DE102013213836A1

DE102013213836A1 - Expansionsmaschine

Info

Publication number: DE102013213836A1
Application number: DE102013213836.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Auinger; Christian Benatzky; Gerd Schlager
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2015-01-15
Also published as: WO2015007527A3; WO2015007527A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine zum Antrieb eines Aggregates in einem Kraftfahrzeug, mit zwei dampfbeaufschlagbaren Expanderturbinen (T1, T2), wobei deren Wellen (W1, W2) mit einer Freilaufkupplung (FW) miteinander gekoppelt sind, wobei die der kleineren Leistung zugeordnete erste Turbine (T1) auf der Welle (W1) angeordnet ist, der die Ausgangsleistung entnehmbar ist, die Welle (W2) der zweiten Turbine (T2) mit der größeren Ausgangsleistung über die Freilaufkupplung (FW) mit der ersten Welle (W1) verbunden ist, die beiden Turbinen (T1, T2) eingangsseitig von einem Einlass (I) mit Dampf beaufschlagbar sind, die Ausgänge der Turbinen auf einen gemeinsamen Ausgang (O) wirken, wobei der Turbine (T2) mit der größeren Leistung ein einstellbares Ventil (V1) vorgeordnet ist..

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine der Art von Anspruch 1.
Bei dampfgetriebenen Expansionsmaschinen wird vorzugsweise überhitzter Dampf unter einem ersten Druck einer Turbine zugeführt und in dieser auf einen niedrigeren Druck entspannt. Durch diese Expansion erzeugt die Turbine mechanische Leistung, welche auf der Turbinenwelle bereitgestellt wird. In Kraftfahrzeugen dienen Dampfturbinen der direkten Erzeugung von mechanischer Energie (z.B direktes Einspeisen in die Kurbelwelle), der indirekten Bereitstellung von elektrischer Energie (Wandlung in mechanische Energie und über einen Generator in elektrische Energie) sowie dem Antrieb von Nebenaggregaten und Verdichtern, welche das Aufladen des Verbrennungsmotors bewirken.
Aus der EP 2 055 912 A2 ist ein Fahrzeugantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasnutzturbine sowie einem Dampfkreislauf mit Dampferzeuger und dampfgetriebener Expansionsmaschine bekannt. Die Expansionsmaschine steht in Triebverbindung mit der Abgasnutzturbine.
Die DE 10 2006 028 807 A1 beschreibt eine Wärmekraftmaschine mit synchronisierten Zellenrädern.
In Kraftwerksanlagen werden unterschiedlich strukturierte, dimensionierte Gasturbinen auf einer Welle betrieben und bilden so eine Gasturbogruppe. Die EP 0 915 232 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage.
Eine Wärmekraftmaschine mit zwei Expandern, einem Niedertemperaturexpander und einem Hochtemperaturexpander beschreibt die DE 102 59 488 A1 . Die beiden Expander wirken auf eine gemeinsame Welle – auch kann für jeden Expander eine eigene Welle und/oder ein Freilauf vorgesehen sein, die über eine Kupplung mit fester oder variabler Übersetzung miteinander und einer Abtriebswelle verbinbar sind. Vorgesehen sind eine erste und eine zweite Pumpe sowie ein erster und ein zweiter Wärmetauscher, welche an eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeschlossen sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Expansionsmaschine in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Form zu schaffen.
Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt durch eine Expansionsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Expander besteht aus zwei Expanderturbinen, deren Wellen mit einer Freilaufkupplung miteinander gekoppelt sind, wobei die der kleineren Leistung zugeordnete erste Turbine auf der Welle angeordnet ist, der die Ausgangsleistung entnehmbar ist, die Welle der zweiten Turbine mit der größeren Ausgangsleistung über die Freilaufkupplung mit der ersten Welle verbunden ist, die beiden Turbinen eingangsseitig von einem Einlass mit Dampf beaufschlagbar sind, die Ausgänge der Turbinen auf einen gemeinsamen Ausgang wirken, wobei der Turbine mit der größeren Leistung ein einstellbares Ventil vorgeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der ersten Turbine mit der geringeren Leistung eine Leitung zugeordnet, welche den Einlass mit dem Auslass verbindet. In dieser Bypass-Leitung ist ein weiteres steuerbares Ventil angeordnet. Das dem Einlass zugeordnete Ventil ist der zweiten Turbine mit der größeren Leistung vorgeordnet und hinter dem Abzweig der Bypass-Leitung der ersten Turbine angeordnet.
Eine weitere Ausführungsform sieht einen der ersten Turbine mit der geringeren Leistung zugeordneten Bypass vor, der den Einlass dieser Turbine mit dem Auslass verbindet. In dieser Bypass-Leitung ist ein zweites steuerbares Ventil angeordnet. Der Abzweig der Bypass-Leitung ist dem der zweiten Turbine vorgeordneten Ventil nachgeordnet. Weiterhin ist dem Ausgang der ersten Turbine ein drittes Ventil zugeordnet, derartig, dass über dieses dritte Ventil der Strom durch die erste Turbine und der des Bypass in Summe stellbar ist.
Eine weitere Ausführungsform ergänzt diese Variante durch ein viertes Ventil, welches in einem der zweiten Turbine zugeordneten Bypass angeordnet ist.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung rein beispielhaft anhand der Figuren erläutert.
1 zeigt eine erste Schaltung eines erfindungsgemäßen Expanders. Die Expansionsmaschine besteht aus zwei Expanderturbinen T1, T2 in einem gemeinsamen Gehäuse EG. Die beiden Turbinen T1, T2 sind auf je einer Welle W1, W2 gelagert, welche koaxial zueinander verlaufen, miteinander fluchten. Die Welle W1 ist zugleich die Ausgangswelle des Expanders, über welche die Ausgangsleistung abgreifbar ist. Die Welle W2 ist mittels einer Freilaufkupplung FW mit der Welle W1 verbunden.
Die Turbine T2 ist als Expanderturbine für eine große Dampfleistung / Wärmeleistung ausgelegt. Die Turbine T1 ist ausgelegt für kleinere Dampf-, Wärmeleistungen. Die Freilaufkupplung FW zwischen den Turbinen T1, T2 bzw. den Wellen W1, W2 bewirkt, dass die Welle W2 die Welle W1 treiben kann, wenn deren Drehzahl größer ist. Ist die Drehzahl der Welle W2 kleiner als die Drehzahl der Welle W1, so überholt die Welle W1 die Welle W2, die Welle W1 läuft frei. Die Turbinen T1, T2 haben den gleichen Rotationssin, entsprechend ist die Freilaufkupplung FW ausgelegt.
Die Turbinen T1 und T2 sind über einen Einlass I mit Dampf beausfschlagbar. Der Einlass I führt über einen direkten Kanal im Gehäuse EG direkt zu der Turbine T1. Über einen Abzweig mit einem ersten einstellbaren Ventil V1 ist der über den Einlass I zugeführte Dampf der Turbine T2 zuführbar. Die Turbine T1 ist mit einem dem Ventil V1 nachgeschalteten Ventil V2 überbrückbar. Der Ausgang der Turbine T1 ist weiterhin über ein drittes einstellbares Ventil V3 steuerbar. Der durch die Turbine T1 und/oder T2 strömende Dampf verlässt über den Ausgang O das Gehäuse EG.
Bei geringer Wärmeleistung wird lediglich die Turbine T1 mit der geringen Leistung betrieben. Ventil V3 ist geöffnet, die Ventile V1, V2 geschlossen. Durch die Freilaufkupplung läuft lediglich die Welle W1 der Turbine T1.
Bei mittleren Wärmeleistungen wird lediglich die Turbine T2 betrieben. Ventil V1 ist geöffnet, die Ventile V2 und V3 sind geschlossen. Der Über den Einlass I zugeführte Dampf durchströmt lediglich die Turbine T2 und verlässt den Ausgang O des Gehäuses EG. Die Turbine T2 treibt in dieser Betriebsweise die Welle W1 über die Freilaufkupplung FW. Die Turbine T1 läuft frei, d.h. ohne Dampfbeaufschlagung.
Eine serielle Nutzung der Turbinen T1 und T2 ist möglich, wenn die Ventile V1 und V3 geschlossen, Ventil V2 geöffnet ist. Der über den Einlass I zugeführte Dampf durchströmt somit zunächst die Turbine T1, anschließend über den durch das Ventil V2 geöffneten Pfad die Turbine T2. Diese Betriebsweise ermöglicht durch eine niedrige Kondensatortemperatur eine hohe thermische Effektivität. Über die Welle W1 ist die durch die Turbinen T1 und T2 eingespeiste Leistung abgreifbar.
Eine parallele Betriebsweise ist möglich, wenn über die Ventile V1 und V3–V2 geschlossen – der Dampfstrom des Einlass I beiden Turbinen zugeführt wird. In diesem Betrieb steht die maximale Leistung zur Verfügung.
2 zeigt eine zweite Schaltung eines erfindungsgemäßen Expanders. Hier sind zwei lediglich Ventile V1 und V2 vorgesehen. Damit ist es nicht möglich, in einem mittleren Leistungsbereich nur die Turbine T2 zu betreiben. Ausch eine zweistufige Expansion – serieller Betrieb – ist nicht möglich. Als Vorteil – gegenüber der Ausführung nach 1 – bietet sich, dass die Dimensionierung der Turbine T2 unabhängig von der der Turbine T1 ist.
Die Schaltung nach 3 ergänzt die Schaltung nach 1 um ein Ventil V4. Mit dem Ventil V4 in dem die Turbine T2 umgebenden Zweig können die Turbinen T1 und T2 unabhängig voneinander dimensioniert werden, da durch das steuerbare Ventil V4 die Turbine T2 einstellbar überbrückbar ist.
Bezugszeichenliste

EG

Expandergehäuse

I

Einlass

O

Auslass

T1

erste Turbine

T2

zweite Turbine

W1

erste Welle, Ausganswelle

W2

zweite Welle

FW

Freilaufkupplung

V1

Ventil

V2

Ventil

V3

Ventil

V4

Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2055912 A2 [0003]
DE 102006028807 A1 [0004]
EP 0915232 A1 [0005]
DE 10259488 A1 [0006]

Claims

Expansionsmaschine zum Antrieb eines Aggregates in einem Kraftfahrzeug, mit zwei dampfbeaufschlagbaren Expanderturbinen (T1, T2), wobei deren Wellen (W1, W2) mit einer Freilaufkupplung (FW) miteinander gekoppelt sind, wobei die der kleineren Leistung zugeordnete erste Turbine (T1) auf der Welle (W1) angeordnet ist, der die Ausgangsleistung entnehmbar ist, die Welle (W2) der zweiten Turbine (T2) mit der größeren Ausgangsleistung über die Freilaufkupplung (FW) mit der ersten Welle (W1) verbunden ist, die beiden Turbinen (T1, T2) eingangsseitig von einem Einlass (I) mit Dampf beaufschlagbar sind, die Ausgänge der Turbinen auf einen gemeinsamen Ausgang (O) wirken, wobei der Turbine (T2) mit der größeren Leistung ein einstellbares Ventil (V1) vorgeordnet ist.
Expansionsmaschine nach Anspruch 1, der ersten Turbine (T1) mit der geringeren Leistung ist eine Bypass-Leitung zugeordnet, welche den Einlass (I) mit dem Auslass (O) verbindet, wobei in dieser Bypass-Leitung ein weiteres steuerbares Ventil (V2) angeordnet ist.
Expansionsmaschine nach Anspruch 1, der zweiten Turbine (T2) mit der höheren Leistung ist eine Bypass-Leitung zugeordnet, welche den Einlass (I) mit dem Auslass (O) verbindet, wobei in dieser Bypass-Leitung ein weiteres steuerbares Ventil (V4) angeordnet ist.
wenigstens nach Anspruch 1, dem Ausgang ersten Turbine (T1) mit der geringeren Leistung ist ein steuerbares Ventil (V3) nachgeordnet.