DE19926891C2 - Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine und Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei herkömmlichen Motoren geht von der gesamten Wärmeenergie des Kraftstoffs ca. ein Drittel im Kühlwasser und ein Drittel in den Abgasen verloren. Bei einem ungekühl­ ten Motor läßt sich die Energieausbeutung nur geringfügig von z. B. 34% auf maximal 38,5% steigern, aber nur unter Inkaufnahme einer Vergrößerung der Abgasverluste.

Es ist bekannt, zur teilweisen Rückgewinnung der Abgasenergie z. B. Turbolader vor­ zusehen, mit denen sich aber letztlich nur bei Kolbenmaschinen der Liefergrad vergrö­ ßern, die Abgasenergie aber nicht vollständig nutzen läßt.

Die CH 464 606 zeigt ein Verfahren zum Kühlen einer Schraubenkraftmaschine, bei dem Frischluft zwischen einem Verdichter und einer Brennkammer mittels Abgasen im Gegenstromverfahren erwärmt wird. Der Verdichter ist hierbei zur Erzeugung eines Druckgefälles notwendig, um die Frischluft durch einen Wärmetauscher zu befördern.

Die DE 94 01 804 U1 und die DD 276 512 A1 zeigen Verbrennungskraftmaschinen m­ it zwei parallelen, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln, durch die Frischluft zu einer Brennkammer befördert und Verbrennungsgase nachfolgend in einer Expansionsstufe zugeführt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie zu dessen Durchführung eine Turbomaschine zu entwickeln, mit denen sich der genannte Wär­ meverlust reduzieren läßt.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Arbeitsmedium Frischluft angesaugt, dann in einzelnen abgeschlossenen, in Förderrichtung aufeinanderfol­ genden Förder- und Erwärmungskammern isochorisch erwärmt und dann in eine Arbeitsmaschine eingeleitet wird, in der der ins­ besondere durch die isochorische Erwärmung erzeugte Luftüber­ druck durch Leistungsabgabe weitgehend abgebaut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Arbeitsmaschine und/oder die aus der Arbeitsmaschine austretende Luft mit Kraftstoff ver­ mischt und eine Verbrennung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegenstrom, also entgegen der Förderrichtung der Förder- und Erwärmungskam­ mern an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft in den Förder- und Erwärmungskammern sukzessive iso­ chorisch erwärmt wird.

Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe vorrich­ tungsmäßig gelöst mit zumindest zwei achsparallelen, in entge­ gengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden, jeweils als Hohl­ welle ausgebildeten Schraubenspindeln, die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden, nach außen mit einer Wär­ meisolierung versehenen Stator sich jeweils über einen Gewinde­ abschnitt erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern bilden, die bei Drehung der Schraubenspindel von einem Luftan­ saugstutzen in axialer Förderrichtung zu einem Lufteinströmbe­ reich einer drehfest mit den Schraubenspindeln verbundenen Ar­ beitsmaschine verschoben werden, vor deren Lufteintritt und/oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer vorgesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung aufweist, wobei die Abgase über ein Abgasrohr jeweils in das dem Luftansaugstutzen gegenüberliegende Ende des Wellenhohlraumes eingeleitet werden, der gegenüber den Luftkammern als Gegenstromwärmetauscher ausge­ bildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens in einen Aus­ puff mündet.

Erfindungsgemäß wird somit ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärmeenergie wieder in Druck umgewandelt, was sich aus der isochorischen Erwärmung des in Luftkammern eingeschlossenen Arbeitsmediums ergibt. Der so gewonnene Luftdruck leistet dann in der Arbeitsmaschine, die z. B. in einem dem Schraubenkompres­ sor umgekehrten Sinne arbeiten kann, Arbeit, wobei die dadurch erzeugte Wellendrehung in einer bevorzugten Ausführungsform teilweise zur Luftvorverdichtung am Wellenanfang, z. B. in einem Schraubenkompressor, genutzt werden kann.

Der Luftdruck sinkt nach der Expansion in der Arbeitsmaschine so weit ab, wie es in dem Wärmetauscher für die Überwindung der Strömungswiderstände erforderlich ist. Hingegen sinkt die Luft­ temperatur gemäß den thermodynamischen Gesetzen für polytropi­ sche Expansion nicht so schnell ab, so daß die weitere Lufter­ hitzung im Nachbrenner ausgehend von einem bereits hohen Tempe­ raturniveau erfolgen kann. Dabei kann in dem Gegenstromwärmetau­ scher mit einer Temperaturdifferenz von z. B. etwa 50°C-100°C gearbeitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen System entstehen in der das System nach außen abdeckenden Isolierung nur geringe Wärmeverluste; auch die Abgasverluste lassen sich sehr niedrig halten. Das er­ findungsgemäße System verlangt zwar hitzebeständige Materialien, jedoch werden diese nicht so stark beansprucht wie z. B. Schau­ feln in Düsenjetturbinen. Das erfindungsgemäße System eignet sich daher insbesondere für effiziente Stromerzeuger, Auto- und Schiffsmotoren und dergleichen.

Verfahrensmäßig ist es zweckmäßig, wenn die Temperatur der Ver­ brennungsgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abgesenkt und dadurch der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.

Die Leistung läßt sich noch dadurch etwas steigern, daß zumin­ dest eine Kraftstoffteilmenge vor der Arbeitsmaschine in die isochorisch erwärmte Frischluft eingebracht und zumindest eine Teilverbrennung bereits vor der Arbeitsmaschine eingeleitet wird. Ferner kann vorgesehen werden, daß in zumindest einige der Förder- und Erwärmungskammern Wasser eingesaugt oder einge­ spritzt wird.

Die Arbeitsmaschine kann eine Turbine sein, die mit einem jeder Schraubenspindel vorgeschalteten Verdichter auf der gleichen Welle arbeiten kann. Dabei kann anstelle eines vorgeschalteten Verdichters oder aber auch zusätzlich eine Verdichtung der ange­ saugten Frischluft dadurch erfolgen, daß jede Schraubenspindel zumindest einen axialen Abschnitt mit in Förderrichtung abneh­ mender Gewindesteigung aufweist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfin­ dung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung eine Turbomaschine mit einem zur Verbesserung der Übersichtlichkeit teilweise aufgebrochenen Statorgehäuse;

Fig. 2 einen lotrechten Längsschnitt durch die Darstel­ lung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen lotrechten Querschnitt durch das linke Ende der Fig. 2;

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch die Turbomaschine gemäß Fig. 1;

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab in Draufsicht eine Prin­ zipskizze von zwei miteinander kämmenden Schrau­ benspindeln und

Fig. 6 ein Temperatur- und Druckdiagramm für ein erfin­ dungsgemäßes Verfahren.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Turboma­ schine mit zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln 1, 2, die mantelseitig von einem Stator 3 dicht umschlossen sind, der nach außen mit einer Wärmeisolierung 4 versehen ist (siehe auch Fig. 5).

Jeder Schraubenspindel 1, 2 ist ein drehfest mit ihr verbundener Verdichter 5 vorgeschaltet und eine ebenfalls drehfest mit ihr verbundene Arbeitsmaschine 6 nachgeschaltet, die in dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel schematisch als Turbine dargestellt ist. Die Förderrichtung der vom Verdichter 5 angesaugten Frisch­ luft ist durch einen Pfeil 7 gekennzeichnet.

In Förderrichtung 7 gesehen liegt vor der Arbeitsmaschine 6 für die über die Schraubenspindeln 1, 2 angeförderte Luft eine Vor­ brennkammer 8, die mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse 9 sowie einer Zündkerze 10 bestückt ist. Der Luftaustritt der Arbeits­ maschine 6 mündet in eine Nachbrennkammer 11, die ebenfalls eine Kraftstoff-Einspritzdüse 9 sowie eine Zündkerze 10 aufweist und über ein Abgasrohr 12 mit dem benachbarten Ende des Wellenhohl­ raumes 13 der jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspin­ del 1, 2 verbunden ist.

Fig. 5 läßt erkennen, daß die beiden Schraubenspindeln 1, 2 zusammen mit dem sie dicht umschließenden Stator 3 sich jeweils über einen Gewindeabschnitt 14 erstreckende, weitgehend abge­ schlossene Luftkammern 15 bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln 1, 2 von einem Luftansaugstutzen 16 (siehe Fig. 1 und 3) in axialer Förderrichtung 7 zu einem nicht näher gekenn­ zeichneten Lufteinströmbereich der drehfest mit der jeweiligen Schraubenspindel 1, 2 verbundenen Arbeitsmaschine 6 verschoben werden. Soll die von den Schraubenspindeln 1, 2 geförderte Luft auf ihrem Förderweg zusätzlich zu dem vorgeschalteten Verdichter 5 verdichtet werden, kann für die Gewindeabschnitte 14 eine in Förderrichtung 7 abnehmende Steigung vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt im rechten Abschnitt der Schraubenspindel 1, 2 eine Stei­ gung 17 und eine demgegenüber verringerte Steigung 18 im linken Abschnitt der Fig. 5.

Der Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1, 2 ist gegenüber den Luftkammern 15 als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet, der im Bereich des Luftansaugstutzens 16 in einem Auspuff 19 mündet.

Dabei kann jeder Wellenhohlraum 13 mit Abgasleiteinrichtungen 20 bestückt sein, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordnete Leitschaufeln sind.

Werden über einen nicht näher dargestellten Anlasser die beiden an ihrem einen Ende mit dem Verdichter 5 und an ihrem anderen Ende mit der Arbeitsmaschine 6 bestückten Schraubenspindeln 1, 2 gegeneinander in Rotation versetzt, saugen die Verdichter 5 über den Luftansaugstutzen 16 Frischluft an, die dann nach ihrer Ver­ dichtung dem in den Fig. 1, 2 und 4 rechten Ende der Schrau­ benspindeln 1, 2 zugeführt wird. Hier wird die vorverdichtete Frischluft sozusagen portionsweise nacheinander in die in axia­ ler Förderrichtung 7 vorwandernden Luftkammern 15 eingespeist, in denen die vorverdichtete Frischluft auf ihrem Förderweg zu der Arbeitsmaschine 6 durch die den Gegenstromwärmetauscher durchströmenden Abgase isochorisch, also bei konstantem Kammer­ volumen erwärmt wird. Die Abgaswärme wird somit in Temperatur- und Druckerhöhung der zur Arbeitsmaschine angeförderten Frisch­ luft umgesetzt. In der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Vor­ brennkammer 8 erfolgt dann eine teilweise Luftverbrennung. Die durch Leistungsabgabe in der Arbeitsmaschine 6 entspannte, aber noch heiße Luft wird dann in der Nachbrennkammer 11 noch weiter aufgeheizt. Diese aufgeheizten Abgase strömen dann von der Nach­ brennkammer 11 über das Abgasrohr 12 durch den Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1, 2 und geben über deren innere Mantel­ fläche Wärme an die in den Luftkammern 15 eingeschlossene Luft ab, die dadurch in der vorstehend beschriebenen Weise isocho­ risch erwärmt wird. Nachdem die Temperatur der Abgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der an­ gesaugten Frischluft abgesenkt wurde, treten die Abgase aus dem Auspuff 19 aus.

Auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke l₂₀ (siehe Fig. 6) die­ nen die im Ausführungsbeispiel als Schnecke angedeuteten Abgas­ leiteinrichtungen 20 zur Vergrößerung der Wandungsflächen, über die Wärme an die Luftkammern 15 abgegeben werden soll. Um eine gute Wärmeleitung zu erzielen, müssen die z. B. schneckenförmig ausgebildeten Abgasleiteinrichtungen 20 mit ihrer äußere Man­ telfläche fest an der Mantelfläche des Wellenhohlraumes 13 an­ liegen. Fertigungstechnisch kann der Einbau so erfolgen, daß die gesamte Abgasleiteinrichtung aus auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordneten Leitschaufeln besteht und nach einer Unterkühlung konzentrisch in den Wellenhohlraum 13 eingeschoben wird, wo sich dann bei Erwärmung der Luftleiteinrichtung auf Raumtemperatur die Leitschaufeln mit ihren Außenrändern unter Spannung an die Mantelfläche des Wellenhohlraumes 13 anlegen.

In Fig. 4 sind für die beiden Schraubenspindeln 1, 2 Lager 22 sowie Zahnräder 23 für die Drehverbindung der beiden Schrauben­ spindeln angedeutet.

Hinsichtlich des Verfahrensablaufes zeigt Fig. 1 mit dem Be­ zugszeichen 16 das Ansaugen, mit dem Bezugszeichen 5 das Ver­ dichten, mit den in Förderrichtung 7 ersten Zündkerzen 10 die Außenverbrennung, den durch die Arbeitsmaschine 6 symbolisierten Arbeitstakt, mit der darauf folgenden Kraftstoff-Einspritzdüse 9 und Zündkerze 10 die Innenverbrennung und mit dem Bezugszeichen 19 den Ausschub der Abgase nach deren Temperaturabsenkung im Wärmetauscher.

Fig. 6 zeigt ein Temperatur- und Druckdiagramm für ein erfin­ dungsgemäßes Verfahren. Dabei sind Temperatur und Druck jeweils über die nutzbare Länge l_1,2 der Schraubenspindeln aufgetragen. Diese Länge l_1,2 setzt sich zusammen aus den Teillängen l₅ für den Verdichter 5, l₂₀ für den Gegenstromwärmetauscher und l₆ für die Arbeitsmaschine. Q_K bezeichnet die aus dem Kraftstoff gewonnene Wärme, Q_T den Wärmeaustausch und P die Motorleistung, also die Leistung der Arbeitsmaschine 6.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine, wobei als Ar­ beitsmedium Frischluft angesaugt, dann in einzelnen abge­ schlossenen, in Förderrichtung (7) aufeinanderfolgenden Förder- und Erwärmungskammern (15) kontinuierlich in För­ derrichtung gefördert und hierbei isochorisch erwärmt wird, und dann in eine Arbeitsmaschine (6) eingeleitet wird, in der der insbesondere durch die isochorische Erwärmung er­ zeugte Luftüberdruck durch Leistungsabgabe weitgehend abge­ baut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Ar­ beitsmaschine (6) und/oder die aus der Arbeitsmaschine (6) austretende Luft mit Kraftstoff vermischt und eine Verbren­ nung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegenstrom, also ent­ gegen der Förderrichtung (7) der Förder- und Erwärmungskam­ mern (15) an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die ange­ saugte Frischluft bei ihrer kontinuierlichen Förderung in Förderrichtung in den Förder- und Erwärmungskammern (15) sukzessive isochorisch erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Durchführung in einem gegenüber dem Umfeld weitgehend wärmeisolierten System.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angesaugte Frischluft vor ihrer isochorischen Er­ wärmung verdichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperatur der Verbrennungsgase auf der Gegen­ strom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der an­ gesaugten Frischluft abgesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Kraftstoffteilmenge vor der Arbeitsmaschine (6) in die isochorisch erwärmte Frisch­ luft eingebracht und zumindest eine Teilverbrennung bereits vor der Arbeitsmaschine (6) eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einige der Förder- und Erwärmungskammern (15) Wasser eingesaugt oder eingespritzt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinander­ greifenden, jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schrauben­ spindeln (1, 2), die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden, nach außen mit einer Wärmeisolierung (4) versehenen Stator (3) sich jeweils über einen Gewinde­ abschnitt (14) erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern (15) bilden, die bei Drehung der Schraubenspin­ deln (1, 2) von einem Luftansaugstutzen (16) in axialer Förderrichtung (7) zu einem Lufteinströmbereich einer dreh­ fest mit den Schraubenspindeln (1, 2) verbundenen Arbeits­ maschine (6) verschoben werden, vor deren Lufteintritt und­ /oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer (8, 11) vor­ gesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung (9, 10) aufweist, wobei die Abgase über ein Abgasrohr (12) jeweils in das dem Luftansaugstutzen (16) gegenüberliegende Ende des Wellen­ hohlraumes (13) eingeleitet werden, der gegenüber den Luft­ kammern (15) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens (16) in einen Auspuff (19) mündet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine (6) eine Turbine ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schraubenspindel (1, 2) ein Verdichter (5) vor­ geschaltet ist, der mit der Arbeitsmaschine (6) auf der gleichen Welle arbeitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Schraubenspindel (1, 2) zumindest einen axia­ len Abschnitt mit in Förderrichtung (7) abnehmender Gewin­ desteigung (17, 18) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Wellenhohlraum (15) mit Abgasleit­ einrichtungen (20) bestückt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleiteinrichtungen (20) schneckenförmig ausgebildet sind und mit ihrer äußeren Mantelfläche fest an der Mantel­ fläche des Wellenhohlraumes (15) anliegen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor der Arbeitsmaschine (6) für die über die Schraubenspindeln (1, 2) angeförderte Luft ein Vorbren­ ner (8) angeordnet ist, der eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung (9, 10) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gegenstromwärmetauscher (13, 20, 21) noch eine zwischen der Wärmeisolierung (4) und der Außen­ wandung des Stators (3) hindurchgeführte, in den genannten Auspuff (19) mündende Abgasleitung aufweist.