Pumpeneinheit

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschineneinheit, insbesondere eine Kompressoreinheit oder Pumpeneinheit, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff von Anspruch I .Die Fluidenergiemaschineneinheit ist in besonders bevorzugter Anwendung für den Einsatz unter Wasser konzipiert.

Eine Fluidenergiemaschineneinheit in Form einer Kompressoreinheit, insbesondere einer Unterwasser-Kompressoreinheit, welche bei der Verdichtung von Fluid das Prinzip der hydraulischen Überlagerung durch den gegenläufigen Antrieb zweier koaxial zueinander angeordneter Kompressorräder umsetzt, ist in der Druckschrift WO 2014/083055 A2 beschrieben. Mit einer derartigen Anordnung ist eine gute Durchmischung von während des Betriebes in unterschiedlichen Phasen vorliegendem Fluid unter Vermeidung der Nachteile von Grenzschichtenablösungen möglich. Die Unterwasser-Kompressoreinheit weist dazu zwei koaxial angeordnete Kompressorräder auf, welche über ein Antriebsmaschinensystem, das mechanisch mit den einzelnen Kompressorrädern gekoppelt ist, gegenläufig angetrieben werden. Das System bedingt zwei Antriebsmaschinen, welche als Elektromotoren ausgebildet sind sowie die diesen zugeordneten Steuersysteme. Die Elektromotoren sind in vertikaler Richtung übereinander angeordnet, wobei der vertikal obere Elektromotor mit seinem unteren Wellenende und der vertikal untere Elektromotor mit seinem oberen Wellenende jeweils wechselseitig mit Schaufelrädern gekoppelt sind. Zwischen den Schaufelrädern wird entsprechend der Addition der Drehgeschwindigkeiten der Elektromotoren eine Relativgeschwindigkeit erzeugt. Dabei besteht durch die Ansteuerung der beiden Elektromotoren durch jeweils diesen zugeordnete Frequenzumrichter die Möglichkeit, eine Vielzahl verschiedener Betriebspunkte am Kompressor einzustellen sowie eine bessere Durchmischung bei Vorliegen unterschiedlicher Phasen des zu verdichtenden Fluides zu erzielen und Grenzschichtablösungen zu vermeiden. Das Vorsehen separater Elektromotoren sowie die Anordnung und Ansteuerung der diesen zugeordneten Frequenzumrichter hat jedoch zur Folge, dass die eigentlich gewünschte Kompaktheit der Gesamteinheit nur schwer zu erreichen ist, sowie eine freie Einsteilbarkeit der Relativdrehzahl zwischen den Kompressorrädern durch den erforderlichen Betrieb und die komplexe Ansteuerung zweier Antriebsmaschinen relativ aufwendig ist

Andere Ausbildungen mit gegenläufig rotierenden Kompressorrädern und separaten Antriebsmaschinen sind beispielsweise aus DE 1628383 bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fluidenergiemaschineneinheit, insbesondere Kompressor- oder Pumpeneinheit der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die genannten Nachteile vermieden werden. Die Fluidenergiemaschineneinheit, insbesondere Kompressor - oder Pumpeneinheit soll dabei möglichst kompakt, einfach und robust ausgeführt sein und der steuerungstechnische Aufwand zur Gewährleistung einer optimalen Funktionalität sowie das Vorsehen des dazu erforderlichen Equipments möglichst gering gehalten werden. Bei Unterwasser- Kompressoreinheiten ist dabei der steuerungstechnische Aufwand zur Erzielung einer guten Durchmischung möglichst gering zu halten. Grenzschichtablösungen bei der Durchströmung sind zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist eine Fluidenergiemaschineneinheit, insbesondere Kompressor - oder Pumpeneinheit mit zumindest einer Fluidmaschine in Form eines Kompressors oder einer Pumpe mit zumindest zwei einzelnen Laufrädern oder Sätzen von jeweils miteinander gekoppelten Laufrädern (bei einer Kompressor - oder Pumpeneinheit mit zumindest zwei einzelnen Kompressor- oder Pumpenrädern oder Sätzen von jeweils miteinander gekoppelten Kompressor- oder Pumpenrädern) dadurch charakterisiert, dass lediglich eine Antriebsmaschine vorgesehen ist, die über zumindest zwei Leistungsstränge mit den jeweiligen Laufrädern bzw. Sätzen von Laufrädern verbunden ist, wobei zumindest einer der Leistungsstränge als variabler Leistungsstrang, d.h. Leistungsstrang mit variabel übertragbarem Leistungsanteil ausgeführt ist.

Unter einem Leistungsstrang wird im weitesten Sinne jegliche Art von Verbindung zum Übertragen von Leistung zwischen Antriebsmaschine und einem Laufrad oder einem Satz von Laufrädern verstanden. Dieser dient der Übertragung eines Leistungsanteils auf eines der Laufräder oder Satzes von Laufrädern. Der Begriff Leistungsstrang ist dabei nicht auf eine konkrete konstruktive Ausführung beschränkt sondern beschreibt als eine kraftübertragende Verbindung den Weg der Leistungsübertragung.

Unter einem Satz von Laufrädern können dabei insbesondere einzelne miteinander über eine drehfeste Verbindung verbundene Laufräder bzw. auf einer gemeinsamen Welle gelagerte oder über diese verbundene Laufräder verstanden werden. Ebenso kann ein Satz von Laufrädern auch von beabstandet zueinander angeordneten Anordnungen von Schaufelkränzen verstanden werden, die über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind.

Das einzelne Laufrad eines Kompressors oder einer Pumpe kann dabei aus einem Kranz von Schaufeln, Flügeln, Rotorblättern etc. bestehen, die an einer Welle befestigt sind bzw. mit einer Welle verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil einer einfachen und feinfühligen Einsteilbarkeit der hydraulischen, insbesondere hydrodynamischen Überlagerung an der Fluidenergiemaschine selbst bei gleichzeitig kompakter Bauweise. Dies wird durch zumindest einen variablen Leistungsstrang, vorzugsweise einen konstanten Leistungsstrang und einen variablen Leistungsstrang zur Verbindung zwischen Antriebsmaschine und Fluidmaschine erzielt, wobei die Leistungsanteile in der Fluidenergiemaschine bei Einwirkung auf das Fluid wieder zusammengeführt werden. Es ist dabei nur noch eine einzige Antriebsmaschine vorzusehen, deren Leistung über wenigstens zwei Leistungsstränge auf die einzelnen Laufräder oder Sätze von Laufrädern aufgeteilt wird. Gegenüber einer gattungsgemäßen Ausführung kann daher auf eine weitere Antriebsmaschine sowie zugehörige Frequenzumrichter verzichtet werden, was den steuerungstechnischen Aufwand erheblich vereinfacht.

Als Fluide sind Gase, Flüssigkeiten oder Gas-Flüssigkeitsgemische denkbar.

Unter einer Fluidenergiemaschine wird insbesondere eine Maschine verstanden, in der mechanische Arbeit mit einem Fluid ausgetauscht wird. Je nach Ausführung dieser übertragt die Fluidenergiemaschine die Arbeit also entweder von außen auf das Fluid oder entzieht dem Fluid Energie, die dann nach außen als mechanische Arbeit abgegeben wird. Dabei sind auch Fluidenergiemaschinen denkbar, die in verschiedenen Betriebsbereichen bei Vorliegen von Fluiden in unterschiedlichen Aggregatszuständen auch unterschiedliche Funktionen übernehmen, d.h. Gase verdichten, Gas-Flüssigkeitsgemische jedoch fördern.

Die erfindungsgemäße Lösung findet dabei vorzugsweise bei

Fluidenergiemaschineneinheiten Anwendung bei welchen die Fluidenergiemaschine als Kompressor oder Pumpe vorliegt.

Unter einer Fluidenergiemaschine in Form eines Kompressors wird insbesondere eine Maschine verstanden, welche einem Fluid, insbesondere Gas mechanische Arbeit zuführt, d.h. zum Komprimieren von Gasen verwendet werden. Sie erhöhen den Druck und die Dichte des Gases. Bei Ausbildung der

Fluidenergiemaschineneinheit als Kompressoreinheit umfasst diese zumindest einen Kompressor mit zumindest zwei, einzelne Laufräder ausbildenden Kompressorrädern oder Sätzen von jeweils miteinander gekoppelten Kompressorrädern. Ein Kompressorrad hat dabei zur Aufgabe ein Fluid zu komprimieren und so den Druck nach dem Rad anzuheben und das Fluid zu fördern. Bei Ausbildung der Fluidenergiemaschineneinheit als Kompressoreinheit, insbesondere für den Einsatz in Unterwasseranwendungen ist der zumindest eine Anschluss am Gehäuse als Anschluss zum Zuführen eines vom das Gehäuse umgebenden Fluid verschiedenen Fluides zum Kompressor ausgebildet. Derartige Ausführungen finden vor Allem Anwendung im Unterwasserbereich.

Bei Ausbildung der Fluidenergiemaschineneinheit als Kompressoreinheit ist die Antriebsmaschine mit den jeweiligen Eingangswellen von zumindest zwei separaten Kompressorrädern oder Sätzen von jeweils miteinander gekoppelten Kompressorrädern über jeweils einen Leistungsstrang verbunden, wobei in zumindest einem der Leistungsstränge eine Einrichtung zur Drehzahl- /Drehmomentwandlung vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst der Kompressor jeweils zwei Kompressorräder bzw. Sätze von Kompressorrädern, wobei jedes der Kompressorräder über einen Leistungsstrang mit der Antriebsmaschine verbunden ist. Dabei kann die Aufteilung der Leistung unmittelbar an der Antriebsmaschine oder aber auch an beliebiger Stelle zwischen Antriebsmaschine und Kompressor erfolgen.

Unter einem Kompressorrad wird insbesondere ein um eine Drehachse rotierbares und ein- oder mehrere Leitelemente für Fluid aufweisendes Bauteil verstanden. Ein Kompressorrad hat zur Aufgabe ein Medium zu komprimieren und so den Druck nach dem Rad anzuheben und das Fluid zu fördern.

Ist die Fluidenergiemaschineneinheit als Pumpeneinheit ausgebildet, weist diese zumindest zwei Pumpenräder oder Sätze von jeweils miteinander gekoppelten Pumpenrädern auf. Hauptfunktion der Pumpe ist das Fördern bzw. Transportieren von inkompressiblen Fluid, d.h. Flüssigkeiten.

Bei Ausführung der Antriebsmaschine als Elektromotor kann durch das Vorsehen einer Einrichtung zur Drehzahl-/Drehmomentwandlung in zumindest einem der Leistungsstränge auch vollständig auf den Einsatz von Frequenzumrichtern verzichtet werden und anstatt dessen auf robustere mechanische oder hydrodynamische Systeme für diesen Zweck zurückgegriffen werden. Dadurch kann eine besonders kompakte Bauweise der gesamten Fluidenergiemaschineneinheit realisiert werden, welche zudem zuverlässig, robust gegenüber Umgebungseinflüssen und kostengünstig herstellbar ist.

Die hydrodynamische Überlagerung kann je nach Ausführung der Fluidenergiemaschine auf unterschiedliche Art und Weise realisiert und umgesetzt werden.

Gemäß einer ersten besonders vorteilhaften Ausführung ist die Eingangswelle eines der zumindest zwei Laufräder oder eines Satzes von Laufrädern mit einer Antriebswelle der Antriebsmaschine unter Ausbildung des ersten Leistungsstranges verbunden. Die Eingangswelle eines anderen der zumindest zwei Laufräder oder Satzes der zumindest zwei Sätze von Laufrädern ist dann mit einer Antriebswelle der Antriebsmaschine unter Ausbildung eines zweiten Leistungsstranges verbunden. Die in einem dieser beiden Leistungsstränge angeordnete Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung ist dazu derart ausgebildet und angeordnet, die mit diesem Leistungsstrang gekoppelte Eingangswelle gegenläufig zur mit dem anderen Leistungsstrang gekoppelten Eingangswelle anzutreiben. Diese Ausführung erlaubt besonders hohe Relativgeschwindigkeiten. Insbesondere bei Ausbildung der Fluidenergiemaschine als Kompressor erlaubt diese besonders hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen den Kompressorrädern und dadurch entsprechende Strömungsverhältnisse zur optimalen Förderung des Fluides.

Gemäß einer zweiten Ausführung ist die in einem dieser beiden Leistungsstränge angeordnete Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung derart ausgebildet und angeordnet, die mit diesem Leistungsstrang gekoppelte Eingangswelle gleichläufig zur mit dem anderen Leistungsstrang gekoppelten Eingangswelle anzutreiben. Auch hier sind für entsprechende Anwendungen vorteilhafte Strömungsverhältnisse erzielbar. Bezüglich der Realisierung der Variabilität des übertragbaren Leistungsanteils in einem der beiden, die Antriebsmaschine mit den Eingangswellen der Laufräder oder den Eingangswellen der einzelnen Sätze von Laufrädern (Laufräder in Form von Kompressorrädern oder Pumpenrädern) verbindenden Leistungsstränge bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Der übertragbare Leistungsanteil kann gemäß einer ersten Ausbildung stufenweise oder gemäß einer zweiten besonders vorteilhaften Ausbildung stufenlos übertragen werden.

Im erstgenannten Fall ist die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung derart ausgebildet, die Drehzahl und/oder das Drehmoment stufenweise, d.h. in vordefinierten festen und wählbaren Übersetzungsstufen wandeln zu können, während im zweiten Fall die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung derart ausgebildet ist, die Drehzahl und/oder das Drehmoment stufenlos wandeln zu können. Die stufenlose Wandelbarkeit bietet den Vorteil einer sehr feinfühligen Einsteilbarkeit der über beide Leistungsstränge übertragbaren Leistungsanteile und je nach Auslegung der Laufräder (Kompressorräder oder Pumpenräder) der auf das Fluid einwirkenden resultierenden Kräfte.

In einer besonders vorteilhaften Bauform der Fluidenergiemaschineneinheit sind die Antriebsmaschine und die Fluidenergiemaschine koaxial zueinander angeordnet. Dabei können die beiden Leistungsstränge ebenfalls koaxial oder aber exzentrisch zu Antriebsmaschine und Fluidenergiemaschine angeordnet werden. Bei einer vorteilhaften Anwendung der Fluidenergiemaschineneinheit als Unterwasser-Kompressoreinheit sind die Antriebsmaschine und der Kompressor koaxial zueinander angeordnet.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildung sind die zumindest zwei Laufräder, bei Ausbildung als Kompressoreinheit die zumindest zwei Kompressorräder oder Sätze von miteinander gekoppelten Laufrädern bzw. Kompressorrädern koaxial zueinander angeordnet. Diese Bauweise ist durch geringe axiale und radiale Abmessungen sowie einen hohen Grad an Kompaktheit charakterisiert. Ausführungen mit koaxialer Bauweise sind auf unterschiedliche Art und Weise realisierbar.

In einer vorteilhaften Ausbildung, die auch mit den vorgenannten Ausbildungen kombinierbar ist, ist der erste Leistungsstrang von einer als mechanischer Durchtrieb ausgebildeten Verbindung zwischen einer Antriebswelle der Antriebsmaschine mit der Eingangswelle eines der zumindest zwei Laufräder oder Satzes von Laufrädern, bei Ausbildung als Kompressoreinheit der Kompressorräder bzw. Satzes von Kompressorrädern gebildet. Im zweiten leistungsstrang ist dann die Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung vorgesehen. Der zweite Leistungsstrang ist die als mechanischer Durchtrieb ausgebildete Verbindung zwischen Antriebswelle der Antriebsmaschine mit der Eingangswelle eines der zumindest zwei Laufräder oder Satzes von Laufrädern, bei Ausbildung als Kompressoreinheit eines der zumindest zwei Kompressorräder oder Satzes von Kompressorrädern gekoppelt.

Der zweite Leistungsstrang, insbesondere die Einrichtung zur Drehzahl- /Drehmomentwandlung kann in diesem Fall koaxial oder exzentrisch zum ersten Leistungsstrang angeordnet sein. Dabei bietet die koaxiale Variante den Vorteil einer besonders kompakt aufgebauten Fluidenergiemaschineneinheit, insbesondere für den Einsatz als Unterwasser-Kompressoreinheit.

Eine besonders kompakte und hinsichtlich der Betätigung robuste Bauweise ist bei Ausbildung der Einrichtung zur Drehzahl-/Drehmomentwandlung als hydrodynamisches Strömungsgetriebe, insbesondere hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler gegeben. Dieser umfasst zumindest ein Pumpenrad, ein Turbinenrad und ein Leitrad, die einen mit Betriebsfluid befüllbaren Arbeitsraum miteinander bilden. Zur variablen Einstellung von Drehzahl oder Drehmoment ist der hydrodynamische Drehzahl- /Drehmomentwandler als Stellwandler ausgebildet, umfassend zumindest eine an einem Schaufelrad oder einem Schaufelradteil vorgesehene Verstellschaufel und/oder ein verstellbares Schaufelsegment, wobei die einzelne Verstellschaufel und/oder das einzelne verstellbare Schaufelsegment an zumindest einem der Schaufelräder, ausgewählt aus der Gruppe nachfolgend genannter Schaufelräder angeordnet ist:

- Pumpenrad

- Turbinenrad

- Leitrad.

Die Art und Anordnung der Stellschaufeln erfolgt entsprechend des Einsatzfalles, wobei vorzugsweise Ausführungen mit Stellschaufeln oder Schaufelsegmenten am Leitrad zum Einsatz gelangen. Gegenüber einem Wandler mit stationären, nicht verstellbaren Schaufeln, bei welchem sich im Betrieb selbstständig ein Betriebspunkt (Drehmoment/Drehzahlpunkt) gemäß der Charakteristik des Wandlers einstellen würde, bietet die Ausbildung mit Stellschaufeln den Vorteil einer Einflussnahme von außen und damit die Drehzahlregelung oder Änderung des Förderverhaltens.

Die Verwendung eines hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers bietet den Vorteil, dass dieser besonders einfach koaxial zu Antriebsmaschine und Fluidenergiemaschine, bei Ausführung als Kompressoreinheit koaxial zum Kompressor in den zur Verfügung stehenden Bauraum zwischen diesen eingefügt werden kann. Die dabei erzeugte Baueinheit ist durch einen besonders hohen Grad an Kompaktheit charakterisiert. In diesem Fall sind die Eingangswellen der zumindest zwei Laufräder oder Sätze von Laufrädern koaxial zueinander angeordnet und das Pumpenrad des hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandlers mit der Verbindung zwischen Antriebswelle der Antriebsmaschine und einer Eingangswelle eines Laufrades oder Satzes von Laufrädern verbunden. Das Turbinenrad des hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandlers ist wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt, mit der Eingangswelle des zweiten Laufrades oder Satzes von Laufrädern gekoppelt.

Bezüglich der Ausbildung des hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Dieser kann beispielsweise als einstufiger oder mehrstufiger Wandler, als einphasiger oder mehrphasiger Wandler ausgebildet sein. Vorzugsweise ist bei Kompressoreinheiten, insbesondere Unterwasser- Kompressoreinheiten zumindest eine erste Dichteinrichtung zum fluid- und druckdichten Abdichten der Antriebsmaschine gegenüber dem Kompressor vorgesehen. In Abhängigkeit der Anordnung der ersten Dichteinrichtung bzw. eines ersten Dichtsystems zur druck- und fluiddichten Abdichtung und Isolierung zwischen Antriebsmaschine und Kompressor ist in einer Weiterbildung zumindest eine weitere Dichteinrichtung bzw. ein weiteres Dichtsystem vorgesehen.

Bezüglich der Ausbildung des die Antriebsmaschine und den Kompressor aufnehmenden Gehäuses besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Wird die Dichteinrichtung unmittelbar im Bereich einer Durchführung der Antriebswelle angeordnet, kann somit die Antriebsmaschine unmittelbar gegenüber dem Strömungsgetriebe und dem Kompressor abgedichtet sein. In diesem Fall ist vorzugsweise eine weitere Dichteinrichtung zwischen dem Strömungsgetriebe und dem Kompressor vorzusehen. Im einfachsten Fall erfolgt die Anordnung direkt zwischen Pumpen- und Turbinenschaufelrad bzw. den mit diesen direkt gekoppelten Bauteilen.

Bei Ausbildung der Drehzahl-/Drehmomentwandlungseinrichtung als hydrodynamisches Strömungsgetriebe ist zur Vermeidung von ungewünschtem Übertritt von Strömungsmedium in die Fluidenergiemaschine zwischen diesem und der Fluidenergiemaschine zumindest eine Dichteinrichtung angeordnet. Die Dichteinrichtung zwischen hydrodynamischem Strömungsgetriebe und Fluidenergiemaschine kann dabei zwischen Pumpenrad- und Turbinenrad bzw. deren Kopplung mit den jeweiligen Eingangswellen der Fluidenergiemaschine angeordnet sein oder aber direkt zwischen den Eingangswellen der Laufräder bzw. der Sätze von Laufrädern.

Alternativ kann der Wandler jedoch auch mit der flüssigen Phase eines Fördermediums betrieben werden. In einer alternativen zweiten Ausbildung ist die Einrichtung zur Drehzahl- /Drehmomentwandlung als hydrostatisches Strömungsgetriebe ausgebildet.

Der Vorteil besteht dabei in einer Reduzierung der mechanischen Bauteile und der Ausnutzung der der hydrostatischen Leistungsübertragung inhärenten Vorteile. Die Einstellung bzw. Steuerung des variabel übertragbaren Leistungsanteils erfolgt über die Verwendung regelbarer hydrostatischer Pumpen und/oder Motoren.

Das die Antriebsmaschine und den Kompressor aufnehmende Gehäuse ist insbesondere für den Einsatz in Unterwasseranwendungen geeignet ausgebildet. Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Dieses ist entweder derart ausgelegt und dimensioniert, den Druckverhältnissen im Unterwasseranwendungsbereich standzuhalten und/oder ist mit Druckmittel befüllbar. Das Gehäuse weist zumindest einen Anschluss zur Kopplung mit einer Versorgungsleitung für ein, von dem das Gehäuse umgebenden Fluid verschiedenen Fluid auf. Dies gilt in Analogie für zumindest einen Anschluss zum Ausgeben von verdichtetem Fluid.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine erste

Ausführung einer Fluidenergiemaschineneinheit in Form einer Unterwasser-Kompressoreinheit;

Figur 2 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine zweite

Ausführung einer Unterwasser-Kompressoreinheit;

Figur 3 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine

Weiterbildung einer Ausführung gemäß Figur 1 mit jeweils einem Satz erster und zweiter Kompressorräder;

Figur 4 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine Ausführung einer Unterwasser-Kompressoreinheit mit

Ausbildung des Kompressorgehäuses vom Gehäuse der Unterwasser- Kompressoreinheit; Figur 5 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine Ausführung einer Unterwasser-Kompressoreinheit mit einem hydrostatischen Getriebe als Leistungsstellglied.

Die Figur 1 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine erste Ausführung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Fluidenergiemaschineneinheit 1 , die hier insbesondere als Kompressoreinheit für den Einsatz in Unterwasser- Anwendungen als Unterwasser-Kompressoreinheit 1 ausgebildet ist. Diese umfasst eine Fluidenergiemaschine, insbesondere einen Kompressor 2 mit zumindest zwei Laufrädern in Form von Kompressorrädern 3 und 4, wie in der Figur 1 dargestellt, oder aber wie hier nicht dargestellt mit zumindest zwei Sätzen von jeweils miteinander gekoppelten Laufrädern, insbesondere Kompressorrädern. Bei den Kompressorrädern 3, 4 handelt es sich um sogenannte Lauf- bzw. Schaufelräder. Ein Satz wird dabei von mehreren Schaufelrädern gebildet. Die Kompressorräder 3, 4 sind koaxial zueinander angeordnet und drehbar um eine theoretische gemeinsame Drehachse R gelagert. Jedes der einzelnen Kompressorräder 3 bzw. 4 umfasst zumindest einen oder mehrere Schaufelsätze. Im dargestellten Fall sind jeweils mehrere in Reihe zueinander angeordnete Schaufeln vorgesehen.

Die einzelnen Kompressorräder 3 und 4 sind mit einer Antriebsmaschine 5 wenigstens mittelbar unter Ausbildung zumindest zweier Leistungsstränge L1 und L2 gekoppelt. Dazu sind die einzelnen Kompressorräder 3 und 4 jeweils durch Kompressorrad-Eingangswellen, nachfolgend kurz Eingangswellen E3 und E4 charakterisiert, die wenigstens mittelbar mit der Antriebsmaschine 5 gekoppelt sind. Die einzelnen Eingangswellen E3, E4 können integral mit den Kompressorrädern 3, 4 ausgebildet sein oder werden von separaten Komponenten gebildet, die mit den Kompressorrädern 3, 4 verbunden sind.

Antriebsmaschine 5 und Kompressor 2 sind im Innenraum 6 eines Gehäuses 7 angeordnet. Das Gehäuse 7 ist derart ausgebildet, dass dieses für den Einsatz in Unterwasseranwendungen geeignet ist und die Antriebsmaschine 5 und den Kompressor 2 gegenüber der das Gehäuse 7 umgebenden Umgebung kapselt. Die Verbindung nach außen erfolgt über zumindest einen Einlass 8 zum Zuführen eines Fluides zum Kompressor 2, wobei das Fluid von dem beim Unterwassereinsatz das Gehäuse 7 umgebenden Fluid verschieden ist. Bei der hier nicht dargestellten Ausführung der Fluidenergiemaschineneinheit als Pumpeinheit, insbesondere sogenannten Water-Injection-Pumpeinheit entspricht das über den Einlass aufzunehmende Fluid dem die Water-Injection-Pumpeinheit umgebenden Fluid.

Ferner ist bei der dargestellten Unterwasser-Kompressoreinheit 1 zumindest ein Auslass 9 zum Abführen von im Kompressor 2 verdichteten Fluid nach außerhalb des Gehäuses 7 vorgesehen. Dabei ist es denkbar, entweder jeweils nur einen derartigen Einlass 8 bzw. einen derartigen Auslass 9 vorzusehen oder aber je nach Ausbildung des Kompressors 2 auch mehrere dieser. Bei der in der Figur 1 dargestellten Ausführung ist der Kompressor 2 mit einem eigenen Gehäuse 10 ausgeführt, welches die beiden Kompressorräder 3 und 4 umschließt. Der Einlass 8 am Gehäuse 7 ist mit einem Einlass 11 am Kompressor 2, insbesondere am Gehäuse 10 des Kompressors, gekoppelt, während der Auslass 9 am Gehäuse 7 mit einem Auslass 19 am Gehäuse 10 des Kompressors 2 gekoppelt ist. Der jeweilige Einlass 8 bzw. Auslass 9 am Gehäuse 7 ist dabei jeweils mit einer entsprechenden Leitungsverbindung für Fluid, welches von dem das Gehäuse 7 normalerweise beim Unterwassereinsatz umgebenden Fluid verschieden ist, koppelbar.

Die Verdichtung im Kompressor 2 erfolgt durch hydraulische Überlagerung bei Rotation der beiden Kompressorräder 3 und 4 mit Relativgeschwindigkeit zueinander. Dazu sind die jeweiligen Eingangswellen E3 und E4 mit einer Antriebswelle 13 der Antriebsmaschine 5 gekoppelt. Die Kopplung erfolgt über zwei Leistungsstränge L1 und L2. Ein erster Leistungsstrang L1 dient dabei der direkten Verbindung zwischen der Antriebsmaschine 5 und einem der beiden Kompressorräder, hier dem ersten Kompressorrad 3. Der zweite Leistungsstrang L2 dient der Kopplung der Antriebsmaschine 5, insbesondere der Antriebswelle 13, mit dem zweiten Kompressorrad 4 bzw. der Eingangswelle E4. In einem der Leistungsstränge, hier beispielhaft dem zweiten Leistungsstrang L2, ist eine Einrichtung zur stufenlosen Drehzahl-/Drehmomentwandlung 12 vorgesehen. Diese Einrichtung 12 ist im einfachsten Fall als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler 14 ausgebildet. Dieser umfasst zumindest ein Pumpenrad P, ein Turbinenrad T und zumindest ein Leitrad L als Reaktionsglied zwischen Pumpenrad P und Turbinenrad T. Je nach Ausführung kann der hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler 14 einstufig oder mehrstufig, einphasig oder mehrphasig ausgebildet sein. Der hydrodynamische Drehzahl- /Drehmomentwandler 14 ist zur freien Einsteilbarkeit des variabel übertragbaren Leistungsanteils des Weiteren als Stellwandler ausgeführt. Dies bedeutet, dass entweder eine Einrichtung zur Beeinflussung des Leistungsübertragungsverhaltens am hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandler 14 selbst vorgesehen sein kann oder der Zu- und Ablauf von Betriebsmedium zum Arbeitsraum steuerbar/regelbar ist.

Bei Ausbildung als Stellwandler ist vorzugsweise zumindest eines der Schaufelräder oder Schaufelradteile mit wenigstens einer Stellschaufel oder einem verstellbaren Schaufelsegment ausgebildet. Im dargestellten Fall ist der Stellwandler durch eine Verstellung von Stellschaufeln 15 am Leitrad L charakterisiert. Dieses weist zumindest eine, vorzugsweise mehrere Stellschaufeln 15 auf, die über eine Stelleinrichtung 16 betätigbar sind. Denkbar und hier nur mit unterbrochener Linie angedeutet ist auch das Vorsehen von Stelleinrichtungen 17 bzw. 18 zur Verstellung von Stellschaufeln oder Schaufelsegmenten am Pumpenrad P und/oder Turbinenrad T.

Der hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler 14 ist hier in äußerer Leistungsverzweigung zum Kompressor 2 zwischen diesem und der Antriebsmaschine 5 angeordnet. Das heißt, dass Pumpenrad P ist hier mit der Antriebswelle 13 der Antriebsmaschine 5 wenigstens mittelbar verbunden, während das Turbinenrad T mit der zweiten Eingangswelle E4 drehfest gekoppelt ist. Vorzugsweise erfolgt die Kopplung des Pumpenrades P direkt mit der drehfesten Verbindung zwischen Antriebswelle 13 der Antriebsmaschine 5 und dem ersten Kompressorrad 3. Die Verbindung zwischen Antriebswelle 13 der Antriebsmaschine 5 und erster Eingangswelle E3 bzw. dem ersten Kompressorrad 3 beschreibt dabei den ersten Leistungsstrang L1 , welcher auch als konstanter Leistungsstrang bezeichnet wird, da in diesem keine weiteren Übertragungsglieder mit der Möglichkeit einer Drehzahl-/Drehmomentwandlung vorgesehen sind. Die Verbindung zwischen der Antriebsmaschine 5, insbesondere der Antriebswelle 13, dem Pumpenrad P, dem Turbinenrad T über die hydrodynamische Kopplung sowie der zweiten Eingangswelle E4 zum zweiten Kompressorrad 4 beschreibt den zweiten Leistungsstrang L2. Aufgrund der Ausbildung des hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers 14 als Stellwandler handelt es sich bei diesem Leistungsstrang L2 um einen variablen Leistungsstrang, das heißt, über diesen kann die Drehzahl an der Eingangswelle E4 gesteuert bzw. je nach Anforderung auch geregelt werden. Über diese Art der Leistungsaufteilung besteht die Möglichkeit, die Drehzahlen der Eingangswellen E3 und E4 hinsichtlich der Relativdrehzahl zwischen diesen einzustellen. Durch die Einstellung der Relativdrehzahl ist wiederum das Druck- und Volumenstromverhältnis innerhalb des Kompressors 2 entsprechend den gewünschten Gegebenheiten und Anforderungen einstellbar.

Die Figur 1 verdeutlicht dabei eine Minimalkonfiguration aus Antriebsmaschine 13, Kompressor 2 und Kopplung dieser über zwei Leistungsstränge L1 , L2, wobei in zumindest einem Leistungsstrang ein variables Leistungsstellglied vorgesehen ist. Zusätzliche Modifikationen sind denkbar. Das Gehäuse 7 kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Alle Komponenten - Antriebsmaschine 5, Kompressor 2, Kompressorräder 3, 4 sowie hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler 14 sind koaxial zueinander angeordnet, wobei die Anordnung des Wandlers 14 in axialer Richtung betrachtet vorzugsweise zwischen Antriebsmaschine 5 und Kompressor 2 erfolgt. Denkbar ist auch die hier nicht dargestellte Anordnung in axialer Richtung betrachtet in der Abfolge Antriebsmaschine 5, Kompressor 2 und Wandler 14 bei entsprechend gestalteter Durchführung. Es besteht die Möglichkeit, dass insbesondere bei Unterwasseranwendungen die Antriebsmaschine 5 im Gehäuse vom gasförmigen Anteil eines Füssigkeits-Gas- Gemisches umgeben wird und dadurch die Verluste reduziert werden. In vorteilhafter Weiterbildung wird auch der Wandler 14 mit dem zu fördernden Fluid darin betrieben. In diesem Fall sind keine Dichteinrichtungen erforderlich betreiben.

Der Innenraum des Gehäuses 7 kann je nach Aufnahmebereich für die Antriebsmaschine 5, den Wandler 14 und die Fluidenergiemaschine 2 in unterschiedliche Raumbereiche unterteilt werden, wobei diese Raumbereiche als nicht voneinander abgegrenzte Anordnungsbereiche für die jeweiligen Komponenten verstanden werden. Der Antriebsmaschine ist ein Raumbereich 6.1 zugeordnet, dem Wandler 14 ein Raumbereich 6.3 und der Fluidenergiemaschine 2 ein Raumbereich 6.2. Ist es gewünscht, ein Übertreten von Fluid vom Kompressor 2 zum restlichen Innenraumbereich 6.1 zu vermeiden, ist eine Dichteinrichtung 20 vorgesehen. Diese ist vorzugsweise direkt zwischen Fluidenergiemaschine 2 und Wandler 14 angeordnet. In diesem Fall laufen Wandler 14 und Antriebsmaschine 5 in gleichen Umgebungsbedingungen. Die Dichteinrichtung 20 ist dazu zwischen Gehäuse 7 und der Antriebsseite des Wandlers 14, insbesondere der Verbindung des Turbinenrades T mit dem Kompressorrad 4 angeordnet. Antriebsmaschine 5, insbesondere Elektromotor und Wandler 14 werden mit dem gleichen Medium umgeben. In diesem Fall ist keine weitere Dichteinrichtung erforderlich.

Zusätzlich kann optional eine Dichteinrichtung 20 ^' zwischen Antriebsmaschine 5 und Kompressor 2 vorgesehen sein. Diese ist dann vorzugsweise zwischen Abtriebswelle 13 der Antriebsmaschine 5 und Gehäuse 7 angeordnet, was hier mittels unterbrochener Linie dargestellt ist. Die Dichtung 20 ^' dient dann auch der Abgrenzung eines ersten Raumbereiches 6.1 innerhalb des Innenraumes 6 des Gehäuses 7, welches die Antriebsmaschine 5 gegenüber dem Kompressor druck- und fluiddicht aufnimmt. Der hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler 14 kann in diesem Fall mit dem Kompressor 2 in einem gemeinsamen Innenraumbereich 6.2 angeordnet sein. Vorzugsweise wird jedoch auch die Dichteinrichtung 20 zwischen Wandler 14 und Fluidenergiemaschine 2 vorgesehen. Auch ist eine weitere Dichteinrichtung bzw. ein Dichtsystem 21 zwischen dem Pumpenrad P des hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandlers 14 bzw. der ersten Eingangswelle E3 und dem Turbinenrad T bzw. der mit diesem gekoppelten Eingangswelle E4 vorgesehen. Die Dichteinrichtungen 20 und 21 dichten den Kompressor 2 gegenüber dem Wandler 14 unter Ausbildung eines weiteren Innenraumbereiches ab. Der Kompressor 2 ist damit vorzugsweise druck- und flüssigkeitsdicht gegenüber dem übrigen Innenraum 6 des Gehäuses 7 abgedichtet.

Bezüglich der Anordnung der Dichteinrichtungen 20 ^' , 20, 21 selbst besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Die Dichteinrichtung 20 ^' ist dabei vorzugsweise zwischen dem Gehäuse 7 oder einem mit diesem verbundenen Bauteil und der Antriebswelle 13 der Antriebsmaschine 5 vorgesehen. Die zweite Dichteinrichtung 21 kann vorzugsweise direkt zwischen Pumpenrad P und Turbinenrad T, insbesondere der Kopplung des Pumpenrades P mit der Eingangswelle E3 und der Eingangswelle E4 bzw. den Eingangswellen E3 und E4 vorgesehen sein. Andere Ausführungen sind ebenfalls denkbar.

Die Dichteinrichtung 20 kann zwischen Gehäuse 7 und Eingangswelle E4 bzw. Gehäuse 7 und Turbinenrad T vorgesehen sein. Vermieden werden soll ein Übertritt von Fluid zwischen dem Kompressor 2 in den die Antriebsmaschine 5 und den Drehzahl-/Drehmomentwandler 14 aufnehmenden Teilbereichen 6.1 , 6.3 des Innenraumes 6.

Der Kompressor 2 ist mit zumindest einem Einlass 8 für zu verdichtendes Fluid und einem Auslass 9 für verdichtetes Fluid ausgebildet. Im dargestellten Fall ist der Kompressor 2 im Gehäuse 7 der Kompressoreinheit 1 mit einem eigenen Kompressorgehäuse 10 ausgebildet. Der Einlass 11 des Kompressorgehäuses 10 ist dazu wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt mit einem Einlass 8 in das Gehäuse 7 der Kompressoreinheit 1 zum Zuführen eines Fluides, welches vom das Gehäuse 7 umgebenden Fluid verschieden sein kann, verbunden. In Analogie ist der zumindest eine Auslass 19 aus dem Kompressorgehäuse 10 mit einem Auslass 9 aus dem Gehäuse 7 der Kompressoreinheit 1 wenigstens mittelbar, vorzugsweise direkt gekoppelt. Einlass 8 und Auslass 9 aus dem Gehäuse 7 sind derart ausgeführt und angeordnet, geeignet zu sein mit entsprechenden Leitungsverbindungen/Kanälen etc. für die Zu- und/oder Abfuhr von Fluid verbunden zu werden.

Gegenüber der Figur 1 verdeutlicht die Figur 2 eine weitere Ausbildung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Kompressoreinheit in Form einer Unterwasser- Kompressoreinheit 1. Der Grundaufbau und die Grundfunktion entspricht der in der Figur 1 beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Ausführung unterscheidet sich hier lediglich in der Ausbildung des Kompressors 2, insbesondere der einzelnen Kompressorräder 3 und 4 selbst. Die Kompressorräder 3 und 4 sind derart ausgebildet, dass jedes Kompressorrad durch eine Welle, die mit der Eingangswelle E3 bzw. E4 gekoppelt ist oder diese bildet, charakterisiert ist und ein oder mehrere Kompressorschaufeln trägt. Dabei sind die Kompressorschaufeln der beiden Kompressorräder 3 und 4 alternierend, das heißt im Wechsel zueinander angeordnet, wobei die Kompressorschaufeln des Kompressorrades 3 sich in radialer Richtung nach außen von der Eingangswelle E3 erstrecken, während die Eingangswelle E4 als Flohlwelle ausgebildet ist und die entsprechende Beschaufelung am Innenumfang trägt. In axialer Richtung in Einbaulage betrachtet sind dabei die einzelnen Schaufeln der Kompressorräder 3 und 4 jeweils wechselweise angeordnet.

Die Figur 3 zeigt in einer Weiterbildung gemäß Figur 1 eine Ausbildung mit einem Satz von Kompressorrädern 3.1 , 3.2 und 4.1 , 4.2, die in Reihe zueinander angeordnet sind, wobei die einzelnen Kompressorräder 3.1 , 3.2 bzw. 4.1 , 4.2 eines Satzes miteinander gekoppelt sind und alternierend mit den Kompressorrädern 4.1 , 4.2 bzw. 3.1 , 3.2 des jeweils anderen Satzes von Kompressorrädern angeordnet sind. Entscheidend ist, dass die einzelnen Kompressorräder eines Satzes von Kompressorrädern jeweils mit einer der Eingangswellen E3 bzw. E4 gekoppelt sind.

Die Figur 4 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung die Ausbildung des Gehäuses 7 in Funktionskonzentration als Gehäuse des Kompressors 2 am Beispiel einer Ausbildung gemäß Figur 1. In diesem Fall fungiert der Einlass 8 am Gehäuse 7 gleichzeitig als Einlass in den Kompressor 2. Dies gilt in Analogie für den Auslass 9.

Alle Ausführungen gemäß den Figuren 1 bis 4 sind durch die koaxiale Anordnung aller Komponenten - Antriebsmaschine 5, hydrodynamische Drehzahl- /Drehmomentwandler 14 sowie Kompressor 2 - charakterisiert. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Ausbildung dar, mit minimalem Bauraumbedarf in radialer Richtung. Alle drehbaren Teile sind durch eine gemeinsame theoretische Drehachse R charakterisiert. Denkbar ist es auch, zusätzliche Einrichtungen zwischen Antriebsmaschine und hydrodynamischen Drehzahl- /Drehmomentwandler 14 sowie zwischen den Eingangswellen E3 und E4 des Kompressors 2 vorzusehen. Dies führt jedoch zu zusätzlichem Bauraumbedarf. Daher wird vorzugsweise auf die koaxiale Anordnung zurückgegriffen.

Die Figur 5 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung eine weitere Ausgestaltung einer Unterwasser-Kompressoreinheit 1 , wobei jedoch die Einrichtung zur Drehzahl-/Drehmomentwandlung im zweiten Leistungsstrang L2 als hydrostatisches Getriebe 23, umfassend eine hydrostatische Pumpe 24 und einen hydrostatischen Motor 25, ausgebildet ist. Bei dieser ist eine koaxiale Anordnung in der Form wie in Figur 1 nicht möglich. Bei dieser Ausbildung mit hydrostatischem Getriebe sind entweder die hydrostatische Pumpe 24 oder der hydrostatische Motor oder aber beide steuerbar und/oder regelbar.

Die Ausführungen in den Figuren 1 bis 5 zeigen besonders vorteilhafte Ausführungen einer Fluidenergiemaschineneinheit als Kompressoreinheit. Denkbar ist auch eine Ausführung als Pumpeneinheit. Bezuqszeichenliste

1 Fluidenergiemaschineneinheit; Kompressoreinheit, insbesondere

Unterwasser-Kompressoreinheit

2 Fluidenergiemaschine; Kompressor

3,

3.1. 3.2 erstes Kompressorrad

4,

4.1. 4.2 zweites Kompressorrad

5 Antriebsmaschine

6 Innenraum

6.1 , 6.2, 6.3 Innenraumbereich

7 Gehäuse

8 Einlass

9 Auslass

10 Kompressorgehäuse

11 Einlass

12 Einrichtung zur Drehzahl-/Drehmomentwandlung

13 Antriebswelle

14 hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler

15 Stellschaufel

16 Stelleinrichtung

17 Stelleinrichtung

18 Stelleinrichtung

19 Auslass

20, 20 ^' Dichteinrichtung

21 Dichteinrichtung

22 Kupplung, insbesondere Magnetkupplung

23 hydrostatisches Getriebe

24 hydrostatische Pumpe

25 hydrostatischer Motor

A Arbeitsraum E3 Kompressorrad-Eingangswelle

E4 Kompressorrad-Eingangswelle

L Leitrad

L1 erster Leistungsstrang

L2 zweiter Leistungsstrang P Pumpenrad

R Drehachse

T Turbinenrad