DE102013213836A1

DE102013213836A1 - expander

Info

Publication number: DE102013213836A1
Application number: DE102013213836.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Auinger; Christian Benatzky; Gerd Schlager
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2015-01-15
Also published as: WO2015007527A3; WO2015007527A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine zum Antrieb eines Aggregates in einem Kraftfahrzeug, mit zwei dampfbeaufschlagbaren Expanderturbinen (T1, T2), wobei deren Wellen (W1, W2) mit einer Freilaufkupplung (FW) miteinander gekoppelt sind, wobei die der kleineren Leistung zugeordnete erste Turbine (T1) auf der Welle (W1) angeordnet ist, der die Ausgangsleistung entnehmbar ist, die Welle (W2) der zweiten Turbine (T2) mit der größeren Ausgangsleistung über die Freilaufkupplung (FW) mit der ersten Welle (W1) verbunden ist, die beiden Turbinen (T1, T2) eingangsseitig von einem Einlass (I) mit Dampf beaufschlagbar sind, die Ausgänge der Turbinen auf einen gemeinsamen Ausgang (O) wirken, wobei der Turbine (T2) mit der größeren Leistung ein einstellbares Ventil (V1) vorgeordnet ist..The present invention relates to an expansion machine for driving an engine in a motor vehicle, with two steam-expander expander turbines (T1, T2), wherein the shafts (W1, W2) are coupled together with a one-way clutch (FW), wherein the smaller power associated with the first turbine (T1) is arranged on the shaft (W1), the output power is removed, the shaft (W2) of the second turbine (T2) with the larger output power via the one-way clutch (FW) is connected to the first shaft (W1), the two turbines (T1, T2) on the input side of an inlet (I) are acted upon by steam, the outputs of the turbine to a common output (O) act, the turbine (T2) with the larger power an adjustable valve (V1) is arranged upstream ..

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine der Art von Anspruch 1. The invention relates to an expansion machine of the type of claim 1.

Bei dampfgetriebenen Expansionsmaschinen wird vorzugsweise überhitzter Dampf unter einem ersten Druck einer Turbine zugeführt und in dieser auf einen niedrigeren Druck entspannt. Durch diese Expansion erzeugt die Turbine mechanische Leistung, welche auf der Turbinenwelle bereitgestellt wird. In Kraftfahrzeugen dienen Dampfturbinen der direkten Erzeugung von mechanischer Energie (z.B direktes Einspeisen in die Kurbelwelle), der indirekten Bereitstellung von elektrischer Energie (Wandlung in mechanische Energie und über einen Generator in elektrische Energie) sowie dem Antrieb von Nebenaggregaten und Verdichtern, welche das Aufladen des Verbrennungsmotors bewirken. In steam-driven expansion machines superheated steam is preferably supplied under a first pressure of a turbine and relaxed in this to a lower pressure. Through this expansion, the turbine generates mechanical power that is provided on the turbine shaft. In motor vehicles, steam turbines are used for the direct generation of mechanical energy (eg direct injection into the crankshaft), the indirect supply of electrical energy (conversion into mechanical energy and via a generator into electrical energy) and the drive of ancillaries and compressors, which charge the Cause internal combustion engine.

Aus der EP 2 055 912 A2 ist ein Fahrzeugantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasnutzturbine sowie einem Dampfkreislauf mit Dampferzeuger und dampfgetriebener Expansionsmaschine bekannt. Die Expansionsmaschine steht in Triebverbindung mit der Abgasnutzturbine. From the EP 2 055 912 A2 is a vehicle powertrain with an internal combustion engine, an exhaust gas turbine and a steam cycle with steam generator and steam-driven expansion machine known. The expansion machine is in drive connection with the exhaust gas turbine.

Die DE 10 2006 028 807 A1 beschreibt eine Wärmekraftmaschine mit synchronisierten Zellenrädern. The DE 10 2006 028 807 A1 describes a heat engine with synchronized cellular wheels.

In Kraftwerksanlagen werden unterschiedlich strukturierte, dimensionierte Gasturbinen auf einer Welle betrieben und bilden so eine Gasturbogruppe. Die EP 0 915 232 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage. In power plants differently structured, sized gas turbines are operated on a shaft and thus form a gas turbine group. The EP 0 915 232 A1 describes a method for operating a power plant.

Eine Wärmekraftmaschine mit zwei Expandern, einem Niedertemperaturexpander und einem Hochtemperaturexpander beschreibt die DE 102 59 488 A1 . Die beiden Expander wirken auf eine gemeinsame Welle – auch kann für jeden Expander eine eigene Welle und/oder ein Freilauf vorgesehen sein, die über eine Kupplung mit fester oder variabler Übersetzung miteinander und einer Abtriebswelle verbinbar sind. Vorgesehen sind eine erste und eine zweite Pumpe sowie ein erster und ein zweiter Wärmetauscher, welche an eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeschlossen sind. A heat engine with two expanders, a low-temperature expander and a high-temperature expander describes the DE 102 59 488 A1 , The two expander act on a common shaft - also can be provided for each expander a separate shaft and / or a freewheel, which are connected via a clutch with fixed or variable ratio with each other and an output shaft. Provided are a first and a second pump and a first and a second heat exchanger, which are connected to an exhaust system of an internal combustion engine.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Expansionsmaschine in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Form zu schaffen. It is an object of the present invention to provide an expansion machine in improved form over known solutions.

Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt durch eine Expansionsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution of the above object is achieved by an expansion machine with the features of claim 1. Further developments will become apparent from the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Expander besteht aus zwei Expanderturbinen, deren Wellen mit einer Freilaufkupplung miteinander gekoppelt sind, wobei die der kleineren Leistung zugeordnete erste Turbine auf der Welle angeordnet ist, der die Ausgangsleistung entnehmbar ist, die Welle der zweiten Turbine mit der größeren Ausgangsleistung über die Freilaufkupplung mit der ersten Welle verbunden ist, die beiden Turbinen eingangsseitig von einem Einlass mit Dampf beaufschlagbar sind, die Ausgänge der Turbinen auf einen gemeinsamen Ausgang wirken, wobei der Turbine mit der größeren Leistung ein einstellbares Ventil vorgeordnet ist. The expander according to the invention consists of two expander turbines, whose shafts are coupled together with a one-way clutch, wherein the smaller power associated first turbine is disposed on the shaft, the output power is removed, the shaft of the second turbine with the larger output power via the one-way clutch is connected to the first shaft, the two turbines on the input side of an inlet can be acted upon by steam, the outputs of the turbines act on a common output, the turbine with the larger power upstream of an adjustable valve.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der ersten Turbine mit der geringeren Leistung eine Leitung zugeordnet, welche den Einlass mit dem Auslass verbindet. In dieser Bypass-Leitung ist ein weiteres steuerbares Ventil angeordnet. Das dem Einlass zugeordnete Ventil ist der zweiten Turbine mit der größeren Leistung vorgeordnet und hinter dem Abzweig der Bypass-Leitung der ersten Turbine angeordnet. In a preferred embodiment of the invention, the first lower power turbine is associated with a conduit connecting the inlet to the outlet. In this bypass line another controllable valve is arranged. The valve associated with the inlet precedes the second turbine with the greater power and is located behind the branch of the bypass line of the first turbine.

Eine weitere Ausführungsform sieht einen der ersten Turbine mit der geringeren Leistung zugeordneten Bypass vor, der den Einlass dieser Turbine mit dem Auslass verbindet. In dieser Bypass-Leitung ist ein zweites steuerbares Ventil angeordnet. Der Abzweig der Bypass-Leitung ist dem der zweiten Turbine vorgeordneten Ventil nachgeordnet. Weiterhin ist dem Ausgang der ersten Turbine ein drittes Ventil zugeordnet, derartig, dass über dieses dritte Ventil der Strom durch die erste Turbine und der des Bypass in Summe stellbar ist. Another embodiment provides a bypass associated with the first lower power turbine that connects the inlet of that turbine to the outlet. In this bypass line, a second controllable valve is arranged. The branch of the bypass line is arranged downstream of the second turbine upstream valve. Furthermore, the output of the first turbine is assigned a third valve, such that the current through the first turbine and that of the bypass can be set in total via this third valve.

Eine weitere Ausführungsform ergänzt diese Variante durch ein viertes Ventil, welches in einem der zweiten Turbine zugeordneten Bypass angeordnet ist. A further embodiment supplements this variant by a fourth valve, which is arranged in a bypass assigned to the second turbine.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung rein beispielhaft anhand der Figuren erläutert. Hereinafter, an embodiment of the invention will be explained purely by way of example with reference to FIGS.

1 zeigt eine erste Schaltung eines erfindungsgemäßen Expanders. Die Expansionsmaschine besteht aus zwei Expanderturbinen T1, T2 in einem gemeinsamen Gehäuse EG. Die beiden Turbinen T1, T2 sind auf je einer Welle W1, W2 gelagert, welche koaxial zueinander verlaufen, miteinander fluchten. Die Welle W1 ist zugleich die Ausgangswelle des Expanders, über welche die Ausgangsleistung abgreifbar ist. Die Welle W2 ist mittels einer Freilaufkupplung FW mit der Welle W1 verbunden. 1 shows a first circuit of an expander according to the invention. The expansion machine consists of two expander turbines T1, T2 in a common housing EG. The two turbines T1, T2 are mounted on a respective shaft W1, W2, which are coaxial with each other, aligned with each other. The wave W1 is at the same time the output shaft of the expander, via which the output power can be tapped off. The shaft W2 is connected to the shaft W1 by means of an overrunning clutch FW.

Die Turbine T2 ist als Expanderturbine für eine große Dampfleistung / Wärmeleistung ausgelegt. Die Turbine T1 ist ausgelegt für kleinere Dampf-, Wärmeleistungen. Die Freilaufkupplung FW zwischen den Turbinen T1, T2 bzw. den Wellen W1, W2 bewirkt, dass die Welle W2 die Welle W1 treiben kann, wenn deren Drehzahl größer ist. Ist die Drehzahl der Welle W2 kleiner als die Drehzahl der Welle W1, so überholt die Welle W1 die Welle W2, die Welle W1 läuft frei. Die Turbinen T1, T2 haben den gleichen Rotationssin, entsprechend ist die Freilaufkupplung FW ausgelegt. The turbine T2 is designed as an expander turbine for a high steam output / heat output. The turbine T1 is designed for smaller steam and heat outputs. The overrunning clutch FW between the turbines T1, T2 and the waves W1, W2, respectively, causes the shaft W2 to drive the shaft W1 when its rotational speed is greater. If the speed of the shaft W2 is smaller than the speed of the shaft W1, the shaft W1 overtakes the shaft W2, the shaft W1 runs free. The turbines T1, T2 have the same Rotationsssin, according to the overrunning clutch FW is designed.

Die Turbinen T1 und T2 sind über einen Einlass I mit Dampf beausfschlagbar. Der Einlass I führt über einen direkten Kanal im Gehäuse EG direkt zu der Turbine T1. Über einen Abzweig mit einem ersten einstellbaren Ventil V1 ist der über den Einlass I zugeführte Dampf der Turbine T2 zuführbar. Die Turbine T1 ist mit einem dem Ventil V1 nachgeschalteten Ventil V2 überbrückbar. Der Ausgang der Turbine T1 ist weiterhin über ein drittes einstellbares Ventil V3 steuerbar. Der durch die Turbine T1 und/oder T2 strömende Dampf verlässt über den Ausgang O das Gehäuse EG. The turbines T1 and T2 are beausfschlagbar via an inlet I with steam. The inlet I leads via a direct channel in the housing EG directly to the turbine T1. Via a branch with a first adjustable valve V1, the steam supplied via the inlet I can be fed to the turbine T2. The turbine T1 can be bridged with a valve V2 downstream of the valve V1. The output of the turbine T1 is still controllable via a third adjustable valve V3. The steam flowing through the turbine T1 and / or T2 leaves the housing EG via the outlet O.

Bei geringer Wärmeleistung wird lediglich die Turbine T1 mit der geringen Leistung betrieben. Ventil V3 ist geöffnet, die Ventile V1, V2 geschlossen. Durch die Freilaufkupplung läuft lediglich die Welle W1 der Turbine T1. At low heat output, only the turbine T1 is operated at low power. Valve V3 is open, the valves V1, V2 closed. By the one-way clutch only the shaft W1 of the turbine T1 runs.

Bei mittleren Wärmeleistungen wird lediglich die Turbine T2 betrieben. Ventil V1 ist geöffnet, die Ventile V2 und V3 sind geschlossen. Der Über den Einlass I zugeführte Dampf durchströmt lediglich die Turbine T2 und verlässt den Ausgang O des Gehäuses EG. Die Turbine T2 treibt in dieser Betriebsweise die Welle W1 über die Freilaufkupplung FW. Die Turbine T1 läuft frei, d.h. ohne Dampfbeaufschlagung. At average heat outputs only the turbine T2 is operated. Valve V1 is open, valves V2 and V3 are closed. The steam supplied via the inlet I only flows through the turbine T2 and leaves the outlet O of the housing EG. The turbine T2 drives in this mode, the shaft W1 via the one-way clutch FW. The turbine T1 is idling, i. without steaming.

Eine serielle Nutzung der Turbinen T1 und T2 ist möglich, wenn die Ventile V1 und V3 geschlossen, Ventil V2 geöffnet ist. Der über den Einlass I zugeführte Dampf durchströmt somit zunächst die Turbine T1, anschließend über den durch das Ventil V2 geöffneten Pfad die Turbine T2. Diese Betriebsweise ermöglicht durch eine niedrige Kondensatortemperatur eine hohe thermische Effektivität. Über die Welle W1 ist die durch die Turbinen T1 und T2 eingespeiste Leistung abgreifbar. A serial use of the turbines T1 and T2 is possible when the valves V1 and V3 closed, valve V2 is open. The steam supplied via the inlet I thus first flows through the turbine T1, then via the path opened by the valve V2, the turbine T2. This mode of operation allows a high thermal efficiency due to a low condenser temperature. The power supplied by the turbines T1 and T2 can be tapped off via the shaft W1.

Eine parallele Betriebsweise ist möglich, wenn über die Ventile V1 und V3–V2 geschlossen – der Dampfstrom des Einlass I beiden Turbinen zugeführt wird. In diesem Betrieb steht die maximale Leistung zur Verfügung. A parallel mode of operation is possible when closed via the valves V1 and V3-V2 - the vapor flow of the inlet I is fed to both turbines. In this mode the maximum power is available.

2 zeigt eine zweite Schaltung eines erfindungsgemäßen Expanders. Hier sind zwei lediglich Ventile V1 und V2 vorgesehen. Damit ist es nicht möglich, in einem mittleren Leistungsbereich nur die Turbine T2 zu betreiben. Ausch eine zweistufige Expansion – serieller Betrieb – ist nicht möglich. Als Vorteil – gegenüber der Ausführung nach 1 – bietet sich, dass die Dimensionierung der Turbine T2 unabhängig von der der Turbine T1 ist. 2 shows a second circuit of an expander according to the invention. Here only two valves V1 and V2 are provided. Thus, it is not possible to operate only the turbine T2 in a medium power range. Ausch a two-stage expansion - serial operation - is not possible. As an advantage - compared to the execution 1 - suggests that the dimensioning of the turbine T2 is independent of that of the turbine T1.

Die Schaltung nach 3 ergänzt die Schaltung nach 1 um ein Ventil V4. Mit dem Ventil V4 in dem die Turbine T2 umgebenden Zweig können die Turbinen T1 und T2 unabhängig voneinander dimensioniert werden, da durch das steuerbare Ventil V4 die Turbine T2 einstellbar überbrückbar ist. The circuit after 3 completes the circuit 1 around a valve V4. With the valve V4 in the branch surrounding the turbine T2, the turbines T1 and T2 can be dimensioned independently of one another since the turbine T2 can be bridged in an adjustable manner by the controllable valve V4.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

EC

expander casing

I

inlet

O

outlet

T1

first turbine

T2

second turbine

W1

first shaft, output shaft

W2

second wave

FW

Overrunning clutch

V1

Valve

V2

Valve

V3

Valve

V4

Valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2055912 A2 [0003]
DE 102006028807 A1 [0004]
EP 0915232 A1 [0005]
DE 10259488 A1 [0006]

Claims

Expansion machine for driving an aggregate in a motor vehicle, with two steam-expander expander turbines (T1, T2), wherein the shafts (W1, W2) with an overrunning clutch (FW) are coupled together, wherein the smaller power associated with the first turbine (T1) on the Shaft (W1) is arranged, the output power is removed, the shaft (W2) of the second turbine (T2) with the larger output power via the one-way clutch (FW) to the first shaft (W1) is connected, the two turbines (T1, T2) on the input side of an inlet (I) are acted upon by steam, the outputs of the turbines to a common output (O) act, the turbine (T2) with the larger power upstream of an adjustable valve (V1) is arranged.

Expansion machine according to claim 1, the first turbine (T1) with the lower power is associated with a bypass line which connects the inlet (I) with the outlet (O), wherein arranged in this bypass line another controllable valve (V2) is.

Expansion machine according to claim 1, the second turbine (T2) with the higher power is associated with a bypass line which connects the inlet (I) with the outlet (O), wherein in this bypass line, another controllable valve (V4) is arranged is.

at least according to claim 1, the output of the first turbine (T1) with the lower power downstream of a controllable valve (V3).