EP1691081A2 - Mehrstufiger Turbokompressor - Google Patents

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EP1691081A2
EP1691081A2 EP06000600A EP06000600A EP1691081A2 EP 1691081 A2 EP1691081 A2 EP 1691081A2 EP 06000600 A EP06000600 A EP 06000600A EP 06000600 A EP06000600 A EP 06000600A EP 1691081 A2 EP1691081 A2 EP 1691081A2
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EP
European Patent Office
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compressor
pinion
drive
drive unit
axis
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EP06000600A
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EP1691081B2 (de
EP1691081B1 (de
Inventor
Michael Rodehau
Klaus Thieme
Wulf-Dirk Andres
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MAN Energy Solutions SE
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MAN Turbo AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F04D25/163—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows driven by a common gearing arrangement

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage turbocompressor, which is designed as a transmission compressor with an integrated transmission, with the features of the preamble of claim 1.
  • Known transmission compressors (DE 974 418, EP 0 440 902 B1, EP 1 302 668 A1) are characterized by a large wheel, which engages with a plurality of pinions. On the pinions one or two Kampressorhaven are attached. The pinions surround the large gear, which is directly driven by the shaft of the large gear is coupled to the drive shaft. Another way of coupling the drive unit to the gear compressor can be done via a drive pinion, which is like the pinion of the compressor stages with the 2-rad engaged. Due to the structure of a transmission compressor, the drive pinion is arranged below the large wheel. Such a transmission compressor requires a height offset in the lineup, since the shaft of the large gear and the shaft of the drive unit are apart by an amount that results from the sum of the radius of the large gear and the radius of the drive unit. This requires additional space.
  • the invention has for its object to make the generic multi-stage turbocompressor with integrated transmission so that a space-saving arrangement of an existing turbo compressor and drive unit engine line is possible.
  • turbo compressor can build a machine train in which a common center plane is present for the turbo compressor and the drive unit. If this machine train is extended by further units, such as a motor / generator and / or an expander, the common center plane also exists for the additional units. Due to the common center plane, a height offset in the base frame, on which the units are installed, as well as in the foundation table (steel frame or concrete) of the machine string is avoided. The reduced volume of the machine train is reduced, making the manufacture, transport, operation and maintenance of the machine train easier and less expensive. The construction of larger compressors becomes possible because the space required for the compressor housings is increased. Finally, the mechanical stress on individual components, such as the drive pinion, the bearings and the gear housing is reduced.
  • the machine train shown in Fig. 1 is part of a chemical plant for the treatment and further processing of gases.
  • a machine train consists of a Drive unit 1 and a gear compressor 2.
  • the machine train may include a motor / generator 3 and an expander 4.
  • the individual units are coupled together and mounted on a base frame, the machine table 5, which rests on a concrete or steel foundation. Below the machine table 5 are several coolers, a condenser and more necessary for the operation of the system apparatuses.
  • the drive unit 1 is preferably designed as a steam turbine whose output shaft is connected to the drive shaft 6 of the subsequent transmission compressor 2.
  • the transmission compressor 2 is a multi-stage turbocompressor with integrated transmission and serves to compress a gas.
  • the transmission compressor 2 comprises a housing 7, in which a drive pinion 8, a large gear 9 and further pinions 10, 14, 15 are arranged.
  • the drive pinion 8 is mounted on the drive shaft 6, which is mounted in the housing 7 of the transmission compressor 2.
  • the drive pinion 8 engages on one side with a first pinion 10 which is rotatably mounted on a first pinion shaft 11.
  • the first pinion shaft 11 carries on its one end an impeller which rotates in the volute casing 12 of a compressor constituting the first compressor stage I of the multistage transmission compressor 2.
  • the drive pinion 8 is on the side facing away from the first pinion 10 side with the large gear 9 into engagement, which is rotatably mounted on a shaft 13 mounted in the housing.
  • the introduced via the drive pinion 8 power of the drive unit 1 is delivered simultaneously to the large gear 9 and the first, belonging to the first compressor stage I pinion 10.
  • the large gear 9 is connected to a second pinion 14 and a third pinion 15 into engagement, which are respectively rotatably mounted on a second and a third mounted in the housing 7 pinion shaft 16, 17.
  • the second pinion shaft 16 carries at its ends the wheels of a second and a third compressor stage II, III.
  • the third pinion shaft 17 carries at its ends the wheels of a fourth and a fifth compressor stage IV, V with the volute casings 18, 19. All compressor stages are cantilevered on the corresponding pinion shafts.
  • the drive shaft 6, the first pinion shaft 11, the second pinion shaft 16 and the shaft 13 of the large wheel 9 are in the same horizontal plane 20.
  • the third pinion shaft 17 is located above this plane 20.
  • the first sprocket 10 is in the 9 o'clock position and the large gear 9 is in the 3 o'clock position.
  • the core of the machine train are the geared compressor 2 and the steam turbine as the drive unit 1.
  • the motor / generator 3 and the expander 4 are components that can be omitted together or individually depending on the nature of the chemical process. If a motor / generator 3 is installed, it is connected either directly or via a gear to the shaft 13 of the large gear 9.
  • the machine train can be started with the steam turbine as the drive unit 1, if steam is available.
  • the motor (motor / generator 3 in motor circuit) then takes over the drive of the machine train from the synchronous speed of the engine Engine.
  • the expander 4 delivers power only when the chemical process has started and the exhaust gas or exhaust steam from the process drives the expander 4.
  • the expander 4 can also be operated with air, which the transmission compressor 2 has compressed, so that a part of the energy can be recovered.
  • the machine train can also be started with the motor (motor / generator 3 in motor circuit). If steam is generated as a result of the running chemical process after the start, then drives the steam turbine drive unit 1 as the machine strand on.
  • the steam turbine as drive unit 1 delivers so much power that the geared compressor 2 is operated and the additional power can be fed as electrical energy from the generator into the grid.

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Abstract

Ein mehrstufiger Turbokampressor, der als Getriebekompressor mit einem integrierten Getriebe ausgelegt ist, enthält ein zentrales Großrad (9), das mit mehreren Ritzeln (14, 15) in Eingriff steht, wobei jedes Ritzel (14, 15) drehfest auf einer Ritzelwelle (16, 17) angebracht ist. Auf den Enden der jeweiligen Ritzelwellen ist ein Laufrad einer Kompressorstufe (II, III, IV, V) angeordnet. Das Großrad (9) steht mit einem Antriebsritzel (8) in Eingriff, das drehfest auf einer mit einem Antriebsaggregat (1) verbundenen Antriebswelle 6 angebracht ist. Die Achse des Antriebsritzels (8) ist mit der Achse des Großrades (9) in derselben horizontalen Ebene (20) angeordnet, und das Antriebsritzel (8) steht mit einem auf einer Ritzelwelle (11) drehfest angebrachten Ritzel (10) einer ersten Kompressorstufe (I) in Eingriff.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Turbokompressor, der als Getriebekompressor mit einem integrierten Getriebe ausgelegt ist, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
  • Bekannte Getriebekompressoren (DE 974 418, EP 0 440 902 B1, EP 1 302 668 A1) sind durch ein Großrad gekennzeichnet, das mit mehreren Ritzeln in Eingriff steht. Auf den Ritzeln sind jeweils ein oder zwei Kampressorstufen befestigt. Die Ritzel umgeben das Großrad, das direkt angetrieben wird, indem die Welle des Großrades mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Eine andere Möglichkeit der Ankopplung des Antriebsaggregates an den Getriebekompressor kann über ein Antriebsritzel erfolgen, das ebenso wie die Ritzel der Kompressorstufen mit dem Großrad in Eingriff steht. Bedingt durch den Aufbau eines Getriebekompressors wird das Antriebsritzel unterhalb des Großrades angeordnet. Ein derartiger Getriebekompressor erfordert einen Höhenversatz in der Aufstellung, da die Welle des Großrades und die Welle des Antriebsaggregates um einen Betrag auseinander liegen, der sich aus der Summe aus dem Radius des Großrades und dem Radius des Antriebsaggregates ergibt. Dadurch wird ein zusätzizcher Bauraum benötigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen mehrstufigen Turbokompressor mit integriertem Getriebe so zu gestalten, dass eine raumsparende Anordnung eines aus Turbokompressor und Antriebsaggregat bestehenden Maschinenstranges möglich wird.
  • Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Turbokompressor mit integriertem Getriebe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäß gestalteten mehrstufigen Turbokompressors lässt sich ein Maschinenstrang aufbauen, in dem für den Turbokompressor und das Antriebsaggregat eine gemeinsame Mittelebene vorhanden ist. Wird dieser Maschinenstrang durch weitere Aggregate, wie beispielsweise einen Motor/Generator und/oder einen Expander erweitert, so besteht die gemeinsame Mittelebene auch für die zusätzlichen Aggregate. Durch die gemeinsame Mittelebene wird ein Höhenversatz im dem Grundrahmen, auf dem die Aggregate aufgestellt sind, sowie in dem Fundamenttisch (Stahlgerüst oder Beton) des Maschinenstranges vermieden. Das umbaute Volumen des Maschinenstranges wird geringer, wodurch die Herstellung, der Transport, der Betrieb und die Wartung des Maschinenstranges einfacher und kostengünstiger werden. Der Bau von größeren Kompressoren wird möglich, da der für die Kompressorgehäuse notwendige Platz vergrößert wird. Schließlich wird die mechanische Belastung einzelner Bauteile, wie das Antriebsritzel, die Lager und das Getriebegehäuse reduziert.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    Seitenansicht eines Maschinenstranges,
    Fig. 2
    die Draufsicht auf Fig. 1 und
    Fig. 3
    in perspektivischer Darstellung das Getriebe eines in den Maschinenstrang gemäß Fig. 1 eingefügten Turbogetriebekompressors.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Maschinenstrang ist Teil einer chemischen Anlage zur Behandlung und Weiterverarbeitung von Gasen. Ein solcher Maschinenstrang besteht aus einem Antriebsaggregat 1 und einem Getriebekompressor 2. Je nach der Art der chemischen Anlage kann der Maschinenstrang noch einen Motor/Generator 3 und einen Expander 4 umfassen. Die einzelnen Aggregate sind miteinander gekuppelt und auf einem Grundrahmen, dem Maschinentisch 5 montiert, der auf einem Beton- oder Stahlfundament ruht. Unterhalb des Maschinentisches 5 befinden sich mehrere Kühler, ein Kondensator und weitere für den Betrieb der Anlage notwendige Apparate.
  • Das Antriebsaggregat 1 ist vorzugsweise als Dampfturbine ausgebildet, deren Abtriebswelle mit der Antriebswelle 6 des nachfolgenden Getriebekompressors 2 verbunden ist. Der Getriebekompressor 2 ist ein mehrstufiger Turbokompressor mit integriertem Getriebe und dient zur Verdichtung eines Gases.
  • Der Getriebekompressor 2 nach Fig. 3 umfasst ein Gehäuse 7, in dem ein Antriebsritzel 8, ein Großrad 9 und weitere Ritzel 10, 14, 15 angeordnet sind. Das Antriebsritzel 8 ist auf der Antriebswelle 6 befestigt, die in dem Gehäuse 7 des Getriebekompressors 2 gelagert ist. Das Antriebsritzel 8 steht auf einer Seite mit einem ersten Ritzel 10 in Eingriff, das auf einer ersten Ritzelwelle 11 drehfest befestigt ist. Die erste Ritzelwelle 11 trägt auf ihrem einen Ende ein Laufrad, das in dem Spiralgehäuse 12 eines Kompressors umläuft, der die erste Kompressorstufe I des mehrstufigen Getriebekompressors 2 darstellt.
  • Das Antriebsritzel 8 steht auf der dem ersten Ritzel 10 abgewandten Seite mit dem Großrad 9 in Eingriff, das auf einer in dem Gehäuse 7 gelagerten Welle 13 drehfest befestigt ist. Die über das Antriebsritzel 8 eingeleitete Leistung des Antriebsaggregates 1 wird gleichzeitig an das Großrad 9 und das erste, zu der ersten Kompressorstufe I gehörende Ritzel 10 abgegeben.
  • Das Großrad 9 steht mit einem zweiten Ritzel 14 und einem dritten Ritzel 15 in Eingriff, die jeweils auf einer zweiten und einer dritten in dem Gehäuse 7 gelagerten Ritzelwelle 16, 17 drehfest befestigt sind. Die zweite Ritzelwelle 16 trägt an ihren Enden die Laufräder einer zweiten und einer dritten Kompressorstufe II, III. Die dritte Ritzelwelle 17 trägt an ihren Enden die Laufräder einer vierten und einer fünften Kompressorstufe IV, V mit den Spiralgehäusen 18, 19. Alle Kompressorstufen sind auf den entsprechenden Ritzelwellen fliegend gelagert.
  • Die Antriebswelle 6, die erste Ritzelwelle 11, die zweite Ritzelwelle 16 und die Welle 13 des Großrades 9 liegen in derselben horizontalen Ebene 20. Die dritte Ritzelwelle 17 liegt oberhalb dieser Ebene 20. In der Darstellung der Fig. 3 befindet sich in Bezug auf das Großrad 9 das Antriebsritzel 8 in der 9-Uhr-Stellung, das zweite Ritzel 14 in der 3-Uhr-Stellung und das dritte Ritzel 15 in der 12-Uhr-Stellung. In Bezug auf das Antriebsritzel 8 befindet sich das erste Ritzel 10 in der 9-Uhr-Stellung und das Großrad 9 in der 3-Uhr Stellung.
  • Das Kernstück des Maschinenstranges sind der Getriebekompressor 2 und die Dampfturbine als Antriebsaggregat 1. Der Motor/Generator 3 und der Expander 4 sind Komponenten, die je nach der Art des chemischen Prozesses zusammen oder einzeln auch weggelassen werden können. Ist ein Motor/Generator 3 installiert, so wird er entweder direkt oder über ein Getriebe mit der Welle 13 des Großrades 9 verbunden.
  • Der Maschinenstrang kann mit der Dampfturbine als Antriebsaggregat 1 gestartet werden, sofern Dampf vorhanden ist. Der Motor (Motor/Generator 3 in Motorschaltung) übernimmt dann den Antrieb des Maschinenstranges ab der Synchrondrehzahl des Motors. Der Expander 4 gibt erst Leistung ab, wenn der chemische Prozess in Gang gekommen ist und das Abgas oder der Abdampf aus dem Prozess den Expander 4 antreibt. Der Expander 4 kann auch mit Luft betrieben werden, die der Getriebekompressor 2 verdichtet hat, so dass ein Teil der Energie zurückgewonnen werden kann.
  • Der Maschinenstrang kann auch mit dem Motor (Motor/Generator 3 in Motorschaltung) gestartet werden. Wenn infolge des ablaufenden chemischen Prozesses nach dem Start erst einmal Dampf erzeugt wird, dann treibt die Dampfturbine als Antriebsaggregat 1 den Maschinenstrang weiter an.
  • Fehlt der Expander 4, und ist nur ein Generator (Motor/Generator 3 in Generatorschaltung) installiert, dann gibt die Dampfturbine als Antriebsaggregat 1 soviel Leistung ab, dass der Getriebekompressor 2 betrieben und die Zusatzleistung als elektrische Energie vom Generator ins Netz eingespeist werden kann.

Claims (4)

  1. Mehrstufiger Turbokompressor, der als Getriebekompressor (2) mit einem integrierten Getriebe ausgelegt ist, das ein zentrales Großrad (9) umfasst, das mit mehreren Ritzeln (14, 15) in Eingriff steht, wobei jedes Ritzel (14, 15) drehfest auf einer Ritzelwelle (16, 17) angebracht ist und auf den Enden der jeweiligen Ritzelwellen ein Laufrad einer Kompressorstufe (II, III, IV, V) angeordnet ist und wobei das Großrad (9) mit einem Antriebsritzel (8) in Eingriff steht, das drehfest auf einer mit einem Antriebsaggregat (1) verbundenen Antriebswelle (6) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Antriebsritzels (8) mit der Achse des Großrades (9) in derselben horizontalen Ebene (20) angeordnet ist und dass das Antriebsritzel (8) mit einem auf einer Ritzelwelle (11) angebrachten Ritzel (10) einer ersten Kompressorstufe (I) in Eingriff steht.
  2. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem zentralen Großrad (9) in Eingriff stehenden Ritzel (14, 15) in der durch die Achse des Großrades (9) verlaufenden horizontalen Ebene (20) und oberhalb dieser Ebene (20) angeordnet sind.
  3. Turbokompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (1) als Dampfturbine ausgebildet und zusammen mit dem Getriebekompressor (2) in einem Maschinenstrang angeordnet ist und dass die Achse des Antriebsaggregates (1) und die Achse des Großrades (9) des Getriebekompressors (2) in derselben horizontalen Ebene (20) angeordnet sind.
  4. Turbokompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebekompressor (2) in einem Maschinenstrang zwischen dem als Dampfturbine ausgebildeten Antriebsaggregat (1) auf der einen Seite und einem mit einem Expander (4) verbundenen Motor/Generator (3) auf der anderen Seite angeordnet ist und dass die Achse des Antriebsaggregates (1), des Großrades (9) des Getriebekompressors (2), des Motor/Generators (3) und des Expanders (4) in derselben horizontalen Ebene (20) angeordnet sind.
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