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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Turbine, insbesondere für Turbinenelemente, wie etwa die Turbinenlager, eine Magnetkupplung und ihre Abdeckung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Kühlen von Turbinenelementen nach Anspruch 7 und eine bevorzugte Verwendung des Kühlsystems nach Anspruch 8.
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Abwärme von Verbrennungsmotoren, insbesondere bei LKWs, kann in einem nachgelagerten Dampfprozess mit einem organischen Medium (ORC, Organic Rankine Cycle), wie beispielsweise Ethanol, genutzt werden (WHR, Waste Heat Recovery). Mit der aus dem Prozess gewonnenen Energie kann ein Generator angetrieben und so Strom für das Bordnetz und gegebenenfalls auch für einen elektrischen Zusatzantrieb erzeugt werden oder die Energie wird mechanisch an die Kurbelwelle abgegeben. In beiden Fällen lässt sich so Kraftstoff einsparen. Mit dem organischen Medium können gleichzeitig auch die Lager der eingesetzten Dampfturbine gekühlt werden.
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Bei einer Turbine mit einer Magnetkupplung und einer diese aufnehmenden Dichtkappe befindet sich flüssiges ORC-Medium auch in dem dazwischen liegenden Zwischenraum. Das Kühlmittel kann Wärme aufnehmen und verdampfen, in dem Zwischenraum allerdings nicht ausreichend zirkulieren. Abhilfe würden dabei zusätzliche Komponenten, wie eine Pumpe, schaffen.
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Die
europäische Patentschrift 1 984 602 B1 offenbart eine Generatorwelle mit einem zentrisch darin verlaufenden Kühlrohr, die US-amerikanische Patentschrift
US 1,074,043 ein Pumpsystem mit drehenden, spiralförmig aufsteigenden Pumpkanälen und die deutsche Offenlegungsschrift
DE 35 19 284 A1 ein Pumpsystem mit drehenden, linear voneinander weglaufende Pumpkanälen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein gattungsgemäßes Kühlsystem für Elemente einer Turbine eine verbesserte oder alternative Ausführungsform anzugeben, welches insbesondere eine vereinfachte und kostengünstige Kühlung ermöglicht.
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Die vorstehenden Probleme werden erfindungsgemäß durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen axialen Kühlmittelkanal so in eine Welle des Rotors einer Turbine einzubringen, dass die Drehung des Rotors eine Pumpwirkung erzeugt. Der wenigstens eine Kühlmittelkanal erstreckt sich dabei entlang einer Drehachse des Rotors, so dass bei Drehung des Rotors unter Nutzung einer Flieh- und/oder Trägheitskraft eine Pumpwirkung auf das darin befindliche Kühlmittel ausgeübt wird, die es durch den wenigstens einen Kühlmittelkanal fördert. Erfindungsgemäß öffnet sich dabei ein Einlass des wenigstens einen Kühlmittelkanals zu einer Lagerseite und ein Auslass des Kühlmittelkanals zu einer Kupplungsseite des Rotors hin. Aus dem durch eine Dichtkappe, beispielsweise aus Kunststoff, abgedeckten Raum um eine Magnetkupplung wird durch Fördern des Kühlmittels/Mediums zu der Kupplungsseite hin Wärme abgezogen, wobei auch andere Turbinenelemente, wie etwa ein in diesem Bereich angeordnetes Lager der Turbine durch alleinige Drehung des Rotors gekühlt werden. Dadurch sind keine weiteren Komponenten, wie beispielsweise eine extra dafür notwendige Pumpe erforderlich, was die konstruktive Auslegung, den Raumbedarf, das Gewicht und die Kosten der Turbine deutlich senkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Kühlmittelkanal entlang eines Kegelmantels oder eines Zylindermantels verläuft, dessen jeweilige Symmetrieachse mit der Rotationsachse des Rotors zusammenfällt. Der Kegelmantel bzw. der Zylindermantel stellt dabei eine Innenoberfläche dar. Dabei ist eine zuverlässige Pumpwirkung durch Fliehkraft gewährleistet, die man mit Hilfe des wenigstens einen Kühlmittelkanals nutzen kann, der sich in der gewünschten Strömungsrichtung allmählich von der Drehachse entfernt, wie beispielsweise auf einer Kegelmantellinie. Andererseits lassen sich Trägheitskräfte zwischen rotierenden und nicht rotierenden Teilen nutzen, wie etwa durch schraubenförmige Ausführung des Kanals in Form einer Archimedischen Schraube. Ein solcher schraubenförmig gestalteter Kühlmittelkanal könnte beispielsweise auf einer Zylindermantellinie oder Kegelmantellinie verlaufen. Dabei kann insbesondere auch bei einer Dichtedifferenz des Kühlmittels oder besser bei einer Phasengrenze, bei welcher die Schwerkraft gegen die Zentrifugalkraft nicht vernachlässigbar ist, ein im unteren Bereich eines schraubenförmigen Kühlmittelkanals befindliches dichteres Kühlmittel ähnlich dem Prinzip eines Schneckenförderers entlang des Kühlmittelkanals gefördert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Kühlmittelkanal wenigstens abschnittsweise linear oder schrauben(gang)förmig verläuft, um eine konkret erforderliche Pumpwirkung zu erzeugen und/oder der Kühlmittelkanal einfach herstellbar ist. Gerade aus herstellungstechnischen Gründen könnte ein Kühlmittelkanal im Einlass- und/oder Auslassbereich demnach schraubenförmig ausgebildet sein, während er zwischen diesen Bereichen linear verläuft.
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Aber auch aus strömungstechnischen Gründen kann es von Vorteil sein, wenn der wenigstens eine Kühlmittelkanal an seinem Einlass und/oder an seinem Auslass schraubenförmig verläuft. Gerade bei einem inkompressiblen Kühlmittel/Medium kann dadurch nämlich eine Pumpwirkung durch ein ‚Mitreißen‘ entstehen, also durch Trägheitskräfte, die gerade am Ein- und Auslass entstehen. Denn dort verläuft der schraubenförmig ausgeführte Kühlmittelkanal eben nicht koaxial, sondern auch in Umfangsrichtung, so dass die Trägheitskraft des von dem Rotor erfassten Kühlmittels durch die Gewindesteigung in eine gewisse Axialkomponente umgesetzt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine ähnliche Pumpwirkung dadurch erzeugt werden, dass Leitelemente auf der Lager- und/oder der Kupplungsseite des Rotors in Drehrichtung vor dem Einlass bzw. hinter dem Auslass angeordnet sind. Solche Leitelemente können in Form einer auf den Einlass bzw. Auslass gerichteten Leitschaufel ausgebildet sein, aber auch eine beliebige andere Form von axialem Vorsprung aufweisen. Möglich und vorteilhaft in der Fertigung ist eine teilweise Fortsetzung der Innenoberfläche des Kühlmittelkanals im Bereich des Vorsprungs. Allgemein staut ein solcher Leitvorsprung beim Drehen des Rotors das umgebende Kühlmittel/Medium lokal auf, so dass in Drehrichtung unmittelbar oder mit geringem Abstand vor ihm ein gewisser Überdruck und entsprechend hinter ihm ein Unterdruck entsteht, die allein oder in Verbindung mit den anderen hier beschriebenen Pumpmechanismen die erfindungsgemäß gewünschte Kühlung bewirken bzw. verstärken können.
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In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine schraubenförmige Kühlmittelkanal eine variierende Steigung einzelner Schraubengänge/Schrauben vorsieht. Insbesondere im Einlass- und Auslassbereich des Kühlmittelkanals kann dies wieder von Vorteil sein, um das vorstehend beschriebene ‚Mitreißen‘ des Kühlmittels durch eine höhere Steigung zu unterstützen, während diese im weiteren Verlauf des Kühlmittelkanals wieder abnimmt.
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In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist es vorgesehen, dass mehrere in Umfangsrichtung gleich voneinander beabstandete Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, um eine Unwucht des Rotors zu vermeiden und eine Kühlleistung des Kühlsystems zu erhöhen.
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Die vorstehende Aufgabe wird auch durch ein entsprechendes Verfahren zum Kühlen von Turbinenelementen gelöst, bei dem ein Kühlmittelkanal so entlang einer Drehachse in einer Welle eines Rotors angelegt wird, dass bei alleiniger Drehung des Rotors unter Nutzung einer Flieh- und/oder Trägheitskraft eine Pumpwirkung auf ein in dem Kältemittelkanal befindliches Kältemittel ausgeübt und dieses in dem Kühlmittelkanal gefördert wird. Dadurch wird eine einfache und zuverlässige Kühlung des Turbinenlagers sichergestellt, ohne zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise eine Pumpe, vorzusehen. Gleichzeitig kann auch ohne aktiv angesteuerte Komponenten und auch ohne Phasengrenze eine drehzahlabhängige Pump- und Kühlwirkung erzielt werden. Ein solches Verfahren ist dabei zudem konstruktiv einfach umsetzbar.
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Auf Grund seiner einfachen Integrierbarkeit und hohen Effizienz soll das vorstehend beschriebene Kühlsystem bevorzugt in einer Dampfturbine zur Abwärmenutzung, insbesondere einer Dampfturbine, bevorzugt in Fahrzeugen Verwendung finden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 einen Axialschnitt durch eine WHR-Dampfturbine mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das zwei sich entlang eines Kegelmantels linear erstreckende Kühlkanäle umfasst;
- 2 einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das einen sich schraubenförmig entlang eines Zylindermantels erstreckenden Kühlkanal umfasst;
- 3 einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das einen sich schraubenförmig entlang eines Kegelmantels erstreckenden Kühlkanal umfasst;
- 4 einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das einen sich schraubenförmig entlang eines Kegelmantels erstreckenden Kühlkanal mit variierender Steigung der Schrauben umfasst;
- 5 einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das einen sich schraubenförmig entlang eines Zylindermantels erstreckenden Kühlkanal mit ausgebildetem Leitelement am Einlass umfasst;
- 6 einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das einen sich linearförmig entlang eines Kegelmantels erstreckenden Kühlkanal umfasst, und
- 7 einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das einen sich schraubenförmig entlang eines Zylindermantels erstreckenden Kühlkanal mit innenliegendem Kern umfasst.
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1 zeigt einen Axialschnitt durch eine WHR-Dampfturbine mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1, das zwei entlang eines Kegelmantels sich linear erstreckende Kühlkanäle 4 umfasst, die den Rotor 3 von einer Lager- zu einer Kupplungsseite der Turbine durchlaufen. Die Symmetrieachse des Kegelmantels fällt dabei mit einer Drehachse 5 des Rotors 3 zusammen und die Kühlmittelkanäle 4 sind in Umfangsrichtung gleich beabstandet zueinander angeordnet, um eine Unwucht am Rotor 3 zu vermeiden. Unter anderem das Turbinenlager 2, eine Magnetkupplung 10 sowie eine elektromagnetische Kupplung aufnehmende kupplungsseitige Abdeckung 9' wird dabei von dem Kühlmedium/ Kühlmittel/Medium, vorzugsweise Ethanol, gekühlt. Durch Drehung der Kühlkanäle 4 zusammen mit dem Rotor 3 wird das Kühlmittel unter Einfluss einer Fliehkraft von der Lager- zu der Kupplungsseite der Turbine gefördert. Konkret wird es dazu aus dem Raum zwischen einer lagerseitigen Abdeckung 9 und dem Turbinenlager 2 in den Einlass 6 gesogen, durch die Kühlkanäle 4 hindurch gefördert und über einen Auslass 7 in Richtung eines Raums zwischen der kupplungsseitigen Abdeckung 9' und der elektromagnetischen Kupplung 10 abgegeben. Dadurch werden beide Räume mit zirkulierendem Kühlmittel durchströmt, was eine bessere Wärmeverteilung und Kühlung der Turbinenelemente zur Folge hat. Das erfindungsgemäße Kühlsystem 1 ist dabei von aktiven Komponenten, wie einer Pumpe, unabhängig und bietet zudem den Vorteil, dass auch ohne eine Phasengrenze eine drehzahlabhängige Pump- und Kühlwirkung erreicht wird.
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2 zeigt einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1', das einen sich schraubenförmig entlang eines Zylindermantels erstreckenden Kühlkanal 4' umfasst. Bei diesem Kühlsystem 1 wird allerdings nun das Prinzip der Trägheit genutzt, nach dem das Kühlmittel auf Grund seines Beharrungsvermögens bei Drehung des Rotors 3 und damit des Kühlmittelkanals 4' ähnlich dem Prinzip einer Archimedischen Schraube von der Lager- zu der Kupplungsseite der Turbine hin gefördert wird. Dabei kühlt auch das derart geförderte Kühlmittel das Turbinenlager 2, indem es zwischen den beiden mittels den Abdeckungen 9, 9' geschaffenen Räumen zirkuliert und die Wärme besser verteilt.
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3 zeigt einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1", das einen sich schraubenförmig entlang eines Kegelmantels erstreckenden Kühlkanal 4" umfasst. Bei diesem Kühlsystem 1 wird ähnlich der Ausführungsform der 1 wieder das Prinzip der Fliehkraft genutzt, nach dem durch Drehung des Rotors 3 und damit des Kühlkanals 4" das Kühlmittel zentrifugal nach außen gedrängt und weitergefördert wird. Im Prinzip stellt die Ausführungsform der 3 damit eine Kombination aus dem Fliehkraftprinzip der Ausführungsform der 1 und dem der 2 dar, die besonders effizient arbeitet.
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4 schließlich zeigt einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1"', das einen sich schraubenförmig entlang eines Kegelmantels erstreckenden Kühlkanal 4"' mit variierender Steigung 8 der Schrauben umfasst. Im Prinzip wurde damit der Ausführungsform der 3 noch eine variierende Steigung 8 des Kühlmittelkanals 4" mitgegeben, die bei der Ausführungsform der 4 von der Lagerseite zur Kupplungsseite hin abnimmt und dann wieder zunimmt. Damit ist ein besonders gutes Ansaugverhalten des Kühlmittels auf am Einlass 6 realisierbar, da das Kühlmittel auf Grund der dort besonders großen Steigung axial ‚mitgerissen‘ wird.
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5 zeigt einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1"", das einen sich schraubenförmig entlang eines Zylindermantels erstreckenden Kühlkanal 4"" mit ausgebildetem Leitelement 11 am Einlass umfasst. Dieses Leitelement 11 ist hier in Form einer Leitschaufel ausgebildet, kann aber auch eine beliebige andere Form von axialem Vorsprung aufweisen. Die Leitschaufel ist dabei als eine teilweise Fortsetzung der Innenoberfläche des Kühlmittelkanals 4"' ausgestaltet, der ansonsten dem Kühlkanal 4' der Ausführungsform einer WHR-Dampfturbine von 2 entspricht. Durch Drehung der Leitschaufel wird dabei das umgebende Kühlmittel/Medium lokal aufgestaut, so dass in Drehrichtung unmittelbar oder mit geringem Abstand vor ihm ein gewisser Überdruck und entsprechend hinter ihm ein Unterdruck entsteht, die allein oder in Verbindung mit den anderen hier beschriebenen Pumpmechanismen die erfindungsgemäß gewünschte Kühlung bewirken bzw. verstärken können.
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6 zeigt einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1"", das einen sich linearförmig entlang eines Kegelmantels erstreckenden Kühlkanal 4""' umfasst. Der kegelförmige Hohlraum des Kühlkanals 4""' wirkt dabei durch Zentrifugalkraft, die sich in eine radiale und eine axiale Komponente teilt, wovon letztere das Kühlmittel/Medium, ähnlich wie bei der Ausführungsform einer WHR-Turbine von 1, unter Aufnahme von Wärme in Richtung Auslass 7 treibt.
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7 zeigt einen Axialschnitt durch die WHR-Dampfturbine der 1 mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1""", das einen sich schraubenförmig entlang eines Zylindermantels erstreckenden Kühlkanal 4""" mit innenliegendem Kern 12 umfasst. Dieser zentrale, nicht rotierenden Kern fördert die Pumpwirkung insofern, als der Inhalt des Kühlkanals 4""" nun nicht (fast) gebunden mitrotiert, sondern durch die Reibung am Kern 12 nur mit deutlich reduzierter Drehzahl, wodurch die Förderwirkung der Schraube steigt.
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Bei allen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer WHR-Dampfturbine 1...1 ”""kann die lineare oder schraubenförmig ausgeprägte Führung des Kühlmittelkanals 4...4""" entlang einer Zylinder- oder Kegelfläche mit oder ohne variierende Steigung 8 der Schrauben auch nur über einzelne Abschnitte des Kühlmittelkanals hinweg vorgesehen sein. Insbesondere kann eine schraubenförmige Führung des Kühlmittelkanals mit großer Steigung einzelner Schrauben lediglich im Einlass- und / oder Auslassbereich ausgebildet sein, wo das Ansaug- und Ausstoßverhalten des Kühlsystems 1...1""" beeinflusst werden soll. Die Nutzung des Fliehkraft- und / oder Trägheitsprinzips bei der spezifischen Gestaltung des Kühlmittelkanals 4...4""" der einzelnen Ausführungsformen des Kühlsystems 1...1""" erfordert jedoch keine zusätzlichen aktiven Komponenten wie beispielsweise Pumpen oder Ähnliches, und ist deshalb einfach zu verwirklichen, effizient und zuverlässig sowie raumsparend und kostengünstig. Grundsätzlich kann aber in Drehrichtung vor dem Einlass ein Leitvorsprung zur Verdichtung des Kühlmittels/Mediums angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1984602 B1 [0004]
- US 1074043 [0004]
- DE 3519284 A1 [0004]
