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Die Erfindung betrifft eine Abgasnutzturbine, ein mit einer solchen Abgasnutzturbine ausgerüstetes Abwärmerückgewinnungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abwärmerückgewinnungssystems.
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In Schiffsanwendungen sind bei Mehrmotorenanlagen, d. h. mehrere Brennkraftmaschinen aufweisenden Anlagen, jeweilige Abgasstränge der Brennkraftmaschinen unabhängig voneinander auszuführen, so dass sichergestellt wird, dass ein Fehler in einem Abgasstrang keinen Einfluss auf die Betriebsweise der anderen Brennkraftmaschinen hat.
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Bezüglich dieser Mehrmotorenanlagen wird auf die
JP 2008025517 A , die
US 2009/0173060 A1 und die
EP 2 218 886 A1 als Stand der Technik verwiesen.
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Soll für eine Mehrmotorenanlage ein WHR-System (Waste-Heat-Recovery – Abwärmerückgewinnung) mit einer Abwärme nutzenden Dampfturbine und einer Abgasnutzturbine ausgeführt werden, so wird üblicherweise pro Brennkraftmaschine jeweils eine Abgasnutzturbine vorgesehen.
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Mehrere kleinere Abgasnutzturbinen haben allerdings Nachteile hinsichtlich eines schlechteren Wirkungsgrades (als eine große Abgasnutzturbine) und hinsichtlich eines komplexeren Aufbaus mit mehreren, schnelllaufenden Getrieben (als eine große, langsam laufende Abgasnutzturbine) mit wiederum höheren Verlusten und zusätzlichen Verlusten durch ein Sammelgetriebe.
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Würde man mehrere Abgasbypass-Stränge vor einer größeren Abgasnutzturbine bzw. Powerturbine zusammenführen, würden sich Rückwirkungen in den jeweiligen Abgassystemen der Brennkraftmaschinen untereinander ergeben, wenn die Brennkraftmaschinen bei unterschiedlicher Last betrieben werden und die Abgasdrücke unterschiedlich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnutzturbine, ein mit einer solchen Abgasnutzturbine ausgerüstetes Abwärmerückgewinnungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abwärmerückgewinnungssystems bereitzustellen, womit bei Mehrmotorenanlagen unter Vermeidung von Schwingungsinduzierung an den Turbinenschaufeln ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Abwärmerückgewinnung realisierbar ist.
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Dies wird mit einer Abgasnutzturbine gemäß Anspruch 1, einem Abwärmerückgewinnungssystem gemäß Anspruch 7 bzw. einem Verfahren gemäß Anspruch 10 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Abgasnutzturbine zur energetischen Nutzung von Brennkraftmaschinenabgas bereitgestellt, wobei die Abgasnutzturbine aufweist: ein Turbinengehäuse; einen Rotor, der drehbar im Turbinengehäuse gelagert ist und der eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln aufweist; ein im Turbinengehäuse angeordnetes Leitgitter zum Steuern einer Abgasanströmung der Turbinenschaufeln, wobei das Turbinengehäuse eine Mehrzahl von Abgaseinlasspassagen aufweist zum über das Leitgitter Leiten von Abgas auf die Turbinenschaufeln, wobei die jeweiligen Abgaseinlasspassagen bis zum Leitgitter hin voneinander separat sind, und wobei in jeder Abgaseinlasspassage ein Drucksensor angeordnet ist zum Messen eines Abgasdrucks in der jeweiligen Abgaseinlasspassage; und Druckangleichmittel, die mit den Drucksensoren verbunden sind und die eingerichtet sind, die jeweiligen Abgasdrücke (PI, PII) in den Abgaseinlasspassagen (22a, 22b) aneinander anzugleichen.
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Durch die Druckangleichung wird eine Schwingungsinduzierung an den Turbinenschaufeln sicher vermieden. Dadurch kann eine einzige solche Abgasnutzturbine für eine Mehrmotorenanlage vorgesehen und die einzige Abgasnutzturbine damit größer und mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnutzturbine sind die Turbinenschaufeln als ungedämpfte, insbesondere dämpferdrahtlose, Turbinenschaufeln ausgebildet.
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Dämpferdrähte werden bei üblichen Turbinen eingesetzt, um Schwingungen der freistehenden Turbinenschaufeln zu dämpfen, wobei die Dämpfung durch Reibung an Auflagerstellen des Drahtes erfolgt. Die Dämpferdrähte können durch Löcher in den Turbinenschaufeln hindurchgeführt sein. Da diese Löcher Schwachstellen der Turbinenschaufeln darstellen, von denen häufig Schaufelbrüche ausgehen, sind die Turbinenschaufeln im Bereich der Löcher üblicherweise verdickt ausgebildet. Dämpferdrähte stellen in jedem Fall Störungen der Strömung um das Turbinenschaufelprofil dar und reduzieren damit den Wirkungsgrad der Turbine.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Turbinenschaufeln als ungedämpfte, insbesondere dämpferdrahtlose, Turbinenschaufeln wird eine solche Wirkungsgradreduzierung vermieden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnutzturbine sind die Druckangleichmittel gebildet, indem jeder Abgaseinlasspassage eine zum Regeln des Druckes in der jeweiligen Abgaseinlasspassage eingerichtete Druckregeleinrichtung vorgeschaltet ist, wobei die jeweiligen Drucksensoren und die jeweiligen Druckregeleinrichtungen mit einer Turbinensteuervorrichtung verbunden sind, und wobei die Turbinensteuervorrichtung eingerichtet ist, die jeweiligen Druckregeleinrichtungen auf Basis der von den jeweiligen Drucksensoren gemessenen Abgasdrücke anzusteuern, die Abgasdrücke in allen Abgaseinlasspassagen auf ein einheitliches Soll-Druckniveau zu regeln.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnutzturbine ist das einheitliche Soll-Druckniveau mit einer Regelabweichung der Abgasdrücke voneinander von ≤ 1,0 bar vorgegeben.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnutzturbine weist jede Druckregeleinrichtung eine Drosseleinrichtung auf zum Drosseln einer Abgaszuströmung in die jeweilige Abgaseinlasspassage.
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Alternativ oder zusätzlich weist gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnutzturbine jede Druckregeleinrichtung eine Bypasseinrichtung auf zum Abzweigen von Abgas aus einer Abgaszuströmung in die jeweilige Abgaseinlasspassage.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Abwärmerückgewinnungssystem, mit: einer Mehrzahl von Brennkraftmaschinen, wobei jede Brennkraftmaschine einen separaten Abgasstrang aufweist, und einer einzigen Abgasnutzturbine gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung in jeder denkbaren Kombination, wobei der Abgasstrang einer ersten Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschinen zum Einleiten von Abgas mit einer ersten Abgaseinlasspassage der Abgaseinlasspassagen der Abgasnutzturbine verbunden ist, und wobei der Abgasstrang einer zweiten Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschinen zum Einleiten von Abgas mit einer zweiten Abgaseinlasspassage der Abgaseinlasspassagen der Abgasnutzturbine verbunden ist.
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Durch die Druckangleichung wird eine Schwingungsinduzierung an den Turbinenschaufeln sicher vermieden. Dadurch, dass eine einzige erfindungsgemäße Abgasnutzturbine für das Abwärmerückgewinnungssystem vorgesehen ist, kann diese einzige Abgasnutzturbine größer und damit mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abwärmerückgewinnungssystems weist dieses ferner auf: eine Dampfturbine und in jedem Abgasstrang einen Wärmetauscher mit einem Primärstrang, der zum Durchleiten von Abgas eingerichtet ist, und einem Sekundärstrang, der zum Bereitstellen von Dampf eingerichtet ist, wobei die Sekundärstränge der jeweiligen Wärmetauscher mit einem Dampfeinlass der Dampfturbine verbunden sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abwärmerückgewinnungssystems weist dieses ferner einen Elektrogenerator auf, wobei eine Antriebswelle des Elektrogenerators sowohl mit einer vom Rotor der Abgasnutzturbine drehangetriebenen Abtriebswelle der Abgasnutzturbine als auch mit einer von einem Rotor der Dampfturbine drehangetriebenen Abtriebswelle der Dampfturbine in Drehantriebsverbindung bringbar ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen des zweiten Aspekts der Erfindung in jeder denkbaren Kombination, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Messen der Abgasdrücke in den jeweiligen Abgaseinlasspassagen der Abgasnutzturbine, Vergleichen der gemessenen Abgasdrücke, und aneinander Angleichen der jeweiligen Abgasdrücke in den Abgaseinlasspassagen.
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Durch die Druckangleichung wird eine Schwingungsinduzierung an den Turbinenschaufeln sicher vermieden. Dadurch, dass eine einzige erfindungsgemäße Abgasnutzturbine für in dem Abwärmerückgewinnungssystem vorgesehen ist, kann diese einzige Abgasnutzturbine größer und damit mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Vergleichen der gemessenen Abgasdrücke außerdem auf ein Bestimmen eines niedrigsten Abgasdrucks der gemessenen Abgasdrücke, wobei die übrigen Abgasdrücke als Abgasdrücke höheren Drucks bestimmt werden, wobei aus dem niedrigsten Abgasdruck ein Soll-Druckniveau bestimmt wird, und wobei beim aneinander Angleichen der jeweiligen Abgasdrücke in den Abgaseinlasspassagen die Abgasdrücke höheren Drucks auf das Soll-Druckniveau reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das einheitliche Soll-Druckniveau mit einer Regelabweichung der Abgasdrücke voneinander von ≤ 1,0 bar eingeregelt.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Reduzieren der Abgasdrücke höheren Drucks durchgeführt, indem eine jeweilige Abgaszuströmung in die jeweiligen Abgaseinlasspassagen gedrosselt wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Reduzieren der Abgasdrücke höheren Drucks durchgeführt, indem Abgas aus einer jeweiligen Abgaszuströmung in die jeweiligen Abgaseinlasspassagen abgezweigt wird.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
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Zusammenfassend ist zu erwähnen, dass von den Erfindern als eine Lösung erkannt wurde eine Abgasnutzturbine bzw. Powerturbine mit mehreren Eintrittsstutzen, d. h. mit einem stoßaufladungsähnlichen Turbinengehäuse, wobei die Abgasströme erst nach dem Turbinenleitgitter (Düsenring) gemischt werden und sich damit nicht beeinflussen, so dass Rückwirkungsfreiheit besteht.
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Von den Erfindern wurde außerdem erkannt, dass Turbinen im Stoßaufladungsbetrieb durch die Ungleichförmigkeit der Abgaszuführung höhere Schwingungsanregungen an ihren Turbinenschaufeln erfahren, weshalb robuste Turbinen mit Dämpfungsdraht oder Dämpfungselementen und damit schlechterem Wirkungsgrad nötig wären.
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Als eine Lösung wird demnach von den Erfindern vorgeschlagen, für beste Wirkungsgrade die Turbinenschaufeln dämpferdrahtlos auszubilden, wobei das Problem der durch ungleichförmige Beaufschlagung bewirkten Schwingungsanregung der Turbinenschaufeln reduziert bzw. beseitigt wird, indem der Druck in den einzelnen Abgaskanälen bzw. Abgaseinlasspassagen individuell gedrosselt wird, so dass die Abgaseinlasspassagen auf möglichst gleichem Druck- und damit Geschwindigkeitsniveau betrieben werden.
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Dargestellt wird dies z. B. durch eine Messung der jeweiligen Drücke in einem Zuströmrohr vor der Turbine und Regelung des jeweils höheren Druckes durch Drosselung und/oder Bypass-Regelung. Der Drosselbetrieb führt zu einem höheren Abgasdruck, was einer angeschlossenen Brennkraftmaschine zugutekommt und zu einer besseren Aufladung dieser führt, soweit ein maximaler Zünddruck dies zulässt. Im Bypassbetrieb kann die Restwärme im Abgas angehoben werden und in einer Dampfturbine umgesetzt werden.
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Daraus kann sich ein WHR-System für mindestens zwei Brennkraftmaschinen ergeben, bestehend aus einer Dampfturbine und einer Abgasnutzturbine, gemeinsam auf einen Strang mit z. B. einen Generator montiert. Ferner kann sich ergeben eine Abgasnutzturbine mit mindestens zwei Eintritten (gleich der Anzahl der Brennkraftmaschinen, die zusammengeschaltet werden sollen, ohne Dämpferdraht für bestmöglichen Wirkungsgrad. Außerdem kann sich ergeben eine Regelung mit Druckmessung und Regelorganen, die sicherstellt, dass die Abgasdrücke vor der Turbine jeweils auf ähnlichem Niveau sind (Regelabweichung z. B. <= 1,0 bar)
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt ein Schaltbild eines standardmäßigen Abwärmerückgewinnungssystems.
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2 zeigt ein Schaltbild eines Abwärmerückgewinnungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Abgasnutzturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt in zwei perspektivischen Teilansichten einen an einer Ebene A in 3 geschnittenen Teil eines Turbinengehäuses der Abgasnutzturbine von 3.
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5 zeigt eine der 2 ähnliche Ansicht, wobei zur besseren Übersichtlichkeit einige Elemente des erfindungsgemäßen Abwärmerückgewinnungssystems weggelassen sind.
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1 zeigt ein Schaltbild eines in ein Schiff (nicht vollständig dargestellt und nicht separat bezeichnet) integrierten standardmäßigen Abwärmerückgewinnungssystems 1'.
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Das Abwärmerückgewinnungssystem 1' von 1 weist eine erste Brennkraftmaschine 10' und eine zweite Brennkraftmaschine 50' auf, die zum Antrieb des Schiffes dienen.
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Jede Brennkraftmaschine 10', 50' hat einen separaten Abgasstrang 15' bzw. 55' mit jeweiligem Abgasauslass 16' bzw. 56' (hier einem Schornstein), eine separate Abgasnutzturbine bzw. Powerturbine 20' bzw. 60', die an den jeweils zugehörigen Abgasstrang 15' bzw. 55' angeschlossen ist, so dass die Abgasnutzturbinen 20', 60' über das Abgas ihres jeweiligen Abgasstrangs 15' bzw. 55' angetrieben werden können, einen separaten Wärmetauscher 25' bzw. 65', der zur Dampferzeugung mit einem Primärstrang 25a' bzw. 65a' dessen in den jeweils zugehörigen Abgasstrang 15' bzw. 55' integriert ist, und zwei Abgasturbolader 30a', 30b' bzw. 70a', 70b' (mit jeweiliger Abgasturbine und jeweiligem Verdichter – nicht separat bezeichnet), die an den jeweils zugehörigen Abgasstrang 15' bzw. 55' zur Turboaufladung der jeweiligen Brennkraftmaschine 10' bzw. 50' angeschlossen sind.
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Das Abwärmerückgewinnungssystem 1' von 1 weist ferner eine Dampfturbine 75' und einen Elektrogenerator 80' auf. Die Dampfturbine 75' ist an jeden von jeweiligen Sekundärsträngen 25b' bzw. 65b' der Wärmetauscher 25', 65' angeschlossen, so dass die Dampfturbine 75' über von den Wärmetauschern 25', 65' erzeugten Dampf angetrieben werden kann.
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Die beiden Abgasnutzturbinen 20', 60' sind über ein Sammelgetriebe 85' abtriebsseitig selektiv mit einer Antriebswelle 81' des Elektrogenerators 80' drehantriebsverbindbar. Die Dampfturbine 75' ist über ein Getriebe 90' abtriebsseitig kontinuierlich mit der Antriebswelle 81' des Elektrogenerators 80' drehantriebsverbunden.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 ein in ein Schiff (nicht vollständig dargestellt und nicht separat bezeichnet) integriertes Abwärmerückgewinnungssystem 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist eine erste Brennkraftmaschine 10 und eine zweite Brennkraftmaschine 50 auf, die zum Antrieb des Schiffes dienen.
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Jede Brennkraftmaschine 10, 50 hat einen separaten Abgasstrang 15 bzw. 55 mit einer Mehrzahl von Abgasleitungen (nicht separat bezeichnet) und mit jeweiligem Abgasauslass 16 bzw. 56 (hier einem Schornstein), einen separaten Wärmetauscher 25 bzw. 65, der zur Dampferzeugung mit einem zum Durchleiten von Abgas eingerichteten Primärstrang 25a bzw. 65a dessen in den jeweils zugehörigen Abgasstrang 15 bzw. 55 integriert ist, und zwei Abgasturbolader 30a, 30b bzw. 70a, 70b (mit jeweiliger Abgasturbine und jeweiligem Verdichter – nicht separat bezeichnet), die an den jeweils zugehörigen Abgasstrang 15 bzw. 55 zur Turboaufladung der jeweiligen Brennkraftmaschine 10 bzw. 50 angeschlossen sind.
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Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist ferner zur energetischen Nutzung von Brennkraftmaschinenabgas eine Abgasnutzturbine bzw. Powerturbine 20 auf, die über Abgasleitungen an die beiden Abgasstränge 15, 55 angeschlossen ist, so dass die Abgasnutzturbine 20 über das Abgas der beiden Abgasstränge 15, 55 angetrieben werden kann.
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Wie insbesondere in den 2, 3 und 5 ersichtlich, weist die Abgasnutzturbine 20 ein Turbinengehäuse 21 mit einem Turbinenzuströmgehäuse 22, einen Rotor 23 (nur schematisch und teilweise dargestellt), der drehbar im Turbinengehäuse 21 gelagert ist und der eine Mehrzahl von ungedämpften, insbesondere dämpferdrahtlosen, Turbinenschaufeln 23a aufweist, ein im Turbinengehäuse 21 angeordnetes Leitgitter 24 (bzw. einen Düsenring) zum Steuern einer Abgasanströmung der Turbinenschaufeln 23a und einen Auslassdiffusor 24a auf zum Auslassen des Abgases aus der Abgasnutzturbine 20.
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Das Turbinenzuströmgehäuse 22 des Turbinengehäuses 21 weist eine Mehrzahl von Abgaseinlasspassagen auf zum über das Leitgitter 24 Leiten von Abgas auf die Turbinenschaufeln 23a, wobei die jeweiligen Abgaseinlasspassagen bis zum Leitgitter 24 hin voneinander separat sind. Gemäß der in den 2–5 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung weist das Turbinenzuströmgehäuse 22 des Turbinengehäuses 21 eine erste Abgaseinlasspassage 22a und eine zweite Abgaseinlasspassage 22b auf, die von kurz vor bis direkt zu dem Leitgitter 24 hin über eine Trennwand 22c strömungsmäßig voneinander getrennt sind. 4 zeigt hierzu in zwei perspektivischen Teilansichten einen an einer Ebene A in 3 geschnittenen ähnlich einem ”Hasenstück” ausgebildeten Teil des Turbinenzuströmgehäuse 22.
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Der Abgasstrang 15 der ersten Brennkraftmaschine 10 ist zum Einleiten von Abgas mit der ersten Abgaseinlasspassage 22a der Abgasnutzturbine 20 verbunden. Der Abgasstrang 55 der zweiten Brennkraftmaschine 50 ist zum Einleiten von Abgas mit der zweiten Abgaseinlasspassage 22b der Abgasnutzturbine 20 verbunden.
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Obwohl in den 2–5 nicht gezeigt, ist in jeder der Abgaseinlasspassagen 22a, 22b ein Drucksensor angeordnet zum Messen eines Abgasdrucks PI bzw. PII (siehe 2) in der jeweiligen Abgaseinlasspassage 22a, 22b.
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Jeder Abgaseinlasspassage 22a, 22b ist eine zum Regeln des Abgasdrucks PI bzw. PII in der jeweiligen Abgaseinlasspassage 22a, 22b eingerichtete Druckregeleinrichtung 60a, 60b vorgeschaltet. Jede Druckregeleinrichtung 60a, 60b weist eine elektronische Steuereinheit 61a bzw. 61b sowie ein erstes bevorzugt elektromotorisch (mit ”M” gekennzeichnet) steuerbares Ventil 62a bzw. 62b und ein zweites bevorzugt elektromotorisch (mit ”M” gekennzeichnet) steuerbares Ventil 63a bzw. 63b auf. Die ersten und zweiten Ventile 62a, 63a bzw. 62b, 63b sind mit ihrer zugehörigen Steuereinheit 61a bzw. 61b zum Ansteuern elektrisch verbunden.
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Das erste Ventil 62a, 62b jeder Druckregeleinrichtung 60a, 60b wirkt als eine Drosseleinrichtung zum Drosseln einer Abgaszuströmung in die jeweils zugeordnete Abgaseinlasspassage 22a bzw. 22b. Das zweite Ventil 63a, 63b jeder Druckregeleinrichtung 60a, 60b wirkt als eine Bypasseinrichtung zum Abzweigen von Abgas aus der Abgaszuströmung in die jeweils zugeordnete Abgaseinlasspassage 22a bzw. 22b.
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Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist außerdem eine elektronische Turbinensteuervorrichtung 100 auf, die zum Signalempfang elektrisch mit den jeweiligen Drucksensoren und zum Ansteuern mit den Steuereinheiten 61a, 61b der jeweiligen Druckregeleinrichtungen 60a, 60b verbunden ist. Die Turbinensteuervorrichtung 100 ist so eingerichtet, dass sie die Steuereinheiten 61a, 61b der jeweiligen Druckregeleinrichtungen auf Basis der von den jeweiligen Drucksensoren gemessenen Abgasdrücke PI, PII ansteuert, um die Abgasdrücke PI, PII in allen Abgaseinlasspassagen 22a, 22b auf ein einheitliches Soll-Druckniveau zu regeln. Das einheitliche Soll-Druckniveau ist bevorzugt mit einer Regelabweichung der Abgasdrücke PI, PII voneinander von ≤ 0,2 bar vorgegeben.
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Im Fazit bilden die Druckregeleinrichtungen 60a, 60b und die Turbinensteuervorrichtung 100 Druckangleichmittel, die mit den Drucksensoren verbunden sind und die eingerichtet sind, die jeweiligen Abgasdrücke PI, PII in den Abgaseinlasspassagen 22a, 22b aneinander anzugleichen.
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Das erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnungssystem 1 weist außerdem eine Dampfturbine 75 und einen Elektrogenerator 80 auf. Ein Dampfeinlass (nicht separat bezeichnet) der Dampfturbine 75 ist über Dampfleitungen (nicht separat bezeichnet) an jeden von jeweiligen zum Bereitstellen von Dampf eingerichteten Sekundärsträngen 25b bzw. 65b der Wärmetauscher 25, 65 angeschlossen, so dass die Dampfturbine 75 über von beiden Wärmetauschern 25, 65 erzeugten Dampf angetrieben werden kann.
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Eine Antriebswelle 81 des Elektrogenerators 80 ist über ein Getriebe 85 mit einer vom Rotor 23 der Abgasnutzturbine 20 drehangetriebenen Abtriebswelle 23b der Abgasnutzturbine 20 und über ein Getriebe 90 mit einer von einem Rotor (nicht bezeichnet) der Dampfturbine 75 drehangetriebenen Abtriebswelle 75a der Dampfturbine 75 in Drehantriebsverbindung bringbar.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Abgasnutzturbine 20 über das Getriebe 85 und eine Kupplung (nicht bezeichnet) abtriebsseitig selektiv mit der Antriebswelle 81 des Elektrogenerators 80 drehantriebsverbindbar und ist die Dampfturbine 75 über das Getriebe 90 abtriebsseitig kontinuierlich mit der Antriebswelle 81 des Elektrogenerators 80 drehantriebsverbunden.
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Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des in den 2–5 beschriebenen Abwärmerückgewinnungssystems 1 werden zumindest die folgenden Schritte durchgeführt:
- – mittels der Drucksensoren messen der Abgasdrücke PI, PII in den jeweiligen Abgaseinlasspassagen 22a, 22b,
- – in der Turbinensteuervorrichtung 100 vergleichen der gemessenen Abgasdrücke PI, PII, und
- – durch die Druckangleichmittel aneinander Angleichen der jeweiligen Abgasdrücke PI, PII in den Abgaseinlasspassagen 22a, 22b.
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Gemäß dem Verfahren weist das Vergleichen der gemessenen Abgasdrücke PI, PII außerdem auf ein Bestimmen eines niedrigsten Abgasdrucks der gemessenen Abgasdrücke PI, PII, wobei die übrigen Abgasdrücke als Abgasdrücke höheren Drucks bestimmt werden, wobei aus dem niedrigsten Abgasdruck ein Soll-Druckniveau bestimmt wird, und wobei beim aneinander Angleichen der jeweiligen Abgasdrücke PI, PII in den Abgaseinlasspassagen 22a, 22b die Abgasdrücke höheren Drucks durch die Druckregeleinrichtungen 60a, 60b auf das Soll-Druckniveau reduziert werden.
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Gemäß dem Verfahren wird das einheitliche Soll-Druckniveau bevorzugt mit einer Regelabweichung der Abgasdrücke PI, PII voneinander von ≤ 0,2 bar eingeregelt.
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Gemäß dem Verfahren wird das Reduzieren der Abgasdrücke höheren Drucks bevorzugt durchgeführt, indem die Abgaszuströmung in die Abgaseinlasspassage(n) höheren Drucks mittels teilweisen Schließens des ersten Ventils 62a bzw. 62b der betreffenden Druckregeleinrichtung 60a, 60b gedrosselt wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird gemäß dem Verfahren das Reduzieren der Abgasdrücke höheren Drucks bevorzugt durchgeführt, indem Abgas aus der Abgaszuströmung in die Abgaseinlasspassage(n) höheren Drucks mittels Öffnen des zweiten Ventils 63a bzw. 63b der betreffenden Druckregeleinrichtung 60a, 60b abgezweigt wird.
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Gemäß dem Verfahren können die Brennkraftmaschinen 10, 50 mit einer mehr als 50% voneinander abweichenden Motorlast betrieben werden, wobei trotzdem ein hinsichtlich der Brennkraftmaschinen 10, 50 rückkopplungsfreier Betrieb der einzigen generatorgekoppelten Abgasnutzturbine 20 gewährleistet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Abwärmerückgewinnungssystem
- 10, 10'
- Brennkraftmaschine
- 15, 15'
- Abgasstrang
- 16, 16'
- Abgasauslass
- 20, 20'
- Abgasnutzturbine
- 21
- Turbinengehäuse
- 22
- Turbinenzuströmgehäuse
- 22a, 22b
- Abgaseinlasspassage
- 22c
- Trennwand
- 23
- Rotor
- 23a
- Turbinenschaufel(n)
- 23b
- Abtriebswelle
- 24
- Leitgitter
- 24a
- Auslassdiffusor
- 25, 25'
- Wärmetauscher
- 25a, 25a'
- Primärstrang
- 25b, 25b'
- Sekundärstrang
- 30a, 30a'
- Abgasturbolader
- 30b, 30b'
- Abgasturbolader
- 50, 50'
- Brennkraftmaschine
- 55, 55'
- Abgasstrang
- 56, 56'
- Abgasauslass
- 60'
- Abgasnutzturbine
- 60a, 60b
- Druckregeleinrichtung
- 61a, 61b
- Steuereinheit
- 62a, 62b
- Ventil
- 63a, 63b
- Ventil
- 65, 65'
- Wärmetauscher
- 65a, 65a'
- Primärstrang
- 65b, 65b'
- Sekundärstrang
- 70a, 70a'
- Abgasturbolader
- 70b, 70b'
- Abgasturbolader
- 75, 75'
- Dampfturbine
- 75a
- Abtriebswelle
- 80, 80'
- Elektrogenerator
- 81, 81'
- Antriebswelle
- 85
- Getriebe
- 85'
- Sammelgetriebe
- 90, 90'
- Getriebe
- 100
- Turbinensteuervorrichtung
- PI, PII
- Abgasdruck
- A
- (Schnitt-)Ebene
