DE102012022131A1

DE102012022131A1 - Geared turbine machine

Info

Publication number: DE102012022131A1
Application number: DE102012022131.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Wiedemann; Heiko Neuberger; Jan-Niklas Bleyl
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: Voith Patent GmbH; MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-15
Also published as: CN103806957A; JP2014098390A; JP6309247B2

Abstract

Getriebeturbomaschine, die über ein integriertes Getriebe An- und/oder Abtriebsaggregate zu einem Maschinenstrang integriert, wobei das integrierte Getriebe ein zentrales Großrad mit Großradwelle, mindestens zwei Ritzeln mit Ritzelwellen und ein Antriebsritzel mit einer Antriebswelle umfasst, wobei zwischen dem Großrad sowie dem ersten Ritzel das Antriebsritzel angeordnet ist, das sowohl in Eingriff mit dem Großrad als auch mit dem ersten Ritzel steht, wobei das Großrad mit dem zweiten Ritzel in Wirkverbindung steht, wobei die Großradwelle mit mindestens einem An- und/oder Abtriebsaggregat drehfest verbunden ist, wobei die Antriebswelle des Antriebsritzels drehfest mit mindestens einem Antriebsaggregat verbunden ist, wobei die Enden der Ritzelwellen jeweils drehfest mit mindestens einem An- und/oder Abtriebsaggregat verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Großrad derart mit dem zweiten Ritzel in Wirkverbindung steht, dass zwischen dem Großrad und dem Ritzel ein Zwischenrad mit Zwischenradwelle angeordnet ist, das sowohl mit dem Großrad als auch mit dem zweiten Ritzel in Eingriff steht.Geared turbomachine integrated via an integrated transmission input and / or output units to a machine train, the integrated transmission comprises a central large wheel with Großradwelle, at least two pinions with pinion shafts and a drive pinion with a drive shaft, wherein between the large gear and the first pinion Drive pinion is arranged, which is both in engagement with the large gear and with the first pinion, wherein the large gear is operatively connected to the second pinion, wherein the large gear shaft is rotatably connected to at least one input and / or output unit, wherein the drive shaft of Drive pinion rotatably connected to at least one drive unit, wherein the ends of the pinion shafts are each rotatably connected to at least one input and / or output unit, characterized in that the large gear is in operative connection with the second pinion, that between the large gear and the pinion an intermediate enrad with Zwischenradwelle is arranged, which is engaged with both the large gear and the second pinion.

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebeturbomaschine, die über ein integriertes Getriebe An- und/oder Abtriebsaggregate zu einem Maschinenstrang integriert, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.The invention relates to a geared turbomachine, which integrates input and / or output units to a machine train via an integrated transmission, having the features of the preamble of claim 1.

Getriebeturbomaschinen werden beispielsweise für die Luftzerlegung in den sogenannten PTA-Anlagen (PTA = Purified Terephthalic Acid) zur Herstellung von Terephthalsäure genutzt, wobei hierbei die komplette Getriebeturbomaschine als Strang ausgebildet ist und über das Getriebe Kompressoren, Expander, Dampfturbinen, Motoren und Generatoren miteinander prozesstechnisch zusammenwirken.Transmission turbo machines are used, for example, for the air separation in the so-called PTA plants (PTA = Purified Terephthalic Acid) for the production of terephthalic acid, in which case the complete gear turbomachine is formed as a strand and the transmission compressors, expanders, steam turbines, motors and generators together interact in terms of process technology ,

Bei den Kompressoren wird die Druckerhöhung des Fluids dadurch bewirkt, dass ein Drehimpuls des Fluids vom Eintritt in den Kompressor bis zu seinem Austritt durch ein rotierendes, sich radial erstreckendes und Schaufeln aufweisendes Laufrad des Kompressors erhöht wird. Druck und Temperatur des Fluids steigen in einer solchen Stufe des Kompressors an, während die relative Geschwindigkeit des strömenden Fluids am Laufrad sinkt. Um eine möglichst hohe Druckerhöhung des Fluids zu erreichen, können mehrere solcher Kompressorstufen hintereinander geschaltet werden. Kompressoren werden im Wesentlichen in radiale und axiale Kompressoren unterschieden, wobei bei einem Axialkompressor das zu komprimierende Fluid in Axialrichtung durch den Kompressor strömt und bei einem Radialkompressor das zu komprimierende Fluid zunächst axial in ein Laufrad der Kompressorstufe strömt und dann in Radialrichtung nach außen gelenkt wird. Bei mehrstufigen Radialkompressoren wird damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig. Kombinierte Bauarten von Axial- und Radialkompressoren saugen mit ihren Axialstufen große Volumenströme an, die in den anschließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden. Kommen mehrere Kompressoren in mehrstufigen Getriebeturbomaschinen zum Einsatz, stehen diese als Kompressorstufen über Ritzelwellen mit einem Großrad und optional mit einem zusätzlichen Antriebsritzel in Wirkverbindung.In the compressors, the pressure increase of the fluid is effected by increasing an angular momentum of the fluid from entering the compressor until it exits through a rotating impeller of the compressor which is radially extending and scooping. Pressure and temperature of the fluid increase in such a stage of the compressor, while the relative velocity of the flowing fluid at the impeller decreases. In order to achieve the highest possible pressure increase of the fluid, several such compressor stages can be connected in series. Compressors are essentially distinguished in radial and axial compressors, wherein in an axial compressor, the fluid to be compressed flows in the axial direction through the compressor and in a radial compressor, the fluid to be compressed initially flows axially into an impeller of the compressor stage and is then directed in the radial direction to the outside. With multi-stage centrifugal compressors, a flow diversion becomes necessary behind each stage. Combined types of axial and radial compressors suck with their axial stages large volume flows, which are compressed in the subsequent radial stages to high pressures. If several compressors are used in multi-stage geared turbomachinery, these are operatively connected as compressor stages via pinion shafts with a large gear and optionally with an additional drive pinion.

Wie die Kompressoren, so stehen auch die in Abhängigkeit des zu bedienenden Prozesses übrigen Aggregate der Getriebeturbomaschine mit dem Großrad in Wirkverbund. Beispielsweise kann ein Motor oder Generator direkt in Wirkverbindung mit dem Großrad stehen, so dass der Motor (Motor/Generator in Motorschaltung) zunächst den Antrieb der Getriebeturbomaschine übernehmen kann. Wenn infolge des ablaufenden Prozesses nach dem Start erst einmal Dampf erzeugt wird, dann treibt die Dampfmaschine als Antriebsaggregat die Getriebeturbomaschine über ein zusätzliches, mit dem Großrad in Eingriff stehendes, Antriebsritzel weiter an und der Motor kann, zur Stromerzeugung, von der Motorschaltung in die Generatorschaltung übergehen. Enthält die Getriebeturbomaschine zusätzlich auch einen mit dem Großrad in Wirkverbindung stehenden Expander, so kann der Expander nach in Gang kommen des Prozesses über vorhandenes (überschüssiges) Prozessgas angetrieben werden und ebenfalls zur Energieerzeugung beitragen. Fehlt der Expander und ist nur ein Generator (Motor/Generator in Generatorschaltung) installiert, dann gibt die Dampfturbine so viel Leistung ab, dass die Getriebeturbomaschine betrieben werden und die Zusatzleistung als elektrische Energie vom Generator ins Netz eingespeist werden kann.Like the compressors, so are the depending on the process to be used remaining units of the geared turbomachinery with the Großrad in operative combination. For example, a motor or generator can be directly in operative connection with the large wheel, so that the engine (motor / generator in motor circuit) can first take over the drive of the geared turbomachine. Once steam is generated as a result of the running process after startup, then the steam engine as a drive unit drives the geared turbomachine via an additional gear pinion meshing with the bull gear and the motor can be powered from the motor circuit to the generator circuit for power generation pass. If the geared turbomachine also has an expander connected to the large wheel, then the expander can be driven by existing process gas through the process and also contribute to the generation of energy. If the expander is missing and only one generator (generator-generator generator) is installed, the steam turbine delivers enough power to operate the geared turbomachine and the additional power can be fed as electrical energy from the generator into the grid.

In der EP 1 691 081 B1 ist eine mehrstufige Getriebeturbomaschine mit einem integrierten Getriebe und mit An- und/oder Abtriebsaggregaten wie vorhergehend beschrieben, dabei können die An- und Abtriebsaggregate Kompressoren, Dampfturbinen, Gasturbinen, Motoren, Generatoren und Expander sein. Besonders vorteilhaft ist hierbei einerseits die Anordnung dieser Aggregate in derselben horizontalen Ebene und andererseits wird durch das Vorhandensein eines Großrades mit Abtriebsritzeln sowie eines zusätzlichen Antriebsritzels die Integration einer Vielzahl von Möglichkeiten der einsetzbaren An- und Abtriebsaggregate ermöglicht. Der Antrieb und damit eine Leistungsübertragung vom Großrad auf die Ritzelwellen erfolgt durch ineinandergreifende Verzahnungen bei Großrad und Ritzelwellen. Über unterschiedliche Zähnezahlen der Verzahnungen bzw. unterschiedliche Teilkreisdurchmesser werden gewünschte Übersetzungen bzw. Übersetzungsverhältnisse (Leistungsstufen) in den einzelnen Getriebestufen realisiert. Demnach sind die einzelnen Ritzelwellen einerseits hinsichtlich ihrer Verzahnungsgeometrie und andererseits hinsichtlich der Mittenposition der Ritzelwellen zum Großrad untereinander gekoppelt.In the EP 1 691 081 B1 is a multi-stage geared turbomachinery with an integrated gearbox and with input and / or output units as previously described, while the input and output units compressors, steam turbines, gas turbines, motors, generators and expander can be. On the one hand, the arrangement of these units in the same horizontal plane is particularly advantageous, and on the other hand, the integration of a large number of possibilities of usable drive and driven units is made possible by the presence of a large gear with output pinions and an additional drive pinion. The drive and thus a power transmission from the large wheel to the pinion shafts is achieved by intermeshing teeth on the large gear and pinion shafts. About different numbers of teeth of the gears or different pitch diameter desired translations or ratios (power levels) in the individual gear stages are realized. Accordingly, the individual pinion shafts on the one hand with respect to their Verzahnungsgeometrie and on the other hand coupled with respect to the center position of the pinion shafts to the large wheel with each other.

Bei Anordnung von mehreren Ritzelwellen direkt oder indirekt über eine zusätzliche Antriebswelle um das Großrad muss ein Kompromiss aus idealen und realisierbaren Übersetzungsverhältnissen gefunden werden, dabei ist der zu Verfügung stehende und/oder realisierbare Bauraum eine maßgeblich bestimmende und/oder limitierende Größe. Besonders der außerhalb des Gehäuses der Getriebeturbomaschine benötigte Bauraum für die Gehäuseanbauten (strömungsführende Bauteile, wie beispielsweise die Spiralgehäuse der Kompressoren oder die Gehäuse der Expander, der Dampfturbine oder des Motor/Generators) der über die Ritzelwellen angebundenen An- oder Abtriebsaggregaten ist oft limitiert und begrenzt die kundenseitig geforderte Auslegung von immer leistungsfähigeren Getriebeturbomaschine deutlich.In the arrangement of multiple pinion shafts directly or indirectly via an additional drive shaft to the large gear a compromise must be found from ideal and realizable gear ratios, while the available and / or realizable space is a significant determinant and / or limiting size. In particular, the space required for installation outside the housing of the geared turbomachine (flow-guiding components, such as the volute casing of the compressors or the housing of the expander, the steam turbine or the motor / generator) of the input or output units connected via the pinion shafts is often limited and limited the customer required interpretation of increasingly powerful gear turbomachine clearly.

Der Herstellung der Wirkverbindung der Ritzelwellen mit dem Großrad über Verzahnungsgeometrie und Position der Ritzelwellen kommt somit bei Entwicklung, Auslegung, Konstruktion und Bau von Getriebeturbomaschinen eine zentrale Bedeutung zu. The production of the operative connection of the pinion shafts with the large gear on tooth geometry and position of the pinion shafts is thus of central importance in the development, design, construction and construction of geared turbomachinery.

Bisher konnten begrenzt leistungsfähigere Getriebeturbomaschinen oft noch über eine Vergrößerung des Großrades erreicht werden, so dass Bauraum für die Gehäuse der an das Getriebe angrenzenden An- oder Abtriebsaggregate geschaffen werden konnte. Einen gewissen Vorteil für die Auslegung von leistungsfähigeren Getriebeturbomaschinen bietet auch das in der EP 1 691 081 B1 beschriebene zusätzliche Antriebsrad, allerdings ist durch seine Funktion als Antriebsrad eine zwangsläufige Begrenzung hinsichtlich der möglichen Teilkreisdurchmesser gegeben. Wie auch das zum Antrieb genutzte Großrad, benötigt das zusätzliche Antriebsrad für seine Antriebsfunktion eine Mindestdrehzahl, und damit ist das Größenverhältnis zwischen Antriebsrad und Großrad definiert. Somit sind Grenzen hinsichtlich der maximal zulässigen Umfangsgeschwindigkeiten und nachgelagert auch in Bezug auf größere Durchmesser gesetzt.So far, limited-capacity geared turbomachinery could often be achieved by increasing the large wheel, so that space could be created for the housing of the adjacent to the transmission input or output units. A certain advantage for the design of more powerful gear turbomachines also offers in the EP 1 691 081 B1 described additional drive wheel, however, is given by its function as a driving wheel inevitable limitation in terms of the possible pitch circle diameter. Like the large wheel used for the drive, the additional drive wheel requires a minimum speed for its drive function, and thus the size ratio between drive wheel and large wheel is defined. Thus, limits are set with respect to the maximum permissible peripheral speeds and downstream with respect to larger diameter.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Getriebeturbomaschine mit integriertem Getriebe so zu gestalten, dass leistungsfähigere Getriebeturbomaschinen unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ermöglicht werden.The invention is therefore based on the object to make the generic gear turbomachine with integrated gear so that more powerful gear turbomachinery while avoiding the aforementioned disadvantages are made possible.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Getriebeturbomaschine mit integriertem Getriebe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved in a generic gear turbomachine with integrated gear according to the invention by the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Getriebeturbomaschine lässt sich ein Maschinenstrang aufbauen, der den Forderungen von bisher nicht für möglich bzw. notwendig gehaltenen aber zukünftig wohl immer leistungsfähigeren Maschinen (vorzugsweise höhere Volumenströme) nachkommt.With the aid of the geared turbomachine according to the invention, a machine train can be constructed that meets the requirements of previously not considered possible or necessary but in the future probably always more powerful machines (preferably higher volume flows).

Die erfindungsgemäße Getriebeturbomaschine umfasst, neben den bereits bekannten und mit dem Großrad in Wirkverbindung stehenden Ritzelwellen sowie dem zusätzlichen Antriebsritzeln, ein jetzt neues Zwischenrad, das zwischen Großrad und der bisher mit dem Großrad in direkter Wirkverbindung stehenden, in der gleichen horizontalen Ebene angeordneten Ritzelwelle angeordnet ist.The gear turbomachine according to the invention comprises, in addition to the already known and with the large gear operatively connected pinion shafts and the additional drive pinion, a new intermediate now, which is arranged between the large and the previously with the large gear in direct operative connection, arranged in the same horizontal plane pinion shaft ,

Die Erfindung beruht auf einer Abkehr der bisherigen Technologie im Bereich der Getriebeturbomaschinen, denn bisherige Anordnungen beinhalten das Prinzip, dass die sämtlich im Getriebe miteinander in Eingriff stehenden Bauteile (Großrad, Ritzelwellen, zusätzliches Antriebsrad) immer auch Funktionen für An- und Abtrieb sowie Anbindung an weitere angrenzende Maschinen zur Bedienung des geforderten Prozesses übernehmen müssen. Bisherige Überlegungen beruhten also darauf, dass zur Erfüllung der geforderten Leistungsmerkmale möglichst wenig Bauteile verwendet werden sollten und diese im Wesentlichen nur hinsichtlich Ihrer geometrischen Auslegung variieren sollten. Im Rahmen der Entwicklungstätigkeiten zur Realisierung noch leistungsfähigere Getriebeturbomaschinen hat sich durch eine Vielzahl von Berechnungen und Kostenbetrachtungen überraschenderweise herausgestellt, dass die zusätzliche Integration eines Zwischenrades im Getriebe, trotz vermehrter Bauteile eine deutliche Steigerung der zu realisierenden Leistungsfähigkeit gebracht hat und zusätzlich die vorhergehend sowie nachfolgend noch beschriebenen technischen Nachteile vermieden sowie auch zusätzlich noch weitere technische Vorteile bewirken kann.The invention is based on a departure from the previous technology in the field of gear turbomachines, because previous arrangements include the principle that all in the gear engaged with each other components (large gear, pinion shafts, additional drive wheel) always functions for input and output and connection to have to take over other adjacent machines to operate the required process. So far, considerations have been based on the fact that as few components as possible should be used to fulfill the required performance characteristics and that these should essentially vary only in terms of their geometric design. As part of the development activities for the realization of even more powerful gear turbomachinery has surprisingly been found by a variety of calculations and cost considerations that the additional integration of an intermediate gear in the transmission, despite increased components has brought a significant increase in the performance to be realized and in addition to those previously described below avoid technical disadvantages as well as additional technical advantages.

Zur Verdeutlichung der Anordnungen von Getriebeturbomaschinen aus dem Stand der Technik sind im Folgenden sämtliche Vorteile von Anordnungen mit Zwischenrad gegenüber denen ohne Zwischenrad zusammenfassend benannt und erläutert.To clarify the arrangements of gear turbomachines from the prior art, all the advantages of arrangements with an intermediate wheel compared to those without an intermediate are summarized and explained below.

Unter Berücksichtigung eines durch die Größe der vorliegenden Anbauteile (vorwiegend die An- und Abtrebsaggregate) vorgegebenen Mindestabstandes der Ritzelwellen zueinander, kann der Teilkreisdurchmesser vom Großrad und den Ritzeln durch das zusätzliche Zwischenrad sowie des Raumgewinns flexibel gewählt werden. Bisher sind die Teilkreisdurchmesser durch den vorgegebenen Mindestabstand und das festgelegte Übersetzungsverhältnis (Großrad zu den Ritzeln) vorgegeben.Taking into account a given by the size of the attached attachments (mainly the arrival and Abtrebsaggregate) predetermined minimum distance of the pinion shafts to each other, the pitch circle diameter of the large gear and the pinion through the additional intermediate and the space gain can be chosen flexibly. So far, the pitch circle diameter by the predetermined minimum distance and the specified gear ratio (large gear to the pinions) are given.

Bei einem Großrad mit unverändertem Teilkreisdurchmesser, gegenüber einer Anordnung ohne Zwischenrad und zusätzlichem Zwischenrad wird der zu Verfügung stehende Bauraum zur Anbringung der An- bzw. Abtriebsaggregate an das Gehäuse bzw. der Ritzel des Getriebes vergrößert.In a large wheel with unchanged pitch circle diameter, compared to an arrangement without idler and additional intermediate the available space for attaching the input or output units to the housing or the pinion of the transmission is increased.

Geringere Teilkreisdurchmesser des Großrades ermöglichen die Fertigung auf kleineren und heute bereits vorhandenen Fertigungsanlagen, so dass, trotz leistungsfähigeren Getriebeturbomaschinen keine neuen und kostenintensive Fertigungsanlagen sowie Fertigungstechniken geschaffen werden müssen.Smaller pitch diameters of the large wheel enable the production on smaller and already existing production facilities, so that, despite more powerful gear turbomachinery no new and expensive manufacturing equipment and manufacturing techniques must be created.

Der Einsatz eines verhältnismäßig kleineren Großrades und eines zusätzlichen Zwischenrades ist von den Gesamtkosten nicht kostenintensiver als nur ein größeres Großrad denn einerseits ist der Gesamtmaterialeinsatz im Getriebe mitunter geringer und andererseits ist auch die Belastung auf das Gehäuse bzw. das Fundament des Getriebes geringer sowie besser verteilt und somit können auch die Lagerungen aller Einzelkomponenten effizienter sowie ausgewogener ausgebildet werden.The use of a relatively smaller large wheel and an additional intermediate wheel is not costly of the total cost than just a larger bullet because on the one hand, the total material used in the transmission is sometimes lower and on the other hand, the burden on the housing or the foundation of the transmission is smaller and better distributed and thus the bearings of all individual components can be made more efficient and balanced.

Die Verwendung eines immer größeren Großrades bedingt auch bisher nicht gekannte Probleme in der Gesamtbauhöhe der Getriebeturbomaschine, gerade im Hinblick auf Transport und Montage bietet die neue Anordnung mit Zwischenrad deutliche Vorteile im Handling. Die zusätzliche Länge der Getriebeturbomaschine ist weniger problematisch, da einerseits die Aufstellungsorte im Wesentlichen nur hinsichtlich der Höhe an Ihre Grenzen stoßen und andererseits die Herabsetzung des Schwerpunkts der Getriebeturbomaschine den Transport, die Montage und somit auch die Sicherheit verbessert.The use of an ever larger large wheel also causes previously unknown problems in the overall height of the geared turbomachine, especially with regard to transport and installation offers the new arrangement with intermediate clear advantages in handling. The extra length of the geared turbomachinery is less problematic because on the one hand, the sites essentially only in terms of height to reach their limits and on the other hand, the reduction of the center of gravity of the geared turbomachine transport, assembly and thus also improves safety.

Bisherige Betrachtungen gingen davon aus, dass sich die mechanischen Getriebeverluste aufgrund des zusätzlichen Zwischenrades, anstelle eines größeren Großrades, signifikant vergrößern und daher der Gesamtwirkungsgrad der im Strang eingebundenen Getriebeturbomaschine deutlich geringer ist. Allerdings haben Untersuchungen im Rahmen der Generierung der vorliegenden Erfindung überraschenderweise ergeben, dass sich die Getriebeverluste bei Anordnungen mit Zwischenrad nicht wesentlich erhöht haben und dass in der Gesamtbetrachtung der Vorteile der erfinderischen Getriebeturbomaschine deren Nutzwert deutlich erhöht wurde.Previous considerations were based on the fact that the mechanical transmission losses due to the additional intermediate wheel, instead of a larger large wheel, significantly increase and therefore the overall efficiency of the integrated in the strand geared turbomachine is significantly lower. However, investigations in the context of the generation of the present invention have surprisingly revealed that the transmission losses have not increased significantly in arrangements with idler and that in the overall consideration of the advantages of the inventive geared turbomachinery whose utility has been significantly increased.

Durch die mögliche Anbindung des Großrades an einen Generator ist die Drehzahl des Großrades im Wesentlichen festgelegt, somit würde ein zu großes Großrad zu höheren und teils unzulässigen Teilkreisgeschwindigkeiten führen. Die ordnungsgemäße Schmierölversorgung und die zulässige Fliehkraftbelastung kann, im Gegensatz zu Anordnungen mit einem zusätzlichen Zwischenrad und einem kleineren Großrad, bei einem zu großen Großrad nicht zuverlässig gewährleistet werden.Due to the possible connection of the large wheel to a generator, the speed of the large wheel is essentially fixed, thus a large large wheel would lead to higher and partly impermissible Teilkreisgeschwindigkeiten. The proper supply of lubricating oil and the permissible centrifugal force load, in contrast to arrangements with an additional intermediate wheel and a smaller large wheel, can not be reliably guaranteed with a large large wheel.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.An embodiment of the invention is shown in the drawings.

1: Schematische Darstellung einer Getriebeturbomaschine mit Getriebe und An- und Abtriebsaggregaten 1 : Schematic representation of a gear turbomachinery with gearbox and input and output units

2: Getriebe einer Getriebeturbomaschine in perspektivischer Darstellung 2 : Transmission of a gear turbomachine in perspective

Die in 1 dargestellte Getriebeturbomaschine ist Teil einer chemischen Anlage zur Behandlung und Weiterverarbeitung von Gasen. Eine solche Getriebeturbomaschine (1) integriert über ein Getriebe (2) An- und/oder Abtriebsmaschinen (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9) zu einem Maschinenstrang, wobei einerseits als Antriebsaggregate Dampfturbinen, Gasturbinen, Expander sowie Motoren und als Abtriebsaggregate Kompressoren sowie Generatoren möglich sind.In the 1 shown gear turbomachine is part of a chemical plant for the treatment and processing of gases. Such a gear turbo machine ( 1 ) integrated via a transmission ( 2 ) Input and / or output machines (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9) to a machine train, on the one hand as drive units steam turbines, gas turbines, expanders and motors and as output units compressors and generators are possible.

Die einzelnen Aggregate sind miteinander gekoppelt und auf einem oder mehrere Grundrahmen, den in 2 exemplarisch dargestellten Maschinenfundamenten (4), montiert. Unterhalb der Maschinenfundamente (4) befinden sich die in den 1 und 2 nicht dargestellten Kühler, Kondensatoren und weitere für die Erfindung nicht relevante aber für den Betrieb des Maschinenstranges notwendige Apparate.The individual units are coupled together and on one or more base frames, the in 2 exemplified machine foundations ( 4 ), assembled. Below the machine foundations ( 4 ) are in the 1 and 2 not shown cooler, capacitors and other not relevant to the invention but necessary for the operation of the machine train apparatuses.

Je nach Anforderungsprofil des zu bedienenden Prozesses können zusammen oder alleine als Antriebsaggregate (A7, A8, A9) ein Motor (A7), eine Dampfturbine (A8) und ein Expander (A9) ausgebildet sein. Die Dampfturbine (A8) wird über die Antriebswelle (6), der Motor (A7) und der Expander (A9) werden über die Welle (13) des Großrades (9) der Getriebeturbomaschine (1) mit dem Getriebe (2) in Wirkverbindung gebracht.Depending on the requirement profile of the process to be operated, a motor (A7), a steam turbine (A8) and an expander (A9) may be formed together or alone as drive units (A7, A8, A9). The steam turbine (A8) is driven by the drive shaft ( 6 ), the motor (A7) and the expander (A9) are connected via the shaft ( 13 ) of the large wheel ( 9 ) of the geared turbomachine ( 1 ) with the gearbox ( 2 ) brought into operative connection.

Das Getriebe (2) der Getriebeturbomaschine (1) nach 2 umfasst ein Gehäuse (7), in dem ein Antriebsritzel (8), ein Großrad (9), ein Zwischenrad (18) und weitere Ritzel (10, 14, 15) angeordnet sind. Das Antriebsritzel (8) ist auf der Antriebswelle (6) befestigt, die in dem Gehäuse (7) der Getriebeturbomaschine (1) gelagert ist. Das Antriebsritzel (8) steht mit einem ersten Ritzel (10) in Eingriff, das auf einer ersten Ritzelwelle (11) drehfest befestigt ist. Die erste Ritzelwelle (11) ist an ihren Enden drehfest mit den Laufrädern, vorzugsweise von den Kompressorstufen I und VI, der An- und/oder Abtriebsaggregate (A1, A6) verbunden.The gear ( 2 ) of the geared turbomachine ( 1 ) to 2 includes a housing ( 7 ), in which a drive pinion ( 8th ), a large wheel ( 9 ), an intermediate wheel ( 18 ) and other pinions ( 10 . 14 . 15 ) are arranged. The drive pinion ( 8th ) is on the drive shaft ( 6 ) mounted in the housing ( 7 ) of the geared turbomachine ( 1 ) is stored. The drive pinion ( 8th ) stands with a first pinion ( 10 ) engaged on a first pinion shaft ( 11 ) is rotationally fixed. The first pinion shaft ( 11 ) is rotatably connected at its ends with the wheels, preferably of the compressor stages I and VI, the input and / or output units (A1, A6).

Das Antriebsritzel (8) steht auf der dem ersten Ritzel (10) abgewandten Seite mit dem Großrad (9) in Eingriff, das auf einer in dem Gehäuse (7) gelagerten Welle (13) drehfest befestigt ist. Die über das Antriebsritzel (8) eingeleitete Leistung des Antriebsaggregates (A8) wird gleichzeitig an das Großrad (9) und das zu den Kompressorstufen I und VI gehörende Ritzel (10) abgegeben.The drive pinion ( 8th ) stands on the first pinion ( 10 ) facing away from the large wheel ( 9 ) engaged on one in the housing ( 7 ) shaft ( 13 ) is rotationally fixed. The over the drive pinion ( 8th ) introduced power of the drive unit (A8) is simultaneously to the large wheel ( 9 ) and belonging to the compressor stages I and VI pinion ( 10 ).

Das Großrad (9) steht einerseits mit einem dritten Ritzel (15), das auf einer dritten in dem Gehäuse (7) gelagerten Ritzelwelle (17) drehfest befestigt ist, und andererseits mit dem Zwischenrad (18) in Eingriff. Das Zwischenrad (18) steht auf der dem Großrad (9) abgewandten Seite mit dem zweiten Ritzel (14) in Eingriff. Das zweite und dritte Ritzel (14, 15) ist jeweils auf einer zweiten und einer dritten in dem Gehäuse (7) gelagerten Ritzelwelle (16, 17) drehfest befestigt.The big wheel ( 9 ) is on the one hand with a third pinion ( 15 ) placed on a third in the housing ( 7 ) mounted pinion shaft ( 17 ) is secured against rotation, and on the other hand with the intermediate wheel ( 18 ) engaged. The intermediate wheel ( 18 ) stands on the big wheel ( 9 ) facing away from the second pinion ( 14 ) engaged. The second and third pinion ( 14 . 15 ) is in each case on a second and a third in the housing ( 7 ) mounted pinion shaft ( 16 . 17 ) rotatably attached.

Die zweite Ritzelwelle (16) trägt an ihren Enden die Laufräder der zweiten und dritten Kompressorstufen (II, III) und die dritte Ritzelwelle (17) trägt an ihren Enden die Laufräder der Kompressorstufen (IV, V). Alle Kompressorstufen sind im Ausführungsbeispiel auf den entsprechenden Ritzelwellen fliegend gelagert. The second pinion shaft ( 16 ) carries at its ends the impellers of the second and third compressor stages (II, III) and the third pinion shaft ( 17 ) carries at its ends the wheels of the compressor stages (IV, V). All compressor stages are mounted in the embodiment on the corresponding pinion shafts flying.

Die Antriebswelle (6), die erste Ritzelwelle (11), die Zwischenradwelle (19), die zweite Ritzelwelle (16) und die Welle (13) des Großrades (9) liegen in derselben horizontalen Ebene (3). Die dritte Ritzelwelle (17) liegt oberhalb dieser Ebene (3).The drive shaft ( 6 ), the first pinion shaft ( 11 ), the Zwischenradwelle ( 19 ), the second pinion shaft ( 16 ) and the wave ( 13 ) of the large wheel ( 9 ) lie in the same horizontal plane ( 3 ). The third pinion shaft ( 17 ) lies above this level ( 3 ).

In der Darstellung der 2 befindet sich in Bezug auf das Großrad (9) das Antriebsritzel (8) vorzugsweise in der 9-Uhr-Stellung, das zweite Ritzel (14) vorzugsweise in der 3-Uhr-Stellung und das dritte Ritzel (15) vorzugsweise in der 12-Uhr-Stellung. In Bezug auf das Antriebsritzel (8) befindet sich das erste Ritzel (10) vorzugsweise in der 9-Uhr-Stellung und das Großrad (9) vorzugsweise in der 3-Uhr-Stellung. Das Zwischenrad (18) befindet sich in Bezug auf das Großrad (9) vorzugsweise in der 9-Uhr-Stellung. In Bezug auf das Großrad (9) ist optional vorgesehen (nicht dargestellt), dass sich nicht nur ein Ritzel (15) vorzugsweise in der 12-Uhr-Stellung befindet, sondern dass sich das vorhandene Ritzel vorzugsweise in der 11:30-Uhr-Stellung und ein zusätzliches Ritzel vorzugsweise in der 13:30-Uhr-Stellung befindet.In the presentation of the 2 located in relation to the large wheel ( 9 ) the drive pinion ( 8th ) preferably in the 9 o'clock position, the second pinion ( 14 ) preferably in the 3 o'clock position and the third pinion ( 15 ) preferably in the 12 o'clock position. With regard to the drive pinion ( 8th ) is the first pinion ( 10 ) preferably in the 9 o'clock position and the large wheel ( 9 ) preferably in the 3 o'clock position. The intermediate wheel ( 18 ) is located in relation to the large wheel ( 9 ) preferably in the 9 o'clock position. In relation to the large wheel ( 9 ) is optionally provided (not shown) that not only a pinion ( 15 ) is preferably in the 12 o'clock position, but that the existing pinion is preferably in the 11:30 o'clock position and an additional pinion is preferably in the 13:30 o'clock position.

Das vorhergehend beschriebene Getriebe (2) gemäß 2 bildet die Basis für die gesamte Getriebeturbomaschine (1); dabei ist das Getriebe (2) das Kernstück eines im Wesentlichen aus An- und/oder Abtriebsaggregaten (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9) bestehenden Maschinenstrangs.The previously described transmission ( 2 ) according to 2 forms the basis for the entire geared turbomachine ( 1 ); while the gear is ( 2 ) the core of a substantially consisting of arrival and / or Abtriebsaggregaten (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9) machine train.

Im Ausführungsbeispiel umfasst das in den Maschinenstrang integrierte Getriebe (2) im Wesentlichen ein zentrales Großrad (9) mit einer Großradwelle (13), mehreren Ritzeln (10, 14, 15) mit Ritzelwellen (11, 16, 17) und ein Antriebsritzel (8) mit Antriebswelle (6) und ein Zwischenrad (18) mit Zwischenradwelle (19). Das Großrad (9) steht mit dem Ritzel (15) in Eingriff und das Ende der Ritzelwelle (17) steht drehfest mit einem Abtriebsaggregat (A4, A5) in Verbindung; vorzugsweise sind dies die Kompressoren (A4, A5) der Kompressorstufen IV und V. Ebenfalls steht das Großrad (9) einerseits mit dem Zwischenrad (18) und andererseits mit dem Antriebsritzel (8) in Eingriff, das über die Enden der Antriebswelle (6) drehfest mit einem Antriebsaggregat (A8) verbunden ist. Die Großradwelle (13) des Großrades (9) ist im Ausführungsbeispiel mit einem Motor bzw. Generator (A7) verbunden. Das Antriebsritzel (8) wiederum steht mit dem Ritzel (10) in Eingriff und die Enden der Ritzelwelle (11) stehen drehfest mit einem als Abtriebsaggregat dienenden Kompressor (A1) in Verbindung. Je nach Vorhandensein bzw. Anordnung der übrigen An- und/oder Abtriebsaggregate kann auch noch ein zusätzlicher Kompressor (A6) am anderen Ende der Ritzelwelle (11) angeordnet sein. Das Zwischenrad steht mit dem Ritzel (14) in Eingriff und das Ende der Ritzelwelle (16) steht drehfest mit einem Antriebsaggregat (A2, A3) in Verbindung; vorzugsweise sind dies die Kompressoren (A2, A3) der Kompressorstufen II und III.In the exemplary embodiment, the transmission integrated in the machine train ( 2 ) essentially a central large wheel ( 9 ) with a large wheel shaft ( 13 ), multiple pinions ( 10 . 14 . 15 ) with pinion shafts ( 11 . 16 . 17 ) and a drive pinion ( 8th ) with drive shaft ( 6 ) and an intermediate wheel ( 18 ) with Zwischenradwelle ( 19 ). The big wheel ( 9 ) stands with the pinion ( 15 ) and the end of the pinion shaft ( 17 ) is rotationally fixed with a driven unit (A4, A5) in conjunction; these are preferably the compressors (A4, A5) of the compressor stages IV and V. The large wheel ( 9 ) on the one hand with the intermediate wheel ( 18 ) and on the other hand with the drive pinion ( 8th ) engaged over the ends of the drive shaft ( 6 ) is rotatably connected to a drive unit (A8). The large wheel shaft ( 13 ) of the large wheel ( 9 ) is connected in the exemplary embodiment with a motor or generator (A7). The drive pinion ( 8th ) in turn stands with the pinion ( 10 ) and the ends of the pinion shaft ( 11 ) are rotationally fixed with a serving as a power take-off compressor (A1) in combination. Depending on the presence or arrangement of the other input and / or output units also an additional compressor (A6) at the other end of the pinion shaft ( 11 ) can be arranged. The idler stands with the pinion ( 14 ) and the end of the pinion shaft ( 16 ) is rotationally fixed with a drive unit (A2, A3) in conjunction; Preferably, these are the compressors (A2, A3) of the compressor stages II and III.

Zur optimalen Ausnutzung des erfinderischen Potentials zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Getriebeturbomaschinen (1) ist vorrangig vorgesehen, dass das Zwischenrad (18) ein sogenanntes Leerlaufrad ist und keine direkten Anbindungen an mögliche An- bzw. Abtriebsaggregate hat. Sofern es die Auslegung der Getriebeturbomaschine zulässt und sofern die eingangs erläuterten Nachteile nicht in Kauf genommen werden müssen, kann optional und technisch nachrangig ein An- bzw. Abtrieb am Zwischenrad vorgesehen sein.For optimum utilization of the inventive potential for increasing the efficiency of the geared turbomachinery ( 1 ), it is primarily provided that the intermediate wheel ( 18 ) is a so-called idler wheel and has no direct connections to possible input and output units. Insofar as the design of the geared turbomachine permits and insofar as the disadvantages explained at the beginning do not have to be accepted, it is optionally possible and technically subordinate to provide an input or output at the intermediate gear.

Zur Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Maschinenstrangs sind die an den Ritzelwellen (16, 17) angebrachten Abtriebsaggregate (A2, A3, A4, A5) als Kompressorstufen (II, III, IV, V) ausgebildet; als Antriebsaggregat (A8) steht eine Dampf- oder Gasturbine (A8) drehfest mit dem Antriebsritzel (8) in Wirkverbindung. Unter einer drehfesten Verbindung wird vorliegend sowohl eine lösbare Verbindung, die bespielsweise eine Keilwelle und/oder Schrauben umfassen kann, als auch eine unlösbare Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung oder eine integrale Ausbildung, beispielsweise als einstückiges Ur- und/oder Umformteil verstanden. Als Antriebsaggregat denkbar sind allerdings auch andere Turbokraftmaschinen sowie elektrische Antriebsmaschine oder Verbrennungsantriebsmaschinen.For the functionality of the machine string according to the invention are on the pinion shafts ( 16 . 17 ) mounted output units (A2, A3, A4, A5) as compressor stages (II, III, IV, V) formed; As drive unit (A8) is a steam or gas turbine (A8) rotatably with the drive pinion ( 8th ) in operative connection. Under a non-rotatable connection in the present case, both a detachable connection, the recordable example may include a splined shaft and / or screws, as well as a non-detachable connection, in particular a welded joint or an integral training, for example, understood as a one-piece master and / or forming part. As a drive unit conceivable, however, are also other turbocharged engines and electric drive or combustion engines.

Der Motor/Generator (A7) und der Expander (A9) stehen als Antriebsaggregat vorzugsweise über eine nicht dargestellte Getriebekupplung mit der Großradwelle (13) in Wirkverbindung und können je nach Art des zu bedienenden Prozesses in den Gesamtprozess des Maschinenstrangs integriert werden.The motor / generator (A7) and the expander (A9) are preferably as a drive unit via a gear coupling, not shown, with the Großradwelle ( 13 ) and can be integrated into the overall process of the machine train, depending on the type of process to be operated.

Die Getriebeturbomaschine (1) kann mit einer Turbokraftmaschine, beispielsweise einer Dampf- oder Gasturbine (A8), einer elektrischen Antriebsmaschine oder in Sonderfällen auch mit einer Verbrennungskraftmaschine als Antriebsaggregat gestartet werden. Der Motor (A7) (Motor/Generator (A7) in Motorschaltung) übernimmt dann den Antrieb des Maschinenstrangs ab der Synchrondrehzahl des Motors (A7). Der Expander (A9) gibt erst Leistung ab, wenn der Maschinenstrang sowie der zugehörige Prozess in Gang gekommen ist und das Abgas, der Abdampf oder ein anderes Prozessmedium aus dem Gesamtprozess den Expander (A9) antreibt. Der Expander (A9) kann auch mit Luft betrieben werden, die von einem der Kompressoren (A1, A2, A3, A4, A5, A6) der Getriebeturbomaschine (1) verdichtet wurde, so dass ein Teil der Energie zurück gewonnen werden kann.The gear turbo machine ( 1 ) can be started with a turbo engine, such as a steam or gas turbine (A8), an electric drive machine or in special cases with an internal combustion engine as a drive unit. The motor (A7) (motor / generator (A7) in motor circuit) then takes over the drive of the machine train from the synchronous speed of the motor (A7). The expander (A9) only delivers power when the machine train and the associated process has started and the exhaust gas, the exhaust steam or another process medium from the overall process drives the expander (A9). The expander (A9) can also be operated with air from one of the compressors (A1, A2, A3, A4, A5, A6) of the geared turbomachinery ( 1 ) so that some of the energy can be recovered.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: GetriebeturbomaschineGeared turbine machine
22: Getriebetransmission
33: horizontale Ebenehorizontal plane
44: Maschinenfundamentmachine foundation
66: Antriebswelledrive shaft
77: Gehäuse des GetriebeHousing of the transmission
88th: Antriebsritzelpinion
99: GroßradGroßrad
1010: erstes Ritzelfirst pinion
1111: erste Ritzelwellefirst pinion shaft
1313: GroßradwelleGroßradwelle
1414: zweites Ritzelsecond pinion
1515: drittes Ritzelthird pinion
1616: zweite Ritzelwellesecond pinion shaft
1717: dritte Ritzelwellethird pinion shaft
1818: Zwischenradidler
1919: Zwischenradwelleidler
2121: StrömungseintrittsbereichFlow inlet area
2222: ÜbergangsbereichTransition area
2323: Kanäle zur KühlungChannels for cooling
2424: Zwischenwandpartition
I bis VII to VI: Kompressorstufencompressor stages
A1–A9A1-A9: An- oder AbtriebsaggregateDrive or driven units
A1A1: Kompressor für Stufe ICompressor for stage I
A2A2: Kompressor für Stufe IICompressor for stage II
A3A3: Kompressor für Stufe IIICompressor for level III
A4A4: Kompressor für Stufe IVCompressor for level IV
A5A5: Kompressor für Stufe VCompressor for level V
A6A6: Kompressor für Stufe VICompressor for level VI
A7A7: Motor/GeneratorMotor / generator
A8A8: Turbokraftmaschine, Motor, Gasturbine, DampfturbineTurbocharged engine, engine, gas turbine, steam turbine
A9A9: Expanderexpander

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1691081 B1 [0005, 0008]

Claims

Gear Turbomachine ( 1 ), which have an integrated transmission ( 2 ) Input and / or output units (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9) integrated into a machine train, wherein the integrated transmission ( 2 ) a central large wheel ( 9 ) with large wheel shaft ( 13 ), at least two pinions ( 10 . 14 ) with pinion shafts ( 11 . 16 ) and a drive pinion ( 8th ) with a drive shaft ( 6 ), wherein between the large wheel ( 9 ) and the first pinion ( 10 ) the drive pinion ( 8th ) which is both in engagement with the large wheel ( 9 ) as well as with the first pinion ( 10 ), where the large wheel ( 9 ) with the second pinion ( 14 ) is in operative connection, wherein the Großradwelle ( 13 ) is rotatably connected to at least one input and / or output unit (A7, A9), wherein the drive shaft ( 6 ) of the drive pinion ( 8th ) is rotatably connected to at least one drive unit (A8), wherein the ends of the pinion shafts ( 11 . 16 ) are respectively non-rotatably connected to at least one input and / or output unit (A1, A2, A3, A6,), characterized in that the large gear ( 9 ) in such a way with the second pinion ( 14 ) is in operative connection that between the large wheel ( 9 ) and the pinion ( 14 ) an intermediate wheel ( 18 ) with Zwischenradwelle ( 19 ) arranged with both the large wheel ( 9 ) as well as with the second pinion ( 14 ) is engaged.

Gear Turbomachine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the drive shaft ( 6 ), the first pinion shaft ( 11 ), the Zwischenradwelle ( 19 ), the second pinion shaft ( 16 ) and the wave ( 13 ) of the large wheel ( 9 ) in the same horizontal plane ( 3 ) lie.

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ends of the Zwischenradwelle ( 19 ) are not connected to an input and / or output unit (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9).

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the large wheel ( 9 ) with at least one further drive pinion ( 15 ) with pinion shaft ( 17 ) is engaged, wherein the ends of the at least one pinion shaft ( 17 ) are rotatably connected to at least one input and / or output unit (A4, A5).

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the pinion shafts ( 11 . 16 . 17 ) attached input and / or output units (A1, A2, A3, A4, A5, A6) is an impeller of compressor stages (I, II, III, IV, V, VI).

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the pinion shafts ( 11 . 16 . 17 ) mounted drive and / or driven units (A1, A2, A3, A4, A5, A6) is an impeller of Expanderstufen (I, II, III, IV, V, VI).

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotationally fixed with the drive pinion ( 8th ) is a turbo-engine, an electric drive machine or a combustion drive machine.

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one with the Großradwelle ( 13 ) rotatably related input and / or output unit (A7) is a motor and / or generator (A7), which is formed in the motor circuit as a drive unit and in the generator circuit as a power take-off unit.

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one with the Großradwelle ( 13 ) non-rotatably connected input and / or output unit (A9) is an expander (A9).

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the with the Großradwelle ( 13 ) rotatably connected in and / or output drive units (A7, A9) are arranged in series, wherein for starting the geared turbomachinery ( 1 ) The motor / generator (A7) in motor circuit initially acts as a drive unit and wherein after starting in operation, the expander (A9) acts as a drive unit and the motor / generator (A7) acts as a power take-off generator unit.

Gear Turbomachine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the integrated transmission ( 2 ) and at least one of the input and / or output units (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9) via the housing ( 20 ) to a common machine foundation ( 4 ) are attached.