DE102010056557A1 - Einrichtung zur Effizienzerhöhung für Radialturbinen in ORC-Anlagen - Google Patents

Abstract

In so genannten ORC-Anlagen werden häufig Radialturbinen zur Umwandlung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums in ein Drehmoment verwendet. Aufgrund der niedrigen Schallgeschwindigkeit in solchen Medien und der hohen Druckverhältnisse zwischen Ein- und Austritt des Dampfes in die Turbine liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes im Schaufelrad der Turbine häufig oberhalb der Schallgeschwindigkeit. Auch die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus dem Schaufelrad liegt häufig noch über Mach 0,7. Durch eine besondere Anordnung von feststehenden Leitkörpern innerhalb des Schaufelrades wird erfindungsgemäß eine Ablösung der Strömung und ein damit verbundener Druckverlust unmittelbar nach dem Schaufelrad verhindert. Die Wirkung eines ggf. nach geschalteten Diffusers zur zusätzlichen Effizienzerhöhung wird erheblich verbessert. Außerdem wird gleichzeitig die auf das Schaufelrad wirkende axiale Kraft, welche aus der Richtungsänderung der Strömung resultiert, erheblich reduziert.

Description

• Definition
• Als Turbine wird hier ein System bezeichnet, in denen Dampf unter einem Druck einströmt, in einem feststehenden Düsensystem (Leitbeschaufelung) entspannt und hierbei beschleunigt wird. Nach dem Düsensystem wird der Dampf über einem rotierenden Schaufelsystem (Laufbeschaufelung) umgelenkt, eventuell weiter entspannt und gibt dabei seine Strömungsenergie über die Schaufeln an eine verbundene Welle ab. Von der Welle wird die Rotationsenergie danach zur weiteren Nutzung übertragen. U. a. können durch die Welle Generatoren zur Stromerzeugung angetrieben werden.
• Radialturbinen sind gegenüber Axialturbinen dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf sich durch das Düsensystem zur Rotationsachse des Laufrades hin bewegt und nach Nutzung der Strömungsenergie parallel zu dieser Rotationsachse abströmt.
• Eine ORC-Anlage ist durch das Vorhandensein von Verdampfern, Kondensatoren, Turbinen und Pumpen gekennzeichnet, in denen ein anderes Medium als Wasser zum Zwecke der Umwandlung von thermischer in elektrischer Energie die Zustände von flüssig zu gasförmig und umgedreht wechselt.
• Anwendung
• Radialturbinen finden oft in ORC-Anlagen mit geringer Leistung zum Antrieb eines elektrischen Generators Anwendung. Mittels dieser ORC-Anlagen wird z. B. aus der Abwärme von Verbrennungsmotoren noch zusätzlich elektrische Energie gewonnen.
• Sowohl Düsenkränze als auch Schaufelräder von Radialturbinen können oft preisgünstig als prismatische Körper meist aus jeweils einem Stück gefertigt werden.
• Die Erfindung bewirkt mit einfachen Mitteln durch ein preiswertes zusätzliches Teil eine Effizienzerhöhung solcher Turbinen und damit der gesamten ORC-Anlagen.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 1) Stand der Technik – Schnittbild eines üblichen Düsen-Schaufelsystem einer Turbine mit Dampfströmung unterhalb der Schallgeschwindigkeit. Man kann die um 90° in axiale Richtung unterschiedlichen Winkel der Schaufelein- und Austrittskanten erkennen.
• 2) Stand der Technik – Zeigt das Schnittbild ein Düsen-Schaufelsystem für Überschallströmung ohne zusätzliche Maßnahmen zur Vergleichmäßigung der Dampfströmung nach dem Passieren des Schaufelrades.
• 3) Stand der Technik – Zeigt das Schaufelrad und den Diffuser von 2) wobei im Diffuser Strömungsleitkörper zur Verringerung der Wirbelbildung eingebaut sind.
• 4) Zeigt das System von 2) mit den axial innerhalb des Schaufelrades liegenden erfindungsgemäßen Leitkörpern.
• 5a) Zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 4) zur Verdeutlichung der Wirkung der Leitkörper.
• 5b) Zeigt einen Teil der Schaufeln des Schaufelrades, die zur Verdeutlichung ihrer Geometrie quer zur Schaufelachse geschnitten wurden.
• Stand der Technik
• 1) Eine Anzahl radialer Turbinen besitzen Schaufeln (21), deren Kanten am Dampfeintritt axial ausgerichtet sind und am Dampfaustritt in radiale Richtung weisen. Das Schaufelrad (2) einer solchen Turbine ist dann ähnlich wie das Schaufelrad eines Verdichters gestaltet, bei dem der Dampf durch die Schaufeln getrieben, in die entgegen zur Turbine gesetzte Richtung strömt.
• Die Dampfströmung (51) wird bereits innerhalb der Schaufel (21) umgelenkt und ist nach dem Austritt aus den Schaufelkanälen (20) bereits axial zum Schaufelrad gerichtet (53).
• Diese Bauart von Schaufelrädern bzw. Beschaufelung ist nur für Dampfgeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit geeignet.
• 2) Für Überschallströmungen durch das Schaufelrad (2) sind in der Regel sowohl die angeströmte als auch die in Abströmungsrichtung liegenden Kanten der Schaufeln (21) und somit auch diese selbst parallel (axial) zur Welle ausgerichtet.
• Der überwiegende Teil der Dampfströmung (51) wird erst nach dem Passieren der Schaufeln (21) bzw. des Schaufelkanals (20) parallel zur Rotationsachse des Schaufelrades gelenkt (53). Hierbei entstehen an der äußeren Umlenkkante meist unerwünschte Wirbel (54), welche die noch nutzbare Strömungsenergie lediglich in Wärme umwandeln.
• 3) Bekannte Maßnamen zur Verminderung dieses Effektes der Wirbelbildung (54) ist ein im Schaufelrad (2) längs zur Rotationsachse eingearbeiteter gekrümmter Kegel und das Einbringen von Leitkörpern (31) in die Strömung (53) im Abströmkanal bzw. Diffuser (4) hinter dem Schaufelrad. Trotz dieser Maßnahmen verbleiben Restwirbel (54). Insbesondere der geometrisch vorgegebene große Unterschied zwischen dem Krümmungsradius des Laufradkegels und dem der inneren Kante der Bandage (22) über den Schaufeln (21) sowie eine hohe Abströmgeschwindigkeit verhindern ein gleichmäßiges Abströmen des Dampfes.
• Beschreibung der Erfindung
• 4, 5) Erfindungsgemäß wird der radial aus die Dampfströmung (53) schon unmittelbar nach den Schaufeln axial durch Leitkörper (31) mehrfach aufgeteilt und zum großen Teil noch innerhalb des Schaufelrades (2) parallel zu dessen Rotationsachse gelenkt.
• Der oder die Leitkörper (31) sind ringförmig gestaltet. Das Profil der Ringe ist strömungsgünstig. Die zum Schaufelrad weisende Kante ist radial vom Zentrum weg gekrümmt. Die auf der axialen Gegenseite befindliche Kante weist vom Schaufelrad weg. Die Krümmung des Profils der Leitkörper ist so gestaltet, dass der Sie umströmende Dampf (53) kontinuierlich parallel zur Maschinenachse gelenkt wird.
• Werden mehrere ringförmige Leitkörper (31) verwendet, so weisen die Abströmkanten dieser Körper unterschiedliche Durchmesser auf, während es zweckmäßig ist, dass die Anströmkanten den gleichen Durchmesser besitzen und möglichst dicht an den Austrittskanten der Schaufeln positioniert sind.
• Der oder die Leitkörper bzw. Ringe (31), (32) werden über Stege (33) vorzugsweise mit dem Dampfgehäuse oder dem Diffuser der Turbine verbunden, so dass auf sie wegen der Umlenkung des Dampfes wirkende Kräfte nicht auf die Welle übertragen werden. Die Befestigung am Dampfgehäuse kann ebenfalls als Ring (34) ausgeführt sein.
• Es ist auch denkbar, diese Ringe am Schaufelrad zu befestigen, so dass sie mit rotieren.
• Bezugszeichenliste
• Fig. 1) Schnitt durch Teile einer herkömmlichen Axialturbine für UnterschallströmungFig. 2) Schnitt durch Teile einer herkömmlichen Axialturbine für ÜberschallströmungFig. 3) Schnitt durch Teile einer Axialturbine für Überschallströmung mit herkömmlichen Leitkörpern nach dem SchaufelradFig. 4) Schnitt durch Teile einer Axialturbine für Überschallströmung mit erfindungsgemäßen Leitkörpern im SchaufelradFig. 5a) Details aus Fig. 4)Fig. 5b) Schnitt durch Schaufeln des Schaufelrades aus Fig. 5a)Fig. 1–Fig. 5) Bezeichnung der Details

1

Düsenring

2

Laufrad

3

Leitkörper

4

Diffuser

5

Strömungsrichtung

6

Abstände

10

Düsenkanal

11

Abdeckung der Düsen

20

Schaufelkanal

21

Schaufel

22

Bandage an Schaufel

30

Kanal zwischen den Leitkörpern

31

Leitkörper 1

32

Leitkörper 2

33

Verbindungssteg zwischen den Leitkörpern und der Befestigung

34

Befestigungsring der Leitkörper

40

Kanal im Diffuser

50

Strömung im Düsenkanal

51

Strömung im Schaufelkanal

52

Strömung zwischen den Leitkörpern

53

Strömung im Diffuser

54

Strömungsablösung im Diffuser

60

Schaufelhöhe am Schaufelkanalaustritt

61

Axialer Abstand zwischen Schaufelradscheibe und Leitkörper 1

62

Axialer Abstand zwischen Leitkörper 1 und Leitkörper 2

63

Axialer Abstand zwischen Leitkörper 2 und dem Schaufelkopf bzw. der Bandage

Claims (5)

1. Turbinen, die mindestens einen Leitkörper besitzen, von dem eine Kante in radialer Richtung zur Rotationsachse des Schaufelrades weist und dessen andere Kante in die gleiche Richtung wie die Rotationsachse zeigt, wobei dieser Leitkörper betriebsmäßig den aus den Schaufelkanälen strömenden Dampf von radialer Richtung in axiale Richtung lenkt und sowohl die zur Rotationsachse des Schaufelrades weisende Seite als auch die gegenüber liegende Seite des Leitkörpers betriebsmäßig von Dampf umströmt werden.
2. Turbinen nach 1. die mehrere wie in 1. beschriebenen Leitkörper aufweisen, deren in Richtung der Rotationsachse weisende Kanten einen unterschiedlichen radialen Abstand zu dieser haben und deren an den entgegen gesetzten Enden liegenden Kanten vorzugsweise in radiale Richtung zu den Schaufeln des Schaufelrades weisen.
3. Turbinen mit auf der mit dem Schaufelrad verbundenen Welle befindlichen Permanentmagneten, welche auch als so genannte Turbogeneratoren bezeichnet werden auf deren Turbinenteil die Ansprüche von 1. und 2. zutreffen.
4. ORC-Anlagen, die Komponenten nach 1., 2. oder 3. enthalten.
5. Verdichter, die wie 1., 2. oder 3. aufgebaut sind, bei denen der Dampf aber funktionsbedingt entgegen der bei den Turbinen beschriebenen Richtung fließt.

Images