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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Abbremsen einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Aus
DE 41 33 736 ist eine Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt. Es ist eine die Drehzahl des Turbinenlaufrades in höheren Lastbereichen reduzierende Bremseinrichtung vorgesehen. Die Bremseinrichtung ist eine aerodynamische Bremse in Form eines Verdichterlaufrades, welches durch die Verdichterluft angeströmt und dadurch abgebremst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren und die Vorrichtung zum Abbremsen einer Strömungsmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass ein Abbremsen der Strömungsmaschine unabhängig von dem jeweiligen Lastbereich der Strömungsmaschine und der Menge des Arbeitsmediums, welches der Strömungsmaschine zugeführt wird, möglich ist.
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Die Bewegungsenergie der Strömungsmaschine wird durch die Synchronmaschine reduziert, so dass besonders bei niedrigen Drehzahlen ein Abbremsen des Laufrades der Strömungsmaschine möglich ist, welches zu einem möglichst schnellen Stillstand der Strömungsmaschine führt.
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Dies ist besonders von Vorteil beim Einsatz von aerodynamischen Luftlagern, wie z.B. Folienlagern, zur Lagerung der Strömungsmaschine. Die aerodynamischen Luftlager können zur radialen oder axialen Lagerung der bewegten Bauteile der Strömungsmaschine und/oder Synchronmaschine eingesetzt werden.
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Aerodynamische Luftlager zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Luftfilm zur Lagerung der bewegten Bauteile selber aufbauen. Dies wird jedoch erst ab einer gewissen Drehzahl, welche als „Lift-Off-Drehzahl“ bezeichnet wird, erreicht. Befindet sich die Drehzahl der Strömungsmaschine unterhalb der „Lift-Off-Drehzahl“ so besteht zwischen Welle und Lager ein Mischreibungsgebiet, welches zu einem schnelleren Verschleiß der beweglichen Bauteile führt.
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Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bewegungsenergie so stark reduziert wird, dass das mindestens eine Laufrad zu einem Stillstand kommt, da in diesem Fall kein Verschleiß der beweglichen Bauteile auftreten kann. Dies ist besonders beim Abschaltvorgang der Strömungsmaschine wichtig, da das Laufrad der Strömungsmaschine eine sehr lange Zeit austrudelt bevor es zu einem absoluten Stillstand kommt.
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Vorteilhaft ist das Abbremsen des Läufers der Synchronmaschine durch einen Kurzschluss der mindestens drei Wicklungsstränge des Ständers, da in diesem Fall das Abbremsen allein durch elektromagnetische Kräfte bewirkt wird. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Mittel zum Reduzieren der Bewegungsenergie ein Wechselrichter ist, da in diesem Fall Schaltungen des Wechselrichters so angesteuert werden können, dass ein Kurzschluss der mindestens drei Wicklungsstränge bewirkt wird. Dadurch sind keine baulichen Veränderungen der gekoppelten Anordnung aus Strömungsmaschine und Synchronmaschine nötig, so dass eine hohe Kosteneinsparung erzielt wird.
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Besonders vorteilhaft ist ein Abbremsen des Läufers bei einem Unterschreiten einer Minimaldrehzahl des mindestens einen Laufrades, da durch den Kurzschluss eine Wärmeentwicklung in den mindestens drei Wicklungssträngen entsteht. Die Wärmeentwicklung ist abhängig von der Geschwindigkeit des Läufers und kann durch das Bestimmen einer Minimaldrehzahl möglichst gut reduziert werden.
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Optimalerweise wird die Mindestdrehzahl abhängig von der „Lift-Off-Drehzahl“ des aerodynamischen Luftlagers gewählt. Hierbei sollte die Mindestdrehzahl entweder gleich der „Lift-Off-Drehzahl“ oder gering über der „Lift-Off-Drehzahl“ der aerodynamischen Luftlager gewählt werden. Dadurch kann einerseits ein Verschleiß der beweglichen Bauteile vermieden werden und gleichzeitig die Wärmeentwicklung in den Wicklungssträngen des Ständers reduziert werden.
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Der Einsatz von aerodynamischen Luftlagern zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass keine Verschmutzung des Arbeitsmediums der Strömungsmaschine auftritt. Das Arbeitsmedium ist das Medium, welches der Strömungsmaschine zugeführt wird. Beim Einsatz von Lagern mit Öl- oder Fettschmierung kann eine Verschmutzung des Arbeitsmediums selbst durch Dichtungen nicht ausgeschlossen werden, so dass in diesem Fall aufwendige Verfahren zur Reinigung des Arbeitsmediums vorgenommen werden müssen. Der Einsatz von aerodynamischen Luftlagern ist besonders vorteilhaft, wenn die Strömungsmaschine in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird, in dem das Arbeitsmedium nicht in kurzen Zeitintervallen ersetzt wird.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Strömungsmaschine mit einer Synchronmaschine,
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2 ein Ablaufdiagramm und
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3 eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kreislaufes
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In der 1 ist eine Strömungsmaschine 11 mit einem Laufrad 22 und einer Synchronmaschine 40 mit einem Läufer 42 und einem Ständer 46 dargestellt. Die Strömungsmaschine 11 kann als Turbine 11 oder als Turbolader 11 ausgeführt sein. Die Synchronmaschine 40 kann als Generator 40 oder als elektrischer Motor 40 ausgeführt sein.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsmaschine 11 als Turbine 11 und die Synchronmaschine 40 als Generator 40 ausgeführt. Das Laufrad 22 der Turbine 11 wird durch ein mit Druck beaufschlagtes Arbeitsmedium angetrieben. Das Arbeitsmedium wird einer Beschaufelung des mindestens einen Laufrades 22 der Turbine 11 über mindestens einen Versorgungskanal zugeführt. Im Versorgungskanal kann das Arbeitsmedium bevor es auf das Laufrad 22 trifft durch eine Düse beschleunigt werden. Nach dem Durchströmen der Beschaufelung des Laufrades 22 gelangt das entspannte Arbeitsmedium in einen Abströmkanal. Die Turbine 11 kann eine Radialturbine oder eine Axialturbine sein.
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Das Laufrad 22 der Turbine 11 bildet mit einem Läufer 42 der Synchronmaschine 40 eine gekoppelte Anordnung. Die gekoppelte Anordnung zwischen Laufrad 22 und Läufer 42 kann drehfest über eine Welle 44 oder über eine Kupplung gebildet sein.
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Der Synchronmaschine 40 ist als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet. Der Läufer 42 weist Permanentmagneten und der Ständer 46 weist mindestens drei versetzte Wicklungsstränge 48 auf.
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Durch die Bewegung der Permanentmagneten des Läufers 42 wird ein magnetischen Feld aufgebaut, welches in den mindestens drei versetzten Wicklungssträngen 48 des Ständers 46 eine Spannung induziert, so dass man an den Enden der mindestens drei Wicklungssträngen 48 eine Wechselspannung abgreifen kann.
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Die mindestens drei Wicklungsstränge 48 werden in einem Wechselrichter 50 auf Gleichspannung umgerichtet. Der Wechselrichter 50 kann in die Synchronmaschine 40 integriert sein oder getrennt von ihr installiert sein.
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Der Wechselrichter 50 ist mit einem Steuergerät 15 verbunden, welches den Wechselrichter 50 ansteuern kann und dabei interne Schalter des Wechselrichters 50 öffnen und schließen kann. Hierbei kann auch eine Ansteuerung der internen Schalter des Wechselrichters 50 vorgenommen werden, durch die die mindestens drei Wicklungsstränge 48 des Ständers 46 kurzgeschlossen werden.
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Die gekoppelte Anordnung aus Laufrad 22 und Läufer 42 weist mindestens ein aerodynamisches Luftlager 24 auf, welches zur Lagerung der beweglichen Teile der Turbine 11 und/oder der Synchronmaschine 40 dient.
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Das aerodynamische Luftlager 24 kann zur axialen und/oder radialen Lagerung der beweglichen Teile der Turbine 11 und/oder der Synchronmaschine 40 eingesetzt werden.
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Das aerodynamische Luftlager 24 baut den Luftfilm zur Lagerung der beweglichen Bauteile selber auf. Dazu müssen die beweglichen Bauteile eine vorgegebene Relativgeschwindigkeit zueinander aufweisen. Bei der Lagerung von rotierenden Bauteilen, wie z.B. der Welle 44, dem Laufrad 22 und dem Läufer 42, muss eine gewisse Minimaldrehzahl, die „Lift-Off-Drehzahl“, überschritten werden, damit das aerodynamische Luftlager 24 den Luftfilm zur Lagerung der beweglichen Teile aufbaut.
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Wenn der Begriff bewegliche Bauteile benutzt wird, bezieht er sich immer auf die beweglichen Bauteile der Turbine 11 und/oder der Synchronmaschine 40, die durch ein aerodynamisches Luftlager 24 gelagert werden.
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Ist die Drehzahl der beweglichen Teile unterhalb der „Lift-Off Drehzahl“, kann das aerodynamische Luftlager 24 keinen ausreichenden Luftfilm zwischen den beweglichen Teilen aufbauen und es entsteht Reibung zwischen den beweglichen Bauteilen. Sobald dies auftritt kann ein Verschleiß der beweglichen Bauteile auftreten, so dass es zu Schäden an den beweglichen Bauteilen kommen kann.
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Beim Start der Turbine 11 wird der Drehzahlbereich unterhalb der „Lift-Off-Drehzahl“ schnell durchlaufen, so dass die beweglichen Bauteile nur für sehr kurze Zeiten miteinander in Berührung sind, so dass der Verschleiß gering bleibt.
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Beim Abschaltvorgang einer Turbine 11 befindet sich das Laufrad 22 der Turbine 11 dagegen für längere Zeit in einem Drehzahlbereich der unterhalb der „Lift-Off-Drehzahl“ ist, so dass sich die beweglichen Teile für längere Zeit berühren und einer hohen Belastung durch Reibung ausgesetzt sind.
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Um den Abschaltvorgang der Turbine 11 zu beschleunigen, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbremsen der Turbine 11 vorgeschlagen bei dem die Bewegungsenergie des mindestens einen Laufrades 22 der Turbine 11 durch die Synchronmaschine 40 reduziert wird.
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Hierzu werden die mindestens drei Wicklungsstränge 48 im Wechselrichter 50 kurzgeschlossen. Durch das Kurzschließen der drei Wicklungsstränge 48 fließt in den Wicklungssträngen 48 ein Kurzschlussstrom, der wiederum ein Magnetfeld aufbaut, welches dem Magnetfeld des Läufers 42 entgegenwirkt. Dadurch wird die Rotationsenergie des Läufers 42 der Synchronmaschine 40 reduziert und der Läufer 42 der Synchronmaschine 40 abgebremst. Da der Läufer 42 mit dem Laufrad 22 eine gekoppelte Anordnung bildet, wird auch die Bewegungsenergie des Laufrades 22 der Turbine 11 reduziert.
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Die Bewegungsenergie des Laufrades 22 wird hierbei so stark reduziert, dass das mindestens eine Laufrad 22 zu einem Stillstand kommt.
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In den kurzgeschlossenen Wicklungssträngen 48 fließen elektrische Ströme, welche durch ohmsche Verluste zu einer Wärmeentwicklung in den Wicklungssträngen 48 führen. Um eine zu hohe Wärmeentwicklung in den kurzgeschlossenen Wicklungssträngen 48 zu vermeiden, werden die Wicklungsstränge 48 erst nach dem Unterschreiten einer Minimaldrehzahl kurzgeschlossen.
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Die Minimaldrehzahl wird möglichst gering gewählt, um die Wärmeentwicklung in den mindestens drei Wicklungssträngen 48 zu reduzieren, sollte aber nicht unterhalb der „Lift-Off-Drehzahl“ der aerodynamischen Luftlager 24 liegen, so dass es zu keiner Reibung zwischen den beweglichen Bauteilen kommt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Minimaldrehzahl gleich der „Lift-Off-Drehzahl“ des aerodynamischen Luftlagers 24 gewählt.
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Es ist ein Sensor 18 in der Turbine 11 vorgesehen, welcher die Drehzahl des Laufrades 22 bestimmt. Der Sensor 18 übermittelt abhängig von der gemessenen Drehzahl des Laufrades 22 ein Signal an das Steuergerät 15, welches den Wechselrichter 50 ansteuert.
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In der 2 ist ein Ablaufdiagramm zu einem Verfahren zum Abbremsen der Turbine 11 dargestellt.
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Im Verfahrensschritt 100 wird durch den Sensor 15 die Drehzahl des Laufrades 22 überwacht. Wenn die Drehzahl des Laufrades 22 unterhalb einer vorgegebenen Minimaldrehzahl ist, wird ein Signal an das Steuergerät 15 übermittelt und zum Verfahrensschritt 200 gegangen.
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Im Verfahrensschritt 200 steuert das Steuergerät 15 den Wechselrichter 50 so an, dass die Wicklungsstränge 48 durch das Schließen von internen Schaltern kurzgeschlossen werden. Durch den Kurzschluss der Wicklungsstränge 48 wird der Läufer 42 abgebremst und die Bewegungsenergie des Laufrades 22 reduziert bis das Laufrad 22 zu einem Stillstand kommt.
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Die Turbine 11 kann in einem geschlossenen Kreislauf 10, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, angeordnet sein. Der geschlossene Kreislauf 10 ist in 3 gezeigt und soll einen Dampfkreisprozess schematisch dargestellten.
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Dieser Dampfkreisprozess dient zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 12. Im geschlossenen Kreislauf 10 sind mindestens ein Wärmetauscher 18, die Turbine 11, ein Kondensator 14 und mindestens eine Pumpe 16 angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 12 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 12 ausgestaltet sein. Spezielle eignet sich die Vorrichtung zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen.
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Die Brennkraftmaschine 12 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage 13, in der ein Abgaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt der Abgasanlage 13 ist durch den Wärmetauscher 18 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird im Wärmetauscher 18 an das Arbeitsmedium im geschlossenen Kreislauf 10 abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 18 verdampft und überhitzt werden kann.
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Der Wärmetauscher 18 des geschlossenen Kreislaufs 10 ist über eine Leitung mit der Turbine 11 verbunden. Das verdampfte Arbeitsmedium treibt die Turbine 11 an.
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Nach dem Durchströmen der Turbine 11 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung zum Kondensator 12 geführt. Das über die Turbine 11 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 14 abgekühlt. Der Kondensator 14 kann mit einem Kühlkreislauf verbunden sein. Bei diesem Kühlkreislauf kann es sich z. B. um einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 12 handeln.
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Das im Kondensator 14 verflüssigte Arbeitsmedium wird über weitere Leitungen, in denen mindestens eine Pumpe 16 angeordnet ist, zum Wärmetauscher 18 transportiert.
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Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden, oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des geschlossenen Kreislaufs 10 thermodynamische Zustandsänderungen, die idealer weise einem Organic-Rankine-Cycle-Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Pumpe 16 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 18 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschießend überhitzt. Danach wird das verdampfte Arbeitsmedium in der Turbine 11 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische oder elektrische Energie gewonnen. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 14 abgekühlt und über die Pumpe 16 dem Wärmetauscher 18 zugeführt.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Strömungsmaschine 11 als Turbolader 11 und die Synchronmaschine 40 als elektrischer Motor 40 betrieben.
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Hierbei wird mindestens ein Laufrad 22 des Turboladers 11 durch den elektrischen Motor 40 angetrieben. Das Laufrad 22 des Turboladers 11 dient zum Verdichten eines Arbeitsmediums. Auch hier ist ein Einsatz von aerodynamischen Luftlagern 24 zur Lagerung der beweglichen Teile des Turboladers 11 und des elektrischen Motors 40 möglich. Um einen Verschleiß der beweglichen Bauteile und der aerodynamischen Luftlager 24 bei geringen Drehzahlen des Turboladers 11 und/oder der des elektrischen Motors 40 zu vermeiden, ist ein schnelles Reduzieren der Bewegungsenergie des Laufrades 22 des Turboladers 11 beim Abschaltvorgang erwünscht. Hierfür wird der elektrische Motor 40 zum Abbremsen des Laufrades 22 als Generator 40 betrieben und dann durch Kurzschluss der Wicklungsstränge 48 abgebremst.
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Das Verfahren und die Vorrichtung zum Abbremsen des Turboladers 11 erfolgt analog zu den Beschreibungen im vorherigen Ausführungsbeispiel, wobei die Bewegungsenergie des mindestens einen Laufrades 22 des Turboladers 11 durch die Synchronmaschine 40 reduziert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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