EP4119798A1

EP4119798A1 - Strömungsmaschinenanordnung

Info

Publication number: EP4119798A1
Application number: EP22183529.1A
Authority: EP
Inventors: Dirk Büche; Janine Sutter
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2023-01-18
Also published as: JP2023014041A; DE102021118253B4; CN115614297A; US20230018652A1; US12006951B2; CA3165886A1; DE102021118253A1

Abstract

Strömungsmaschinenanordnung (10), mit mindestens einer ein- oder mehrstufigen Kompressorsektion (11) zur Druckerhöhung eines Arbeitsmediums, wobei die jeweilige Kompressorsektion (11) eine Kompressorwelle (13) aufweist, mit einer elektrischen Maschine (16), die eine Welle (17) aufweist, wobei die jeweilige Kompressorwelle (13) koaxial zu der Welle (17) der elektrischen Maschine verläuft, wobei die jeweilige Kompressorwelle (13) mit der Welle (17) der elektrischen Maschine gekoppelt ist, wobei die elektrische Maschine (16) und die jeweilige Kompressorsektion (11) in einem gemeinsamen, hermetisch dichten, ein- oder mehrteiligen Gehäuse (18) angeordnet und über Lager (19) im Gehäuse gelagert sind, derart, dass die jeweilige Kompressorsektion (11), die elektrische Maschine (16) und die Lager (19) allesamt von dem Arbeitsmedium umspült sind, mit einer Zuführleitung (14), über die der Strömungsmaschinenanordnung unverdichtetes Arbeitsmedium zuführbar ist, mit einer Abführleitung (15), über die von der Strömungsmaschinenanordnung verdichtetes Arbeitsmedium abführbar ist, und mit mindestens einem Strahlverdichter (20), dem über einen ersten Anschluss (22) unter einem ersten Druckniveau stehendes Arbeitsmedium als Treibmittel zuführbar ist, und zwar zur Ansaugung von unter einem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium über einen zweiten Anschluss (24), wobei eine im mindestens einen Strahlverdichter (20) ausgebildete Mischung aus dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium der elektrischen Maschine (16) und/oder mindestens einer anderen zu kühlenden Baugruppe über einen dritten Anschluss (26) als Kühlmedium zuführbar ist. Fig. 1

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschinenanordnung.
Aus WO 2013/139568 A1 ist eine Strömungsmaschinenanordnung mit einer mehrstufigen Kompressorsektion und einer elektrischen Maschine bekannt, wobei die elektrische Maschine die Kompressorsektion zur Druckerhöhung eines Arbeitsmediums antreibt. Eine Kompressorwelle der Kompressorsektion verläuft koaxial zu einer Welle der elektrischen Maschine und ist mit der Welle der elektrischen Maschine gekoppelt. Die elektrische Maschine und die Kompressorsektion sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und über Lager in dem Gehäuse gelagert. Einer Stufe der Kompressorsektion ist als Kühlgas verdichtetes Arbeitsmedium entnehmbar, welches zur Kühlung der elektrischen Maschine nutzbar ist.
Eine Strömungsmaschinenanordnung mit mindestens einer einstufigen oder mehrstufigen Kompressorsektion und einer die oder jede Kompressorsektion antreibenden elektrischen Maschine wird auch als integrierter Motor-Kompressor bezeichnet.
Aus EP 1 074 746 B1 ist ein Turboverdichter mit mehreren Kompressorsektionen bekannt. Die Kompressorsektionen und die elektrische Maschine, welche die Kompressorsektionen antreibt, sind in einem gasdichten Gehäuse angeordnet und über Lager im Gehäuse gelagert. Die Welle der jeweiligen Kompressorsektion und die Welle der elektrischen Maschine verlaufen koaxial zueinander und sind übersetzungslos gekoppelt. Zur Kühlung der elektrischen Maschine dient verdichtetes Arbeitsmedium, welches von einer Kompressorsektion abgezweigt wird.
DE 10 2007 019 264 A1 offenbart einen weiteren Turboverdichter. Es ist offenbart, im Bereich einer Kompressorstufe einer Kompressorsektion des Turboverdichters verdichtetes Arbeitsmedium zu entnehmen, über einen Radseitenraum zu führen und ausgehend vom Radseitenraum über einen Entnahmekanal in einen Sammelraum zu führen, um dieses Arbeitsmedium einer zu kühlenden Baugruppe bereitzustellen.
Dann, wenn zur Kühlung von Baugruppen einer Strömungsmaschinenanordnung im Bereich einer Kompressorsektion verdichtetes Arbeitsmedium entnommen und zur Kühlung verwendet wird, besteht der Nachteil eines reduzierten Gesamtwirkungsgrads der Strömungsmaschinenanordnung. Darüber hinaus ist verdichtetes Arbeitsmedium infolge der Verdichtung bereits erwärmt, wodurch die Kühlleistung reduziert ist.
Es besteht Bedarf an einer effizienteren Kühlung der elektrischen Maschine einer Strömungsmaschinenanordnung bei hohem thermodynamischen Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Strömungsmaschinenanordnung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Die Strömungsmaschinenanordnung verfügt über mindestens eine jeweils ein- oder mehrstufige Kompressorsektion zur Druckerhöhung eines Arbeitsmediums wie eines Prozessgases, wobei die jeweilige Kompressorsektion eine Kompressorwelle aufweist. Die Strömungsmaschinenanordnung verfügt über ferner eine elektrische Maschine, die eine Welle aufweist. Die Kompressorwelle der jeweiligen Kompressorsektion verläuft koaxial zu der Welle der elektrischen Maschine.
Die Kompressorwelle der jeweiligen Kompressorsektion ist vorzugsweise direkt und übersetzungslos mit der Welle der elektrischen Maschine gekoppelt.
Die elektrische Maschine und die jeweilige Kompressorsektion sind in einem gemeinsamen, hermetisch dichten, ein- oder mehrteiligen Gehäuse angeordnet und über Lager im Gehäuse gelagert, derart, dass die jeweilige Kompressorsektion, die elektrisehe Maschine und die Lager allesamt von dem Arbeitsmedium umspült sind. Über eine Zuführleitung ist der Strömungsmaschinenanordnung unverdichtetes Arbeitsmedium zuführbar. Über eine Abführleitung ist von der Strömungsmaschinenanordnung verdichtetes Arbeitsmedium abführbar.
Die Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1 verfügt weiterhin über mindestens einen Strahlverdichter, dem über eine erste Leitung oder einen ersten Anschluss unter einem ersten Druckniveau stehendes Arbeitsmedium als Treibmittel zuführbar ist, und zwar zur Ansaugung von unter einem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium über eine zweite Leitung oder einen zweiten Anschluss, wobei eine im mindestens einen Strahlverdichter ausgebildete Mischung aus dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium der elektrischen Maschine und/oder mindestens einer anderen zu kühlenden Baugruppe, insbesondere den Lagern, über eine dritte Leitung oder einen dritten Anschluss als Kühlmedium zuführbar ist.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Strömungsmaschinenanordnung den mindestens einen Strahlverdichter aufweist, dem als Treibmittel das unter dem ersten Druckniveau stehende Arbeitsmedium, bei welchem es sich vorzugsweise um zumindest teilverdichtetes Arbeitsmedium handelt, zuführbar ist, um über den Druckunterschied zwischen dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unter dem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium, bei welchem es sich vorzugsweise um unverdichtetes Arbeitsmedium handelt, das unter dem geringeren zweiten Druckniveau stehende Arbeitsmedium anzusaugen, mit dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium zu mischen und diese Mischung dann der elektrischen Maschine und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe zur Kühlung zuzuführen.
Da nur ein Teil des durch oder über die elektrische Maschine und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführten Kühlmediums aus dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium, vorzugsweise aus zumindest teilweise verdichtetem Arbeitsmedium, und der andere Teil aus dem unter dem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium, vorzugsweise aus unverdichtetem Arbeitsmedium, besteht, verfügt das Kühlmedium einerseits über eine geringere Temperatur, andererseits kann hierdurch der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung gesteigert werden. Es kann eine effizientere Kühlung der elektrischen Maschine bei hohem thermodynamischen Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung bereitgestellt werden.
Vorzugweise ist der mindestens eine Strahlverdichter über die erste Leitung oder den ersten Anschluss mit der Kompressorsektion oder einer der Kompressorensektionen oder mit der Abführleitung der Strömungsmaschinenanordnung oder mit einer ersten Leckagestelle der Strömungsmaschinenanordnung gekoppelt. Vorzugsweise ist der mindestens eine Strahlverdichter über die zweite Leitung oder den zweiten Anschluss mit der Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung oder mit einer zweiten Leckagestelle der Strömungsmaschinenanordnung oder einer Rückführleitung der Strömungsmaschinenanordnung für über oder durch die elektrische Maschine und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführtes Kühlmedium gekoppelt.
Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist eine Rückführleitung für das über oder durch die elektrische Maschine und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführte Kühlmedium derart mit der Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung gekoppelt, dass eine Mündungsstelle der Rückführleitung des Kühlmediums in die Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung in Durchströmungsrichtung der Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung gesehen stromabwärts einer Abzweigungsstelle der zweiten Leitung oder des zweiten Anschlusses von der Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung liegt. Die Abzweigungsstelle der zweiten Leitung oder des zweiten Anschlusses dient zur Entnahme des unter geringerem oder tieferem Druck stehenden Arbeitsmediums, welchem dem mindestens einen Strahlverdichter zugeführt wird.
Diese erste Weiterbildung der Erfindung ist besonders bevorzugt. Dadurch, dass die Mündungsstelle der Rückführleitung in die Zuführleitung stromabwärts der Abzweigungsstelle der zweiten Leitung oder des zweiten Anschlusses von der Zuführleitung liegt, wird sichergestellt, dass über die zweite Leitung oder den zweiten Anschluss ausschließlich unverdichtetes, kaltes Arbeitsmedium über den Strahlverdichter angesaugt wird, welches kein zurückgeführtes Kühlmedium enthält.
Nach einer alternativen, zweiten Weiterbildung der Erfindung ist die Rückführleitung für das durch oder über die elektrische Maschine und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführte Kühlmedium mit der zum mindestens einen Strahlverdichter führenden zweiten Leitung oder dem zweiten Anschluss des Strahlverdichters zur Einspeisung des Treibmittels in den mindestens einen Strahlverdichter gekoppelt. Über diese zweite Weiterbildung kann ein geschlossener Kühlkreislauf für das über die elektrische Maschine geführte Kühlmedium bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads in die jeweilige Rückführleitung für das Kühlmedium ein Wärmetauscher oder Kühler integriert. Die Integration des Wärmetauschers in die Rückführleitung für das Kühlmedium ist für eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe besonders bevorzugt.
Vorzugsweise ist zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads der mindestens eine Strahlverdichter über die erste Leitung oder den ersten Anschluss mit der Kompressorsektion oder einer der Kompressorsektionen gekoppelt, wobei der mindestens eine Strahlverdichter über die zweite Leitung oder den zweiten Anschluss mit der Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung gekoppelt ist. Diese Kopplung von Strahlverdichter mit der Kompressorsektion sowie der Zuführleitung der Strömungsmaschinenanordnung ist besonders bevorzugt, um eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie der Lager bei hohem thermodynamischen Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung bereitzustellen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine stark schematisierte Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung;
Fig. 2: eine stark schematisierte Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung;
Fig. 3: eine stark schematisierte Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung;
Fig. 4: eine stark schematisierte Darstellung einer vierten erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung;
Fig. 5: eine stark schematisierte Darstellung einer fünften erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung;
Fig. 6: eine stark schematisierte Darstellung einer sechsten erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung; und
Fig. 7: eine stark schematisierte Darstellung einer siebten erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschinenanordnung 10, die insbesondere als integrierter Motor-Kompressor ausgeführt ist.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, als integrierter Motor-Kompressor ausgebildeten Strömungsmaschinenanordnung 10, die eine Kompressorsektion 11 zur Druckerhöhung eines Arbeitsmediums, vorzugsweise zur Verdichtung eines Prozessgases, aufweist. Die Kompressorsektion 11 verfügt in Fig. 1 über mehrere Kompressorstufen 12 sowie über eine Kompressorwelle 13, wobei der Kompressorsektion 11 und damit der Strömungsmaschinenanordnung 10 unverdichtetes Arbeitsmedium über eine Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 zugeführt werden kann, und wobei von der Kompressorsektion 11 und damit von der Strömungsmaschinenanordnung 10 verdichtetes Arbeitsmedium über eine Abführleitung 15 der Strömungsmaschinenanordnung 10 abgeführt werden kann. Die als integrierter Motor-Kompressor ausgebildete Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 1 verfügt weiterhin über eine elektrische Maschine 16 mit einer Welle 17, wobei die elektrische Maschine 16 dem Antreiben der Kompressorsektion 11 dient. Die Kompressorwelle 13 und die Welle 17 der elektrischen Maschine 16 verlaufen koaxial zueinander. Ferner sind die Kompressorwelle 13 und die Welle 17 der elektrischen Maschine 16 vorzugsweise direkt und übersetzungslos bzw. übersetzungsfrei gekoppelt.
Die elektrische Maschine 16 und die Kompressorsektion 11 sind in einem gemeinsamen, hermetisch dichten und damit gasdichten Gehäuse 18 angeordnet und über Lager 19 im Gehäuse 18 drehbar gelagert. Das gasdichte Gehäuse 18 kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Dabei sind die Kompressorsektion 11, die elektrische Maschine 16 sowie die Lager 19 allesamt von dem Arbeitsmedium, insbesondere dem Prozessgas, umspült.
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschinenanordnung 10 verfügt über mindestens einen Strahlverdichter 20. Dem in Fig. 1 gezeigten Strahlverdichter 20 ist über eine erste Leitung 21 oder einen ersten Anschluss 22 unter einem ersten Druckniveau stehendes Arbeitsmedium als Treibmittel zuführbar, und zwar zur Ansaugung von unter einem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium über eine zweite Leitung 23 oder einen zweiten Anschluss 24, wobei eine im Strahlverdichter 20 ausgebildete Mischung aus dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium der elektrischen Maschine 16 und/oder mindestens einer anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 über eine dritte Leitung 25 oder einen dritten Anschluss 26 als Kühlmedium zuführbar ist.
In Fig. 1 ist dem Strahlverdichter 20 über die erste Leitung 21 oder den ersten Anschluss 22 zumindest teilweise verdichtetes Arbeitsmedium als Treibmittel zur Ansaugung von unverdichtetem Arbeitsmedium über die zweite Leitung 23 oder den zweiten Anschluss 24 zuführbar, wobei die im Strahlverdichter 20 ausgebildete Mischung aus dem zumindest teilweise verdichtetem Arbeitsmedium und aus dem unverdichtetem Arbeitsmedium der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 über die dritte Leitung 25 oder den dritten Anschluss 26 als Kühlmedium zuführbar ist.
Der Strahlverdichter 20 verfügt dabei über eine Mischkammer 20a und einen Diffusor 20b, wobei die Mischkammer 20a den ersten Anschluss 22 und den zweiten Anschluss 24 und der Diffusor 20b den dritten Anschluss 26 bereitstellt. Das über den Anschluss 22 zugeführte, teilweise verdichtete Arbeitsmedium erzeugt als Treibmittel über eine vorzugsweise verstellbare Treibdüse einen impulsbehafteten Strahl des Arbeitsmediums, der in die Mischkammer 20a eintritt. Über den ersten Anschluss 22 der Mischkammer 20a ist dem Strahlverdichter 20 ausgehend von der Kompressorsektion 11 über die erste Leitung 21 zumindest teilweise verdichtetes Arbeitsmedium, welches in Fig. 1 dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium entspricht, zuführbar, wobei in Fig. 1 das teilweise verdichtete Arbeitsmedium von der Kompressorsektion 11 abgezweigt und zum Strahlverdichter 20 geführt wird.
Dadurch, dass das teilweise verdichtete Arbeitsmedium, welches über die erste Leitung 21 oder den ersten Anschluss 22 in den Strahlverdichter 20 geleitet wird, einen höheren Druck aufweist als das unverdichtete Arbeitsmedium, welches in Fig. 1 dem unter dem geringeren zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium entspricht über die zweite Leitung 23 oder den zweiten Anschluss 24 in den Strahlverdichter 20 geleitet wird, kann infolge dieses Druckunterschieds über die vorzugsweise verstellbare Treibdüse in der Mischkammer 20b des Stahlverdichters 20 ausgehend von der Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 über die zweite Leitung 23 oder den zweiten Abschluss 24 unverdichtetes Arbeitsmedium angesaugt werden, welches mit dem zumindest teilweise verdichteten Arbeitsmedium im Bereich der Mischkammer 20a gemischt wird.
Diese Mischung aus dem zumindest teilweise verdichteten Arbeitsmedium bzw. dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unverdichtetem Arbeitsmedium bzw. dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium wird über den Diffusor 20b des Strahlverdichters 20 und den vom Diffusor 20b bereitgestellten dritten Anschluss 26 sowie über die dritte Leitung 25 der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 zur Kühlung bereitgestellt.
Das Mischungsverhältnis von teilweise verdichtetem Arbeitsmedium, welches in Fig. 1 dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium entspricht, und unverdichtetem Arbeitsmedium, welches in Fig. 1 dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium entspricht, ist einerseits vom Design des Strahlverdichters und andererseits vom Druckunterschied zwischen dem unverdichteten Arbeitsmedium bzw. dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem teilweise verdichteten Arbeitsmedium bzw. dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium abhängig, wobei der Anteil an unverdichtetem Arbeitsmedium bzw. an unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium, welches über die zweite Leitung 23 angesaugt wird, umso größer ist, je höher der Druckunterschied zwischen dem zumindest teilweise verdichteten Arbeitsmedium bzw. dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unverdichteten Arbeitsmedium bzw. dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium ist.
Bedingt dadurch, dass in Fig. 1 zur Kühlung der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 die Mischung aus zumindest teilweise verdichtetem Arbeitsmedium und unverdichtetem Arbeitsmedium über die elektrische Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 geführt wird, verfügt das Kühlmedium über eine geringere Temperatur als im Stand der Technik, in welchem lediglich zumindest teilweise verdichtetes Arbeitsmedium von der Kompressorsektion 11 abgezweigt und zur Kühlung über die elektrische Maschine 16 geführt wird. Hierdurch kann die Kühlleistung verbessert werden, ferner wird ein verbesserter thermodynamischer Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung 10 bereitgestellt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist demnach der Strahlverdichter 20, nämlich die Mischkammer 20a desselben, über die erste Leitung 21 oder den ersten Anschluss 22 mit der Kompressorsektion 11, nämlich einer Kompressorstufe 12 desselben, gekoppelt. Ferner ist in Fig. 1 der Strahlverdichter 20, nämlich die Mischkammer 20a desselben, über die zweite Leitung 23 oder den zweiten Anschluss 24 mit der Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 gekoppelt. Darüber hinaus ist der Strahlverdichter 20, nämlich der Diffusor 20b desselben, über die dritte Leitung 25 oder den dritten Anschluss 26 mit der elektrischen Maschine 16 gekoppelt.
In Fig. 1 ist die elektrische Maschine 16 über eine Rückführleitung 27 für das über die elektrische Maschine 16 geführte Kühlmedium mit der Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 gekoppelt, und zwar derart, dass eine Mündungsstelle 27a der Rückführleitung 27 in die Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 in Durchströmungsrichtung der Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 gesehen stromabwärts einer Abzweigungsstelle 23a der zweiten Leitung 23 von der Zuführleitung 14 liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass über die zweite Leitung 23 lediglich frisches Arbeitsmedium mit der Leitung 23 entnommen wird.
Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 1, wobei sich die Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 2 von der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass in die Rückführleitung 27 ein Wärmetauscher 28 oder Kühler integriert ist, um das Kühlmedium vor der Rückführung in die Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 zu kühlen. Auch dies dient der Steigerung des thermodynamischen Gesamtwirkungsgrads. Ansonsten stimmt die Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 2 mit der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 1 überein, weshalb zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden und auf die Ausführungen zur Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 1 verwiesen wird.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 1, die sich von der Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass bei der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 3 zwei Kompressorsektionen 11a, 11b vorhanden sind, die jeweils über eine Kompressorstufe 12a, 12b und einer Kompressorwelle 13a, 13b verfügen, wobei diese Kompressorsektionenen 11a, 11b an sich gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Maschine 16 angeordnet sind. Beide Kompressorwellen 13a, 13b sind an unterschiedlichen, sich gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Maschine 16 vorzugsweise jeweils direkt und übersetzungslos mit der Welle 17 der elektrischen Maschine 16 gekoppelt.
In Fig. 3 sind die beiden Kompressorsektionen 11a, 11b in Reihe geschaltet. In der Kompressorsektion 11a verdichtetes Arbeitsmedium wird in der Kompressorsektion 11b weiterverdichtet. Die Kompressorsektionen 11a, 11b können alternativ auch parallelgeschaltet sein, wobei dann die erste Leitung 21 an die Abführleitung einer der beiden Kompressorsektionen 11a, 11b sowie auch an der Rückführleitung 27 für das Kühlmedium an die Zuführleitung 14 einer der beiden Kompressorsektionen 11a, 11b angeschlossen ist.
In Fig. 3 können die Kompressorsektionen 11a, 11b auch jeweils mehrere Kompressorstufen aufweisen.
In Fig. 3 wird teilweise verdichtetes Arbeitsmedium, welches von der ersten Kompressorsektion 11a teilweise verdichtet wurde, zur weiteren Verdichtung der zweiten Kompressorsektion 11b über eine Überströmleitung 29 zugeführt und über die erste Leitung 21, die von der Überströmleitung 29 abzweigt, auch dem Strahlverdichter 20 zugeführt, sodass der Strahlverdichter 20 wiederum infolge des Druckunterschieds zwischen dem zumindest teilweise verdichteten Arbeitsmedium und dem unverdichteten Arbeitsmedium unverdichtetes Arbeitsmedium ausgehend von der Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 ansaugen und mit dem teilweise verdichteten Arbeitsmedium im Bereich der Mischkammer 20a des Strahlverdichters 20 mischen kann. Diese Mischung wird dann wiederum ausgehend vom Strahlverdichter 20 der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 zur Kühlung derselben zugeführt. In Fig. 3 führt die Abführleitung 15 der Strömungsmaschinenanordnung 10 für das verdichtete Arbeitsmedium von der zweiten Kompressorsektion 11b weg.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 3, die sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wiederum nur dadurch unterscheidet, dass in die Rückführleitung 27 für das Kühlmedium, die über oder durch die elektrische Maschine 16 geführtes Kühlmedium in Richtung auf die Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 zurückführt, ein Wärmetauscher 28 integriert ist. Alternativ oder zusätzlich können Kühler auch in den Leitungen 21, 23 und 25 integriert sein.
Bis auf die Anzahl und Anordnung der Kompressorsektionen stimmen die Ausführungsbeispiele der Fig. 3, 4 mit den Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 2 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden.
In Fig. 3 und 4 können die Kompressorsektionen 11a, 11b auch parallelgeschaltet sein. In diesem Fall kann die Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 dann zu beiden Kompressorsektionen 11a, 11b führen. Vorzugswese ist bei einer Parallelschaltung der Kompressorsektionen 11a, 11b die erste Leitung 21 an die Abführleitung einer der beiden Kompressorsektionen 11a, 11b sowie auch an der Rückführleitung 27 für das Kühlmedium an die Zuführleitung 14 einer der beiden Kompressorsektionen 11a, 11b angeschlossen.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 3, die sich von der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass als Treibmittel, welches über die erste Leitung 21 bzw. den ersten Anschluss 22 dem Strahlverdichter 20 zugeführt wird, nicht in der ersten Kompressorsektion 11a teilweise verdichtetes Arbeitsmedium genutzt wird, sondern vielmehr in der zweiten Kompressorsektion 11b vollständig verdichtetes Arbeitsmedium, sodass demnach in Fig. 5 die erste Leitung 21 nicht von der Überströmleitung 29 sondern vielmehr von der Abführleitung 15 der Strömungsmaschinenanordnung 10 abzweigt. Demnach liegt in Fig. 5 ein deutlich höherer Druckunterschied zwischen dem als Treibmittel dienenden, verdichteten Arbeitsmedium und dem von der Zuführleitung angesaugten, unverdichteten Arbeitsmedium vor, wobei in Fig. 5 die im Strahlverdichter 20 ausgebildete Mischung aus unverdichtetem Arbeitsmedium und verdichtetem Arbeitsmedium vorzugsweise einen höheren Anteil an unverdichtetem Arbeitsmedium enthält als in Fig. 3. Hinsichtlich aller übrigen Details stimmt das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 überein, sodass wiederum zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden.
Alternativ kann bei mehrstufiger Verdichterausführung das Treibmittel analog zu Fig. 1 auch aus einer Zwischenstufe entnommen werden. Des Weiteren können die Leitungen 23 und 27 statt bei der Zuführung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 auch bei der Überströmleitung 29 enden, so dass das Kühlmedium erst nach der Kompressorsektion 11b entnommen und in die Überströmleitung 29 rückgeführt wird.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 5, die sich von Fig. 5 wiederum lediglich dadurch unterscheidet, dass in die Rückführleitung 27 des Kühlmediums für das über oder durch die elektrische Maschine 16 und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe wie die Lagern 19 geführte Kühlmedium der Wärmetauscher 28 integriert ist.
Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 10, die eine Abwandlung der Strömungsmaschinenanordnung 10 der Fig. 4 darstellt. Während in Fig. 4 die zweite Leitung 23 von der Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 abzweigt und die Rückführleitung 27 des Kühlmediums in die Zuführleitung 14 der Strömungsmaschinenanordnung 10 mündet, besteht in Fig. 7 ein geschlossener Kreislauf für das Kühlmedium, und zwar dadurch, dass die zweite Leitung 23 mit der Rückführleitung 27 des Kühlmediums gekoppelt ist. In Fig. 7 dient als Treibmittel demnach wiederum in der ersten Kompressorsektion 11a teilweise verdichtetes Arbeitsmedium, welches von der Überströmleitung 29 abgezweigt und über die erste Leitung 21 dem Strahlverdichter 20 zugeführt wird, wohingegen in Fig. 7 kein unverdichtetes Arbeitsmedium vom Strahlverdichter 20 angesaugt wird, sondern vielmehr das über oder durch die elektrische Maschine 16 und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe wie die Lagern 19 geführte Kühlmedium, welches über die Rückführleitung 27 des Kühlmediums von der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 abgeführt wird. Demnach bilden in Fig. 7 die zweite Leitung 23 und die Rückführleitung 27 des Kühlmediums einen geschlossenen Kühlkreislauf für das Kühlmedium, in welchen gemäß Fig. 7 ein Wärmetauscher 28 integriert ist.
Auch in Fig. 7 ist dem Strahlverdichter 20 über die erste Leitung 21 oder den ersten Anschluss 22 unter einem ersten Druckniveau stehendes Arbeitsmedium als Treibmittel zuführbar, und zwar zur Ansaugung von unter einem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium über die zweite Leitung 23 oder den zweiten Anschluss 24, wobei die im Strahlverdichter 20 ausgebildete Mischung aus dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 über die dritte Leitung 25 oder den dritten Anschluss 26 als Kühlmedium zuführbar ist. In Fig. 7 handelt es sich beim unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium um das in der Kompressorsektion 11a teilverdichtete Arbeitsmedium, beim unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium handelt es sich in Fig. 7 um das über oder durch die elektrische Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 geführte Kühlmedium, welches über die Rückführleitung 27 des Kühlmediums und dem Kühler 28, der zweiten Leitung 23 und damit dem zweiten Anschluss 24 zugeführt wird. Die Zuführung des Treibgases über die erste Leitung 21 oder den ersten Anschluss 22 gleicht dabei eventuelle Verluste an Kühlmedium im Kreislauf aus.
Die Erfindung erlaubt eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine 16 und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe wie den Lagern 19 einer Strömungsmaschinenanordnung 10 bei hohem thermodynamischen Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung 10.
Die Erfindung ermöglicht es, in Strömungsmaschinenanordnungen 10 eine elektrische Maschine 16 mit hohem Leistungsbereich einzusetzen.
Die Durchflussmenge durch den Strahlverdichter 20 kann mittels einer vorzugsweise verstellbaren Treibdüse (nicht gezeigt) geregelt werden. Zur Gewährleistung einer maximalen Einfachheit und Robustheit der Strömungsmaschinenanordnungen 10 kann jedoch auf seine solche vorzugsweise verstellbare Treibdüse verzichtet und der Strahlverdichter 20 ungeregelt betrieben werden.
In den Fig. 1 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen von Strömungsmaschinenanordnungen 10 ist der Strahlverdichter 20 jeweils außerhalb des Gehäuses 18 positioniert, wobei sich zumindest einige der Leitungen 21, 25, 29 zumindest abschnittsweise außerhalb des Gehäuses 18 und durch das Gehäuse 18 hindurch erstrecken. Es ist alternativ auch möglich, dass der Strahlverdichter 20 innerhalb des Gehäuses 18 positioniert ist.

Bezugszeichenliste

10: Strömungsmaschinenanordnung
11: Kompressorsektion
11a: Kompressorsektion
11b: Kompressorsektion
12: Kompressorstufe
12a: Kompressorstufe
12b: Kompressorstufe
13: Kompressorwelle
13a: Kompressorwelle
13b: Kompressorwelle
14: Zuführleitung
15: Abführleitung
16: elektrische Maschine
17: Welle
18: Gehäuse
19: Lager
20: Strahlverdichter
20a: Mischkammer
20b: Diffusor
21: erste Leitung
22: erster Anschluss
23: zweite Leitung
23a: Abzweigungsstelle
24: zweiter Anschluss
25: dritte Leitung
26: dritter Anschluss
27: Rückführleitung
27a: Mündungsstelle
28: Wärmetauscher
29: Überströmleitung

Claims

Strömungsmaschinenanordnung (10),
mit mindestens einer jeweils ein- oder mehrstufigen Kompressorsektion (11, 11a, 11b) zur Druckerhöhung eines Arbeitsmediums wie eines Prozessgases, wobei die jeweilig Kompressorsektion (11, 11a, 11b) eine Kompressorwelle (13, 13a, 13b) aufweist,

mit einer elektrischen Maschine (16), die eine Welle (17) aufweist,

wobei die jeweilige Kompressorwelle (13, 13a, 13b) koaxial zu der Welle (17) der elektrischen Maschine (16) verläuft,

wobei die jeweilige Kompressorwelle (13, 13a, 13b) mit der Welle (17) der elektrischen Maschine (16) gekoppelt ist,

wobei die elektrische Maschine (16) und die jeweilige Kompressorsektion (11, 11a, 11b) in einem gemeinsamen, hermetisch dichten, ein- oder mehrteiligen Gehäuse (18) angeordnet und über Lager (19) im Gehäuse (18) gelagert sind, derart, dass die jeweilige Kompressorsektion (11, 11a, 11b), die elektrische Maschine (16) und die Lager (19) allesamt von dem Arbeitsmedium umspült sind,

mit einer Zuführleitung (14), über die der Strömungsmaschinenanordnung (10) unverdichtetes Arbeitsmedium zuführbar ist,

mit einer Abführleitung (15), über die von der Strömungsmaschinenanordnung (10) verdichtetes Arbeitsmedium abführbar ist,

mit mindestens einem Strahlverdichter (20), dem über eine erste Leitung (21) oder einen ersten Anschluss (22) unter einem ersten Druckniveau stehendes Arbeitsmedium als Treibmittel zuführbar ist, und zwar zur Ansaugung von unter einem geringeren zweiten Druckniveau stehendem Arbeitsmedium über eine zweite Leitung (23) oder einen zweiten Anschluss (24), wobei eine im mindestens einen Strahlverdichter (20) ausgebildete Mischung aus dem unter dem ersten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium und dem unter dem zweiten Druckniveau stehenden Arbeitsmedium der elektrischen Maschine (16) und/oder mindestens einer anderen zu kühlenden Baugruppe über eine dritte Leitung (25) oder einen dritten Anschluss (26) als Kühlmedium zuführbar ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Strahlverdichter (20) über die erste Leitung (21) oder den ersten Anschluss (22) zumindest teilverdichtetes Arbeitsmedium als Treibmittel zur Ansaugung von unverdichtetem Arbeitsmedium über die zweite Leitung (23) oder den zweiten Anschluss (24) zuführbar ist, wobei die im mindestens einen Strahlverdichter (20) ausgebildete Mischung aus dem zumindest teilverdichteten Arbeitsmedium und aus dem unverdichteten Arbeitsmedium der elektrischen Maschine (16) und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe über die dritte Leitung (25) oder den dritten Anschluss (26) als Kühlmedium zuführbar ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlverdichter (20) über die erste Leitung (21) oder den ersten Anschluss (22) mit der Kompressorsektion (11) oder einer der Kompressorensektionen (11a, 11b) oder mit der Abführleitung (15) der Strömungsmaschinenanordnung oder mit einer ersten Leckagestelle der Strömungsmaschinenanordnung gekoppelt ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlverdichter (20) über die zweite Leitung (23) oder den zweiten Anschluss (24) mit der Zuführleitung (14) der Strömungsmaschinenanordnung oder mit der Kompressorsektion (11) oder einer der Kompressorensektionen (11a, 11b) oder mit einer zweiten Leckagestelle der Strömungsmaschinenanordnung oder einer Rückführleitung (27) der Strömungsmaschinenanordnung für über oder durch die elektrische Maschine (16) und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführtes Kühlmedium gekoppelt ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlverdichter (20) über die dritte Leitung (25) oder den dritten Anschluss (26) mit der elektrischen Maschine (16) und/oder der mindestens einen anderen zu kühlenden Baugruppe gekoppelt ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung (27) für das über oder durch die elektrische Maschine (16) und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführte Kühlmedium derart mit der Zuführleitung (14) der Strömungsmaschinenanordnung gekoppelt ist, dass eine Mündungsstelle (27a) der Rückführleitung (27) des Kühlmediums in die Zuführleitung (14) der Strömungsmaschinenanordnung in Durchströmungsrichtung der Zuführleitung (14) gesehen stromabwärts einer Abzweigungsstelle (23a) der zweiten Leitung (23) oder des zweiten Anschlusses (24) von der Zuführleitung (14) der Strömungsmaschinenanordnung liegt.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung (27) für das über oder durch die elektrische Maschine (16) und/oder die mindestens eine andere zu kühlende Baugruppe geführte Kühlmedium mit der zum mindestens einen Strahlverdichter (20) führenden zweiten Leitung (23) oder dem zweiten Anschluss (24) des mindestens einen Strahlverdichters (20) gekoppelt ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückführleitung (27) für das Kühlmedium ein Wärmetauscher (28) oder Kühler integriert ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine einzige Kompressorsektion (11) mit mindestens einer Kompressorstufe (12), der oder die an einer Seite der elektrischen Maschine (16) koaxial zu derselben angeordnet ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch zwei Kompressorsektionen (11a, 11b) mit jeweils mindestens einer Kompressorstufe (12a, 12b), die an gegenüberlegenden Seiten der elektrischen Maschine (16) jeweils koaxial zu derselben angeordnet sind.