CN103154439B - 汽轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽轮机（10）、尤其是用于利用内燃机（2）的废热的汽轮机，包括至少一个叶轮（26）和至少一个导轮（20），其中，所述导轮（20）具有至少两个相互平行地设置的喷管（22），所述喷管（22）被设计用于所述叶轮（26）的不同负荷点并且可相互独立地接通和关断。

Description

汽轮机
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的汽轮机，它尤其是用于利用内燃机的废热的汽轮机。
背景技术
由DE4214775A1已经公开一种汽轮机，它能够在不同的负载状态中运行。该汽轮机的特点在于导轮中的多个设计相同的喷管组。为了在不同的负载要求时控制汽轮机，通过一个调节阀调节通向每个喷管组的蒸汽输入流。在低的负载要求时，仅释放一个喷管或一个喷管组。在功率需求增加时，一个喷管组接着另一个喷管组被加载蒸汽。蒸汽输入的调节在此通过旋转滑阀的控制缝进行。也使用常规控制的调节阀。
发明内容
具有独立权利要求的特征的按照本发明的汽轮机具有优点，即通过使用针对不同负荷点设计并且可相互独立地接通和关断的喷管可通过汽轮机覆盖特别大的功率范围。
喷管的不同设计允许简单地且有利地通过其几何形状、最窄喷管横截面与流出横截面之间的面积比、释放的流动横截面和/或喷管相对于叶轮的倾斜角被预给定。
对大功率范围的要求特别是在用于利用在机动车中运行的内燃机的废热的汽轮机中出现。在此特别有利的是，内燃机的不同运行点与叶轮的不同负荷点相对应。进入导轮中的边界条件（蒸汽量、温度、压力）根据内燃机的相应的运行点变化。通过内燃机提供的能量的最佳利用可以通过接通和关断不同设计的喷管来实现，因为它们与相应的边界条件相适配。
如果一个喷管被设计用于叶轮的高负荷点并且另一个喷管被设计用于叶轮的低负荷点，则得到一个特别的优点。通过该措施能够仅以很少的喷管覆盖特别宽的功率范围，因为对于内燃机的低负荷点仅可以接通具有用于低负荷点的设计的喷管，而另一个喷管被关断。相反，对于内燃机的高负荷点可以仅接通具有用于高负荷点的设计的喷管，而另一个喷管被关断。内燃机的其它负荷点可以通过两个喷管的组合来覆盖。通过少量的喷管能够节省在设计时的费用并且同时覆盖内燃机的宽功率范围。
适宜地为了导轮中的蒸汽的加速而使用拉瓦尔喷管，因为通过这些喷管能够将蒸汽从次音速加速到超音速速度并且通过高的速度能够实现特别高的汽轮机功率。
有利地使用部分加载的汽轮机，因为通过部分加载能够增加叶轮直径并且由此能够避免汽轮机的小且难于实现的结构尺寸。
如果汽轮机的喷管通过一个由调节阀或孔板组成的开关装置接通和关断，则得到另一个优点，因为由此提供了大量可能的喷管组合。
特别有利的是一个通过存在于导轮上的压力差进行调节的开关装置，因为喷管的关断和接通可以最佳地匹配于所存在的边界条件。适合的是，开关装置通过一个伺服马达、尤其是步进马达操作，因为这是简单且成本低廉的实现可能性。
有利的是使用一个喷管作为喷管旁路，它将蒸汽不经加速地引导到叶轮上，以便在热过程中缓慢地流过叶轮或者以便在内燃机的推动运行中不产生功率。以该形式实现的旁路比一个引导蒸汽从汽轮机旁经过的旁路成本低得多。此外通过汽轮机在热过程中被缓慢流过，避免了低质量的蒸汽通过回流冷凝引起叶轮的损坏。此外能够通过热蒸汽在汽轮机起动之前排除在叶轮上的冷冻。
特别有利的是，用作旁路喷管的喷管这样地改变蒸汽束的方向，使得在叶轮上不产生合成的转矩。由此避免了汽轮机在推动运行中的功率输出。
在具有由导轮和叶轮组成的前后相继地设置的多个级的汽轮机中有利的是，由导轮和叶轮组成的下一级的喷管被这样地设置，使得它们在其布置和设计方面与由导轮和叶轮组成的第一级的喷管相对应。通过这样的布置能够避免在下一级中的附加开关装置并且由此节省成本。
特别有利的是使用具有迄今所述的特性的汽轮机，如果它设置在一个具有给水泵、热交换器和冷凝器的管道回路中并且热交换器用于利用内燃机的废热并且产生蒸汽的话，蒸汽被输送给导轮的喷管，因为在该用途中出现特别宽的功率范围。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐述。其示出：
图1以示意图示出按照第一实施例的汽轮机；
图2以立体视图示出拉瓦尔喷管；
图3以示意图示出按照第二实施例的汽轮机；和
图4以示意图示出带有管道回路的汽轮机。
具体实施方式
图1和3以示意图示出一个具有叶轮26、导轮20和开关装置28的汽轮机10。在导轮20中设置至少两个喷管22，导轮20中的这些喷管将蒸汽的势能转化为动能。
喷管22在导轮20中相互平行地布置，使得蒸汽在一个对于所有喷管22相同的、垂直于主流动方向的平面中进入喷管22并且在另一个垂直于主流动方向的平面中离开喷管22。喷管22圆形地设置在导轮20中。它可以是一个完全受载的汽轮机10，其中喷管围绕整个导轮20设置，或者是一个部分受载的汽轮机10，其中喷管22仅仅填充导轮20的圆的部分或一个扇形。
喷管22被设计用于叶轮26的不同负荷点，其中，这些喷管22中的至少一个喷管被设计用于叶轮26的一个高负荷点并且这些喷管22中的至少一个喷管被设计用于叶轮26的低负荷点。
喷管22的不同设计主要通过它们的几何形状、释放的流动横截面、在最窄的喷管横截面与流出横截面之间的面积比和/或喷管22相对于叶轮26的倾斜角被确定。各个喷管22的设计根据所出现的运行条件，如质量流量、温度和压力比被确定。这些运行条件在一个用于利用内燃机的废热的汽轮机中特别强烈地波动。
喷管22优选是拉瓦尔喷管24，如其在图2中所示，并且将蒸汽加速地引导到汽轮机10的叶轮26上。拉瓦尔喷管24被构造为具有收敛和发散的横截面分布的矩形通道。拉瓦尔喷管24通过其专门的构型能够将气流从次音速加速到超音速。
可以设置用于叶轮26的其它负荷点的另外的喷管22或者设置多个用于叶轮26的相同负荷点的叶轮22。喷管22可以成喷管组地或者单个地设置在导轮20中。
在导轮20前面设置一个开关装置28，开关装置使导轮20中的喷管22相互无关地接通和关断。通过开关装置28能够单独地打开每个喷管22，而其它的喷管22是关闭的或多个喷管22同时被打开。如果这些喷管22成喷管组地设置，那么也可以通过开关装置28打开或关闭整个喷管组。
开关装置28可以由调节阀30组成或者由一个孔板组成并且可以设置在导轮20前面或后面。开关装置28可以通过一个存在于导轮20上的压力差被调节。根据存在的压力差，打开一个或多个与边界条件相匹配的喷管22，而其它喷管22被关闭。开关装置28可以通过一个伺服马达、尤其是一个步进马达操作。
如果设有一个孔板，那么开关装置28的操作可以主动地通过一个伺服马达或被动地通过利用存在的压力差来实现。
另一个实施例在图3中示出，其中除了用于将蒸汽加速到叶轮26上的喷管22外，设有一个另外的喷管，该另外的喷管用作喷管旁路32。该喷管旁路32不是被构造为拉瓦尔喷管24，因为喷管旁路32应当将蒸汽不经加速地引导到叶轮26上。喷管旁路32与其它喷管22相比具有大的流动横截面，从而在汽轮机10前面的高压部件中的压力非常快地降低并且蒸汽在进入到叶轮26中时达到仅非常小的流动速度。通过小的流动速度在叶轮26中不实现值一提的功率输出。
如果喷管旁路32这样地改变从喷管旁路32排出的蒸汽束的方向，使得不产生合成的转矩，那么叶轮26的功率仍允许进一步减少。这可以通过在轴向上或在反旋转方向上对叶轮26的迎流来引起。
汽轮机10也可以被构造为多级的汽轮机10，其中由多个导轮20和多个叶轮26组成的多个级前后相继地设置。
在汽轮机的每个级中，导轮20的喷管22可以按照根据图1和3的两个实施例通过开关装置28接通和关断。
变换地，仅在汽轮机10的由导轮20和叶轮26组成的第一级中存在一个用于控制喷管22的开关装置28，该第一级直接位于蒸汽源后面。由导轮20和叶轮26组成的下一级的喷管22可以这样地设置，使得它们在其定位方面与第一级的喷管22相对应。在此在第一级中被打开的喷管22的蒸汽束应当仅仅进入到第二级的相对应的喷管22中。相对应的喷管22被这样地设计，使得它们在存在的边界条件的情况下实现最佳的效率。
汽轮机10特别适合用于利用废热以便用在内燃机中。本发明的汽轮机10但是也适合其它用途。
图4示出根据之前的实施例之一、在用于利用内燃机2的废热的管道回路4中的汽轮机10。工作介质在管道回路4中循环，在该管道回路中设置一个热交换器8、一个冷凝器12、一个给水泵6和汽轮机10。
内燃机燃烧燃料，以便产生机械能。在此形成的废气通过其中可以设置废气催化器的废气设备排出。废气设备的管道区段传导通过一个热交换器8。来自废气或废气回送装置的热能在热交换器8中被输出给工作介质，从而工作介质可以在热交换器8中被蒸发和过加热。
管道回路4的热交换器8通过一个管道与汽轮机10连接。蒸发的工作介质通过管道流向汽轮机10并且驱动汽轮机。汽轮机10具有一个从动轴11，汽轮机10通过从动轴与一个负载连接。由此能够例如将机械能传递到驱动系统或者用于驱动发电机、泵或类似装置。在流过汽轮机10之后，工作介质通过一个管道通向冷凝器12。通过汽轮机10卸载的工作介质在冷凝器12被冷却和冷凝。冷凝器12可以与冷却循环连接。在冷凝器12中液化的工作介质通过一根管道从一个给水泵6传输到通向热交换器8的管道中。
通过给水泵6给定工作介质通过管道回路4的通流方向。由此能够通过热交换8从内燃机的废气和废气回送装置的组成部分持续不断地取走热能，这些热能以机械能的形式被输出给轴11。
作为工作介质可以使用水或另一种符合热力学要求的液体。工作介质在流过管道循环4时经历热力学的状态变化。在液态时工作介质通过给水泵6带到用于蒸发的压力水平。接下来废气的热能通过热交换器8被输出给工作介质。在此，工作介质等压地被蒸发并且接下来被过加热。然后蒸汽在汽轮机10中绝热地卸载。在此获得机械能并且将其传递给轴11。工作介质然后在冷凝器12中冷却、液化并且重新被输送到给水泵6。
根据内燃机2的运行点提供不同的废热量给热交换器8。热交换器8产生供汽轮机10使用的蒸汽。汽轮机10必须根据内燃机2的工作点以其它的边界条件（蒸汽量、温度、压力）工作并且相应地匹配其负荷点。这通过汽轮机10的导轮20中的喷管22的接通和关断来实现，喷管与内燃机2的不同负荷点相对应。

Claims (13)

1.汽轮机(10)，包括至少一个叶轮(26)和至少一个导轮(20)，其中，所述导轮(20)具有至少两个相互平行地设置的喷管(22)，其中，所述喷管(22)被设计用于所述叶轮(26)的不同负荷点并且可相互独立地接通和关断，其中，蒸汽在一个对于所有喷管(22)相同的、垂直于主流动方向的平面中进入喷管(22)并且在另一个垂直于主流动方向的平面中离开喷管(22)，其特征在于，所述喷管(22)中的一个喷管用作喷管旁路(32)，所述喷管旁路将蒸汽不经加速地引导到叶轮(26)。
2.根据权利要求1的汽轮机(10)，其特征在于，所述叶轮(26)的不同负荷点与内燃机(2)的不同运行点相对应。
3.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，所述喷管(22)的不同设计通过其几何形状、释放的流动横截面和/或喷管(22)相对于叶轮(26)的倾斜角给出。
4.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，所述喷管(22)中的一个喷管被设计用于所述叶轮(26)的一个低负荷点并且所述喷管(22)中的另一个喷管被设计用于所述叶轮(26)的高负荷点。
5.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，所述喷管(22)中的至少一个喷管是拉瓦尔喷管(24)。
6.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，所述叶轮(26)部分地被加载蒸汽。
7.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，所述喷管(22)通过一个由调节阀(30)或孔板组成的开关装置(28)接通和关断。
8.根据权利要求7的汽轮机(10)，其特征在于，所述开关装置(28)通过一个存在于所述导轮(20)上的压力差调节。
9.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，用作喷管旁路(32)的喷管(22)这样地改变蒸汽束，使得不产生合成的转矩。
10.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，由导轮(20)和叶轮(26)组成的多个级前后相继地设置。
11.根据权利要求9的汽轮机(10)，其特征在于，由导轮(20)和叶轮(26)组成的下一级的喷管(22)被这样地设置，使得它们在其设计方面与由导轮(20)和叶轮(26)组成的第一级的喷管(22)相对应。
12.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，它具有一个管道回路(4)，其特征在于，在所述管道回路(4)中设有一个给水泵(6)、一个热交换器(8)和一个冷凝器(12)，所述热交换器(8)用于利用一个内燃机(2)的废热并且产生蒸汽，所述蒸汽被输送给所述导轮(20)的喷管(22)。
13.根据权利要求1或2的汽轮机(10)，其特征在于，所述汽轮机(10)是用于利用内燃机(2)的废热的汽轮机。
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