich die Strömungsmaschine (2) und der Antrieb (3) zwischen dem ersten Radiallager (11) und dem zweiten Radiallager (12) befinden.
Fluidenergiemaschine (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen 8 bis 10, bei der das erste Radiallager (11) mit dem Gleitlager (21) unten und das zweite Radiallager (12) mit dem Axiallager (13) und dem Wälzlager (22) oben angeordnet sind.
Fluidenergiemaschine (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Strömungsmaschine (2), der Antrieb (3) und die Lager (11, 12, 13, 15, 21, 22) in einem gemeinsamen gasdichten Gehäuse (51) angeordnet sind, welches mindestens einen Eingang (31) und einen Ausgang (32) für das Prozessfluid (33) aufweist.
Fluidenergiemaschine (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Steuereinheit (CU) aufweist, die mit mindestens einer axialen und/oder radialen Positions- und/oder Vibrationsmessstelle (61, 62) an dem Rotor (5) und/oder mindestens einer Strom- und/oder Spannungsmessstelle (10) an mindestens einem Magnetlager (11, 12, 13) in Verbindung steht und derart ausgebildet ist, dass bei mindestens einem Messwert, der von Messwerten im Normalbetrieb um ein bestimmtes Ausmaß abweicht, die Energiezufuhr zu dem Antrieb (3) derart verändert, dass der Antrieb (3) den Rotor abbremst.