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Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine, aufweisend ein Maschinengehäuse mit einer drehbar gelagerten, ein Laufrad tragenden Welle, wobei im Betrieb dem Laufrad ein Medium zugeführt wird und ein eine Laufradvorderseite und eine Laufradrückseite aufweisendes Laufrad in eine Drehbewegung versetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung einer solchen Expansionsmaschine.
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Stand der Technik
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Eine derartige Expansionsmaschine ist aus der
DE 10 2012 222 479 A1 bekannt. Diese Expansionsmaschine weist ein Maschinengehäuse auf, in dem eine ein Laufrad tragende Welle drehbar gelagert ist. Beim Betrieb der Expansionsmaschine wird dem Laufrad ein Medium, insbesondere ein Arbeitsfluid, zugeführt und versetzt das Laufrad und damit die das Laufrad tragende Welle in eine Drehbewegung. Die Welle ist direkt oder indirekt mit einer Arbeitsmaschine verbunden und somit wird an der Arbeitsmaschine Arbeitsleistung erzeugt. Die so ausgebildete Expansionsmaschine weist eine Volute auf, durch die das Arbeitsfluid in einer optimierten Strömung auf das Laufrad zuströmt. Dadurch soll der Wirkungsgrad der Expansionsmaschine verbessert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsmaschine bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere hinsichtlich einer Leckage und damit hinsichtlich des Wirkungsgrades, verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf der Laufradrückseite ein an der Laufradrückseite anliegender von einer Feder kraftbeaufschlagter Gleitring anliegt. Das entsprechende Verfahren zur Auslegung der Expansionsmaschine sieht vor, dass eine einen Gleitring auf eine Laufradrückseite andrückende streifenförmige Wellfeder ausgebildete Feder so ausgelegt ist, dass ein Federauslauf der Wellfeder in einem Arbeitsleistung erzeugenden Betriebszustand der Expansionsmaschine flächig auf einer darunter liegenden Windung der Wellfeder aufliegt. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das der Expansionsmaschine zugeführte Medium, insbesondere ein Arbeitsfluid, möglichst verlustfrei den auf der Laufradvorderseite des Laufrads angeordneten Schaufeln zugeführt werden soll und diese in eine Drehbewegung versetzen soll. Dadurch kann der Welle rotatorische Nutzarbeit zur Umsetzung in Arbeitsleistung entnommen werden. Konstruktionsbedingt gelangt aber eine geringe Teilmenge des Mediums zu der Laufradrückseite und kann von dort als Leckage entweichen. Um diese Leckage möglichst gering zu halten beziehungsweise zu vermeiden, ist auf der Laufradrückseite ein Gleitring angeordnet, der von einer Feder kraftbeaufschlagt an der Laufradrückseite anliegt. Diese Feder soll insbesondere in einem Arbeitsleistung erzeugenden Betriebszustand der Expansionsmaschine den Gleitring mit einer genau definierten Kraft an die Laufradrückseite andrücken. Dazu ist gemäß dem Verfahren zur Auslegung der Expansionsmaschine vorgesehen, dass ein Wellental und ein Wellenberg, insbesondere ein Streifenauslauf der als Wellfeder ausgebildeten Feder einen Flächenkontakt bildend beziehungsweise aufweisend auf einer darunter liegenden Windung aufliegt. Daraus resultieren folgende Vorteile:
- – Der Flächenkontakt eines Wellentals zu einem Wellenberg, insbesondere eines Federauslaufs, im Betriebszustand verringert die lokale Flächenpressung,
- – es wird eine Linearisierung der Federkennlinie der Feder erreicht und damit auch eine Verbesserung der Einstellbarkeit erzielt,
- – dadurch wird die Federrate geringfügig verringert, wodurch wiederum auch die Einstellbarkeit verbessert wird und
- – es wird eine Minimierung der in der Feder herrschenden Querkraft im Betriebszustand erreicht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Feder eine Wellentäler und Wellenberge aufweisende Feder, insbesondere eine Wellfeder. Bei einer solcherart ausgebildeten Wellfeder ist der Erfindungsgegenstand besonders vorteilhaft umsetzbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Feder beziehungsweise die Wellfeder streifenförmig ausgebildet und weist eine Streifenbreite auf, die größer ist als die Streifenhöhe. In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in einem Arbeitsleistung erzeugenden Betriebszustand der Expansionsmaschine ein Flächenkontakt zwischen den in Kontakt stehenden Wellentälern und den Wellenbergen der Feder vorhanden ist. In Kontakt stehen Wellentäler in Wellenberge zueinander beziehungsweise aufeinander folgender Windungen der Feder. Dies ist die allgemeinste den Kern des Erfindungsgegenstandes bildende Ausgestaltung.
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Dabei ist dann wiederum in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Streifenauslauf der Feder in einem Wellental liegt und auf einem Wellenberg einer darunter liegenden Windung der Feder aufliegt. Wiederum in weiterer Ausgestaltung weist der Streifenauslauf der Feder in einem Betriebszustand der Expansionsmaschine einen Flächenkontakt zu der darunter liegenden Windung der Feder auf. Diese Ausgestaltung bildet den eigentlichen Kern des Erfindungsgegenstandes, da durch diesen Flächenkontakt des Streifenauslaufs auf der darunter liegenden Windung die eingangs erläuterten Vorteile erreicht werden. Dabei ist es selbstverständlich so, dass beide Streifenausläufe der Feder auf der jeweils darunter liegenden Windung aufliegen. Optimal ist es aber darüber hinaus, wenn – wie zuvor ausgeführt – jeder Kontakt Wellenberg-Wellental aufeinander folgender Windungen in einem Betriebszustand flächenförmig ist. Dabei verläuft in Weiterbildung der Erfindung der Flächenkontakt allgemein jedes Wellenbergs zu dem zugehörigen Wellental über die gesamte Streifenbreite.
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In Weiterbildung der Erfindung beträgt die Streifenbreite der Feder 1 mm bis 3 mm, vorzugsweise 2 mm, und die Streifenhöhe 0,1 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltung der Feder, wobei aber im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch andere Geometrien umsetzbar sind.
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Um im Betriebszustand den Flächenkontakt oder flächigen Linienkontakt der Wellentäler zu den Wellenbergen zueinander folgender Windungen zu gewährleisten, ist in einer allgemeinen Ausgestaltung die Feder so ausgestaltet, dass in einem Ruhezustand, der einem unbelasteten, unverformten Zustand der Feder entspricht, ein Punktkontakt zwischen den in Kontakt Wellentälern und den Wellenbergen der Feder vorhanden ist.
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In einem solchen unbelasteten, unverformten Zustand weisen die in Kontakt stehenden Wellentäler und Wellenberge eine einseitige Spalthöhe auf. Insbesondere weist ein Streifenauslauf in einem unbelasteten, unverformten Zustand eine einseitige Spalthöhe zu der darunter liegenden Windung auf. Erst wenn das Laufrad durch das strömende Medium im Betriebszustand axial mit der Laufradrückseite gegen den Gleitring gedrückt wird und diesen gegen die Feder um ein geringes Maß verschiebt, wird die Feder ebenfalls um ein geringes Maß zusammengedrückt und in diesem Betriebszustand der erfindungsgemäße Flächenkontakt des Wellentals und des Wellenbergs, insbesondere des Streifenauslaufs, auf der darunter liegenden Windung eingestellt.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Spalthöhe 0,25 mm bis 0,45 mm, vorzugsweise 0,35 mm auf. Bei einem solchen Maß ergibt sich im Betriebszustand der erfindungsgemäß gewünschte Linienkontakt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die so ausgebildete Expansionsmaschine Teil eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine. Dieses Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf mit beispielsweise zwei Wärmetauschern auf, wobei ein erster Wärmetauscher in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine und ein gegebenenfalls vorhandener zweiter Wärmetauscher in einer Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine eingeschaltet sind. Der Arbeitsfluidkreislauf weist weiterhin die Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Fluidpumpe auf, wobei der Arbeitsfluidkreislauf stromabwärts der Fluidpumpe in die zwei Fluidzweige aufgeteilt wird, die jeweils zu dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher führen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in denen ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines Abwärmerückgewinnungssystems mit einem eine Expansionsmaschine aufweisenden Arbeitsfluidkreislauf,
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2 einen teilweisen Schnitt durch eine Expansionsmaschine,
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3 eine Ausschnittsvergrößerung einer Expansionsmaschine gemäß 2,
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4a bis 4c verschiedene Ansichten einer in einer Expansionsmaschine verbauten Feder,
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5, 5a Schnittdarstellungen einer in einer Expansionsmaschine verbauten Feder,
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6 eine Detailansicht eines Streifenauslaufs einer Feder auf einer darunter liegenden Windung der Feder unter Bildung einer einseitigen Spalthöhe und
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7 ein Diagramm mit einem Last-Verformungsverhalten einer erfindungsgemäß ausgestalteten Feder gegenüber einer herkömmlichen Feder.
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Das in 1 schematisch dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem weist einen Arbeitsfluidkreislauf 1 mit einem ersten Wärmetauscher 2a und einem zweiten Wärmetauscher 2b auf, wobei grundsätzlich auch nur ein einziger Wärmetauscher oder aber auch mehr als zwei Wärmetauscher Bestandteil des Abwärmerückgewinnungssystems sein können. Die Wärmetauscher 2a, 2b sind als Verdampfer ausgebildet beziehungsweise fungieren als solche und sind an einer Brennkraftmaschine 5 zur Rückgewinnung von beim Betrieb der Brennkraftmaschine 5 erzeugten Abwärme adaptiert. Dabei ist der erste Wärmetauscher 2a von einem in einer Abgasleitung 3 der Brennkraftmaschine geführten und einem Abwärmestrom bildenden Abgasstrom 4 der Brennkraftmaschine 5 durchströmt. Zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 2a ist der zweite Wärmetauscher 2b in einer Leitung in Form einer Abgasrückführleitung 6 oder einen sonstigen Wärmeträgerleitung eingebaut. Über die Abgasrückführleitung 6 wird dem Abgasstrom 4 eine Teilmenge Abgas entnommen und gesteuert über ein Abgasrückführleitungsventil 7 einem Ansaugsystem 8 der Brennkraftmaschine 5 zugeführt. Das Ansaugsystem 8 kann bevorzugt als Ladeluftleitungssystem ausgebildet sein. Die beiden Wärmetauscher 2a, 2b können gegebenenfalls über nicht dargestellte Wärmetauscherbypassleitungen bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 5 eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 5 bevorzugt eingebaut ist, umgehbar sein. Beim Einbau der Brennkraftmaschine 5 in eine Fahrzeug ist die Brennkraftmaschine 5 und das Abwärmerückgewinnungssystem mit dem Arbeitsfluidkreislauf 1 und dem erwähnten beziehungsweise nachfolgend noch beschriebenen Komponenten vorzugweise in einen Motorraum des Fahrzeugs eingebaut.
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Der Brennkraftmaschine 5 wird beim Betrieb Brennstoff und Brennluft zugeführt, die in Brennräumen der Brennkraftmaschine 5 unter Erzeugung von (Brennkraftmaschinen)-Arbeitsleistung zu heißem Abgas, das bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 5 den Abgasstrom 4 bildet, verbrennen. Dabei wird der Abgasstrom 4 durch die Abgasleitung 3, von der auch die Abgasrückführleitung 6 abzweigt, letztendlich in die Umgebung abgeführt. In der Abgasleitung 3 können vor und/oder hinter dem ersten Wärmetauscher 2a Abgasschalldämpfer 9 sowie Einrichtungen 10 zur Nachbehandlung des Abgases in Form von beispielsweise einem Katalysator und/oder einem Filter in beliebiger Reihenfolge eingebaut sein. Die Brennkraftmaschine 5 ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die mit Dieselkraftstoff betrieben wird. Dabei wird der Dieselkraftstoff beispielsweise mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems in die Brennräume eingespritzt. Die Brennkraftmaschine kann aber auch eine fremdgezündete, mit Benzin betriebene, Brennkraftmaschine sein, die ebenfalls ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweisen kann.
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Der erste Wärmetauscher 2a und der zweite Wärmetauscher 2b sind, wie zuvor ausgeführt, ihrerseits Teil des Arbeitsfluidkreislaufs 1, der neben den Wärmetauschern 2a, 2b eine Expansionsmaschine 11, einen Kondensator 12, gegebenenfalls eine Kondensatorpumpe 13, einen Ausgleichsbehälter 14 und eine oder zwei Fluidpumpen 15a, 15b aufweist. Die Fluidpumpe 15a ist über eine erste Zuleitung 16a mit dem ersten Wärmetauscher 2a und die zweite Fluidpumpe 15b ist über eine zweite Zuleitung 16b mit dem zweiten Wärmetauscher 2b strömungsmäßig verschaltet. Die Fluidpumpen 15a, 15b können eigenständige Pumpen sein oder aber beispielsweise in Form einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe ausgestaltet sein. Beispielsweise ist eine doppelhubige Flügelzellenpumpe so einstellbar, dass bei einer konstanten oder einstellbaren Gesamtfördermenge des Arbeitsfluids eine Fördermengenaufteilung zu dem ersten Wärmetauscher 2a und dem zweiten Wärmetauscher 2b zunehmend und entsprechend abnehmend zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden kann. Die Gesamtfördermenge kann beispielsweise durch eine Drehzahländerung der Fluidpumpen 15a, 15b eingestellt werden. Wie zuvor angedeutet wurde, kann aber auch nur eine einzige Fluidpumpe 15 vorhanden sein, wobei dann in die erste Zuleitung 16a und die zweite Zuleitung 16b Regelventile zur Einstellung der Fördermengenaufteilung eingebaut sind. Ist nur ein einziger Wärmetauscher vorhanden, erübrigt sich selbstverständlich die zuvor beschriebene Fördermengenaufteilung.
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Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise eine Kolbenmaschine oder aber bevorzugt eine Turbine sein. Im Falle einer Turbine wird normalerweise ein Reduktionsgetriebe nachgeschaltet, um die hohen Turbinendrehzahlen zu reduzieren und diese an die Drehzahlen einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine oder eines sonstigen Abnehmers anzupassen.
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Beim Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems wird von den Fluidpumpen 15a, 15b ein für einen Rankine-Prozess geeignetes Fluid, beispielsweise Ethanol oder Cyclopentan auf einen hohen Druck gebracht und den Wärmetauschern 2a, 2b zugeführt. Das Fluid wird in den Wärmetauschern 2a, 2b erhitzt und unter einem hohen Druck in den dampfförmigen Zustand überführt. Der so erzeugte Dampf wird der Expansionsmaschine 11 zugeführt und treibt diese unter Expandierung des Arbeitsfluids an. Um den Arbeitsfluidkreislauf 1 an der Expansionsmaschine 11 vorbeiführen zu können, kann eine Bypassleitung 17 mit einem Bypassventil 18 vorgesehen sein, über die die Expansionsmaschine 11 umgehbar ist.
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Das der Expansionsmaschine 11 zugeführte Arbeitsfluid entspannt sich in dieser unter Erbringung von mechanischer Wellenarbeit, die über eine Abtriebswelle abgeführt wird. Die Abtriebswelle 19 kann beispielsweise mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung gekoppelt sein. Danach wird der „kalte“ Dampf in dem Kondensator 12 kondensiert und letztendlich wieder den Fluidpumpen 15a, 15b zugeführt. In die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 12 und der doppelhubigen Flügelzellenpumpe 16 ist der Ausgleichsbehälter 14 eingeschaltet. Neben den zuvor beschriebenen Komponenten können noch beliebige weitere Komponenten, insbesondere Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken in verschiedenen Abschnitten des Arbeitsfluidkreislaufs 1 vorhanden sein. Weiterhin ist ein Steuergerät zur Steuerung des Abwärmerückgewinnungssystems vorhanden.
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Ausweislich der 2 und der 3 weist die hier teilweise in dem interessierenden Teil dargestellte Expansionsmaschine 11 ein Maschinengehäuse 20 mit einer darin drehbar gelagerten Welle 21 auf. Auf der Welle 21 ist eine Anzahl von Schaufeln 23 tragendes Laufrad 22 drehfest montiert. Die Expansionsmaschine 11 weist einen Einlauf für das Medium in Form eines Arbeitsfluids auf, wobei der Zulauf beispielsweise spiralförmig ausgebildet ist und in einen Ringraum 24 einmündet, der an die Schaufeln 23 angrenzt. Das Arbeitsfluid durchströmt die Schaufeln 23 angenähert tangential und versetzt diese zusammen mit der Welle 19 in eine Drehbewegung, die auf eine mit der Welle 19 direkt oder indirekt verbundene Arbeitsmaschine übertragen wird. Nach dem Durchströmen der Schaufeln 23 des Laufrads 22 wird das Arbeitsfluid über einen Expansionsraum 25 wieder in den Arbeitsfluidkreislauf 1 eingeführt. Die Schaufeln 23 sind auf einer Laufradvorderseite 26 angeordnet, während auf einer Laufradrückseite 27 ein in dem Maschinengehäuse 20 gelagerter Gleitring 28 angeordnet ist, der von einer als Wellfeder 29 ausgebildeten Feder gegen die Laufradrückseite 27 gedrückt wird. Der Gleitring 28 ist von einem an dem Maschinengehäuse 20 befestigten einteiligen oder mehrteiligen Spannring 30 gehalten und gegenüber diesem auf einem Spannringwellenabschnitt mittels einem in eine Ringnut des Spannrings 30 eingelassenen Dichtring 31 abgedichtet. Beim Betrieb der Expansionsmaschine 11 gelangt eine geringe Menge des Arbeitsfluids auf die Laufradrückseite 27 und teilt sich dort in einen Pfad 32 und einen Pfad 33 (3) auf. Der Pfad 33 gelangt auf der Rückseite des Gleitrings 28 bis zu dem Dichtring 31 und wird von diesem an einem Weiterströmen gehindert. Über den Pfad 32 gelangt eine Teilmenge entlang eines Ringspalts zu der Laufradrückseite 27 und könnte als Leckage entlang der Laufradrückseite 27 in den Niederdruckbereich (Expansionsraum 25) abströmen. Um dies zu verhindern, wird der Gleitring 28 mit einer definierten Kraft von der Wellfeder 29 gegen die Laufradrückseite 27 gepresst.
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Die in den 4 bis 4c detailliert dargestellte Wellfeder 29 hat in einem konkreten Ausführungsbeispiel beispielsweise einen Innendurchmesser von angenähert 30 mm und einen Außendurchmesser von angenähert 34 mm. Die Streifenbreite l der Wellfeder 29 beträgt beispielsweise 2 mm, während die Streifenhöhe t beispielsweise 0,2 mm beträgt (siehe auch 6). In Umfangrichtung hat die Wellfeder 29 beispielsweise 3,5 Wellen pro 360° siehe auch 4c) und im vorgenannten Zustand beträgt die von der Wellfeder 29 auf den Gleitring 30 aufgebrachte Druckkraft 10 N bei einem Federweg von 3 mm. All diese Werte sind beispielhafte Angaben. Die Wellfeder 29 weist zwei Streifenausläufe 34a, 34b auf, die jeweils in einem Wellental 39 der jeweiligen Windung 41 liegen und auf einem Wellenberg 40 der darunter liegenden Windung aufliegen. Dabei ist die Wellfeder 29 so ausgebildet und dimensioniert, dass die Streifenausläufe 34a, 34b im Arbeitsleistung erzeugenden Betriebszustand der Expansionsmaschine 11, also wenn diese bestimmungsgemäß von dem Arbeitsfluid durchströmt wird, einen Flächenkontakt 35a, 35b (4a und 4b) zu der jeweils darunter liegenden Windung aufweisen. Dabei wird ein solcher Flächenkontakt vorzugsweise bei allen Kontakten der Wellenberge zu dem jeweiligen Wellental erreicht. Dieser Zustand wird durch eine geringe axiale Verschiebung des Laufrads 22 in Richtung zu dem Gleitring 28 unter einer entsprechenden Stauchung der Wellfeder 29 verursacht beziehungsweise bewirkt. Der Öffnungswinkel α, der sich aus einer in 4c gezeigten Draufsicht anhand der beiden Streifenausläufe 34, 34b ergibt, beträgt beispielsweise 50°.
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Dagegen zeigen die 5, 5a und 6 eine Wellfeder 29, bei denen die Streifenausläufe 34a, 34b eben keinen Flächenkontakt zu der darunter liegenden Windung aufweisen, sondern eine Spalthöhe 36 (in 6 zusätzlich mit u bezeichnet) von beispielsweide 0,35 mm aufweist. Die Wellfeder 29 ist nämlich so ausgebildet, dass diese im unverformten Ruhezustand diese Spalthöhe 36 aufweist, die aber im Betriebszustand durch die Verformung, genauer Zusammendrückung beziehungsweise Stauchung, der Wellfeder 29 eliminiert ist. Falls die Spalthöhe 36 im Betriebszustand auftreten würde, wäre im Betriebszustand eine nur punktuelle Auflage des Streifenauslaufs 34a, 34b auf der darunter liegenden Windung gegeben, was zu einer lokal hohen Flächenpressung führen würde. Auch könnte ein Streifenauslauf 34a, 34b auf der darunter liegenden Windung abgleiten mit der Folge, dass die Wellfeder 29 Querkräfte aufbauen würde.
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Bedingt durch diese Umstände weist ausweislich des Kraft (F) Weg (x) Diagramms gemäß 7 die durch den Flächenkontakt 35a, 35b des Streifenauslaufs 34a, 34b beim Betriebszustand optimierte Wellfeder 29 ein lineares Last-Verformungsverhalten 37 auf, während bei einer nicht optimierten Wellfeder ein gekrümmtes Last Verformungsverhalten 38 gegeben wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012222479 A1 [0002]
