DE202009018922U1 - Wälzkolben-Dampfturbine zur Umwandlung der Enthalpie von Dampf oder anderer expansiver Gase in Rotation Wälzkolben-Dampfturbine (WK-Dampfturbine) - Google Patents

Wälzkolben-Dampfturbine zur Umwandlung der Enthalpie von Dampf oder anderer expansiver Gase in Rotation Wälzkolben-Dampfturbine (WK-Dampfturbine) Download PDF

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Abstract

Wälzkolben-Dampfturbine zur Erzeugung einer drehmomenten-beaufschlagten Rotation durch Zuführung von druckbeaufschlagtem Dampf, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise mehrere Arbeitszylinder (2) einem Steuerzylinder (1) zugeordnete werden, im konkreten Fall 2 oder 4 Arbeitszylinder.

Description

  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft die Anordnung einer Wälzkolben-Dampfturbine nach dem Prinzip bereits bestehender Wälzkolben-Rotationsmaschinen. Hierbei werden insbesondere benannt:
    • – US-Patent US 516 385 A – ROTARY ENGINE – 13.03.1894
    • – US Patent US 5 466 138 – EXPANDIBLE AND CONTRACTIBLE CHAMBER ASSEMBLY AND METHOD – 14.11.1995
    • – Offenlegungsschrift DE 10 2007 056 621 A1 – Anordnung eines Wälzkolbenmotors und Verfahren zum Betrieb desselben mittels flüssiger und/oder gasförmiger Treibstoffe – 23.11.2007.
  • Weiterhin wird auf analoge technische Entwicklungen für Rootsgebläse, Omega-Verdichter und ähnliche Aggregate verwiesen. Aggregate der vorgenannten Kategorie dienen grundsätzlich der Förderung von druckbeaufschlagten flüssigen und gasförmigen Fluiden unter Nutzung der Rotation dieser Aggregate und werden als Kreiskolbenmaschinen oder Volumetrische Turbinen bezeichnet.
  • Bei allen Aggregaten besteht das Grundprinzip darin, dass sich die Mantelflächen eines Arbeitszylinders mit Impulsflügel und eines Steuerzylinders mit Schacht, in welchen der Impulsflügel dichtend eintaucht, konzentrisch rotierend aufeinander abwälzen und mittels Gehäuse und Deckflächen weitgehend strömungsdichte Fluid-Fördersysteme darstellen. Beide Zylinder werden mittels eines Getriebesatzes oder gleichartiger Systeme gegeneinander synchronisiert.
  • Dabei sind zwei Wirkprinzipien zu unterscheiden:
    • 1. Durch die Kreiskolben-Maschine wird mittels zugeführtem Drehmoment und daraus folgender Rotation ein Fluidstrom mit Druck beaufschlagt und dieser abgefördert.
    • 2. Ein druckbeaufschlagter Fluidstrom wird in die Kreiskolben-Maschine zugefördert und versetzt diese in Rotation zur Erzeugung eines Drehmomentes.
  • Weiterhin sind bei Wirkprinzip nach Pkt. 2 zwei Verfahren der Druck-Beaufschlagung zu unterscheiden:
    • A.) Die Kreiskolbenmaschine arbeitet als Verdränger – das heißt, der druckbeaufschlagte Fluidstrom wird über den vollen wirksamen Drehmomentenwinkel mit gleichbleibendem Druck in den Ringraum zugefördert. Demzufolge steht die Kraftresultierende aus Spannungskomponenten zur Erzeugung des Drehmomentes in voller Größe während des gesamten wirksamen Drehmomentenwinkels zur Verfügung. Diesbezüglich verbleibt nach Druckabgabe immer noch ein erhebliches Restpotenzial an Fluid-Druck, welches über nachgeschaltete Druckstufen zusätzlich drehmomentenwirksam abgebaut werden kann. Auch ist die Nutzung des Abstrompotenzials nutzbar für die zusätzliche Erzeugung planmäßiger Impulsprozesse. Dieses Wirkprinzip wird vorzugsweise für flüssige Medien angewendet.
    • B.) Die Kreiskolbenmaschine arbeitet als Expansionsmaschine (Expander) und fördert den druckbeaufschlagten Fluidstrom nur während eines minimalen wirksamen Drehmomentenwinkels vorzugsweise über Schlitzsteuerung in den Ringraum, danach wird die Zuführung unterbrochen. Damit wird gewährleistet, dass eine weitgehende vollständige Nutzung der Enthalpie des Fluides für die Erzeugung des Drehmomentes ausgenutzt wird. Hierbei fällt jedoch der Fluiddruck von einem Maximum auf ein Minimum, im Idealfall unter den atmosphärischen Druck. Demzufolge kann für die Kraftkomponente zur Drehmomentenerzeugung nur ein mittlerer Wert angesetzt werden. Jedoch ist die dafür erforderliche Fluidmenge je Umdrehung wesentlich geringer als unter A.): Sie beträgt Bauartbedingt nur ca. 20% des Volumens bei Vollstrom.
  • Im Vergleich ergibt sich aus Drehmomentenwirkung und Fluidstromeinsatz ein Effizienz-Verhältnis von ca. 1:2,5 zugunsten der Expansionsmaschine.
  • Bisherige Kreiskolbenmaschinen sind ausschließlich als Simplex-Maschinen ausgebildet, d. h., es existiert nur jeweils ein Steuerzylinder und ein Arbeitszylinder. Sie verfügen in der Regel auch nicht über axiale Steuerorgane bis auf Anwendung nach US-Patent US 516 385 A und US Patent US 5 466 138 . Es sind jedoch keine aktuellen Anwendungen bekannt, weil diese Aggregate offensichtlich nicht die notwendigen Drehmomenten-Leistungen generieren konnten. Es haben sich lediglich Roots-Aggregate und Omega-Verdichter durchgesetzt, jedoch nur mit Funktion nach Wirkprinzip 1. Leistungsfähige Aggregate zur Nutzung von Wärme-Abströmen sind nicht im Einsatz.
  • Die erfindungsgemäße Wälzkolben-Dampfturbine entspricht genau den spezifischen Anforderungen an eine hocheffiziente Kreiskolben-Maschine und arbeitet nach Wirkprinzip 2.B). Sie ermöglicht dadurch, in großem Umfang und in hoher Flexibilität eine Verwertung von Ab- und Restwärme aus vorgelagerten technologischen und thermischen Prozessen, die bisher weitgehend infolge Fehlens effektiver Verwertungsmaschinen verloren gehen.
  • Die erfindungsgemäße Wälzkolben-Dampfturbine basiert auf der Entwicklung der Eingangs genannten Kreiskolben-Maschinen. Eine neue Erfindungshöhe gegenüber den bekannten Aggregate ergibt sich insbesondere durch folgende technischen Lösungen:
    • 1. Zuordnung eines einzigen Steuerzylinders für 2 bzw. 4 Arbeitszylinder – damit Konstruktion einer Duplex- oder Quattro-Maschine (Parallelschaltung). Dies ermöglicht eine hohe Leistungsdichte bei kompakter Bauweise und harmonisiert den Rotationsbetrieb.
    • 2. Anordnung von zwei bis vier hintereinander angeordneten Druckstufen gleicher Bauweise mit prinzipiell unterschiedlichen axialen Bauhöhen der Ringräume gem. Definition der jeweiligen erreichbaren oder definierten Druckverhältnisse (Reihenschaltung). Dies ermöglicht, den rechnerischen Wirkungsgrad einer WK-Dampfturbine deutlich zu steigern von ca. 20% bis auf ca. 50%.
    • 3. Zuordnung der axialen rotations-definierten Steuer-Elemente, vorzugsweise als einzelne ringgesteuerte Schlitzschieber im Achsenbereich des Steuerzylinders zu mehreren Arbeitszylindern mit jeweiliger Hohlachs-Ausbildung, optional im Achsenbereich der Arbeitszylinder mit sektional unterschiedlicher Dosierung des Fluidums; dabei Verzicht auf oszillierende Maschinenelemente bzw. Ventil-Apparate.
    • 4. Anordnung von Stirn- und/oder Flanken-Dichtelementen in der Zylinderperipherie, insbesondere im Bereich des Steuerzylinders, vorzugsweise als Dichtleisten, Formgebung vorzugsweise als Schwalbenschwanz mit tangential-axialer Fixierlagerung unter Nutzung der Fliehkraft und/oder des Dampfdruckes zur Erhöhung der Dichtwirkung; bedarfsweise mit konischer Flankenlagerung zur seitlichen Flanken-Dichtung aus Fliehkraft-Wirkung.
    • 5. Anordnung einer stirnseitigen rotierenden Impulswalze im Impulsflügel der Arbeitszylinder für die Eintragung hoher Dampfdruck-Komponenten zur Drehmomentenerzeugung bei Langsamläufern mit hoher Drehmomentenwirkung bei rollender und damit schonender Dicht-Funktion.
    • 6. Anordnung von optional halbkreisförmigen Impulsflügeln analog Impulswalze an den Arbeitszylindern mit der Funktion einer kompletten Ausräumung des jeweiligen Schachtbereiches im Steuerzylinder mit der Zielstellung der Vermeidung der Rückförderung störender oder ineffizienter Rest-Dampfmengen.
    • 7. Anordnung definierter Zusatz-Einspeise-Kanäle im Umfangsbereich der Arbeitszylinder-Ringräume (Mantel- und Bodenflächen) mit der Zielstellung der gestaffelten Zuführung unterschiedlich parametrierter Dampfströme nach Druck, Temperatur und Konstitution sowie bedarfsweise von Druckluft oder Kühlluft zur Optimierung des Dampfregimes.
    • 8. Konische Ausbildung der Zylinderflanken und der zugehörigen Gehäuseflanken mit der Möglichkeit, Dichtprozesse zu optimieren sowie thermische Formänderungen aufzunehmen.
    • 9. Wirkung der Wälzkolben-Dampfturbine infolge spezifischer Ausbildung der ringgesteuerten Schlitzschieber als Expansionsmaschine und nicht als Verdränger – Wirkprinzip 2 B)
  • Die Funktionsweise der Wälzkolben-Dampfturbine soll mit einem Ausführungsbeispiel nach Bild 1 und 2 beschrieben werden:
    Über die feststehende Hohlachse des Arbeitszylinders (2) wird als axialer Zustrom (9) Dampf mit einem definierten Druck zugeführt. Dieser Dampf strömt über eine Schlitzöffnung in der Ringschieber-Lager-Hohlachse (11) über eine deckungsgleiche Schlitzöffnung in der Ringschieber-Arbeitszylinder-Hohlwelle (12) im Arbeitszylinder in den Ringraum (4) und baut aus seinen Druckkomponenten über die Projektionsfläche des Impulsflügels (5) eine Kraftresultierende auf. Die Kraftresultierende erzeugt an ihrem Hebelarm, bezogen vom Schwerpunkt der Kraftresultierenden bis zur Drehachse, ein Drehmoment und versetzt den Arbeitszylinder (2) in Rotation. Nach Abgabe seiner Enthalpie als Arbeit strömt der Dampf über den Abstrom-Austritts-Stutzen (10) aus dem Ringraum (4) ab. Anschließend taucht der Impulsflügel (5) in den Schacht (8) des Steuerzylinders (1) ein.
  • In Bild 3 ist die analoge Kombination von 2 Arbeitszylindern (2) zu einem zentralen Steuerzylinder (1) dargestellt. Die möglichen Verläufe des Dampfstromes sind nur angedeutet.
  • In Bild 4 ist die analoge Kombination von 4 Arbeitszylindern (2) zu einem zentralen Steuerzylinder (1) dargestellt. Die möglichen Verläufe des Dampfstromes sind ebenfalls nur angedeutet.
  • Bild 5 zeigt die Anordnung einer Impulswalze (14).
  • Bild 6 zeigt die Zuführung des Fluidstromes über einen Domboden sowie die Anordnung eines kreisförmigen Impulsflügels (5).
  • Die erforderlichen Synchrongetriebe (13) sind nicht dargestellt.
  • Durch die Zuordnung der erfindungsgemäßen doppelten oder vierfachen Arbeitszylinder zu einem zentralen Steuerzylinder ergibt sich eine hohe Harmonisierung des Rotationsbetriebes sowie eine hohe Leistungsdichte. Durch die Anordnung von Dichtelementen und konischen Flanken und die damit verbundene Möglichkeit erhöhter temperaturbedingter Materialänderungen kann die Temperaturspreizung wesentlich erhöht werden.
  • Die Anordnung mehrerer Leistungsstufen gewährleistet eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Wälzkolben-Aggregate.
  • Die Anordnung von rotations-gesteuerten Fluidkanälen im Stirn- und/oder Flankenbereich ermöglicht den Betrieb des Wälzkolben-Aggregates mit mehreren Fluiden unterschiedlichen Druckes und unterschiedlicher Fluid-Konsistenz und ermöglicht daher eine temporäre Beeinflussung des Enthalpie-Prozesses, z. B. durch den Eintrag von Kalt-Preßluft und eine Beeinflussung des Kondens-Vakuums.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Steuerzylinder
    2
    Arbeitszylinder
    3
    Turbinengehäuse
    4
    Ringraum
    5
    Impulsflügel
    6
    Hohlwelle
    7
    Hohlachse
    8
    Flügelschacht
    9
    Zustrom
    10
    Abstrom
    11
    Ringschieber Hohlachse
    12
    Ringschieber Hohlwelle
    13
    Synchrongetriebe
    14
    Impulswalze
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 516385 A [0001, 0007]
    • US 5466138 [0001, 0007]
    • DE 102007056621 A1 [0001]

Claims (8)

  1. Wälzkolben-Dampfturbine zur Erzeugung einer drehmomenten-beaufschlagten Rotation durch Zuführung von druckbeaufschlagtem Dampf, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise mehrere Arbeitszylinder (2) einem Steuerzylinder (1) zugeordnete werden, im konkreten Fall 2 oder 4 Arbeitszylinder.
  2. Wälzkolben-Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl über die Hohlachse und Hohlwelle des Steuerzylinders als auch optional über die Hohlachsen und Hohlwellen der Arbeitszylinder Fluidströme zugefördert werden können.
  3. Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bis vier hintereinander optional angeordnete Druckstufen gleicher Bauweise mit prinzipiell unterschiedlichen Bauhöhen der Ringräume (4) gem. Dampfdruck-Definition einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen.
  4. Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional die Anordnung rotations-gesteuerter Fluid-Kanäle im Stirnbereich und/oder im Flankenbereich der Arbeitszylinder (2) oder des Steuerzylinders (1) eine sektionale Beeinflussung der Fluidströme zur Optimierung der Wirkungsprozesse ermöglicht.
  5. Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Stirn- und/oder Flanken-Dichtelementen in der Zylinderperipherie, insbesondere im Bereich des Steuerzylinders (1), optional mit konischer Flankenlagerung, thermisch erforderliche Toleranzbereiche ermöglichen und ein direktes Abwälzen der Zylinder-Stirn vermeiden.
  6. Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine stirnseitige gelagerte rotierende Impulswalze (14) im Impulsflügel (5) des Arbeitszylinders (2) für die Eintragung hoher Dampfdruck-Komponenten vorgesehen werden kann.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional eine konische Ausbildung der Zylinderflanken und der zugehörigen Gehäuseflanken vorgesehen werden kann mit der Möglichkeit, Dichtprozesse zu optimieren sowie thermische Formänderungen aufzunehmen.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die spezifische Ausbildung der ringgesteuerten Schlitzschieber die Wirkung der Wälzkolben-Dampfturbine als Expansion-Maschine und nicht als Verdränger-Maschine zum Einsatz kommt – Wirkprinzip 2 B)
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