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EP2986829A1 - Vorrichtung sowie eine solche umfassendes antriebssystem, insbesondere für schiffe - Google Patents

Vorrichtung sowie eine solche umfassendes antriebssystem, insbesondere für schiffe

Info

Publication number
EP2986829A1
EP2986829A1 EP14726329.7A EP14726329A EP2986829A1 EP 2986829 A1 EP2986829 A1 EP 2986829A1 EP 14726329 A EP14726329 A EP 14726329A EP 2986829 A1 EP2986829 A1 EP 2986829A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ship
generator
electric motor
generator unit
network
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14726329.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ernst-Christoph Krackhardt
Dierk SCHRÖDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2986829A1 publication Critical patent/EP2986829A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/20—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being powered by combinations of different types of propulsion units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/02—Driving of auxiliaries from propulsion power plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/02—Adaptations for driving vehicles, e.g. locomotives
    • F01D15/04—Adaptations for driving vehicles, e.g. locomotives the vehicles being waterborne vessels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/12—Drives characterised by use of couplings or clutches therein
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/32—Waterborne vessels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system

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.
  • an exhaust gas turbo ⁇ which is operated by the hot exhaust gas flow of the engine, used in the compression process, its heating may additionally have a heating effect on the compression unit for the air and lead to further heating of the air to be compressed.
  • a Gasturbi ⁇ nenmaschine is described as prior art in which this effect occurs.
  • an exhaust gas flow from a combustion chamber drives a turbocharger or its turbine wheel.
  • the turbine wheel is on one end of a drive shaft mounted.
  • At the other end of the drive shaft is a compressor of a compressor mon ⁇ advantage that rotates with the drive shaft and is used to seal Ver ⁇ of air.
  • the compressed air is supplied to the combustion chamber for improved combustion of the fuel used.
  • GB 2477548 A describes a gas turbine engine in which the drive shaft for the turbine wheel and spaced therefrom a further drive shaft for the compressor wheel ⁇ are present and these drive shafts are thus thermally decoupled from each other.
  • the ⁇ been exaggerated from the turbine wheel drive shaft is connected to a generator, while the compressor driving further drive shaft is connected to an electric motor which is supplied by the generator with energy.
  • the stored energy can be used to further accelerate the compressor inde ⁇ pendent of the current turbine operation and to respond quickly to load changes.
  • the expenditure on apparatus for providing egg ⁇ ner decoupled device according to the GB 2477548 A is relatively large, as is the space required and the error rate or loss rate associated the device.
  • a device for operating ei ⁇ nes electrically assisted turbocharger for an internal combustion engine wherein the turbocharger has an exhaust gas turbine and a compressor, which are coupled together via a drive shaft, on which a first motor-generator unit is arranged directly, wherein further acting on the internal combustion engine second motor-generator unit is present and the stator windings of the first motor-generator unit and the second motor-generator unit are connected to each other, wherein the first motor-generator unit multi-stranded, multi-pole asynchronous and the second motor-generator unit ei ⁇ ne externally excited synchronous machine is whose exciter field in the stator in terms of its frequency and direction of rotation is controlled.
  • the problem is solved for the device by comprising:
  • a motor / generator unit which can be switched over from a motor operation into 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,
  • a compressor with a rotatable compressor wheel for compressing air the compressor wheel being mounted on the con Centrally to the rotor axis arranged drive shaft is mounted on ei ⁇ ner side of the rotor, and
  • a turbine which comprises a turbine wheel which can be driven by an exhaust gas flow and which is mounted on the drive shaft arranged concentrically to the rotor axis on a side of the rotor opposite the compressor wheel,
  • the compressor and the turbine are arranged by at least one decoupling assembly decoupled from each other, wherein at least two decoupling arrangements are provided, wherein a first decoupling arrangement of the Entkopplungsanord ⁇ voltages between the compressor and the electric motor / generator unit is disposed and a second Entkopp ⁇ lung arrangement between the turbine and the electric motor / generator unit is arranged.
  • Electric motor and generator are structurally combined in the device according to the invention in an electric motor / generator unit which is operable either in generator mode or in Mo ⁇ gate operation and wherein the change between the modes is possible quickly and easily.
  • Electric motor / generator unit forms a structural From ⁇ limitation between the turbine and the compressor. So these are indeed connected via the continuous drive shaft directly space and resource-saving, but acts with regard to the heat conduction through the drive shaft the
  • Electric motor / generator unit as a heat insulator between the hot turbine and the lowest possible temperature to be operated compressor.
  • turbine and compressor are largely thermally decoupled operable.
  • the at least one decoupling arrangement causes a Tren ⁇ voltage of the functional areas of the turbine and compressor.
  • heat insulation from turbine to compressor is achieved and, if required, a gas-tight separation between turbine and compressor is also provided.
  • the second decoupling arrangement which is arranged between the turbine and the electric motor / generator unit
  • the first decoupling arrangement which lies between the denser and the electric motor - / generator unit is arranged, reliable overheating of the electric motor / generator unit can be avoided.
  • the fact that at least two decoupling arrangements are present, in particular the heat insulation between Turbi ⁇ ne and compressor is still improved.
  • the Ent ⁇ coupling is to be understood as a thermal decoupling, in particular egg ne means of the respective decoupling arrangement thermal decoupling is achieved.
  • the respective decoupling arrangement is designed to be cooled with a cooling medium, preferably water or oil, wherein the cooling medium of the respective decoupling arrangement can be supplied or discharged, for example via connections for media supply or removal.
  • the electric motor / generator unit is elec trically ⁇ connected to an inverter and the inverter is electrically connected to a transformer. This makes it possible to feed in generated electrical energy into a network, such as preferably a ship's network.
  • At least one cooling unit for cooling the electric motor / generator unit is present. Characterized the thermi ⁇ specific separation of the turbine and the compressor is performed in an ideal manner, and the temperature of the compressed air produced by taking advantage of said input as low as possible.
  • the electric motor / generator unit is preferably a high-temperature superconducting-based machine, wherein the at least one cooling unit is provided for cooling the machine.
  • a machine based on high-temperature superconductivity operates with high electrical efficiency and is usually distinguished by an electric motor / generator unit with a very low-mass rotor, which also has small spatial dimensions.
  • the use of such Rotor in a device according to the invention is in terms of the flywheel provided by this ideal because it can be particularly fast response to load changes.
  • the object of the invention relating to a drive system is achieved by the drive system comprising:
  • At least one combustion system for combustion of a fuel stream and a compressed air stream while generating an exhaust gas stream for feeding into the turbine ⁇ ne (s) of the at least one device according to the invention and for driving the respective compressor wheel,
  • a feed device for transferring a compressed air flow formed by means of the compressor wheel from the uncompressed air to at least one Verbrennungssys ⁇ tem.
  • Such a drive system has a compact design and extensive thermal separation between turbine and compressor. It is suitable for use in connection with a wide variety of combustion systems. In particular, can respond to load suspension and -abscibilen the combustion system very quickly, and by reac ⁇ tion times in the range of less than 1 ms discussion here. For problems with the turbine operation also can advertising countered a ge ⁇ aimed acceleration of the compressor wheel the so reduces a probability of failure of the compressor and thus a deterioration in the supply of the combustion system is closed with compressed air largely ⁇ .
  • the combustion system is in particular an internal combustion engine, preferably a diesel engine. In the lower engine speed range already compressed air can be provided and thus the emission behavior be improved.
  • the combustion system in particular ⁇ sondere forms part of a main or auxiliary engine.
  • a ship according to the invention comprising providing a OF INVENTION ⁇ dung according to drive system as well as an electric ship ⁇ web, wherein the electric motor / generator unit of the device at least one of the present invention with the ship network is connected in such a way that takes place into the ship network in the generator operation, a supply of energy and
  • a method for operating the drive system according to the invention comprises the following steps:
  • Compressor is driven ⁇ to form the compressed air flow ⁇ ;
  • Compressor system for dynamic improvement of the combustion system is preferably carried out a switchover from the gene ⁇ rator réelle in a motor operation, wherein the electric motor / generator unit electrical energy from the electric Power is supplied, wherein the drive shaft is accelerated, and wherein an increased amount of compressed air is ge ⁇ forms.
  • the switching of the electric motor / generator unit from a generator operation to a motor operation and vice versa can be done very quickly, so that can be responded to load changes particularly quickly and easily.
  • Figures 1 to 6 are intended to illustrate a device according to the invention, a drive system equipped therewith and the integration of such a drive system in a known Schiffsan ⁇ operating system by way of example.
  • 1 shows a device comprising a turbine and a compressor
  • FIG. 2 shows an operation of the device according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a drive system comprising a device according to
  • FIG. 6 shows a third schematized ship propulsion system
  • the electric motor / generator unit 200 comprises a stator 200a and a rotor 200b, which has a rotor rotational axis 200c, and a concentric with the rotor rotational axis
  • the compressor 400 includes a rotatable
  • Compressor 400a for the compression of air the
  • Compressor 400a on the concentric with the rotor axis 200c arranged drive shaft 300 on one side of the rotor
  • the turbine 500 comprises a drivable by a gas stream from ⁇ turbine 500a, which on on the concen ⁇ -located to the rotor axis 200c drive shaft 300 a is the compressor wheel mounted 400a opposite side of the Ro ⁇ gate 200b.
  • the compressor 400 and the turbine 500 are arranged here by two decoupling arrangements 600a, 600b from each other and thus also separated from the electric motor / generator unit 200. To simplify the illustration, neither electrical connections of the electric motor / generator unit 200 nor any other media feeds or discharges are shown here.
  • FIG 2 shows an operation of the device according to FIG 1.
  • Glei ⁇ che reference numerals indicate the same elements.
  • the turbine 500 is supplied with a hot exhaust gas flow 510, which drives the turbine wheel 500a, which is not shown in detail here (see FIG. 1), and thus also the drive shaft 300.
  • the compressor wheel 400a Simultaneously with the drive shaft 300, the compressor wheel 400a (see FIG. 1) is set in motion, and a compressed air stream 410 'is generated from the undimmed air 410 fed to the compressor 400. Due to the rotation of the drive shaft 300 and the ro tor is rotated 200b, and a voltage U indu ⁇ sheet in the stator 200a, which is tapped off via terminals 200d.
  • a cooling unit 130 which is furthermore provided here, supplies and cools the electric motor / generator unit 200 or its housing with coolant 130a.
  • the heated coolant 130b pass ⁇ leads and from the electric motor / generator unit 200 the absorbed heat again discharged example ⁇ way of a not shown here in detail heat exchanger.
  • the recooled coolant 130a is fed back to the electric motor / generator unit 200 for cooling in a cyclic process.
  • FIG. 3 shows a drive system 110 comprising a device 100 according to FIGS. 1 and 2.
  • the same reference numerals designate the same elements.
  • the drive system 110 has a main engine 2, which comprises a combustion system 800.
  • the combustion system 800 in particular a Dieselmo ⁇ tor is combined with a Brennstoffström 900, in particular from Diesel fuel, and a compressed air stream 410 'supplied, the compressor 400 provides and which is supplied via a merely schematically illustrated feed 412 the combustion system 800.
  • the combustion of fuel and oxygen from the compressed air takes place, forming a hot exhaust stream 510.
  • the hot exhaust stream 510 drives the turbine 500a of the turbine 500 and exits the turbine 500 as the exhaust stream 510 'with reduced energy content compared to the hot exhaust stream 510.
  • Uncompressed air 410 is supplied to the compressor via an air supply device 411, which is shown only schematically.
  • FIG. 4 shows an example of an application for a drive system according to the invention in the form of a highly schematic first
  • Marine propulsion system 1 with waste heat recovery e.g. for a big container ship. Based on a in the
  • the drive system of the first ship propulsion system 1 comprises a main engine 2 designed as a low-speed two-stroke diesel engine, which is connected via a propeller shaft 3 to a propeller 4 for propulsion of the ship.
  • An electric ship network 5 serves to supply electrical equipment and systems on board the ship. A distinction must be made here between critical consumers 6 whose disconnection leads to a blackout on board the ship and uncritical consumers 7 (eg hotel guest), which do not lead to a blackout. For reasons of clarity, only one single critical consumer 6 and one uncritical consumer 7 are shown in FIG. In practice, a larger number of such consumers 6, 7 are supplied from the ship's network 5 with electricity.
  • a plurality of generators 8 are provided, which are each driven by a faster than the main engine 2 running auxiliary machine 9.
  • the auxiliary machines 9 are usually high-speed four-stroke diesel engines with an output of, for example, up to 5 MW.
  • a generator 8 and a diesel engine 9 are combined to form a diesel generator unit 10.
  • the turbine 500 of a device 100 is the hot exhaust ⁇ stream 510, which flows from the not shown here in detail combustion system of the main engine 2, respectively.
  • the compressed air stream 410 'then provided by the compressor 400 is fed to the combustion system of the main engine 2 where it is burned together with the Brennstoffström 900 to the hot exhaust gas 510.
  • the electric motor / generator unit 200 is electrically connected via an inverter 51 'and a transformer 35' with the
  • the converter 51 ' is designed as a DC voltage DC link converter and consists of a motor-side converter 13' and a network-side converter 14 '.
  • an intermediate circuit capacitor feeds 52 'electrical energy into the ship network 5 a, such that the voltage and the frequency of the ship network 5 each predetermined limits not un ⁇ fallen short.
  • the time for switching over from engine operation to generator operation and the dimensioning of the intermediate circuit capacitor 52 'with regard to the energy which can be fed into the ship's network 5 during the time of the switchover are coordinated with one another for this purpose.
  • the STEU ⁇ tion and control of the electric motor / generator unit 200th via the inverter 51 'and the excitation converter 15' is carried out by the control and regulating system 16 ', which is preferential ⁇ executed in digital technology.
  • the power converter 13 ', the further power converters 14' and the excitation power converter 15 ' are hereby also independently controllable and controllable by the control and regulation system 16'.
  • the cooling unit 130 for the electric motor / generator unit 200 has not been shown here for a better overview.
  • a waste heat recovery system 20 converts residual heat of the main engine 2, which is provided via the lower-energy exhaust gas flow 510 ' emerging from the turbine 500, into electrical energy for the ship's network 5.
  • heat is transferred from the lower-energy exhaust gas stream 510 'via a heat exchanger 21 to a steam cycle, not shown, into which a steam turbine 22 is switched GE , which is coupled to a turbo-generator 23.
  • the electrical energy generated by the turbogenerator 23 is fed into the ship's network 5.
  • a software-controlled power management system 30 ensures the need-based provision of electrical energy for the various consumers 6, 7 and switches depending on the requirement and available power via switches 31, 32, 32 ', 33, 33' individual consumers 6, 7, Dieselge ⁇ nerator algorithms 10, the turbo-generator 23 and the electric motors gate / generator unit 200 to the ship network 5 increases or decreases.
  • the power management system 30 is connected via control lines 34, 34 'or other connections to the switches 31, 32, 32', 33 ', the diesel generator units 10, the control and regulation system 16' and a control and regulating system (not shown) Waste heat recovery system 20 verbun ⁇ the.
  • a communication connection 17 between a not shown control and regulation system of the main engine 2 and the control and regulating system 16 ' is present to fast load changes, for example, at an Austau- chen of the propeller 4 out of the water to report as quickly and efficiently to the control system 16 '.
  • the primary objective in the operation of the ship propulsion system 1 is to feed the entire electrical energy available from the device 100 and the waste heat recovery system 20 into the ship's network 5.
  • the power management system 30 relieves the diesel generator sets 10 and, if possible, even shuts them off.
  • the fuel and operating costs and Emissio ⁇ nen the diesel generator sets 10 can be significantly reduced.
  • the electric motor / generator unit 200 is so ⁇ well regulated in the engine operation and in the generator operation ⁇ torque and thus regulated proportionally to the recorded or till ⁇ give electrical power.
  • At high load requirements to the main engine is the
  • Electric motor / generator unit 200 operated in engine operation and fed electrical energy from the ship's network 5 to the drive shaft 300 (see FIG 1) continue to accel ⁇ nigen and thereby provide the short-term required large amount of compressed air as quickly as possible.
  • 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 propulsion system of the marine propulsion system 1 comprises a main engine designed as a low-speed two-stroke diesel engine. machine 2, which is connected via a propeller shaft 3 with a ship propeller 4 for driving the ship.
  • An electrical ship's network 5 also serves to supply energy to electrical devices and systems on board the ship.
  • uncritical consumer 7 eg hotel guest
  • FIG 5 For reasons of clarity in FIG 5 is only a single kri ⁇ genetic load 6 and a single non-critical consumer 7 is shown. In practice, a larger number of such consumers 6, 7 are supplied from the ship's network 5 with electricity.
  • a plurality of generators 8 are provided, which are each driven by a faster than the main engine 2 running auxiliary machine 9.
  • the auxiliary machines 9 are usually high-speed four-stroke diesel engines with an output of, for example, up to 5 MW.
  • a generator 8 and a diesel engine 9 are combined to form a diesel generator unit 10.
  • a wave generator / motor 11 is mechanically coupled to the propeller shaft 3 and electrically connected to the marine network 5 via an inverter 51 and a transformer 35.
  • the converter 51 is designed as a DC-DC converter and consists of a motor-side
  • an intermediate circuit capacitor 52 feeds electric energy into the ship network 5 a, such that the voltage and the frequency of the ship network 5 each predetermined limits not un ⁇ fallen short.
  • the time for switching over from motor operation to generator operation and the dimensioning of the intermediate circuit capacitor 52 with respect to the time Circuit in the ship's network 5 feedable energy are matched to each other.
  • the shaft motor / generator 11 is designed as a low-speed synchronous machine and preferably acts directly on the propeller shaft 3 without an intermediate gearbox.
  • the shaft motor / generator 11 can also be coupled via a gearbox to the propeller shaft 3 or to the crankshaft of the main engine 2 coupled, at the end, which is spaced from the propeller shaft 3.
  • the excitation current I E for the wave generator / motor 11 is also obtained from the ship's network 5 and controlled and regulated by a field converter 15.
  • the wave generator / motor 11 can be operated either as a motor or as a generator.
  • the engine operating electrical power from the ship's network 5 into mechanical energy for turning on is then ⁇ driving the ship's propeller 4 converted.
  • Power reserves in the ship's network 5 can thus be used to increase the driving power of the ship, which either increases the ship's speed or the main engine 2 can be relieved at constant ship speed.
  • the generator mode of the mechanical energy Pro ⁇ pellerwelle 3 is converted into electrical energy for the ship network. 5
  • power reserves of the main engine 2 for generating energy for the ship's network 5 can be used.
  • the rated power of the shaft motor / generator 11 is preferably at least 5% of the rated power of the main engine 2.
  • 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 regulating system 16 detects the speed of the shaft generator / motor, the motor voltage, motor frequency, intermediate circuit current, mains voltage and mains frequency via measuring devices not shown in any more detail.
  • the turbine 500 of a device 100 becomes the hot exhaust gas flow 510, which is not shown in detail here
  • Combustion system of the main engine 2 flows, fed.
  • the compressed air stream 410 'then provided by the compressor 400 is fed to the combustion system of the main engine 2 where it is burned together with the fuel stream 900 to the hot exhaust gas.
  • the electric motor / generator unit 200 is electrically connected to the ship's network 5 via a further converter 51 'and a further transformer 35'.
  • the excitation current I E 'for the electric motor / generator unit 200 is likewise obtained from the ship's network 5 and controlled and regulated by means of a further exciter power converter 15'.
  • the control and regulation of the electric motor / generator unit 200 via the further converter 51 'and the further excitation converter 15' is effected by a further control and regulation system 16 '.
  • the further converter 51 ' is designed like the converter 51 and comprises further power converters 13', 14 '.
  • the further power converter 13 ', the further power converter 14' and the further excitation power converter 15 ' are hereby also independently controllable and controllable by the control and regulation system 16'.
  • a communication link 17 between a non-illustrated control and regulation system of the main engine 2 and the control and regulating system 16 ' is present to fast load changes, for example, when a dive of the Propellers 4 out of the water to report as quickly and efficiently to the control system 16 '.
  • Another communication line 17 ' connects the two control systems 16, 16', to allow a direct and efficient mutual intervention here.
  • the cooling unit 130 for the electric motor / generator unit 200 has also not been shown here for a better overview.
  • a waste heat recovery system 20 converts residual heat of the main engine 2, which is provided via the lower-energy exhaust gas flow 510 ' emerging from the turbine 500, into electrical energy for the ship's network 5.
  • heat is transferred from the lower-energy exhaust gas stream 510 'via a heat exchanger 21 to a steam cycle, not shown, into which a steam turbine 22 is switched GE , which is coupled to a turbo-generator 23.
  • the electrical energy generated by the turbogenerator 23 is fed into the ship's network 5.
  • a software-controlled power management system 30 ensures the need-based provision of electrical energy for the various consumers 6, 7 and switches depending on the requirement and available power via switches 31, 32, 32 ', 33, 33' individual consumers 6, 7, Dieselge ⁇ nerator algorithms 10, the turbo-generator 23, the wave generator / motor 11 or the motor / generator unit 200 to the ship network 5 increases or decreases.
  • the power management system 30 is for this purpose via control lines 34, 34 'or other connections to the switches 31, 32, 32', 33, 33 ', the diesel generator sets 10, the control and regulation system 16, the control and regulating system 16' and a non-illustrated control system of the waste heat recovery system 20 connected.
  • the primary objective in the operation of the marine propulsion system 1 is to remove all of the device 100 and the waste heat regeneration system 20 to supply available electrical energy in the ship's network 5.
  • the power management system 30 relieves the diesel generator sets 10 and, if possible, even shuts them off.
  • the fuel and operating costs and Emissio ⁇ nen the diesel generator sets 10 can be significantly reduced. If the electric motor / generator unit 200 and / or the waste heat recovery system 20 generates even more energy than is required for the electric ship consumers 6, 7, then with this energy surplus the wave generator / motor 11 is operated during engine operation and thus an additional driving force given the propeller shaft 3. In this case, only the Be ⁇ drive motor / Generatorein- standardize 200 and / or the exhaust heat recovery system thus feeds 20 electrical energy into the ship network; the diesel generator sets 10 are switched off, however.
  • the wave generator / motor 11 is switched from engine operation to generator operation within less than 1 second after failure signaling.
  • the energy requirement of the ship's network 5 is stored in the intermediate circuit capacitor 52, 52 '
  • 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 .
  • control and regulating system 16 transmits the wave generator / motor 11 via the converter 51 and the power converter 15 or the control and regulating system 16 'via the electric motor / generator unit 200 Inverter 51 'and the power converter 15' in motor operation and generator operation controls with the same control mode. Impulsabscigenen the transition from engine operation to generator operation and the associated delays, as would be necessary for different types of control for engine and generator operation can be avoided.
  • 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.
  • the electric motor / generator unit 200 is operated in engine operation and electrical energy from the ship's network 5 fed to the drive shaft 300 (see FIG 1) continue to accel ⁇ nigen and thereby the short-term required large amount of compressed air as possible to provide quickly.
  • FIG. 6 shows a further example of use for a drive system according to the invention in the form of a highly schematic third ship propulsion system 1 '' with waste heat recovery, e.g. for a big container ship.
  • a drive system 100 according to FIG 3 is integrated.
  • the same reference numerals as in FIGS. 1 to 5 designate the same elements.
  • the drive system of the ship's drive system 1 '' has a designed as a slow running two-stroke diesel engine main engine 2, which has a ship propeller ⁇ 4 via a propeller shaft 3 for propulsion of the ship.
  • An electric ship network 5 serves to supply electrical equipment and systems on board the ship.
  • critical consumers 6 whose shutdown leads to a blackout aboard the ship and uncritical consumers 7 (for example hotel guest), which do not lead to a blackout.
  • uncritical consumers 7 for example hotel guest
  • FIG. 1 In practice, in each case a larger number of such consumers 6, 7 are supplied with electricity from the ship's network 5.
  • a plurality of generators 8 are provided, which are each driven by a faster than the main engine 2 running auxiliary machine 9.
  • the auxiliary machines 9 are usually high-speed four-stroke diesel engines with an output of, for example, up to 5 MW.
  • a generator 8 and a diesel engine 9 are combined to form a diesel generator unit 10.
  • a wave generator / motor 11 is mechanically coupled to the propeller shaft 3 and electrically connected to the marine network 5 via an inverter 51 and a transformer 35.
  • the converter 51 is designed as a DC-DC converter and consists of a motor-side
  • the shaft motor / generator 11 is designed as a slow-running synchronous machine and preferably acts directly without intervening transmission on the propeller shaft 3.
  • the shaft motor / generator 11 can also be coupled via a gearbox to the propeller shaft 3 or coupled to the crankshaft of the main engine 2 , at the end, which is spaced from the propeller shaft 3.
  • the exciter current I E for the wave generator / motor 11 is likewise obtained from the ship's network 5 and controlled and regulated by means of an exciter current converter 15.
  • the shaft generator / motor 11 can be operated either as a motor or as a generator.
  • the engine operating electrical power from the ship's network 5 into mechanical energy for turning on is then ⁇ driving the ship's propeller 4 converted.
  • Power reserves in the ship's network 5 can thus be used to increase the propulsion power of the ship, which either increases the ship's speed or at the same time
  • the main engine 2 can be relieved.
  • the generator mode of the mechanical energy Pro ⁇ pellerwelle 3 is converted into electrical energy for the ship network. 5
  • power reserves of the main machine 2 can be used to generate energy for the ship's network 5.
  • the rated power of the wave motor / generator 11 is for this purpose at least 5% of the rated power of the main engine 2.
  • the control and regulation of the wave generator / motor via the inverter 51 and an excitation power converter 15 is effected by a common, preferably be in digital technology ⁇ Convicted , Control system 16.
  • the power converter 13, the Converter 14 and the excitation converter 15 are hereby independently controllable and controllable by the control and regulation system 16.
  • control and regulating system 16 detects the rotational speed of the shaft generator / motor, the motor voltage, motor frequency, intermediate circuit current, mains voltage and mains frequency via measuring devices not shown in greater detail.
  • the turbine 500 of a device 100 is the hot exhaust ⁇ stream 510, which flows from the not shown here in detail combustion system of the main engine 2, respectively.
  • the compressed air stream 410 'then provided by the compressor 400 is fed to the combustion system of the main engine 2 where it is burned together with the fuel stream 900 to the hot exhaust gas.
  • the electric motor / generator unit 200 is electrically connected to the ship's network 5 via a further converter 51 'and a further transformer 35'.
  • the excitation current I E 'for the electric motor / generator unit 200 is likewise obtained from the ship's network 5 and controlled and regulated by means of a further exciter power converter 15'.
  • Additional inverters 51 ' is like the inverter 51 is formed and comprises further power converter 13 'Power converter 14'.
  • the further power converter 13 ', the further power converter 14' and the further exciter power converter 15 ' are also controlled and regulated independently by the control and regulation system 16.
  • the cooling unit 130 for the electric motor / generator unit 200 has not been shown here for a better overview.
  • a waste heat recovery system 20 converts residual heat of the main engine 2, which exceeds the lower energy, from the turbine 500 escaping exhaust stream 510 'purelyge ⁇ is, in electrical energy for the ship's network 5 to.
  • heat is transferred from the lower-energy exhaust gas stream 510 'via a heat exchanger 21 to a steam cycle, not shown, into which a steam turbine 22 is switched GE , which is coupled to a turbo-generator 23.
  • the electrical energy generated by the turbogenerator 23 is fed into the ship's network 5.
  • a software-controlled power management system 30 ensures the need-based provision of electrical energy for the various consumers 6, 7 and switches depending on the requirement and available power via switches 31, 32, 32 ', 33, 33' individual consumers 6, 7, Diesel generator sets 10, the turbogenerator 23, the wave generator / motor 11 or the electric motor / generator unit 200 to the ship's network 5 to or from.
  • the power management system 30 is for this purpose via control lines 34 or other communication links with the switches 31, 32, 32 ', 33, 33', the diesel generator sets 10, the control and regulation system 16 and a non-illustrated control and regulating system of the Waste heat recovery system 20 connected.
  • the primary objective in the operation of the ship propulsion system 1 is to feed the entire electrical energy available from the device 100 and the waste heat recovery system 20 into the ship's network 5.
  • the power management system 30 relieves the diesel generator sets 10 and, if possible, even shuts them off.
  • the fuel and operating costs and Emissio ⁇ nen the diesel generator sets 10 can be significantly reduced. If the electric motor / generator unit 200 and / or the waste heat recovery system 20 generates even more energy than is needed for the electric ship consumers 6, 7, then with this energy surplus the wave generator / motor will become 11 operated in engine operation and thus given an additional driving force ⁇ on the propeller shaft 3. In this case, only the Be ⁇ drive motor / Generatorein- standardize 200 and / or the exhaust heat recovery system 20 thus feeds electric energy into the ship network see a; the diesel generator sets 10 are switched off, however.
  • the wave generator / motor is switched from motor operation to generator operation within less than 1 second of fault signaling.
  • the energy requirement of the ship's network 5 is fed from the energy stored in the intermediate circuit capacitor 52, 52 '. This takes a short time the Energyver ⁇ supply to the critical load 6 and feeds this energy into the ship network 5, and such that tensioning ⁇ voltage and frequency of the ship network 5 does not fall below a specified differently in each case surrounded limit.
  • the limits are chosen so that a safety shutdown of the critical ship consumers 6, which leads to a blackout of the
  • control and regulating system 16 has a signal input, which is connected via the line connection 36, ie, by a "hard” wiring, directly to a signal generator of the electric motor / generator unit 200 and the waste heat recovery system 20 for a noise release.
  • 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 gate unit / generation 200 and / or the turbo-generator 23 network from the ship 5 to separate.
  • GTOs, IGBTs or IGCTs can be used to control both the turn-on and turn-off times.
  • control and regulation system 16 transmits the wave generator / motor 11 via the converter 51 and the power converter 15 or the electric motor / generator unit 200 via the converter 51 'and the inverter Converter 15 'in motor mode and generator mode with the same control mode.
  • 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.
  • 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.
  • the main engine is the
  • Electric motor / generator unit 200 operated in engine operation and fed electrical energy from the ship's network 5 to the drive shaft 300 (see FIG 1) continue to accel ⁇ nigen and thereby provide the short-term required large amount of compressed air as quickly as possible.
  • a device 100 could not only, as shown in Figu ⁇ ren 4 to 6, the exhaust gas stream of the main engine ver ⁇ values. 2
  • the exhaust gas flows of the auxiliary machines 9 can - individually or in summary - at least one other
  • Device 100 are supplied to provide in the generator mode of the respective electric motor / generator unit electrical energy that can be fed into the ship's network 5, or to react to load changes on the auxiliary machinery 9 in engine operation and required by an auxiliary machine 9 amount of compressed Provide air at short notice.
  • a DC intermediate circuit can also be used, as shown in an embodiment according to DE 10 2006 020 144 A1.

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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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