DE102012222010A1

DE102012222010A1 - Expansionsmaschine

Info

Publication number: DE102012222010A1
Application number: DE201210222010
Authority: DE
Inventors: Andreas Gruenberger; Thomas Steidten; Nadja Eisenmenger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine 4, insbesondere Turbine, die von einem Fluid durchströmt ist, wobei die Expansionsmaschine 4 eine Abtriebswelle 7 aufweist, die aus einem Expansionsmaschinengehäuse 8 herausgeführt ist, und wobei die Abtriebswelle 7 mit einem in einem Getriebegehäuse 10 angeordneten Getriebe 9 verbunden ist. Erfindungsgemäß wird eine Expansionsmaschine 4 bereitgestellt, bei der die Abdichtung einer Abtriebswelle 7 vereinfacht ist. Erreicht wird dies dadurch, dass das Getriebe 9 von dem Fluid geschmiert ist. Dadurch muss an der schnelldrehenden Abtriebswelle 7 der Expansionsmaschine im Bereich einer Verbindung zu dem Getriebegehäuse 10 keine aufwendige Dichteinrichtung vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine, insbesondere Turbine, die von einem Fluid durchströmt ist, wobei die Expansionsmaschine eine Abtriebswelle aufweist, die aus einem Expansionsmaschinengehäuse der Expansionsmaschine herausgeführt ist, und wobei die Abtriebswelle mit einem Getriebe verbunden ist.
Stand der Technik
Eine derartige Expansionsmaschine ist aus der DE 10 2011 007 386 A1 bekannt. Diese Expansionsturbine ist Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung an einer Motorenanlage für ein Schiff. Dabei weist das Schiff zwei Brennkraftmaschinen auf, deren Abgassysteme jeweils mit dem System zur Abwärmerückgewinnung verbunden sind. Diese beiden Systeme weisen eine gemeinsame Expansionsmaschine in Form einer Turbine auf, die von einem durch einen Wärmetauscher in der jeweiligen Abgasleitung in die dampfförmige Phase überführten Fluid durchströmt wird. Die Expansionsmaschine beziehungsweise eine Abtriebswelle der Expansionsmaschine ist über ein Getriebe mit einem Generator drehantriebsverbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsmaschine bereitzustellen, bei der Abdichtung einer Abtriebswelle der Expansionsmaschine vereinfacht ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Getriebe von dem Fluid geschmiert ist. Diese Ausgestaltung hat mehrere Vorteile. Ein ganz wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Abtriebswelle gegenüber der Durchführung in dem Expansionsmaschinengehäuse nicht mehr mittels einer Dichtung abgedichtet werden muss beziehungsweise es kann eine gegebenenfalls vorgesehene Dichtung deutlich vereinfacht werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Abtriebswelle der Expansionsmaschine mit einer Drehzahl 100.000 Umdrehungen pro Minute und mehr dreht und dementsprechend hohe Anforderungen an eine hiermit zusammenwirkende Dichtung insbesondere hinsichtlich des Verschleissverhaltens gestellt sind. So treten zwischen der Abtriebswelle und einer mit dieser zusammenwirkenden Dichtlippe der Dichtung Relativgeschwindigkeiten bis zu 100 Meter pro Sekunde auf. Standarddichtungen, beispielsweise Radialwellendichtringe weisen aber nur eine zugelassene Relativgeschwindigkeit bis zu 20 Meter pro Sekunde auf, mit einem Radialdichtring, der eine PTFE-Dichtlippe aufweist, kann eine zulässige Relativgeschwindigkeit von bis zu 50 Meter pro Sekunde erreicht werden. Daher müssen bisher aufwendige Spezialdichtungen verbaut werden. Da nunmehr erfindungsgemäß das Getriebe von dem Fluid geschmiert ist, kann auf eine aufwendige Dichtung ganz verzichtet werden und nur beispielsweise eine berührungslos funktionierende Dichtung vorgesehen sein, da zumindest geringe Leckagen zulässig sind, die dann beispielsweise direkt in ein Getriebegehäuse eingeleitet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Verwendung von Fluid zur Schmierung des Getriebes, auf einen separaten Schmiermittelkreislauf mit einem eigenen Schmiermittel für das Getriebe gänzlich verzichtet werden kann, wodurch der Bauaufwand deutlich reduziert wird. Dadurch werden Kostenvorteile erzielt und durch den Wegfall von zusätzlichen Bauteilen, wie einem Vorratstank, einem Schmiermittelkühler und einer Schmiermittelpumpe wird eine Reduzierung des Volumenbedarfs erreicht. Dabei kann es zwar sein, dass das Getriebe durch die Umstellung des Schmiermittels auf das Fluid etwas größer baut, wobei diese hierdurch bedingte Volumenzunahme aber durch den Wegfall der zuvor geschilderten Bauteile mehr als ausgeglichen wird.
In Weiterbildung der Erfindung weist das Getriebe ein Getriebegehäuse auf, und das Getriebegehäuse grenzt an das Expansionsmaschinengehäuse an. Grundsätzlich kann das Getriebegehäuse auch über ein Zwischengehäuse mit dem Expansionsmaschinengehäuse verbunden sein, so dass in jedem Fall die Abtriebswelle vollständig gekapselt ist. Dadurch, dass aber das Getriebegehäuse direkt an Expansionsmaschinengehäuse angrenzt und mit diesem dichtend verbunden ist, wird ein Zwischengehäuse eingespart. Somit kann eine an der Abtriebswelle austretende geringe Leckagemenge von Fluid direkt in das Getriebegehäuse eingeführt werden und zusammen mit einer regulären Schmiermenge von Fluid abgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Fluid ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid, insbesondere Toluol, Kältemittel, Silikonöl, Ethanol oder Mischungen dieser Stoffe mit hochtemperaturbeständigem Öl. Hierbei wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Expansionsmaschine beispielsweise eine Auswahl nach den Schmiereigenschaften des Fluids getroffen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Getriebeausgangswelle mit einer Arbeitsmaschine, insbesondere einem Generator, verbunden. Die Getriebeausgangswelle kann aber auch direkt mit der Brennkraftmaschine oder einem mit der Brennkraftmaschine verbundenen Übersetzungsgetriebe verbunden sein und Leistung zur Entlastung der Brennkraftmaschine an diese direkt oder indirekt zurückführen. Dabei ist an der Getriebeausgangswelle im Bereich des Getriebegehäuses eine Dichtung vorgesehen. Da aber die Drehzahl der Getriebeausgangswelle deutlich geringer als die Drehzahl der mit dem Getriebe verbundenen Abtriebswelle der Expansionsmaschine ist, kann an dieser Stelle problemlos auf eine kostengünstige Standarddichtung zurückgegriffen werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Expansionsmaschine Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine. Grundsätzlich kann der Gegenstand der Erfindung bei einer beliebigen mit einem Getriebe zusammenwirkenden Expansionsmaschine angewendet werden, wobei aber die bevorzugte Anwendung bei einer Expansionsmaschine erfolgt, die Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung ist. Hierbei ist bei der Wahl des entsprechenden Fluids besonders darauf zu achten, dass dieses beispielsweise wegen umweltbelastender Eigenschaften nicht mit der Umgebung in Kontakt kommt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sicher gewährleistet.
In Weiterbildung der Erfindung weist das System neben der Expansionsmaschine einen Kondensator, eine Pumpe und einen in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingebauten Wärmetauscher auf, die zu einem gemeinsamen Fluidkreislauf zusammengeschaltet sind. Dies sind die Komponenten, die für einen typischen Rankine-Prozess zusammengeschaltet sind.
In Weiterbildung der Erfindung ist stromabwärts der Pumpe ein Fluidabzweig vorhanden, der über eine Leitung mit einem Getriebegehäusefluidzugang verbunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass dem Getriebe Fluid in flüssigem Zustand zugeführt wird. In weiterer Ausgestaltung ist ein Getriebegehäusefluidausgang ebenfalls über eine Leitung mit einem stromaufwärts der Pumpe angeordneten Fluideinzweig verbunden. Dadurch steht dem Getriebe jederzeit konditioniertes Schmiermittel in Form von dem für einen Rankine-Prozess geeigneten Fluid zur Verfügung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Systems zur Abwärmerückgewinnung aus den Abgasstrom einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäß von einem Fluid des Fluidkreislaufs des Systems geschmierten Getriebe.
Ausführungsform der Erfindung
Das in 1 schematisch dargestellte System zur Abwärmerückgewinnung weist einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 1 auf, der von einem Abgasstrom 2 einer Brennkraftmaschine 20 durchströmt ist. Der Brennkraftmaschine 20 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen unter Erzeugung von Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei kontinuierlichem Betrieb der Brennkraftmaschine 20 den Abgasstrom 2 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 2 durch eine Abgasleitung 21, in die vor und/oder hinter dem Wärmetauscher 1 Abgasschalldämpfer 22 sowie Einrichtungen 23 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter, eingebaut sein können, letztendlich in die Umgebung abgeführt. Die Brennkraftmaschine 20 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt.
Der Wärmetauscher 1 ist seinerseits Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung, das einen Fluidkreislauf 3 aufweist. Der Fluidkreislauf 3 weist neben dem Wärmetauscher 1 eine Expansionsmaschine 4, einen Kondensator 5 und eine Pumpe 6 sowie gegebenenfalls einen Tank 24 auf. Die Expansionsmaschine 4, die insbesondere eine Turbine ist, weist eine in einem Expansionsmaschinengehäuse 8 angeordnete beziehungsweise gelagerte Abtriebswelle 7 auf, die aus dem Expansionsmaschinengehäuse 8 herausgeführt ist und mit einer Eingangswelle eines Getriebes 9, das beispielsweise ein Reibradgetriebe sein kann, verbunden ist. Das Getriebe 9 ist in einem Getriebegehäuse 10 eingebaut. Das Expansionsmaschinengehäuse 8 ist entweder direkt mit dem Getriebegehäuse 10 verbunden oder aber das Expansionsmaschinengehäuse 8 ist über ein strichliniert dargestelltes Zwischengehäuse 11 mit dem Getriebegehäuse 10 verbunden, wobei die Abtriebswelle 7 in jedem Falle innerhalb des Expansionsmaschinengehäuses 8 oder des Zwischengehäuses 11 angeordnet ist.
Das Getriebe 9 weist eine Getriebeausgangswelle 12 auf, die mit einer Arbeitsmaschine 13, die beispielsweise ein Generator ist, verbunden ist. Im Bereich des Austritts der Getriebeausgangswelle 12 aus dem Getriebegehäuse 10, beziehungsweise beim direkten Anbau der Arbeitsmaschine 13 an dem Getriebegehäuse 10 auch an dem Arbeitsmaschinengehäuse ist eine Dichtung 14 vorgesehen, die mittels einer Dichtlippe mit dem Außenumfang der Getriebeausgangswelle zusammenwirkt. Die Dichtung 14 ist nur aus Übersichtlichkeitsgründen in der Figur freiliegend zwischen dem Getriebegehäuse 10 und der Arbeitsmaschine 13 angeordnet und verhindert, dass das in dem Getriebegehäuse 10 befindliche zur Schmierung dienende Fluid zur Umgebung austreten oder aber in die Arbeitsmaschine eintreten kann. Da die Drehzahl der Getriebeausgangswelle 12 deutlich geringer als die Drehzahl der Abtriebswelle 7 der Expansionsmaschine 4 ist, kann bei der Auswahl der Dichtung 14 beispielsweise auf einen standardmäßigen Wellendichtring zurückgegriffen werden.
Dem Getriebe 9 wird zur Schmierung der Getrieberäder Fluid aus dem Fluidkreislauf 3 zugeführt und nach der Durchströmung des Getriebes 9 wieder in den Fluidkreislauf 3 eingeleitet. Hierbei wird das Fluid stromabwärts der Pumpe 6 entnommen, wobei das Fluid in diesem Bereich sich in seiner flüssigen Phase befindet. Hierzu ist in dem Fluidkreislauf 3 stromabwärts der Pumpe 6 ein Fluidabzweig 15 vorgesehen, der über eine Leitung 17a mit einem Getriebegehäusefluidzugang 18 verbunden ist. Ein gegenüberliegender Getriebegehäusefluidausgang 19 ist über eine Leitung 17b mit einem Fluideinzweig 16 verbunden, der stromaufwärts der Pumpe 6 angeordnet ist.
Beim Betrieb des Systems zur Abwärmerückgewinnung wird von der Pumpe 6 ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid auf einen hohen Druck gebracht und dem Wärmetauscher 1 in Form eines Verdampfers zugeführt. Das Fluid verdampft in dem Wärmetauscher 1 und wird in dem Wärmetauscher 1 überhitzt. Danach wird der überhitzte Dampf der Expansionsmaschine 4 zugeführt und entspannt sich dabei unter der Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über die Abtriebswelle 7 abgeführt wird. Danach wird der „kalte“ Dampf im Kondensator 5 kondensiert und der Pumpe 6 wieder zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011007386 A1 [0002]

Claims

Expansionsmaschine (4), insbesondere Turbine, die von einem Fluid durchströmt ist, wobei die Expansionsmaschine (4) eine Abtriebswelle (7) aufweist, die aus einem Expansionsmaschinengehäuse (8) herausgeführt ist, und wobei die Abtriebswelle (7) mit einem Getriebe (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (9) von dem Fluid geschmiert ist.
Expansionsmaschine (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (9) ein Getriebegehäuse (10) aufweist und dass das Getriebegehäuse (10) an das Expansionsmaschinengehäuse (8) angrenzt.
Expansionsmaschine (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid, insbesondere Toluol, Ethanol, ein Kältemittel oder ein Silikonöl ist.
Expansionsmaschine (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Getriebeausgangswelle (12) mit einer Arbeitsmaschine (13), insbesondere einem Generator, oder einer Brennkraftmaschine (20) verbunden ist.
Expansionsmaschine (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Getriebeausgangswelle (12) im Bereich des Getriebegehäuses (10) und/oder der Arbeitsmaschine (13) eine Dichtung (14) angeordnet ist.
Expansionsmaschine (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (4) Teil eines Systems zur Abwärmerückgewinnung aus einem Abgasstrom (2) einer Brennkraftmaschine (20) ist.
Expansionsmaschine (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System neben der Expansionsmaschine (4) einen Kondensator (5), eine Pumpe (6) und einen in einer den Abgasstrom (2) führenden Abgasleitung (21) der Brennkraftmaschine (20) eingebauten Wärmetauscher (1) aufweist, die zu einem gemeinsamen Fluidkreislauf (3) zusammengeschaltet sind.
Expansionsmaschine (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Pumpe (6) ein Fluidabzweig (15) vorgesehen ist, der über eine Leitung (17a) mit einem Getriebegehäusefluidzugang (19) verbunden ist.
Expansionsmaschine (4) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebegehäusefluidausgang (19) über eine Leitung (17b) mit einem stromaufwärts der Pumpe (6) angeordneten Fluideinzweig (16) verbunden ist.