DE102012106292B3

DE102012106292B3 - Working machine with helical gear

Info

Publication number: DE102012106292B3
Application number: DE201210106292
Authority: DE
Inventors: Patrick Dörnhofer; Jochen Friedemann; Natascha Heß-Mohr; Matthias Rädle; Florian RIES; Timon Schumacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: WO2014009545A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine 1 ausgebildet als Radialturbinenrad oder als Radialverdichterrad, die auf einer einteiligen Welle 2 befestigt ist, wobei die Welle 2 über zwei Lager 3.1, 3.2 innerhalb eines Gehäuses 4 in radialer Richtung schwimmend gelagert ist, wobei die Welle 2 stirnseitig ein Zahnrad 5 aufweist und über das Zahnrad 5 unmittelbar mit einem Getriebe 6 gekoppelt ist, wobei das Getriebe 6 als Stirnradgetriebe ausgebildet ist und mindestens zwei Stirnzahnräder 8, 8' auf zwei Lagerwellen 7, 7' aufweist mit denen das Zahnrad 5 direkt im Eingriff steht, wobei das Getriebe 6 mit einem als Motor oder als Generator ausgebildeten elektrischer Leistungswandler 10 gekoppelt ist, wobei die beiden Lager 3.1, 3.2 als hydrodynamische Lager ausgebildet sind und mindestens ein Schmiermittelkanal 9 vorgesehen ist, der im Bereich zwischen dem jeweiligen Stirnzahnrad 8, 8' und dem Zahnrad 5 mündet und über den Schmiermittel zwischen das jeweilige Stirnzahnrad 8, 8' und das Zahnrad 5 einbringbar ist.The invention relates to a working machine 1 designed as a radial turbine wheel or as Radialverdichterrad which is mounted on a one-piece shaft 2, wherein the shaft 2 is mounted on two bearings 3.1, 3.2 within a housing 4 floating in the radial direction, wherein the shaft 2 frontally a gear 5 and is coupled via the gear 5 directly to a gear 6, wherein the gear 6 is formed as a spur gear and at least two spur gears 8, 8 'on two bearing shafts 7, 7' with which the gear 5 is directly engaged wherein the transmission 6 is coupled to an electric power converter 10 designed as a motor or as a generator, the two bearings 3.1, 3.2 being designed as hydrodynamic bearings and at least one lubricant channel 9 being provided in the region between the respective spur gear 8, 8 '. and the gear 5 and via the lubricant between the respective spur gear 8, 8 'and the gear 5 can be introduced.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine ausgebildet als Radialturbinenrad oder als Radialverdichterrad, die auf einer einteiligen Welle befestigt ist, wobei die Welle über zwei Lager innerhalb eines Gehäuses in radialer Richtung schwimmend gelagert ist, wobei die Welle stirnseitig ein Zahnrad aufweist und über das Zahnrad unmittelbar mit einem Getriebe gekoppelt ist, wobei das Getriebe als Stirnradgetriebe ausgebildet ist und mindestens zwei Stirnzahnräder auf zwei Lagerwellen aufweist, mit denen das Zahnrad direkt im Eingriff steht, wobei das Getriebe mit einem Motor/Generator gekoppelt ist.The invention relates to a working machine designed as a radial turbine wheel or as Radialverdichterrad, which is mounted on a one-piece shaft, wherein the shaft is floatingly mounted in the radial direction via two bearings within a housing, wherein the shaft has a gear on the front side and the gear directly is coupled to a transmission, wherein the transmission is designed as a spur gear and has at least two spur gears on two bearing shafts with which the gear is directly engaged, wherein the transmission is coupled to a motor / generator.

Es ist bereits ein mechanisch angetriebener Lader für eine Brennkraftmaschine aus der DE 38 29 700 A1 bekannt. Der Lader weist eine von der Brennkraftmaschine über eine Eingangswelle und ein als Planetengetriebe ausgebildetes Übersetzungsgetriebe antreibbare Rotorwelle auf, wobei die Rotorwelle über Wälzkugellager koaxial zur Eingangswelle gelagert ist und ein Sonnenrad des Planetengetriebes aufnimmt.It is already a mechanically driven loader for an internal combustion engine from the DE 38 29 700 A1 known. The supercharger has a rotor shaft which can be driven by the internal combustion engine via an input shaft and a planetary gearing, the rotor shaft being mounted coaxially with the input shaft via antifriction bearings and accommodating a sun gear of the planetary gearing.

In anderen technischen Ausführungen werden für hohe Drehzahlen Magnetlagerungen vorgesehen, die jedoch eine hohe Komplexität aufweisen und damit einen wesentlich höheren baulichen Aufwand erfordern.In other technical versions magnetic bearings are provided for high speeds, however, have a high complexity and thus require a much higher structural complexity.

Allgemeine Informationen zu Stirnradgetrieben sind auch bekannt aus Roloff, Matek: Maschinenelemente 7. verbesserte Auflage. Braunschweig: Vieweg, 1976. S. 544 – ISBN 3 528 1 4028 3.General information on spur gears are also known from Roloff, Matek: machine elements 7. improved edition. Brunswick: Vieweg, 1976. p. 544 - ISBN 3 528 1 4028 3.

JP 2012-092653 A beschreibt eine Turbinen-Generator-Einheit, bei der die Turbine und der Generator über ein Stirnradgetriebe gekoppelt sind. JP 2012-092653 A describes a turbine-generator unit in which the turbine and the generator are coupled via a spur gear.

Aus CA 2 684 483 A1 ist der Einsatz von Stirnradgetrieben im Flugzeugbau für die Kopplung von Maschine und Generator bekannt.Out CA 2 684 483 A1 is the use of spur gears in aircraft for the coupling of engine and generator known.

US 1,165,830 A zeigt eine Dampfturbine, deren Dampfturbinenwelle über ein Stirnradgetriebe mit einem Generator gekoppelt ist. Zusätzlich zu den Lagern der Dampfturbinenwelle innerhalb der Dampfturbine ist ergänzend hierzu zwischen der Dampfturbine und dem Stirnradgetriebe bzw. dem Stirnrad der Dampfturbinenwelle ein weiteres Lager vorgesehen. Bei allen drei Lagern der Dampfturbinenwelle handelt es sich wohl um Wälzkörperlager oder Gleitlager. Das Stirnrad steht jeweils mit zwei Getrieberädern im Eingriff, die gegenüberliegend angeordnet sind. US 1,165,830 A shows a steam turbine, the steam turbine shaft is coupled via a spur gear with a generator. In addition to the bearings of the steam turbine shaft within the steam turbine, another bearing is additionally provided between the steam turbine and the spur gear or the spur gear of the steam turbine shaft. All three bearings of the steam turbine shaft are probably rolling element bearings or plain bearings. The spur gear is engaged with two gears each, which are arranged opposite each other.

DE 601 27 067 T2 zeigt ein Abgasturbinenrad, dessen Welle über zwei hydrodynamische Lager bzw. zwei Schwimmbuchsen innerhalb des Gehäuses radial gelagert ist. Die Schwimmbuchsen sind mechanisch gekoppelt. DE 601 27 067 T2 shows an exhaust gas turbine whose shaft is radially supported by two hydrodynamic bearings or two floating bushes within the housing. The floating bushes are mechanically coupled.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsmaschine derart auszubilden und anzuordnen, dass ein kompakter Aufbau und eine effiziente Wirkungsweise gewährleistet sind.The object of the invention is to design and arrange a working machine such that a compact construction and an efficient mode of action are ensured.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die beiden Lager als hydrodynamische Lager ausgebildet sind und das Getriebe drei Stirnzahnräder aufweist, mit welchen das Zahnrad direkt in Eingriff steht, wobei mindestens ein Schmiermittelkanal vorgesehen ist, der im Bereich zwischen dem jeweiligen Stirnzahnrad und dem Zahnrad mündet und über den Schmiermittel zwischen das jeweilige Stirnzahnrad und das Zahnrad einbringbar ist, und im Betrieb ein Anteil hydrodynamischer Lagerung des Zahnrades innerhalb der drei Stirnzahnräder vorgesehen ist. Hierdurch wird erreicht, dass zwischen dem Zahnrad und den drei Stirnrädern ein Anteil hydrodynamischer Lagerung gewährleistet ist, die eine Kombination mit den beiden hydrodynamischen Lagern der Welle unter Beibehaltung der schwimmenden Lagerung dieser Lager zulässt. Das Schmiermittel kann hierbei in eine Richtung R tangential zu dem Stirnzahnrad eingespritzt werden, so dass das Schmiermittel unmittelbar vor dem Eingriff der Zahnradpaarung eingegeben werden kann. Hierbei kommt es zu einer regelmäßigen Verteilung des Schmiermittels über die gesamte Breite der Zahnflanken, so dass der damit erreichbare hydrodynamische Effekt voll zum Tragen kommt. Vor dem Hintergrund der zu leistenden Drehzahlen von derzeit ca. 200.000 U/min einerseits und der nur hydrostatisch gelagerten Welle andererseits, müssen die auf die Welle in radialer Richtung einwirkenden Kräfte auf ein Minimum beschränkt sein. Dies gilt insbesondere für die Aufnahme der Welle im Getriebe.The object is achieved according to the invention in that the two bearings are designed as hydrodynamic bearings and the transmission has three spur gears with which the gear is directly engaged, wherein at least one lubricant channel is provided, which opens in the region between the respective spur gear and the gear and via the lubricant between the respective spur gear and the gear can be introduced, and in operation, a proportion of hydrodynamic bearing of the gear is provided within the three spur gears. This ensures that a proportion of hydrodynamic bearing is ensured between the gear and the three spur gears, which allows a combination with the two hydrodynamic bearings of the shaft while maintaining the floating bearing of these bearings. The lubricant can in this case be injected in a direction R tangential to the spur gear, so that the lubricant can be entered immediately before the engagement of the gear pair. This results in a regular distribution of the lubricant over the entire width of the tooth flanks, so that the achievable hydrodynamic effect fully comes into play. Against the background of the speeds of about 200,000 rpm on the one hand and the hydrostatically supported shaft on the other, the forces acting on the shaft in the radial direction must be kept to a minimum. This is especially true for the inclusion of the shaft in the transmission.

Die Arbeitsmaschine kann als Radialturbinenrad mit einem Stromgenerator oder als Radialverdichterrad mit einem elektrischen Antriebsmotor kombiniert sein.The work machine can be combined as a radial turbine wheel with a power generator or as Radialverdichterrad with an electric drive motor.

Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn das Schmiermittel mit einem Volumenstrom V eingebracht wird, mit 0,5 l/min <= V <= 5 l/min oder 1,5 l/min <= V <= 2 l/min oder V = 1,75 l/min. Der Volumenstrom V muss einerseits den angesprochenen hydrodynamischen Effekt und eine ausreichende Kühlung gewährleisten. Andererseits darf er aber nicht zu hoch sein, dann sonst sind die auf die Lager einwirkenden Kräfte zu hoch, was die Dauerfestigkeit maßgeblich beeinträchtigt. Zudem darf der Volumenstrom V nicht zu hoch sein, da ansonsten Quetschverluste zur Erwärmung führen und somit den Wirkungsgrad verringern. Erhöhte Quetschverluste beeinträchtigen auch die Dauerfestigkeit. Für den Schmiermittelvolumenstrom kommen zwischen 0,5 l/min und 5 l/min in Betracht. Dies hängt maßgeblich von der zu übertragenden Leistung ab.It may also be advantageous for this purpose if the lubricant is introduced with a volume flow V, with 0.5 l / min <= V <= 5 l / min or 1.5 l / min <= V <= 2 l / min or V = 1.75 l / min. On the one hand, the volume flow V must ensure the aforementioned hydrodynamic effect and sufficient cooling. On the other hand, it must not be too high, otherwise the forces acting on the bearings are too high, which significantly affects the fatigue strength. In addition, the volumetric flow V may not be too high, since otherwise squash losses lead to heating and thus reduce the efficiency. Increased crushing losses also affect fatigue strength. For the lubricant volume flow come between 0.5 l / min and 5 l / min into consideration. This depends largely on the power to be transmitted.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die beiden Lager als hydrodynamische Schwimmbuchsenlager ausgebildet sind. Die Schwimmbuchsenlager gewährleisten die hier maßgeblichen Drehzahlen von derzeit etwa 200.000 U/min einerseits und ausreichende Toleranzen zum Einsatz der Zahnrad-Stirnradgetriebe-Paarung andererseits.Furthermore, it may be advantageous if the two bearings are designed as hydrodynamic floating bush bearings. The floating bush bearings ensure the relevant speeds of currently about 200,000 rpm on the one hand and sufficient tolerances for using the gear-spur gear pairing on the other hand.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Zahnrad und die Stirnräder einen Modul M aufweisen, mit 0,2 mm <= M <= 1 mm oder 0,3 mm <= M <= 0,7 mm oder 0,4 mm <= M <= 0,6 mm oder M = 0,5 mm. Aufgrund der hier in Frage kommenden Leistungsklasse zwischen 1 kW und 30 kW, insbesondere 20 kW–30 kW und aufgrund der Drehzahlbereiche von 50.000 U/min bis 350.000 U/min, kommen zwecks Gewährleistung eines brauchbaren Wirkungsgrades nur Zahnradpaarungen einer gewissen Größe in Betracht. Mit steigender Größe der Zahnräder wachsen die dynamischen Belastungsanteile überproportional. Gleichzeitig erhöhen sich die Rotationsgeschwindigkeiten, was die Bereitstellung eines genügend großen Schmiermittelfilms erschwert. Durch die geringe Baugröße verringern sich die Trägheitsmomente, womit die Getriebedynamik maßgeblich verbessert wird. Zusätzlich werden die Anforderungen an den Fugendruck der Verbindung zwischen Zahnrad und Welle geringer, denn durch die geringeren Fliehkräfte wird einem Abheben des Zahnrades von der Welle entgegengewirkt.It can also be advantageous if the toothed wheel and the spur gears have a module M with 0.2 mm <= M <= 1 mm or 0.3 mm <= M <= 0.7 mm or 0.4 mm <= M <= 0.6 mm or M = 0.5 mm. Due to the power class in question between 1 kW and 30 kW, in particular 20 kW-30 kW and due to the speed ranges from 50,000 rev / min to 350,000 rev / min come to ensure useful efficiency only gear pairings of a certain size into consideration. With increasing size of the gears, the dynamic load shares grow disproportionately. At the same time, the rotational speeds increase, which makes it difficult to provide a sufficiently large lubricant film. The small size reduces the moments of inertia, which significantly improves the transmission dynamics. In addition, the requirements for the joint pressure of the connection between the gear and shaft are lower, because by the lower centrifugal forces a lifting of the gear is counteracted by the shaft.

Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Zahnrad und die Stirnräder eine Geradverzahnung, eine Schrägverzahnung, eine Doppel-Schrägverzahnung oder eine Pfeilverzahnung aufweisen. Hiermit sind Axialkräfte der Welle im Getriebe aufnehmbar, so dass ggf. auf ein Axiallager der Welle verzichtet werden kann.It may advantageously be provided that the gear and the spur gears have a straight toothing, a helical toothing, a double helical toothing or an arrow toothing. This axial forces of the shaft can be accommodated in the transmission, so that if necessary can be dispensed with a thrust bearing of the shaft.

Das Getriebe ist planetenumlauffrei ausgebildet, d. h. die Stirnräder sind auf einer Achse des Gehäuses gelagert und laufen nicht um das Zahnrad herum. Mithin ist auch kein umlaufender Käfig notwendig, der die Ölversorgung aus radialer Richtung erschweren würde.The gear is planetary circulation free formed, d. H. the spur gears are mounted on an axis of the housing and do not run around the gear. Consequently, no circumferential cage is necessary, which would complicate the supply of oil from the radial direction.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Zahnrad auf der Welle durch Anwendung eines Press- und/oder Klebeverbandes oder durch Aufschweißen befestigt ist. Andere Befestigungsalternativen, die eine ausreichend präzise Ausrichtung zwischen der Welle und dem Zahnrad zulassen, sind auch anwendbar. Im Vordergrund stehen hierbei sehr enge Toleranzen bei der Ausführung der Verbindung. Letzteres vor dem Hintergrund der zu leistenden Drehzahlen einerseits und der insgesamt nur hydrostatisch gelagerten Welle andererseits. Die auf die Welle einwirkenden Kräfte in radialer Richtung müssen auf ein Minimum beschränkt sein.In connection with the design and arrangement according to the invention, it may be advantageous if the gear is mounted on the shaft by applying a press and / or adhesive dressing or by welding. Other attachment alternatives that allow a sufficiently precise alignment between the shaft and the gear are also applicable. The focus here is very tight tolerances in the execution of the connection. The latter against the background of the speeds to be provided, on the one hand, and the overall hydrostatically supported shaft, on the other hand. The forces acting on the shaft in the radial direction must be kept to a minimum.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das das Zahnrad einen Teilkreisdurchmesser D aufweist, mit 5 mm <= D <= 20 mm oder 5 mm <= D <= 15 mm oder 6 mm <= D <= 14 mm oder D = 10 mm. Die Größe des Zahnrades ist nach oben beschränkt, damit die im Betrieb einhergehenden Flankenkräfte einerseits und die Lagerkräfte andererseits nicht übermäßig ansteigen. Dies, insbesondere vor dem Hintergrund der eingesetzten Lager für die Welle.It may also be advantageous if the gear has a pitch circle diameter D, with 5 mm <= D <= 20 mm or 5 mm <= D <= 15 mm or 6 mm <= D <= 14 mm or D = 10 mm , The size of the gear is limited to the top, so that the accompanying flank forces on the one hand and the bearing forces on the other hand do not increase excessively. This, especially against the background of the bearings used for the shaft.

Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn dass mindestens eine Lagerwelle direkt mit dem Leistungswandler gekoppelt ist. Auf weitere Getriebemittel kann somit verzichtet werden. Je nach Bauart können auch mehrere oder alle Lagerwellen direkt mit einem Leistungswandler gekoppelt sein. Somit lässt sich die Leistungsübertragung symmetrisch auf die Stirnräder und das zentrisch gefasste Zahnrad verteilen.It can also be advantageous if the at least one bearing shaft is coupled directly to the power converter. On further transmission means can thus be dispensed with. Depending on the design, several or all bearing shafts may be coupled directly to a power converter. Thus, the power transmission can be distributed symmetrically on the spur gears and the centric gear.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das direkt mit dem Leistungswandler gekoppelte Stirnrad einen Teilkreisdurchmesser Ds aufweist, mit 10 mm <= Ds <= 75 mm oder 10 mm <= Ds <= 30 mm oder 25 mm <= Ds <= 75 mm oder Ds = 39,5 mm. Für den hier maßgebenden Drehzahlbereich des Genarators von ca. 50.000 U/min und den genannten Leistungsbereich von 1 kW bis 30 kW, hat sich ein solcher Teilkreisdurchmesser Ds als sehr vorteilhaft erwiesen. Somit können für die Zahnräder handelsübliche Härteklassen verwendet werden, die in einem vertretbaren Preisniveau liegen. Wie schon ausgeführt sind die mit einem solchen Teilkreisdurchmesser Ds einhergehenden Lagerkräfte für die Welle hydrodynamisch aufnehmbar. Auch hier kommen die oben genannten Vorteile aufgrund der geringeren Baugröße zusätzlich zum Tragen.In addition, it may be advantageous if the directly connected to the power converter spur gear has a pitch circle diameter Ds, with 10 mm <= Ds <= 75 mm or 10 mm <= Ds <= 30 mm or 25 mm <= Ds <= 75 mm or Ds = 39.5 mm. For the governing speed range of the genarator of about 50,000 rpm and the stated power range of 1 kW to 30 kW, such a pitch circle diameter Ds has proven to be very advantageous. Thus, commercially available hardness classes can be used for the gears, which are at a reasonable price level. As already stated, the bearing forces associated with such a pitch circle diameter Ds are hydrodynamically receivable for the shaft. Again, the advantages mentioned above due to the smaller size in addition to wearing.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn ein oder mehrere Stirnräder über ein Getriebemittel mit dem Leistungswandler gekoppelt sind. Somit lässt sich bei nur einem Leistungswandler die Leistungsübertragung symmetrisch auf die Stirnräder und das zentrisch gefasste Zahnrad verteilen.Furthermore, it may be advantageous if one or more spur gears are coupled via a transmission means with the power converter. Thus, with only one power converter, the power transmission can be distributed symmetrically on the spur gears and the centrically mounted gear.

Dabei kann es von Vorteil sein, wenn das Zahnrad und die Stirnräder ein Übersetzungsverhältnis Ü aufweisen, mit 2:1 <= Ü <= 5:1 oder 7:2 <= Ü <= 9:2. Ausgehend von Drehzahlen der Arbeitsmaschine von 200000 U/min kann durch dieses Übersetzungsverhältnis Ü ein Leistungswandler eingesetzt werden, der ein optimales Verhältnis von Baugröße zu Preis aufweist. Insbesondere die Baugröße ist für mobile Anwendungen von tragender Bedeutung.It may be advantageous if the gear and the spur gears have a gear ratio Ü, with 2: 1 <= Ü <= 5: 1 or 7: 2 <= Ü <= 9: 2. Based on speeds of the working machine of 200,000 U / min can be used by this ratio Ü a power converter, which has an optimal ratio of size to price. In particular, the size is of major importance for mobile applications.

Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn das Zahnrad und/oder das Stirnrad eine Breite B aufweisen, mit 4 mm <= B <= 25 mm oder 4 mm <= B <= 21 mm oder 5 mm <= B <= 20 mm oder B = 12 mm. Eine ausreichend große Breite B ist wichtig für die eingangs genannte hydrodynamische Lagerung zwischen dem jeweiligen Stirnzahnrad und dem Zahnrad der Welle. Wenn das Schmiermittel mit Bezug zur axialen Breite B etwa mittig aufgegeben wird, so ergeben sich bezüglich der hydrodynamischen Lagerung symmetrische Verhältnisse der angreifenden Lagerkräfte. Dies jedoch setzt voraus, dass kein umlaufender Käfig für etwaige Planetenräder vorgesehen ist, der den Einbau eines entsprechend radial ausgerichteten Schmiermittelkanals nicht zuließe. Die erfindungsgemäße Breite B unterstützt zudem die Tragfähigkeit des Zahnrades. Finally, it may be advantageous if the gear and / or the spur gear have a width B, with 4 mm <= B <= 25 mm or 4 mm <= B <= 21 mm or 5 mm <= B <= 20 mm or B = 12 mm. A sufficiently large width B is important for the aforementioned hydrodynamic bearing between the respective spur gear and the gear of the shaft. If the lubricant with respect to the axial width B is placed approximately in the middle, so arise with respect to the hydrodynamic bearing symmetrical ratios of the attacking bearing forces. However, this requires that no circumferential cage is provided for any planetary gears, which does not allow the installation of a corresponding radially oriented lubricant channel. The width B of the invention also supports the carrying capacity of the gear.

Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein System, bestehend aus einer Arbeitsmaschine, wie vorgehend beschrieben, eingebettet in einen Dampfkreislauf. Rest-Abwärme-Mengen von technischen Anlagen oder Motoren mit einem niedrigeren Temperaturniveau von weniger als 90°, können somit noch in elektrische Energie umgewandelt werden.The problem is solved by a system consisting of a working machine, as previously described, embedded in a steam cycle. Residual waste heat quantities of technical systems or engines with a lower temperature level of less than 90 °, can thus still be converted into electrical energy.

Gelöst wird die Aufgabe zudem auch durch Verwendung einer Arbeitsmaschine oder eines Systems, wie vorgehend beschrieben, in einem Drehzahlbereich der Arbeitsmaschine zwischen 50.000 U/min und 350.000 U/min und einem Leistungsbereich des elektrischen Generators zwischen 1 kW und 30 kW oder zwischen 10 kW und 20 kW.The object is also achieved by using a work machine or a system, as described above, in a speed range of the machine between 50,000 rpm and 350,000 rev / min and a power range of the electric generator between 1 kW and 30 kW or between 10 kW and 20 kW.

Ein wesentlicher Verwendungszweck der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine ist die Entspannung von Prozessdampf oder anderen dampfförmigen Medien. So kann die Turbine beispielsweise in industriellen Anwendungen dazu eingesetzt werden, um Heizdampf von einem hohen Druckniveau auf ein tieferes Druckniveau zu entspannen. Auch eine serielle oder parallele Verschaltung mehrerer Turbinenaggregate ist hierfür denkbar. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Druckdifferenz je Turbinenaggregat 0,1 bar <= dp =< 10 bar oder 0,5 bar <= dp <= 5 bar oder 1 bar <= dp <= 3 bar oder dp = 1,5 bar beträgt. Bei der Entspannung wird ein Teil der im Heizdampf enthaltenen thermischen Energie in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt. Die Kondensationswärme des Niederdruckdampfes kann anschließend für Heizzwecke weiter verwendet werden (Kraft-Wärme-Kopplung). Durch die kompakte und wartungsarme Bauweise ergeben sich hierdurch maßgebliche Vorteile gegenüber bestehender Entspannungssysteme.An essential use of the working machine according to the invention is the relaxation of process steam or other vaporous media. For example, in industrial applications, the turbine can be used to relieve heating steam from a high pressure level to a lower pressure level. A serial or parallel connection of several turbine units is conceivable for this purpose. It can be advantageous if the pressure difference per turbine unit is 0.1 bar <= dp = <10 bar or 0.5 bar <= dp <= 5 bar or 1 bar <= dp <= 3 bar or dp = 1.5 bar is. During relaxation, part of the thermal energy contained in the heating steam is converted into electrical or mechanical energy. The condensation heat of the low-pressure steam can then be used for heating purposes (combined heat and power). Due to the compact and low-maintenance design, this results in significant advantages over existing relaxation systems.

Die erfindungsgemäße Ausbildung kann ferner dazu verwendet werden, gasförmige oder dampfförmige Medien zu verdichten. Ein Anwendungsfall hierfür ist beispielsweise die Brüdenverdichtung von Prozessdampf oder anderen chemischen Dämpfen. Im Gegensatz zur Brüdenentspannung wird bei der Brüdenverdichtung Dampf von einem niedrigen Druckniveau auf ein höheres Druckniveau gebracht. Es kann entsprechend von Vorteil sein mehrere Aggregate seriell oder parallel zu verschalten.The inventive construction can also be used to compress gaseous or vaporous media. One application for this is, for example, the vapor compression of process steam or other chemical vapors. In contrast to the vapor recuperation, vapor is brought from a low pressure level to a higher pressure level in the vapor recompression. It may be advantageous to interconnect several units in series or in parallel.

Die hohe Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Ausbildung und die hieraus folgende geringe Baugröße ermöglichen eine vorteilhafte Montage gegenüber bestehender Systeme. Insbesondere bestehende chemische Anlage können einfach mit einem solchen System nachgerüstet werden. Zudem ermöglicht die geringe Baugröße, mithin die erreichte Leistungsdichte einen mobilen Einsatz in beispielsweise Kraft- oder Nutzfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder Raketen. Eine größere Baugröße schließt diese Anwendung technisch aus.The high power density of the construction according to the invention and the consequent small size allow an advantageous installation over existing systems. In particular, existing chemical plant can be easily retrofitted with such a system. In addition, the small size, thus the achieved power density allows mobile use in, for example, motor vehicles or commercial vehicles, ships, aircraft or rockets. A larger size excludes this application technically.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:Further advantages and details of the invention are explained in the patent claims and in the description and illustrated in the figures. Show it:

1–5 eine perspektivische Ansicht der Arbeitsmaschine mit Getriebe und Motor in verschiedenen Ausgestaltungsvarianten; 1 - 5 a perspective view of the machine with gearbox and engine in various design variants;

6 eine Prinzipskizze des Getriebes mit Schmiermittelkanal; 6 a schematic diagram of the transmission with lubricant channel;

7 einen Dampfkreislauf. 7 a steam cycle.

Nach 1 ist die als Turbinenrad ausgebildete Arbeitsmaschine 1 auf einer einteiligen Welle 2 stirnseitig befestigt. Die Welle 2 ist innerhalb eines Gehäuses 4 über zwei Lager 3.1, 3.2 gelagert. Das Gehäuse 4 kann über eine Befestigungsrippe 4.2 angebaut werden. An ihrem der Arbeitsmaschine 1 gegenüberliegenden Ende weist die Welle 2 ein Zahnrad 5 mit einem Teilkreisdurchmesser D von 10 mm auf, welches mit einem Getriebe 6 in Eingriff steht. Zwecks Versorgung der beiden Lager 3a, 3b mit Öl, weist das Gehäuse 4 zudem eine Schmiermitteldüse 4.1 auf, über die das jeweilige als Schwimmbuchsenlager ausgebildete Lager 3.1, 3.2 mit Schmiermittel versorgbar ist. Das jeweilige Lager 3.1, 3.2 weist eine Schwimmbuchse 3a, 3b auf, die innerhalb des Gehäuses 4 auf hydrodynamischer Basis gelagert ist. Gleichfalls ist die Welle 2 innerhalb der jeweiligen Schwimmbuchse 3a, 3b hydrodynamisch gelagert.To 1 is the working machine designed as a turbine wheel 1 on a one-piece shaft 2 fixed on the front side. The wave 2 is inside a housing 4 over two camps 3.1 . 3.2 stored. The housing 4 can have a fastening rib 4.2 be grown. At her the working machine 1 opposite end points the shaft 2 a gear 5 with a pitch diameter D of 10 mm, which with a gearbox 6 engaged. For the purpose of supplying the two camps 3a . 3b with oil, the housing indicates 4 also a lubricant nozzle 4.1 on, over which the respective designed as a floating bush bearing camp 3.1 . 3.2 can be supplied with lubricant. The respective warehouse 3.1 . 3.2 has a swimming bush 3a . 3b on that inside the case 4 is stored on a hydrodynamic basis. Likewise, the wave is 2 within the respective swimming bush 3a . 3b hydrodynamically stored.

Das Getriebe 6 weist drei auf jeweils einer Lagerwelle 7, 7', 7'' angeordnete Stirnzahnräder 8, 8', 8'' auf, die um die Welle 2 bzw. das Zahnrad 5 herum angeordnet sind, so dass sich in Umfangsrichtung zur Welle 2 ein Versatz von jeweils 120° ergibt. Das Zahnrad 5 und die Stirnzahnräder 8 weisen einen Modul von 0,5 mm auf. Das Übersetzungsverhältnis U beträgt 79:20 bzw. 3,95:1. Die jeweilige Lagerwelle 7, 7', 7'' ist innerhalb des Gehäuses 6 fest gelagert. Zwecks Gewährleistung einer ausreichend flexiblen Lagerung einerseits und einer ausreichend dynamischen Lagerung andererseits, wird das so ausgebildete Getriebe gemäß 6 über zwei Schmiermittelkanäle 9, 9' mit Schmiermittel, wie Getriebeöl oder Motoröl versorgt. Die beiden Schmiermittelkanäle 9, 9' sind dabei vorzugsweise tangential in eine Richtung R zum jeweiligen Stirnrad 8, 8', 8'' bzw. zum Zahnrad 5 angeordnet (in 1–5 nicht dargestellt). Die beiden Schmiermittelkanäle 9, 9' befinden sich dabei innerhalb der durch die drei Stirnräder 8, 8', 8'' gespannten Ebene, vorzugsweise mittig betreffend eine Breite B des jeweiligen Stirnrads 8, 8', 8'' gemäß 1. Somit muss das mittig aufgebrachte Schmiermittel aufgrund des Eingriffes zwischen Stirnrad 8 und Zahnrad 5, von der Mitte ausgehend, nach außen in axiale Richtung verdrängt werden, was letztlich den gewünschten hydrodynamischen Effekt erzielt.The gear 6 has three on each of a bearing shaft 7 . 7 ' . 7 '' arranged spur gears 8th . 8th' . 8th'' on, around the shaft 2 or the gear 5 are arranged around, so that in the circumferential direction to the shaft 2 gives an offset of 120 ° each. The gear 5 and the spur gears 8th have a module of 0.5 mm. The transmission ratio U is 79:20 or 3.95: 1. The respective bearing shaft 7 . 7 ' . 7 '' is inside the case 6 firmly stored. In order to ensure a sufficiently flexible storage on the one hand and a sufficiently dynamic storage on the other hand, the so-formed transmission is in accordance with 6 via two lubricant channels 9 . 9 ' supplied with lubricants, such as gear oil or engine oil. The two lubricant channels 9 . 9 ' are preferably tangential in a direction R to the respective spur gear 8th . 8th' . 8th'' or to the gear 5 arranged (in 1 - 5 not shown). The two lubricant channels 9 . 9 ' are located within the through the three spur gears 8th . 8th' . 8th'' tensioned plane, preferably centrally with respect to a width B of the respective spur gear 8th . 8th' . 8th'' according to 1 , Thus, the centrally applied lubricant due to the engagement between the spur gear 8th and gear 5 , starting from the center, are displaced outwards in the axial direction, which ultimately achieves the desired hydrodynamic effect.

Gemäß 1 ist direkt an die Lagerwelle 7 ein elektrischer Generator 10 angekoppelt. Mithin weist der Generator 10 die Drehzahl des Stirnrades 8 bzw. der Lagerwelle 7 auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lager 3.1, 3.2 und das Getriebe 6 ausgelegt auf eine Drehzahl der Arbeitsmaschine 1 von etwa 200.000 U/min und einer Drehzahl des elektrischen Generators 10 von etwa 50.000 U/min. Das Stirnzahnrad 8 weist einen Teilkreisdurchmesser Ds von 39,5 mm auf.According to 1 is directly to the bearing shaft 7 an electric generator 10 coupled. Thus, the generator points 10 the speed of the spur gear 8th or the bearing shaft 7 on. In the embodiment shown here, the bearings 3.1 . 3.2 and the gearbox 6 designed for a speed of the working machine 1 of about 200,000 rpm and a speed of the electric generator 10 of about 50,000 rpm. The spur gear 8th has a pitch circle diameter Ds of 39.5 mm.

In Ausführungsform 2 ist das Stirnradgetriebe 6 im Unterschied zu der geraden Verzahnung nach Ausführungsbeispiel 1 als Pfeilverzahnung ausgebildet. Hierdurch ist das Getriebe 6 in der Lage Axialkräfte der Welle 2 aufzunehmen, so dass ein separates Axiallager für die Welle 2 nicht notwendig ist.In embodiment 2 is the spur gear 6 in contrast to the straight toothing of the embodiment 1 designed as an arrow toothing. This is the transmission 6 capable of axial forces of the shaft 2 absorb, leaving a separate thrust bearing for the shaft 2 is not necessary.

Ähnliches gilt für die Ausführungsform nach 3, wo es sich um doppelt-schrägverzahnte Stirnräder bzw. Doppelschrägverzahntes Zahnrad 5 handelt. Nach Ausführungsform 3 ist jede der drei Lagerwellen 7, 7', 7'' an einen elektrischen Generator 10, 10', 10'' gekoppelt, so dass sich insgesamt eine symmetrische Lastverteilung innerhalb des Getriebes 6 ergibt.The same applies to the embodiment according to 3 where there are double-helical gears or Doppelschrägverzahntes gear 5 is. According to embodiment 3 is each of the three bearing shafts 7 . 7 ' . 7 '' to an electric generator 10 . 10 ' . 10 '' coupled, so that in total a symmetrical load distribution within the transmission 6 results.

Alternativ hierzu ist es gemäß 4 auch möglich, einen elektrischen Generator 10 über ein weiteres Getriebemittel 11, wie einen Riementrieb bzw. Keilriementrieb mit allen drei Lagerwellen 7, 7', 7'' zu koppeln, um letztlich eine symmetrische Antriebslast zu gewährleisten. Nach Ausführungsform 4 ist jedoch die durch den Riementrieb und der damit verbunden Vorspannung entstehende Lagerbelastung der drei Lagerwellen 7, 7', 7'' unsymmetrisch.Alternatively, it is according to 4 also possible, an electric generator 10 via another gear means 11 , such as a belt drive or V-belt drive with all three bearing shafts 7 . 7 ' . 7 '' to couple, to ultimately ensure a symmetrical drive load. According to embodiment 4 However, the resulting by the belt drive and the associated bias bearing load of the three bearing shafts 7 . 7 ' . 7 '' unbalanced.

Nach Ausführungsform 5 weist Wiederrum jede Lagewelle 7, 7', 7'' einen daran direkt angekoppelten elektrischen Generator 10, 10', 10'' auf. Die Verzahnung ist jedoch als Einfach-Schrägverzahnung ausgebildet, so dass die durch die Arbeitsmaschine 1 bzw. die Turbine 1 generierten Axialkräfte über die Schrägverzahnung des Getriebes 6 aufgenommen werden können.According to embodiment 5 Again, every positional wave 7 . 7 ' . 7 '' a directly coupled electrical generator 10 . 10 ' . 10 '' on. However, the toothing is designed as a single helical toothing, so that by the working machine 1 or the turbine 1 generated axial forces on the helical gearing of the transmission 6 can be included.

Nach Ausführungsform 7 ist die Arbeitsmaschine 1 mit dem Getriebe 6 und den elektrischen Generatoren 10 in einen Dampfkreislauf 12, wie beispielsweise einen ORC-Kreislauf eingebunden. Der Dampfkreislauf 12 weist einen als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 12.1 und einen weiteren Wärmetauscher 12.2 zur Aufnahme der zu nutzenden Restwärme auf. Ferner weist der Dampfkreislauf 12 eine Pumpe 12.3 zur Gewährleistung des Kreislaufes auf. Nach dem Entspannen des Mediums über die Arbeitsmaschine 1 bzw. die Turbine 1 wird das Medium im Wärmetauscher 12.1 kondensiert und wird nach dem erneuten Erhitzen über den Wärmetauscher 12.2 wiederum der Turbine 1 zwecks Expansion zugeführt.According to embodiment 7 is the working machine 1 with the gearbox 6 and the electric generators 10 in a steam cycle 12 , such as an ORC circuit. The steam cycle 12 has a designed as a condenser heat exchanger 12.1 and another heat exchanger 12.2 for receiving the residual heat to be used. Furthermore, the steam cycle 12 a pump 12.3 to ensure the circulation. After relaxing the medium on the working machine 1 or the turbine 1 the medium is in the heat exchanger 12.1 condenses and after re-heating via the heat exchanger 12.2 turn the turbine 1 supplied for expansion.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Arbeitsmaschine, Radialturbinenrad, Radialverdichterrad, TurbineWorking machine, radial turbine wheel, centrifugal compressor wheel, turbine
22: Wellewave
3.13.1: Lager, SchwimmbuchsenlagerBearings, floating bush bearings
3.23.2: Lager, SchwimmbuchsenlagerBearings, floating bush bearings
3a3a: Schwimmbuchsefloating bush
3b3b: Schwimmbuchsefloating bush
44: Gehäusecasing
4.14.1: Schmiermitteldüselubricant nozzle
4.24.2: Befestigungsrippefixing rib
55: Zahnradgear
66: Getriebe, StirnradgetriebeGearbox, helical gearbox
77: Lagerwellebearing shaft
7'7 ': Lagerwellebearing shaft
7''7 '': Lagerwellebearing shaft
88th: Stirnzahnradspur gear
8'8th': Stirnzahnradspur gear
8''8th'': Stirnzahnradspur gear
99: Schmiermittelkanallubricant channel
9'9 ': Schmiermittelkanallubricant channel
1010: Leistungswandler, Motor, GeneratorPower converter, motor, generator
10'10 ': Leistungswandler, Motor, GeneratorPower converter, motor, generator
10''10 '': Leistungswandler, Motor, GeneratorPower converter, motor, generator
1111: Getriebemittel, KeilriemenTransmission medium, V-belt
1212: DampfkreislaufSteam cycle
12.112.1: Wärmetauscherheat exchangers
12.212.2: Wärmetauscherheat exchangers
12.312.3: Pumpepump
BB: Breitewidth
DD: TeilkreisdurchmesserPitch diameter
Dsds: TeilkreisdurchmesserPitch diameter
MM: Modulmodule
RR: Richtung von 9 Direction of 9
ÜÜ: Übersetzungsverhältnisratio
VV: Volumenstromflow

Claims

Working machine ( 1 ) formed as a radial turbine wheel or as Radialverdichterrad on a one-piece shaft ( 2 ), wherein the shaft ( 2 ) over two bearings ( 3.1 . 3.2 ) within a housing ( 4 ) is mounted floating in the radial direction, wherein the shaft ( 2 ) a gearwheel ( 5 ) and via the gear ( 5 ) directly with a transmission ( 6 ), wherein the transmission ( 6 ) is designed as a spur gear, with which the gear ( 5 ) is directly engaged, wherein the transmission ( 6 ) with a designed as a motor or as a generator electric power converter ( 10 ), characterized in that the two bearings ( 3.1 . 3.2 ) are formed as hydrodynamic bearings and the transmission ( 6 ) three spur gears ( 8th . 8th' . 8th'' ), with which the gear ( 5 ) is engaged directly, wherein at least one lubricant channel ( 9 ) is provided, which in the area between the respective spur gear ( 8th . 8th' ) and the gear ( 5 ) and via the lubricant between the respective spur gear ( 8th . 8th' ) and the gear ( 5 ) can be introduced and in operation, a proportion of hydrodynamic bearing of the gear ( 5 ) within the three spur gears ( 8th . 8th' . 8th'' ) is provided.

Working machine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the lubricant is introduced with a volume flow V, with 0.5 l / min <= V <= 5 l / min or 1.5 l / min <= V <= 2 l / min or V = 1.75 l / min

Working machine ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the two bearings ( 3.1 . 3.2 ) are designed as hydrodynamic floating bush bearings.

Working machine ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the gear ( 5 ) and the spur gears ( 8th . 8th' ) have a modulus M of 0.2 mm <= M <= 1 mm or 0.3 mm <= M <= 0.7 mm or 0.4 mm <= M <= 0.6 mm or M = 0 , 5 mm.

Working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gear ( 5 ) and the spur gears ( 8th . 8th' ) have a straight toothing, a helical toothing, double helical toothing or an arrow toothing.

Working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gear ( 5 ) on the shaft ( 2 ) is attached by application of a press and / or adhesive bandage.

Working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gear ( 5 ) has a pitch circle diameter D, with 5 mm <= D <= 20 mm or 5 mm <= D <= 15 mm or 6 mm <= D <= 14 mm or D = 10 mm.

Working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one bearing shaft ( 7 ) directly to the power converter ( 10 ) is coupled.

Working machine ( 1 ) according to claim 8, characterized in that directly to the power converter ( 10 ) coupled spur gear ( 8th . 8th' ) has a pitch circle diameter Ds, with 10 mm <= Ds <= 75 mm or 10 mm <= Ds <= 30 mm or 25 mm <= Ds <= 75 mm or Ds = 39.5 mm.

Working machine ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that one or more spur gears ( 8th . 8th' ) via a transmission means ( 11 ) with the power converter ( 10 ) are coupled.

Working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gear ( 5 ) and the spur gears ( 8th . 8th' ) have a transmission ratio Ü, with 2: 1 <= T <= 5: 1 or 7: 2 <= T <= 9: 2.

Working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gear ( 5 ) and / or the spur gear ( 8th . 8th' ) have a width B of 4 mm <= B <= 25 mm or 4 mm <= B <= 21 mm or 5 mm <= B <= 20 mm or B = 12 mm.

System consisting of a working machine ( 1 ) according to one of the preceding claims embedded in a steam cycle ( 12 ).

Use of a working machine ( 1 ) or a system according to one of the preceding claims in a speed range of Working machine ( 1 ) between 50,000 rpm and 350,000 rpm and a power range of the electric generator ( 10 ) between 1 kW and 30 kW.