DE102013210917A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine (10) vorgeschlagen. Die Turbine (10) weist mindestens einen Rotor (11) auf, welcher in einem Gehäuse (17) angeordnet ist. Es ist ein Drallerzeuger (20) vorgesehen, welcher das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel durch die Geometrie des Drallerzeugers (20) in eine spiralförmige Drehbewegung entlang einer Hauptachse (22) versetzt und dabei die Schmutzpartikel vom Arbeitsmedium trennt. Der Drallerzeuger (20) ist so gestaltet, dass das Arbeitsmedium innerhalb des Drallerzeugers (20) eine Umkehrung der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse (22) erfährt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • In dem Dokument EP 2 137 397 B1 wird eine Anordnung zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einem Verbrennungsluftstrom und zur Ableitung eines Abgasstromes gezeigt, bei welcher ein Drallerzeuger als Zentrifugalabscheider für im Abgasrückführungsstrom gebildetes Kondensat ausgebildet ist. Durch Nutzung der im Drallerzeuger ohnehin auftretenden, auf gebildetes Kondensat wirkende Fliehkraft- bzw. Massenträgheitskräfte kann ohne Zusatzmaßnahmen eine wirkungsvolle Abscheidung herbeigeführt werden.
  • Aus der DE 10 2007 030 277 A1 ist ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt. Zwischen einem Verdichterrad und dem Turbolader ist in einer Zwischenkammer ein Zentrifugalabscheider angeordnet, welcher mit der Welle gekoppelt ist. Der Zentrifugalabscheider soll als Abscheider für Flüssigkeit/Öl aus den Kurbelgehäusen dienen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Vorrichtung und das Verfahren zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium der Turbine in einer besonders kompakten und platzsparenden Bauweise realisiert wird. Durch die Umkehrung der Geschwindigkeitskomponente des Arbeitsmediums parallel zu einer Hauptachse kann der Bauraum des Drallerzeugers annähernd um die Hälfte der sonst benötigten Länge reduziert werden, da die gleiche Wegstrecke innerhalb des Drallerzeugers zweimal durchströmt wird. Dies ist gerade für Anwendungen von Turbinen innerhalb von Kraftfahrzeugen wichtig, da innerhalb des Motorraumes des Kraftfahrzeuges nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
  • Vorteilhaft ist eine Vorrichtung, bei der der Drallerzeuger als annähernd rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgebildet ist, in den ein Rohr hineinragt, welches eine Verbindung zur Turbine darstellt. Durch den rotationssymmetrischen Hohlkörper erfahren das Arbeitsmedium und die Schutzpartikel die spiralförmige Drehbewegung mit der Geschwindigkeitskomponente parallel zu der Hauptachse bis sie zum Ende des Hohlkörpers gelangt sind. Das Arbeitsmedium erfährt an mindestens einer Reflexionsfläche eine Umkehrung der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse, d.h. das ein Richtungswechsel der spiralförmigen Bewegung stattfindet, bei dem sich das Vorzeichen der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse verändert. Dadurch strömt das Arbeitsmedium in einer spiralförmigen Drehbewegung mit entgegengesetzter Richtung durch das Rohr in das Gehäuse der Turbine. Sie Schmutzpartikel erfahren aufgrund ihrer Trägheit keine Umkehrung der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse und werden somit vom Arbeitsmedium getrennt. Die Anordnung des Rohres innerhalb des Hohlkörpers stellt eine effiziente und platzsparende Bauform zur Trennung von Arbeitsmedium mit Schmutzpartikeln und Arbeitsmedium ohne Schmutzpartikel dar.
  • Eine besonders kompakte und platzsparende Bauform des Drallerzeugers wird sichergestellt, wenn das Rohr, welches in den Hohlkörper des Drallerzeugers hineinragt, durch das Gehäuse der Turbine gebildet wird. In diesem Fall muss der Drallerzeuger nicht räumlich vor der Turbine angeordnet werden, sondern kann als annähernd rotationssymmetrischer Hohlkörper um das Gehäuse der Turbine herum angeordnet werden. Des Weiteren werden Kosten durch die mehrfache Nutzung des gleichen Bauteils, z.B. Gehäuse wird als Rohr genutzt, eingespart.
  • Durch eine Einströmleitung in den Drallerzeuger, welche so ausgelegt ist, dass das Arbeitsmedium beim Eintritt in den Drallerzeuger eine weitere Geschwindigkeitskomponente tangential zur Wand des Hohlkörpers aufweist, kann für die spiralförmige Drehbewegung die Hauptdrehrichtung vorgegeben werden. Unter der Hauptdrehrichtung wird hierbei die Drehrichtung der spiralförmigen Drehbewegung verstanden, bei der zwischen einer Drehrichtung in Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn unterschieden werden kann. Dies ist vorteilhaft, da durch die Wahl der Drehrichtung der Strömungswinkel mit dem das Arbeitsmedium auf den Rotor oder die dem Rotor unmittelbar vorgeschalteten Lavaldüsen trifft, beeinflusst werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch einen Innenradius des Hohlkörpers, der entlang der Hauptachse zwischen der Zufuhrleitung und der dem Rohr gegenüberliegenden Abströmwand abnimmt, da dadurch die Drehgeschwindigkeit des Arbeitsmediums mit den Schmutzpartikeln zunimmt, so dass die Schmutzpartikel durch die höheren Fliehkraft stärker an die Wände des Hohlkörpers geschleudert werden und dadurch abgebremst werden, so dass sie sich leichter aus der Strömung lösen lassen.
  • Vorteilhaft ist die Anordnung mindestens einer Bohrung an der dem Rohr gegenüberliegenden Abströmwand des Hohlkörpers. Durch eine mit der Bohrung verbundene Abführleitung können die Schmutzpartikel auf einfache und effiziente Weise aus dem Drallerzeuger entfernt werden. Dies kann z.B. durch den Aufbau eines Druckgradienten realisiert werden.
  • Gerade bei einer Turbine, welche in einem System zur Wärmerückgewinnung einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, ist eine Anordnung eines Drallerzeugers unmittelbar vor der Turbine zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium von Vorteil. In dem System zur Wärmerückgewinnung einer Brennkraftmaschine durchströmt das Arbeitsmedium einen Kreislauf, in dem mindestens ein Wärmetauscher, die Turbine, mindestens ein Kondensator und mindestens eine Pumpe hintereinander angeordnet sind. Das Arbeitsmedium durchströmt also mehrfach die Turbine und wird nicht, wie in anderen Anwendungen, wie z.B. bei einem Turbolader oder in einem Wärmekraftwerk für industrielle Anwendungen, für jede Durchströmung der Turbine erneuert. Durch den Kreisprozess innerhalb des Systems zur Wärmerückgewinnung einer Brennkraftmaschine kommt es zu einer permanenten Verunreinigung des Arbeitsmediums durch Schmutzpartikel, wie z.B. durch Schmiermittel. Die Schmutzpartikel können Schäden durch Erosion, Ablagerung oder Tropfenschlag an der Turbine oder anderen Bauteilen des oben genannten Systems zur Wärmerückgewinnung hervorrufen. Durch die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagenen Verfahren erfolgt vor jedem Durchströmen der Turbine eine Reduzierung der Schmutzpartikel im Arbeitsmedium, so dass die Konzentration von Schmutzpartikeln im Arbeitsmedium dauerhaft reduziert werden kann.
  • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Turbine mit einem Drallerzeuger,
  • 2 ein Drallerzeuger und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Systems zur Wärmerückgewinnung einer Brennkraftmaschine
  • In der 1 ist eine Turbine 10 mit einem Rotor 11, welcher in einem Gehäuse 17 angeordnet ist, gezeigt. Ein Arbeitsmedium, welches zum Antreiben der Turbine 10 dient, gelangt über eine Zuführleitung 12 zum Rotor 11, welcher durch das Arbeitsmedium in eine Drehbewegung versetzt wird. Die kinetische Energie des Rotors 11 kann in weitere Energieformen umgewandelt werden.
  • Es kann eine Düsenanordnung 13, vor dem Rotor 11 angeordnet sein. Dies kann eine Lavaldüse sein, welche zu einer Beschleunigung des Arbeitsmedium führt, bevor es auf den Rotor 11 trifft.
  • Es ist eine Drallerzeuger 20 unmittelbar eingangsseitig der Turbine 10 angeordnet. Der Drallerzeuger 20 wird aus einem annähernd rotationssymetrischen Hohlkörper 24 gebildet, welcher an der Stirnseite des Gehäuses 17 der Turbine 10 befestigt ist. Der Hohlkörper 24 weist eine Einströmleitung 28 auf. Durch die Einströmleitung 28 kann das Arbeitsmedium in den Hohlkörper 24 des Drallerzeugers 20 gelangen. Aufgrund der Einströmleitung 28 ist in mindestens einem Bereich des Hohlkörpers 24 die Rotationssymmetrie unterbrochen.
  • Die Einströmleitung 28 kann so ausgelegt sein, dass das Arbeitsmedium mindestens eine weitere Geschwindigkeitskomponente parallel zu einer inneren Wand 25 des Hohlkörpers 24 aufweist.
  • Innerhalb des Hohlkörpers 24 ist eine Rohr 26 angeordnet, welches eine Verbindung zur Turbine 10 darstellt. Das Rohr 26 kann durch das Gehäuse 17 der Turbine 10 gebildet sein. Das Rohr 26 kann jedoch auch ein eigenes Bauteil des Drallerzeuger 20 sein, welches durch eine möglichst dichte Verbindung an das Gehäuse 17 der Turbine 10 angeflanscht wird. Arbeitsmedium, welches in den Drallerzeuger 20 geströmt ist, gelangt durch das Rohr 26 in die Zuführleitung 12 der Turbine 10.
  • An einer dem Rohr 26 gegenüberliegenden Abströmwand 27 ist eine Abführleitung 23 angeordnet. Die Abführleitung 23 kann über eine Bohrung im Zentrum der Abströmwand 27 mit dem Hohlkörper 24 verbunden sein. Es sind auch weitere Positionen der Bohrung innerhalb der Abströmwand 27 möglich. Diese können abhängig von der Geometrie des Hohlkörpers 24 gewählt werden.
  • Die in der 1 gezeigte Vorrichtung dient zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium der Turbine 10. Das Arbeitsmedium der Turbine kann Wasserdampf sein, der unter hohem Druck steht. Es sind aber auch andere Arbeitsmedien möglich, welche zum Antrieb einer Turbine 10 dienen können. Innerhalb des Arbeitsmediums können sich Schmutzpartikel ansammeln, wie z.B. Schmiermittel, welches aus den Lagern der Turbine 10 stammt. Diese Schmutzpartikel können zu Beschädigungen innerhalb der Turbine 10 aufgrund von Tropfenschlag oder Erosion führen. Des Weiteren kann es zu unerwünschten Ablagerungen von Schmutzpartikeln innerhalb der Turbine 10 oder innerhalb der der Turbine 10 nachgelagerten Bauteilen kommen.
  • Um die Schmutzpartikel aus dem Arbeitsmedium der Turbine 10 zu entfernen, wird das Arbeitsmedium mit den Schmutzpartikeln über die Einströmleitung 28 in den der Turbine 10 unmittelbar vorgelagerten Drallerzeuger 20 geleitet.
  • In der 2 ist beispielhaft gezeigt, wie die Schmutzpartikel innerhalb des Drallerzeugers 20 aus dem Arbeitsmedium entfernt werden. Das Arbeitsmedium mit den Schmutzpartikeln gelangt durch die Einströmleitung 28 in den annähernd rotationssymmetrischen Hohlkörper 24. Aufgrund der Geometrie des Hohlkörpers 24 und der Orientierung der Einströmleitung 28 zur inneren Wand 25 des Hohlkörpers 24 wird das Arbeitsmedium mit den Schmutzpartikeln in die spiralförmige Drehbewegung mit der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse 22 versetzt. Das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel bewegen sich in einer spiralförmigen Drehbewegung entlang eines äußeren Hauptwirbels 7 von der Einströmleitung 28 in Richtung der Abführleitung 23.
  • Auf das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel wirken durch die spiralförmige Drehbewegung Zentrifugalkräfte, welche auf das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel eine nach außen gerichtete radiale Kraft bewirken. Aufgrund der unterschiedlichen Größe und Dichte der Partikel des Arbeitsmediums und der Schmutzpartikel entsteht bei dieser spiralförmigen Drehbewegung eine räumliche Trennung des Arbeitsmediums und der Schmutzpartikel.
  • Das Arbeitsmedium erfährt an mindestens einer Reflexionsfläche des Hohlkörpers 24 eine Reflexion, welche zu einer Umkehrung der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse 22 und damit zu einem Vorzeichenwechsel der entsprechenden Geschwindigkeitskomponente führt, so dass sich ein dem äußeren Hauptwirbel 7 gegenläufiger innerer Teilwirbel 9 bildet. Dagegen erfahren die Schmutzpartikel keine Umkehrung der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Hauptachse 22, so dass sie sich weiter in Richtung der Abführleitung 23 bewegen. Dies bewirkt eine Trennung von Arbeitsmedium und Schmutzpartikel. Während sich im äußeren Hauptwirbel 7 noch das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel befinden, ist der Anteil von Schmutzpartikel im inneren Teilwirbkel 9 stark reduziert.
  • Die mindestens eine Reflexionsfläche kann durch eine beliebige Wand des Hohlkörpers 24 gebildet werden. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung gemäß 1, bei der die mindestens eine Reflexionsfläche durch die Abströmwand 27 gebildet wird.
  • Der innere Teilwirbel 9 bewegt sich mit einer spiralförmigen Drehbewegung in die entgegengesetzte Richtung wie der äußere Hauptwirbel 7. Des Weiteren ist der Radius des inneren Teilwirbels 9 geringer als der Radius des äußereren Hauptwirbels 7, so dass es kaum zu einer Durchmischung des Arbeitsmediums aus dem äußeren Hauptwirbel 7 und dem inneren Teilwirbel 9 kommt.
  • Das Arbeitsmedium des inneren Teilwirbels 9 bewegt sich aufgrund der entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponente bezogen auf die Hauptachse 22 in Richtung des Rohres 26, durch welches das Arbeitsmedium in die Zuführleitung 12 der Turbine 20 gelangt.
  • Die Schmutzpartikel bewegen sich dagegen in Richtung der Abführleitung 23 und können durch diese aus dem Drallerzeuger 20 entfernt werden.
  • In der Darstellung von 2 ist der Hohlkörper 24 durch einen Kegel gebildet, so dass sich der Innenradius des Hohlkörpers 24 entlang der Hauptachse 22 zwischen Einströmleitung 28 und der dem Rohr 12 gegenüberliegenden Abführleitung 23 reduziert. Durch die Reduzierung des Innenradius nimmt die Drehgeschwindigkeit des Arbeitsmediums zu, so dass die Schmutzpartikelartikel durch die Fliehkraft stärker an die innere Wand 25 des Hohlkörpers 24 geschleudert werden. Dies führt zu einem Abbremsen der Schmutzpartikel, die sich so aus der Strömung lösen und entlang der inneren Wand 25 zur Abführleitung 23 gelangen. Bei schweren Schmutzpartikeln findet auch eine Trennung zwischen Arbeitsmedium und Schmutzpartiken statt, wenn sich der Innenradius des Hohlkörpers 24 nur leicht oder gar nicht reduziert.
  • In der 3 ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Wärmerückgewinnung 30 einer Brennkraftmaschine 31 gezeigt. Das System wird durch einen Kreislauf gebildet, in dem die Turbine 10, mindestens ein Kondensator 34, mindestens eine Pumpe 36 und mindestens ein Wärmetauscher 32 hintereinander angeordnet sind. In der Anmeldung DE 10 2010 043 405 ist ein entsprechendes System beschrieben.
  • Entsprechende Erklärungen aus der DE 10 2010 043 405 zur Funktionsweise eines entsprechendes Systems zur Wärmerückgewinnung werden auch als Bestandteil dieser Anmeldung betrachtet.
  • Das Arbeitsmedium durchläuft das System zur Wärmerückgewinnung 30 im Rahmen eines Kreisprozesses und wird dabei nicht ausgetauscht. Dies führt zu einer permanenten Anreicherung von Schmutzpartikeln im Arbeitsmedium, so dass die Vorrichtung und das Verfahren zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine 10 gerade hier eine hohe Bedeutung spielen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2137397 B1 [0002]
    • DE 102007030277 A1 [0003]
    • DE 102010043405 [0033, 0034]

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Abtrennung von Schmutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine (10), wobei die Turbine (10) mindestens einen Rotor (11) aufweist, welcher in einem Gehäuse (17) angeordnet ist, mit einem Drallerzeuger (20), welcher das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel durch die Geometrie des Drallerzeugers (20) in eine spiralförmige Drehbewegung mit einer Geschwindigkeitskomponente parallel zu einer Hauptachse (22) versetzt und dabei die Schmutzpartikel vom Arbeitsmedium trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (20) mindestens eine Reflexionsfläche aufweist durch die die Geschwindigkeitskomponente des Arbeitsmedium innerhalb des Drallerzeugers einen Vorzeichenwechsel erfährt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (20) als annähernd rotationssymetrischer Hohlkörper (24) ausgebildet ist, in den ein Rohr (26) hineinragt, welches eine Verbindung zur Turbine (10) darstellt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (26), welches in den Hohlkörper (25) des Drallerzeugers (20) hineinragt, durch das Gehäuse (17) der Turbine (10) gebildet wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium durch eine Einströmleitung (28) in den Drallerzeuger (20) gelangt, welche so ausgelegt ist, dass das Arbeitsmedium eine weitere Geschwindigkeitskomponente tangential zu einer inneren Wand (25) des Hohlkörpers (24) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius des Hohlkörpers (24) entlang der Hauptachse (22) zwischen der Zuführleitung (28) und einer dem Rohr gegenüberliegenden Abströmwand (27) abnimmt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abströmwand (27) mindestens eine Abführleitung (23) für Schmutzpartikel angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (10) in einem System zur Wärmerückgewinnung (30) einer Brennkraftmaschine (31) angeordnet ist, in dem das Arbeitsmedium einen Kreislauf durchströmt, in dem mindestens einem Wärmetauscher (32), die Turbine (10), mindestens ein Kondensator (34) und mindestens eine Pumpe (36) hintereinander angeordnet sind.
  8. Verfahren zur Abtrennung von Schutzpartikeln aus dem Arbeitsmedium einer Turbine (10), wobei die Turbine (10) mindestens einen Rotor (11) aufweist, welcher in einem Gehäuse (17) angeordnet ist, mit einem Drallerzeuger (20), welcher das Arbeitsmedium und die Schmutzpartikel in eine spiralförmige Drehbewegung (7, 9) mit einer Geschwindigkeitskomponente parallel zu einer Hauptachse (22) versetzt und dabei die Schmutzpartikel vom Arbeitsmedium trennt, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium durch den Drallerzeuger (20) einen Vorzeichenwechsel der Geschwindigkeitskomponente parallel zu der Hauptachse (22) erfährt, während Schmutzpartikel aufgrund ihrer höheren Trägheit im Vergleich zum Arbeitsmedium durch eine Abführleitung (23) abgeschieden werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (20) durch einen annähernd rotationssymmetrischen Hohlkörper (24) gebildet wird und das Arbeitsmedium mit einer weiteren Geschwindigkeitskomponente tangential zu einer inneren Wand (25) des Hohlkörpers (24) in den Drallerzeuger (20) strömt.
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