WO2012025432A1 - Pumpe oder verdichter mit gekühltem elektromotor und mittels magnetkupplung angetriebene kühlmittelpumpe - Google Patents

Pumpe oder verdichter mit gekühltem elektromotor und mittels magnetkupplung angetriebene kühlmittelpumpe Download PDF

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WO2012025432A1
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drv
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Ralf Bode
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/021—Units comprising pumps and their driving means containing a coupling
    • F04D13/024—Units comprising pumps and their driving means containing a coupling a magnetic coupling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system

Definitions

  • the invention relates to a fluid energy machine comprising at least one flow machine part and a drive and a common housing surrounding the flow machine part and the drive hermetically sealed to the environment, wherein at least one inlet and an outlet for a process fluid is provided, wherein at least one rotor provided in the housing is at which rotating parts of the
  • Turbine part and / or the drive are arranged, wherein the drive comprises a heat exchanger of a cooling, in which circulates a driven by a second fluid energy machine coolant, which circulates the
  • the drive according to the invention of the second fluid energy machine for conveying the coolant provides cooling for the drive precisely when, if one of these
  • Magnetic coupling transmits the drive power through a partition to the second fluid energy machine and accordingly the cooling is hermetically sealed against the process fluid and the flow part or the drive. It is also conceivable that the second
  • Fluid energy machine has its own housing, which from the outside to the hermetically sealed housing
  • Housing of the fluid energy machine which falls within the effective range of the magnetic coupling, in this case is designed such that a magnetic transmission of the drive power is possible. Accordingly, the housing is in this
  • the case of the Fluid energy machine may be formed in the effective range of the magnetic coupling such that a non-magnetic, preferably non-conductive intermediate wall is mounted as a separate component to the housing statically sealed to the housing and hermetically closes an otherwise open opening of the housing at this point.
  • Flow machine part having a common rotor, which rotor preferably between the drive and the
  • Flow machine part has a rigid coupling.
  • An advantageous development of the invention provides that in the drive chain from the fluid energy machine to the second fluid energy machine next to the magnetic coupling, a transmission is provided which the speed of the rotor of the fluid energy machine to the speed of the second
  • the cooling is designed as cooling for the stator of an electric motor. Any heat sources in the rotor of the drive can expediently be cooled by the process fluid conveyed by means of the fluid energy machine. That's the way it is
  • bearings for supporting the rotor which are preferably designed as magnetic bearings, are cooled by means of the process fluid to be delivered.
  • the invention is based on a special
  • FIG. 2 shows a fluid energy machine according to the invention in a schematic representation in longitudinal section.
  • Figure 1 shows a conventional fluid energy machine FEM comprising a flow machine part AEP and a drive DRV housed in a common housing CAS.
  • the common housing CAS is hermetically sealed to the surroundings SUR
  • the flow machine part AEP and the drive DRV are located on a common rotor R, which rotor is mounted in two bearings BEA, wherein the located on the side of the drive DRV bearing BEA both radial and axial
  • the common rotor R extends along one
  • the turbomachine AEP is with
  • Impellers IMP provided, which are formed as axially sucking and radially issuing impellers IMP a centrifugal compressor.
  • the drive DRV is designed as an electric motor and has a rotor component ROT and a stator component STAT.
  • the rotor component ROT is cooled by a process fluid PF, which in the turbomachine component AEP by a
  • Inlet IN enters and compacts the
  • Turbomachine part AEP leaves through an outlet EX A part of the process fluid PF also flows around the rotor part ROT of the drive DRV and the bearings BEA, which
  • a closed cooling circuit CYC cooling COO is provided for the stator STAT, in which
  • Fluid energy machine PU is driven by a motor M.
  • FIG. 2 shows a fluid energy machine FEM according to the invention, in which likewise the stator STAT is cooled by means of a cooling COO.
  • Fluid energy machine PU is arranged along the machine axis X in alignment with the rotor R.
  • Housing CAS2 for cooling COO is attached to the housing CAS of the fluid power machine FEM.
  • Cooling COO is specially designed for the transmission of the drive power for cooling COO by means of a
  • Magnetic coupling MCU of the rotor R of the fluid energy machine FEM can be provided between the second fluid energy machine PU and the magnetic coupling MCU.
  • a transmission TRA (indicated by dashed lines) for overriding or reducing the speed from the rotor R to the second fluid energy machine PU can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine (FEM) umfassend mindestens einen Strömungsmaschinenteil (AEP) und einen Antrieb (DRV) und ein gemeinsames Gehäuse (CAS), das den Strömungsmaschinenteil (AEP) und den Antrieb (DRV) hermetisch dicht zur Umgebung (SUR) umgibt, wobei mindestens ein Einlass (IN) und ein Auslass (EX) für ein Prozessfluid (PF) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Rotor (R) in dem Gehäuse (CAS) vorgesehen ist, an welchem der Strömungsmaschinenteil (AEP) und/oder der Antrieb (DRV) angeordnet sind, wobei der Antrieb (DRV) einen Wärmetauscher (WT) einer Kühlung (COO) aufweist, in dem ein von einer zweiten Fluidenergiemaschine (PU) angetriebenes Kühlmittel (REF) zirkuliert, wobei zwischen dem Rotor (R) und der zweiten Fluidenergiemaschine ( PU) eine Magnetkupplung (MCU) vorgesehen ist, die eine Antriebsleistung von dem Rotor (R) auf die zweite Fluidenergiemaschine (PU) überträgt.

Description

Beschreibung
PUMPE ODER VERDICHTER MIT GEKÜHLTEM ELEKTROMOTOR UND MITTELS MAGNETKUPPLUNG ANGETRIEBENE KÜHLMITTELPUMPE
Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine umfassend mindestens einen Strömungsmaschinenteil und einen Antrieb und ein gemeinsames Gehäuse, das den Strömungsmaschinenteil und den Antrieb hermetisch dicht zur Umgebung umgibt, wobei mindestens ein Einlass und ein Auslass für ein Prozessfluid vorgesehen ist, wobei mindestens ein Rotor in dem Gehäuse vorgesehen ist, an welchem rotierende Anteile des
Strömungsmaschinenteils und/oder des Antriebs angeordnet sind, wobei der Antrieb einen Wärmetauscher einer Kühlung aufweist, in dem ein von einer zweiten Fluidenergiemaschine angetriebenes Kühlmittel zirkuliert, welches den
Antrieb kühlt.
Eine eingangs genannte Anordnung ist bereits aus der
WO 2007/110281 AI bekannt. Der in dieser Veröffentlichung beschriebene Verdichter verfügt über einen integrierten
Elektroantrieb, dessen Stator mittels eines Kühlmittels, gekühlt wird. Alternativ zu der in der Veröffentlichung vorgestellten Möglichkeit des Naturumlaufes ist es
insbesondere bei höheren Kühlleistungen sinnvoll, einen
Zwangsumlauf mittels einer zweiten Fluidenergiemaschine bzw. einer Pumpe für das Kühlmittel bereitzustellen. Da eine besonders bevorzugte Betriebsumgebung derartiger Anordnungen unter See ist, sind diese Aggregate für etwaige Wartungs- und Reparaturarbeiten potenziell schlecht zugänglich. Eine
grundlegende Forderung ist daher weitestgehende
Wartungsfreiheit sämtlicher Bauteile. Dem widerspricht
zunächst das Konzept einer zweiten Fluidenergiemaschine mit einem separaten Antrieb für das Kühlmittel.
Ausgehend von den vorstehend beschriebenen Problemen und
Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Fluidenergiemaschine der eingangs definierten Art bereitzustellen, die insbesondere für einen Betrieb unter schlecht zugänglichen Bedingungen weitestgehend wartungsfrei ist und eine besonders hohe Verfügbarkeit aufweist . Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine
Fluidenergiemaschine der eingangs definierten Art
vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Antrieb der zweiten Fluidenergiemaschine zur Förderung des Kühlmittels stellt eine Kühlung für den Antrieb genau dann bereit, wenn von diesem eine
Antriebsleistung bereitgestellt wird und der Rotor sich dreht, so dass die zweite Fluidenergiemaschine
anforderungsgerecht das Kühlmittel fördert. Die Einsparung eines eigenen Antriebes für die zweite Fluidenergiemaschine erhöht einerseits entscheidend die Verfügbarkeit in Folge der Reduktion der Komplexität und andererseits kann eine
entsprechende Leistungselektronik vollständig eingespart werden. Von entscheidender Bedeutung hierbei ist, dass die Magnetkupplung eine gegenüber dem Strömungsmaschinenteil und dem Antrieb hermetisch dichte Anordnung des Kühlkreislaufes ermöglicht. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die
Magnetkupplung die Antriebsleistung durch eine Trennwand hindurch auf die zweite Fluidenergiemaschine überträgt und dementsprechend die Kühlung hermetisch dicht abgeschlossen ist gegenüber dem Prozessfluid und dem Strömungsteil bzw. dem Antrieb. Dabei ist es auch denkbar, dass die zweite
Fluidenergiemaschine ein eigenes Gehäuse aufweist, welches von außen an das hermetisch dichte Gehäuse der
Fluidenergiemaschine angebracht ist. Die Trennwand des
Gehäuses der Fluidenergiemaschine, welche in den Wirkbereich der Magnetkopplung fällt, ist hierbei derart ausgebildet, dass eine magnetische Übertragung der Antriebsleistung möglich ist. Dementsprechend ist das Gehäuse in diesem
Bereich nicht magnetisch. Das Gehäuse der Fluidenergiemaschine kann in dem Wirkbereich der Magnetkopplung derart ausgebildet sein, dass eine nicht magnetische, bevorzugt nicht leitende Zwischenwand als gesondertes Bauteil zu dem Gehäuse statisch dichtend an dem Gehäuse angebracht ist und eine ansonsten offene Öffnung des Gehäuses an dieser Stelle hermetisch verschließt.
Besonders zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Anordnung, wenn rotierende Anteile des Antriebes und des
Strömungsmaschinenteils einen gemeinsamen Rotor aufweisen, welcher Rotor bevorzugt zwischen dem Antrieb und dem
Strömungsmaschinenteil eine starre Kupplung aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Antriebskette von der Fluidenergiemaschine auf die zweite Fluidenergiemaschine neben der Magnetkupplung ein Getriebe vorgesehen ist, welches die Drehzahl des Rotors der Fluidenergiemaschine auf die Drehzahl der zweiten
Fluidenergiemaschine über- oder untersetzt.
Sinnvoll ist ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels in der Kühlung, so dass kein Medienaustausch mit der Umgebung erforderlich ist. Insbesondere im Zusammenhang mit einem elektrischen Antrieb ist es sinnvoll, wenn die Kühlung als Kühlung für den Stator eines Elektromotors ausgebildet ist. Etwaige Wärmequellen in dem Rotor des Antriebes können hierbei zweckmäßig von dem mittels der Fluidenergiemaschine geförderten Prozessfluid gekühlt werden. So ist es
beispielsweise sinnvoll, wenn ein Spalt zwischen dem
Motorrotor und dem Motorstator von dem Prozessfluid
durchflutet ist und so der Motorrotor gekühlt wird.
Gleichfalls ist es zweckmäßig, wenn Lager zur Lagerung des Rotors, die bevorzugt als Magnetlager ausgebildet sind, mittels des zu fördernden Prozessfluids gekühlt werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen
Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Neben dem speziellen Ausführungsbeispiel ergeben sich für den Fachmann insbesondere aus beliebiger Kombination der Unteransprüche mit dem Hauptanspruch weitere
Möglichkeiten der Umsetzung der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung der eingangs definierten Art gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Fluidenergiemaschine gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung im Längsschnitt.
Figur 1 zeigt eine konventionelle Fluidenergiemaschine FEM umfassend einen Strömungsmaschinenteil AEP und einen Antrieb DRV untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse CAS. Das gemeinsame Gehäuse CAS ist hermetisch dicht zur Umgebung SUR Der Strömungsmaschinenteil AEP und der Antrieb DRV befinden sich auf einen gemeinsamen Rotor R, welcher Rotor in zwei Lagern BEA gelagert ist, wobei das auf der Seite des Antrieb DRV befindliche Lager BEA sowohl radial als auch axial führt Der gemeinsame Rotor R erstreckt sich entlang einer
Maschinenachse X. Die Strömungsmaschine AEP ist mit
Laufrädern IMP versehen, welche als axial ansaugende und radial ausgebende Laufräder IMP eines Zentrifugalverdichters ausgebildet sind.
Der Antrieb DRV ist als Elektromotor ausgebildet und weist einen Rotoranteil ROT und einen Statoranteil STAT auf. Der Rotoranteil ROT wird von einem Prozessfluid PF gekühlt, welches in den Strömungsmaschinenanteil AEP durch einen
Einlass IN eintritt und verdichtet den
Strömungsmaschinenanteil AEP durch einen Auslass EX verlässt Ein Teil des Prozessfluids PF umspült auch den Rotoranteil ROT des Antriebes DRV und die Lager BEA, die als
elektromagnetische Lager ausgebildet sind. Dies ist in den Figuren nur angedeutet.
Während der Rotoranteil ROT des Antriebes DRV mittels des Prozessfluids PF hinreichend gekühlt ist, reicht eine
Umspülung von außen für eine Kühlung des Stators STAT nicht aus. Daher ist ein geschlossener Kühlkreislauf CYC einer Kühlung COO für den Stator STAT vorgesehen, in dem ein
Kühlmittel REF getrieben von einer zweiten
Fluidenergiemaschine PU zirkuliert. Die zweite
Fluidenergiemaschine PU ist von einem Motor M angetrieben.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine FEM, bei der ebenfalls der Stator STAT mittels einer Kühlung COO gekühlt wird. Die der Kühlung zugeordnete zweite
Fluidenergiemaschine PU ist entlang der Maschinenachse X in einer Flucht mit dem Rotor R angeordnet. Ein separates
Gehäuse CAS2 für die Kühlung COO ist an das Gehäuse CAS der Fluidenergiemaschine FEM angebracht. Eine Trennwand SEP zwischen dem Inneren des Gehäuses CAS der
Fluidenergiemaschine FEM und dem zweiten Gehäuse CAS2 der
Kühlung COO ist speziell ausgebildet für die Übertragung der Antriebsleistung für die Kühlung COO mittels einer
Magnetkupplung MCU von dem Rotor R der Fluidenergiemaschine FEM. Optional kann zwischen der zweiten Fluidenergiemaschine PU und der Magnetkupplung MCU ein Getriebe TRA (gestrichelt angedeutet) zur Über- oder Untersetzung der Drehzahl von dem Rotor R auf die zweite Fluidenergiemaschine PU vorgesehen sein .

Claims

Patentansprüche
Fluidenergiemaschine (FEM) umfassend mindestens einen
Strömungsmaschinenteil (AEP) und einen Antrieb (DRV) und ein gemeinsames Gehäuse (CAS), das den
Strömungsmaschinenteil (AEP) und den Antrieb (DRV) hermetisch dicht zur Umgebung (SUR) umgibt,
wobei mindestens ein Einlass (IN) und ein Auslass (EX) für ein Prozessfluid (PF) vorgesehen sind,
wobei mindestens ein Rotor (R) in dem Gehäuse (CAS) vorgesehen ist, an welchem rotierende Anteile des
Strömungsmaschinenteils (AEP) und/oder des
Antriebs (DRV) angeordnet sind,
wobei der Antrieb (DRV) einen Wärmetauscher (WT) einer Kühlung (COO) aufweist, in dem ein von einer zweiten Fluidenergiemaschine (PU) angetriebenes
Kühlmittel (REF) zirkuliert, welches den Antrieb (DRV) kühlt,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Rotor (R) und der zweiten
Fluidenergiemaschine ( PU) eine Magnetkupplung (MCU) vorgesehen ist, die eine Antriebsleistung von dem
Rotor (R) auf die zweite Fluidenergiemaschine (PU) überträgt .
Fluidenergiemaschine ( FEM) nach Anspruch 1,
wobei die rotierenden Anteile des
Strömungsmaschinenteils (AEP) und des Antriebs (DRV) Bestandteile eines gemeinsamen Rotors (R) sind.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetkupplung (MCU) die Antriebsleistung auf die zweite Fluidenergiemaschine (PU) mittels eines Getriebes (TRA) überträgt. Fluidenergiemaschme (FEM) nach einem der Ansprüche 1 2 oder 3,
wobei die Kühlung (COO) einen geschlossenen
Kreislauf (CYC) für das Kühlmittel (REF) aufweist.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Kühlung (COO) als Kühlung für einen
Stator (STAT) des als Elektromotor ausgebildeten Antriebes (DRV) ausgebildet ist.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Antrieb (DRV) zumindest teilweise von dem Prozessfluid umspült ist.
Fluidenergiemaschine (FEM) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Rotor (R) in Lagern (BEA) gelagert ist, die zumindest teilweise von dem Prozessfluid umspült sind
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