DE102010039732A1

DE102010039732A1 - Fluidenergiemaschine

Info

Publication number: DE102010039732A1
Application number: DE102010039732A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bode
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-01
Also published as: WO2012025432A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine (FEM) umfassend mindestens einen Strömungsmaschinenteil (AEP) und einen Antrieb (DRV) und ein gemeinsames Gehäuse (CAS), das den Strömungsmaschinenteil (AEP) und den Antrieb (DRV) hermetisch dicht zur Umgebung (SUR) umgibt, wobei mindestens ein Einlass (IN) und ein Auslass (EX) für ein Prozessfluid (PF) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Rotor (R) in dem Gehäuse (CAS) vorgesehen ist, an welchem der Strömungsmaschinenteil (AEP) und/oder der Antrieb (DRV) angeordnet sind, wobei der Antrieb (DRV) einen Wärmetauscher (WT) einer Kühlung (COO) aufweist, in dem ein von einer zweiten Fluidenergiemaschine (PU) angetriebenes Kühlmittel (REF) zirkuliert, wobei zwischen dem Rotor (R) und der zweiten Fluidenergiemaschine (PU) eine Magnetkupplung (MCU) vorgesehen ist, die eine Antriebsleistung von dem Rotor (R) auf die zweite Fluidenergiemaschine (PU) überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine umfassend mindestens einen Strömungsmaschinenteil und einen Antrieb und ein gemeinsames Gehäuse, das den Strömungsmaschinenteil und den Antrieb hermetisch dicht zur Umgebung umgibt, wobei mindestens ein Einlass und ein Auslass für ein Prozessfluid vorgesehen ist, wobei mindestens ein Rotor in dem Gehäuse vorgesehen ist, an welchem rotierende Anteile des Strömungsmaschinenteils und/oder des Antriebs angeordnet sind, wobei der Antrieb einen Wärmetauscher einer Kühlung aufweist, in dem ein von einer zweiten Fluidenergiemaschine angetriebenes Kühlmittel zirkuliert, welches den Antrieb kühlt.
Eine eingangs genannte Anordnung ist bereits aus der WO 2007/110281 A1 bekannt. Der in dieser Veröffentlichung beschriebene Verdichter verfügt über einen integrierten Elektroantrieb, dessen Stator mittels eines Kühlmittels, gekühlt wird. Alternativ zu der in der Veröffentlichung vorgestellten Möglichkeit des Naturumlaufes ist es insbesondere bei höheren Kühlleistungen sinnvoll, einen Zwangsumlauf mittels einer zweiten Fluidenergiemaschine bzw. einer Pumpe für das Kühlmittel bereitzustellen. Da eine besonders bevorzugte Betriebsumgebung derartiger Anordnungen unter See ist, sind diese Aggregate für etwaige Wartungs- und Reparaturarbeiten potenziell schlecht zugänglich. Eine grundlegende Forderung ist daher weitestgehende Wartungsfreiheit sämtlicher Bauteile. Dem widerspricht zunächst das Konzept einer zweiten Fluidenergiemaschine mit einem separaten Antrieb für das Kühlmittel.
Ausgehend von den vorstehend beschriebenen Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Fluidenergiemaschine der eingangs definierten Art bereitzustellen, die insbesondere für einen Betrieb unter schlecht zugänglichen Bedingungen weitestgehend wartungsfrei ist und eine besonders hohe Verfügbarkeit aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Fluidenergiemaschine der eingangs definierten Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Antrieb der zweiten Fluidenergiemaschine zur Förderung des Kühlmittels stellt eine Kühlung für den Antrieb genau dann bereit, wenn von diesem eine Antriebsleistung bereitgestellt wird und der Rotor sich dreht, so dass die zweite Fluidenergiemaschine anforderungsgerecht das Kühlmittel fördert. Die Einsparung eines eigenen Antriebes für die zweite Fluidenergiemaschine erhöht einerseits entscheidend die Verfügbarkeit in Folge der Reduktion der Komplexität und andererseits kann eine entsprechende Leistungselektronik vollständig eingespart werden. Von entscheidender Bedeutung hierbei ist, dass die Magnetkupplung eine gegenüber dem Strömungsmaschinenteil und dem Antrieb hermetisch dichte Anordnung des Kühlkreislaufes ermöglicht. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Magnetkupplung die Antriebsleistung durch eine Trennwand hindurch auf die zweite Fluidenergiemaschine überträgt und dementsprechend die Kühlung hermetisch dicht abgeschlossen ist gegenüber dem Prozessfluid und dem Strömungsteil bzw. dem Antrieb. Dabei ist es auch denkbar, dass die zweite Fluidenergiemaschine ein eigenes Gehäuse aufweist, welches von außen an das hermetisch dichte Gehäuse der Fluidenergiemaschine angebracht ist. Die Trennwand des Gehäuses der Fluidenergiemaschine, welche in den Wirkbereich der Magnetkopplung fällt, ist hierbei derart ausgebildet, dass eine magnetische Übertragung der Antriebsleistung möglich ist. Dementsprechend ist das Gehäuse in diesem Bereich nicht magnetisch. Das Gehäuse der Fluidenergiemaschine kann in dem Wirkbereich der Magnetkopplung derart ausgebildet sein, dass eine nicht magnetische, bevorzugt nicht leitende Zwischenwand als gesondertes Bauteil zu dem Gehäuse statisch dichtend an dem Gehäuse angebracht ist und eine ansonsten offene Öffnung des Gehäuses an dieser Stelle hermetisch verschließt.
Besonders zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Anordnung, wenn rotierende Anteile des Antriebes und des Strömungsmaschinenteils einen gemeinsamen Rotor aufweisen, welcher Rotor bevorzugt zwischen dem Antrieb und dem Strömungsmaschinenteil eine starre Kupplung aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Antriebskette von der Fluidenergiemaschine auf die zweite Fluidenergiemaschine neben der Magnetkupplung ein Getriebe vorgesehen ist, welches die Drehzahl des Rotors der Fluidenergiemaschine auf die Drehzahl der zweiten Fluidenergiemaschine über- oder untersetzt.
Sinnvoll ist ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels in der Kühlung, so dass kein Medienaustausch mit der Umgebung erforderlich ist. Insbesondere im Zusammenhang mit einem elektrischen Antrieb ist es sinnvoll, wenn die Kühlung als Kühlung für den Stator eines Elektromotors ausgebildet ist. Etwaige Wärmequellen in dem Rotor des Antriebes können hierbei zweckmäßig von dem mittels der Fluidenergiemaschine geförderten Prozessfluid gekühlt werden. So ist es beispielsweise sinnvoll, wenn ein Spalt zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator von dem Prozessfluid durchflutet ist und so der Motorrotor gekühlt wird. Gleichfalls ist es zweckmäßig, wenn Lager zur Lagerung des Rotors, die bevorzugt als Magnetlager ausgebildet sind, mittels des zu fördernden Prozessfluids gekühlt werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Neben dem speziellen Ausführungsbeispiel ergeben sich für den Fachmann insbesondere aus beliebiger Kombination der Unteransprüche mit dem Hauptanspruch weitere Möglichkeiten der Umsetzung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine Anordnung der eingangs definierten Art gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Fluidenergiemaschine gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung im Längsschnitt.
1 zeigt eine konventionelle Fluidenergiemaschine FEM umfassend einen Strömungsmaschinenteil AEP und einen Antrieb DRV untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse CAS. Das gemeinsame Gehäuse CAS ist hermetisch dicht zur Umgebung SUR. Der Strömungsmaschinenteil AEP und der Antrieb DRV befinden sich auf einen gemeinsamen Rotor R, welcher Rotor in zwei Lagern BEA gelagert ist, wobei das auf der Seite des Antriebs DRV befindliche Lager BEA sowohl radial als auch axial führt. Der gemeinsame Rotor R erstreckt sich entlang einer Maschinenachse X. Die Strömungsmaschine AEP ist mit Laufrädern IMP versehen, welche als axial ansaugende und radial ausgebende Laufräder IMP eines Zentrifugalverdichters ausgebildet sind.
Der Antrieb DRV ist als Elektromotor ausgebildet und weist einen Rotoranteil ROT und einen Statoranteil STAT auf. Der Rotoranteil ROT wird von einem Prozessfluid PF gekühlt, welches in den Strömungsmaschinenanteil AEP durch einen Einlass IN eintritt und verdichtet den Strömungsmaschinenanteil AEP durch einen Auslass EX verlässt. Ein Teil des Prozessfluids PF umspült auch den Rotoranteil ROT des Antriebes DRV und die Lager BEA, die als elektromagnetische Lager ausgebildet sind. Dies ist in den Figuren nur angedeutet.
Während der Rotoranteil ROT des Antriebes DRV mittels des Prozessfluids PF hinreichend gekühlt ist, reicht eine Umspülung von außen für eine Kühlung des Stators STAT nicht aus. Daher ist ein geschlossener Kühlkreislauf CYC einer Kühlung COO für den Stator STAT vorgesehen, in dem ein Kühlmittel REF getrieben von einer zweiten Fluidenergiemaschine PU zirkuliert. Die zweite Fluidenergiemaschine PU ist von einem Motor M angetrieben.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine FEM, bei der ebenfalls der Stator STAT mittels einer Kühlung COO gekühlt wird. Die der Kühlung zugeordnete zweite Fluidenergiemaschine PU ist entlang der Maschinenachse X in einer Flucht mit dem Rotor R angeordnet. Ein separates Gehäuse CAS2 für die Kühlung COO ist an das Gehäuse CAS der Fluidenergiemaschine FEM angebracht. Eine Trennwand SEP zwischen dem Inneren des Gehäuses CAS der Fluidenergiemaschine FEM und dem zweiten Gehäuse CAS2 der Kühlung COO ist speziell ausgebildet für die Übertragung der Antriebsleistung für die Kühlung COO mittels einer Magnetkupplung MCU von dem Rotor R der Fluidenergiemaschine FEM. Optional kann zwischen der zweiten Fluidenergiemaschine PU und der Magnetkupplung MCU ein Getriebe TRA (gestrichelt angedeutet) zur Über- oder Untersetzung der Drehzahl von dem Rotor R auf die zweite Fluidenergiemaschine PU vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/110281 A1 [0002]

Claims

Fluidenergiemaschine (FEM) umfassend mindestens einen Strömungsmaschinenteil (AEP) und einen Antrieb (DRV) und ein gemeinsames Gehäuse (CAS), das den Strömungsmaschinenteil (AEP) und den Antrieb (DRV) hermetisch dicht zur Umgebung (SUR) umgibt, wobei mindestens ein Einlass (IN) und ein Auslass (EX) für ein Prozessfluid (PF) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Rotor (R) in dem Gehäuse (CAS) vorgesehen ist, an welchem rotierende Anteile des Strömungsmaschinenteils (AEP) und/oder des Antriebs (DRV) angeordnet sind, wobei der Antrieb (DRV) einen Wärmetauscher (WT) einer Kühlung (COO) aufweist, in dem ein von einer zweiten Fluidenergiemaschine (PU) angetriebenes Kühlmittel (REF) zirkuliert, welches den Antrieb (DRV) kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (R) und der zweiten Fluidenergiemaschine (PU) eine Magnetkupplung (MCU) vorgesehen ist, die eine Antriebsleistung von dem Rotor (R) auf die zweite Fluidenergiemaschine (PU) überträgt.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach Anspruch 1, wobei die rotierenden Anteile des Strömungsmaschinenteils (AEP) und des Antriebs (DRV) Bestandteile eines gemeinsamen Rotors (R) sind.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetkupplung (MCU) die Antriebsleistung auf die zweite Fluidenergiemaschine (PU) mittels eines Getriebes (TRA) überträgt.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Kühlung (COO) einen geschlossenen Kreislauf (CYC) für das Kühlmittel (REF) aufweist.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlung (COO) als Kühlung für einen Stator (STAT) des als Elektromotor ausgebildeten Antriebes (DRV) ausgebildet ist.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb (DRV) zumindest teilweise von dem Prozessfluid umspült ist.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (R) in Lagern (BEA) gelagert ist, die zumindest teilweise von dem Prozessfluid umspült sind.