WO2014195070A1 - Vorrichtung sowie eine solche umfassendes antriebssystem, insbesondere für schiffe - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device comprising an electric motor / generator unit which can be switched over from a motor operation to a generator operation and vice versa, having a stator and a rotor which has a rotor rotational axis, and a drive shaft arranged concentrically with the rotor rotational axis and connected to the rotor.
  • the invention relates to white ⁇ terhin a drive system comprising at least one such device and its operation as well as a drive system equipped with such a ship.
  • FIG. 3 shows a drive system comprising a device according to
  • FIG. 5 shows a further application example of a fiction, according ⁇ drive system in the form of a very schematic second marine propulsion system 1 'with waste heat recovery, for example, for a large container vessel.
  • the control and regulation of the wave generator / motor via the inverter 51 and an excitation converter 15 is carried out by a common, preferably in digital technology ⁇ led, control and regulating system 16.
  • the power converter 13, the power converter 14 and the field converter 15 are here independently controllable and controllable by the control and regulation system 16.
  • control and regulation system 16 includes a signal input to gear, the tromotor- via the line connection 36, ie by a "hard” wiring, directly with a signal generator of the electron / generator unit 200 and the waste heat recovery ⁇ system 20 are connected for a nuisance tripping is.
  • the signal generator is an unspecified dargestell- ter floating auxiliary contact of the switch 32, 32 'which is opened in case of failure, the electric motor / generation gate unit 200 and / or to separate the turbo-generator 23 from the ship ⁇ network 5 .
  • the wave generator / motor 11 as well as the electric motor / generator unit 200 is torque-controlled both in engine operation and generator operation and thus propor ⁇ tionally absorbed or discharged electrical power, since the speed changes relatively slowly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) umfassend: - eine von einem Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb und umgekehrt umschaltbare Elektromotor-/Generatoreinheit (200) mit einem Stator (200a) und einem Rotor (200b), welcher eine Rotordrehachse (200c) aufweist, sowie eine konzentrisch zur Rotordrehachse (200c) angeordnete und mit dem Rotor (200b) verbundene Antriebswelle (300), - einen Verdichter (400), - eine Turbine (500), welche auf einer dem Verdichterrad (400a) gegenüberliegenden Seite des Rotors (200b) montiert ist, und wobei der Verdichter (400) und die Turbine (500) durch mindestens eine Entkopplungsanordnung (600a, 600b) voneinander entkoppelt angeordnet sind, wobei mindestens zwei Entkopplungsanordnungen (600a, 600b) vorhanden sind, wobei eine erste Entkopplungsanordnung (600a) der Entkopplungsanordnungen (600a, 600b) zwischen dem Verdichter (400) und der Elektromotor-/Generatoreinheit (200) angeordnet ist und eine zweite Entkopplungsanordnung (600b) zwischen der Turbine (500) und der Elektromotor-/Generatoreinheit (200) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung sowie eine solche umfassendes Antriebssystem, insbesondere für Schiffe
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend eine von einem Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb und umgekehrt umschaltbare Elektromotor-/Generatoreinheit mit einem Stator und einem Rotor, welcher eine Rotordrehachse aufweist, sowie eine konzentrisch zur Rotordrehachse angeordnete und mit dem Rotor verbundene Antriebswelle. Die Erfindung betrifft wei¬ terhin ein Antriebssystem umfassend mindestens eine solche Vorrichtung und dessen Betrieb sowie ein mit einem solchen Antriebssystem ausgestattetes Schiff.
Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, benötigen zur Verbrennung des eingesetzten Brennstoffs große Mengen an Luft. Eine möglichst große Menge an Luft bzw. ein Luftüber- schuss bei der Verbrennung verbessert das Verbrennungsverhal- ten und erhöht damit auch die Leistungsfähigkeit des Verbren¬ nungsmotors. Eine möglichst vollständige Verbrennung wird nur bei einem ausreichenden Luftüberschuss erreicht. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, Luft mit möglichst geringer Temperatur zuzuführen, um bei gegebenem Druck eine möglichst hohe Masse an Luft zur Verfügung zu stellen. Bei einer Kompression von
Luft steigt deren Temperatur an, wodurch eine geringere Masse an Sauerstoff in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors gelangt. Wird bei dem Kompressionsvorgang ein Abgasturbola¬ der, der durch den heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors betrieben wird, eingesetzt, so kann dessen Erwärmung sich zusätzlich erwärmend über die Kompressionseinheit für die Luft auswirken und zu einer weiteren Erwärmung der zu komprimierenden Luft führen. In der GB 2477548 A ist als Stand der Technik eine Gasturbi¬ nenmaschine beschrieben, bei der dieser Effekt auftritt. Hier treibt ein Abgasstrom aus einer Verbrennungskammer einen Turbolader bzw. dessen Turbinenrad an. Das Turbinenrad ist an einem Ende einer Antriebswelle montiert. Am anderen Ende der Antriebswelle ist ein Verdichterrad eines Verdichters mon¬ tiert, das sich mit der Antriebswelle mit dreht und zur Ver¬ dichtung von Luft verwendet wird. Die verdichtete Luft wird der Verbrennungskammer zur verbesserten Verbrennung des eingesetzten Brennstoffs zugeführt.
Weiterhin beschreibt die GB 2477548 A eine Gasturbinenmaschine, bei der die Antriebswelle für das Turbinenrad und beab- standet davon eine weitere Antriebswelle für das Verdichter¬ rad vorhanden sind und diese Antriebswellen damit thermisch voneinander entkoppelt sind. Die von dem Turbinenrad ange¬ triebene Antriebswelle ist mit einem Generator verbunden, während die das Verdichterrad antreibende weitere Antriebs- welle mit einem Elektromotor verbunden ist, der durch den Generator mit Energie versorgt wird.
Nachdem bei der Verbrennung von Brennstoff ca. 3 bis 5 Mal mehr Abgasvolumen entsteht, als Luft zur Verbrennung zuge- führt wurde (Volumenverhältnis bei Normatmosphäre) , und das
Abgas zudem erhitzt ist, stellt die Turbine in der Regel mehr Energie zur Verfügung, als zur reinen Kompression der Luft benötigt wird. Gemäß der GB 2477548 A wird diese überschüssige Energie in einer Batterie gespeichert und kann beim Anlaufen des Ver¬ brennungsprozesses zum Antrieb des Elektromotors und zur Er¬ zeugung verdichtete Luft eingesetzt werden, ohne dass die Turbine bereits arbeitet.
Auch bei transienten Vorgängen, wie dem schnellen Aufschalten von Lastanforderungen auf einen Verbrennungsmotor, ist es von Vorteil, bereits im Vorfeld mehr Verdichtungsleistung zur Verfügung zu stellen. Gemäß der GB 2477548 A kann die gespei- cherte Energie eingesetzt werden, um das Verdichterrad unab¬ hängig vom aktuellen Turbinenbetrieb weiter zu beschleunigen und auf Lastwechsel damit schnell zu reagieren. Allerdings ist der apparative Aufwand zur Bereitstellung ei¬ ner entkoppelten Vorrichtung gemäß der GB 2477548 A relativ groß, wie auch der erforderliche Platzbedarf und die damit verbundene Fehlerquote bzw. Ausfallquote der Vorrichtung.
Aus der DE 195 18 317 C2 ist eine Vorrichtung zum Betrieb ei¬ nes elektrisch unterstützten Turboladers für eine Verbrennungsmaschine bekannt, wobei der Turbolader eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweist, die über eine Antriebswelle miteinander gekoppelt sind, auf der ein erstes Motor- Generator-Aggregat direkt angeordnet ist, wobei weiter ein auf die Verbrennungsmaschine wirkendes zweites Motor- Generator-Aggregat vorhanden ist und die Statorwicklungen des erstes Motor-Generator-Aggregats und des zweiten Motor- Generator-Aggregats miteinander verbunden sind, wobei das erste Motor-Generator-Aggregat eine vielsträngige, mehrpolige Asynchronmaschine und das zweite Motor-Generator-Aggregat ei¬ ne fremderregte Synchronmaschine ist, deren Erregerfeld im Stator hinsichtlich seiner Frequenz und Umlaufrichtung ge- steuert wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine auf Lastwechsel schnell ansprechende Vorrichtung umfassend einen Verdichter und eine Turbine bereitzustellen, die diese Nachteile des Standes der Technik überwindet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem, umfassend mindestens eine solche Vorrichtung, und dessen Einsatz anzugeben.
Die Aufgabe wird für die Vorrichtung gelöst, indem diese um- fasst:
- eine von einem Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb und umgekehrt umschaltbare Elektromotor-/Generatoreinheit mit einem Stator und einem Rotor, welcher eine Rotordrehachse aufweist, sowie eine konzentrisch zur Rotordrehachse ange- ordnete und mit dem Rotor verbundene Antriebswelle,
- einen Verdichter mit einem rotierbaren Verdichterrad zur Verdichtung von Luft, wobei das Verdichterrad auf der kon- zentrisch zur Rotorachse angeordneten Antriebswelle auf ei¬ ner Seite des Rotors montiert ist, und
- eine Turbine, welche ein von einem Abgasstrom antreibbares Turbinenrad umfasst, das auf der konzentrisch zur Rotorach- se angeordneten Antriebswelle auf einer dem Verdichterrad gegenüberliegenden Seite des Rotors montiert ist,
wobei der Verdichter und die Turbine durch mindestens eine Entkopplungsanordnung voneinander entkoppelt angeordnet sind, wobei mindestens zwei Entkopplungsanordnungen vorhanden sind, wobei eine erste Entkopplungsanordnung der Entkopplungsanord¬ nungen zwischen dem Verdichter und der Elektromotor- /Generatoreinheit angeordnet ist und eine zweite Entkopp¬ lungsanordnung zwischen der Turbine und der Elektromotor- /Generatoreinheit angeordnet ist.
Elektromotor und Generator sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Elektromotor-/Generatoreinheit baulich zusammengefasst , die entweder im Generatorbetrieb oder im Mo¬ torbetrieb betreibbar ist und wobei der Wechsel zwischen den Betriebsarten schnell und unkompliziert möglich ist. Die
Elektromotor-/Generatoreinheit bildet dabei eine bauliche Ab¬ grenzung zwischen der Turbine und dem Verdichter. So sind diese zwar über die durchgehende Antriebswelle direkt platz- und ressourcensparend miteinander verbunden, jedoch wirkt hinsichtlich der Wärmeleitung über die Antriebswelle die
Elektromotor-/Generatoreinheit als Wärmeisolator zwischen der heißen Turbine und dem möglichst bei niedriger Temperatur zu betreibenden Verdichter. Dadurch sind Turbine und Verdichter weitgehend thermisch entkoppelt betreibbar.
Die mindestens eine Entkopplungsanordnung bewirkt eine Tren¬ nung der Funktionsräume von Turbine und Verdichter. Es wird dadurch insbesondere eine Wärmeisolation von Turbine zu Verdichter erreicht und bei Bedarf auch eine gasdichte Abtren- nung zwischen Turbine und Verdichter vorgesehen. Dank der zweiten Entkopplungsanordnung, welche zwischen der Turbine und der Elektromotor-/Generatoreinheit angeordnet ist, und der ersten Entkopplungsanordnung, welche zwischen dem Ver- dichter und der Elektromotor -/Generatoreinheit angeordnet ist, kann zuverlässig eine Überhitzung der Elektromotor- /Generatoreinheit vermieden werden. Dadurch, dass mindestens zwei Entkopplungsanordnungen vorhanden sind, ist insbesondere die Wärmeisolation zwischen Turbi¬ ne und Verdichter noch verbessert. Vorzugsweise ist die Ent¬ kopplung dabei als thermische Entkopplung zu verstehen, wobei mittels der jeweiligen Entkopplungsanordnung insbesondere ei- ne thermische Entkopplung erzielbar ist. Beispielsweise ist die jeweilige Entkopplungsanordnung dazu ausgelegt, mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser oder Öl, gekühlt zu werden, wobei das Kühlmedium der jeweiligen Entkopplungsanordnung beispielsweise über Anschlüsse zur Medienzufuhr bzw. Medien- abfuhr zu- bzw. abführbar ist.
Insbesondere ist die Elektromotor-/Generatoreinheit elek¬ trisch mit einem Umrichter verbunden und der Umrichter elektrisch mit einem Transformator verbunden. Dies ermöglicht ei- ne Einspeisung generierter elektrischer Energie in ein Netz, wie bevorzugt ein Schiffsnetz.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Kühleinheit zur Kühlung der Elektro- Motor-/Generatoreinheit vorhanden. Dadurch wird die thermi¬ sche Trennung von Turbine und Verdichter in idealer Weise vollzogen und die Temperatur der erzeugten komprimierten Luft unter Ausnutzung des Eingangs genannten Vorteils möglichst niedrig gehalten.
Bevorzugt handelt es sich bei der Elektromotor-/Generator- Einheit um eine auf Hochtemperatursupraleitung basierende Maschine, wobei die mindestens eine Kühleinheit zur Kühlung der Maschine vorgesehen ist. Eine auf Hochtemperatursupraleitung basierende Maschine arbeitet elektrisch hocheffizient und zeichnet sich üblicherweise durch eine Elektromotor-/Genera- toreinheit mit sehr massearmem Rotor aus, der zudem geringe räumliche Abmessungen besitzt. Der Einsatz eines derartigen Rotors in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hinsichtlich der durch diese bereitgestellte Schwungmasse ideal, da besonders schnell auf Lastwechsel reagiert werden kann. Die Aufgabe der Erfindung betreffend ein Antriebssystem wird gelöst, indem das Antriebssystem umfasst:
- mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- mindestens ein Verbrennungssystem zur Verbrennung eines BrennstoffStroms und eines verdichteten Luftstroms unter Erzeugung eines Abgasstroms zur Einspeisung in die Turbi¬ ne (n) der mindestens einen erfindungsgemäßen Vorrichtung und zum Antrieb des jeweiligen Verdichterrads,
- eine Luftzuführeinrichtung zur Zuführung unverdichteter
Luft zum Verdichter der mindestens einen erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- eine Speiseeinrichtung zur Überführung eines mittels des Verdichterrads aus der unverdichteten Luft gebildeten verdichteten Luftstroms zum mindestens einen Verbrennungssys¬ tem.
Ein solches Antriebssystem weist eine kompakte Bauweise sowie eine weitgehende thermische Trennung zwischen Turbine und Verdichter auf. Es eignet sich zum Einsatz im Zusammenhang mit unterschiedlichsten Verbrennungssystemen. Insbesondere kann besonders schnell auf Lastauf- und -abschaltungen des Verbrennungssystems reagiert werden, wobei hier von Reak¬ tionszeiten im Bereich von weniger als 1 ms die Rede ist. Bei Problemen mit dem Turbinenbetrieb kann zudem über eine ge¬ zielte Beschleunigung des Verdichterrads gegengesteuert wer- den, so dass eine Ausfallswahrscheinlichkeit des Verdichters verringert und damit eine Beeinträchtigung in der Versorgung des Verbrennungssystems mit verdichteter Luft weitgehend aus¬ geschlossen wird. Bei dem Verbrennungssystem handelt es sich insbesondere um einen Verbrennungsmotor, bevorzugt um einen Dieselmotor. Im unteren Drehzahlbereich des Motors kann bereits verdichtete Luft bereitgestellt werden und damit das Emissionsverhalten verbessert werden. Dabei bildet das Verbrennungssystem insbe¬ sondere einen Teil einer Haupt- oder Hilfsmaschine.
Besonders bevorzugt ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Antriebssystems für Schiffe. Insbesondere erfolgt eine Inte¬ gration des Antriebssystems in ein gemäß der
DE 10 2006 020 144 AI bereits bekanntes Schiffsantriebssys¬ tem. So wird erfindungsgemäß auch ein Schiff umfassend ein erfin¬ dungsgemäßes Antriebssystem sowie ein elektrisches Schiffs¬ netz bereitgestellt, wobei die Elektromotor-/Generatoreinheit der mindestens einen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Schiffsnetz derart verbunden ist, dass im Generatorbetrieb eine Einspeisung von Energie ins Schiffsnetz erfolgt und im
Motorbetrieb eine Entnahme von Energie aus dem Schiffnetz er¬ folgt .
Ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Antriebs- Systems umfasst die folgenden Schritte:
Erzeugen eines Abgasstroms mittels des Verbrennungssystems, indem ein Brennstoffström und ein verdichteter Luftstrom miteinander verbrannt werden;
Betreiben der Elektromotor-/Generatoreinheit der mindestens einen Vorrichtung im Generatorbetrieb unter Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Turbine mit einem Abgasstrom ge¬ speist und das Turbinenrad und damit gleichzeitig das
Verdichterrad unter Bildung des verdichteten Luftstroms ange¬ trieben wird;
Einspeisen einer mittels der Elektromotor-/Generatoreinheit erzeugten elektrischen Energie in ein elektrisches Netz, insbesondere ein Schiffsnetz.
Im Falle einer spontanen Lastanforderung an das
Verdichtersystem zur dynamischen Verbesserung des Verbrennungssystems erfolgt bevorzugt eine Umschaltung von dem Gene¬ ratorbetrieb in einen Motorbetrieb, wobei der Elektromotor- /Generatoreinheit elektrische Energie aus dem elektrischen Netz zugeführt wird, wobei die Antriebswelle beschleunigt wird, und wobei eine erhöhte Menge an verdichteter Luft ge¬ bildet wird. Die Umschaltung der Elektromotor-/Generatoreinheit von einem Generatorbetrieb auf einen Motorbetrieb und umgekehrt kann sehr kurzfristig erfolgen, so dass auf Lastwechsel besonders schnell und unkompliziert reagiert werden kann. Die Figuren 1 bis 6 sollen eine erfindungsgemäße Vorrichtung, ein damit ausgestattetes Antriebssystem und die Integration eines solchen Antriebssystems in ein bekanntes Schiffsan¬ triebssystem beispielhaft erläutern. So zeigt: FIG 1 eine Vorrichtung umfassend Turbine und Verdichter, FIG 2 einen Betrieb der Vorrichtung gemäß FIG 1,
FIG 3 ein Antriebssystem umfassend eine Vorrichtung gemäß
FIG 1,
FIG 4 ein erstes schematisiertes Schiffsantriebssystem
umfassend ein Antriebsystem gemäß FIG 3,
FIG 5 ein zweites schematisiertes Schiffsantriebssystem
umfassend ein Antriebsystem gemäß FIG 3, und FIG 6 ein drittes schematisiertes Schiffsantriebssystem
umfassend ein Antriebsystem gemäß FIG 3.
FIG 1 zeigt eine Vorrichtung 100 umfassend einen Verdichter 400, eine Elektromotor-/Generatoreinheit 200 und eine Turbine 500. Die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 umfasst einen Stator 200a und einem Rotor 200b, welcher eine Rotordrehachse 200c aufweist, sowie eine konzentrisch zur Rotordrehachse
200c angeordnete und mit dem Rotor 200b verbundene Antriebs¬ welle 300. Der Verdichter 400 umfasst ein rotierbares
Verdichterrad 400a zur Verdichtung von Luft, wobei das
Verdichterrad 400a auf der konzentrisch zur Rotorachse 200c angeordneten Antriebswelle 300 auf einer Seite des Rotors
200b montiert ist. Die Turbine 500, umfasst ein von einem Ab¬ gasstrom antreibbares Turbinenrad 500a, das auf der konzent¬ risch zur Rotorachse 200c angeordneten Antriebswelle 300 auf einer dem Verdichterrad 400a gegenüberliegenden Seite des Ro¬ tors 200b montiert ist. Der Verdichter 400 und die Turbine 500 sind hier durch zwei Entkopplungsanordnungen 600a, 600b voneinander und damit auch von der Elektromotor- /Generatoreinheit 200 getrennt angeordnet. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hier weder elektrische Anschlüsse der Elektromotor-/Generatoreinheit 200 noch sonstige Medienzu- oder -abführungen dargestellt. FIG 2 zeigt einen Betrieb der Vorrichtung gemäß FIG 1. Glei¬ che Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche Elemente. Die Turbine 500 wird mit einem heißen Abgasstrom 510 gespeist, welcher das hier nicht im Detail gezeigte Turbinenrad 500a (vergleiche FIG 1) und damit auch die Antriebswelle 300 an- treibt. Gleichzeitig mit der Antriebswelle 300 setzt sich auch das Verdichterrad 400a (vergleiche FIG 1) in Bewegung und es wird aus der dem Verdichter 400 zugeführten unver- dichteten Luft 410 ein verdichteter Luftstrom 410' erzeugt. Aufgrund der Rotation der Antriebswelle 300 wird auch der Ro- tor 200b rotiert und eine Spannung U im Stator 200a indu¬ ziert, die über Klemmen 200d abgreifbar ist.
Über eine hier weiterhin vorgesehene Kühleinheit 130 wird die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 bzw. deren Gehäuse mit Kühlmittel 130a versorgt und gekühlt. Das erwärmte Kühlmittel 130b wird aus der Elektromotor-/Generatoreinheit 200 abge¬ führt und die aufgenommene Wärme wieder abgeführt, beispiels¬ weise über einen hier nicht im Detail dargestellten Wärmetauscher. Das wieder abgekühlte Kühlmittel 130a wird in einem Kreisprozess wieder der Elektromotor-/Generatoreinheit 200 zur Kühlung zugeführt.
FIG 3 zeigt ein Antriebssystem 110 umfassend eine Vorrichtung 100 gemäß den Figuren 1 und 2. Gleiche Bezugszeichen kenn- zeichnen dabei gleiche Elemente. Das Antriebssystem 110 weist eine Hauptmaschine 2 auf, die ein Verbrennungssystem 800 um- fasst. Das Verbrennungssystem 800, insbesondere ein Dieselmo¬ tor, wird mit einem Brennstoffström 900, insbesondere aus Dieselkraftstoff, und einem verdichteten Luftstrom 410' versorgt, den der Verdichter 400 bereitstellt und der über eine lediglich schematisch dargestellt Speiseeinrichtung 412 dem Verbrennungssystem 800 zugeführt wird. Im Verbrennungssystem 800 erfolgt die Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff aus der verdichteten Luft, wobei ein heißer Abgasstrom 510 gebildet wird. Der heiße Abgasstrom 510 treibt das Turbinenrad 500a der Turbine 500 an und entweicht aus der Turbine 500 als Abgasstrom 510' mit im Vergleich zum heißen Abgasstrom 510 verringertem Energiegehalt. Unverdichtete Luft 410 wird dem Verdichter über eine lediglich schematisch dargestellt Luftzuführeinrichtung 411 zugeführt.
FIG 4 zeigt ein Einsatzbeispiel für ein erfindungsgemäßes An- triebssystem in Form eines stark schematisierten ersten
Schiffsantriebssystems 1 mit Abwärmerückgewinnung, z.B. für ein großes Containerschiff. Auf Basis eines in der
DE 10 2006 020 144 AI offenbarten Schiffsantriebssystems wird ein Antriebssystem 100 gemäß FIG 3 integriert. Gleiche Be- zugszeichen wie in den Figuren 1 bis 3 kennzeichnen gleiche Elemente .
Das Antriebssystem des ersten Schiffsantriebssystems 1 weist eine als langsam laufenden Zweitaktdieselmotor ausgebildete Hauptmaschine 2 auf, die über eine Propellerwelle 3 mit einem Schiffspropeller 4 zum Antrieb des Schiffes verbunden ist.
Ein elektrisches Schiffsnetz 5 dient zur Energieversorgung elektrischer Geräte und Systeme an Bord des Schiffes. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen kritischen Verbrauchern 6, deren Abschaltung zu einem Blackout an Bord des Schiffes führt, und unkritischen Verbrauchern 7 (z.B. Hotellast), die nicht zu einem Blackout führen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in FIG 4 jeweils nur ein einziger kritischer Verbraucher 6 und ein einziger unkritischer Verbraucher 7 dargestellt. In der Praxis werden jeweils eine größere Anzahl derartiger Verbraucher 6, 7 aus dem Schiffsnetz 5 mit Strom versorgt. Zur Energieerzeugung für das Schiffsnetz 5 sind mehrere Generatoren 8 vorgesehen, die jeweils von einer schneller als die Hauptmaschine 2 laufenden Hilfsmaschine 9 angetrieben werden. Bei den Hilfsmaschinen 9 handelt es sich üblicherweise um schnell laufende Viertakt-Dieselmotoren mit einer Leistung von beispielsweise bis zu 5 MW. Üblicherweise sind jeweils ein Generator 8 und ein Dieselmotor 9 zu einem Dieselgeneratoraggregat 10 zusammengefasst . Der Turbine 500 einer Vorrichtung 100 wird der heiße Abgas¬ strom 510, der aus dem hier nicht im Detail dargestellten Verbrennungssystem der Hauptmaschine 2 strömt, zugeführt. Der vom Verdichter 400 daraufhin bereitgestellte verdichtete Luftstrom 410' wird dem Verbrennungssystem der Hauptmaschine 2 zugeführt und dort zusammen mit dem Brennstoffström 900 zu dem heißen Abgas 510 verbrannt.
Die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 ist elektrisch über einen Umrichter 51' und einen Transformator 35' mit dem
Schiffsnetz 5 verbunden. Der Umrichter 51' ist als Gleich- spannungs-Zwischenkreisumrichter ausgebildet und besteht aus einem motorseitigen Stromrichter 13' und einem netzseitigen Stromrichter 14'. Während der Umschaltung von Motor- zu Generatorbetrieb speist ein Zwischenkreiskondensator 52' elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 ein, derart, dass die Spannung und die Frequenz des Schiffsnetzes 5 jeweils vorgegebene Grenzwerte nicht un¬ terschreiten. Die Zeit für die Umschaltung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb und die Dimensionierung des Zwischen- kreiskondensators 52' hinsichtlich der in der Zeit der Umschaltung in das Schiffsnetz 5 einspeisbaren Energie sind hierzu aufeinander abgestimmt. Der Erregerstrom IE' für die Elektromotor-/Generatoreinheit
200 wird ebenfalls aus dem Schiffsnetz 5 bezogen und über ei¬ nen Erregerstromrichter 15' gesteuert und geregelt. Die Steu¬ erung und Regelung der Elektromotor-/Generatoreinheit 200 über den Umrichter 51' und den Erregerstromrichter 15' erfolgt durch das Steuer- und Regelsystem 16', welches vorzugs¬ weise in Digitaltechnik ausgeführt ist. Der Stromrichter 13', der weitere Stromrichter 14' und der Erregerstromrichter 15' sind hierbei ebenfalls durch das Steuer- und Regelsystem 16' unabhängig voneinander steuerbar und regelbar.
Die Kühleinheit 130 für die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 wurde hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
Zusätzlich wandelt ein Abwärmerückgewinnungssystem 20 restliche Wärme der Hauptmaschine 2, die über den energieärmeren, aus der Turbine 500 entweichenden Abgasstrom 510' bereitge¬ stellt wird, in elektrische Energie für das Schiffsnetz 5 um. Hierzu wird Wärme aus dem energieärmeren Abgasstrom 510' über einen Wärmetauscher 21 an einen nicht näher dargestellten Dampfkreislauf übertragen, in den eine Dampfturbine 22 ge¬ schaltet ist, die mit einem Turbogenerator 23 gekoppelt ist. Die von dem Turbogenerator 23 erzeugte elektrische Energie wird in das Schiffsnetz 5 eingespeist.
Ein softwaregesteuertes Power Management System 30 sorgt für die bedarfsgerechte Bereitstellung der elektrischen Energie für die verschiedenen Verbraucher 6, 7 und schaltet je nach Anforderung und zur Verfügung stehender Leistung über Schalter 31, 32, 32', 33, 33' einzelne Verbraucher 6, 7, Dieselge¬ neratorsätze 10, den Turbogenerator 23 bzw. die Elektromo- tor-/Generatoreinheit 200 dem Schiffsnetz 5 zu oder ab. Das Power Management System 30 ist hierzu über Steuerleitungen 34, 34' oder andere Verbindungen mit den Schaltern 31, 32, 32', 33', den Dieselgeneratoraggregaten 10, dem Steuer- und Regelsystem 16' sowie einem nicht näher dargestellten Steuer- und Regelsystem des Abwärmerückgewinnungssystems 20 verbun¬ den. Weiterhin ist eine Kommunikationsverbindung 17 zwischen einem nicht näher dargestellten Steuer- und Regelsystem der Hauptmaschine 2 und dem Steuer- und Regelsystem 16' vorhanden, um schnelle Lastwechsel, beispielweise bei einem Austau- chen des Propellers 4 aus dem Wasser, möglichst schnell und effizient an das Steuer- und Regelsystem 16' zu melden.
Vorrangiges Ziel beim Betrieb des Schiffsantriebssystems 1 ist es, die gesamte von der Vorrichtung 100 und vom Abwärme¬ rückgewinnungssystem 20 zur Verfügung stehende elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 einzuspeisen. Sobald die Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder der Turbogenerator 23 Energie in das Schiffsnetz einspeist, werden durch das Power Management System 30 die Dieselgeneratorsätze 10 entlastet und, falls möglich, sogar abgeschaltet. Durch diese Maßnahmen können die Brennstoff- und Betriebskosten sowie die Emissio¬ nen der Dieselgeneratorsätze 10 deutlich verringert werden. Vorteilhaft wird die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 so¬ wohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb drehmoment¬ geregelt und somit proportional zur aufgenommenen oder abge¬ geben elektrischen Leistung geregelt. Bei hohen Lastanforderungen an die Hauptmaschine wird die
Elektromotor-/Generatoreinheit 200 im Motorbetrieb betrieben und elektrische Energie aus dem Schiffsnetz 5 eingespeist, um die Antriebswelle 300 (vergleiche FIG 1) weiter zu beschleu¬ nigen und dadurch die kurzfristig benötigte große Menge an verdichteter Luft möglichst schnell bereitzustellen.
FIG 5 zeigt ein weiteres Einsatzbeispiel für ein erfindungs¬ gemäßes Antriebssystem in Form eines stark schematisierten zweiten Schiffsantriebssystems 1' mit Abwärmerückgewinnung, z.B. für ein großes Containerschiff. Auf Basis eines in
DE 10 2006 020 144 AI offenbarten Schiffsantriebssystems wird ein Antriebssystem 100 gemäß FIG 3 integriert. Gleiche Be¬ zugszeichen wie in den Figuren 1 bis 4 kennzeichnen gleiche Elemente .
Das Antriebssystem des Schiffsantriebssystems 1' weist eine als langsam laufenden Zweitaktdieselmotor ausgebildete Haupt- maschine 2 auf, die über eine Propellerwelle 3 mit einem Schiffspropeller 4 zum Antrieb des Schiffes verbunden ist.
Ein elektrisches Schiffsnetz 5 dient auch hier wieder zur Energieversorgung elektrischer Geräte und Systeme an Bord des Schiffes. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen kritischen Verbrauchern 6, deren Abschaltung zu einem Blackout an Bord des Schiffes führt, und unkritischer Verbraucher 7 (z.B. Hotellast), die nicht zu einem Blackout führen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in FIG 5 jeweils nur ein einziger kri¬ tischer Verbraucher 6 und ein einziger unkritischer Verbraucher 7 dargestellt. In der Praxis werden jeweils eine größere Anzahl derartiger Verbraucher 6, 7 aus dem Schiffsnetz 5 mit Strom versorgt.
Zur Energieerzeugung für das Schiffsnetz 5 sind mehrere Generatoren 8 vorgesehen, die jeweils von einer schneller als die Hauptmaschine 2 laufenden Hilfsmaschine 9 angetrieben werden. Bei den Hilfsmaschinen 9 handelt es sich üblicherweise um schnell laufende Viertakt-Dieselmotoren mit einer Leistung von beispielsweise bis zu 5 MW. Üblicherweise sind jeweils ein Generator 8 und ein Dieselmotor 9 zu einem Dieselgeneratoraggregat 10 zusammengefasst . Ein Wellengenerator/-motor 11 ist mechanisch mit der Propellerwelle 3 gekoppelt und elektrisch über einen Umrichter 51 und einen Transformator 35 mit dem Schiffsnetz 5 verbunden. Der Umrichter 51 ist als Gleichspannungs-Zwischenkreisum- richter ausgebildet und besteht aus einem motorseitigen
Stromrichter 13 und einem netzseitigen Stromrichter 14.
Während der Umschaltung von Motor- zu Generatorbetrieb speist ein Zwischenkreiskondensator 52 elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 ein, derart, dass die Spannung und die Frequenz des Schiffsnetzes 5 jeweils vorgegebene Grenzwerte nicht un¬ terschreiten. Die Zeit für die Umschaltung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb und die Dimensionierung des Zwischen- kreiskondensators 52 hinsichtlich der in der Zeit der Um- Schaltung in das Schiffsnetz 5 einspeisbaren Energie sind hierzu aufeinander abgestimmt.
Der Wellenmotor/-generator 11 ist als langsam laufende Syn- chronmaschine ausgebildet und wirkt vorzugsweise direkt ohne zwischengeschaltetes Getriebe auf die Propellerwelle 3. Der Wellenmotor/-generator 11 kann aber auch über ein Getriebe an der Propellerwelle 3 angekuppelt oder mit der Kurbelwelle der Hauptmaschine 2 gekuppelt sein, und zwar an dem Ende, das von der Propellerwelle 3 abliegt.
Der Erregerstrom IE für den Wellengenerator/-motor 11 wird ebenfalls aus dem Schiffsnetz 5 bezogen und über einen Erregerstromrichter 15 gesteuert und geregelt.
Durch Steuerung und Regelung des elektrischen Energieflusses durch den Umrichter 51 und des Erregerstromes IE kann der Wellengenerator/-motor 11 entweder als Motor oder als Generator betrieben werden. Im Motorbetrieb wird dann elektrische Energie aus dem Schiffsnetz 5 in mechanische Energie zum An¬ trieb des Schiffspropellers 4 umgewandelt. Leistungsreserven im Schiffsnetz 5 können somit zur Vergrößerung der Antriebsleistung des Schiffes verwendet werden, wodurch entweder die Schiffsgeschwindigkeit erhöht oder bei gleich bleibender Schiffsgeschwindigkeit die Hauptmaschine 2 entlastet werden kann. Im Generatorbetrieb wird mechanische Energie der Pro¬ pellerwelle 3 in elektrische Energie für das Schiffsnetz 5 umgewandelt. Hierdurch können Leistungsreserven der Hauptmaschine 2 zur Erzeugung von Energie für das Schiffsnetz 5 ver- wendet werden. Bevorzugt beträgt die Nennleistung des Wellen- motors/-generators 11 hierzu wenigstens 5 % der Nennleistung der Hauptmaschine 2.
Die Steuerung und Regelung des Wellengenerators/-motors über den Umrichter 51 und einen Erregerstromrichter 15 erfolgt durch ein gemeinsames, vorzugsweise in Digitaltechnik ausge¬ führtes, Steuer- und Regelsystem 16. Der Stromrichter 13, der Stromrichter 14 und der Erregerstromrichter 15 sind hierbei durch das Steuer- und Regelsystem 16 unabhängig voneinander steuerbar und regelbar.
Hierfür erfasst das Steuer- und Regelsystem 16 über nicht nä- her dargestellte Messeinrichtungen die Drehzahl des Wellenge- nerators/-motors, die Motorspannung, Motorfrequenz, Zwischen- kreisstrom, Netzspannung und Netzfrequenz.
Der Turbine 500 einer Vorrichtung 100 wird der heiße Abgas- ström 510, der aus dem hier nicht im Detail dargestellten
Verbrennungssystem der Hauptmaschine 2 strömt, zugeführt. Der vom Verdichter 400 daraufhin bereitgestellte verdichtete Luftstrom 410' wird dem Verbrennungssystem der Hauptmaschine 2 zugeführt und dort zusammen mit dem Brennstoffström 900 zu dem heißen Abgas verbrannt.
Die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 ist elektrisch über einen weiteren Umrichter 51' und einen weiteren Transformator 35' mit dem Schiffsnetz 5 verbunden. Der Erregerstrom IE' für die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 wird ebenfalls aus dem Schiffsnetz 5 bezogen und über einen weiteren Erregerstromrichter 15' gesteuert und geregelt.
Die Steuerung und Regelung der Elektromotor-/Generatoreinheit 200 über den weiteren Umrichter 51' und den weiteren Erregerstromrichter 15' erfolgt durch ein weiteres Steuer- und Regelsystem 16'. Der weitere Umrichter 51' ist wie der Umrichter 51 ausgebildet und umfasst weitere Stromrichter 13', 14'. Der weitere Stromrichter 13', der weitere Stromrichter 14' und der weitere Erregerstromrichter 15' sind hierbei ebenfalls durch das Steuer- und Regelsystem 16' unabhängig voneinander steuerbar und regelbar.
Weiterhin ist eine Kommunikationsverbindung 17 zwischen einem nicht näher dargestellten Steuer- und Regelsystem der Hauptmaschine 2 und dem Steuer- und Regelsystem 16' vorhanden, um schnelle Lastwechsel, beispielweise bei einem Austauchen des Propellers 4 aus dem Wasser, möglichst schnell und effizient an das Steuer- und Regelsystem 16' zu melden.
Eine weitere Kommunikationsleitung 17' verbindet die beiden Steuer- und Regelsysteme 16, 16', um hier einen direkten und effizienten gegenseitigen Eingriff zu ermöglichen.
Die Kühleinheit 130 für die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 wurde auch hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
Zusätzlich wandelt ein Abwärmerückgewinnungssystem 20 restliche Wärme der Hauptmaschine 2, die über den energieärmeren, aus der Turbine 500 entweichenden Abgasstrom 510' bereitge¬ stellt wird, in elektrische Energie für das Schiffsnetz 5 um. Hierzu wird Wärme aus dem energieärmeren Abgasstrom 510' über einen Wärmetauscher 21 an einen nicht näher dargestellten Dampfkreislauf übertragen, in den eine Dampfturbine 22 ge¬ schaltet ist, die mit einem Turbogenerator 23 gekoppelt ist. Die von dem Turbogenerator 23 erzeugte elektrische Energie wird in das Schiffsnetz 5 eingespeist.
Ein softwaregesteuertes Power Management System 30 sorgt für die bedarfsgerechte Bereitstellung der elektrischen Energie für die verschiedenen Verbraucher 6, 7 und schaltet je nach Anforderung und zur Verfügung stehender Leistung über Schalter 31, 32, 32', 33, 33' einzelne Verbraucher 6, 7, Dieselge¬ neratorsätze 10, den Turbogenerator 23, den Wellengenerator/ -motor 11 bzw. die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 dem Schiffsnetz 5 zu oder ab. Das Power Management System 30 ist hierzu über Steuerleitungen 34, 34' oder andere Verbindungen mit den Schaltern 31, 32, 32', 33, 33', den Dieselgeneratoraggregaten 10, dem Steuer- und Regelsystem 16, dem Steuer- und Regelsystem 16' sowie einem nicht näher dargestellten Steuer- und Regelsystem des Abwärmerückgewinnungssystems 20 verbunden.
Vorrangiges Ziel beim Betrieb des Schiffsantriebssystems 1 ist es, die gesamte von der Vorrichtung 100 und vom Abwärme- rückgewinnungssystem 20 zur Verfügung stehende elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 einzuspeisen. Sobald die Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder der Turbogenerator 23 Energie in das Schiffsnetz einspeist, werden durch das Power Management System 30 die Dieselgeneratorsätze 10 entlastet und, falls möglich, sogar abgeschaltet. Durch diese Maßnahmen können die Brennstoff- und Betriebskosten sowie die Emissio¬ nen der Dieselgeneratorsätze 10 deutlich verringert werden. Erzeugt die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder das Abwärmerückgewinnungssystem 20 sogar mehr Energie, als für die elektrischen Schiffsverbraucher 6, 7 benötigt wird, so wird mit diesem Energieüberschuss der Wellengenerator-/motor 11 im Motorbetrieb betrieben und somit eine zusätzliche An- triebskraft auf die Propellerwelle 3 gegeben. In diesem Be¬ triebsfall speist somit nur die Elektromotor-/Generatorein- heit 200 und/oder das Abwärmerückgewinnungssystem 20 elektrische Energie in das Schiffsnetz ein; die Dieselgeneratorsätze 10 sind dagegen abgeschaltet.
Ein ungeplanter Ausfall der Energieerzeugung durch die Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder das Abwärmerück¬ gewinnungssystem 20, z.B. im Fall einer Störung, würde somit jedoch zu einem Einbruch der Spannung und Frequenz des
Schiffsnetzes 5 mit der Folge einer Sicherheitsabschaltung der kritischen und unkritischen Verbraucher 6, 7 und somit zu einem Blackout des Schiffes führen, da es einige Sekunden dauert, bis die Dieselgeneratorsätze 10 gestartet und zur Energieversorgung für das Schiffsnetz 5 zur Verfügung stehen.
Um dies zu vermeiden, wird der Wellengenerator/-motor 11 innerhalb von weniger als 1 Sekunde nach Störungssignalisierung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb umgeschaltet. Während der Umschaltzeit wird der Energiebedarf des Schiffsnetzes 5 aus der im Zwischenkreiskondensator 52, 52' gespeicherten
Energie gespeist. Diese übernimmt kurzzeitig die Energiever¬ sorgung für die kritischen Verbraucher 6 und speist hierfür Energie in das Schiffsnetz 5 ein, und zwar derart, dass Span- nung und Frequenz des Schiffsnetzes 5 einen jeweils vorgege¬ benen Grenzwert nicht unterschreiten. Die Grenzwerte sind hierbei so gewählt, dass eine Sicherheitsabschaltung der kritischen Schiffsverbraucher 6, die zu einem Blackout des
Schiffes führen könnte, vermieden wird. Die Umschaltzeit und die Energieabgabefähigkeit der Zwischenkreiskondensatoren 52, 52' während der Umschaltzeit sind hierfür aufeinander abge¬ stimmt . Eine kurze Umschaltzeit ist zum einen dadurch erzielbar, dass die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder das Abwärme¬ rückgewinnungssystem 20 dem Steuer- und Regelsystem 16, 16' die Störung über eine direkte Leitungsverbindung 36, d.h. unter Umgehung des softwaregesteuerten Power Management Systems 30, signalisiert. Verzögerungen in der Signalübertragung durch die Software des Power Management Systems 30 können hierdurch vermieden werden.
Das Steuer- und Regelsystem 16 weist hierzu einen Signalein- gang auf, der über die Leitungsverbindung 36, d.h. durch eine „harte" Verdrahtung, direkt mit einem Signalgeber der Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und des Abwärmerückgewinnungs¬ systems 20 für eine Störauslösung verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Signalgeber ein nicht näher dargestell- ter potenzialfreier Hilfskontakt des Schalters 32, 32' der bei einer Störung geöffnet wird, um die Elektromotor-/Genera- toreinheit 200 und/oder den Turbogenerators 23 vom Schiffs¬ netz 5 zu trennen. Weiterhin ist eine derart kurze Umschaltzeit dadurch erziel¬ bar, dass die Ansteuerung der Stromrichter 13, 13', 14, 14' und des Erregerstromrichters 15, 15' bei der Umschaltung von Motorbetrieb zu Generatorbetrieb ohne Impulsabschaltungen, d.h. alleine durch Veränderung der EinschaltZeitpunkte und somit Einschaltdauern der Stromrichterventile erfolgt. Bei Verwendung von Thyristoren als Stromrichterventilen werden hierbei üblicherweise nur die EinschaltZeitpunkte über den sogenannten Steuerwinkel gesteuert. Bei Verwendung von GTOs, IGBTs oder IGCTs können sowohl die Einschalt- als auch die AusschaltZeitpunkte gesteuert werden.
Eine derartige Ansteuerung der Stromrichterventile ohne Im- pulsabschaltung ist dadurch möglich, dass das Steuer- und Regelsystem 16 den Wellengenerator/-motor 11 über den Umrichter 51 und Stromrichter 15 bzw. das Steuer- und Regelsystem 16' die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 über den Umrichter 51' und den Stromrichter 15' im Motorbetrieb und Generatorbetrieb mit der gleichen Regelungsart regelt. Impulsabschaltungen beim Übergang vom Motorbetrieb zu Generatorbetrieb und die damit einhergehenden Verzögerungen, wie sie bei unterschiedlichen Regelungsarten für Motor- und Generatorbetrieb notwendig wären, können dadurch vermieden werden.
Vorteilhaft wird der Wellengenerator/-motor 11 wie auch die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb drehmomentgeregelt und somit propor¬ tional zu aufgenommenen oder abgegeben elektrischen Leistung, da sich die Drehzahl relativ langsam ändert.
Bei hohen Lastanforderungen an die Hauptmaschine wird die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 im Motorbetrieb betrieben und elektrische Energie aus dem Schiffsnetz 5 eingespeist, um die Antriebswelle 300 (vergleiche FIG 1) weiter zu beschleu¬ nigen und dadurch die kurzfristig benötigte große Menge an verdichteter Luft möglichst schnell bereitzustellen.
FIG 6 zeigt ein weiteres Einsatzbeispiel für ein erfindungs- gemäßes Antriebssystem in Form eines stark schematisierten dritten Schiffsantriebssystems 1'' mit Abwärmerückgewinnung, z.B. für ein großes Containerschiff. Auf Basis eines in
DE 10 2006 020 144 AI offenbarten Schiffsantriebssystems wird ein Antriebssystem 100 gemäß FIG 3 integriert. Gleiche Be- zugszeichen wie in den Figuren 1 bis 5 kennzeichnen gleiche Elemente . Das Antriebssystem des Schiffsantriebssystems 1' ' weist eine als langsam laufenden Zweitaktdieselmotor ausgebildete Hauptmaschine 2 auf, die über eine Propellerwelle 3 einen Schiffs¬ propeller 4 zum Antrieb des Schiffes aufweist.
Ein elektrisches Schiffsnetz 5 dient zur Energieversorgung elektrischer Geräte und Systeme an Bord des Schiffes. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen kritischen Verbrauchern 6, deren Abschaltung zu einem Blackout an Bord des Schiffes führt, und unkritischer Verbrauchern 7 (z.B. Hotellast), die nicht zu einem Blackout führen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in FIG 4 jeweils nur ein einziger kritischer Verbraucher 6 und ein einziger unkritischer Verbraucher 7 dargestellt. In der Praxis werden jeweils eine größere Anzahl derartiger Ver- braucher 6, 7 aus dem Schiffsnetz 5 mit Strom versorgt.
Zur Energieerzeugung für das Schiffsnetz 5 sind mehrere Generatoren 8 vorgesehen, die jeweils von einer schneller als die Hauptmaschine 2 laufenden Hilfsmaschine 9 angetrieben werden. Bei den Hilfsmaschinen 9 handelt es sich üblicherweise um schnell laufende Viertakt-Dieselmotoren mit einer Leistung von beispielsweise bis zu 5 MW. Üblicherweise sind jeweils ein Generator 8 und ein Dieselmotor 9 zu einem Dieselgeneratoraggregat 10 zusammengefasst .
Ein Wellengenerator/-motor 11 ist mechanisch mit der Propellerwelle 3 gekoppelt und elektrisch über einen Umrichter 51 und einen Transformator 35 mit dem Schiffsnetz 5 verbunden. Der Umrichter 51 ist als Gleichspannungs-Zwischenkreisum- richter ausgebildet und besteht aus einem motorseitigen
Stromrichter 13 und einem netzseitigen Stromrichter 14.
Während der Umschaltung von Motor- zu Generatorbetrieb speist der Zwischenkreiskondensator 52 elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 ein, derart, dass die Spannung und die Frequenz des Schiffsnetzes 5 jeweils vorgegebene Grenzwerte nicht un¬ terschreiten. Die Zeit für die Umschaltung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb und die Dimensionierung des Zwischen- kreiskondensators 52 hinsichtlich der in der Zeit der Um- schaltung in das Schiffsnetz 5 einspeisbaren Energie sind hierzu aufeinander abgestimmt. Der Wellenmotor/-generator 11 ist als langsam laufende Synchronmaschine ausgebildet und wirkt vorzugsweise direkt ohne zwischengeschaltetes Getriebe auf die Propellerwelle 3. Der Wellenmotor/-generator 11 kann aber auch über ein Getriebe an der Propellerwelle 3 angekuppelt oder mit der Kurbelwelle der Hauptmaschine 2 gekuppelt sein, und zwar an dem Ende, das von der Propellerwelle 3 abliegt.
Der Erregerstrom IE für den Wellengenerator/-motor 11 wird ebenfalls aus dem Schiffsnetz 5 bezogen und über einen Erre- gerstromrichter 15 gesteuert und geregelt.
Durch Steuerung und Regelung des elektrischen Energieflusses durch den Umrichter 51 und des Erregerstromes IE kann der Wellengenerator/-motor 11 entweder als Motor oder als Genera- tor betrieben werden. Im Motorbetrieb wird dann elektrische Energie aus dem Schiffsnetz 5 in mechanische Energie zum An¬ trieb des Schiffspropellers 4 umgewandelt. Leistungsreserven im Schiffsnetz 5 können somit zur Vergrößerung der Antriebsleistung des Schiffes verwendet werden, wodurch entweder die Schiffsgeschwindigkeit erhöht oder bei gleich bleibender
Schiffsgeschwindigkeit die Hauptmaschine 2 entlastet werden kann. Im Generatorbetrieb wird mechanische Energie der Pro¬ pellerwelle 3 in elektrische Energie für das Schiffsnetz 5 umgewandelt. Hierdurch können Leistungsreserven der Hauptma- schine 2 zur Erzeugung von Energie für das Schiffsnetz 5 verwendet werden. Bevorzugt beträgt die Nennleistung des Wellen- motors/-generators 11 hierzu wenigstens 5 % der Nennleistung der Hauptmaschine 2. Die Steuerung und Regelung des Wellengenerators/-motors über den Umrichter 51 und einen Erregerstromrichter 15 erfolgt durch ein gemeinsames, vorzugsweise in Digitaltechnik ausge¬ führtes, Steuer- und Regelsystem 16. Der Stromrichter 13, der Stromrichter 14 und der Erregerstromrichter 15 sind hierbei durch das Steuer- und Regelsystem 16 unabhängig voneinander steuerbar und regelbar. Hierfür erfasst das Steuer- und Regelsystem 16 über nicht näher dargestellte Messeinrichtungen die Drehzahl des Wellenge- nerators/-motors, die Motorspannung, Motorfrequenz, Zwischen- kreisstrom, Netzspannung und Netzfrequenz. Der Turbine 500 einer Vorrichtung 100 wird der heiße Abgas¬ strom 510, der aus dem hier nicht im Detail dargestellten Verbrennungssystem der Hauptmaschine 2 strömt, zugeführt. Der vom Verdichter 400 daraufhin bereitgestellte verdichtete Luftstrom 410' wird dem Verbrennungssystem der Hauptmaschine 2 zugeführt und dort zusammen mit dem Brennstoffström 900 zu dem heißen Abgas verbrannt.
Die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 ist elektrisch über einen weiteren Umrichter 51' und einen weiteren Transformator 35' mit dem Schiffsnetz 5 verbunden. Der Erregerstrom IE' für die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 wird ebenfalls aus dem Schiffsnetz 5 bezogen und über einen weiteren Erregerstromrichter 15' gesteuert und geregelt. Die Steuerung und Rege¬ lung der Elektromotor-/Generatoreinheit 200 über den weiteren Umrichter 51' und den weiteren Erregerstromrichter 15' erfolgt ebenfalls durch das Steuer- und Regelsystem 16. Der weitere Umrichter 51' ist wie der Umrichter 51 ausgebildet und umfasst weitere Stromrichter 13' Stromrichter 14'. Der weitere Stromrichter 13', der weitere Stromrichter 14' und der weitere Erregerstromrichter 15' sind hierbei ebenfalls durch das Steuer- und Regelsystem 16 unabhängig voneinander steuerbar und regelbar.
Die Kühleinheit 130 für die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 wurde hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
Zusätzlich wandelt ein Abwärmerückgewinnungssystem 20 restliche Wärme der Hauptmaschine 2, die über den energieärmeren, aus der Turbine 500 entweichenden Abgasstrom 510' bereitge¬ stellt wird, in elektrische Energie für das Schiffsnetz 5 um. Hierzu wird Wärme aus dem energieärmeren Abgasstrom 510' über einen Wärmetauscher 21 an einen nicht näher dargestellten Dampfkreislauf übertragen, in den eine Dampfturbine 22 ge¬ schaltet ist, die mit einem Turbogenerator 23 gekoppelt ist. Die von dem Turbogenerator 23 erzeugte elektrische Energie wird in das Schiffsnetz 5 eingespeist. Ein softwaregesteuertes Power Management System 30 sorgt für die bedarfsgerechte Bereitstellung der elektrischen Energie für die verschiedenen Verbraucher 6, 7 und schaltet je nach Anforderung und zur Verfügung stehender Leistung über Schalter 31, 32, 32', 33, 33' einzelne Verbraucher 6, 7, Dieselge- neratorsätze 10, den Turbogenerator 23, den Wellengenerator/ -motor 11 bzw. die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 dem Schiffsnetz 5 zu oder ab. Das Power Management System 30 ist hierzu über Steuerleitungen 34 oder andere Kommunikationsverbindungen mit den Schaltern 31, 32, 32', 33, 33', den Diesel- generatoraggregaten 10, dem Steuer- und Regelsystem 16 sowie einem nicht näher dargestellten Steuer- und Regelsystem des Abwärmerückgewinnungssystems 20 verbunden.
Vorrangiges Ziel beim Betrieb des Schiffsantriebssystems 1 ist es, die gesamte von der Vorrichtung 100 und vom Abwärme¬ rückgewinnungssystem 20 zur Verfügung stehende elektrische Energie in das Schiffsnetz 5 einzuspeisen. Sobald die Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder der Turbogenerator 23 Energie in das Schiffsnetz einspeist, werden durch das Power Management System 30 die Dieselgeneratorsätze 10 entlastet und, falls möglich, sogar abgeschaltet. Durch diese Maßnahmen können die Brennstoff- und Betriebskosten sowie die Emissio¬ nen der Dieselgeneratorsätze 10 deutlich verringert werden. Erzeugt die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder das Abwärmerückgewinnungssystem 20 sogar mehr Energie, als für die elektrischen Schiffsverbraucher 6, 7 benötigt wird, so wird mit diesem Energieüberschuss der Wellengenerator-/motor 11 im Motorbetrieb betrieben und somit eine zusätzliche An¬ triebskraft auf die Propellerwelle 3 gegeben. In diesem Be¬ triebsfall speist somit nur die Elektromotor-/Generatorein- heit 200 und/oder das Abwärmerückgewinnungssystem 20 elektri- sehe Energie in das Schiffsnetz ein; die Dieselgeneratorsätze 10 sind dagegen abgeschaltet.
Ein ungeplanter Ausfall der Energieerzeugung durch die Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder das Abwärmerück- gewinnungssystem 20, z.B. im Fall einer Störung, würde somit jedoch zu einem Einbruch der Spannung und Frequenz des
Schiffsnetzes 5 mit der Folge einer Sicherheitsabschaltung der kritischen und unkritischen Verbraucher 6, 7 und somit zu einem Blackout des Schiffes führen, da es einige Sekunden dauert, bis die Dieselgeneratorsätze 10 gestartet und zur
Energieversorgung für das Schiffsnetz 5 zur Verfügung stehen.
Um dies zu vermeiden, wird der Wellengenerator/-motor innerhalb von weniger als 1 Sekunde nach Störungssignalisierung von Motorbetrieb in Generatorbetrieb umgeschaltet. Während der Umschaltzeit wird der Energiebedarf des Schiffsnetzes 5 aus der im Zwischenkreiskondensator 52, 52' gespeicherten Energie gespeist. Diese übernimmt kurzzeitig die Energiever¬ sorgung für die kritischen Verbraucher 6 und speist hierfür Energie in das Schiffsnetz 5 ein, und zwar derart, dass Span¬ nung und Frequenz des Schiffsnetzes 5 einen jeweils vorgege¬ benen Grenzwert nicht unterschreiten. Die Grenzwerte sind hierbei so gewählt, dass eine Sicherheitsabschaltung der kritischen Schiffsverbraucher 6, die zu einem Blackout des
Schiffes führen könnte, vermieden wird. Die Umschaltzeit und die Energieabgabefähigkeit der Zwischenkreiskondensatoren 52, 52' während der Umschaltzeit sind hierfür aufeinander abge¬ stimmt . Eine kurze Umschaltzeit ist zum einen dadurch erzielbar, dass die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 und/oder das Abwärme¬ rückgewinnungssystem 20 dem Steuer- und Regelsystem 16 die Störung über eine direkte Leitungsverbindung 36, d.h. unter Umgehung des softwaregesteuerten Power Management Systems 30, signalisiert. Verzögerungen in der Signalübertragung durch die Software des Power Management Systems 30 können hierdurch vermieden werden.
Das Steuer- und Regelsystem 16 weist hierzu einen Signaleingang auf, der über die Leitungsverbindung 36, d.h. durch eine „harte" Verdrahtung, direkt mit einem Signalgeber der Elek- tromotor-/Generatoreinheit 200 und des Abwärmerückgewinnungs- Systems 20 für eine Störauslösung verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Signalgeber ein nicht näher dargestell¬ ter potenzialfreier Hilfskontakt des Schalters 32, 32' der bei einer Störung geöffnet wird, um die Elektromotor-/Genera- toreinheit 200 und/oder den Turbogenerators 23 vom Schiffs- netz 5 zu trennen.
Weiterhin ist eine derart kurze Umschaltzeit dadurch erziel¬ bar, dass die Ansteuerung der Stromrichter 13, 13', 14, 14' und des Erregerstromrichters 15, 15' bei der Umschaltung von Motorbetrieb zu Generatorbetrieb ohne Impulsabschaltungen, d.h. alleine durch Veränderung der EinschaltZeitpunkte und somit Einschaltdauern der Stromrichterventile erfolgt. Bei Verwendung von Thyristoren als Stromrichterventilen werden hierbei üblicherweise nur die EinschaltZeitpunkte über den sogenannten Steuerwinkel gesteuert. Bei Verwendung von
GTOs, IGBTs oder IGCTs können sowohl die Einschalt- als auch die AusschaltZeitpunkte gesteuert werden.
Eine derartige Ansteuerung der Stromrichterventile ohne Im- pulsabschaltung ist dadurch möglich, dass das Steuer- und Regelsystem 16 den Wellengenerator/-motor 11 über den Umrichter 51 und Stromrichter 15 bzw. die Elektromotor-/Generatorein- heit 200 über den Umrichter 51' und den Stromrichter 15' im Motorbetrieb und Generatorbetrieb mit der gleichen Regelungs- art regelt. Impulsabschaltungen beim Übergang vom Motorbetrieb zu Generatorbetrieb und die damit einhergehenden Verzö¬ gerungen, wie sie bei unterschiedlichen Regelungsarten für Motor- und Generatorbetrieb notwendig wären, können dadurch vermieden werden.
Vorteilhaft wird der Wellengenerator/-motor 11 wie auch die Elektromotor-/Generatoreinheit 200 sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb drehmomentgeregelt und somit propor¬ tional zu aufgenommenen oder abgegeben elektrischen Leistung, da sich die Drehzahl relativ langsam ändert. Bei hohen Lastanforderungen an die Hauptmaschine wird die
Elektromotor-/Generatoreinheit 200 im Motorbetrieb betrieben und elektrische Energie aus dem Schiffsnetz 5 eingespeist, um die Antriebswelle 300 (vergleiche FIG 1) weiter zu beschleu¬ nigen und dadurch die kurzfristig benötigte große Menge an verdichteter Luft möglichst schnell bereitzustellen.
Eine Vorrichtung 100 könnte dabei nicht nur, wie in den Figu¬ ren 4 bis 6 gezeigt, den Abgasstrom der Hauptmaschine 2 ver¬ werten. Auch die Abgasströme der Hilfsmaschinen 9 können - einzeln oder zusammengefasst - mindestens einer weiteren
Vorrichtung 100 zugeführt werden, um im Generatorbetrieb der jeweiligen Elektromotor-/Generatoreinheit elektrische Energie bereitzustellen, die ins Schiffsnetz 5 eingespeist werden kann, oder im Motorbetrieb auf Lastwechsel an den Hilfsma- schinen 9 reagieren zu können und die von einer Hilfsmaschine 9 benötigte Menge an verdichteter Luft kurzfristig bereitzu¬ stellen .
Weiterhin kann anstelle des Zwischenkreiskondensators 52, 52' auch ein Gleichstromzwischenkreis zum Einsatz kommen, wie in einer Ausführungsform gemäß der DE 10 2006 020 144 AI aufgezeigt .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) umfassend
- eine von einem Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb und umgekehrt umschaltbare Elektromotor-/Generatoreinheit (200) mit einem Stator (200a) und einem Rotor (200b) , welcher eine Rotordrehachse (200c) aufweist, sowie eine konzentrisch zur Rotordrehachse (200c) angeordnete und mit dem Rotor (200b) verbundene Antriebswelle (300),
- einen Verdichter (400) mit einem rotierbaren Verdichterrad (400a) zur Verdichtung von Luft (410), wobei das
Verdichterrad (400a) auf der konzentrisch zur Rotorachse (200c) angeordneten Antriebswelle (300) auf einer Seite des Rotors (200b) montiert ist, und
- eine Turbine (500), welche ein von einem Abgasstrom (510) antreibbares Turbinenrad (500a) umfasst, das auf der kon¬ zentrisch zur Rotorachse (200c) angeordneten Antriebswelle (300) auf einer dem Verdichterrad (400a) gegenüberliegenden Seite des Rotors (200b) montiert ist, und
wobei der Verdichter (400) und die Turbine (500) durch min¬ destens eine Entkopplungsanordnung (600a, 600b) voneinander entkoppelt angeordnet sind,
wobei mindestens zwei Entkopplungsanordnungen (600a, 600b) vorhanden sind, wobei eine erste Entkopplungsanordnung (600a) der Entkopplungsanordnungen (600a, 600b) zwischen dem Verdichter (400) und der Elektromotor-/Generatoreinheit (200) angeordnet ist und eine zweite Entkopplungsanordnung (600b) zwischen der Turbine (500) und der Elektromotor-/Generator- einheit (200) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Elektromotor-/Generatoreinheit (200) elektrisch mit einem Umrichter (51') verbunden ist und wobei der Umrichter (51') elektrisch mit einem Transformator (35') verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
wobei mindestens eine Kühleinheit (130) zur Kühlung der
Elektromotor-/Generatoreinheit (200) vorhanden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
wobei es sich bei der Elektromotor-/Generatoreinheit (200) um eine auf Hochtemperatursupraleitung basierende Maschine han- delt und die mindestens eine Kühleinheit (130) zur Kühlung der Maschine vorgesehen ist.
5. Antriebssystem (110), insbesondere für Schiffe, umfassend
- mindestens eine Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- mindestens ein Verbrennungssystem (800) zur Verbrennung eines BrennstoffStroms (900) und eines verdichteten Luft¬ stroms (410') unter Erzeugung eines Abgasstroms (510) zur Einspeisung in die Turbine (n) (500) der mindestens einen Vorrichtung (100) und zum Antrieb des jeweiligen
Verdichterrads (500a) ,
- eine Luftzuführeinrichtung (411) zur Zuführung
unverdichteter Luft (410) zum Verdichter (400) der mindestens einen Vorrichtung (100), und
- eine Speiseeinrichtung (412) zur Überführung eines mittels des Verdichterrads (400a) aus der unverdichteten Luft (410) gebildeten verdichteten Luftstroms (410') zum mindestens einen Verbrennungssystem (800).
6. Antriebssystem nach Anspruch 5,
wobei es sich bei dem Verbrennungssystem (800) um einen Verbrennungsmotor handelt.
7. Antriebssystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6,
wobei das Verbrennungssystem (800) einen Teil einer Hauptoder Hilfsmaschine (2, 9) bildet.
8. Schiff umfassend ein Antriebssystem (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 sowie ein elektrisches Schiffsnetz (5) , wo- bei die Elektromotor-/Generatoreinheit (200) der mindestens einen Vorrichtung (100) mit dem Schiffsnetz (5) derart verbunden ist, dass im Generatorbetrieb eine Einspeisung von Energie ins Schiffsnetz (5) erfolgt und im Motorbetrieb eine Entnahme von Energie aus dem Schiffnetz (5) erfolgt.
9. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend folgende Schritte:
Erzeugen eines Abgasstroms (510) mittels des Verbrennungs¬ systems (800), indem ein Brennstoffström (900) und ein verdichteter Luftstrom (410') miteinander verbrannt werden;
Betreiben der Elektromotor-/Generatoreinheit (200) der min- destens einen Vorrichtung (100) im Generatorbetrieb unter Er¬ zeugung elektrischer Energie, wobei die Turbine (500) mit ei¬ nem Abgasstrom (510) gespeist und das Turbinenrad (500a) und damit gleichzeitig das Verdichterrad (400a) unter Bildung des verdichteten Luftstroms (410') angetrieben wird;
Einspeisen einer mittels der Elektromotor-/Generatoreinheit (200) erzeugten elektrischen Energie in ein elektrisches Netz, insbesondere ein Schiffsnetz (5) .
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei im Falle einer spontanen Lastanforderung an das Verbrennungssystem (800) eine Umschaltung von dem Generatorbetrieb in einen Motorbetrieb erfolgt, wobei der Elektromotor- /Generatoreinheit (200) elektrische Energie zugeführt wird, wobei die Antriebswelle (300) beschleunigt wird, und wobei eine erhöhte Menge an verdichteter Luft (410') gebildet wird.
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