EP3146238A1 - Turbomachine-electric machine unit - Google Patents

Turbomachine-electric machine unit

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Publication number
EP3146238A1
EP3146238A1 EP15713152.5A EP15713152A EP3146238A1 EP 3146238 A1 EP3146238 A1 EP 3146238A1 EP 15713152 A EP15713152 A EP 15713152A EP 3146238 A1 EP3146238 A1 EP 3146238A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbomachine
electric machine
machine unit
electrical machine
transmission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15713152.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Steidten
Nadja Eisenmenger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3146238A1 publication Critical patent/EP3146238A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/34—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps
    • F02B33/40—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps of non-positive-displacement type
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    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/028—Units comprising pumps and their driving means the driving means being a planetary gear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/80—Size or power range of the machines
    • F05D2250/82—Micromachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/40—Transmission of power
    • F05D2260/403—Transmission of power through the shape of the drive components
    • F05D2260/4031—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing
    • F05D2260/40311—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing of the epicyclical, planetary or differential type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H13/00—Gearing for conveying rotary motion with constant gear ratio by friction between rotary members
    • F16H13/06—Gearing for conveying rotary motion with constant gear ratio by friction between rotary members with members having orbital motion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbomachinery Elektromaschinen- unit, in particular as for waste heat utilization of an internal combustion engine, as auxiliary compressor for an internal combustion engine, as a turbo compressor in a heat pump in the air conditioning or micro gas turbine in a
  • Micro power plant can be used.
  • PRIOR ART Turbomachinery and electric machine units are known from the prior art, for example from German Auslegeschrift DE 1 138 720.
  • the known turbomachine and electric machine unit comprises a turbine or
  • the transmission is designed as a planetary gear, wherein the transmission comprises a first gear stage and a second gear stage and a clutch.
  • the known turbomachine electric machine unit can be operated at optimum speeds both in pumping and in turbine operation.
  • the known turbomachine electrical machine unit has a relatively large space requirement, especially because of the transmission with clutch. This is disadvantageous, in particular, when the turbomachinery / electric machine unit is to be operated either only in pump mode or compressor mode or only in turbine mode.
  • application examples for the use of turbomachinery electrical machine units are a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine from the patent DE 10 2011 005 722 B3, a heat pump from the
  • the turbomachine electrical machine unit according to the invention has the advantage over the known turbomachine electrical machine unit that it has a very small space requirement due to a fixed transmission ratio and the special construction of their transmission.
  • the turbomachinery-electric machine unit comprises a
  • a turbomachine, an electric machine and a transmission wherein the transmission connects the turbomachine to the electric machine in a fixed gear ratio and wherein an impeller of the turbomachine is disposed on a transmission shaft of the transmission.
  • the transmission is a stationary planetary gear, wherein the stationary planetary gear is designed as a friction gear.
  • the gear ratio of the turbomachine to the electric machine is in the range between 2: 1 and 7: 1.
  • Turbomachine can be operated at very high speeds and at the same time the electric machine with significantly lower speeds, so that too
  • the transmission shaft is the high speed shaft of the planetary gearbox.
  • the high-revving transmission shaft can be so over the principle of a designed as a friction gear planetary gear through this both stocky and stored.
  • the transmission shaft has only one radial bearing point, which is formed by three arranged in the planetary gear planetary gears.
  • the three planetary gears are arranged distributed uniformly parallel to the transmission shaft and preferably over the circumference of the transmission shaft, so that arise in the idealized case, three line contacts between the transmission shaft and the three planetary gears.
  • the line contacts each extend over a length of more than 15 mm.
  • a radial bearing of the gear shaft is shown similar to a sliding bearing and there are no further radial bearings for the gear shaft required.
  • the three planet gears are biased by a surrounding ring gear of the stationary planetary gear on the transmission shaft. This results in a power transmission without slip or with minimized slip between the planetary gears and the gear shaft on the one hand and the planetary gears and the ring gear on the other hand.
  • the idealized line contacts thus make surface contacts with very narrow contact surfaces during operation.
  • a shaft shoulder is formed on the transmission shaft, which is formed with the planetary gears Planetenradstirn vom
  • each of the three planet gears each have a Planetenradstirn design is formed.
  • the shaft shoulder then interacts with the planetary end faces when an axial force acts on the gear shaft. The axial force is thus forwarded by the planetary gears to each associated planetary gear and recorded by them.
  • the ring gear is arranged on an electric machine shaft of the electric machine.
  • an outer diameter of the impeller is less than 150 mm.
  • the rated speed of the impeller is between 75,000 and 250,000 revolutions per minute. Due to the very high
  • the turbomachine thus has a high nominal power despite the compact design.
  • turbomachine electrical machine unit in a waste heat recovery arrangement of a
  • the turbomachinery electric machine unit is particularly well suited for a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine.
  • the comparatively large heat energy of the high exhaust gas temperatures of the internal combustion engine is converted into the working medium of the circuit in one or more heat exchangers and converted into electrical power in the turbomachine electrical machine unit.
  • Turbomachinery - Electric machine unit used in a heat pump.
  • the heat pump to a condenser, an evaporator and a turbomachinery Elektromaschinen- unit according to the invention, wherein the electric machine is operated as a motor and wherein the impeller acts as a compressor between the evaporator and condenser.
  • the impeller compresses a working medium in the vaporous state and therefore requires high speeds, which are achieved by the turbomachinery electrical machine unit according to the invention.
  • the inventive turbomachine electric machine unit due to their compact design very well in small
  • Heat pumps are used, for example, in decentralized heating systems of residential buildings.
  • the micro gas turbine has a turbomachine-electric machine unit according to the invention, wherein the electric machine is operated as a generator and wherein the impeller acts as a compressor for a turbine runner of the micro gas turbine.
  • a micro gas turbine is naturally designed in a compact design and therefore also requires a relatively small but high-revving impeller for the compressor.
  • Turbomachinery electric machine unit can therefore be used very well in a micro gas turbine due to their compact design.
  • Turbomachinery electric machine unit used in another micro gas turbine.
  • the micro gas turbine on a turbomachinery electrical machine unit, wherein the electric machine is operated as a generator and wherein the impeller as a turbine runner of
  • a compressor impeller is on the transmission shaft
  • the inventive compressor impeller compresses the micro gas turbine combustion air supplied.
  • the impeller and the compressor impeller rotate at the same comparatively high speed. Despite the compact design, high power can thus be transmitted.
  • the inventive compressor impeller compresses the micro gas turbine combustion air supplied.
  • the internal combustion engine has an electrically driven additional compressor for compressing the
  • Electric machine unit wherein the electric machine is operated as a motor and wherein the impeller acts as an additional compressor.
  • the turbomachinery electric machine unit according to the invention can be used very well as an additional compressor due to their compact design.
  • the impeller rotates at a comparatively high speed and can thus - despite the compact
  • Fig.l shows schematically the structure of a turbomachinery electric machine unit according to the invention.
  • Fig. 2 shows a part of a turbomachine electrical machine unit in one
  • FIG. 3 schematically shows a transmission of a further embodiment of a turbomachine electrical machine unit.
  • Turbomachinery electrical machine unit in a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine shows the arrangement of a further embodiment of a
  • FIG.7 shows the arrangement of another embodiment of a
  • Turbomachinery-electric machine unit as additional compressor for a
  • Fig.l shows schematically the structure of a turbomachine electrical machine unit according to the invention 1.
  • the turbomachine electrical machine unit 1 comprises a turbomachine 2 and an electric machine 3, which are interconnected by a gear 4.
  • the transmission 4 is designed so that a transmission shaft 41, which connects the transmission 4 with the turbomachine 2, runs at a higher speed than an electric machine shaft 31, which connects the transmission 4 with the electric machine 3.
  • the stationary planetary gear comprises a gearwheel 41 arranged on the sun gear 46, three about the sun gear 46 parallel to this and evenly distributed on a planet carrier 47 planetary gears 42, 43, 44, and a planetary gears 42, 43, 44 enveloping ring gear 45, which is arranged concentrically with the transmission shaft 41.
  • planetary gears 42, 43 are mainly related to stationary gearbox, the three planetary gears 42, 43, 44, which is equally distributed on a radius around the sun gear 46, ie in 120 ° Sections are arranged.
  • the transmission shaft 41 may also interact directly with the three planetary gears 42, 43, 44 so that the sun gear 46 for these embodiments is omitted or integrally formed with the transmission shaft 41 is.
  • an impeller 21 of the turbomachine 2 is arranged on the transmission shaft 41.
  • the connection can be made for example via a splined connection or a press fit.
  • An outer diameter D of the impeller 21 is decisive for the required space
  • the outer diameter D is less than 150 mm and is preferably in the range of 50 mm to 100 mm.
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of the stationary planetary gear 4 as a friction gear.
  • the wheels or shafts of the transmission no teeth for meshing more on, but the power transmission takes place via friction of the cylindrical lateral surfaces.
  • the three planet gears 42, 43, 44 are arranged on the planet carrier, not shown, parallel to the transmission shaft 41, wherein the rotational axes of two planet gears 42, 43 are arranged rigidly to each other and the third
  • Planet gear 44 is positioned via a biasing force of the ring gear 45.
  • the bearing of the three planetary gears 42, 43, 44 takes place in each case by a roller bearing pair, wherein in Fig.3 only planetary roller bearings 42 b, 43 b, 44 b are shown, which in the view of Figure 3 to the planetary gears 42, 43, 44 in front are arranged.
  • Planet carrier and a bearing pin 44c slidably connected to the planet carrier is connected.
  • the planet carrier in turn is not rigid with one
  • the biasing force of the ring gear 45 on the three planet gears 42, 43, 44 also leads to a tension of the three planetary gears 42, 43, 44 with the
  • Transmission shaft 41 In alternative embodiments, a sun gear can be arranged on the transmission shaft 41, which is braced with the three planetary gears 42, 43, 44.
  • a shaft shoulder 41 a is formed, which is the
  • the axial forces acting on the transmission shaft 41 can also be absorbed by alternative thrust bearings, for example by a contact surface of a front side of the transmission shaft 41 to a transmission housing, not shown, or by a commercially available thrust bearing.
  • turbomachine electrical machine unit 1 The operation of the turbomachine electrical machine unit 1 is as follows:
  • the turbomachine electrical machine unit 1 can be operated in principle in three ways:
  • the turbomachine 2 is called turbine and the electric machine 3 as
  • the turbomachine 2 is used as a compressor and the electric machine 3 as
  • the turbomachine 2 is used as a compressor and the electric machine 3 as
  • the turbomachine 2 rotates at a higher speed (preferably 4 to 7 times higher) than the electric machine 3.
  • This fixed speed ratio is achieved via the transmission 4, which is designed as a stationary planetary gear.
  • the high speed shaft of the transmission 4, the transmission shaft 41 is connected to the impeller 21 of the turbomachine 2, and the slower rotating ring gear 45 via the electric machine shaft 31 to the electric machine 3.
  • the power transmission of the wheels or shafts of the transmission 4 does not occur Tooth engagement, but on the frictional forces of the rolling and mutually preloaded cylindrical surfaces, so that the transmission shaft 41 is simultaneously supported radially by the principle of Reibradgetriebes.
  • turbomachine electrical machine unit 1 shows an application of the turbomachine electrical machine unit 1, in which the turbomachine 2 as a turbine and the electric machine 3 as
  • Internal combustion engine 51 has an exhaust tract 58 and a working medium leading circuit 52.
  • a heat exchanger 53, a condenser 54 and a feed pump 55 are arranged in the circuit 52.
  • the feed pump 55 conveys liquid working fluid into the heat exchanger 53.
  • the heat exchanger 53 is simultaneously coupled to the exhaust gas tract 58 and removes the exhaust gas from the internal combustion engine 51 in the exhaust gas tract 58 heat energy and feeds these into the working medium, so that the working medium in the
  • Heat exchanger 53 is vaporized. In alternative embodiments, a plurality of heat exchangers may be connected in parallel or in series. In the circuit 52 is still a turbomachinery electrical machine unit
  • the impeller 21 of the turbomachine 2 operated as a turbine is driven by the vaporized and pressurized working fluid. As a result, the working fluid relaxes and is then in the
  • Condenser 54 liquefied and fed back to the feed pump 55.
  • the speed of the high-speed impeller 21 is reduced in the transmission 4, as previously described, so that the generator with lower
  • a heat pump 70 has a working fluid circuit 77 with a condenser 71, an evaporator 72, a throttle 73 and an expansion valve and a turbomachinery electrical machine unit 1 on. In this case, the comparatively low speed of the engine through the transmission 4 as described above to a higher speed of the impeller 21 in
  • the evaporator 72 evaporates a previously liquid working fluid
  • FIG. 6 shows an application of the turbomachine electrical machine unit 1, in which the turbomachine 2 is operated as a compressor and the electric machine 3 as a generator.
  • a micro gas turbine 80 has a turbine runner 81 and a turbomachine electrical machine unit 1.
  • the turbine runner 81 is disposed on the transmission shaft 41 as well as the impeller 21 of the compressor.
  • Combustion air 85 is compressed in the compressor and a Combustion chamber 82 of the micro gas turbine 80 is supplied. In other embodiments, the combustion air 85 is first passed through the electric machine 3 to cool it, and then fed to the compressor.
  • the combustion air 85 is mixed with a fuel 86 and ignited and thus the turbine wheel 81 is driven.
  • the result is hot and relaxed exhaust gas 87.
  • the exhaust gas 87 can be cooled in a recuperator, not shown, and at the same time the combustion air 85 are preheated.
  • the turbine runner 81 drives the transmission shaft 41 and with it also the impeller 21 of the compressor.
  • the speed of the transmission shaft 41 is translated by the transmission 4 as described above to a lower speed of the electric machine shaft 31 in the generator.
  • turbomachine electrical machine unit 1 in which the turbomachine 2 as a turbine and the electric machine 3 as
  • a micro gas turbine 90 has a turbomachine electrical machine unit 1, wherein the impeller 21 of the turbomachine 2 acts as a turbine runner, a compressor wheel 91 and a combustion chamber 92.
  • the turbine runner 81 is disposed on the transmission shaft 41 as well as the impeller 21 of the compressor.
  • Combustion air 95 is compressed in the compressor by the compressor wheel 91 and fed to a combustion chamber 92 of the micro gas turbine 90. In other embodiments, the combustion air 95 is first passed through the electric machine 3 to cool it, and then fed to the compressor.
  • the combustion air 95 is mixed with a fuel 96 and ignited and thus the impeller 21 is driven. It creates hot and relaxed exhaust 97th Then, in a not shown
  • Recuperator cooled the exhaust gas 97 and at the same time the combustion air 95 are preheated.
  • the impeller 21 drives the transmission shaft 41.
  • the speed of the transmission shaft 41 is translated by the transmission 4 as described above to a lower speed of the electric machine shaft 31 in the generator.
  • FIG. 8 shows an arrangement of a turbomachine electrical machine unit 1 as an additional compressor for an internal combustion engine 61.
  • the turbomachine electrical machine unit 1 as an additional compressor for an internal combustion engine 61.
  • Electric machine 3 operated as a motor and the turbomachine 2 as
  • Combustion air 65 is supplied via an intake line 66 of the turbomachine 2 and compressed there by the impeller 21.
  • Combustion air is supplied via a pressure line 67 of the internal combustion engine 61. After the combustion process in the internal combustion engine 61, the exhaust gas is discharged through an exhaust tract 68.
  • the hot exhaust gas in the exhaust gas tract 68 can also be used in further embodiments for preheating the combustion air in the intake line 66.
  • the transmission 4 translates a comparatively low speed of

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Disclosed is a turbomachine-electric machine unit (1) comprising a turbomachine (2), an electric machine (3) and a gear mechanism (4) which connects the turbomachine (2) to the electric machine (3) at a fixed gear ratio; an impeller (21) of the turbomachine (2) is located on a gear shaft (41) of the gear mechanism (4), the gear mechanism (4) being a stationary planetary gear mechanism which is a friction gear. The gear ratio of the gear mechanism (4) from the turbomachine (2) to the electric machine (3) ranges from 2:1 to 7:1.

Description

Titel  title
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit Turbomachinery - Electric machine unit
Beschreibung description
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 The invention relates to a turbomachinery Elektromaschinen- unit, in particular as for waste heat utilization of an internal combustion engine, as auxiliary compressor for an internal combustion engine, as a turbo compressor in a heat pump in the air conditioning or micro gas turbine in a
Kleinstkraftwerk verwendet werden kann. Micro power plant can be used.
Stand der Technik 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. PRIOR ART Turbomachinery and electric machine units are known from the prior art, for example from German Auslegeschrift DE 1 138 720. The known turbomachine and electric machine unit comprises a turbine or
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. 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. Als Anwendungsbeispiele zum Einsatz von Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheiten sind eine Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine aus der Patentschrift D E 10 2011 005 722 B3, eine Wärmepumpe aus der Pump shaft, a generator or motor shaft and a gear that connects the two shafts. The transmission is designed as a planetary gear, wherein the transmission comprises a first gear stage and a second gear stage and a clutch. As a result, the known turbomachine electric machine unit can be operated at optimum speeds both in pumping and in turbine operation. However, the known turbomachine electrical machine unit has a relatively large space requirement, especially because of the transmission with clutch. This is disadvantageous, in particular, when the turbomachinery / electric machine unit is to be operated either only in pump mode or compressor mode or only in turbine mode. As application examples for the use of turbomachinery electrical machine units are a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine from the patent DE 10 2011 005 722 B3, a heat pump from the
Offenlegungsschrift DE 100 58 708 AI und eine Mikrogasturbine aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 102 351 AI bekannt. Publication DE 100 58 708 AI and a micro gas turbine from the published patent application DE 10 2012 102 351 AI known.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
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. The turbomachine electrical machine unit according to the invention has the advantage over the known turbomachine electrical machine unit that it has a very small space requirement due to a fixed transmission ratio and the special construction of their transmission.
Dazu umfasst die Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit eine For this purpose, the turbomachinery-electric machine unit comprises a
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. A turbomachine, an electric machine and a transmission, wherein the transmission connects the turbomachine to the electric machine in a fixed gear ratio and wherein an impeller of the turbomachine is disposed on a transmission shaft of the transmission. The transmission is a stationary planetary gear, wherein the stationary planetary gear is designed as a friction gear. The gear ratio of the turbomachine to the electric machine is in the range between 2: 1 and 7: 1.
Durch das feste Übersetzungsverhältnis entfallen Kupplungen und weitere Getriebestufen, wodurch eine kompakte Bauform erzielt wird. Durch das Due to the fixed transmission ratio eliminates clutches and other gear stages, creating a compact design is achieved. By the
Übersetzungsverhältnis im Bereich zwischen 2:1 und 7:1 kann die Gear ratio in the range between 2: 1 and 7: 1, the
Turbomaschine mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden und gleichzeitig die Elektromaschine mit deutlich niedrigeren Drehzahlen, so dass auch Turbomachine can be operated at very high speeds and at the same time the electric machine with significantly lower speeds, so that too
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. Commercially available electrical machines can be used. The design of the planetary gear as Reibradgetriebe allows the radial bearing of the gear shaft within the transmission without additional bearings, which further space is saved.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit ist die Getriebewelle die Hochdrehzahlwelle des Standplanetengetriebes. 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. In an advantageous development of the turbomachinery and electric machine unit, the transmission shaft is the high speed shaft of the planetary gearbox. As a result, the speed of the comparatively very fast rotating impeller of the turbomachine is reduced to a lower speed for the electric machine. The high-revving transmission shaft can be so over the principle of a designed as a friction gear planetary gear through this both stocky and stored.
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. Advantageously, the transmission shaft has only one radial bearing point, which is formed by three arranged in the planetary gear planetary gears. The three planetary gears are arranged distributed uniformly parallel to the transmission shaft and preferably over the circumference of the transmission shaft, so that arise in the idealized case, three line contacts between the transmission shaft and the three planetary gears. Preferably, the line contacts each extend over a length of more than 15 mm. Through the three line contacts a radial bearing of the gear shaft is shown similar to a sliding bearing and there are no further radial bearings for the gear shaft required.
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. In an advantageous embodiment, the three planet gears are biased by a surrounding ring gear of the stationary planetary gear on the transmission shaft. This results in a power transmission without slip or with minimized slip between the planetary gears and the gear shaft on the one hand and the planetary gears and the ring gear on the other hand. The idealized line contacts thus make surface contacts with very narrow contact surfaces during operation.
Vorteilhafterweise ist an der Getriebewelle eine Wellenschulter ausgebildet, die mit an den Planetenrädern ausgebildeten Planetenradstirnflächen Advantageously, a shaft shoulder is formed on the transmission shaft, which is formed with the planetary gears 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. can cooperate, wherein on each of the three planet gears each have a Planetenradstirnfläche is formed. The shaft shoulder then interacts with the planetary end faces when an axial force acts on the gear shaft. The axial force is thus forwarded by the planetary gears to each associated planetary gear and recorded by them.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist an der Getriebewelle eine weitere In an advantageous development of the transmission shaft is another
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. Shaft shoulder formed, which formed with the planetary gears the Planetenradstirnflächen opposite other Planetenradstirnflächen interacts. As a result, an axial force is absorbed in another direction. Depending on the direction, the axial force is transmitted to the gear shaft either on the shaft shoulder or on the other shaft shoulder on the planetary gears.
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. In advantageous embodiments of the turbomachine electrical machine unit, the ring gear is arranged on an electric machine shaft of the electric machine. As a result, relatively large gear ratios can be achieved from the turbomachine to the electric machine.
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. Advantageously, an outer diameter of the impeller is less than 150 mm. As a result, the construction of the turbomachinery and electric machine unit is made even more compact and is correspondingly good for relatively small systems.
Weiterhin vorteilhafterweise liegt die Nenndrehzahl des Laufrades zwischen 75.000 und 250.000 Umdrehungen pro Minute. Aufgrund der sehr hohen Further advantageously, the rated speed of the impeller is between 75,000 and 250,000 revolutions per minute. Due to the very high
Nenndrehzahlen besitzt die Turbomaschine somit auch trotz der kompakten Bauweise eine hohe Nennleistung. Rated speeds, the turbomachine thus has a high nominal power despite the compact design.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit in einer Abwärmenutzungsanordnung einer In an advantageous embodiment, the turbomachine electrical machine unit according to the invention in a waste heat recovery arrangement of a
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 Internal combustion engine used. For this purpose, the waste heat utilization arrangement of the internal combustion engine on a working medium leading circuit, wherein in the circuit, a heat exchanger, a condenser and a feed pump are arranged. In the cycle is still an inventive
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit angeordnet, wobei die Turbomachinery electric machine unit arranged, the
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. In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße Electric machine is operated as a generator. Due to their compact design and their high speeds, the turbomachinery electric machine unit according to the invention is particularly well suited for a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine. The comparatively large heat energy of the high exhaust gas temperatures of the internal combustion engine is converted into the working medium of the circuit in one or more heat exchangers and converted into electrical power in the turbomachine electrical machine unit. In another advantageous embodiment, the inventive
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 kleinenTurbomachinery - Electric machine unit used in a heat pump. For this purpose, the heat pump to a condenser, an evaporator and a turbomachinery Elektromaschinen- unit according to the invention, wherein the electric machine is operated as a motor and wherein the impeller acts as a compressor between the evaporator and condenser. The impeller compresses a working medium in the vaporous state and therefore requires high speeds, which are achieved by the turbomachinery electrical machine unit according to the invention. Furthermore, the inventive turbomachine electric machine unit due to their compact design very well in small
Wärmepumpen eingesetzt werden, zum Beispiel in dezentralen Heizsystemen von Wohnhäusern. Heat pumps are used, for example, in decentralized heating systems of residential buildings.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße In a further advantageous embodiment, the inventive
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 Turbomachinery - Electric machine unit used in a micro gas turbine. For this purpose, the micro gas turbine has a turbomachine-electric machine unit according to the invention, wherein the electric machine is operated as a generator and wherein the impeller acts as a compressor for a turbine runner of the micro gas turbine. A micro gas turbine is naturally designed in a compact design and therefore also requires a relatively small but high-revving impeller for the compressor. The inventive
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit kann aufgrund ihrer kompakten Bauweise demzufolge sehr gut in einer Mikrogasturbine verwendet werden. Turbomachinery electric machine unit can therefore be used very well in a micro gas turbine due to their compact design.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße In another advantageous embodiment, the inventive
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 Turbomachinery electric machine unit used in another micro gas turbine. For this purpose, the micro gas turbine on a turbomachinery electrical machine unit, wherein the electric machine is operated as a generator and wherein the impeller as a turbine runner of
Mikrogasturbine wirkt. Ein Verdichterlaufrad ist auf der Getriebewelle Micro gas turbine works. A compressor impeller is on the transmission shaft
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. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die erfindungsgemäße arranged, wherein the compressor impeller compresses the micro gas turbine combustion air supplied. The impeller and the compressor impeller rotate at the same comparatively high speed. Despite the compact design, high power can thus be transmitted. In a further advantageous embodiment, the inventive
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit als Zusatzverdichter für eine Turbomachinery - Elektromaschinen- unit as additional compressor for a
Brennkraftmaschine verwendet. Dazu weist die Brennkraftmaschine einen elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter zum Verdichten der der Internal combustion engine used. For this purpose, the internal combustion engine has an electrically driven additional compressor for compressing the
Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und eine Turbomaschinen-Internal combustion engine supplied combustion air and a turbomachinery
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 kompaktenElectric machine unit, wherein the electric machine is operated as a motor and wherein the impeller acts as an additional compressor. The turbomachinery electric machine unit according to the invention can be used very well as an additional compressor due to their compact design. The impeller rotates at a comparatively high speed and can thus - despite the compact
Bauweise - der Brennkraftmaschine einen ausreichend hohen Massenstrom an verdichteter Verbrennungsluft zuführen. Construction - the internal combustion engine supply a sufficiently high mass flow of compressed combustion air.
Zeichnungen drawings
Fig.l zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit. Fig.2 zeigt einen Teil einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit in einemFig.l shows schematically the structure of a turbomachinery electric machine unit according to the invention. Fig. 2 shows a part of a turbomachine electrical machine unit in one
Ausführungsbeispiel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Embodiment, wherein only the essential areas are shown.
Fig.3 zeigt schematisch ein Getriebe eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit. 3 schematically shows a transmission of a further embodiment of a turbomachine electrical machine unit.
Fig.4 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer 4 shows the arrangement of a further embodiment of a
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit in einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine. Fig.5 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomachinery electrical machine unit in a waste heat utilization arrangement of an internal combustion engine. 5 shows the arrangement of a further embodiment of a
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit in einer Wärmepumpe.  Turbomachinery - Electric machine unit in a heat pump.
Fig.6 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer 6 shows the arrangement of a further embodiment of a
Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit in einer Mikrogasturbine. Fig.7 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Turbomachinery - Electric machine unit in a micro gas turbine. Fig.7 shows the arrangement of another embodiment of a
Turbomaschinen-Elektromaschinen- Einheit in einer weiteren Mikrogasturbine. Turbomachinery-electric machine unit in another micro gas turbine.
Fig.8 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer 8 shows the arrangement of a further embodiment of a
Turbomaschinen-Elektromaschinen- Einheit als Zusatzverdichter für eine Turbomachinery-electric machine unit as additional compressor for a
Brennkraftmaschine. Internal combustion engine.
Beschreibung description
Fig.l 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. Fig.l shows schematically the structure of a turbomachine electrical machine unit according to the invention 1. The turbomachine electrical machine unit 1 comprises a turbomachine 2 and an electric machine 3, which are interconnected by a gear 4. The transmission 4 is designed so that a transmission shaft 41, which connects the transmission 4 with the turbomachine 2, runs at a higher speed than an electric machine shaft 31, which connects the transmission 4 with the electric machine 3.
Fig.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 Fig.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. 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 2 shows schematically a part of a turbomachine electrical machine unit 1 with a gear 4 designed as a stationary transmission. The stationary planetary gear comprises a gearwheel 41 arranged on the sun gear 46, three about the sun gear 46 parallel to this and evenly distributed on a planet carrier 47 planetary gears 42, 43, 44, and a planetary gears 42, 43, 44 enveloping ring gear 45, which is arranged concentrically with the transmission shaft 41. 2, only two planetary gears 42, 43 outlined, the embodiments of the present invention, however, are mainly related to stationary gearbox, the three planetary gears 42, 43, 44, which is equally distributed on a radius around the sun gear 46, ie in 120 ° Sections are arranged. Specifically, in embodiments in which the transmission shaft 41 is operated at comparatively high speeds, the transmission shaft 41 may also interact directly with the three planetary gears 42, 43, 44 so that the sun gear 46 for these embodiments is omitted or integrally formed with the transmission shaft 41 is. Outside the transmission 4, an impeller 21 of the turbomachine 2 is arranged on the transmission shaft 41. The connection can be made for example via a splined connection or a press fit. An outer diameter D of the impeller 21 is decisive for the required space
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. Turbomachine 2 or for an unillustrated housing of the turbomachine 2. In the most compact possible construction of the turbomachine electrical machine unit 1, the outer diameter D is less than 150 mm and is preferably in the range of 50 mm to 100 mm.
Fig.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. 3 schematically shows an embodiment of the stationary planetary gear 4 as a friction gear. In a friction gear, the wheels or shafts of the transmission no teeth for meshing more on, but the power transmission takes place via friction of the cylindrical lateral surfaces.
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 The three planet gears 42, 43, 44 are arranged on the planet carrier, not shown, parallel to the transmission shaft 41, wherein the rotational axes of two planet gears 42, 43 are arranged rigidly to each other and the third
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 Fig.3 nur Planetenwälzlager 42b, 43b, 44b dargestellt sind, welche in der Ansicht der Fig.3 an den Planetenrädern 42, 43, 44 vorne angeordnet sind. Planet gear 44 is positioned via a biasing force of the ring gear 45. The bearing of the three planetary gears 42, 43, 44 takes place in each case by a roller bearing pair, wherein in Fig.3 only planetary roller bearings 42 b, 43 b, 44 b are shown, which in the view of Figure 3 to the planetary gears 42, 43, 44 in front are arranged.
Auf den jeweiligen, in der Ansicht der Fig.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. On the respective, in the view of Figure 3 front end faces 42a, 43a, 44a of the three planetary gears 42, 43, 44 each bearing pin 42c, 43c, 44c are arranged, wherein the bearing pins 42c, 43c, 44c each integral with the associated planetary gear are executed. The Planetenwälzlager 42b, 43b, 44b each store an associated bearing pin 42c, 43c, 44c.
Analog zur in der Ansicht der Fig.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. Analogous to the front side of the planetary gears 42, 43, 44 in the view of Figure 3 are on the opposite end surfaces 42a, 43a, 44a side of the planetary gears 42, 43, 44 not shown further end faces formed, in each case again not shown Bearing journals are arranged. The other journals are each in other, also not shown Placed planetary roller bearings, so that each planetary gear 42, 43, 44 is supported by a rolling bearing pair.
Die drei Lagerzapfen 42c, 43c, 44c sind mit dem nicht dargestellten The three journals 42c, 43c, 44c are connected to the not shown
Planetenträger verbunden, wobei zwei Lagerzapfen 42c, 43c starr mit demPlanet carrier connected, wherein two journals 42 c, 43 c rigid with the
Planetenträger und ein Lagerzapfen 44c verschiebbar mit dem Planetenträger verbunden ist. Der Planetenträger wiederum ist starr mit einem nicht Planet carrier and a bearing pin 44c slidably connected to the planet carrier is connected. The planet carrier in turn is not rigid with one
dargestellten Getriebegehäuse verbunden. Analog dazu sind die drei weiteren Lagerzapfen ebenfalls derart mit dem Planetenträger oder mit einem connected gear housing connected. Similarly, the three other bearing journals are also in such a way with the planet carrier or with a
Planetenrahmen verbunden, dass zwei weitere Lagerzapfen starr und ein weiterer Lagerzapfen verschiebbar angeordnet sind. Connected planetary frame that two other bearing pins are rigid and another bearing pin slidably mounted.
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 The biasing force of the ring gear 45 on the three planet gears 42, 43, 44 also leads to a tension of the three planetary gears 42, 43, 44 with the
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. Transmission shaft 41; In alternative embodiments, a sun gear can be arranged on the transmission shaft 41, which is braced with the three planetary gears 42, 43, 44.
Durch die Ausführung des Standplanetengetriebes als Reibradgetriebe kann eine radiale Lagerung der Getriebewelle 41 ausschließlich über die drei PlanetenräderDue to the design of the planetary gear as a friction gear, a radial bearing of the transmission shaft 41 exclusively on the three planetary gears
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 Fig.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. 42, 43, 44, 44 because the tension of the transmission shaft 41 on the cylindrical surfaces of the three planet gears 42, 43, 44 allows a statically determined positioning of the transmission shaft 41. For this purpose, the lengths of the planet gears 42, 43, 44, shown in Figure 3 by way of example on the length L 42 of the planetary gear 42, advantageously more than 15 mm. In order to achieve a compact design, the lengths of the planet gears 42, 43, 44 should not be more than 50 mm.
An der Getriebewelle 41 ist eine Wellenschulter 41a ausgebildet, die der On the transmission shaft 41, a shaft shoulder 41 a is formed, which is the
Übertragung von Axialkräften auf die Getriebewelle 41 dient. Die WellenschulterTransmission of axial forces on the transmission shaft 41 is used. The wave shoulder
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 41a cooperates with the respective end faces 42a, 43a, 44a of the three planet gears 42, 43, 44 when the transmission shaft 41 experiences an axial force from the impeller, not shown, in the direction of the transmission 4. In other
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. Embodiments, the axial forces acting on the transmission shaft 41 can also be absorbed by alternative thrust bearings, for example by a contact surface of a front side of the transmission shaft 41 to a transmission housing, not shown, or by a commercially available thrust bearing.
Die Wirkungsweise der Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit 1 ist wie folgt: The operation of the turbomachine electrical machine unit 1 is as follows:
Die Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit 1 kann prinzipiell auf drei Arten betrieben werden: The turbomachine electrical machine unit 1 can be operated in principle in three ways:
- Die Turbomaschine 2 wird als Turbine und die Elektromaschine 3 als  - The turbomachine 2 is called turbine and the electric machine 3 as
Generator betrieben; eine Anwendung dazu wird später in Fig.4 beschrieben. Generator operated; an application to this will be described later in FIG.
- Die Turbomaschine 2 wird als Verdichter und die Elektromaschine 3 als - The turbomachine 2 is used as a compressor and the electric machine 3 as
Motor betrieben; eine Anwendung dazu wird später in Fig.5 beschrieben. Motor operated; an application to this will be described later in FIG.
- Die Turbomaschine 2 wird als Verdichter und die Elektromaschine 3 als - The turbomachine 2 is used as a compressor and the electric machine 3 as
Generator betrieben; eine Anwendung dazu wird später in Fig.6 beschrieben.  Generator operated; an application to this will be described later in FIG.
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. Regardless of the type of application, the turbomachine 2 rotates at a higher speed (preferably 4 to 7 times higher) than the electric machine 3. This fixed speed ratio is achieved via the transmission 4, which is designed as a stationary planetary gear. The high speed shaft of the transmission 4, the transmission shaft 41, is connected to the impeller 21 of the turbomachine 2, and the slower rotating ring gear 45 via the electric machine shaft 31 to the electric machine 3. According to the invention, the power transmission of the wheels or shafts of the transmission 4 does not occur Tooth engagement, but on the frictional forces of the rolling and mutually preloaded cylindrical surfaces, so that the transmission shaft 41 is simultaneously supported radially by the principle of Reibradgetriebes.
Fig.4 zeigt eine Anwendung der Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit 1, bei der die Turbomaschine 2 als Turbine und die Elektromaschine 3 als 4 shows an application of the turbomachine electrical machine unit 1, in which the turbomachine 2 as a turbine and the electric machine 3 as
Generator betrieben wird. Eine Abwärmenutzungsanordnung 50 einer Generator is operated. A waste heat utilization assembly 50 of a
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 Internal combustion engine 51 has an exhaust tract 58 and a working medium leading circuit 52. In the circuit 52, a heat exchanger 53, a condenser 54 and a feed pump 55 are arranged. The feed pump 55 conveys liquid working fluid into the heat exchanger 53. The heat exchanger 53 is simultaneously coupled to the exhaust gas tract 58 and removes the exhaust gas from the internal combustion engine 51 in the exhaust gas tract 58 heat energy and feeds these into the working medium, so that the working medium in the
Wärmetauscher 53 verdampft wird. In alternativen Ausführungsformen können auch mehrere Wärmetauscher parallel oder in Reihe geschaltet sein. In dem Kreislauf 52 ist weiterhin eine Turbomaschinen- Elektromaschinen- EinheitHeat exchanger 53 is vaporized. In alternative embodiments, a plurality of heat exchangers may be connected in parallel or in series. In the circuit 52 is still a turbomachinery electrical machine unit
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 1 arranged. The impeller 21 of the turbomachine 2 operated as a turbine is driven by the vaporized and pressurized working fluid. As a result, the working fluid relaxes and is then in the
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 Condenser 54 liquefied and fed back to the feed pump 55. The speed of the high-speed impeller 21 is reduced in the transmission 4, as previously described, so that the generator with lower
Drehzahlen betrieben werden kann. Speeds can be operated.
Fig.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 Arbeitsmittel kreislauf 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 im5 shows an application of the turbomachine electrical machine unit 1, in which the turbomachine 2 is operated as a compressor and the electric machine 3 as a motor. A heat pump 70 has a working fluid circuit 77 with a condenser 71, an evaporator 72, a throttle 73 and an expansion valve and a turbomachinery electrical machine unit 1 on. In this case, the comparatively low speed of the engine through the transmission 4 as described above to a higher speed of the impeller 21 in
Verdichter übersetzt. Compressor translated.
Der Verdampfer 72 verdampft ein vorher flüssiges Arbeitsmittel, das The evaporator 72 evaporates a previously liquid working fluid, the
anschließend durch das Laufrad 21 verdichtet und dem Kondensator 71 zugeführt wird. Unter Abgabe von Wärmeenergie, beispielsweise in das subsequently compressed by the impeller 21 and the capacitor 71 is supplied. With release of heat energy, for example in the
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. Fig.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. Heating system of a house, the working fluid in the condenser 71 liquefies again. Subsequently, the working fluid is expanded in the throttle 73 or via an expansion valve and fed back to the evaporator 72. 6 shows an application of the turbomachine electrical machine unit 1, in which the turbomachine 2 is operated as a compressor and the electric machine 3 as a generator. A micro gas turbine 80 has a turbine runner 81 and a turbomachine electrical machine unit 1. The turbine runner 81 is disposed on the transmission shaft 41 as well as the impeller 21 of the compressor. Combustion air 85 is compressed in the compressor and a Combustion chamber 82 of the micro gas turbine 80 is supplied. In other embodiments, the combustion air 85 is first passed through the electric machine 3 to cool it, and then fed to the compressor.
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. In the combustion chamber 82, the combustion air 85 is mixed with a fuel 86 and ignited and thus the turbine wheel 81 is driven. The result is hot and relaxed exhaust gas 87. Subsequently, the exhaust gas 87 can be cooled in a recuperator, not shown, and at the same time the combustion air 85 are preheated.
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. The turbine runner 81 drives the transmission shaft 41 and with it also the impeller 21 of the compressor. The speed of the transmission shaft 41 is translated by the transmission 4 as described above to a lower speed of the electric machine shaft 31 in the generator.
Fig.7 zeigt eine Anwendung der Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit 1, bei der die Turbomaschine 2 als Turbine und die Elektromaschine 3 als 7 shows an application of the turbomachine electrical machine unit 1, in which the turbomachine 2 as a turbine and the electric machine 3 as
Generator betrieben wird. Eine Mikrogasturbine 90 weist eine Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit 1, wobei das Laufrad 21 der Turbomaschine 2 als Turbinenlaufrad wirkt, ein Verdichterlauf rad 91 und einen Brennraum 92 auf. Generator is operated. A micro gas turbine 90 has a turbomachine electrical machine unit 1, wherein the impeller 21 of the turbomachine 2 acts as a turbine runner, a compressor wheel 91 and a combustion chamber 92.
Das Turbinenlaufrad 81 ist ebenso wie das Laufrad 21 des Verdichters auf der Getriebewelle 41 angeordnet. Verbrennungsluft 95 wird im Verdichter durch das Verdichterlauf rad 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. The turbine runner 81 is disposed on the transmission shaft 41 as well as the impeller 21 of the compressor. Combustion air 95 is compressed in the compressor by the compressor wheel 91 and fed to a combustion chamber 92 of the micro gas turbine 90. In other embodiments, the combustion air 95 is first passed through the electric machine 3 to cool it, and then fed to the compressor.
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 In the combustion chamber 92, the combustion air 95 is mixed with a fuel 96 and ignited and thus the impeller 21 is driven. It creates hot and relaxed exhaust 97th Then, in a not shown
Rekuperator das Abgas 97 gekühlt und gleichzeitig die Verbrennungsluft 95 vorgewärmt werden. 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. Recuperator cooled the exhaust gas 97 and at the same time the combustion air 95 are preheated. The impeller 21 drives the transmission shaft 41. The speed of the transmission shaft 41 is translated by the transmission 4 as described above to a lower speed of the electric machine shaft 31 in the generator.
Fig.8 zeigt eine Anordnung einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit 1 als Zusatzverdichter für eine Brennkraftmaschine 61. Dabei wird die 8 shows an arrangement of a turbomachine electrical machine unit 1 as an additional compressor for an internal combustion engine 61. In this case, the
Elektromaschine 3 als Motor betrieben und die Turbomaschine 2 als Electric machine 3 operated as a motor and the turbomachine 2 as
Zusatzverdichter. Additional compressor.
Verbrennungsluft 65 wird über eine Ansaugleitung 66 der Turbomaschine 2 zugeführt und dort durch das Laufrad 21 verdichtet. Die verdichtete Combustion air 65 is supplied via an intake line 66 of the turbomachine 2 and compressed there by the impeller 21. The condensed
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. Combustion air is supplied via a pressure line 67 of the internal combustion engine 61. After the combustion process in the internal combustion engine 61, the exhaust gas is discharged through an exhaust tract 68. The hot exhaust gas in the exhaust gas tract 68 can also be used in further embodiments for preheating the combustion air in the intake line 66.
Das Getriebe 4 übersetzt eine vergleichsweise niedrige Drehzahl der The transmission 4 translates a comparatively low speed of
Elektromaschinenwelle 31 auf eine vergleichsweise hohe Drehzahl der Electric machine shaft 31 at a comparatively high speed of
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. Transmission shaft 41, as described above. As a result, the impeller 21 of the turbomachine 2 operated as a compressor rotates comparatively high and can thus supply a large mass flow of combustion air to the internal combustion engine 61.

Claims

Ansprüche claims
1. Turbomaschinen-Elektromaschinen- Einheit (1), die eine Turbomaschine (2), eine Elektromaschine (3) und ein Getriebe (4) umfasst, wobei das Getriebe (4) die Turbomaschine (2) mit der Elektromaschine (3) in einem festen A turbomachine-electric machine unit (1) comprising a turbomachine (2), an electric machine (3) and a transmission (4), wherein the transmission (4) the turbomachine (2) with the electric machine (3) in a firm
Übersetzungsverhältnis verbindet und wobei ein Laufrad (21) der Turbomaschine (2) auf einer Getriebewelle (41) des Getriebes (4) angeordnet ist, wobei das Getriebe (4) ein Standplanetengetriebe ist, Transmission ratio connects and wherein an impeller (21) of the turbomachine (2) on a transmission shaft (41) of the transmission (4) is arranged, wherein the transmission (4) is a stationary planetary gear,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Standplanetengetriebe ein Reibradgetriebe ist, wobei die Übersetzung des Getriebes (4) von der Turbomaschine (2) zur Elektromaschine (3) im Bereich zwischen 2:1 und 7:1 liegt. the planetary gear is a friction gear, wherein the ratio of the transmission (4) of the turbomachine (2) to the electric machine (3) in the range between 2: 1 and 7: 1.
2. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebewelle (41) die Hochdrehzahlwelle des Stand planetengetriebes ist. 2. Turbomachinery electrical machine unit (1) according to claim 1, characterized in that the transmission shaft (41) is the high speed shaft of the state planetary gear.
3. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebewelle (41) nur eine Radiallagerstelle aufweist, die durch drei im Standplanetengetriebe angeordnete Planetenräder (42, 43, 44) ausgebildet wird. 3. turbomachinery electrical machine unit (1) according to claim 2, characterized in that the transmission shaft (41) has only one radial bearing point, which is formed by three arranged in the planetary gear planetary gears (42, 43, 44).
4. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Planetenräder (42, 43, 44) durch ein sie umgebendes Hohlrad (45) des Standplanetengetriebes auf die Getriebewelle (41) vorgespannt sind. 4. turbomachinery electrical machine unit (1) according to claim 3, characterized in that the three planetary gears (42, 43, 44) are biased by a surrounding ring gear (45) of the planetary gear on the transmission shaft (41).
5. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Getriebewelle (41) eine Wellenschulter (41a) ausgebildet ist, die mit an den Planetenrädern (42, 43, 44) ausgebildeten 5. Turbomachinery electrical machine unit (1) according to claim 4, characterized in that on the transmission shaft (41) has a shaft shoulder (41 a) is formed, which with the planetary gears (42, 43, 44) formed
Planetenradstirnflächen (42a, 43a, 44a) zusammenwirkt. Planetenradstirnflächen (42a, 43a, 44a) cooperates.
6. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Getriebewelle (41) eine weitere Wellenschulter (41b) ausgebildet ist, die mit an den Planetenrädern (42, 43, 44) ausgebildeten den Planetenradstirnflächen (42a, 43a, 44a) gegenüberliegenden weiteren Planetenradstirnflächen zusammenwirkt. 6. turbomachinery electrical machine unit (1) according to claim 5, characterized in that on the transmission shaft (41) has a further shaft shoulder (41 b) is formed with the planetary gears (42, 43, 44) formed the Planetenradstirnflächen (42 a , 43a, 44a) cooperating opposite other Planetenradstirnflächen.
7. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (45) auf einer 7. turbomachinery electrical machine unit (1) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the ring gear (45) on a
Elektromaschinenwelle (31) der Elektromaschine (3) angeordnet ist. Electric machine shaft (31) of the electric machine (3) is arranged.
8. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der 8. turbomachinery electrical machine unit (1) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein preceding claims, characterized in that a
Außendurchmesser (D) des Laufrads (21) kleiner als 150 mm ist. Outer diameter (D) of the impeller (21) is smaller than 150 mm.
9. Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der 9. turbomachine electrical machine unit (1) according to one of
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nenndrehzahl des Laufrades (21) zwischen 75.000 und 250.000 Umdrehungen pro Minute liegt. preceding claims, characterized in that the rated speed of the impeller (21) is between 75,000 and 250,000 revolutions per minute.
10. Abwärmenutzungsanordnung (50) einer Brennkraftmaschine (51) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (52), wobei in dem Kreislauf (52) ein Wärmetauscher (53), ein Kondensator (54) und eine Förderpumpe (55) angeordnet sind und wobei in dem Kreislauf (52) eine Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist, wobei die Elektromaschine (3) als Generator betrieben wird. 10. Waste heat utilization arrangement (50) of an internal combustion engine (51) having a working medium leading circuit (52), wherein in the circuit (52) a heat exchanger (53), a condenser (54) and a feed pump (55) are arranged, and wherein in the circuit (52) a turbomachine electrical machine unit (1) is arranged according to one of the preceding claims, wherein the electric machine (3) is operated as a generator.
11. Wärmepumpe (70) mit einem Kondensator (71), einem Verdampfer (72) und einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektromaschine (3) als Motor betrieben wird und wobei das Laufrad (21) als Verdichter zwischen Verdampfer (72) und Kondensator (71) wirkt. 11. A heat pump (70) with a condenser (71), an evaporator (72) and a turbomachine electrical machine unit (1) according to one of claims 1 to 9, wherein the electric machine (3) is operated as a motor and wherein the impeller (21) acts as a compressor between the evaporator (72) and the condenser (71).
12. Mikrogasturbine (80) mit einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektromaschine (3) als Generator betrieben wird und wobei das Laufrad (21) als Verdichter für ein Turbinenlaufrad (81) der Mikrogasturbine wirkt. 12. micro gas turbine (80) with a turbomachine electrical machine unit (1) according to one of claims 1 to 9, wherein the electric machine (3) is operated as a generator and wherein the impeller (21) as a compressor for a turbine runner (81) of Micro gas turbine works.
13. Mikrogasturbine (90) mit einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektromaschine (3) als Generator betrieben wird und wobei das Laufrad (21) als ein Turbinenlaufrad der 13. micro gas turbine (90) with a turbomachine electrical machine unit (1) according to one of claims 1 to 9, wherein the electric machine (3) is operated as a generator and wherein the impeller (21) as a turbine runner of
Mikrogasturbine wirkt und wobei ein Verdichterlauf rad (91) auf der Getriebewelle (41) angeordnet ist, wobei das Verdichterlauf rad (91) die der Mikrogasturbine (90) zugeführte Verbrennungsluft (95) verdichtet. Micro gas turbine acts and wherein a compressor wheel (91) on the transmission shaft (41) is arranged, wherein the compressor wheel (91) compresses the microturbine (90) supplied combustion air (95).
14. Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und mit einer Turbomaschinen- Elektromaschinen- Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektromaschine (3) als Motor betrieben wird und wobei das Laufrad (21) als Zusatzverdichter wirkt. 14. Internal combustion engine with an electrically driven auxiliary compressor for compressing the combustion air supplied to the internal combustion engine and with a turbomachine electrical machine unit (1) according to one of claims 1 to 9, wherein the electric machine (3) is operated as a motor and wherein the impeller (21 ) acts as an additional compressor.
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