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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialturbinenanordnung für eine Expansionsmaschine eines Wärmerückgewinnungssystems, umfassend eine Radialturbine zur Umwandlung von Strömungsenergie eines Arbeitsfluids in Rotationsenergie, wobei die Radialturbine von Zuströmleitmitteln zur Zuleitung des Arbeitsfluids an den außenradialen Randbereich der Radialturbine umgeben ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Expansionsmaschine eines Wärmerückgewinnungssystems sowie ein Wärmerückgewinnungssystem selbst.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere auf Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Daneben ist es auch denkbar, die erfindungsgemäße Lösung in Verbindung mit stationären Abwärmequellen einzusetzen, um hieraus eine nutzbare mechanische oder elektrische Energie rückzugewinnen. Eine Expansionsmaschine bildet eine wesentliche Komponente eines herkömmlichen Wärmerückgewinnungssystems, bei dem in einem Dampfkreisprozess ein Arbeitsfluid, beispielsweise Ethanol, durch eine Pumpeneinheit von einem niedrigen auf einen höheren Druck gebracht und in mindestens einem Verdampfer gefördert wird. Der Verdampfer nimmt die Abwärme, beispielsweise eines Abgastrakts eines Verbrennungsmotors, auf und verdampft das Arbeitsfluid. Der erzeugte Dampf verrichtet in der hier interessierenden Expansionsmaschine Arbeit und wird anschließend in einem Kondensator wieder verflüssigt, wobei die verbleibende Restwärme an die Umgebung abgegeben wird. Schließlich wird das Arbeitsfluid erneut der Pumpeneinheit zugeführt.
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Speziell bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ist die Begrenzung und Verringerung eines Ausstoßes von Kohlendioxid eine wesentliche Anforderung. Gründe hierfür sind steigende Kraftstoffpreise sowie bestehende und geplante gesetzliche Bestimmungen. Neben einer Steigerung des Wirkungsgrads der Verbrennung ist auch eine Steigerung des Wirkungsgrads des gesamten Antriebsstrangs des Kraftfahrzeuges von Bedeutung. Hierbei kann über die Nutzung der Restwärme, die über das Abgas abgeführt wird, eine Energierückgewinnung erzielt werden. Die thermische Energie des Abgases, was beispielsweise ein Drittel der im Kraftstoff gebundenen Energie ausmachen kann, kann zum Betreiben des vorstehend beschriebenen Dampfkraftprozesses genutzt werden.
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Die Expansionsmaschine liefert dabei mittels des überhitzten Dampfes eine mechanische Wellenleistung, welche zum Antrieb eines elektrischen Generators oder als zusätzliche Antriebsenergie an eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors abgegeben werden kann. Neben Hubkolben- und Rotationskolbenmaschinen werden im Rahmen einer Expansionsmaschine insbesondere die hier interessierenden Radialturbinen eingesetzt, um aus dem mit radialer Anströmrichtung auf die Radialturbine einwirkenden Arbeitsfluid die rotative mechanische Antriebsbewegung zu erzeugen. Die radiale Anströmrichtung des Arbeitsfluides wird dabei durch geeignete Zuströmleitmittel sichergestellt, deren Ausgestaltung sich die vorliegende Erfindung widmet.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2012 222 479 A1 offenbart eine Radialturbine einer Expansionsmaschine, die über einen Dampfkreisprozess angetrieben ist. Die Radialturbine umfasst ein Turbinenlaufrad und eine Volute als Zuströmleitmittel, in die ein gasförmiges Arbeitsfluid einführbar ist. Die Volute dient der Vergleichmäßigung des einströmenden Massenstroms an Arbeitsfluid, damit die innen liegende Radialturbine möglichst von allen Seiten her gleichmäßig angeströmt wird. Es ist ferner ein Ringspalt vorgesehen, über den das gasförmige Arbeitsfluid aus der Volute zu dem radial innen liegenden Turbinenlaufrad führbar ist. Eine Volute weist gewöhnlich eine recht komplexe geometrische Struktur auf, welche in der Regel gießtechnisch herzustellen ist. Der hieraus resultierende Fertigungsaufwand geht mit der Eigenschaft einher, dass eine Volute nur für einen bestimmten Betriebspunkt optimal ausgelegt ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Radialturbinenanordnung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen technischen Mitteln eine alternative Zuströmungsgeometrie für eine Radialturbine geschaffen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Radialturbinenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Der Anspruch 8 verweist auf eine die erfindungsgemäße Radialturbinenanordnung enthaltende Expansionsmaschine. Der Anspruch 9 verweist weitergehend auf ein diese spezielle Expansionsmaschine umfassendes Wärmerückgewinnungssystem zur Nutzung der Abwärme, insbesondere eines Verbrennungsmotors.
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Die Erfindung schließt in die technische Lehre ein, dass die Zuströmleitmittel ein die Radialturbine koaxial umgebendes Einströmgehäuse zur Bildung eines Ringvolumens aufweisen, welches im radial inneren Übergangsbereich zur Radialturbine mit einem Lavaldüsenkranz versehen ist, um den die Radialturbine beaufschlagenden Massenstrom an Arbeitsfluid zu glätten und zu homogenisieren.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Kombination eines einfachen Ringvolumens mit einem Lavaldüsenkranz eine komplexe Volutengeometrie ohne signifikante Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades ersetzt werden kann. Neben einer durch die erfindungsgemäße Lösung erzielbaren Glättung des Massenstroms und einer homogenen Anströmung treten auch vergleichsweise sehr geringe Radialkräfte auf.
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Vorzugsweise besteht der kreisförmige Lavaldüsenkranz innerhalb des Einströmgehäuses aus einer Mehrzahl spaltwahrend einander überlappender Flügelelemente. Mit anderen Worten ist der Lavaldüsenkranz aus einzelnen Flügelelementen zusammengesetzt, welche im Querschnitt dachziegelartig aneinandergereiht sind, wobei dazwischen allerdings ein Spalt verbleibt, welcher die Engstelle einer jeden Lavaldüse bildet. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades sollten einander benachbart angeordnete Flügelelemente eine konvergent-divergente Spaltgeometrie ausbilden, welche eine Strömungsbeschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit erzeugt. Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit nach der Engstelle jeder Lavaldüse mehr als 1,2, vorzugsweise mehr als 1,5 Mach, um dem Rahmen der bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen Radialturbinenanordnung bei einer Expansionsmaschine eines Wärmerückgewinnungssystems eine hinreichende homogenisierte Verteilung des Massenstroms an Arbeitsfluid zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lavaldüsenkranz derart bemessen, dass die Summe der hierdurch gebildeten Spaltquerschnitte ein Druckverhältnis von Einströmdruck pE vor der Lavaldüse zu Ausströmdruck pA, bezogen auf die Engstelle, von größer als 2 erzeugen. Versuche haben ergeben, dass ab diesem Druckverhältnis die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit von größer als 1 Mach erreichbar ist. Aus dem Druckverhältnis lässt sich auch das Flächenverhältnis von Einströmquerschnitt auf den Lavaldüsenkranz zu dem durch die Summe der gebildeten Spaltquerschnitte gebildeten Durchströmungsquerschnitt rückschließen. Um eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1 Mach zu erreichen, ist beispielsweise bei einem Anströmungsquerschnitt von 300 mm2 eine Summe der durch den Laveldüsenkranz gebildeten Spaltquerschnitte von etwa 25 mm2 bei ansonsten üblichen Strömungsrandbedingungen hinreichend, so dass eine homogene Massenstromverteilung erzielbar ist.
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Zur Erzielung einer fertigungstechnisch möglichst einfach herzustellenden Geometrie für das Einströmgehäuse sollte dieses eine zylindrische Hüllgeometrie aufweisen. Das Einströmgehäuse kann beispielsweise als Schweißkonstruktion aus Blech hergestellt werden. Daran ist mindestens ein rohrförmiger Zuströmstutzen zur Zuleitung des Arbeitsfluids zum Ringvolumen anzubringen. Ein solcher Zuströmstutzen kann dabei in radialer, tangentialer oder axialer Richtung verlaufen. Somit ist es durch das geometrisch einfache Einströmgehäuse und die Verwendung des Lavaldüsenkranzes möglich, die Zuführrichtung des Arbeitsfluids frei zu wählen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Dampfkreisprozesses für ein Wärmerückgewinnungssystem mit hierin integrierter Expansionsmaschine,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Einströmgehäuses mit Zuströmstutzen als erfindungsgemäße Zuströmleitmittel,
- 3 eine Draufsicht auf das Einströmgehäuse gemäß 2.
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Nach 1 umfasst ein Wärmerückgewinnungssystem zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors 1 eine im Rahmen einer Expansionsmaschine agierende Radialturbine 2, einen Kondensator 3, eine Pumpeneinheit 4 sowie einen Verdampfer 5. Die Radialturbine 2 treibt über eine Arbeitswelle 6 einen elektrischen Generator 7 zur Erzeugung von elektrischem Strom an, an welchem ein elektrischer Verbraucher 8 angeschlossen ist.
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Das Wärmerückgewinnungssystem nutzt einen geschlossenen Kreislauf 9, in dem ein Arbeitsfluid als Prozessmedium umläuft. Dabei wird das Arbeitsfluid in dem Verdampfer 5 durch das Abgas des Verbrennungsmotors 1 erhitzt. Hierfür ist eine Abgasleitung 10 vorgesehen, die an den Verdampfer 5 angeschlossen ist. Das Arbeitsfluid wird durch die Erhitzung im Verdampfer 5 in den gasförmigen Aggregatzustand überführt. Das dampfförmige und unter dem Druck p1 stehende Arbeitsfluid wird anschließend mit radialer Anströmrichtung der Radialturbine 2 zugeführt, um diese anzutreiben. In der Radialturbine 2 erfolgt eine Expansion des dampfförmigen Arbeitsfluids. Hierbei sinkt der Druck des Arbeitsfluids von dem Druck p1 auf den niedrigeren Druck p2 ab. Dabei wird mechanische Arbeit verrichtet, die über die Arbeitswelle 6 an den elektrischen Generator 7 und/oder an eine Welle 11 des Verbrennungsmotors 1 abgegeben wird. Somit kann die von der Radialturbine 2 geleistete mechanische Energie über den Generator 7 zum Betreiben des elektrischen Verbrauchers 8 oder als zusätzliche Antriebsenergie, die auf die Welle 11 dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird, genutzt werden. Hierfür geeignete Kupplungen und Übersetzungen sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht weiter abgebildet.
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Nach dem Durchlaufen der Radialturbine 2 wird das Arbeitsfluid durch den Kondensator 3 geführt. Durch den Kondensator 3 wird außerdem ein Kühlmedium geführt. In dem Kondensator 3 wird das Arbeitsfluid 2 so weit abgekühlt, dass es vorzugsweise kondensiert, um den Kondensator 3 möglichst im flüssigen Zustand wieder zu verlassen. Nach dem Durchlaufen des Kondensators 3 wird das nunmehr flüssige Arbeitsfluid zu der Pumpeneinheit 4 zurückgeführt. Die Pumpeneinheit 4 überführt das flüssige Arbeitsfluid von dem niedrigen Druck p2 auf den höheren Druck p1. Das unter dem Druck p1 stehende, flüssige Arbeitsfluid wird anschließend dem Verdampfer 6 zugeführt. Hierdurch ist der Kreislauf 9 geschlossen.
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Gemäß 2 weisen die der Radialturbine 2 der Expansionsmaschine zugeordneten Zuströmleitmittel für das Arbeitsfluid ein die Radialturbine 2 koaxial umgebendes Einströmgehäuse 13 auf. Das Einströmgehäuse 13 dient der Bildung eines innen liegenden Ringvolumens, welches im radial inneren Übergangsbereich zu der Radialturbine 2 mit einem Lavaldüsenkranz 14 versehen ist. Der Lavaldüsenkranz 14 sorgt im Übergangsbereich der Strömung vom Ringvolumen zur Radialturbine 2 für eine Glättung und Homogenisierung des die Radialturbine 2 beaufschlagenden Massenstroms. Der kreisförmig die Radialturbine 2 umgebende Lavaldüsenkranz 14 ist aus einer Mehrzahl spaltwahrend einander überlappender Flügelelemente 15 (exemplarisch) zusammengesetzt.
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Das Arbeitsfluid wird dem im Wesentlichen zylindrischen Einströmgehäuse 13 über einen rohrförmigen Zuströmstutzen 16 zugeführt, welcher in Axialrichtung verlaufend in den äußeren Randbereich des Einströmgehäuses 13 einmündet.
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Aus der 3 geht der Aufbau des Lavaldüsenkranzes 14 aus den einzelnen Flügelelementen hervor. Die eingekreisten Ziffern 1, 2 und 18 kennzeichnen die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Anzahl von achtzehn einzelnen Flügelelementen zur Bildung des kreisförmigen Lavaldüsenkranzes 14. Ersichtlicherweise bilden einander benachbart angeordnete Flügelelemente 15 eine konvergent-divergente Spaltgeometrie aus, welche eine Strömungsbeschleunigung des Arbeitsfluids auf Überschallgeschwindigkeit erzeugt.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, eine andere Anzahl an Flügelelementen zur Ausbildung eines Lavaldüsenkranzes 14 zu wählen. Die Anzahl und geometrische Anordnung der Flügelelemente 15 richtet sich nach den strömungsdynamischen Randbedingungen und wird prinzipiell dahingehend ausgelegt, dass eine Strömungsbeschleunigung durch den Lavaldüsenkranz 14 von größer als 1 Mach erzielbar ist, um den erfindungsgemäßen Vorteil einer hinreichenden Homogenisierung der Massenstromverteilung ohne Verwendung einer herkömmlichen Volute zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012222479 A1 [0005]
