DE102016115744A1 - Turbomachine and its use - Google Patents

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Dieter Brillert
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (10) mit – mindestens einer als Arbeitsmaschine und/oder Kraftmaschine ausgebildeten Fluidenergiemaschineneinheit (16, 18), die jeweils Schaufeln (38) aufweisende Laufräder (34) und Leiträder (36) umfasst, und – einer einen Rotor (22) und einen Stator (26) aufweisenden elektrischen Maschineneinheit (14), wobei die Maschineneinheiten (14, 16, 18) eine gemeinsame Drehachse (12) aufweisen und bezogen auf diese Drehachse (12) in einem jeweiligen Axialabschnitt (A1, A2, A3) der Strömungsmaschine (10) angeordnet sind, wobei der Axialabschnitt (A1) der elektrischen Maschineneinheit (14) mit dem mindestens einen Axialabschnitt (A2, A3) der Fluidenergiemaschineneinheit/Fluidenergiemaschineneinheiten (16, 18) einen axialen Überlapp aufweist. Es ist vorgesehen, dass die elektrische Maschineneinheit (14) als Innenläufer ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer derartigen Strömungsmaschine (10) für Restenergieverwertungs-, Notfall-Wärmeabfuhr- und/oder Medizintechnik-Anwendungen.The invention relates to a turbomachine (10) comprising: - at least one fluid energy machine unit (16, 18) designed as a work machine and / or motor, which comprises impellers (34) and guide vanes (36) each having blades (38), and - one rotor ( 22) and a stator (26) having electrical machine unit (14), wherein the machine units (14, 16, 18) have a common axis of rotation (12) and with respect to this axis of rotation (12) in a respective axial section (A1, A2, A3 ) of the turbomachine (10) are arranged, wherein the axial section (A1) of the electrical machine unit (14) with the at least one axial section (A2, A3) of the fluid power machine unit / fluid energy machine units (16, 18) has an axial overlap. It is envisaged that the electrical machine unit (14) is designed as an internal rotor. The invention further relates to the use of such a flow machine (10) for residual energy recovery, emergency heat removal and / or medical technology applications.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit (i) mindestens einer als Arbeitsmaschine und/oder Kraftmaschine ausgebildeten Fluidenergiemaschineneinheit, die jeweils Schaufeln aufweisende Laufräder und Leiträder umfasst, und (ii) einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden elektrischen Maschineneinheit, wobei die Maschineneinheiten eine gemeinsame Drehachse aufweisen und bezogen auf diese Drehachse in einem jeweiligen Axialabschnitt der Strömungsmaschine angeordnet sind, wobei der Axialabschnitt der elektrischen Maschineneinheit mit dem mindestens einen Axialabschnitt der Fluidenergiemaschineneinheit/Fluidenergiemaschineneinheiten einen axialen Überlapp aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer derartigen Strömungsmaschine.The invention relates to a turbomachine having (i) at least one fluid energy machine unit, which has blades and guide vanes having vanes, and (ii) an electric machine unit having a rotor and a stator, the machine units having a common axis of rotation and in relation to this axis of rotation are arranged in a respective axial section of the turbomachine, the axial section of the electrical machine unit having an axial overlap with the at least one axial section of the fluid energy machine unit / fluid energy machine units. The invention further relates to the use of such a turbomachine.

Eine derartige Strömungsmaschine ist bekannt. Die EP 1 614 855 A1 zeigt eine Strömungsmaschine mit einer als Verdichter ausgebildeten Arbeitsmaschine, einer als Turbine ausgebildeten Kraftmaschine als Fluidenergiemaschineneinheiten, die jeweils Schaufeln aufweisende Laufräder und Leiträder umfassen, und einer einen Rotor und einen Stator umfassenden elektrischen Maschineneinheit, wobei diese drei Maschineneinheiten eine gemeinsame Drehachse aufweisen und bezogen auf diese Drehachse in einem jeweiligen Axialabschnitt der Strömungsmaschine angeordnet sind. Dabei weist der Axialabschnitt der elektrischen Maschineneinheit mit den Axialabschnitten der beiden Fluidenergiemaschineneinheiten jeweils einen axialen Überlapp auf. Genauer gesagt entspricht der Axialabschnitt der elektrischen Maschineneinheit im Wesentlichen der Summe der Axialabschnitte der beiden Fluidenergiemaschineneinheiten, die axial aufeinanderfolgend angeordnet sind. Diese Strömungsmaschine weist eine recht ungewöhnliche und nicht ganz so simple Konstruktion auf, denn die Drehachse selbst ist von einer feststehenden, hohlen Achse umgeben. Diese Achse trägt die Statorwicklungen des Stators der elektrischen Maschineneinheit. In den Axialabschnitten der beiden Fluidenergiemaschineneinheiten sind je mehrere als Laufräder ausgebildete Rotationselemente freidrehend an der Achse gelagert. Dabei weisen die Laufräder jeweils eine Bohrung auf, durch die sich die Achse erstreckt. Um die Bohrung herum weisen die Laufräder weiterhin Rotorwicklungen des Rotors der elektrischen Maschineneinheit auf. Bei dieser Strömungsmaschine wird bewusst auf eine Rotorwelle zur Drehmomentübertragung zwischen Turbine und Verdichter verzichtet. Eine entsprechende Energie- bzw. Drehmomentübertragung erfolgt stattdessen elektrisch.Such a turbomachine is known. The EP 1 614 855 A1 shows a turbomachine with a working machine designed as a compressor, a turbine formed as a turbine as fluid energy engine units comprising respective vanes and guide vanes, and an electric machine unit comprising a rotor and a stator, said three machine units having a common axis of rotation and with respect to these Rotary axis are arranged in a respective axial section of the turbomachine. In this case, the axial section of the electrical machine unit with the axial sections of the two fluid energy machine units each have an axial overlap. More specifically, the axial portion of the electric machine unit substantially corresponds to the sum of the axial portions of the two fluid power machine units arranged axially in succession. This turbomachine has a rather unusual and not so simple construction, because the axis of rotation itself is surrounded by a fixed, hollow axis. This axis carries the stator windings of the stator of the electric machine unit. In the axial sections of the two fluid power machine units, a plurality of rotating elements designed as running wheels are mounted freely rotating on the axle. In this case, the wheels each have a bore through which the axis extends. Around the bore, the wheels further comprise rotor windings of the rotor of the electric machine unit. In this turbomachine is deliberately omitted a rotor shaft for torque transmission between the turbine and compressor. A corresponding energy or torque transmission takes place electrically instead.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Strömungsmaschine und deren Verwendung anzugeben, wobei die Strömungsmaschine relativ einfach und kompakt aufgebaut ist und eine hinreichende Eignung für Anwendungen aus dem Gebiet der Restenergieverwertung aufweist.It is an object of the present invention to provide a turbomachine and its use, wherein the turbomachine is constructed relatively simple and compact and has a sufficient suitability for applications in the field of residual energy utilization.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Strömungsmaschine und eine Verwendung dieser Strömungsmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.The object is achieved by a turbomachine and a use of this turbomachine with the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are set forth in the subclaims and the following description, each of which individually or in combination may constitute an aspect of the invention.

Bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ist vorgesehen, dass die elektrische Maschineneinheit als Innenläufer ausgebildet ist. Bei einem Innenläufer ist der Rotor (Läufer) konzentrisch innerhalb des Stators (Ständers) angeordnet. Diese erfindungsgemäße Strömungsmaschine verbindet nun die Vorteile der Kompaktheit in Längsrichtung mit einem relativ simplen Aufbau mit einer Art Rotorwelle, die simpel gelagert sein kann. Mögliche Anwendungen derartiger Strömungsmaschinen werden im Weiteren noch aufgezeigt.In the turbomachine according to the invention it is provided that the electrical machine unit is designed as an internal rotor. In an internal rotor, the rotor (rotor) is arranged concentrically within the stator (stator). This flow machine according to the invention now combines the advantages of compactness in the longitudinal direction with a relatively simple structure with a kind of rotor shaft, which can be stored in a simple manner. Possible applications of such turbomachines will be shown below.

Bevorzugte Formen der Arbeitsmaschine sind Verdichter und Pumpe; bevorzugte Form der Kraftmaschine ist die Turbine.Preferred forms of the working machine are compressor and pump; preferred form of the engine is the turbine.

Insbesondere sind die Schaufeln der Lauf- und Leiträder zwischen Rotor und Stator angeordnet und es ergibt sich ein Strömungskanal, der in einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator verläuft.In particular, the blades of the rotor and stator are arranged between the rotor and stator and there is a flow channel which extends in an air gap between the rotor and stator.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Schaufelhöhe h der Laufräder wie auch die der Leiträder kleiner als die Spaltbreite s des Luftspalts zwischen Rotor und Stator ist, also h < s.According to a preferred embodiment of the invention it is therefore provided that the blade height h of the wheels as well as the guide vanes is smaller than the gap width s of the air gap between the rotor and stator, so h <s.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der Schaufelhöhe h der Laufräder wie auch der Leiträder und der Spaltbreite s des Luftspalts 0.95 ≤ h/s ≤ 0.5 ist.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the blade height h of the wheels as well as the guide wheels and the gap width s of the air gap is 0.95 ≦ h / s ≦ 0.5.

In einer Ausführungsform der Erfindung entspricht der Axialabschnitt der elektrischen Maschineneinheit im Wesentlichen dem Axialabschnitt der (einzelnen) Fluidenergiemaschineneinheit oder der Summe der Axialabschnitte der (mehreren) Fluidenergiemaschineneinheiten.In an embodiment of the invention, the axial portion of the electric machine unit substantially corresponds to the axial portion of the (single) fluid power machine unit or the sum of the axial portions of the (plural) fluid power machine units.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Anzahl der Schaufeln pro Laufrad der Polpaarzahl des Rotors oder einem ganzzahligen Vielfachen der Polpaarzahl des Rotors. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Schaufeln der Laufräder unmittelbar radial an Polschuhe des Rotors anschließen und/oder von diesen Polschuhen gebildet werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the number of blades per impeller corresponds to the number of pole pairs of the rotor or an integral multiple of the number of pole pairs of the rotor. It is provided in particular that the blades of the wheels directly radially Connect pole shoes of the rotor and / or be formed by these pole shoes.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschineneinheit als Asynchronmaschine ausgebildet. Bei der Asynchronmaschine (Induktionsmaschine) läuft der Rotor dem Statordrehfeld vor- beziehungsweise nach.According to yet another preferred embodiment of the invention, the electrical machine unit is designed as an asynchronous machine. In the case of the asynchronous machine (induction machine), the rotor runs forward or behind the stator rotary field.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschineneinheit als Elektromotor und/oder Generator ausgebildet. Sie kann also ein reiner Elektromotor, ein reiner Generator oder ein Motorgenerator sein.According to yet another preferred embodiment of the invention, the electrical machine unit is designed as an electric motor and / or generator. So it can be a pure electric motor, a pure generator or a motor generator.

Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Strömungsmaschine eine gemeinsame Welle aller Maschineneinheiten aufweist. Diese Welle entspricht der eingangs erwähnten Rotorwelle.Finally, it is advantageously provided that the turbomachine has a common shaft of all machine units. This shaft corresponds to the rotor shaft mentioned above.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer vorstehend genannten Strömungsmaschine für zumindest eine der folgenden Anwendungen: (i) Restenergieverwertung, insbesondere Kraft-Wärmekopplung, (ii) Notfall-Wärmeabfuhr und (iii) Medizintechnik (insbesondere als implantierbare Pumpaggregate). Zumindest bei einem Teil dieser Anwendungen werden bevorzugt Medien mit hoher Dichte und/oder sehr hoher Wärmekapazität verwendet, beispielsweise überkritisches CO2.The invention further relates to the use of an above-mentioned turbomachine for at least one of the following applications: (i) residual energy utilization, in particular combined heat and power, (ii) emergency heat dissipation and (iii) medical technology (in particular as implantable pumping units). At least in some of these applications, media of high density and / or very high heat capacity are preferred, for example, supercritical CO 2 .

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings with reference to a preferred embodiment, wherein the features shown below, both individually and in combination may represent an aspect of the invention. Show it:

1 eine Schnittdarstellung durch eine Strömungsmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die einen Verdichter, eine Turbine und eine elektrischen Maschineneinheit aufweist und 1 a sectional view through a turbomachine according to a preferred embodiment of the invention, comprising a compressor, a turbine and an electric machine unit and

2 eine weitere Schnittdarstellung durch die Strömungsmaschine der 1, wobei die Schnittebene um 90° gedreht ist. 2 a further sectional view through the flow machine of 1 , where the cutting plane is rotated by 90 °.

Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Strömungsmaschine 10 entlang einer Drehachse 12, die gleichzeitig die Längsachse dieser Strömungsmaschine ist. Die Strömungsmaschine 10 weist eine elektrischen Maschineneinheit 14 sowie zwei Fluidenergiemaschineneinheiten 16, 18 auf. Dabei ist die eine der Fluidenergiemaschineneinheiten eine als Verdichter ausgebildete Arbeitsmaschine 16 und die andere eine als Turbine ausgebildete Kraftmaschine 18. Die Drehachse 12 ist die gemeinsame Drehachse der drei Maschineneinheiten 14, 16, 18. Jede der drei Maschineneinheiten 14, 16, 18 ist – bezogen auf die Drehachse 12 – in einem jeweiligen Axialabschnitt A1, A2, A3 der Strömungsmaschine 10 angeordnet. Dabei entspricht der Axialabschnitt A1 der elektrischen Maschineneinheit 14 in etwa der Summe der beiden Axialabschnitte A2, A3 der beiden Fluidenergiemaschineneinheiten 16, 18, die axial auf einander folgend angeordnet sind, wobei in einem Abschnitt zwischen den beiden Fluidenergiemaschineneinheiten 16, 18 eine Dichtung 20 angeordnet ist. Somit weist der Axialabschnitt A1 der elektrischen Maschineneinheit 14 mit jedem der Axialabschnitte A2, A3 der beiden Fluidenergiemaschineneinheiten 16, 18 einen axialen Überlapp auf.The 1 shows a sectional view through a turbomachine 10 along a rotation axis 12 , which is also the longitudinal axis of this turbomachine. The turbomachine 10 has an electrical machine unit 14 and two fluid energy machine units 16 . 18 on. One of the fluid energy machine units is a working machine designed as a compressor 16 and the other an engine designed as a turbine 18 , The rotation axis 12 is the common axis of rotation of the three machine units 14 . 16 . 18 , Each of the three machine units 14 . 16 . 18 is - based on the axis of rotation 12 - In a respective axial section A1, A2, A3 of the turbomachine 10 arranged. In this case, the axial section A1 corresponds to the electrical machine unit 14 approximately the sum of the two axial sections A2, A3 of the two fluid energy machine units 16 . 18 which are arranged axially following one another, wherein in a section between the two fluid power machine units 16 . 18 a seal 20 is arranged. Thus, the axial portion A1 of the electric machine unit 14 with each of the axial sections A2, A3 of the two fluid power machine units 16 . 18 an axial overlap.

Die elektrische Maschineneinheit 14 weist einen Rotor (Läufer) 22 mit Rotorwicklungen oder anderen Rotorleiterstrukturen 24 und einen Stator (Ständer) 26 mit (nicht gezeigten) Statorwicklungen oder anderen Statorleiterstrukturen auf. Sie ist als Innenläufer ausgebildet, deren Rotor 22 konzentrisch innerhalb des Stators 26 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel ist die elektrische Maschineneinheit 14 eine Asynchronmaschine mit stangenförmigen Rotorleiterstrukturen 24. Der Rotor 22 kann dabei als eine gemeinsame Welle aller Maschineneinheiten 14, 16, 18 verstanden werden.The electrical machine unit 14 has a rotor (rotor) 22 with rotor windings or other rotor conductor structures 24 and a stator (stand) 26 with (not shown) stator windings or other Statorleiterstrukturen on. It is designed as an internal rotor whose rotor 22 concentric within the stator 26 is arranged. In the example shown, the electrical machine unit 14 an asynchronous machine with rod-shaped rotor conductor structures 24 , The rotor 22 can act as a common wave of all machine units 14 . 16 . 18 be understood.

Bei der Strömungsmaschine 10 ergibt sich ein Strömungskanal (Pfeile 28), der in den Axialabschnitten A2, A3 der Fluidenergiemaschineneinheiten 16, 18 in einem Luftspalt 30 zwischen Rotor und Stator verläuft. Lediglich im Bereich der Dichtung 20 ergibt sich eine Umleitung des Strömungskanals über wahlweise eine Brennkammer 32 (wie dargestellt) oder einen externen Wärmetauscher (nicht dargestellt).In the turbomachine 10 results in a flow channel (arrows 28 ) in the axial sections A2, A3 of the fluid power machine units 16 . 18 in an air gap 30 runs between rotor and stator. Only in the area of the seal 20 results in a diversion of the flow channel via either a combustion chamber 32 (as shown) or an external heat exchanger (not shown).

Jede der Fluidenergiemaschineneinheiten 16, 18 weist Laufräder 34 wie Leiträder 36 auf, wobei die Lauf- wie Leiträder 34, 36 ihrerseits jeweils eine Vielzahl von Schaufeln 38 aufweisen, von denen die Schaufeln 38 eines der Laufräder 34 in 2 explizit gezeigt sind. Die Laufräder 34 sind (dreh-)fest mit dem Rotor 22 und die Leiträder fest mit dem Stator 26 verbunden. Die Schaufeln 38 der Lauf- und Leiträder 34, 36 ragen in den Luftspalt 30 zwischen Rotor 22 und Stator 26 hinein. Die jeweilige Schaufelhöhe h der Schaufeln 38 der Laufräder 34 wie auch der Leiträder 36 ist dabei kleiner als die Spaltbreite s des Luftspalts zwischen Rotor 22 und Stator 26. Bevorzugt ist dabei das Verhältnis h/s zwischen der Schaufelhöhe h der Lauf- und Leiträder 34, 36 sowie der Spaltbreite s des Luftspalts 30 im Bereich 0.95 ≤ h/s ≤ 0.5.Each of the fluid power machine units 16 . 18 has wheels 34 like guide wheels 36 on, with the running and guide wheels 34 . 36 in each case a plurality of blades 38 have, of which the blades 38 one of the wheels 34 in 2 are shown explicitly. The wheels 34 are (rotating) fixed to the rotor 22 and the stator wheels fixed to the stator 26 connected. The shovels 38 the running and guide wheels 34 . 36 protrude into the air gap 30 between rotor 22 and stator 26 into it. The respective blade height h of the blades 38 the wheels 34 as well as the guide wheels 36 is smaller than the gap width s of the air gap between the rotor 22 and stator 26 , The ratio h / s between the blade height h of the running and guide wheels is preferred 34 . 36 and the gap width s of the air gap 30 in the range 0.95 ≤ h / s ≤ 0.5.

Die 2 zeigt eine weitere Schnittdarstellung durch die Strömungsmaschine 10, wobei die Schnittebene gegenüber der 1 um 90° gedreht ist und im Bereich eines Laufrades 34 liegt. Auf dieser axialen Höhe ist kein Leitrad 36 vorhanden. Erkennbar sind der innenliegende Rotor 22 mit den stangenförmigen Rotorleiterstrukturen 24, der den Rotor 22 bezüglich der Drehachse 12 umfänglich umgebende Stator 26 sowie der Luftspalt 30. Ebenfalls gut erkennbar: Die Schaufeln 38 der Laufräder 34, 36 ragen in den Luftspalt 30 zwischen Rotor 22 und Stator 26 hinein. Zwischen den Schaufeln ergeben sich Schaufelkanäle 40.The 2 shows a further sectional view through the turbomachine 10 , wherein the sectional plane opposite to the 1 turned by 90 degrees is and in the area of an impeller 34 lies. At this axial height is no stator 36 available. Visible are the internal rotor 22 with the rod-shaped rotor conductor structures 24 who is the rotor 22 with respect to the axis of rotation 12 circumferentially surrounding stator 26 as well as the air gap 30 , Also clearly visible: the blades 38 the wheels 34 . 36 protrude into the air gap 30 between rotor 22 and stator 26 into it. There are blade channels between the blades 40 ,

Im Folgenden werden die wesentlichen Aspekte, die Funktionsweise und die Vorteile der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben:
Ein Verdichter 16 oder eine Turbine 18 wird oftmals von einer als (Elektro-)Motor ausgebildeten elektrischen Maschineneinheiten 14 angetrieben bzw. treibt eine als Generator ausgebildete elektrische Maschineneinheit 14 an. Die Maschineneinheit 14, 16, 18 sind in der Regel über eine Welle miteinander verbunden. Die Erfindung basiert auf einer Kombination der Maschineneinheit 14, 16, 18 auf einem Rotor 22 in integrierter Bauweise. Dies kann ermöglicht werden, wenn die Spalte (der Luftspalt 30) der elektrischen Komponenten (Motor/Generator) 14 in ähnlicher Größenordnung sind, wie die Schaufelhöhen der Strömungsmaschinen (Verdichter/Turbinen 16, 18 oder auch Pumpen). Dies wird erwartet bei kleineren bis mittleren Leistungsklassen, wobei die Leistungsdichte u. a. auch von den Medien abhängt. Zum Beispiel liegt bei überkritischem CO2 ein Medium vor, welches mit seiner hohen Dichte und hohen Wärmekapazität für eine derartige Anwendung vorgesehen werden kann.In the following, the essential aspects, the mode of operation and the advantages of the invention are described again in other words:
A compressor 16 or a turbine 18 is often made by an electric motor unit designed as an (electric) motor 14 drives or drives an electric machine unit designed as a generator 14 at. The machine unit 14 . 16 . 18 are usually connected by a shaft. The invention is based on a combination of the machine unit 14 . 16 . 18 on a rotor 22 in integrated construction. This can be made possible if the column (the air gap 30 ) of electrical components (motor / generator) 14 are on a similar scale as the blade heights of turbomachines (compressor / turbines 16 . 18 or pumps). This is expected for smaller to medium power classes, whereby the power density also depends on the media. For example, supercritical CO 2 is a medium which can be provided with its high density and high heat capacity for such an application.

Die im Folgenden auf einen Motor beziehungsweise einen Generator bezogenen Aussagen sollen allgemein für eine elektrische Maschineneinheit 14 gelten: In den bisherigen über eine Welle verbundenen Verdichter-Motor Systemen treten Reibungskräfte zwischen den drehenden und stehenden Bauteilen auf. Derartige Rotor-Gehäuse Systeme (auch Rotor-Stator Systeme genannt) treten im Verdichter 16 bzw. der Turbine 18 sowohl zwischen den Scheiben und dem Gehäuse auf, als auch im Motor zwischen der Rotorwicklung und der Statorwicklung. Die Reibung nimmt mit der Drehzahl überproportional zu und kann zu hohen Verlusten führen.The statements relating in the following to a motor or a generator are intended generally for an electrical machine unit 14 apply: In the past via a shaft connected compressor-motor systems occur frictional forces between the rotating and stationary components. Such rotor-housing systems (also called rotor-stator systems) occur in the compressor 16 or the turbine 18 both between the disks and the housing, as well as in the motor between the rotor winding and the stator winding. The friction increases disproportionately with the speed and can lead to high losses.

Insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen und sehr dichten Medien, zum Beispiel überkritisches CO2 können die Reibungsverluste die Antriebsleistung bzw. die Verdichterleistung übersteigen, so dass das System nicht betrieben werden kann.Especially at very high speeds and very dense media, for example, supercritical CO 2 , the friction losses may exceed the drive power or the compressor performance, so that the system can not be operated.

Ein weiterer Aspekt ist die Kühlung des Motors bzw. der Wicklung, die mit dem heutigen Stand der Technik mit Leckagemassenströmen erzielt wird. Dieser Leckagemassenstrom ist ein Verlustmassenstrom und hat einen negativen Einfluss auf den Maschinenwirkungsgrad. Je größer die Wärmeabfuhr von den Wicklungen des Motors sein muss, desto größer ist der Leckagemassenstrom zu wählen. Der heutige Stand der Technik betrachtet die Maschinengruppen getrennt. Die Momentenübertragung findet über eine verbindende Wellen statt.Another aspect is the cooling of the motor or the winding, which is achieved with the current state of the art with leakage mass flows. This leakage mass flow is a loss mass flow and has a negative impact on the machine efficiency. The greater the heat removal from the windings of the motor must be, the greater the leakage mass flow to choose. The current state of the art considers the machine groups separately. The torque transmission takes place via a connecting waves.

Die Erfindung betrachtet die Maschinengruppen in integraler Form und kombiniert die Eigenschaften. Durch Anordnung der Schaufeln 38 direkt auf der Rotorwicklung (bzw. zwischen den Wicklungen) werden die Rotor-Stator Systeme eliminiert. Das verbleibende System zwischen Rotor 22 und Stator 26 wird von dem Medium durchströmt, wie dies beim Verdichter 16 der Fall wäre. Die Statorflächen des ursprüngliche Motors entfallen effektiv gesehen ebenso, wie die Flächen des Verdichterlaufrades 34 zum Stator 26. Die Durchströmung sorgt für eine Spülung (Kühlung des Motors). Die Vorteile sind damit:

  • a) Reduzierung der bremsenden Statorflächen und
  • b) Eliminierung des Leckagemassenstroms zu Kühlung des Motors.
The invention considers the machine groups in integral form and combines the properties. By arranging the blades 38 directly on the rotor winding (or between the windings), the rotor-stator systems are eliminated. The remaining system between rotor 22 and stator 26 is flowed through by the medium, as in the compressor 16 the case would be. The stator surfaces of the original engine are effectively eliminated as well as the surfaces of the compressor impeller 34 to the stator 26 , The flow provides a purge (cooling of the engine). The advantages are:
  • a) Reduction of the braking stator surfaces and
  • b) Elimination of the leakage mass flow to cool the engine.

Das System funktioniert insbesondere dann, wenn die Spalte im Motor in der gleiche Größenordnung liegen, wie die Schaufelhöhen im Verdichter, so dass die elektrischen Randbedingungen mit den strömungstechnischen Randbedingungen vereinbar sind.The system works in particular when the gaps in the engine are of the same order of magnitude as the blade heights in the compressor, so that the electrical boundary conditions are compatible with the fluidic boundary conditions.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Strömungsmaschineflow machine
1212
Drehachseaxis of rotation
1414
Maschineneinheit, elektrischeMachine unit, electrical
1616
Verdichtercompressor
1818
Turbineturbine
2020
Dichtungpoetry
2222
Rotorrotor
2424
RotorleiterstrukturRotor conductor structure
2626
Statorstator
2828
Pfeilarrow
3030
Luftspaltair gap
3232
Brennkammercombustion chamber
3434
LaufradWheel
3636
Leitradstator
3838
Schaufelshovel
4040
Schaufelkanalblade channel
A1A1
Axialabschnittaxial
A2A2
Axialabschnittaxial
A3A3
Axialabschnittaxial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1614855 A1 [0002] EP 1614855 A1 [0002]

Claims (10)

Strömungsmaschine (10) mit – mindestens einer als Arbeitsmaschine und/oder Kraftmaschine ausgebildeten Fluidenergiemaschineneinheit (16, 18), die jeweils Schaufeln (38) aufweisende Laufräder (34) und Leiträder (36) umfasst, und – einer einen Rotor (22) und einen Stator (26) aufweisenden elektrischen Maschineneinheit (14), wobei die Maschineneinheiten (14, 16, 18) eine gemeinsame Drehachse (12) aufweisen und bezogen auf diese Drehachse (12) in einem jeweiligen Axialabschnitt (A1, A2, A3) der Strömungsmaschine (10) angeordnet sind, wobei der Axialabschnitt (A1) der elektrischen Maschineneinheit (14) mit dem mindestens einen Axialabschnitt (A2, A3) der Fluidenergiemaschineneinheit/Fluidenergiemaschineneinheiten (16, 18) einen axialen Überlapp aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschineneinheit (14) als Innenläufer ausgebildet ist.Turbomachine ( 10 ) with at least one fluid energy machine unit designed as a work machine and / or engine ( 16 . 18 ), the respective blades ( 38 ) having wheels ( 34 ) and guide wheels ( 36 ), and - one rotor ( 22 ) and a stator ( 26 ) having electrical machine unit ( 14 ), the machine units ( 14 . 16 . 18 ) a common axis of rotation ( 12 ) and related to this axis of rotation ( 12 ) in a respective axial section (A1, A2, A3) of the turbomachine ( 10 ), wherein the axial section (A1) of the electrical machine unit ( 14 ) with the at least one axial section (A2, A3) of the fluid power machine unit / fluid power machine units ( 16 . 18 ) has an axial overlap, characterized in that the electrical machine unit ( 14 ) is designed as an internal rotor. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Strömungskanal, der in einem Luftspalt (30) zwischen Rotor (22) und Stator (26) verläuft.Turbomachine according to claim 1, characterized by a flow channel, which in an air gap ( 30 ) between rotor ( 22 ) and stator ( 26 ) runs. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhöhe h der Laufräder (34) wie auch der Leiträder (36) kleiner als die Spaltbreite s des Luftspalts (30) ist, also h < s.Turbomachine according to claim 2, characterized in that the blade height h of the wheels ( 34 ) as well as the guide wheels ( 36 ) smaller than the gap width s of the air gap ( 30 ), so h <s. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Schaufelhöhe h der Laufräder (34) wie auch der Leiträder (36) und der Spaltbreite s des Luftspalts (30) im Bereich 0.95 ≤ h/s ≤ 0.5 ist.Turbomachine according to claim 3, characterized in that the ratio between the blade height h of the wheels ( 34 ) as well as the guide wheels ( 36 ) and the gap width s of the air gap ( 30 ) in the range 0.95 ≤ h / s ≤ 0.5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialabschnitt (A1) der elektrischen Maschineneinheit (14) im Wesentlichen dem Axialabschnitt der Fluidenergiemaschineneinheit oder der Summe der Axialabschnitte (A2, A3) der Fluidenergiemaschineneinheiten (16, 18) entspricht.Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the axial section (A1) of the electrical machine unit ( 14 ) substantially to the axial section of the fluid power machine unit or the sum of the axial sections (A2, A3) of the fluid power machine units ( 16 . 18 ) corresponds. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schaufeln (38) pro Laufrad (34) der Polpaarzahl des Rotors (22) oder einem ganzzahligen Vielfachen der Polpaarzahl des Rotors (22) entspricht.Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the number of blades ( 38 ) per impeller ( 34 ) of the number of pole pairs of the rotor ( 22 ) or an integer multiple of the number of pole pairs of the rotor ( 22 ) corresponds. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschineneinheit (14) als Asynchronmaschine ausgebildet ist.Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical machine unit ( 14 ) is designed as an asynchronous machine. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschineneinheit (14) als Elektromotor und/oder Generator ausgebildet ist.Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical machine unit ( 14 ) is designed as an electric motor and / or generator. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Welle (22) aller Maschineneinheiten (14, 16, 18).Turbomachine according to one of the preceding claims, characterized by a common shaft ( 22 ) of all machine units ( 14 . 16 . 18 ). Verwendung einer Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für zumindest eine der folgenden Anwendungen: – Restenergieverwertung, insbesondere Kraft-Wärmekopplung, – Notfall-Wärmeabfuhr und – Medizintechnik.Use of a turbomachine ( 10 ) according to one of the preceding claims for at least one of the following applications: - residual energy utilization, in particular combined heat and power, - emergency heat dissipation and - medical technology.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004064230A1 (en) 2003-01-13 2004-07-29 Siemens Aktiengesellschaft Turbo-machine and method for operating the same
EP1614855A1 (en) 2004-07-05 2006-01-11 Siemens Aktiengesellschaft Turbomachine and method to operate such a turbomachine

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