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Die Erfindung betrifft eine Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit, insbesondere wie sie zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, als Zusatzverdichter für eine Brennkraftmaschine, als Turboverdichter in einer Wärmepumpe in der Klimatechnik oder als Mikrogasturbine in einem Kleinstkraftwerk verwendet werden kann.
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Stand der Technik
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Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Auslegeschrift
DE 1 138 720 . Die bekannte Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit umfasst eine Turbinen- bzw. Pumpenwelle, eine Generator- bzw. Motorwelle und ein Getriebe, das die beiden Wellen verbindet. Das Getriebe ist als Planetengetriebe ausgeführt, wobei das Getriebe eine erste Getriebestufe und eine zweite Getriebestufe umfasst sowie eine Kupplung. Dadurch kann die bekannte Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb mit optimalen Drehzahlen betrieben werden.
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Die bekannte Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit hat jedoch einen vergleichsweise großen Bauraumbedarf, vor allem wegen des Getriebes mit Kupplung. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn die Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit entweder nur im Pumpbetrieb bzw. Verdichterbetrieb oder nur im Turbinenbetrieb betrieben werden soll.
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Als Anwendungsbeispiele zum Einsatz von Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheiten sind eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine aus der Patentschrift
DE 10 2011 005 722 B3 , eine Wärmepumpe aus der Offenlegungsschrift
DE 100 58 708 A1 und eine Mikrogasturbine aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 102 351 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit weist gegenüber der bekannten Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit den Vorteil auf, dass sie aufgrund eines festen Übersetzungsverhältnisses und dem besonderen Aufbau ihres Getriebes einen sehr geringen Bauraumbedarf hat.
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Dazu umfasst die Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit eine Turbomaschine, eine Elektromaschine und ein Getriebe, wobei das Getriebe die Turbomaschine mit der Elektromaschine in einem festen Übersetzungsverhältnis verbindet und wobei ein Laufrad der Turbomaschine auf einer Getriebewelle des Getriebes angeordnet ist. Das Getriebe ist ein Standplanetengetriebe, wobei das Standplanetengetriebe als Reibradgetriebe ausgebildet ist. Die Übersetzung des Getriebes von der Turbomaschine zur Elektromaschine liegt im Bereich zwischen 2:1 und 7:1 liegt.
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Durch das feste Übersetzungsverhältnis entfallen Kupplungen und weitere Getriebestufen, wodurch eine kompakte Bauform erzielt wird. Durch das Übersetzungsverhältnis im Bereich zwischen 2:1 und 7:1 kann die Turbomaschine mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden und gleichzeitig die Elektromaschine mit deutlich niedrigeren Drehzahlen, so dass auch handelsübliche Elektromaschinen verwendet werden können. Die Ausführung des Standplanetengetriebes als Reibradgetriebe ermöglicht die radiale Lagerung der Getriebewelle innerhalb des Getriebes ohne zusätzliche Lager, wodurch weiterer Bauraum eingespart wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit ist die Getriebewelle die Hochdrehzahlwelle des Standplanetengetriebes.
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Dadurch wird die Drehzahl des vergleichsweise sehr schnell drehenden Laufrads der Turbomaschine auf eine niedrigere Drehzahl für die Elektromaschine untersetzt. Die hochdrehende Getriebewelle kann so über das Prinzip eines als Reibradgetriebe ausgeführten Standplanetengetriebes durch dieses sowohl untersetzt als auch gelagert werden.
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Vorteilhafterweise weist die Getriebewelle nur eine Radiallagerstelle auf, die durch drei im Standplanetengetriebe angeordnete Planetenräder ausgebildet wird. Die drei Planetenräder sind parallel zur Getriebewelle und vorzugsweise über den Umfang der Getriebewelle gleichverteilt angeordnet, so dass sich im idealisierten Fall drei Linienkontakte zwischen der Getriebewelle und den drei Planetenrädern ergeben. Vorzugsweise verlaufen die Linienkontakte jeweils über eine Länge von mehr als 15 mm. Durch die drei Linienkontakte wird eine radiale Lagerung der Getriebewelle ähnlich der eines Gleitlagers dargestellt und es sind keine weiteren Radiallager für die Getriebewelle erforderlich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die drei Planetenräder durch ein sie umgebendes Hohlrad des Standplanetengetriebes auf die Getriebewelle vorgespannt. Dadurch ergibt sich eine Kraftübertragung ohne Schlupf bzw. mit minimiertem Schlupf zwischen den Planetenrädern und der Getriebewelle einerseits und den Planetenrädern und dem Hohlrad andererseits. Aus den idealisierten Linienkontakten werden somit im Betrieb Flächenkontakte mit sehr schmalen Kontaktflächen.
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Vorteilhafterweise ist an der Getriebewelle eine Wellenschulter ausgebildet, die mit an den Planetenrädern ausgebildeten Planetenradstirnflächen zusammenwirken kann, wobei an jedem der drei Planetenräder jeweils eine Planetenradstirnfläche ausgebildet ist. Die Wellenschulter wirkt dann mit den Planetenradstirnflächen zusammen, wenn eine Axialkraft auf die Getriebewelle wirkt. Die Axialkraft wird somit von den Planetenrädern an jeweils zugehörige Planetenradlager weitergeleitet und von diesen aufgenommen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist an der Getriebewelle eine weitere Wellenschulter ausgebildet, die mit an den Planetenrädern ausgebildeten den Planetenradstirnflächen gegenüberliegenden weiteren Planetenradstirnflächen zusammenwirkt. Dadurch wird eine Axialkraft in einer weiteren Richtung aufgenommen. Richtungsabhängig wird die Axialkraft auf die Getriebewelle somit entweder über die Wellenschulter oder über die weitere Wellenschulter auf die Planetenräder übertragen.
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In vorteilhaften Ausführungen der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit ist das Hohlrad auf einer Elektromaschinenwelle der Elektromaschine angeordnet. Dadurch können verhältnismäßig große Übersetzungsverhältnisse von der Turbomaschine zur Elektromaschine erzielt werden.
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Vorteilhafterweise ist ein Außendurchmesser des Laufrads kleiner als 150 mm. Dadurch wird die Bauweise der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit noch kompakter ausgeführt und eignet sich entsprechend gut für vergleichsweise kleine Systeme.
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Weiterhin vorteilhafterweise liegt die Nenndrehzahl des Laufrades zwischen 75.000 und 250.000 Umdrehungen pro Minute. Aufgrund der sehr hohen Nenndrehzahlen besitzt die Turbomaschine somit auch trotz der kompakten Bauweise eine hohe Nennleistung.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine verwendet. Dazu weist die Abwärmenutzungsanordnung der Brennkraftmaschine einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei in dem Kreislauf ein Wärmetauscher, ein Kondensator und eine Förderpumpe angeordnet sind. In dem Kreislauf ist weiterhin eine erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit angeordnet, wobei die Elektromaschine als Generator betrieben wird. Durch ihre kompakte Bauweise und ihre hohen Drehzahlen eignet sich die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit besonders gut für eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine. Die vergleichsweise große Wärmeenergie der hohen Abgastemperaturen der Brennkraftmaschine wird in einem oder in mehreren Wärmetauschern in das Arbeitsmedium des Kreislaufs überführt und in der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in elektrische Leistung umgewandelt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer Wärmepumpe verwendet. Dazu weist die Wärmepumpe eine Kondensator, einen Verdampfer und eine erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit auf, wobei die Elektromaschine als Motor betrieben wird und wobei das Laufrad als Verdichter zwischen Verdampfer und Kondensator wirkt. Das Laufrad verdichtet ein Arbeitsmedium im dampfförmigen Zustand und benötigt daher hohe Drehzahlen, welche durch die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit erreicht werden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit aufgrund ihrer kompakten Bauform sehr gut in kleinen Wärmepumpen eingesetzt werden, zum Beispiel in dezentralen Heizsystemen von Wohnhäusern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer Mikrogasturbine verwendet. Dazu weist die Mikrogasturbine eine erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit auf, wobei die Elektromaschine als Generator betrieben wird und wobei das Laufrad als Verdichter für ein Turbinenlaufrad der Mikrogasturbine wirkt. Eine Mikrogasturbine ist naturgemäß in kompakter Bauform ausgeführt und benötigt demzufolge auch ein verhältnismäßig kleines aber hochdrehendes Laufrad für den Verdichter. Die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit kann aufgrund ihrer kompakten Bauweise demzufolge sehr gut in einer Mikrogasturbine verwendet werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer weiteren Mikrogasturbine verwendet. Dazu weist die Mikrogasturbine eine Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit auf, wobei die Elektromaschine als Generator betrieben wird und wobei das Laufrad als ein Turbinenlaufrad der Mikrogasturbine wirkt. Ein Verdichterlaufrad ist auf der Getriebewelle angeordnet, wobei das Verdichterlaufrad die der Mikrogasturbine zugeführte Verbrennungsluft verdichtet. Das Laufrad und das Verdichterlaufrad drehen mit der gleichen vergleichsweise hohen Drehzahl. Trotz der kompakten Bauweise kann somit eine hohe Leistung übertragen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit als Zusatzverdichter für eine Brennkraftmaschine verwendet. Dazu weist die Brennkraftmaschine einen elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und eine Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit auf, wobei die Elektromaschine als Motor betrieben wird und wobei das Laufrad als Zusatzverdichter wirkt. Die erfindungsgemäße Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit kann aufgrund ihrer kompakten Bauweise sehr gut als Zusatzverdichter verwendet werden. Das Laufrad dreht mit einer vergleichsweise hohen Drehzahl und kann somit – trotz der kompakten Bauweise – der Brennkraftmaschine einen ausreichend hohen Massenstrom an verdichteter Verbrennungsluft zuführen.
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Zeichnungen
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit.
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2 zeigt einen Teil einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einem Ausführungsbeispiel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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3 zeigt schematisch ein Getriebe eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit.
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4 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine.
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5 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer Wärmepumpe.
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6 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer Mikrogasturbine.
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7 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit in einer weiteren Mikrogasturbine.
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8 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit als Zusatzverdichter für eine Brennkraftmaschine.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1. Die Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 umfasst eine Turbomaschine 2 und eine Elektromaschine 3, die durch ein Getriebe 4 miteinander verbunden sind. Das Getriebe 4 ist dabei so ausgelegt, dass eine Getriebewelle 41, die das Getriebe 4 mit der Turbomaschine 2 verbindet, mit einer höheren Drehzahl läuft als eine Elektromaschinenwelle 31, die das Getriebe 4 mit der Elektromaschine 3 verbindet.
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2 zeigt schematisch einen Teil einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 mit einem als Standplanetengetriebe ausgebildeten Getriebe 4. Das Standplanetengetriebe umfasst ein auf der Getriebewelle 41 angeordnetes Sonnenrad 46, drei um das Sonnenrad 46 parallel zu diesem und gleichverteilt auf einem Planetenträger 47 angeordnete Planetenräder 42, 43, 44, und ein die Planetenräder 42, 43, 44 umhüllendes Hohlrad 45, welches konzentrisch zur Getriebewelle 41 angeordnet ist. In der 2 sind nur zwei Planetenräder 42, 43 skizziert, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen jedoch vor allem Standplanetengetriebe betreffen, die drei Planetenräder 42, 43, 44 aufweisen, welche auf einem Umkreis um das Sonnenrad 46 gleichverteilt, also in 120° Abschnitten angeordnet sind. Speziell in Ausführungsformen, bei denen die Getriebewelle 41 mit vergleichsweise hohen Drehzahlen betrieben wird, kann die Getriebewelle 41 auch direkt mit den drei Planetenrädern 42, 43, 44 zusammenwirken, so dass das Sonnenrad 46 für diese Ausführungsformen wegfällt bzw. einstückig mit der Getriebewelle 41 ausgebildet ist.
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Außerhalb des Getriebes 4 ist auf der Getriebewelle 41 ein Laufrad 21 der Turbomaschine 2 angeordnet. Die Verbindung kann beispielsweise über eine Keilwellenverbindung oder einen Pressverband erfolgen. Ein Außendurchmesser D des Laufrads 21 ist maßgebend für den benötigten Bauraum der Turbomaschine 2 bzw. für ein nicht dargestelltes Gehäuse der Turbomaschine 2. In möglichst kompakten Bauweisen der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 beträgt der Außendurchmesser D weniger als 150 mm und liegt vorzugsweise im Bereich von 50 mm bis 100 mm.
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3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Standplanetengetriebes 4 als Reibradgetriebe. Bei einem Reibradgetriebe weisen die Räder bzw. Wellen des Getriebes keine Zähne für Zahneingriffe mehr auf, sondern die Kraftübertragung erfolgt über Reibung der zylindrischen Mantelflächen.
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Die drei Planetenräder 42, 43, 44 sind auf dem nicht dargestellten Planetenträger parallel zur Getriebewelle 41 angeordnet, wobei die Rotationsachsen zweier Planetenräder 42, 43 starr zueinander angeordnet sind und das dritte Planetenrad 44 über eine Vorspannkraft des Hohlrades 45 positioniert wird. Die Lagerung der drei Planetenräder 42, 43, 44 erfolgt dabei jeweils durch ein Wälzlagerpaar, wobei in der 3 nur Planetenwälzlager 42b, 43b, 44b dargestellt sind, welche in der Ansicht der 3 an den Planetenrädern 42, 43, 44 vorne angeordnet sind.
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Auf den jeweiligen, in der Ansicht der 3 vorderen Stirnflächen 42a, 43a, 44a der drei Planetenräder 42, 43, 44 sind jeweils Lagerzapfen 42c, 43c, 44c angeordnet, wobei die Lagerzapfen 42c, 43c, 44c jeweils einstückig mit dem zugehörigen Planetenrad ausgeführt sind. Die Planetenwälzlager 42b, 43b, 44b lagern jeweils einen zugehörigen Lagerzapfen 42c, 43c, 44c.
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Analog zur in der Ansicht der 3 vorderen Seite der Planetenräder 42, 43, 44 sind auf der den Stirnflächen 42a, 43a, 44a gegenüberliegenden Seite der Planetenräder 42, 43, 44 nicht dargestellte weitere Stirnflächen ausgebildet, an denen jeweils wiederum nicht dargestellte weitere Lagerzapfen angeordnet sind. Die weiteren Lagerzapfen sind jeweils in weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Planetenwälzlagern gelagert, so dass jedes Planetenrad 42, 43, 44 durch ein Wälzlagerpaar gelagert ist.
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Die drei Lagerzapfen 42c, 43c, 44c sind mit dem nicht dargestellten Planetenträger verbunden, wobei zwei Lagerzapfen 42c, 43c starr mit dem Planetenträger und ein Lagerzapfen 44c verschiebbar mit dem Planetenträger verbunden ist. Der Planetenträger wiederum ist starr mit einem nicht dargestellten Getriebegehäuse verbunden. Analog dazu sind die drei weiteren Lagerzapfen ebenfalls derart mit dem Planetenträger oder mit einem Planetenrahmen verbunden, dass zwei weitere Lagerzapfen starr und ein weiterer Lagerzapfen verschiebbar angeordnet sind.
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Die Vorspannkraft des Hohlrades 45 auf die drei Planetenräder 42, 43, 44 führt auch zu einer Verspannung der drei Planetenräder 42, 43, 44 mit der Getriebewelle 41; in alternativen Ausführungsformen kann auch ein Sonnenrad auf der Getriebewelle 41 angeordnet sein, welches mit den drei Planetenrädern 42, 43, 44 verspannt wird.
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Durch die Ausführung des Standplanetengetriebes als Reibradgetriebe kann eine radiale Lagerung der Getriebewelle 41 ausschließlich über die drei Planetenräder 42, 43, 44 erfolgen, da die Verspannung der Getriebewelle 41 über die zylindrischen Mantelflächen der drei Planetenräder 42, 43, 44 eine statisch bestimmte Positionierung der Getriebewelle 41 erlaubt. Dazu betragen die Längen der Planetenräder 42, 43, 44, in 3 beispielhaft an der Länge L42 des Planetenrades 42 gezeigt, vorteilhafterweise jeweils mehr als 15 mm. Um eine kompakte Bauform zu erzielen, sollten die Längen der Planetenräder 42, 43, 44 aber nicht mehr als 50 mm betragen.
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An der Getriebewelle 41 ist eine Wellenschulter 41a ausgebildet, die der Übertragung von Axialkräften auf die Getriebewelle 41 dient. Die Wellenschulter 41a wirkt mit den jeweiligen Stirnflächen 42a, 43a, 44a der drei Planetenräder 42, 43, 44 zusammen, wenn die Getriebewelle 41 eine Axialkraft vom nicht dargestellten Laufrad in Richtung des Getriebes 4 erfährt. In anderen Ausführungsformen können die auf die Getriebewelle 41 wirkenden Axialkräfte auch durch alternative Axiallager aufgenommen werden, beispielsweise durch eine Anlauffläche einer Stirnseite der Getriebewelle 41 zu einem nicht dargestellten Getriebegehäuse oder durch ein handelsübliches Axiallager.
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Die Wirkungsweise der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 ist wie folgt:
Die Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 kann prinzipiell auf drei Arten betrieben werden:
- – Die Turbomaschine 2 wird als Turbine und die Elektromaschine 3 als Generator betrieben; eine Anwendung dazu wird später in 4 beschrieben.
- – Die Turbomaschine 2 wird als Verdichter und die Elektromaschine 3 als Motor betrieben; eine Anwendung dazu wird später in 5 beschrieben.
- – Die Turbomaschine 2 wird als Verdichter und die Elektromaschine 3 als Generator betrieben; eine Anwendung dazu wird später in 6 beschrieben.
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Unabhängig von der Art der Anwendung dreht die Turbomaschine 2 mit einer höheren Drehzahl (vorzugsweise 4- bis 7-mal so hoch) als die Elektromaschine 3. Diese feste Drehzahlübersetzung wird über das Getriebe 4 erzielt, das als Standplanetengetriebe ausgebildet ist. Die Hochdrehzahlwelle des Getriebes 4, die Getriebewelle 41, ist mit dem Laufrad 21 der Turbomaschine 2 verbunden, und das langsamer drehende Hohlrad 45 über die Elektromaschinenwelle 31 mit der Elektromaschine 3. Erfindungsgemäß erfolgt dabei die Kraftübertragung der Räder bzw. Wellen des Getriebes 4 nicht über Zahneingriffe, sondern über die Reibkräfte der aufeinander abrollenden und gegeneinander vorgespannten zylindrischen Flächen, so dass durch das Prinzip des Reibradgetriebes die Getriebewelle 41 gleichzeitig radial gelagert ist.
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4 zeigt eine Anwendung der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1, bei der die Turbomaschine 2 als Turbine und die Elektromaschine 3 als Generator betrieben wird. Eine Abwärmenutzungsanordnung 50 einer Brennkraftmaschine 51 weist einen Abgastrakt 58 und einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 52 auf. In dem Kreislauf 52 sind ein Wärmetauscher 53, ein Kondensator 54 und eine Förderpumpe 55 angeordnet. Die Förderpumpe 55 fördert flüssiges Arbeitsmedium in den Wärmetauscher 53. Der Wärmetauscher 53 ist gleichzeitig an den Abgastrakt 58 gekoppelt und entzieht dem aus der Brennkraftmaschine 51 kommenden Abgas im Abgastrakt 58 Wärmeenergie und speist diese in das Arbeitsmedium ein, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 53 verdampft wird. In alternativen Ausführungsformen können auch mehrere Wärmetauscher parallel oder in Reihe geschaltet sein.
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In dem Kreislauf 52 ist weiterhin eine Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 angeordnet. Das Laufrad 21 der als Turbine betriebenen Turbomaschine 2 wird von dem verdampften und unter Druck stehenden Arbeitsmedium angetrieben. Dadurch entspannt sich das Arbeitsmedium und wird anschließend im Kondensator 54 verflüssigt und wieder der Förderpumpe 55 zugeführt. Die Drehzahl des hochdrehenden Laufrads 21 wird im Getriebe 4 untersetzt, wie vorangehend schon beschrieben, so dass der Generator mit niedrigeren Drehzahlen betrieben werden kann.
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5 zeigt eine Anwendung der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1, bei der die Turbomaschine 2 als Verdichter und die Elektromaschine 3 als Motor betrieben wird. Eine Wärmepumpe 70 weist einen Arbeitsmittelkreislauf 77 mit einem Kondensator 71, einem Verdampfer 72, einer Drossel 73 bzw. einem Expansionsventil und einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 auf. Dabei wird die vergleichsweise niedrige Drehzahl des Motors durch das Getriebe 4 wie vorangehend beschrieben auf eine höhere Drehzahl des Laufrads 21 im Verdichter übersetzt.
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Der Verdampfer 72 verdampft ein vorher flüssiges Arbeitsmittel, das anschließend durch das Laufrad 21 verdichtet und dem Kondensator 71 zugeführt wird. Unter Abgabe von Wärmeenergie, beispielsweise in das Heizsystem eines Hauses, verflüssigt sich das Arbeitsmittel im Kondensator 71 wieder. Anschließend wird das Arbeitsmittel in der Drossel 73 oder über ein Expansionsventil entspannt und wieder dem Verdampfer 72 zugeführt.
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6 zeigt eine Anwendung der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1, bei der die Turbomaschine 2 als Verdichter und die Elektromaschine 3 als Generator betrieben wird. Eine Mikrogasturbine 80 weist ein Turbinenlaufrad 81 und eine Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 auf. Das Turbinenlaufrad 81 ist ebenso wie das Laufrad 21 des Verdichters auf der Getriebewelle 41 angeordnet. Verbrennungsluft 85 wird im Verdichter komprimiert und einem Brennraum 82 der Mikrogasturbine 80 zugeführt. In anderen Ausführungsformen wird die Verbrennungsluft 85 zunächst durch die Elektromaschine 3 geleitet, um diese zu kühlen, und anschließend dem Verdichter zugeführt.
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Im Brennraum 82 wird die Verbrennungsluft 85 mit einem Brennstoff 86 gemischt und gezündet und somit das Turbinenlaufrad 81 angetrieben. Es entsteht heißes und entspanntes Abgas 87. Anschließend kann in einem nicht dargestellten Rekuperator das Abgas 87 gekühlt und gleichzeitig die Verbrennungsluft 85 vorgewärmt werden.
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Das Turbinenlaufrad 81 treibt die Getriebewelle 41 und mit ihr auch das Laufrad 21 des Verdichters an. Die Drehzahl der Getriebewelle 41 wird durch das Getriebe 4 wie vorangehend beschrieben auf eine niedrigere Drehzahl der Elektromaschinenwelle 31 im Generator übersetzt.
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7 zeigt eine Anwendung der Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1, bei der die Turbomaschine 2 als Turbine und die Elektromaschine 3 als Generator betrieben wird. Eine Mikrogasturbine 90 weist eine Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1, wobei das Laufrad 21 der Turbomaschine 2 als Turbinenlaufrad wirkt, ein Verdichterlaufrad 91 und einen Brennraum 92 auf.
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Das Turbinenlaufrad 81 ist ebenso wie das Laufrad 21 des Verdichters auf der Getriebewelle 41 angeordnet. Verbrennungsluft 95 wird im Verdichter durch das Verdichterlaufrad 91 komprimiert und einem Brennraum 92 der Mikrogasturbine 90 zugeführt. In anderen Ausführungsformen wird die Verbrennungsluft 95 zunächst durch die Elektromaschine 3 geleitet, um diese zu kühlen, und anschließend dem Verdichter zugeführt.
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Im Brennraum 92 wird die Verbrennungsluft 95 mit einem Brennstoff 96 gemischt und gezündet und somit das Laufrad 21 angetrieben. Es entsteht heißes und entspanntes Abgas 97. Anschließend kann in einem nicht dargestellten Rekuperator das Abgas 97 gekühlt und gleichzeitig die Verbrennungsluft 95 vorgewärmt werden.
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Das Laufrad 21 treibt die Getriebewelle 41 an. Die Drehzahl der Getriebewelle 41 wird durch das Getriebe 4 wie vorangehend beschrieben auf eine niedrigere Drehzahl der Elektromaschinenwelle 31 im Generator übersetzt.
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8 zeigt eine Anordnung einer Turbomaschinen-Elektromaschinen-Einheit 1 als Zusatzverdichter für eine Brennkraftmaschine 61. Dabei wird die Elektromaschine 3 als Motor betrieben und die Turbomaschine 2 als Zusatzverdichter.
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Verbrennungsluft 65 wird über eine Ansaugleitung 66 der Turbomaschine 2 zugeführt und dort durch das Laufrad 21 verdichtet. Die verdichtete Verbrennungsluft wird über eine Druckleitung 67 der Brennkraftmaschine 61 zugeführt. Nach dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine 61 wird das Abgas durch einen Abgastrakt 68 abgeführt. Das heiße Abgas im Abgastrakt 68 kann in weiteren Ausführungen auch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in der Ansaugleitung 66 verwendet werden.
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Das Getriebe 4 übersetzt eine vergleichsweise niedrige Drehzahl der Elektromaschinenwelle 31 auf eine vergleichsweise hohe Drehzahl der Getriebewelle 41, wie vorangehend beschrieben. Dadurch dreht das Laufrad 21 der als Verdichter betriebenen Turbomaschine 2 vergleichsweise hoch und kann somit einen großen Massenstrom an Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine 61 zuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1138720 [0002]
- DE 102011005722 B3 [0004]
- DE 10058708 A1 [0004]
- DE 102012102351 A1 [0004]
