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Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine, insbesondere zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Turbinengehäuse, einem zumindest eine Düse aufweisenden Leitrad und mindestens einem Laufrad, und wobei die Düse als in das Leitrad eingelassener Kanal ausgebildet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Kanal einer Düse einer Dampfturbine.
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Stand der Technik
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Ein derartige Dampfturbine ist aus der
DE 10 2010 042 412 A1 bekannt. Diese Dampfturbine ist zu Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine ausgelegt und weist die üblichen Bauteile in Form eines Turbinengehäuses, eines zumindest zwei Düsen aufweisenden Leitrads und eines Laufrads auf. Die Düsen sind als rechteckige Kanäle ausgebildet, und weisen einen konvergierenden und divergierenden Querschnittsverlauf entlang des Kanals auf. Zudem sind die Kanäle in einem Mittenbereich des Leitrads angeordnet. Eine solcher Kanal mit sich änderndem Querschnittsverlauf ist schwierig zu fertigen. Die Besonderheit der in diesem Dokument beschriebenen Düsen ist es, das die zumindest zwei Düsen für unterschiedliche Lastpunkte des Laufrades ausgelegt sind und voneinander unabhängig zu- und abschaltbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfturbine mit einem zumindest in einer in einem Leitrad angeordneten Düse bereitzustellen, deren Düsen einfach zu fertigen sind. Weiterhin soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren angegeben werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kanal eine konstante Breite B und eine sich entlang des Kanals verändernde Tiefe T aufweist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein so ausgebildeter Kanal durch die konstante Breite B des Kanals einfach zu fertigen ist, da die Tiefe T des Kanals durch die Eintauchtiefe des entsprechenden Werkzeugs in das Werkstück einfach eingestellt werden kann. Das entsprechende Herstellungsverfahren ist wesentlich einfacher als das Herstellungsverfahren eines konventionellen Kanals, bei dem sich die Breite B des Kanals beidseits einer Mittellängsebene durch den Kanal ändert. Hierfür müssen verschiedene Werkzeuge und/oder Herstellungsgänge vorgesehen sein, um einen derartig ausgebildeten Kanal zu fertigen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Kanal um einen Winkel β geneigt in dem Leitrad angeordnet. Diese Neigung wird vorgenommen, um den durch die Düse hindurch strömenden Dampf so auf die Schaufeln des Laufrads auszurichten, dass sich ein optimaler Antriebswirkungsgrad ergibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kanal gewunden in dem Leitrad angeordnet. Auch ein solchermaßen gewundener Kanal kann einfach beispielsweise mit einem Stiftfräser, der einen der Breite B des Kanals entsprechenden Durchmesser aufweist, gefertigt werden. Bei einem solchermaßen gewundenen Kanal ändert sich der Winkel β entlang des Kanals.
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In Weiterbildung der Erfindung sind ein Einlauf in den Kanal und ein Auslauf aus dem Kanal gewunden zu einem Kanalmitteilteil beziehungsweise einer Kanalmitte angeordnet. Hierbei ist insbesondere der Auslauf beziehungsweise dessen Ausrichtung zu den Schaufeln des Laufrads für einen guten Wirkungsgrad der Dampfturbine wichtig, während die Ausrichtung des Einlaufs bei der Bestimmung des Wirkungsgrades eine eher untergeordnete Rolle spielt. Dabei weist die Ausrichtung des Auslaufs am Ausgang auf der Auslaufseite den Winkel α auf.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Winkel α am Ausgang aus dem Kanal beim Übergang zu dem Laufrad 15° bezogen auf die axiale Längsachse x durch die Dampfturbine. Dieser Winkel α ist auf die Geometrie des Laufrads abgestimmt und kann bei abweichender Ausgestaltung des Laufrads selbstverständlich auch andere Winkel aufweisen. Bei einem nicht gewundenen Kanal sind die Winkel α und β gleich.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Düse eine Lavaldüse. Insbesondere mittels einer Lavaldüse ergibt sich die Möglichkeit, den Dampf auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen und somit das Laufrad mit auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigtem Dampf anzutreiben.
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In Weiterbildung der Erfindung ist eine Anzahl von Düsen auf dem Außenumfang in das Leitrad eingelassen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine günstige Anströmung des Laufrads über dessen gesamten Umfang. Darüber hinaus kann dadurch, dass die Breite B der einzelnen Kanäle entlang des Kanals konstant ist, eine größere Anzahl von Düsen auf dem Leitrad angeordnet sein als dies bei einer konventionellen Düse möglich ist. Zudem trägt die konstante Breite B der sich zwischen den Kanälen ergebenden Stege zu einer Erhöhung der Festigkeit des Leitrads und somit zu einer Verbesserung der Betriebssicherheit der Dampfturbine bei. Schließlich ist der auf dem Außenumfang angeordnete Kanal einfach herzustellen.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen die Düsen entlang des jeweiligen Kanals einen konstanten Abstand A zueinander auf. Dies gilt insbesondere auch bei gewundenen Kanälen.
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In weiterer Ausgestaltung ist ein einziges Werkzeug zur Fertigung des Kanals vorgesehen. Dieses Werkzeug kann beispielsweise eine Frässcheibe sein, die zur Herstellung eines geraden Kanals eingesetzt werden kann. Die Frässcheibe weist eine Dicke auf, die der Breite des zu erzeugenden Kanals entspricht, während die Tiefe des in das Laufrad einzuarbeitenden Kanals durch die Eintauchtiefe des Werkzeugs in das Laufrad bestimmt ist. Wie schon zuvor ausgeführt worden ist, ist aber auch ein stiftförmiges Fräswerkzeug zur Herstellung des Kanals geeignet, wobei ein solches Fräswerkzeug insbesondere bei der Herstellung eines gewundenen Kanals verwendet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 einen Kreislauf eines Systems zur Abwärmenutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung,
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2 in einer auseinander gezogenen dreidimensionalen Ansicht eine Einlaufschnecke, ein Leitrad und ein Laufrad einer Dampfturbine,
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3 eine Detailansicht eines Leitrads mit drei eingelassenen Düsen und
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4 Prinzipdarstellungen einer normalen und einer umgestalteten Lavaldüse. Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein System zur Abwärmenutzung, insbesondere zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine werden dieser Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine beim Betrieb derselben unter Wärmeentwicklung verbrennen und Kolben zur Erzeugung einer Drehbewegung einer mit den Kolben verbundenen Kurbelwelle in Zylindern bewegen. Das Kraftstoffeinspritzsystem der Brennkraftmaschine ist beispielsweise al Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet und die Brennkraftmaschine eine mit Dieselkraftstoff betriebene selbstzündende Brennkraftmaschine. Der Abwärmestrom aus Brennstoff und Brennluft wird über eine Abgasleitung 1 abgeführt und durch einen Verdampfer 2 geleitet. Der Verdampfer 2 ist beispielsweise als Röhrenwärmetauscher ausgebildet und weist eine Anzahl von Rohren auf, durch die das heiße Abgas geleitet wird, bevor es auf der Ausgangsseite des Verdampfers 2 in die weiterführende Abgasleitung 1 gelangt. In die Abgasleitung 1 können vor oder hinter dem Verdampfer 2 ein Abgasschalldämpfer und/oder eine Einrichtung zur Nachbehandlung des Abgases beispielsweise in Form eines Katalysators und/oder eines Rußfilters eingebaut sein, bevor das Abgas aus der Abgasleitung 1 in die Umgebung abgeleitet wird.
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Der Verdampfer 2 ist Teil eines Systems zur Abwärmenutzung aus dem Abwärmestrom der Brennkraftmaschine und weist einen Arbeitsfluidkreislauf 3 auf, der vor einem Arbeitsfluid, das beispielsweise Wasser oder ein organisches Medium wie beispielsweise Ethanol ist, durchströmt wird. Dazu ist eine Pumpe 4 in den Arbeitsfluidkreislauf 3 eingeschaltet, die das Arbeitsfluid durch den Arbeitsfluidkreislauf 3 fördert. Die Pumpe 4 kann mechanisch, hydraulisch oder vorzugsweise elektrisch betrieben werden, wobei der Betrieb gesteuert werden kann. Das heißt, die Pumpe kann zumindest in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Systems eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Das Arbeitsfluid wird von der Pumpe 4 durch den Verdampfer 2 gefördert und gelangt anschließend zu einer Expansionsmaschine in Form einer Dampfturbine 5. Die Dampfturbine 5 weist eine in einem Turbinengehäuse gelagerte Turbine in Form eines Laufrads 6 (2) auf, das von dem strömenden Arbeitsfluid bei einer Durchströmung in Drehbewegung versetzt wird. Die Turbine weist weiterhin eine mit Lagern versehene Welle 7 auf, auf der das Laufrad 6 angeordnet und befestigt ist, wobei die Welle 7 darüberhinaus mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist. Die Arbeitsmaschine ist beispielsweise ein Generator, mit dem Strom erzeugt wird und gegebenenfalls beispielsweise in einer Batterie gespeichert wird. Die so in Form von Strom erzeugte Energie kann in beliebiger Art und Weise, beispielsweise beim Einbau der Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug zum Betrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Die Arbeitsmaschine kann aber auch beispielsweise eine hydraulische Maschine sein, mit der ein Hydraulikfluid beispielsweise in einen Speicher gefördert wird. Schließlich kann die Arbeitsmaschine auch eine mechanische Maschine sein, die beispielsweise direkt mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verbunden ist.
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Der Arbeitsfluidkreislauf 3 weist weiterhin einen Kondensator 8 auf, der von dem Arbeitsfluid und einem Kühlfluid durchströmt wird. Der Arbeitsfluidkreislauf 3 funktioniert folgendermaßen:
Die Pumpe 4 fördert das in der flüssigen Phase befindliche Arbeitsfluid in den Verdampfer 2, in dem Arbeitsfluid durch das heiße Abgas in die dampfförmige Phase überführt wird. Ausgangsseitig des Verdampfers 2 ist die Dampfturbine 5 angeordnet, in der das gasförmige Arbeitsfluid unter Antrieb des Laufrads 6 der Dampfturbine 5 expandiert. Nach dem Durchströmen der Dampfturbine 5 wird das Arbeitsfluid dem Kondensator 8 zugeführt, in dem das Arbeitsfluid soweit herunter gekühlt wird, dass es wieder in die flüssige Phase überführt wird, bevor es wiederum der Pumpe 4 zugeführt wird.
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2 zeigt eine Einlaufschnecke 9, ein Leitrad 10 und das Laufrad 6 der Dampfturbine jeweils in einer perspektivischen Ansicht. Die Einlaufschnecke 9 bildet den Einlauf für den Dampf in die Dampfturbine 5. In der Einlaufschnecke 9 wird der eintretende Dampf in eine kreisringförmige Strömung versetzt und gelangt dann anschließend zu einer Einlaufseite 14 des Leitrads 10. Das Leitrad 10 weist eine Anzahl von Kanälen 11 (in Form von Nuten) auf, die auf dem Umfang des Leitrads 10 angeordnet sind. Durch die strömungstechnische Ausbildung der Kanäle 11 als Düsen in Form von Lavaldüsen wird der durchströmende Dampf bis auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und tritt beim Austritt auf einer Austrittsseite 13 aus den Kanälen 11 auf Schaufeln 12 des Laufrads 6 und treibt dieses zu einer Drehbewegung an. Nach dem Durchströmen des Laufrads 6 wird der Dampf entweder einem weiteren Laufrad zugeführt oder aus der Dampfturbine 5 wieder zurück in den Arbeitsfluidkreislauf 3 abgeführt. Die Kanäle 6 sind so ausgerichtet, dass der Dampf in einem strömungstechnisch günstigen Winkel α auf der Austrittsseite 13 bezogen auf die Axialachse x durch die Dampfturbine 5 auf die Schaufeln 12 des Laufrads 6 auftritt. Dazu sind die Kanäle 11 beispielsweise – wie in 2 dargestellt – konstant in einem Winkel α = β von 15° zu der Axialachse durch das Leitrad 10 angeordnet. Die Kanäle 11 können aber auch gewunden in dem Leitrad 10 angeordnet sein. Dann ändert sich der Winkel β entlang eines Kanals 11 und nimmt am Austritt auf der Austrittsseite 13 den Winkel α mit beispielsweise dem Wert 15° an. Der Abstand A der Kanäle 11 zueinander in dem Leitrad 10 ist aber zumindest angenähert immer gleich. Die Kanäle 11 weisen alle eine konstante Breite B entlang des jeweiligen Kanals auf. Die Tiefe T der Kanäle 11 variiert dagegen von der Einlaufseite 14 über die Kanalmitte 15 bis zur Auslaufseite 13. Die Tiefe T jedes Kanals 11 weist auf der Einlaufseite 14 und der Auslaufseite 13 ein (unterschiedliches) Maximum Tmax und angenähert in der Kanalmitte 15 ein Minimum Tmin auf. Im eingebauten Zustand des Leitrads 10 sind die Kanäle 11 beispielsweise von einem ringförmigen Wandabschnitt des Einlaufs nach außen hin verschlossen, so dass der Dampf vollständig und nur durch die Kanäle 11 hindurch strömen kann.
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3 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht des Leitrads 10, wobei in dieses Leitrad 10 vier nebeneinander liegende Kanäle 11 eingearbeitet sind. Selbstverständlich können in das Leitrad 10 tatsächlich – wie in dem Leitrad 10 gemäß 2 dargestellt – eine Vielzahl von Kanälen 11 eingearbeitet sein. Die Ansicht gemäß 3 zeigt eine Draufsicht auf die Auslaufseite 13 des Leitrads 10.
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Wie schon in 2 detailliert dargestellt ist, weisen die Kanäle 11 weisen alle eine konstante Breite B entlang des jeweiligen Kanals auf. Die Tiefe T der Kanäle 11 variiert dagegen von der Einlaufseite 14 über die Kanalmitte 15 bis zur Auslaufseite 13. Die Tiefe T jedes Kanals 11 weist auf der Einlaufseite 14 und der Auslaufseite 13 ein Maximum Tmax und angenähert in der Kanalmitte 15 ein Minimum Tmin auf. Auf diese Weise ist eine Lavaldüse simuliert.
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In 4 ist im oberen Bild eine konventionell ausgebildete Lavaldüse 16 dargestellt. Diese Lavaldüse 16 weist eine Einlaufseite 14 mit einer großen Fläche auf, die durch eine kontinuierliche Verengung der Lavaldüse im hinteren Bereich der Kanalmitte 15 ein Minimum annimmt, bevor die Querschnittsfläche der Auslaufseite 13 wiederum kontinuierlich größer wird. Bei der darunter angeordneten “geklappten“ Lavaldüse 16 sind die gleichen Flächenverhältnisse wie bei der oberen dargestellten Lavaldüse 16 gegeben, wobei die Geometrie der unteren Lavaldüse 16 die doppelte Breite wie die obere Geometrie aufweist. Dadurch sind die beiden Lavaldüsen 16 flächengleich. Die Geometrie der unteren Lavaldüse 16 ist durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Kanal 11 mit der konstanten Breite B und der sich entlang des Kanals ändernden Tiefe T verwirklicht. Die maximalen Tiefen Tmax auf der Einlaufseite 14 und der Auslaufseite 13 sind wie zuvor ausgeführt unterschiedlich. Berechnungen und Versuche haben ergeben, dass die Wirkung der in dem unteren Bild dargestellten Geometrie der in dem oberen Bild dargestellten Geometrie entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010042412 A1 [0003]
