DE102013021251A1

DE102013021251A1 - Fluidenergiemaschine und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102013021251A1
Application number: DE201310021251
Authority: DE
Inventors: Manuel Jung; Eugen Krebs; Alexander Kropp; Nicolas Stanzel; Thomas Streule
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 2013-12-14
Filing date: 2013-12-14
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine (1) zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie, wobei die Fluidenergiemaschine (1) einen Hochdruckanschluss (8) zur Zuführung des Fluids und einen Niederdruckanschluss (9) zum Austritt des Fluids aufweist, wobei ein Bypass vorgesehen ist, durch den der Hochdruckanschluss (8) und der Niederdruckanschluss (9) mittels einer Steuervorrichtung (15) so verbindbar sind, dass die Fluidenergiemaschine (1) momentenfrei schaltbar ist, wobei der Bypass und die Steuervorrichtung (15) innerhalb der Fluidenergiemaschine (1) und/oder in diese integriert angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb der Fluidenergiemaschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Fluidenergiemaschinen sind Maschinen, in denen mechanische Arbeit mit einem Fluid ausgetauscht wird. Fluidenergiemaschinen können beispielsweise als Scrollmaschinen ausgebildet sein, bei denen eine Volumenänderung mit einer orbitierenden Bewegung einer meist spiralförmigen Komponente verknüpft ist.
Eine Scrollmaschine kann als Scroll-Expander benutzt werden, wobei ein expandierendes Fluid die orbitierende Bewegung verursacht, die durch einen Exzenter in eine rotatorische Bewegung umgesetzt wird. Über diese rotatorische Bewegung wird eine Elektromaschine betrieben.
Eine Scrollmaschine kann ebenso als Scroll-Kompressor benutzt werden, wobei eine Elektromaschine den Exzenter in eine rotatorische Bewegung versetzt, die dieser in eine orbitierende Bewegung umsetzt, durch die ein Fluid komprimiert wird. Durch Umkehr der Rotationsrichtung kann die Scrollmaschine auch als Scroll-Pumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Fluidenergiemaschine und ein verbessertes Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fluidenergiemaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie weist einen Hochdruckanschluss zur Zuführung des Fluids und einen Niederdruckanschluss zum Austritt des Fluids auf, wobei ein Bypass vorgesehen ist, durch den der Hochdruckanschluss und der Niederdruckanschluss mittels eines Steuervorrichtung so verbindbar sind, dass die Fluidenergiemaschine momentenfrei schaltbar ist. Erfindungsgemäß sind der Bypass und die Steuervorrichtung innerhalb der Fluidenergiemaschine und/oder in diese integriert angeordnet. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche externe Bypassleitung verzichtet werden, wodurch Kosten und Bauraum reduziert werden.
In einem Verfahren zum Betrieb einer Fluidenergiemaschine zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie wird erfindungsgemäß das unter Druck stehende Fluid der Fluidenergiemaschine an einem Hochdruckanschluss zugeführt und aus der Fluidenergiemaschine an einem Niederdruckanschluss abgeführt, wobei mittels einer Steuervorrichtung in zumindest einem vorgegebenen Betriebszustand der Fluidenergiemaschine ein innerhalb der Fluidenergiemaschine und/oder in diese integriert angeordneter Bypass geschaltet wird, durch den der Hochdruckanschluss und der Niederdruckanschluss so verbunden werden, dass die Fluidenergiemaschine momentenfrei schaltbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Fluidenergiemaschine mit einem Bypass.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die einzige 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Fluidenergiemaschine 1. Die Fluidenergiemaschine 1 ist als eine Scroll-Maschine 1, insbesondere als Scroll-Expander ausgebildet. Die Scroll-Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine stationäre Statorscheibe 3 mit einer Statorspirale 4 und eine gegenüber der Statorscheibe 3 orbitierende bewegliche Exzenterscheibe 5 mit einer Exzenterspirale 6, die mit der Statorspirale 4 zur Bildung einer Druckkammer 7 für ein Fluid zwischen der Statorscheibe 3 und der Exzenterscheibe 5 verschachtelt ist, angeordnet sind. Die Statorscheibe 3 weist einen Hochdruckanschluss 8 zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Fluids und einen Niederdruckanschluss 9 zur Ableitung des Fluids auf.
Zum Abdichten der Druckkammer 7 ist eine Anpressvorrichtung 11 in Form einer Gegendruckkammer 12 vorgesehen, die durch Einleiten von unter Druck stehendem Fluid (Backpressure) die Exzenterscheibe 5 in Richtung der Statorscheibe 3 mit einer Anpresskraft beaufschlagen kann. Das Fluid wird der Gegendruckkammer 12 über eine Steuerleitung 13 zwischen dem Hochdruckanschluss 8 und der Gegendruckkammer 12 mit einem steuerbaren Ventil 14 zugeleitet.
Die Anpressvorrichtung 11 sorgt in den meisten Betriebszuständen dafür, dass entgegen dem Druck des Fluids in der Scroll-Maschine 1 ein Spalt zwischen der Exzenterspirale 6 und der Statorscheibe 3 und ein Spalt zwischen der Statorspirale 4 und der Exzenterscheibe 5 möglichst nahezu geschlossen ist, so dass ein Druckgefälle innerhalb der Scroll-Maschine 1 weitgehend vollständig ausgenutzt werden kann. Der Druck in der Gegendruckkammer 12 wird durch die Größe des steuerbaren Ventils 14 und durch eine Leckage an einer Dichtung 10, insbesondere einer Gleitringdichtung, zwischen der Gegendruckkammer 12 und dem Niederdruckanschluss 9 eingestellt. Dadurch wird erreicht, dass sich die Anpresskraft zwischen der Exzenterscheibe 5 und der Statorscheibe 3 proportional zum Druck ändert, womit ein guter Kompromiss aus mechanischer Verlustleistung und Leckageverlusten erzielt wird. Die Volumenströme über das steuerbare Ventil 14 sind vernachlässigbar klein gegenüber einem Hauptvolumenstrom des Fluids durch die Druckkammer 7.
Die Steuerleitung 13 und das steuerbare Ventil 14 sind Teile einer Steuervorrichtung 15, durch die die Exzenterscheibe 5 mit einer der Anpresskraft entgegengesetzten Kraft beaufschlagbar ist oder mit der die Anpresskraft reduzierbar ist, derart, dass ein Bypass durch interne Undichtigkeit zwischen Statorscheibe 3 und Exzenterscheibe 5 gebildet wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Anpresskraft durch Schließen des steuerbaren Ventils 14 reduziert und so der interne Bypass durch die Scroll-Maschine 1 geschaltet.
Indem die Anpresskraft durch die Steuervorrichtung 15 reduziert wird, bewegt sich infolge des Drucks des Fluids in der Druckkammer 7 die Exzenterscheibe 5 in einer Axialrichtung von der Statorscheibe 3 weg, so dass die Spalten sich vergrößern. Auf diese Weise kann ein Bypass in der Scroll-Maschine 1 geschaltet werden, so dass diese momentenlos gestellt wird. Dabei strömt das Fluid nahezu ohne Gegendruck durch die Scroll-Maschine 1, ohne dass thermodynamische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Auf diese Weise kann die Scroll-Maschine 1 in bestimmten vorgegebenen Betriebszuständen momentenlos gestellt werden.
Die Steuerleitung 13 mit dem steuerbaren Ventil 14 stellt dabei nicht selbst den Bypass dar, sondern steuert lediglich die Anpressvorrichtung 11 so, dass der Bypass innerhalb der Scroll-Maschine 1 zwischen der Statorscheibe 3 und der Exzenterscheibe 5 schaltbar ist. Querschnitt und Materialbedarf der Steuerleitung 13 sind dabei erheblich geringer als bei einer direkten Bypassleitung zwischen Hochdruckanschluss 8 und Niederdruckanschluss 9. Ebenso kann ein erheblich kleineres und kostengünstigeres steuerbares Ventil 14 in der Steuerleitung 13 vorgesehen sein als in einer direkten Bypassleitung erforderlich wäre.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weist die Steuervorrichtung 15 einen steuerbaren Magnetaktor oder einen Druckluftaktor auf, der die Exzenterscheibe 5 mit einer der Anpresskraft entgegengesetzten Kraft beaufschlagen kann, um den internen Bypass zu schalten.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Bypassleitung zwischen Hochdruckanschluss 8 und Niederdruckanschluss 9 innerhalb der Fluidenergiemaschine 1, insbesondere Scroll-Maschine 1, angeordnet. Bevorzugt weist die Steuervorrichtung 15 ein steuerbares Ventil 14 in der Bypassleitung auf.
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Fluidenergiemaschine 1 als eine Turbine ausgebildet. Ebenso kann der integrierte Bypass in anderen Arten von Fluidenergiemaschinen 1 vorgesehen sein.
In einem Verfahren zum Betrieb der Fluidenergiemaschine 1 zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie wird erfindungsgemäß das unter Druck stehende Fluid der Fluidenergiemaschine 1 am Hochdruckanschluss 8 zugeführt und aus der Fluidenergiemaschine 1 an einem Niederdruckanschluss 9 abgeführt, wobei mittels der Steuervorrichtung 15 in zumindest einem vorgegebenen Betriebszustand der Fluidenergiemaschine 1 der innerhalb der Fluidenergiemaschine 1 und/oder in diese integriert angeordnete Bypass geschaltet wird, durch den der Hochdruckanschluss 8 und der Niederdruckanschluss 9 so verbunden werden, dass die Fluidenergiemaschine 1 momentenfrei schaltbar ist.
Die Scroll-Maschine 1 kann als Kompressor, als Vakuumpumpe oder als Expander zur Umwandlung mechanischer Energie aus einem in der Scroll-Maschine 1 expandierenden, die Exzenterspirale 6 antreibenden Fluid in elektrische Energie in einem durch die Exzenterspirale 5 angetriebenen Generator (nicht gezeigt), beispielsweise in einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery), insbesondere Abgaswärmerückgewinnung (Exhaust Heat Recovery) aus einer Brennkraftmaschine, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. In diesem Fall wird als Fluid ein Arbeitsmittel aus einem über einen Wärmetauscher mittels Abwärme beheizten Arbeitsmittelkreislauf verwendet, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht. Die Scroll-Maschine 1 ist dabei in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittel durchströmbar, wobei ein Expansionsverhältnis der Scroll-Maschine 1 und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmitteln zur Scroll-Maschine 1 veränderbar sein können bzw. kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Bypass in zumindest einem der vorgegebenen Betriebszustände der Fluidenergiemaschine 1 „Anfahren”, „Leerlauf”, „Nachlauf” zum Abkühlen und/oder Abschaltung im Fehlerfall geschaltet werden. Beim Anfahren eines Rankine-Kreis-Prozesses kann es vorteilhaft sein, den Scroll-Expander 1 momentenlos zu stellen, da bei geschlossenem Bypass im Scroll-Expander 1 sehr geringe Volumenströme auftreten, bei denen die Versorgung des Expanders mit Schmiermittel, insbesondere Öl, nicht sichergestellt ist.
Vorteilhafterweise ist ein Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs der Scroll-Maschine 1 zentrisch zuführbar.
Ein Expansionsdruckgefälle innerhalb der Scroll-Maschine 1 ist von der Geometrie der Statorspirale 4 und der Exzenterspirale 6 abhängig. Diese Geometrie ist somit zweckmäßigerweise bei der Konstruktion der Scroll-Maschine 1 an die jeweiligen Bedingungen im Arbeitsmittelkreislauf anpassbar.
Die Statorspirale 4 und die Exzenterspirale 6 können als archimedische Spiralflächen ausgeformt sein, welche um 180° im Uhrzeigersinn gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Somit kann nahezu die gesamte, im Betrieb einer Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie im Arbeitsmittelkreislauf und in der Scroll-Maschine 1 genutzt werden.
Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Fluidenergiemaschine, Scroll-Maschine
2: Gehäuse
3: Statorscheibe
4: Statorspirale
5: Exzenterscheibe
6: Exzenterspirale
7: Druckkammer
8: Hochdruckanschluss
9: Niederdruckanschluss
10: Dichtung
11: Anpressvorrichtung
12: Gegendruckkammer
13: Steuerleitung
14: steuerbares Ventil
15: Steuervorrichtung

Claims

Fluidenergiemaschine (1) zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie, wobei die Fluidenergiemaschine (1) einen Hochdruckanschluss (8) zur Zuführung des Fluids und einen Niederdruckanschluss (9) zum Austritt des Fluids aufweist, wobei ein Bypass vorgesehen ist, durch den der Hochdruckanschluss (8) und der Niederdruckanschluss (9) mittels einer Steuervorrichtung (15) so verbindbar sind, dass die Fluidenergiemaschine (1) momentenfrei schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass und die Steuervorrichtung (15) innerhalb der Fluidenergiemaschine (1) und/oder in diese integriert angeordnet sind.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine (1) als eine Scroll-Maschine (1) ausgebildet ist, die eine stationäre Statorscheibe (3) mit einer Statorspirale (4) und eine gegenüber der Statorscheibe (3) orbitierend bewegliche Exzenterscheibe (5) mit einer Exzenterspirale (6) aufweist, wobei die Exzenterspirale (6) mit der Statorspirale (4) zur Bildung einer Druckkammer (7) für das Fluid zwischen der Statorscheibe (3) und der Exzenterscheibe (5) verschachtelt ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine (1) als eine Turbine ausgebildet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abdichten der Druckkammer (7) eine Anpressvorrichtung (11) vorgesehen ist, durch die die Exzenterscheibe (5) in Richtung der Statorscheibe (3) mit einer Anpresskraft beaufschlagbar ist, wobei die Steuervorrichtung (15) so ausgebildet ist, dass die Exzenterscheibe (5) mit einer der Anpresskraft entgegengesetzten Kraft beaufschlagbar ist oder dass die Anpresskraft reduzierbar ist, derart, dass der Bypass durch interne Undichtigkeit zwischen Statorscheibe (3) und Exzenterscheibe (5) gebildet wird.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressvorrichtung (11) als eine Gegendruckkammer (12) ausgebildet ist, die mit dem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagbar ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerleitung (13) zwischen dem Hochdruckanschluss (8) und der Gegendruckkammer (12) angeordnet ist, wobei in der Steuerleitung (13) ein steuerbares Ventil (14) angeordnet ist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (15) einen Magnetaktor aufweist.
Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (15) einen Druckluftaktor aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Fluidenergiemaschine (1) zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei das unter Druck stehende Fluid der Fluidenergiemaschine (1) an einem Hochdruckanschluss (8) zugeführt und aus der Fluidenergiemaschine (1) an einem Niederdruckanschluss (9) abgeführt wird, – wobei mittels einer Steuervorrichtung (15) in zumindest einem vorgegebenen Betriebszustand der Fluidenergiemaschine (1) ein innerhalb der Fluidenergiemaschine (1) und/oder in diese integriert angeordneter Bypass geschaltet wird, durch den der Hochdruckanschluss (8) und der Niederdruckanschluss (9) so verbunden werden, dass die Fluidenergiemaschine (1) momentenfrei schaltbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass in zumindest einem der vorgegebenen Betriebszustände der Fluidenergiemaschine (1) „Anfahren”, „Leerlauf”, „Nachlauf zum Abkühlen und/oder Abschaltung im Fehlerfall geschaltet wird.