EP1623098A2 - Thermal combustion engine which converts thermal energy into mechanical energy and use thereof - Google Patents

Thermal combustion engine which converts thermal energy into mechanical energy and use thereof

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Publication number
EP1623098A2
EP1623098A2 EP04725274A EP04725274A EP1623098A2 EP 1623098 A2 EP1623098 A2 EP 1623098A2 EP 04725274 A EP04725274 A EP 04725274A EP 04725274 A EP04725274 A EP 04725274A EP 1623098 A2 EP1623098 A2 EP 1623098A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
heat engine
working medium
engine according
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04725274A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Heddrich
Hans Lautner
Lars Hein
Matthias Losch
Bernhard Renner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fachhochschule Darmstadt
Original Assignee
Fachhochschule Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fachhochschule Darmstadt filed Critical Fachhochschule Darmstadt
Publication of EP1623098A2 publication Critical patent/EP1623098A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/02Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/04Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the boilers or condensers being rotated in use

Definitions

  • the present invention relates to a heat engine for converting thermal energy into mechanical energy and the use of such a heat engine.
  • DE 199 48 128 AI discloses a device and a method for generating flow energy in liquids from heat.
  • the device comprises a housing with a steam inlet opening connected to an evaporator and a steam outlet opening connected with a condenser. Furthermore, the housing has a flow opening connected to a hydraulic motor and a return connection connected to the same.
  • a rotor is arranged within the housing and has a plurality of cells, in each of which pistons are located. Pumping a hydraulic fluid through the hydraulic motor is achieved by supplying steam under pressure through the steam inlet opening, removing the steam from the steam outlet opening and rotating the rotor.
  • a disadvantage of this device is that it is structurally complex and, owing to its multi-component structure, has a large installation space and therefore cannot be made compact.
  • a pump is required in particular to feed liquid condensed in the condenser back to the evaporator.
  • US 2002/0194848 AI discloses a steam engine for driving a generator.
  • the steam engine comprises a rotary piston engine, which is in a closed steam circuit is integrated.
  • the steam circuit comprises a steam generator, a steam injection for injecting steam into the rotary piston engine, and a condenser for condensing the steam that emerges from the rotary piston engine.
  • Combustion is performed within the steam engine to supply heat to a steam generator consisting of a bundle of circular tubes.
  • the steam emerging from the steam generator is fed to the rotary piston engine and then flows through a further bundle of tubes which serve to preheat combustion air.
  • the partially cooled steam is fed to a condenser, and the water condensed in the condenser is then returned to the steam generator via a pump.
  • a disadvantage of this steam engine is also the structurally complex structure and the low compactness due to the large number of necessary components, including a pump for conveying water condensed in the condenser into the steam generator. Furthermore, the rotary piston engine is susceptible to wear, which results in high maintenance costs.
  • thermal turbines comprising steam turbines are known from the prior art. Steam generated in an external steam generator is fed to these steam turbines in such a way that a rotor arranged in a housing is driven by a paddle wheel. After passing through the paddle wheel, the steam emerging from the housing is condensed and the working medium thus condensed is returned to the steam generator via a pump.
  • a disadvantage of these steam turbines is that additional components, in particular valves, control elements or pumps, are necessary in order to convert thermal energy into mechanical energy.
  • such heat engines using a steam turbine have a high power to weight ratio due to the large number of individual components, i. H. Weight relative to the removable power.
  • the object of the present invention is therefore to provide a heat engine which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • the conversion of thermal energy into mechanical energy should be achieved while achieving a low power-to-weight ratio, high efficiency, low pollutant and noise emissions and a simple, low-maintenance and low-wear construction.
  • the heat engine has at least one steam generating device for at least partially evaporating a first liquid working medium by means of thermal energy supplied by the heat engine, at least one that can be driven by means of the evaporated first working medium to generate mechanical energy and relative to at least one Stator rotatable about a first axis of rotation and at least one condensation device for condensing the vaporized first working medium after driving the rotor, wherein the rotor substantially completely surrounds the stator, and the rotor substantially completely comprises the steam generating device and the condensing device.
  • the object according to the invention is achieved in a second embodiment, by a heat engine comprising at least one steam generating device for at least partially evaporating a first liquid working medium by means of thermal energy supplied by the heat engine, at least one by means of the evaporated first working medium for generating mechanical electrical energy.
  • a heat engine comprising at least one steam generating device for at least partially evaporating a first liquid working medium by means of thermal energy supplied by the heat engine, at least one by means of the evaporated first working medium for generating mechanical electrical energy.
  • the rotor essentially completely encompasses the steam generating device and / or the condensing device.
  • the stator according to the invention can essentially completely comprise the steam generating device and / or the condensation device.
  • the steam generating device and / or the condensing device is or are at least divided into two, and the rotor comprises a first part of the condensing device and / or a first part of the steam generating device and the stator the other part of the steam generating device and / or the condensing device.
  • At least one first chamber forming the steam generating device, at least one second chamber forming the condensing device and at least one turbine chamber are provided, preferably the first chamber and the second chamber, the first chamber and the turbine chamber and / or the second chamber and the turbine chamber is separated from one another at least in regions by means of at least one, in particular thermally insulating, wall.
  • the heat engine have at least one first connecting device connecting the first chamber and the turbine chamber for the passage of the vaporized first working medium, preferably comprising at least one first nozzle, the geometry and / or the orientation of the nozzle opening preferably being adjustable, at least one first tube and / or at least one first opening formed in particular in the thermally insulating wall.
  • At least one second connecting device connecting the turbine chamber and the second chamber for the passage of the vaporized first working medium preferably comprising at least one second nozzle, wherein preferably the geometry and / or the orientation of the nozzle opening can be adjusted, at least a second one Pipe and / or at least one, in particular formed in the thermally insulating wall, second opening may be provided.
  • At least one first and / or at least one second flow control and / or regulating device that is operatively connected to the first connecting device, preferably in the form of a first and / or second valve, is proposed.
  • Advantageous embodiments of a heat engine according to the invention have at least one third connecting device connecting the first chamber and the turbine chamber for the passage of the liquid first working medium, in particular in the form of at least one third opening, preferably formed in the thermally insulating wall.
  • the invention proposes that the liquid first working medium prevent the evaporated first working medium from escaping from the first chamber through the third and / or fourth connecting device during a rotation of the rotor, in particular due to the centrifugal force acting on the working medium , in particular the third and / or fourth opening blocked.
  • At least one third flow control and / or regulating device preferably in the form of a third and / or fourth valve, in particular a non-return valve, is at least one third and / or at least one fourth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the third connecting device. proposed.
  • the second chamber and the turbine chamber are formed in one.
  • At least one flow guide body formed in the first chamber, the second chamber and / or the turbine chamber can be provided.
  • An advantageous embodiment of a heat engine according to the invention is characterized by at least one first paddle wheel encompassed by the stator, to which the evaporated first working medium can be supplied, preferably axially, radially and / or, preferably via the first connecting device, for rotating the rotor relative to the stator at a predetermined angle relative to the first axis of rotation.
  • the aforementioned embodiment of a heat engine according to the invention can be characterized by at least one that is operatively connected to the rotor, in particular can be connected to it in a rotationally secure manner, and upstream and / or downstream.
  • the vaporized working medium relative to the first impeller is arranged flow guide wheel, wherein the flow guide wheel is preferably arranged at least in regions concentrically to the first impeller, in particular inside and / or outside of the first impeller.
  • the arrangement of the flow guide wheel upstream of the vaporized working medium relative to the first blade wheel leads to an increase in efficiency.
  • the two aforementioned embodiments of the heat engine according to the invention can be characterized by at least one second blade wheel, which is comprised by the stator and is arranged, in particular, downstream of the evaporated working medium relative to the degree of flow guidance, preferably at least one with the rotor upstream and / or downstream of the evaporated working medium relative to the second blade wheel a deflecting wheel that is operatively connected, in particular connectable to this in a rotationally secure manner, the deflecting wheel in particular being arranged at least in regions concentrically with the first and / or second impeller, in particular inside and / or outside the first and / or second impeller.
  • the invention provides in particular that the first blade wheel, the flow guide wheel, the second blade wheel and / or the deflection wheel is or are at least partially arranged in the turbine chamber.
  • the second blade wheel have a second diameter that deviates from a first diameter of the first blade wheel and / or a number or geometry of the blades that deviate from the number or geometry of the blades of the first blade wheel.
  • Advantageous embodiments of a heat engine according to the invention are also characterized by a plurality of second blade wheels and / or deflection wheels, the second blade wheels preferably having different diameters, different geometries and / or a different number of blades with respect to one another, and / or the deflection wheels having different diameters, different geometries and / or have a different number of blades from one another. Provision can also be made for the geometry and / or the position of at least one blade of the first blade wheel, at least one second blade wheel, of the flow guide wheel and / or at least one deflection wheel to be adjustable, preferably during operation of the heat engine.
  • the invention proposes at least one heating means for the application of heat to the steam generating device, in particular the first chamber, preferably in the form of a fluid heating medium, in particular in the form of hot gases, such as combustion gases, a heating source, such as in the form of at least one heating spindle, which is in a, in particular a material of high thermal conductivity and / or structured for a high convective heat transport, integrated wall of the first chamber and / or is formed on the surface of this wall, at least one first flow device for a heating fluid and / or at least one on an outside of the Wall of the first chamber formed, in particular through which the heating fluid can flow, and / or at least one second structure formed on an inside of the wall of the first chamber, in particular through which the preferably evaporated working medium can flow.
  • a heating source such as in the form of at least one heating spindle, which is in a, in particular a material of high thermal conductivity and / or structured for a high convective heat transport, integrated wall of the
  • the first throughflow device is integrated into the wall, the heating medium being fed to the first throughflow device preferably via a shaft of the stator and / or that heating means in particular in a preferably closed, comprising the first throughflow device. Heating circuit is circulated.
  • the invention proposes at least one coolant for applying cold to the condensation device, in particular the second chamber, preferably in the form of a fluid cooling medium, in particular in the form of nitrogen or cold air, a cooling source, such as in the form of at least one Peltier element, which in particular in a wall of the second chamber, preferably comprising a material of high thermal conductivity and / or structured for high convective heat transport, is integrated and / or formed on the surface of this wall, at least one second flow device for a cooling fluid, such as nitrogen or cold air, and / or at least one third structure formed on an outside of the wall of the second chamber, in particular through which the cooling fluid can flow, and / or at least one fourth structure formed on an inside of the wall of the second chamber, through which the working medium can flow.
  • a cooling source such as in the form of at least one Peltier element, which in particular in a wall of the second chamber, preferably comprising a material of high thermal conductivity and / or structured for high convective heat transport, is integrated
  • the second flow device is integrated in the wall, the coolant being fed to the second flow device preferably via a shaft of the stator and / or the coolant in particular in a preferably comprising the second flow device closed, cooling circuit is circulated.
  • the heating fluid in the area of the heating means has a flow direction that extends essentially radially outward from the first axis of rotation to the outer circumference of the rotor, and / or the cooling fluid in the area of the Coolant has a flow direction which extends substantially radially from the outer circumference of the rotor in the direction of the first axis of rotation.
  • At least one supply device can also be provided for supplying at least one vaporous second working medium, the first and second evaporated working medium preferably being identical.
  • an advantageous embodiment of the invention provides at least one removal device for removing at least part of the vaporized and / or liquid first working medium.
  • At least one fifth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the supply device and / or at least one sixth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the removal device is provided.
  • At least one with the steam generating device, the condensation device, the first and / or second nozzle of the first, second, third, fourth, fifth and / or sixth flow control and / or regulating device, the first impeller, at least one second impeller , the flow guide wheel and / or at least one deflection wheel, the heating means, the coolant and / or a sensor for measuring the rotational speed of the rotor are operatively connected control and / or regulating unit.
  • the invention further provides for the use of a heat engine according to the invention as a front-end turbine, steam turbine, counter-pressure turbine, extraction turbine, constant-pressure turbine and / or positive-pressure turbine.
  • the invention is therefore based on the surprising finding that the design of a steam turbine in the form of an external rotor, in which a steam generating device and a condensation device are integrated in the rotor, leads to the fact that a structurally simple construction of a heat engine can be realized.
  • a heat engine can be provided which dispenses with control and / or delivery elements, such as valves or pumps for delivering a working medium from an evaporator to a condenser.
  • an automatic conveying of working medium from the condenser to the evaporator is achieved according to the invention via the centrifugal force acting on the working medium through the rotation.
  • the rotary movement of the rotor and thus the centrifugal force acting on the working medium ensures that the working medium itself closes a connecting channel running from the condenser to the evaporator in such a way that steam generated in the evaporator can only get into the condenser by leaving it Evaporator emerges, impacts the impeller and thus causes the rotor to rotate.
  • the centrifugal force acting on the working medium due to the rotation of the rotor has the effect that even at higher pressures within the steam generator relative to the pressure in the condenser, due to the hydrostatic pressure caused by the centrifugal force, a transition of the vaporous working medium from the steam generator into the condenser only in the way described above is made possible after passing through the paddle wheel. That is, the construction of a heat engine according to the invention realizes a centrifugal lock between the condenser and the evaporator. This centrifugal lock also serves as a pump to convey working medium from the condenser to the evaporator. This means that there is no need for additional feed pumps, etc.
  • the construction of the steam turbine as an external rotor enables the thermal engine to be highly efficient.
  • Both heating of the machine on the evaporator side, for example with combustion gases, and cooling on the condenser side, for example with cooling air, are preferably carried out according to the invention in the countercurrent principle, with any other flow directions of the cooling or heating mediums are possible.
  • Efficient utilization of the combustion gases is achieved in that high-temperature combustion gases heat the area near the axis of the rotor and thus particularly hot steam escapes from the steam generator, which is then directed in particular onto the stator's impeller via nozzles.
  • the combustion gases then flow in the radial direction from the axis of rotation of the rotor to the outer circumference of the rotor, where the cooling combustion gases bring the liquid working medium located there due to the centrifugal force to the boil on the outer circumference of the rotor.
  • the steam generated in the process migrates in the direction of the axis of rotation of the rotor and is continuously heated due to the temperature of the combustion gases, which is increasing in this direction, so that, for example, isobaric expansion can take place.
  • the cooling air flows from the outer circumference of the rotor in a radial direction to the axis of rotation of the rotor, outside the rotor.
  • the construction of the heat engine according to the invention as a steam turbine based on the external rotor principle enables the use of a countercurrent principle both for heating a working fluid and for cooling it, which leads to an increase in the efficiency of the heat engine.
  • Figure 1 is a sectional view of a first embodiment of an inventive
  • Figure 2 is a sectional view of the heat engine of Figure 1 along the plane A-
  • Figure 3 is a sectional view of a second embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows a sectional view of the heat engine of FIG. 3 along the plane B -
  • Figure 5 is a sectional view of a third embodiment of an inventive
  • FIG. 6 shows a sectional view of the heat engine of FIG. 5 along the plane B -
  • Figure 7 is a sectional view of a fourth embodiment of an inventive
  • Figure 8a is a sectional view of a fifth embodiment of an inventive
  • Figure 8b is a sectional view of a modification of the fifth embodiment of a heat engine according to the invention according to Figure 8a;
  • Figure 9 is a sectional view of a sixth embodiment of an inventive
  • Figure 10 is a sectional view of a seventh embodiment of an inventive
  • Figure 11 is a sectional view of an eighth embodiment of an inventive
  • FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 1, or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone.
  • the steam turbine 1 comprises a stator 3, which in turn comprises a fixed shaft 5 and a blade wheel 7 connected to the shaft 5. Via a bearing 9 and a seal 10, a rotor 11 with end walls 11a, 11c and a peripheral wall 11b is rotatably mounted relative to the stator 3 in such a way that the interior of the rotor 11 is sealed.
  • the rotor 11 essentially consists of a first chamber 13 and a second chamber 15.
  • the chambers 13, 15 are separated from one another by a thermally insulating wall 17, apart from openings 19 in the wall 17 in the region of the peripheral wall 11b of the rotor 11 Openings 19 can be a working medium 21, preferably Water flow from the second chamber 15 into the first chamber 13 as described in detail later. Due to the centrifugal forces acting on the working medium 21 when the rotor 11 rotates, the working medium 21 collects on the peripheral wall 11b of the rotor 11, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the first chamber 13 is further separated by a partition 23 from a turbine chamber 25 in which the impeller 7 is arranged. Openings in the form of nozzles 27 are formed within the partition 23.
  • Combustion gases 29 of a heating device are fed to the rotor 11 on the first end wall 11a arranged on the side facing the first chamber 13.
  • the combustion gases 29 are fed in such a way that they are guided radially outward along the rotor 11 from the axis of rotation thereof.
  • the combustion gases 29 heat the first end wall 11a of the rotor 11, which causes the working medium 21 in the region of the first chamber 13 to heat up, which ultimately leads to at least partial evaporation of the working medium 21 in the first chamber 13 leads.
  • the first chamber 13 thus acts as a steam generation chamber.
  • first end wall 11a of the rotor 11 In order to enable efficient heat exchange between the combustion gases 29 and the interior of the first chamber 13 or steam generation chamber, are located on the first end wall 11a of the rotor 11 in the region of the first chamber 13, preferably both on the side facing the combustion gases 29 and on that side the side facing the first chamber 13, not shown heat exchanger elements through which the combustion gases 29 or the working medium 21 evaporated in the first chamber 13 flow.
  • the first end wall 11a of the rotor 11 comprises a material with high thermal conductivity.
  • the evaporated working medium 21 travels within the first chamber 13 from the peripheral wall 11b to the axis of rotation of the rotor 11.
  • a counterflow principle is thus implemented in the steam turbine 1. This leads to an efficient use of the energy of the combustion gases 29.
  • the combustion gases 29 of high temperature meet that of the rotary Axis of the rotor 11 facing the first chamber 13, so that particularly hot steam is generated in this area.
  • the combustion gases 29 migrating in the radial direction of the rotor 11 then cool further and bring the working medium 21 to a boil in the region of the peripheral wall 11b of the rotor 11. An efficient use of the thermal energy of the combustion gases 29 is thus achieved.
  • the working medium 21 which is heated in the region of the peripheral wall 11b of the rotor 11 flows through the first chamber 13 or steam generation chamber in the direction of the partition wall 23, whereby it expands isobarically.
  • An increased internal pressure thus arises within the first chamber 13, which is noticeable in that the level of the working medium 21 in the region of the first chamber 13 is lower than that in the second chamber 15.
  • the steam generated in this way in the first chamber 13 flows through the nozzles 27 and is expanded adiabatically.
  • the nozzles 27 are not aligned radially, but rather inclined, so that an optimal angle of inclination of the nozzles 27 can be set.
  • the steam therefore strikes the impeller 7 in such a way that the rotor 11 recoils relative to the stator 3, which produces or maintains a rotary movement of the rotor 11.
  • the steam from the turbine chamber 25 enters the second chamber 15, which serves as a condensation chamber. There, the steam cools down and thus the working medium 21 condenses out in the region of the second chamber 15.
  • condensed working medium 21 collects on the peripheral wall 11b of the rotor 11.
  • cooling air 31 becomes the second end face 11c of the rotor 11 fed. This supply also takes place in the counterflow principle. Cold air flows as cooling air from the outside of the rotor 11 in the radial direction to the axis of rotation of the rotor 11. The cooling air 31 is heated.
  • the vaporous working medium 21, which flows radially away from the axis of rotation of the rotor 11 in the interior of the second chamber 15, is increasingly cooled and condenses in the process.
  • a convective heat exchange between the working medium 21 and the cooling medium 31 being supported by a structuring of the wall 11c, not shown, preferably in the form of heat exchanger elements ensures efficient heat dissipation from the second chamber 15.
  • the working medium 21 condensed out in the second chamber 15 then flows through the openings 19 in the wall 17 into the first chamber 13, where it is in turn evaporated.
  • check valves 19 can be arranged within the openings. These have the effect that steam, which is initially generated in the first chamber 13, causes the rotor 11 to rotate through the outlet through nozzles 27, so that the openings 19 are sealed by the working medium 21 after the start of the rotation.
  • closure devices such as valves, can also be provided in the nozzles 27 in order to achieve control of the rotational speed of the rotor 11. It can in particular be provided that the valves in the openings 19 and the nozzles 27 are connected to a control and regulating device, not shown.
  • speed control or regulation of the steam turbine 1 is possible by varying the amount of thermal energy supplied by means of the combustion gases 29 and / or by varying the angle of inclination of the nozzles 27.
  • FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 1 ', or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone.
  • the basic structure of the steam turbine 1 ' corresponds essentially to the structure of the steam turbine 1 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the corresponding elements in the steam turbine 1' are denoted by the same reference numerals, but deleted once.
  • the steam turbine 1 ' essentially differs from the steam turbine 1 in that the flow of the vaporized or liquid working medium 21' is different.
  • combustion gases 29 ' are supplied to the rotor 11' of the steam turbine 1 'on the side of the first end wall 11a' arranged on the side facing the first chamber 13 '. leads. As can be seen in FIG. 3, this feed also takes place in the counterflow principle.
  • the combustion gases 29 ' cause the working medium 21' present in the first chamber 13 'to heat up.
  • this evaporated working medium 21 ' only flows after a deflection by almost 180 ° by means of a flow guide body 14' through nozzles 27 'into the turbine chamber 25' or the second chamber 15 '.
  • the flow guide body 14 ' that the evaporated working medium 21' can flow essentially up to the axis of rotation of the rotor 11 'within the first chamber 13', and thus a maximum heat transfer of the energy of the combustion gases 29 'to the working medium 21 'can be done.
  • the vaporous working medium 21 ' After the vaporous working medium 21 'has been deflected, it flows through nozzles 27' in the radial direction onto the impeller 7 '.
  • the vaporous working medium 21 'then flows within the second chamber 15' in the vicinity of the shaft 5 'in the direction of the end wall 11c'.
  • This flow guidance is achieved in particular by a flow guidance body 16 'arranged in the second chamber 15' in the region of the impeller 7 '. This flow control ensures that the vaporous working medium 21 'flows in the counterflow principle relative to the cooling air 31' on the inside of the end wall 11c 'in the direction of the peripheral wall 11b'.
  • the flow guidance within the steam turbine 1 ' has the advantage that, in comparison to the steam turbine 1, a blade wheel 7' can be used which has a larger diameter than the blade wheel 7 of the steam turbine 1.
  • the steam turbine 1 ' can thus be operated at lower speeds.
  • the working medium 21 'condensed out in the second chamber 15' collects due to the rotational forces on the peripheral wall 11b 'and flows back through channels 20' into the first chamber 13 '.
  • the channels 20 ' are formed by the circumferential wall 11b' on the one hand and an essentially cylindrical partition wall 24 ', which in particular comprises the guide guide bodies 14' and 16 '.
  • the partition 24 ' is in particular in the area of Channels 20 'are designed to be thermally insulating in order to avoid heating of the working medium 21' within the channels 20 '.
  • FIGS. 5 and 6 show a third embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 1 ′′, or rather a compact steam turbine.
  • the basic structure of the steam turbine 1 ′′ essentially corresponds to the construction of the steam turbine 1 ′ shown in FIGS. 3 and 4.
  • the steam turbine 1" differs from the steam turbine 1' essentially in that a paddle wheel 7 "is provided which is connected to at least one connecting member 6" a shaft 5 "of the stator 3" is connected. As can be seen in particular from FIG.
  • the paddle wheel 7 "concentrically surrounds a flow guide wheel 8" which is connected to the wall 17 “and thus to the rotor 11" via connecting members 18 ", as can be seen in particular from FIG 6, the impeller 7 has “blades 28", while the flow guide wheel 8 comprises “blades 30".
  • This arrangement of the flow guide wheel 8 "relative to the blade wheel 7” results in a further increase in the efficiency of the steam turbine 1 "compared to the steam turbine 1 'achieved.
  • the working medium 21 'emerging from the nozzle 27 first strikes the blades 28" of the impeller 7 ", which leads to a drive of the rotor 11" relative to the stator 3 "with which the impeller 7" is connected.
  • the working medium emerging from the paddle wheel 7 "strikes the blades 30" of the flow guide wheel 8 ", which is connected to the rotor 11".
  • the flow guide wheel 8 "thus also converts the remaining energy present in the working medium, at least partially, into kinetic energy of the rotor 11".
  • FIGS. 1 to 6 show a fourth embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 51, or better, multi-stage axial turbine, which is constructed as a constant pressure turbine, that is to say working according to the Curtis principle.
  • Constant pressure turbines are steam turbines in which the inlet and outlet pressure of the vapor of a working medium into or out of the rotor blades of a paddle wheel is the same. Reduced steam driven in the blades.
  • the steam turbine has 51 speed levels, that is, the speed of the steam is used in stages.
  • pressure stages are generated, that is to say a pressure drop is divided into several stages. This has the advantage that excessive steam speeds can be avoided.
  • the steam turbine 51 has a stator 53 which comprises a shaft 55. Paddle wheels 57a and 57b are spaced apart from one another on the shaft 55.
  • a rotor 61 is provided in the steam turbine 51 rotatably relative to the stator 53 via a bearing 59 and seals 60.
  • the rotor 61 has a first end wall 61a, a conversion wall 61b and a second end wall 61c.
  • a first chamber 63 which serves as a steam generation chamber
  • a second chamber 65 which serves as a condensation chamber, are formed within the rotor 61.
  • the steam turbine 51 in contrast to the steam turbine 1, has an equalizing chamber 67 for collecting liquid working medium 73.
  • the first chamber 63 and the compensation chamber 67 are separated from one another by a thermally insulating wall 69.
  • combustion gases 71 are fed in the steam turbine 51 to the first end wall 61a of the rotor 61 in a countercurrent principle. This causes at least part of the working medium 73 to evaporate within the first chamber 63.
  • the working medium 73 thus evaporated is first fed to the first impeller 57a via lines 75, at the end of which nozzles 77 are arranged, because of the expansion of the steam in the region of the nozzles 77 and the impact of the steam on the first impeller 57a, the rotor 61 rotates.
  • the steam directed axially onto the first blade wheel 57a enters a deflection wheel 79a which also rotates with the rotor 61 after passing through the first blade wheel 57a .
  • This deflection wheel acts in particular as an impeller and converts the energy inherent in the steam into working energy.
  • the deflection wheel 79a there is then also a deflection of the steam flow, before it then essentially hits again in the axial direction with respect to the axis of rotation of the rotor 61 on a second paddle wheel 57b, which is also connected to the shaft 55.
  • the steam After passing through The steam passes through the second paddle wheel 57b into a second deflection wheel 79b, which is also used in particular as an impeller and which is also connected to the rotor 61.
  • the steam then enters the second chamber 65, where it is cooled and condensed out by means of cooling air 81 due to the cooling of the second end wall 61c of the rotor 61.
  • the condensed working medium 73 then flows from the second chamber 65 via the equalization chamber 67 into the first chamber 63.
  • the working medium 73 flows through channels 83 which are formed between the peripheral wall 61b and a substantially cylindrical partition 85.
  • the partition wall 85 serves for thermal insulation of the area in which the paddle wheels 57a, 57b and the deflection wheels 79a, 79b are located, on the one hand, and the peripheral wall 61b or the channels 83, on the other hand.
  • the partition 85 has a low thermal conductivity.
  • the partition 85 is hollow, in particular comprises an insulating material.
  • FIG. 8a shows a fifth embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a multi-stage steam turbine 51 '.
  • the basic structure of the steam turbine 51 ' essentially corresponds to that of the steam turbine 51 shown in FIG. 7. Therefore, essentially identical components of the steam turbine 51' bear the same reference numerals, but deleted once, as that of the steam turbine 51.
  • the steam turbine 51 ' Steam turbine 51 'three paddle wheels 57a', 57b 'and 57c'. Accordingly, the steam turbine 51 'also has three deflection wheels 79a', 79b 'and 79c', which are each connected to the rotor 61 '.
  • the steam turbine 51 ' differs from the steam turbine 51 in that it is an overpressure turbine due to the geometry of the nozzles 77', the paddle wheels 57a ', 57b', 57c 'and the deflection wheels 79a', 79b 'and 79c'. Since the steam flows through the paddle wheels 57a ', 57b', 57d 'at an inclined angle relative to the axis of rotation of the rotor 61', the steam turbine 51 'is also a diagonal turbine.
  • the design as an overpressure turbine means that the steam emerges from the nozzles 77 'at a relatively high pressure, and there is a pressure drop in the steam pressure in the blades of the blade wheels 57a', 57b 'and 57c'.
  • 8b shows a modification of the steam turbine 51 'shown in FIG.
  • the basic structure of the steam turbine 51” essentially corresponds to that of the steam turbine 51' and identical elements of the steam turbine 51 "compared to the steam turbine 51 ' bear identical reference numerals.
  • FIGS. 1 to 8b The embodiments of a heat engine according to the invention shown in FIGS. 1 to 8b are characterized jointly in that the rotor essentially completely the steam generating device in the form of the chambers 13, 13 ', 63, 63' and the condensation device in the form of the chambers 15, 15 ' , 65, 65 '.
  • Embodiments of a heat engine according to the invention are now described with reference to FIGS. 9 to 11, in which the steam generating device or the condensing device are essentially completely or partially encompassed by the stator.
  • These heat engines also have the advantages that they have a low power-to-weight ratio, high efficiency, low pollutant and noise emissions as well as a simple, low-maintenance and low-wear construction.
  • FIG. 9 shows a sixth embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 101, or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone.
  • the construction of the steam turbine 101 is similar to that of the steam turbine 1 ′′ shown in FIGS. 5 and 6.
  • the steam turbine 101 thus comprises a stator 103, which in turn comprises a fixed shaft 105.
  • FIGS. 1-10 shows a stator 103, which in turn comprises a fixed shaft 105.
  • an end wall 107 of the steam turbine 101 is connected to the shaft 105, and thus forms part of the stator 103.
  • the shaft 105 is also connected to a first impeller 109 and a second impeller 111.
  • a circumferential wall 113 and an end wall 115 rotatably mounted relative to the stator 103.
  • These walls 113, 115 thus form a rotor 117.
  • Partition walls 119, 121 and 123 are also connected to the rotor so as to be secured against rotation, and a flow guide wheel 125 is also arranged on the partition wall 121. This flow guide wheel 125 is connected via a Bearing 127 is rotatably supported on shaft 105.
  • the flow guide is supported gsrades 125 on shaft 105 not absolutely necessary.
  • the rotor 117 can be adequately supported by the sealing devices 133, so that the bearing 127 can be dispensed with.
  • the interior of the steam turbine 101 is divided into a first chamber 129 and a second chamber 131 by means of the, preferably thermally insulating, wall 121.
  • Chamber 129 acts as a steam generation chamber, while chamber 131 serves as a condensation chamber.
  • the second chamber 131 is sealed in the region of the transition from the end wall 107 to the peripheral wall 113 by a sealing device 133.
  • This sealing device 133 can be designed in a form which is generally known to the person skilled in the art.
  • the sealing device 133 can in particular comprise sealing elements, such as in the form of O-rings and / or a labyrinth system. It is important for the functioning of the steam turbine 101 that the sealing device 133 ensures a seal of the second chamber 131 and at the same time enables the rotor 117 to rotate relative to the stator 103. It is thus achieved in the steam turbine 101 that the steam generating device in the form of the chamber 129 is essentially completely surrounded by the rotor 117, while the condensation device in the form of the second chamber 131 with the end wall 107 is essentially completely surrounded by the stator 103.
  • combustion gases 135 hit the end wall 115 in the countercurrent principle. This causes the first chamber 129 to heat up, which is why leads to a working medium 137 being evaporated.
  • the working medium 137 enters between the partitions 121, 123 and through the nozzles 139 into the second chamber 131. There, the evaporated working medium strikes the first impeller 109, which leads to a drive of the rotor 117 relative to the stator 103. After passing through the first vane wheel 109 connected to the stator 103, the evaporated working medium strikes the flow guide wheel 125 connected to the rotor 117, as a result of which the rotor 117 is driven further.
  • the working medium After exiting the flow guide wheel 125, the working medium finally at least partially meets the second paddle wheel 111, which is connected to the stator 103 via the end wall 107.
  • the side facing away from the chamber 131 flows Front wall 107 cooling air 141 along the counterflow principle.
  • the condensed working medium collects due to the rotational movement of the rotor 117 in the region of the peripheral wall 113, in the region between the end wall 107 and the partition wall 119 driving elements, not shown, are preferably arranged in the form of blades that rotate with the rotor 117, in particular are attached to this.
  • the working medium 137 then flows back between the peripheral wall 113 and the partition wall 119 into the first chamber 129.
  • the working medium 137 also ensures in the steam turbine 101 that a seal is achieved between the first chamber 129 and the second chamber 131 in the region of the partition wall 119 and the peripheral wall 113, so that the working medium 137 is always the way out of the nozzle 139 must go first chamber 129 into the second chamber 131.
  • the steam turbine 101 offers the advantage that the end wall 107 does not perform any rotational movement, which leads to a particularly laminar flow of the cooling air 141 along the end wall 107.
  • the efficiency of the condensation device in the form of the second chamber 131 and thus the efficiency of the steam turbine 101 is increased. Furthermore, this construction of the steam turbine 101 facilitates the supply of a cooling medium into the end wall 107. It can thus be provided that the end wall 107 is penetrated by flow devices, not shown, in the form of channels. These channels can in particular be part of a closed cooling circuit in which a cooling fluid, such as water, is circulated. Because the end wall 107 is connected to the shaft 105 of the stator 103, this cooling medium can be supplied through a channel arranged on or passing through the shaft 105. The efficiency of the steam turbine 101 can be increased further by this further cooling possibility. FIG.
  • FIG. 10 shows a seventh embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 101 ', or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone.
  • the structure of the steam turbine 101 ' essentially corresponds to that of the steam turbine 101, which is shown in FIG. 9.
  • the steam turbine 101 ′ can have the entrainment devices described in relation to the steam turbine 101 in the region of the dividing wall 119 and the end wall 107.
  • Elements of the steam turbine 101 ' which are identical to the steam turbine 101 have the same reference numerals, while different elements are simply denoted by the same reference number.
  • the structure of the steam turbine 101 ' essentially differs from the structure of the steam turbine 101 in that both the condensation device and the steam generating device are essentially completely comprised by a stator 103'.
  • the stator 103 ' comprises a shaft 105' which is connected both to the end wall 107 and to an end wall 115 '.
  • the end wall 115 ' is therefore not encompassed by the rotor 117'.
  • the rotor 117 ' essentially comprises the peripheral wall 113', which is connected to the partition walls 119, 121, 123.
  • the flow guide wheel 125 is also attached to the partition 123.
  • the peripheral wall 113' is connected to the end wall 115 'via a sealing device 143'.
  • This structural design of the steam turbine 101 ' ensures that, in addition to the end wall 107, the end wall 115' also remains stationary when the steam turbine 101 'is in operation. This increases the efficiency of the steam generating device 129 'since the combustion gases 135 supplied to the end wall 115' are not swirled. A better heat exchange with the first chamber 129 'is thus achieved and the efficiency of the entire steam turbine 101' is further increased.
  • a further increase in the efficiency of the steam turbine 101 ' can be achieved in that the end wall 115' comprises a further throughflow device in the form of channels penetrating the end wall 115 ', through which a heating medium, preferably supplied via the shaft 105', is circulated.
  • Flow devices in the form of channels can be provided in an analogous manner in the end wall 107, as previously described with the aid of the steam turbine 101.
  • FIG. 11 An eighth embodiment of a heat engine according to the invention is shown in the form of a steam turbine 101 "in FIG. 11.
  • the structure of the steam turbine 101" is comparable to that of the steam turbine 101 'shown in FIG.
  • Identical elements of the steam turbine 101 "have the same reference numerals as the elements of the steam turbine 101 ', while the different elements bear the same reference numbers, albeit with two lines.
  • the two steam turbines 101 'and 101 "essentially differ from one another in that the end walls 107" and 115 "are essentially in two parts.
  • the end wall 107" consists of the parts 107a "and 107b".
  • the end wall part 107b is connected to the shaft 105
  • the end wall part 107a is connected to the peripheral wall 113".
  • the end wall 115 is formed in two parts in the form of the first end wall part 115a "and the second end wall part 115b ".
  • the end wall part 115a is connected to the peripheral wall 113
  • the end wall part 115b is connected to the shaft 105. Due to this construction, both the first chamber 129 "with the end wall 115", which serves as a steam generating device, and the second chamber 131 "with the end wall 107", which serves as a condensation device, are both partially from the rotor 117 "and the Stator 103 "includes.
  • the evaporated working medium emerging from the first chamber initially hits the blade wheel or wheels with the interposition of a flow guide wheel that is operatively connected to the rotor.
  • a flow guide wheel that is operatively connected to the rotor and in particular acts as an impeller is connected downstream of this paddle wheel.
  • the arrangement of the deflection wheel, the flow guide wheel and / or the paddle wheel is not limited to an axial relative arrangement to one another. In order to achieve a high degree of compactness of the heat engine of the invention, it is provided in particular that these wheels are arranged at least in regions radially relative to one another.
  • the heat engine is designed in the form of counter-pressure or extraction turbines, from which steam generated by additional extraction devices in the steam-generating chambers can be extracted.
  • the use of the heat engine according to the invention can also be carried out in the form of a ballast or steam turbine, in that the heat engine is external, in addition to the internal Steam generated within the heat engine, additional steam can be supplied.
  • the working medium within the heat engine can have a flow pattern that is adapted to the respective requirements of the heat engine ,
  • the working medium can flow in sections in the axial, radial or also transverse direction, in particular both in the radial direction towards an axis of the heat engine and away from it.
  • the invention is therefore in particular not limited to the flow paths of the working medium shown as examples.

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Abstract

The invention relates to a thermal combustion engine which converts thermal energy into mechanical energy, comprising at least one vapour producing device which at least partially vaporises a first liquid working medium by means of thermal energy supplied to the combustion engine, at least one rotor (11) which can be driven by means of a vaporised first working medium in order to produce mechanical energy and rotated with respect to at least one stator (3) around a first rotational axis, and at least one condensation device for condensation of the vaporised first working medium after the rotor (11) has been driven. The rotor (11) surrounds the stator in an essentially complete manner. The invention also relates to the use of the inventive thermal combustion engine.

Description

Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie sowie Verwendung derselben Heat engine for converting thermal energy into mechanical energy and using the same
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie sowie die Verwendung einer solchen Wärmekraftmaschine.The present invention relates to a heat engine for converting thermal energy into mechanical energy and the use of such a heat engine.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Wärmekraftmaschinen bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 199 48 128 AI eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Strömungsenergie in Flüssigkeiten aus Wärme. Die Vorrichtung umfasst dabei ein Gehäuse mit einer mit einem Verdampfer verbundenen Dampfeintrittsöffnung und einer mit einem Kondensator verbundenen Dampfaustrittsöffnung. Ferner weist das Gehäuse eine mit einem Hydromotor verbundene Vorlauföffnung und einen mit demselben verbundenen Rück- laufanschluss auf. Innerhalb des Gehäuses ist ein Rotor angeordnet, der mehrere Zellen aufweist, in denen sich jeweils Kolben befinden. Durch Zufuhr von Dampf unter Druck durch die Dampfeintrittsöffhung, Abfuhr des Dampfes aus der Dampfaustrittsöffnung sowie Drehung des Rotors wird ein Pumpen einer Hydraulikflüssigkeit durch den Hydromotor erzielt. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch, dass sie konstruktiv aufwendig ist, und aufgrund ihres mehrkomponentigen Aufbaus einen großen Bauraum aufweist und somit nicht kompakt ausgeführt werden kann. Darüber hinaus ist insbesondere eine Pumpe erforderlich, um in dem Kondensator kondensierte Flüssigkeit dem Verdampfer wieder zuzuführen.A large number of heat engines are known from the prior art. For example, DE 199 48 128 AI discloses a device and a method for generating flow energy in liquids from heat. The device comprises a housing with a steam inlet opening connected to an evaporator and a steam outlet opening connected with a condenser. Furthermore, the housing has a flow opening connected to a hydraulic motor and a return connection connected to the same. A rotor is arranged within the housing and has a plurality of cells, in each of which pistons are located. Pumping a hydraulic fluid through the hydraulic motor is achieved by supplying steam under pressure through the steam inlet opening, removing the steam from the steam outlet opening and rotating the rotor. However, a disadvantage of this device is that it is structurally complex and, owing to its multi-component structure, has a large installation space and therefore cannot be made compact. In addition, a pump is required in particular to feed liquid condensed in the condenser back to the evaporator.
Ferner offenbart die US 2002/0194848 AI einen Dampfmotor zum Antrieb eines Generators. Der Dampfmotor umfasst dabei einen Kreiskolbenmotor, der in einem geschlossenen Dampf- kreislauf integriert ist. Der Dampfkreislauf umfasst einen Dampfgenerator, eine Dampfeinspritzung zur Einspritzung von Dampf in den Kreiskolbenmotor sowie einen Kondensator zur Kondensation des Dampfes, der aus dem Kreiskolbenmotor austritt. Innerhalb des Dampfmotors wird eine Verbrennung durchgeführt, um einem Dampfgenerator, der aus einem Bündel kreisförmiger Rohre besteht, Hitze zuzuführen. Der aus dem Dampfgenerator austretende Dampf wird dem Kreiskolbenmotor zugeführt und fließt anschließend durch ein weiteres Bündel von Rohren, die einer Vorerwärmung von Verbrennungsluft dienen. Der so teilweise abgekühlte Dampf wird einem Kondensator zugeführt, und das im Kondensator kondensierte Wasser wird anschließend über eine Pumpe wieder dem Dampfgenerator zugeführt. Nachteilig bei diesem Dampfmotor ist jedoch ebenfalls der konstruktiv aufwendige Aufbau sowie die geringe Kompaktheit aufgrund der Vielzahl der notwendigen Komponenten, einschließlich einer Pumpe zur Förderung von in dem Kondensator kondensierten Wasser in den Dampfgenerator. Ferner ist der Kreiskolbenmotor verschleißanfällig, woraus sich hohe Wartungskosten ergeben.Furthermore, US 2002/0194848 AI discloses a steam engine for driving a generator. The steam engine comprises a rotary piston engine, which is in a closed steam circuit is integrated. The steam circuit comprises a steam generator, a steam injection for injecting steam into the rotary piston engine, and a condenser for condensing the steam that emerges from the rotary piston engine. Combustion is performed within the steam engine to supply heat to a steam generator consisting of a bundle of circular tubes. The steam emerging from the steam generator is fed to the rotary piston engine and then flows through a further bundle of tubes which serve to preheat combustion air. The partially cooled steam is fed to a condenser, and the water condensed in the condenser is then returned to the steam generator via a pump. However, a disadvantage of this steam engine is also the structurally complex structure and the low compactness due to the large number of necessary components, including a pump for conveying water condensed in the condenser into the steam generator. Furthermore, the rotary piston engine is susceptible to wear, which results in high maintenance costs.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Wärtnekraftmaschinen umfassend Dampfturbinen bekannt. Diesen Dampfturbinen wird in einem externen Dampferzeuger erzeugter Dampf derart zugeführt, dass ein in einem Gehäuse angeordneter Rotor mit einem Schaufelrad angetrieben wird. Nach dem Durchtritt durch das Schaufelrad wird der aus dem Gehäuse austretende Dampf kondensiert, und das so kondensierte Arbeitsmedium über eine Pumpe wieder dem Dampferzeuger zugeführt. Nachteilig bei diesen Dampfturbinen ist jedoch, dass zusätzliche Komponenten, insbesondere Ventile, Steuerelemente oder Pumpen, notwendig sind, um eine Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie zu erreichen. Insbesondere weisen derartige Wärmekraftmaschinen unter Verwendung einer Dampfturbine aufgrund der großen Anzahl von Einzelkomponenten ein hohes Leistungsgewicht, d. h. Gewicht relativ zur entnehmbaren Leistung, auf.In addition, thermal turbines comprising steam turbines are known from the prior art. Steam generated in an external steam generator is fed to these steam turbines in such a way that a rotor arranged in a housing is driven by a paddle wheel. After passing through the paddle wheel, the steam emerging from the housing is condensed and the working medium thus condensed is returned to the steam generator via a pump. However, a disadvantage of these steam turbines is that additional components, in particular valves, control elements or pumps, are necessary in order to convert thermal energy into mechanical energy. In particular, such heat engines using a steam turbine have a high power to weight ratio due to the large number of individual components, i. H. Weight relative to the removable power.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll die Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie bei Erreichen eines geringen Leistungsgewichts, einer hohen Effizienz, einer niedrigen Schadstoff- und Lärmemission sowie einem einfachen, wartungsarmen und verschleißarmen Aufbau erzielt werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einer ersten Ausbildung dadurch gelöst, dass die Wärmekraftmaschine zumindest eine Dampferzeugungsvorrichtung zum zumindest teilweisen Verdampfen eines ersten flüssigen Arbeitsmediums mittels der Wärmekraftmaschine zugeführter thermischer Energie, zumindest einen mittels des verdampften ersten Arbeitsmediums zur Erzeugung von mechanischer Energie antreibbaren und relativ zu zumindest einem Stator um eine erste Drehachse drehbaren Rotor und zumindest eine Kondensationsvorrichtung zur Kondensation des verdampften ersten Arbeitsmediums nach Antreiben des Rotors umfasst, wobei der Rotor den Stator im wesentlichen vollständig umgibt, und der Rotor die Dampferzeugungsvorrichtung und die Kondensationsvorrichtung im Wesentlichen vollständig umfasst.The object of the present invention is therefore to provide a heat engine which overcomes the disadvantages of the prior art. In particular, the conversion of thermal energy into mechanical energy should be achieved while achieving a low power-to-weight ratio, high efficiency, low pollutant and noise emissions and a simple, low-maintenance and low-wear construction. According to the invention, this object is achieved in a first embodiment in that the heat engine has at least one steam generating device for at least partially evaporating a first liquid working medium by means of thermal energy supplied by the heat engine, at least one that can be driven by means of the evaporated first working medium to generate mechanical energy and relative to at least one Stator rotatable about a first axis of rotation and at least one condensation device for condensing the vaporized first working medium after driving the rotor, wherein the rotor substantially completely surrounds the stator, and the rotor substantially completely comprises the steam generating device and the condensing device.
Alternativ zu der beschriebenen Ausbildung wird die erfindungsgemäße Aufgabe in einer zweiten Ausbildung gelöst, durch eine Wärmekraftmaschine umfassend zumindest eine Dampferzeugungsvorrichtung zum zumindest teilweisen Verdampfen eines ersten flüssigen Arbeitsmediums mittels der Wärmekraftmaschine zugeführter thermischer Energie, zumindest einen mittels des verdampften ersten Arbeitsmediums zur Erzeugung von mechanischer E- nergie antreibbaren und relativ zu zumindest einem Stator um eine erste Drehachse drehbaren Rotor und zumindest eine Kondensationsvorrichtung zur Kondensation des verdampften ersten Arbeitsmediums nach Antreiben des Rotors, wobei der Rotor den Stator zumindest bereichsweise umgibt.As an alternative to the embodiment described, the object according to the invention is achieved in a second embodiment, by a heat engine comprising at least one steam generating device for at least partially evaporating a first liquid working medium by means of thermal energy supplied by the heat engine, at least one by means of the evaporated first working medium for generating mechanical electrical energy. Energy drivable and rotatable relative to at least one stator about a first axis of rotation and at least one condensation device for condensing the vaporized first working medium after driving the rotor, the rotor surrounding the stator at least in regions.
Bei der zweiten Ausbildung kann vorgesehen sein, dass der Rotor die Dampferzeugungsvorrichtung und/oder die Kondensationsvorrichtung im Wesentlichen vollständig umfasst.In the second embodiment, it can be provided that the rotor essentially completely encompasses the steam generating device and / or the condensing device.
Bei den beiden zuvor angeführten Ausführungsform kann der Stator erfindungsgemäß die Dampferzeugungsvorrichtung und/oder die Kondensationsvorrichtung im Wesentlichen vollständig umfassen.In the two previously mentioned embodiment, the stator according to the invention can essentially completely comprise the steam generating device and / or the condensation device.
Alternativ zu den beiden zuvor angeführten Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass die Dampferzeugungsvorrichtung und/oder die Kondensationsvorrichtung zumindest zweigeteilt ausgebildet ist bzw. sind und der Rotor einen ersten Teil der Kondensationsvorrichtung und/oder einen ersten Teil der Dampferzeugungsvorrichtung umfasst und der Stator den anderen Teil der Dampferzeugungsvorrichtung und/oder der Kondensationsvorrichtung umfasst. Dabei ist erfmdungsgemäß in einer vorteilhaften Ausführungsform zumindest eine die Dampferzeugungsvorrichtung bildende erste Kammer, zumindest eine die Kondensationsvorrichtung bildende zweite Kammer und zumindest eine Turbinenkammer vorgesehen, wobei vorzugsweise die erste Kammer und die zweite Kammer, die erste Kammer und die Turbinenkammer und/oder die zweite Kammer und die Turbinenkammer zumindest bereichsweise mittels zumindest einer, insbesondere thermisch isolierenden, Wand voneinander abgetrennt sind.As an alternative to the two above-mentioned embodiments, it can also be provided that the steam generating device and / or the condensing device is or are at least divided into two, and the rotor comprises a first part of the condensing device and / or a first part of the steam generating device and the stator the other part of the steam generating device and / or the condensing device. According to the invention, in an advantageous embodiment, at least one first chamber forming the steam generating device, at least one second chamber forming the condensing device and at least one turbine chamber are provided, preferably the first chamber and the second chamber, the first chamber and the turbine chamber and / or the second chamber and the turbine chamber is separated from one another at least in regions by means of at least one, in particular thermally insulating, wall.
Bei der vorgenannten alternativen Ausfuhrungsform wird vorgeschlagen, dass die Wärmekraftmaschine zumindest eine die erste Kammer und die Turbinenkammer zum Durchtritt des verdampften ersten Arbeitsmediums verbindende erste Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise umfassend zumindest eine erste Düse, wobei vorzugsweise die Geometrie und/oder die Ausrichtung der Düsenöffhung einstellbar ist, zumindest ein erstes Rohr und/oder zumindest eine insbesondere in der thermisch isolierenden Wand ausgebildete, erste Öffnung, umfasst.In the aforementioned alternative embodiment, it is proposed that the heat engine have at least one first connecting device connecting the first chamber and the turbine chamber for the passage of the vaporized first working medium, preferably comprising at least one first nozzle, the geometry and / or the orientation of the nozzle opening preferably being adjustable, at least one first tube and / or at least one first opening formed in particular in the thermally insulating wall.
Bei den beiden vorgenannten alternativen Ausführungsformen kann ferner zumindest eine die Turbinenkammer und die zweite Kammer zum Durchtritt des verdampften ersten Arbeitsmediums verbindende zweite Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise umfassend zumindest eine zweite Düse, wobei vorzugsweise die Geometrie und/oder die Ausrichtung der Düsenöffnung einstellbar ist, zumindest ein zweites Rohr und/oder zumindest eine, insbesondere in der thermisch isolierenden Wand ausgebildete, zweite Öffnung, vorgesehen sein.In the two aforementioned alternative embodiments, at least one second connecting device connecting the turbine chamber and the second chamber for the passage of the vaporized first working medium, preferably comprising at least one second nozzle, wherein preferably the geometry and / or the orientation of the nozzle opening can be adjusted, at least a second one Pipe and / or at least one, in particular formed in the thermally insulating wall, second opening may be provided.
Auch wird bei den beiden vorgenannten Ausfuhrungsformen zumindest eine mit der ersten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende erste und/oder zumindest eine mit der zweiten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende zweite Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung, vorzugsweise in Form eines ersten und/oder zweiten Ventils, vorgeschlagen.In the two aforementioned embodiments, at least one first and / or at least one second flow control and / or regulating device that is operatively connected to the first connecting device, preferably in the form of a first and / or second valve, is proposed.
Vorteilhafte Ausfuhrungsformen einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine verfügen über zumindest eine die erste Kammer und die Turbinenkammer zum Durchtritt des flüssigen ersten Arbeitsmediums verbindende dritte Verbindungsvorrichtung, insbesondere in Form zumindest einer, vorzugsweise in der thermisch isolierenden Wand ausgebildeten, dritten Öffnung. Auch kann zumindest eine die Turbinenkammer und die zweite Kammer zum Durchtritt des flüssigen ersten Arbeitsmediums verbindende vierte Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise in Form zumindest einer, insbesondere in der thermisch isolierenden Wand ausgebildeten, vierten Öffnung, in einer erfϊndungsgemäßen Wärmekraftmaschine vorhanden sein.Advantageous embodiments of a heat engine according to the invention have at least one third connecting device connecting the first chamber and the turbine chamber for the passage of the liquid first working medium, in particular in the form of at least one third opening, preferably formed in the thermally insulating wall. There may also be at least one fourth connecting device connecting the turbine chamber and the second chamber for the passage of the liquid first working medium, preferably in the form of at least one fourth opening, in particular formed in the thermally insulating wall, in a heat engine according to the invention.
Bei den beiden vorgenannten Alternativen wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das flüssige erste Arbeitsmedium während einer Drehung des Rotors, insbesondere aufgrund der auf das Arbeitsmedium wirkenden Fliehkraft, einen Austritt des verdampften ersten Arbeitsmediums aus der ersten Kammer durch die dritte und/oder vierte Verbindungsvorrichtung verhindert, insbesondere die dritte und/oder vierte Öffnung blockiert.In the case of the two aforementioned alternatives, the invention proposes that the liquid first working medium prevent the evaporated first working medium from escaping from the first chamber through the third and / or fourth connecting device during a rotation of the rotor, in particular due to the centrifugal force acting on the working medium , in particular the third and / or fourth opening blocked.
Ferner wird mit der Erfindung zumindest eine mit der dritten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende dritte und/oder zumindest eine mit der vierten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende vierte Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung, vorzugsweise in Form eines dritten und/oder vierten Ventils, insbesondere eines Rückschlagventils, vorgeschlagen.Furthermore, at least one third flow control and / or regulating device, preferably in the form of a third and / or fourth valve, in particular a non-return valve, is at least one third and / or at least one fourth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the third connecting device. proposed.
Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Kammer und die Turbinenkammer in einem ausgeformt sind.In particular, it can also be provided that the second chamber and the turbine chamber are formed in one.
Bei den vorgenannten Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann zumindest ein in der ersten Kammer, der zweiten Kammer und/oder der Turbinenkammer ausgebildeter Strömungsfuhrungskörper vorgesehen sein.In the aforementioned embodiments of the heat engine according to the invention, at least one flow guide body formed in the first chamber, the second chamber and / or the turbine chamber can be provided.
Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zeichnet sich durch zumindest ein von dem Stator umfasstes, erstes Schaufelrad aus, dem, vorzugsweise über die erste Verbindungsvorrichtung, zum Drehen des Rotors relativ zu dem Stator das verdampfte erste Arbeitsmedium zufuhrbar ist, insbesondere axial, radial und/oder unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu der ersten Drehachse.An advantageous embodiment of a heat engine according to the invention is characterized by at least one first paddle wheel encompassed by the stator, to which the evaporated first working medium can be supplied, preferably axially, radially and / or, preferably via the first connecting device, for rotating the rotor relative to the stator at a predetermined angle relative to the first axis of rotation.
Die vorgenannte Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann gekennzeichnet sein durch zumindest ein mit dem Rotor in Wirkverbindung stehendes, insbesondere mit diesem drehmitnahmesicher verbindbares, und stromaufwärts und/oder stromab- wärts des verdampften Arbeitsmediums relativ zum ersten Schaufelrad angeordnetes Strömungsführungsrad, wobei das Strömungsführungsrad vorzugsweise zumindest bereichsweise konzentrisch zum ersten Schaufelrad angeordnet ist, insbesondere innerhalb und/oder außerhalb des ersten Schaufelrades. Insbesondere die Anordnung des Strömungsführungsrades stromaufwärts des verdampften Arbeitsmediums relativ zum ersten Schaufelrad führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades.The aforementioned embodiment of a heat engine according to the invention can be characterized by at least one that is operatively connected to the rotor, in particular can be connected to it in a rotationally secure manner, and upstream and / or downstream. the vaporized working medium relative to the first impeller is arranged flow guide wheel, wherein the flow guide wheel is preferably arranged at least in regions concentrically to the first impeller, in particular inside and / or outside of the first impeller. In particular, the arrangement of the flow guide wheel upstream of the vaporized working medium relative to the first blade wheel leads to an increase in efficiency.
Die beiden vorgenannten Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine können gekennzeichnet sein durch zumindest ein von dem Stator umfasstes insbesondere stromabwärts des verdampften Arbeitsmediums relativ zum Strömungsführungsgrad angeordnetes, zweites Schaufelrad, wobei vorzugsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts des verdampften Arbeitsmediums relativ zu dem zweiten Schaufelrad zumindest ein mit dem Rotor in Wirkverbindung stehendes, insbesondere mit diesem drehmitnahmesicher verbindbares, Umlenkrad angeordnet ist, wobei insbesondere das Umlenkrad zumindest bereichsweise konzentrisch zum ersten und/oder zweiten Schaufelrad angeordnet ist, insbesondere innerhalb und/oder außerhalb des ersten und/oder zweiten Schaufelrades.The two aforementioned embodiments of the heat engine according to the invention can be characterized by at least one second blade wheel, which is comprised by the stator and is arranged, in particular, downstream of the evaporated working medium relative to the degree of flow guidance, preferably at least one with the rotor upstream and / or downstream of the evaporated working medium relative to the second blade wheel a deflecting wheel that is operatively connected, in particular connectable to this in a rotationally secure manner, the deflecting wheel in particular being arranged at least in regions concentrically with the first and / or second impeller, in particular inside and / or outside the first and / or second impeller.
Bei den drei vorgenannten alternativen Ausführungsformen sieht die Erfindung insbesondere vor, dass das erste Schaufelrad, das Strömungsführungsrad, das zweite Schaufelrad und/oder das Umlenkrad zumindest teilweise in der Turbinenkammer angeordnet ist bzw. sind.In the case of the three aforementioned alternative embodiments, the invention provides in particular that the first blade wheel, the flow guide wheel, the second blade wheel and / or the deflection wheel is or are at least partially arranged in the turbine chamber.
Auch wird vorgeschlagen, dass das zweite Schaufelrad einen von einem ersten Durchmesser des ersten Schaufelrades abweichenden zweiten Durchmesser und/oder eine von der Anzahl bzw. der Geometrie der Schaufeln des ersten Schaufelrades abweichende Anzahl bzw. Geometrie der Schaufeln aufweist.It is also proposed that the second blade wheel have a second diameter that deviates from a first diameter of the first blade wheel and / or a number or geometry of the blades that deviate from the number or geometry of the blades of the first blade wheel.
Vorteilhafte Ausfuhrungsformen einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sind auch gekennzeichnet durch eine Vielzahl von zweiten Schaufelrädern und/oder Umlenkrädern, wobei die zweiten Schaufelräder vorzugsweise unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Geometrien und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln zueinander aufweisen, und/oder die Umlenkräder unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Geometrien und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln zueinander aufweisen. Auch kann vorgesehen sein, dass die Geometrie und/oder die Stellung zumindest einer Schaufel des ersten Schaufelrades, zumindest eines zweiten Schaufelrades, des Sttömungsführungs- rades und/oder zumindest eines Umlenkrades, vorzugsweise während eines Betriebs der Wärmekraftmaschine, einstellbar ist bzw. sind.Advantageous embodiments of a heat engine according to the invention are also characterized by a plurality of second blade wheels and / or deflection wheels, the second blade wheels preferably having different diameters, different geometries and / or a different number of blades with respect to one another, and / or the deflection wheels having different diameters, different geometries and / or have a different number of blades from one another. Provision can also be made for the geometry and / or the position of at least one blade of the first blade wheel, at least one second blade wheel, of the flow guide wheel and / or at least one deflection wheel to be adjustable, preferably during operation of the heat engine.
Ferner schlägt die Erfindung zumindest ein Heizmittel zur Beaufschlagung der Dampferzeugungsvomchtung, insbesondere der ersten Kammer, mit Wärme vor, vorzugsweise in Form eines fluiden Heizmediums, insbesondere in Form von heißen Gasen, wie Verbrennungsgasen, einer Heizquelle, wie in Form zumindest einer Heizspindel, die in einer, insbesondere ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit umfassenden und/oder für einen hohen konvektiven Wärmetransport strukturierten, Wand der ersten Kammer integriert und/oder auf der Oberfläche dieser Wand ausgebildet ist, zumindest einer ersten Durchflusseinrichtung für ein Heizfluid und/oder zumindest einer auf einer Außenseite der Wand der ersten Kammer ausgebildeten, insbesondere von dem Heizfluid durchströmbaren, ersten Struktur und/oder zumindest einer auf einer Innenseite der Wand der ersten Kammer ausgebildeten, insbesondere von dem, vorzugsweise verdampften Arbeitsmedium durchströmbaren, zweiten Struktur.Furthermore, the invention proposes at least one heating means for the application of heat to the steam generating device, in particular the first chamber, preferably in the form of a fluid heating medium, in particular in the form of hot gases, such as combustion gases, a heating source, such as in the form of at least one heating spindle, which is in a, in particular a material of high thermal conductivity and / or structured for a high convective heat transport, integrated wall of the first chamber and / or is formed on the surface of this wall, at least one first flow device for a heating fluid and / or at least one on an outside of the Wall of the first chamber formed, in particular through which the heating fluid can flow, and / or at least one second structure formed on an inside of the wall of the first chamber, in particular through which the preferably evaporated working medium can flow.
Bei der vorgenannten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die erste Durchflussein- richtung in die Wand integriert ist, wobei das Heizmittel der ersten Durchflusseinrichtung vorzugsweise über eine Welle des Stators zugeführt wird und/oder dass Heizmittel insbesondere in einem die erste Durchflusseinrichtung umfassenden, vorzugsweise geschlossenen, Heizkreislauf umgewälzt wird.In the aforementioned embodiment it can be provided that the first throughflow device is integrated into the wall, the heating medium being fed to the first throughflow device preferably via a shaft of the stator and / or that heating means in particular in a preferably closed, comprising the first throughflow device. Heating circuit is circulated.
Ferner wird mit der Erfindung zumindest ein Kühlmittel zur Beaufschlagung der Kondensationsvorrichtung, insbesondere der zweiten Kammer, mit Kälte vorgeschlagen, vorzugsweise in Form eines fluiden Kühlmediums, insbesondere in Form von Stickstoff oder Kaltluft, einer Kühlquelle, wie in Form zumindest eines Peltierelements, die insbesondere in einer, vorzugsweise ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit umfassenden und/oder für einen hohen konvektiven Wärmetransport strukturierten, Wand der zweiten Kammer integriert und/oder auf der Oberfläche dieser Wand ausgebildet ist, zumindest einer zweiten Durchflusseimichtung für ein Kühlfluid, wie Stickstoff oder Kaltluft, und/oder zumindest einer auf einer Außenseite der Wand der zweiten Kammer ausgebildeten, insbesondere von dem Kühlfluid druchströmbaren, dritten Struktur und/oder zumindest einer auf einer Innenseite der Wand der zweiten Kammer ausgebildeten, insbesondere von dem Arbeitsmedium durchströmbaren vierten Struktur. Auch wird mit der Erfindung bei der zuvor angeführten Ausfuhrungsform vorgeschlagen, dass die zweite Durchflusseinrichtung in die Wand integriert ist, wobei das Kühlmittel der zweiten Durchflusseimichtung vorzugsweise über eine Welle des Stators zugeführt wird und/oder das Kühlmittel insbesondere in einem die zweite Durchflusseinrichtung umfassenden, vorzugsweise geschlossenen, Kühlkreislauf umgewälzt wird.Furthermore, the invention proposes at least one coolant for applying cold to the condensation device, in particular the second chamber, preferably in the form of a fluid cooling medium, in particular in the form of nitrogen or cold air, a cooling source, such as in the form of at least one Peltier element, which in particular in a wall of the second chamber, preferably comprising a material of high thermal conductivity and / or structured for high convective heat transport, is integrated and / or formed on the surface of this wall, at least one second flow device for a cooling fluid, such as nitrogen or cold air, and / or at least one third structure formed on an outside of the wall of the second chamber, in particular through which the cooling fluid can flow, and / or at least one fourth structure formed on an inside of the wall of the second chamber, through which the working medium can flow. It is also proposed with the invention in the above-mentioned embodiment that the second flow device is integrated in the wall, the coolant being fed to the second flow device preferably via a shaft of the stator and / or the coolant in particular in a preferably comprising the second flow device closed, cooling circuit is circulated.
Bei den vier vorgenannten alternativen Ausführungsformen wird es mit der Erfindung als vorteilhaft angesehen, dass das Heizfluid im Bereich des Heizmittels eine Strömungsrichtung aufweist, die im wesentlichen von der ersten Drehachse radial nach außen zum Außenumfang des Rotors verläuft, und/oder das Kühlfluid im Bereich des Kühlmittels eine Strömungsrichtung aufweist, die im wesentlichen radial vom Außenumfang des Rotors in Richtung der ersten Drehachse verläuft.In the four alternative embodiments mentioned above, it is considered advantageous with the invention that the heating fluid in the area of the heating means has a flow direction that extends essentially radially outward from the first axis of rotation to the outer circumference of the rotor, and / or the cooling fluid in the area of the Coolant has a flow direction which extends substantially radially from the outer circumference of the rotor in the direction of the first axis of rotation.
Auch kann zumindest eine Zufuhreimichtung zur Zufuhrung zumindest eines dampfförmigen zweiten Arbeitsmediums, wobei vorzugsweise das erste und zweite verdampfte Arbeitsmedium identisch sind, vorgesehen sein.At least one supply device can also be provided for supplying at least one vaporous second working medium, the first and second evaporated working medium preferably being identical.
Ferner sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Abnahmevorrichtung zur Abführung zumindest eines Teils des verdampften und/oder flüssigen ersten Arbeitsmediums vor.Furthermore, an advantageous embodiment of the invention provides at least one removal device for removing at least part of the vaporized and / or liquid first working medium.
Vorteilhafterweise ist zumindest eine mit der Zufuhreinrichtung in Wirkverbindung stehende fünfte Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung und/oder zumindest eine mit der Abnahmevorrichtung in Wirkverbindung stehende sechste Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen.Advantageously, at least one fifth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the supply device and / or at least one sixth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the removal device is provided.
Schließlich wird mit der Erfindung zumindest eine mit der Dampferzeugungsvorrichtung, der Kondensationseimichtung, der ersten und/oder zweiten Düse der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und/oder sechsten Durchflusssteuer- und/oder Regeleimichtung, dem ersten Schaufelrad, zumindest einem zweiten Schaufelrad, dem Strömungsführungsrad und/oder zumindest einem Umlenkrad, dem Heizmittel, dem Kühlmittel und/oder einem Sensor zur Messung der Drehgeschwindigkeit des Rotors in Wirkverbindung stehende Steuer- und/oder Regeleinheit vorgeschlagen. Die Erfindung sieht ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine als Vorschaltturbinen, Abdampfturbine, Gegendruckturbine, Entnahmeturbine, Gleichdruckturbine und/oder Überdruckturbine vor.Finally, with the invention at least one with the steam generating device, the condensation device, the first and / or second nozzle of the first, second, third, fourth, fifth and / or sixth flow control and / or regulating device, the first impeller, at least one second impeller , the flow guide wheel and / or at least one deflection wheel, the heating means, the coolant and / or a sensor for measuring the rotational speed of the rotor are operatively connected control and / or regulating unit. The invention further provides for the use of a heat engine according to the invention as a front-end turbine, steam turbine, counter-pressure turbine, extraction turbine, constant-pressure turbine and / or positive-pressure turbine.
Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung einer Dampfturbine in Form eines Außenläufers, bei dem eine Dampferzeugungsvorrichtung und eine Kondensationsvorrichtung in den Rotor integriert sind, dazu führt, dass ein konstruktiv einfacher Aufbau einer Wärmekraftmaschine realisiert werden kann. Insbesondere kann eine Wärmekraftmaschine bereitgestellt werden, die auf Steuer- und/oder Förderelemente, wie Ventile oder Pumpen zur Förderung eines Arbeitsmediums von einem Verdampfer zu einem Kondensator, verzichtet. Durch die Integration eines Verdampfers und Kondensators in einem Rotor, der um einen zumindest ein Schaufelrad aufweisenden Stator rotiert, wird erfindungsgemäß eine automatische Förderung von Arbeitsmedium von dem Kondensator zu dem Verdampfer über die durch die Rotation auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalkraft erzielt. Darüber hinaus stellt die Drehbewegung des Rotors und damit die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalkraft sicher, dass das Arbeitsmedium selber einen von dem Kondensator zu dem Verdampfer verlaufenden Verbindungskanal derart verschließt, dass in dem Verdampfer erzeugter Dampf nur in den Kondensator gelangen kann, indem er aus dem Verdampfer austritt, auf das Schaufelrad auftritt und somit eine Drehung des Rotors bewirkt. Insbesondere bewirkt die durch die Drehung des Rotors auf das Arbeitsmedium wirkende Fliehkraft, dass auch bei größeren Drücken innerhalb des Dampferzeugers relativ zum Druck in dem Kondensator aufgrund des durch die Fliehkraft hervorgerufenen hydrostatischen Drucks ein Übergang des dampfförmigen Arbeitsmediums aus dem Dampferzeuger in den Kondensator nur in der zuvor beschriebenen Weise nach Durchlaufen des Schaufelrads ermöglicht wird. Das heißt, durch den erfindungsgemäßen Aufbau einer Wärmekraftmaschine wird ein Fliehkraft- Verschluß zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer realisiert. Dieser Fliehkraftver- schluss dient ferner auch als Pumpe, um Arbeitsmedium aus dem Kondensator in den Verdampfer zu befördern. Dies führt dazu, dass auf zusätzliche Speisepumpen etc. verzichtet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht der Aufbau der Dampfturbine als Außenläufer einen hohen Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine. Sowohl eine Beheizung der Maschine auf der Verdampferseite, beispielsweise mit Verbrennungsgasen, als auch eine Abkühlung auf der Kondensatorseite, beispielsweise mit Kühlluft, erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt im Gegen- stromprinzip, wobei ansonsten beliebige Strömungsrichtungen des Kühl- bzw. Beheizungs- mediums möglich sind. Eine effiziente Ausnutzung der Verbrennungsgase wird dabei dadurch erreicht, dass Verbrennungsgase hoher Temperatur den Bereich in der Nähe der Achse des Rotors beheizen und somit besonders heißer Dampf aus dem Dampferzeuger austritt, der dann insbesondere über Düsen auf das Schaufelrad des Stators gerichtet wird. Die Verbrennungs- gase fließen dann in radialer Richtung von der Drehachse des Rotors aus zum Außenumfang des Rotors, wo die sich abkühlenden Verbrennungsgase das aufgrund der Zentrifugalkraft dort befindliche flüssige Arbeitsmedium am Außenumfang des Rotors zum Sieden bringen. Der dabei erzeugte Dampf wandert im Rotor in Richtung der Drehachse des Rotors und wird aufgrund der in dieser Richtung immer höher werdenden Temperatur der Verbrennungsgase kontinuierlich aufgeheizt, so dass zum Beispiel eine isobare Expansion stattfinden kann. Auf der Kondensatorseite fließt die Kühlluft vom Außenumfang des Rotors in radiale Richtung zur Drehachse des Rotors, außerhalb des Rotors, hin. So wird erreicht, dass Dampf, der im Inneren des Rotors radial von der Drehachse nach außen strömt, zunehmend abgekühlt wird und kondensiert. Somit ermöglicht der Aufbau der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine als Dampfturbine im Außenläuferprinzip den Einsatz eines Gegenstromprinzips sowohl zur Erwärmung eines Arbeitsfluids als auch zur Abkühlung desselben, was zu einer Erhöhung der Effizienz der Wärmekraftmaschine führt.The invention is therefore based on the surprising finding that the design of a steam turbine in the form of an external rotor, in which a steam generating device and a condensation device are integrated in the rotor, leads to the fact that a structurally simple construction of a heat engine can be realized. In particular, a heat engine can be provided which dispenses with control and / or delivery elements, such as valves or pumps for delivering a working medium from an evaporator to a condenser. By integrating an evaporator and condenser in a rotor, which rotates around a stator having at least one impeller, an automatic conveying of working medium from the condenser to the evaporator is achieved according to the invention via the centrifugal force acting on the working medium through the rotation. In addition, the rotary movement of the rotor and thus the centrifugal force acting on the working medium ensures that the working medium itself closes a connecting channel running from the condenser to the evaporator in such a way that steam generated in the evaporator can only get into the condenser by leaving it Evaporator emerges, impacts the impeller and thus causes the rotor to rotate. In particular, the centrifugal force acting on the working medium due to the rotation of the rotor has the effect that even at higher pressures within the steam generator relative to the pressure in the condenser, due to the hydrostatic pressure caused by the centrifugal force, a transition of the vaporous working medium from the steam generator into the condenser only in the way described above is made possible after passing through the paddle wheel. That is, the construction of a heat engine according to the invention realizes a centrifugal lock between the condenser and the evaporator. This centrifugal lock also serves as a pump to convey working medium from the condenser to the evaporator. This means that there is no need for additional feed pumps, etc. In addition, the construction of the steam turbine as an external rotor enables the thermal engine to be highly efficient. Both heating of the machine on the evaporator side, for example with combustion gases, and cooling on the condenser side, for example with cooling air, are preferably carried out according to the invention in the countercurrent principle, with any other flow directions of the cooling or heating mediums are possible. Efficient utilization of the combustion gases is achieved in that high-temperature combustion gases heat the area near the axis of the rotor and thus particularly hot steam escapes from the steam generator, which is then directed in particular onto the stator's impeller via nozzles. The combustion gases then flow in the radial direction from the axis of rotation of the rotor to the outer circumference of the rotor, where the cooling combustion gases bring the liquid working medium located there due to the centrifugal force to the boil on the outer circumference of the rotor. The steam generated in the process migrates in the direction of the axis of rotation of the rotor and is continuously heated due to the temperature of the combustion gases, which is increasing in this direction, so that, for example, isobaric expansion can take place. On the condenser side, the cooling air flows from the outer circumference of the rotor in a radial direction to the axis of rotation of the rotor, outside the rotor. The result is that steam that flows radially inside the rotor from the axis of rotation to the outside is increasingly cooled and condensed. Thus, the construction of the heat engine according to the invention as a steam turbine based on the external rotor principle enables the use of a countercurrent principle both for heating a working fluid and for cooling it, which leads to an increase in the efficiency of the heat engine.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand schematischer Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention result from the following description, in which preferred embodiments of the invention are explained by way of example with reference to schematic drawings. It shows:
Figur 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFigure 1 is a sectional view of a first embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine;Heat engine;
Figur 2 eine Schnittansicht der Wärmekraftmaschine der Figur 1 entlang der Ebene A-Figure 2 is a sectional view of the heat engine of Figure 1 along the plane A-
A der Figur 1;A of Figure 1;
Figur 3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFigure 3 is a sectional view of a second embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine;Heat engine;
Figur 4 eine Schnittansicht der Wärmekraftmaschine der Figur 3 entlang der Ebene B-FIG. 4 shows a sectional view of the heat engine of FIG. 3 along the plane B -
B der Figur 3; Figur 5 eine Schnittansicht einer dritten Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßenB of Figure 3; Figure 5 is a sectional view of a third embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine;Heat engine;
Figur 6 eine Schnittansicht der Wärmekraftmaschine der Figur 5 entlang der Ebene B-FIG. 6 shows a sectional view of the heat engine of FIG. 5 along the plane B -
B der Figur 5;B of Figure 5;
Figur 7 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFigure 7 is a sectional view of a fourth embodiment of an inventive
Wärmkraftmaschine;heat engine;
Figur 8a eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFigure 8a is a sectional view of a fifth embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine;Heat engine;
Figur 8b eine Schnittansicht einer Abwandlung der fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine nach Figur 8a;Figure 8b is a sectional view of a modification of the fifth embodiment of a heat engine according to the invention according to Figure 8a;
Figur 9 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFigure 9 is a sectional view of a sixth embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine;Heat engine;
Figur 10 eine Schnittansicht einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßenFigure 10 is a sectional view of a seventh embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine; undHeat engine; and
Figur 11 eine Schnittansicht einer achten Ausführungsform einer erfmdungsgemäßenFigure 11 is a sectional view of an eighth embodiment of an inventive
Wärmekraftmaschine.Heat engine.
In den Figuren 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 1, oder besser Kompaktdampfturbine, mit integrierter Dampferzeugungszone dargestellt. Die Dampfturbine 1 umfasst einen Stator 3, der wiederum eine feststehende Welle 5 sowie ein mit der Welle 5 verbundenes Schaufelrad 7 umfasst. Über ein Lager 9 und eine Dichtung 10 ist ein Rotor 11 mit Stirnwänden 11a, 11c und einer Umfangswand 11b drehbar relativ zum Stator 3 derart gelagert, dass das Innere des Rotors 11 abgedichtet ist. Der Rotor 11 besteht im Wesentlichen aus einer ersten Kammer 13 und einer zweiten Kammer 15. Die Kammern 13, 15 sind durch eine thermisch isolierende Wand 17 voneinander getrennt, bis auf Öffnungen 19 der Wand 17 im Bereich der Umfangswand 11b des Rotors 11. Durch die Öffnungen 19 kann ein Arbeitsmedium 21, vorzugsweise Wasser, von der zweiten Kammer 15 in die erste Kammer 13 fließen, wie später im Detail beschrieben. Aufgrund der auf das Arbeitsmedium 21 bei einer Drehung des Rotors 11 wirkenden Zentrifugalkräfte sammelt sich das Arbeitsmedium 21 an der Umfangswand 11b des Rotors 11, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die erste Kammer 13 wird ferner durch eine Trennwand 23 von einer Turbinenkammer 25, in der das Schaufelrad 7 angeordnet ist, getrennt. Innerhalb der Trennwand 23 sind Öffnungen in Form von Düsen 27 ausgebildet. Im Folgenden wird nunmehr die Funktionsweise der Dampfturbine 1 erläutert:FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 1, or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone. The steam turbine 1 comprises a stator 3, which in turn comprises a fixed shaft 5 and a blade wheel 7 connected to the shaft 5. Via a bearing 9 and a seal 10, a rotor 11 with end walls 11a, 11c and a peripheral wall 11b is rotatably mounted relative to the stator 3 in such a way that the interior of the rotor 11 is sealed. The rotor 11 essentially consists of a first chamber 13 and a second chamber 15. The chambers 13, 15 are separated from one another by a thermally insulating wall 17, apart from openings 19 in the wall 17 in the region of the peripheral wall 11b of the rotor 11 Openings 19 can be a working medium 21, preferably Water flow from the second chamber 15 into the first chamber 13 as described in detail later. Due to the centrifugal forces acting on the working medium 21 when the rotor 11 rotates, the working medium 21 collects on the peripheral wall 11b of the rotor 11, as shown in FIGS. 1 and 2. The first chamber 13 is further separated by a partition 23 from a turbine chamber 25 in which the impeller 7 is arranged. Openings in the form of nozzles 27 are formed within the partition 23. The mode of operation of the steam turbine 1 is now explained below:
Dem Rotor 11 werden auf der der ersten Kammer 13 zugewandten Seite angeordneten, ersten Stirnwand 11a Verbrennungsgase 29 einer nicht dargestellten Heizeinrichtung zugeführt. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, erfolgt die Zuführung der Verbrennungsgase 29 derart, dass sie entlang des Rotors 11 von der Drehachse desselben radial nach außen geführt werden. Durch die Verbrennungsgase 29 kommt es dabei zu einer Erwärmung der ersten Stirnwand 11a des Rotors 11, wodurch es zu einer Aufheizung des im Bereich der ersten Kammer 13 befindlichen Arbeitsmediums 21 kommt, was schließlich zu einer zumindest teilweisen Verdampfung des Arbeitsmediums 21 in der ersten Kammer 13 führt. Die erste Kammer 13 wirkt somit als Dampferzeugungskammer. Durch eine Regelung der Wärmezufuhr mittels Steuerung bzw. Regelung der Menge an zugeführtem Verbrennungsgas 29 bzw. dessen Temperatur lässt sich die von der Dampfturbine 1 abgegebene Leistung bzw. die Drehzahl derselben steuern bzw. regeln.Combustion gases 29 of a heating device (not shown) are fed to the rotor 11 on the first end wall 11a arranged on the side facing the first chamber 13. As can be seen in FIG. 1, the combustion gases 29 are fed in such a way that they are guided radially outward along the rotor 11 from the axis of rotation thereof. The combustion gases 29 heat the first end wall 11a of the rotor 11, which causes the working medium 21 in the region of the first chamber 13 to heat up, which ultimately leads to at least partial evaporation of the working medium 21 in the first chamber 13 leads. The first chamber 13 thus acts as a steam generation chamber. By regulating the heat supply by means of regulating or regulating the amount of combustion gas 29 supplied or its temperature, the power output or the speed of the steam turbine 1 can be controlled or regulated.
Um einen effizienten Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen 29 und dem Inneren der ersten Kammer 13 oder Dampferzeugungskammer zu ermöglichen, befinden sich auf der ersten Stirnwand 11a des Rotors 11 im Bereich der ersten Kammer 13, vorzugsweise sowohl auf der den Verbrennungsgasen 29 zugewandten Seite als auch auf der der ersten Kammer 13 zugewandten Seite, nicht dargestellte Wärmetauscherelemente, die von den Verbrennungsgasen 29 bzw. dem in der ersten Kammer 13 verdampften Arbeitsmedium 21 durchströmt werden. Insbesondere umfasst die erste Stirnwand 11a des Rotors 11 ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.In order to enable efficient heat exchange between the combustion gases 29 and the interior of the first chamber 13 or steam generation chamber, are located on the first end wall 11a of the rotor 11 in the region of the first chamber 13, preferably both on the side facing the combustion gases 29 and on that side the side facing the first chamber 13, not shown heat exchanger elements through which the combustion gases 29 or the working medium 21 evaporated in the first chamber 13 flow. In particular, the first end wall 11a of the rotor 11 comprises a material with high thermal conductivity.
Das verdampfte Arbeitsmedium 21 wandert innerhalb der ersten Kammer 13 von der Umfangswand 11b zur Drehachse des Rotors 11 hin. Somit ist ein Gegenstromprinzip in der Dampfturbine 1 realisiert. Dies führt zu einer effizienten Ausnutzung der Energie der Verbrennungsgase 29. Die Verbrennungsgase 29 hoher Temperatur treffen auf den der Dreh- achse des Rotors 11 zugewandten Bereich der ersten Kammer 13, so dass in diesem Bereich besonders heißer Dampf entsteht. Die in radialer Richtung des Rotors 11 wandernden Verbrennungsgase 29 kühlen sich dann weiter ab und bringen das Arbeitsmedium 21 im Bereich der Umfangswand 11b des Rotors 11 zum Sieden. Somit wird eine effiziente Ausnutzung der Wärmeenergie der Verbrennungsgase 29 erreicht.The evaporated working medium 21 travels within the first chamber 13 from the peripheral wall 11b to the axis of rotation of the rotor 11. A counterflow principle is thus implemented in the steam turbine 1. This leads to an efficient use of the energy of the combustion gases 29. The combustion gases 29 of high temperature meet that of the rotary Axis of the rotor 11 facing the first chamber 13, so that particularly hot steam is generated in this area. The combustion gases 29 migrating in the radial direction of the rotor 11 then cool further and bring the working medium 21 to a boil in the region of the peripheral wall 11b of the rotor 11. An efficient use of the thermal energy of the combustion gases 29 is thus achieved.
Das im Bereich der Umfangswand 11b des Rotors 11 erhitzte Arbeitsmedium 21 fließt durch die erste Kammer 13 bzw. Dampferzeugungskammer in Richtung der Trennwand 23, wobei es sich isobar expandiert. Somit entsteht innerhalb der ersten Kammer 13 ein erhöhter Innendruck, was sich dadurch bemerkbar macht, dass der Pegel des Arbeitsmediums 21 im Bereich der ersten Kammer 13 geringer ist als derjenige in der zweiten Kammer 15. Der so in der ersten Kammer 13 erzeugte Dampf fließt durch die Düsen 27 und wird dabei adiabatisch expandiert. Wie insbesondere Figur 2 zu entnehmen ist, sind die Düsen 27 nicht radial, sondern geneigt ausrichtet, so dass ein optimaler Neigungswinkel der Düsen 27 einstellbar ist. Der Dampf trifft daher so auf das Schaufelrad 7, dass es zu einem Rückstoß des Rotors 11 relativ zum Stator 3 kommt, was eine Drehbewegung des Rotors 11 erzeugt bzw. aufrechterhält.The working medium 21 which is heated in the region of the peripheral wall 11b of the rotor 11 flows through the first chamber 13 or steam generation chamber in the direction of the partition wall 23, whereby it expands isobarically. An increased internal pressure thus arises within the first chamber 13, which is noticeable in that the level of the working medium 21 in the region of the first chamber 13 is lower than that in the second chamber 15. The steam generated in this way in the first chamber 13 flows through the nozzles 27 and is expanded adiabatically. As can be seen in particular in FIG. 2, the nozzles 27 are not aligned radially, but rather inclined, so that an optimal angle of inclination of the nozzles 27 can be set. The steam therefore strikes the impeller 7 in such a way that the rotor 11 recoils relative to the stator 3, which produces or maintains a rotary movement of the rotor 11.
Nach dem Durchtritt durch das Schaufelrad 7 tritt der Dampf aus der Turbinenkammer 25 in die zweite Kammer 15, die als Kondensationskammer dient, ein. Dort kommt es zu einer Abkühlung des Dampfes und damit zu einer Auskondensation des Arbeitsmediums 21 im Bereich der zweiten Kammer 15.After passing through the impeller 7, the steam from the turbine chamber 25 enters the second chamber 15, which serves as a condensation chamber. There, the steam cools down and thus the working medium 21 condenses out in the region of the second chamber 15.
Aufgrund der Rotation des Rotors 11 sammelt sich auskondensiertes Arbeitsmedium 21 an der Umfangswand 11b des Rotors 11. Um eine Abkühlung des dampfförmigen Arbeitsmediums 21 in der zweiten Kammer 15, die als Kondensationskammer wirkt, zu erreichen, wird der zweiten Stirnseite 11c des Rotors 11 Kühlluft 31 zugeführt. Auch diese Zuführung erfolgt im Gegenstromprinzip. Kalte Luft strömt als Kühlluft von der Außenseite des Rotors 11 in radialer Richtung zur Drehachse des Rotors 11 hin. Die Kühlluft 31 wird dabei erwärmt. Dagegen wird das dampfförmige Arbeitsmedium 21, das im Inneren der zweiten Kammer 15 radial von der Drehachse des Rotors 11 wegströmt, zunehmend abgekühlt und kondensiert dabei. Da somit die bereits erwärmte Kühlluft 31 im Bereich der Drehachse des Rotors 11 weitere Wärmeenergie aufnehmen kann, wobei ein konvektiver Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium 21 und dem Kühlmedium 31 durch eine nicht dargestellte Strukturierung der Wand 11c, vorzugsweise in Form von Wärmetauscherelementen, unterstützt wird, wird eine effiziente Wärmeabfuhr aus der zweiten Kammer 15 gewährleistet. Das in der zweiten Kammer 15 auskondensierte Arbeitsmedium 21 fließt dann durch die Öffnungen 19 in der Wand 17 in die erste Kammer 13, wo es wiederum verdampft wird.Due to the rotation of the rotor 11, condensed working medium 21 collects on the peripheral wall 11b of the rotor 11. In order to cool the vaporous working medium 21 in the second chamber 15, which acts as a condensation chamber, cooling air 31 becomes the second end face 11c of the rotor 11 fed. This supply also takes place in the counterflow principle. Cold air flows as cooling air from the outside of the rotor 11 in the radial direction to the axis of rotation of the rotor 11. The cooling air 31 is heated. In contrast, the vaporous working medium 21, which flows radially away from the axis of rotation of the rotor 11 in the interior of the second chamber 15, is increasingly cooled and condenses in the process. Since the already heated cooling air 31 can thus absorb further thermal energy in the region of the axis of rotation of the rotor 11, a convective heat exchange between the working medium 21 and the cooling medium 31 being supported by a structuring of the wall 11c, not shown, preferably in the form of heat exchanger elements ensures efficient heat dissipation from the second chamber 15. The working medium 21 condensed out in the second chamber 15 then flows through the openings 19 in the wall 17 into the first chamber 13, where it is in turn evaporated.
Aufgrund der auf das Arbeitsmedium 21 wirkenden Fliehkraft wird dieses nach außen beschleunigt und verschließt somit die Öffnungen 19, so dass Dampf aus der ersten Kammer 13 ausschließlich durch die Düsen 27 in die zweite Kammer 15 gelangen kann. Auch bei einem größeren Druck in der ersten Kammer 13 relativ zum Druck in der zweiten Kammer 15 wird ein sicherer Verschluss der Öffnungen 19 für in der ersten Kammer 13 erzeugten Dampf des Arbeitsmediums 21 sichergestellt, da aufgrund des hydrostatischen Drucks, bedingt durch die Fliehkraft, die Öffnungen 19 durch das Arbeitsmedium 21 verschlossen gehalten werden.Due to the centrifugal force acting on the working medium 21, the latter is accelerated to the outside and thus closes the openings 19, so that steam from the first chamber 13 can only enter the second chamber 15 through the nozzles 27. Even with a higher pressure in the first chamber 13 relative to the pressure in the second chamber 15, a secure closure of the openings 19 for steam generated in the first chamber 13 of the working medium 21 is ensured, because due to the hydrostatic pressure caused by the centrifugal force, the Openings 19 are kept closed by the working medium 21.
Um zu erreichen, dass die Dampfturbine 1 selbständig anlaufen kann, können innerhalb der Öffnungen 19 Rückschlagventile angeordnet werden. Diese bewirken, dass Dampf, der anfänglich in der ersten Kammer 13 erzeugt wird, durch den Austritt durch Düsen 27 für eine Rotation des Rotors 11 sorgt, so dass nach einem Beginn der Rotation ein Verschluss der Öffnungen 19 durch das Arbeitsmedium 21 sichergestellt wird. Darüber hinaus können auch in den Düsen 27 Verschlusseimichtungen, wie Ventile vorgesehen sein, um eine Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Rotors 11 zu erreichen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Ventile in den Öffnungen 19 sowie den Düsen 27 mit einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleimichtung verbunden sind. Ferner ist eine Drehzahlsteuerung bzw. -regelung der Dampfturbine 1 durch Variation der mittels der Verbrennungsgase 29 zugeführten Wärmeenergiemenge und/oder durch Variation des Neigungswinkels der Düsen 27 möglich.In order to ensure that the steam turbine 1 can start up independently, check valves 19 can be arranged within the openings. These have the effect that steam, which is initially generated in the first chamber 13, causes the rotor 11 to rotate through the outlet through nozzles 27, so that the openings 19 are sealed by the working medium 21 after the start of the rotation. In addition, closure devices, such as valves, can also be provided in the nozzles 27 in order to achieve control of the rotational speed of the rotor 11. It can in particular be provided that the valves in the openings 19 and the nozzles 27 are connected to a control and regulating device, not shown. Furthermore, speed control or regulation of the steam turbine 1 is possible by varying the amount of thermal energy supplied by means of the combustion gases 29 and / or by varying the angle of inclination of the nozzles 27.
In den Figuren 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 1', oder besser Kompaktdampfturbine, mit integrierter Dampferzeugungszone dargestellt. Die Dampfturbine 1' entspricht im Wesentlichen von ihrem Grundaufbau her dem Aufbau der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Dampfturbine 1. Im Gegensatz zu der Dampfturbine 1 sind bei der Dampfturbine 1' die entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen, allerdings einmal gestrichen, bezeichnet. Die Dampfturbine 1' unterscheidet sich im Wesentlichen von der Dampfturbine 1 durch eine unterschiedliche Strömvmgsfuhrung des verdampften bzw. flüssigen Arbeitsmediums 21'. Ähnlich der Dampfturbine 1 werden dem Rotor 11' der Dampfturbine 1' auf der der ersten Kammer 13' zugewandten Seite angeordneten, ersten Stirnwand 11a' Verbrennungsgase 29' zuge- fuhrt. Auch diese Zuführung erfolgt, wie Figur 3 zu entnehmen ist, im Gegenstromprinzip. Durch die Verbrennungsgase 29' kommt es zu einer Erwärmung des innerhalb der ersten Kammer 13' vorhandenen Arbeitsmediums 21'. Im Gegensatz zur Dampfturbine 1 fließt dieses verdampfte Arbeitsmedium 21' allerdings erst nach einer Umlenkung um nahezu 180° mittels eines Sfrömungsführungskörpers 14' durch Düsen 27' in die Turbinenkammer 25' bzw. die zweite Kammer 15'. Diese Umlenkung um den Strömungsführungskörper 14' bietet insbesondere den Vorteil, dass mitgerissene Tröpfchen des Arbeitsmediums 21' dem Dampfstrom um den Strömungsführungskörper 14' nicht folgen können und so nicht über die Düse 27' in die Turbinenkammer 25' bzw. die zweite Kammer 15' gelangen können. Die mitgerissenen Tröpfchen strömen mit dem Dampfstrom in Richtung der Rotationsachse des Rotors 11', bewegen sich jedoch weiter in radialer Richtung und treffen auf den Strömungskörper 14', wodurch sie aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft in Richtung der Umfangswand 11b' beschleunigt werden. Ferner wird durch den Strömungsführungskörper 14' erreicht, dass das verdampfte Arbeitsmedium 21' im Wesentlichen bis zur Rotationsachse des Rotors 11' innerhalb der ersten Kammer 13' strömen kann, und somit ein maximaler Wärmeübertrag der E- nergie der Verbrennungsgase 29' an das Arbeitsmedium 21' erfolgen kann.FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 1 ', or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone. The basic structure of the steam turbine 1 'corresponds essentially to the structure of the steam turbine 1 shown in FIGS. 1 and 2. In contrast to the steam turbine 1, the corresponding elements in the steam turbine 1' are denoted by the same reference numerals, but deleted once. The steam turbine 1 'essentially differs from the steam turbine 1 in that the flow of the vaporized or liquid working medium 21' is different. Similar to the steam turbine 1, combustion gases 29 'are supplied to the rotor 11' of the steam turbine 1 'on the side of the first end wall 11a' arranged on the side facing the first chamber 13 '. leads. As can be seen in FIG. 3, this feed also takes place in the counterflow principle. The combustion gases 29 'cause the working medium 21' present in the first chamber 13 'to heat up. In contrast to the steam turbine 1, however, this evaporated working medium 21 'only flows after a deflection by almost 180 ° by means of a flow guide body 14' through nozzles 27 'into the turbine chamber 25' or the second chamber 15 '. This deflection around the flow guide body 14 'offers the particular advantage that entrained droplets of the working medium 21' cannot follow the steam flow around the flow guide body 14 'and thus do not reach the turbine chamber 25' or the second chamber 15 'via the nozzle 27' can. The entrained droplets flow with the steam flow in the direction of the axis of rotation of the rotor 11 ', but continue to move in the radial direction and hit the flow body 14', as a result of which they are accelerated in the direction of the peripheral wall 11b 'due to the acting centrifugal force. It is also achieved by the flow guide body 14 'that the evaporated working medium 21' can flow essentially up to the axis of rotation of the rotor 11 'within the first chamber 13', and thus a maximum heat transfer of the energy of the combustion gases 29 'to the working medium 21 'can be done.
Nach einer Umlenkung des dampfförmigen Arbeitsmediums 21' fließt dasselbe durch Düsen 27' in radialer Richtung auf das Schaufelrad 7'. Das dampfförmige Arbeitsmedium 21' fließt dann innerhalb der zweiten Kammer 15' in der Nähe der Welle 5' in Richtung der Stirnwand 11c'. Diese Strömungsführung wird insbesondere durch einen in der zweiten Kammer 15' im Bereich des Schaufelrads 7' angeordneten Strömungsführungskörper 16' erreicht. Diese Strömungsführung stellt sicher, dass das dampfförmige Arbeitsmedium 21' im Gegenstromprinzip relativ zu der Kühlluft 31' auf der Innenseite der Stirnwand 11c' in Richtung der Umfangswand 11b' strömt. Darüber hinaus bietet die Sfrömungsführung innerhalb der Dampfturbine 1' den Vorteil, dass im Vergleich zur Dampfturbine 1 ein Schaufelrad 7' eingesetzt werden kann, das einen größeren Durchmesser als das Schaufelrad 7 der Dampfturbine 1 aufweist. Somit kann die Dampfturbine 1' bei geringeren Drehzahlen betrieben werden.After the vaporous working medium 21 'has been deflected, it flows through nozzles 27' in the radial direction onto the impeller 7 '. The vaporous working medium 21 'then flows within the second chamber 15' in the vicinity of the shaft 5 'in the direction of the end wall 11c'. This flow guidance is achieved in particular by a flow guidance body 16 'arranged in the second chamber 15' in the region of the impeller 7 '. This flow control ensures that the vaporous working medium 21 'flows in the counterflow principle relative to the cooling air 31' on the inside of the end wall 11c 'in the direction of the peripheral wall 11b'. In addition, the flow guidance within the steam turbine 1 'has the advantage that, in comparison to the steam turbine 1, a blade wheel 7' can be used which has a larger diameter than the blade wheel 7 of the steam turbine 1. The steam turbine 1 'can thus be operated at lower speeds.
Das in der zweiten Kammer 15' auskondensierte Arbeitsmedium 21' sammelt sich aufgrund der Rotationskräfte an der Umfangswand 11b' und fließt durch Kanäle 20' zurück in die erste Kammer 13'. Die Kanäle 20' werden dabei durch die Umfangswand 11b' einerseits und eine im Wesentlichen zylinderförmige Trennwand 24', die insbesondere die Sttömv gsführungs- körper 14' und 16' umfasst, gebildet. Dabei ist die Trennwand 24' insbesondere im Bereich der Kanäle 20' thermisch isolierend ausgeführt, um eine Erwärmung des Arbeitsmediums 21' innerhalb der Kanäle 20' zu vermeiden.The working medium 21 'condensed out in the second chamber 15' collects due to the rotational forces on the peripheral wall 11b 'and flows back through channels 20' into the first chamber 13 '. The channels 20 'are formed by the circumferential wall 11b' on the one hand and an essentially cylindrical partition wall 24 ', which in particular comprises the guide guide bodies 14' and 16 '. The partition 24 'is in particular in the area of Channels 20 'are designed to be thermally insulating in order to avoid heating of the working medium 21' within the channels 20 '.
In den Figuren 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 1", oder besser Kompaktdampfturbine, dargestellt. Die Dampfturbine 1" entspricht im Wesentlichen von ihrem Grundaufbau her dem Aufbau der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Dampfturbine 1'. Die Elemente der Dampfturbine 1", die denjenigen der Dampfturbine 1' entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen. Die Dampfturbine 1 " unterscheidet von der Dampfturbine 1 ' im Wesentlichen dadurch, dass ein Schaufelrad 7" vorgesehen ist, das über zumindest ein Verbindungsglied 6" mit einer Welle 5" des Stators 3" verbunden ist. Wie insbesondere der Figur 6 zu entnehmen ist, umgibt das Schaufelrad 7" konzentrisch ein Strömungsführungsrad 8", das über Verbindungsglieder 18" mit der Wand 17" und somit dem Rotor 11" verbunden ist, wie insbesondere Figur 5 zu entnehmen ist. Wie aus Figur 6 ersichtlich, weist das Schaufelrad 7" Schaufeln 28" auf, während das Strömungsführungsrad 8" Schaufeln 30" umfasst. Durch diese Anordnung des Strömungsführungsrades 8" relativ zum Schaufelrad 7" wird eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Dampfturbine 1 " im Vergleich zur Dampfturbine 1 ' erzielt. Das aus der Düse 27" austretende Arbeitsmedium 21' trifft zunächst auf die Schaufeln 28" des Schaufelrades 7", wodurch es zu einem Antrieb des Rotors 11" relativ zum Stator 3", mit dem das Schaufelrad 7" in Verbindung steht, kommt. Das aus dem Schaufelrad 7" austretende Arbeitsmedium trifft auf die Schaufeln 30" des Strömungsführungsrades 8", das mit dem Rotor 11" verbunden ist. Somit wird durch das Strömungsführungsrad 8" auch die restliche, in dem Arbeitsmedium vorhandene Energie, zumindest teilweise in Bewegungsenergie des Rotors 11" umgewandelt.FIGS. 5 and 6 show a third embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 1 ″, or rather a compact steam turbine. The basic structure of the steam turbine 1 ″ essentially corresponds to the construction of the steam turbine 1 ′ shown in FIGS. 3 and 4. , The elements of the steam turbine 1 "which correspond to those of the steam turbine 1 'have the same reference numerals. The steam turbine 1" differs from the steam turbine 1' essentially in that a paddle wheel 7 "is provided which is connected to at least one connecting member 6" a shaft 5 "of the stator 3" is connected. As can be seen in particular from FIG. 6, the paddle wheel 7 "concentrically surrounds a flow guide wheel 8" which is connected to the wall 17 "and thus to the rotor 11" via connecting members 18 ", as can be seen in particular from FIG 6, the impeller 7 has "blades 28", while the flow guide wheel 8 comprises "blades 30". This arrangement of the flow guide wheel 8 "relative to the blade wheel 7" results in a further increase in the efficiency of the steam turbine 1 "compared to the steam turbine 1 'achieved. The working medium 21 'emerging from the nozzle 27 "first strikes the blades 28" of the impeller 7 ", which leads to a drive of the rotor 11" relative to the stator 3 "with which the impeller 7" is connected. The working medium emerging from the paddle wheel 7 "strikes the blades 30" of the flow guide wheel 8 ", which is connected to the rotor 11". The flow guide wheel 8 "thus also converts the remaining energy present in the working medium, at least partially, into kinetic energy of the rotor 11".
Bei den in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Dampfturbine 1, 1', 1" handelt es sich um einstufige Radialturbinen, da jeweils lediglich ein Schaufelrad 7, 7', 7", vorgesehen ist und ferner der Dampf in radialer Richtung auf das Schaufelrad 7, 7', 7" auftrifft. Im Gegensatz hierzu ist in Figur 7 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 51, oder besser mehrstufigen Axialturbine, die als Gleichdruckturbine, das heißt nach dem Curtis-Prinzip arbeitend, aufgebaut ist, dargestellt. Unter Gleichdruckturbinen versteht man Dampfturbinen, bei denen der Ein- und Austrittsdruck des Dampfes eines Arbeitsmediums in die bzw. aus den Laufschaufeln eines Schaufelrades gleich ist. Somit wird die Schaufel einer Gleichdruckturbine mittels der Energie aus der Geschwindig- keitsverminderung des Dampfes in den Laufschaufeln angetrieben. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Dampfturbine 51 Geschwindigkeitsstufen aufweist, das heißt, die Geschwindigkeit des Dampfes stufenweise ausgenutzt wird. Um einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen, ist in derartigen Gleichdruckturbinen auch vorgesehen, dass Druckstufen erzeugt werden, das heißt ein Druckgefälle wird in mehrere Stufen aufgeteilt. Dies bietet den Vorteil, dass zu große Dampfgeschwindigkeiten vermieden werden können.The steam turbines 1, 1 ', 1 "shown in FIGS. 1 to 6 are single-stage radial turbines, since only one paddle wheel 7, 7', 7" is provided in each case, and the steam also radially onto the paddle wheel 7 "7 ', 7". In contrast to this, FIG. 7 shows a fourth embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 51, or better, multi-stage axial turbine, which is constructed as a constant pressure turbine, that is to say working according to the Curtis principle. Constant pressure turbines are steam turbines in which the inlet and outlet pressure of the vapor of a working medium into or out of the rotor blades of a paddle wheel is the same. Reduced steam driven in the blades. In particular, it is provided that the steam turbine has 51 speed levels, that is, the speed of the steam is used in stages. In order to achieve a higher thermodynamic efficiency, it is also provided in such constant pressure turbines that pressure stages are generated, that is to say a pressure drop is divided into several stages. This has the advantage that excessive steam speeds can be avoided.
Die Dampfturbine 51 weist einen Stator 53 auf, der eine Welle 55 umfasst. Auf der Welle 55 sind voneinander beabstandet Schaufelräder 57a und 57b angeordnet. Über ein Lager 59 sowie Dichtungen 60 ist ein Rotor 61 relativ zu dem Stator 53 drehbar in der Dampfturbine 51 vorhanden. Der Rotor 61 weist eine erste Stirnwand 61a, eine Umwandwand 61b sowie eine zweite Stirnwand 61c auf. Ferner ist innerhalb des Rotors 61 eine erste Kammer 63, die als Dampferzeugungskammer dient, und eine zweite Kammer 65, die als Kondensationskammer dient, ausgebildet. Zudem weist die Dampfturbine 51, im Gegensatz zur Dampfturbine 1, eine Ausgleichskammer 67 zur Sammlung von flüssigem Arbeitsmedium 73 auf. Die erste Kammer 63 und die Ausgleichskammer 67 sind über eine thermisch isolierende Wand 69 voneinander getrennt.The steam turbine 51 has a stator 53 which comprises a shaft 55. Paddle wheels 57a and 57b are spaced apart from one another on the shaft 55. A rotor 61 is provided in the steam turbine 51 rotatably relative to the stator 53 via a bearing 59 and seals 60. The rotor 61 has a first end wall 61a, a conversion wall 61b and a second end wall 61c. Furthermore, a first chamber 63, which serves as a steam generation chamber, and a second chamber 65, which serves as a condensation chamber, are formed within the rotor 61. In addition, the steam turbine 51, in contrast to the steam turbine 1, has an equalizing chamber 67 for collecting liquid working medium 73. The first chamber 63 and the compensation chamber 67 are separated from one another by a thermally insulating wall 69.
Ähnlich den Dampfturbinen 1, 1', 1" werden in der Dampfturbine 51 der ersten Stirnwand 61a des Rotors 61 Verbrennungsgase 71 im Gegenstromprinzip zugeführt. Dadurch kommt es zur Verdampfung zumindest eines Teils des Arbeitsmediums 73 innerhalb der ersten Kammer 63. Das so verdampfte Arbeitsmedium 73 wird über Leitungen 75, an dessen Ende Düsen 77 angeordnet sind, zunächst dem ersten Schaufelrad 57a zugeführt. Aufgrund der Expansion des Dampfes im Bereich der Düsen 77 und dem Auftreffen des Dampfes auf das erste Schaufelrad 57a kommt es zu einer Drehbewegung des Rotors 61.Similar to the steam turbines 1, 1 ', 1 ", combustion gases 71 are fed in the steam turbine 51 to the first end wall 61a of the rotor 61 in a countercurrent principle. This causes at least part of the working medium 73 to evaporate within the first chamber 63. The working medium 73 thus evaporated is first fed to the first impeller 57a via lines 75, at the end of which nozzles 77 are arranged, because of the expansion of the steam in the region of the nozzles 77 and the impact of the steam on the first impeller 57a, the rotor 61 rotates.
Um die dem dampfförmigen Arbeitsmedium innewohnende Energie vollständig ausnutzen zu können, ist in der Dampfturbine 51 vorgesehen, dass der axial auf das erste Schaufelrad 57a gerichtete Dampf nach dem Durchtritt durch das erste Schaufelrad 57a in ein Umlenkrad 79a, das mit dem Rotor 61 mitrotiert, eintritt. Dieses Umlenkrad wirkt insbesondere als Laufrad und setzt die dem Dampf innewohnende Energie in Arbeitsenergie um. In dem Umlenkrad 79a kommt es ferner dann zu einer Umlenkung des Dampfstroms, bevor dieser dann im wesentlichen wieder in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Rotors 61 auf ein zweites Schaufelrad 57b, das ebenfalls mit der Welle 55 verbunden ist, auftrifft. Nach Durchtritt durch das zweite Schaufelrad 57b gelangt der Dampf in ein zweites, ebenfalls insbesondere als Laufrad dienendes Umlenkrad 79b, das ebenfalls mit dem Rotor 61 verbunden ist. Danach tritt der Dampf in die zweite Kammer 65 ein, wo er aufgrund der Kühlung der zweiten Stirnwand 61c des Rotors 61 mittels Kühlluft 81 abgekühlt und auskondensiert wird. Das auskondensierte Arbeitsmedium 73 fließt dann aus der zweiten Kammer 65 über die Ausgleichskammer 67 in die erste Kammer 63. Dabei fließt das Arbeitsmedium 73 durch Kanäle 83, die zwischen der Umfangswand 61b und einer im Wesentlichen zylinderförmigen Trennwand 85 ausgebildet sind. Die Trennwand 85 dient zur thermischen Isolierung des Bereichs, in dem sich die Schaufelräder 57a, 57b sowie die Umlenkräder 79a, 79b befinden, einerseits und der Umfangswand 61b bzw. den Kanälen 83 andererseits. Zu diesem Zweck weist die Trennwand 85 eine geringe thermische Leitfähigkeit auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Trennwand 85 hohl ausgeführt ist, insbesondere einen Dämmstoff umfasst.In order to be able to fully utilize the energy inherent in the vaporous working medium, it is provided in the steam turbine 51 that the steam directed axially onto the first blade wheel 57a enters a deflection wheel 79a which also rotates with the rotor 61 after passing through the first blade wheel 57a , This deflection wheel acts in particular as an impeller and converts the energy inherent in the steam into working energy. In the deflection wheel 79a there is then also a deflection of the steam flow, before it then essentially hits again in the axial direction with respect to the axis of rotation of the rotor 61 on a second paddle wheel 57b, which is also connected to the shaft 55. After passing through The steam passes through the second paddle wheel 57b into a second deflection wheel 79b, which is also used in particular as an impeller and which is also connected to the rotor 61. The steam then enters the second chamber 65, where it is cooled and condensed out by means of cooling air 81 due to the cooling of the second end wall 61c of the rotor 61. The condensed working medium 73 then flows from the second chamber 65 via the equalization chamber 67 into the first chamber 63. The working medium 73 flows through channels 83 which are formed between the peripheral wall 61b and a substantially cylindrical partition 85. The partition wall 85 serves for thermal insulation of the area in which the paddle wheels 57a, 57b and the deflection wheels 79a, 79b are located, on the one hand, and the peripheral wall 61b or the channels 83, on the other hand. For this purpose, the partition 85 has a low thermal conductivity. In particular, it can be provided that the partition 85 is hollow, in particular comprises an insulating material.
In Figur 8a ist eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer mehrstufigen Dampfturbine 51' dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau der Dampfturbine 51' entspricht im Wesentlichen demjenigen der in Figur 7 dargestellten Dampfturbine 51. Daher tragen im Wesentlichen identische Bauteile der Dampfturbine 51 ' die gleichen Bezugszeichen, allerdings einmal gestrichen, wie die der Dampfturbine 51. Im Gegensatz zur Dampfturbine 51 weist die Dampfturbine 51 ' drei Schaufelräder 57a', 57b 'und 57c' auf. Dementsprechend weist die Dampfturbine 51 ' auch drei Umlenkräder 79a', 79b 'und 79c', die jeweils mit dem Rotor 61 ' verbunden sind, auf. Ferner unterscheidet sich die Dampfturbine 51 ' von der Dampfturbine 51 dadurch, dass es sich aufgrund der Geometrie der Düsen 77', der Schaufelräder 57a', 57b', 57c' sowie Umlenkräder 79a', 79b 'und 79c' um eine Überdruckturbine handelt. Da der Dampf unter einem geneigten Winkel relativ zur Drehachse des Rotors 61 ' die Schaufelräder 57a', 57b', 57d' durchströmt, handelt es sich bei der Dampfturbine 51' zudem um eine Diagonalturbine. Der Aufbau als Überdruckturbine bedeutet, dass der Dampf aus den Düsen 77' mit einem relativ hohen Druck austritt, und es in den Schaufeln der Schaufelräder 57a', 57b 'sowie 57c 'zu einer Druckabsenkung des Dampfdrucks kommt. Somit kommt es zu einer Energieumwandlung des Dampfes in den Schaufeln der Schaufelräder 57a', 57b', 57c', die sich aus der Geschwindigkeitsumsetzung des Dampfes und zusätzlich dem bei einer Entspannung des Dampfes auftretenden Rückdruck zusammensetzt. Daher sind innerhalb der Dampfturbine 51 ' mehrere Druckstufen ausgebildet, die ein niedriges Stufendruckgefälle aufweisen und somit eine günstige Strömungsgestaltung sowie einen guten dynamischen Wirkungsgrad erzielen. Ferner ist in Figur 8b eine Abwandlung der in Figur 8a dargestellten Dampfturbine 51' in Form der Dampfturbine 51" dargestellt. Der Grundaufbau der Dampfturbine 51" entspricht im Wesentlichen demjenigen der Dampfturbine 51' und identische Elemente der Dampfturbine 51" im Vergleich zur Dampfturbine 51' tragen identische Bezugszeichen. Die Dampfturbine 51" unterscheidet sich im Wesentlichen von der Dampfturbine 51' durch eine geometrisch unterschiedliche Ausgestaltung der Schaufelräder 57a", 57b", 57c", der Umlenkräder 79a", 79b" und 79c" sowie der Trennwand 85". Die Schaufelräder 57a", 57b", 57c" unterscheiden sich jeweils durch unterschiedliche Durchmesser voneinander. Darüber hinaus unterscheidet sich die Geometrie der Schaufeln der Schaufelräder 57a", 57b", 57c" zur Ausbildung von Geschwindigkeits- bzw. Druckstufen innerhalb der Dampfturbine 51". Dementsprechend ist die Form der Trennwand 85" sowie die Form der zweiten Kammer 65" diesen unterschiedlichen Durchmessern angepasst. Darüber hinaus sind die Leitungen 75" und die Düsen 77" e- benfalls im Vergleich zur Dampfturbine 51' an die unterschiedliche Geometrie des Schaufelrads 57a" angepasst. Schließlich sind die Umlenkräder 79a", 79b" und 79c" derart ausgebildet, dass durch die von ihnen umfassten Schaufeln eine Führung des durch die Schaufelräder 57a", 57b", 57c" durchströmenden Arbeitsmediums 73" diagonal relativ zur Drehachse des Rotors 61" erzielt wird.FIG. 8a shows a fifth embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a multi-stage steam turbine 51 '. The basic structure of the steam turbine 51 'essentially corresponds to that of the steam turbine 51 shown in FIG. 7. Therefore, essentially identical components of the steam turbine 51' bear the same reference numerals, but deleted once, as that of the steam turbine 51. In contrast to the steam turbine 51, the steam turbine 51 ' Steam turbine 51 'three paddle wheels 57a', 57b 'and 57c'. Accordingly, the steam turbine 51 'also has three deflection wheels 79a', 79b 'and 79c', which are each connected to the rotor 61 '. Furthermore, the steam turbine 51 'differs from the steam turbine 51 in that it is an overpressure turbine due to the geometry of the nozzles 77', the paddle wheels 57a ', 57b', 57c 'and the deflection wheels 79a', 79b 'and 79c'. Since the steam flows through the paddle wheels 57a ', 57b', 57d 'at an inclined angle relative to the axis of rotation of the rotor 61', the steam turbine 51 'is also a diagonal turbine. The design as an overpressure turbine means that the steam emerges from the nozzles 77 'at a relatively high pressure, and there is a pressure drop in the steam pressure in the blades of the blade wheels 57a', 57b 'and 57c'. This results in an energy conversion of the steam in the blades of the paddle wheels 57a ', 57b', 57c ', which is composed of the speed conversion of the steam and additionally the back pressure that occurs when the steam relaxes. Therefore, a plurality of pressure stages are formed within the steam turbine 51 ′, which have a low stage pressure gradient and thus achieve a favorable flow design and a good dynamic efficiency. 8b shows a modification of the steam turbine 51 'shown in FIG. 8a in the form of the steam turbine 51 ". The basic structure of the steam turbine 51" essentially corresponds to that of the steam turbine 51' and identical elements of the steam turbine 51 "compared to the steam turbine 51 ' bear identical reference numerals. The steam turbine 51 "essentially differs from the steam turbine 51 'in that it has a geometrically different configuration of the impellers 57a", 57b ", 57c", the deflection wheels 79a ", 79b" and 79c "and the partition 85" Paddle wheels 57a ", 57b", 57c "each differ from one another by different diameters. In addition, the geometry of the blades of the blade wheels 57a ", 57b", 57c "differs in order to form speed or pressure stages within the steam turbine 51". Accordingly, the shape of the partition 85 "and the shape of the second chamber 65" are adapted to these different diameters. In addition, the lines 75 "and the nozzles 77" are also adapted in comparison to the steam turbine 51 'to the different geometry of the impeller 57a ". Finally, the deflection wheels 79a", 79b "and 79c" are designed such that by They included blades to guide the working medium 73 "flowing through the blade wheels 57a", 57b ", 57c" diagonally relative to the axis of rotation of the rotor 61 ".
Die in den Figuren 1 bis 8b dargestellten Ausfuhrungsformen einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zeichnen sich gemeinsam dadurch aus, dass der Rotor im Wesentlichen vollständig die Dampferzeugungsvorrichtung in Form der Kammern 13, 13', 63, 63' und die Kondensationsvorrichtung in Form der Kammern 15, 15', 65, 65' umfasst. Anhand der Figuren 9 bis 11 werden nunmehr erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Wärmekraftmaschine beschrieben, bei denen die Dampferzeugungsvorrichtung bzw. die Kondensationsvorrichtung im Wesentlichen vollständig bzw. teilweise von dem Stator umfasst sind. Auch diese Wärmekraftmaschinen weisen die Vorteile auf, dass Sie ein geringes Leistungsgewicht, eine hohe Effizienz, eine niedrige Schadstoff- und Lärmemission sowie einen einfachen, wartungsarmen und verschleißarmen Aufbau aufweisen. Insbesondere weisen auch diese als Außenläufer aufgebauten Wärmekraftmaschinen den Vorteil auf, dass die Zentrifugalkraft bewirkt, dass ein Fliehkraftverschluss zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer realisiert wird, so dass auch auf zusätzliche Speisepumpen verzichtet werden kann. In Figur 9 ist eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 101, oder besser Kompaktdampfturbine, mit integrierter Dampferzeugungszone dargestellt. Der Aufbau der Dampfturbine 101 ähnelt denjenigen der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Dampfturbine 1". So umfasst die Dampfturbine 101 einen Stator 103, der wiederum eine feststehende Welle 105 umfasst. Im Gegensatz zu den in den Figuren 1 bis 8a dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist eine Stirnwand 107 der Dampfturbine 101 mit der Welle 105 verbunden, und bildet somit einen Teil des Stators 103. Über die Stirnwand 107 ist die Welle 105 ferner mit einem ersten Schaufelrad 109 und einem zweiten Schaufelrad 111 verbunden. Dagegen sind eine Umfangswand 113 und eine Stirnwand 115 drehbar relativ zum Stator 103 gelagert. Diese Wände 113, 115 bilden somit einen Rotor 117. Mit dem Rotor drehmitnahmesicher verbunden sind ferner Trennwände 119, 121 und 123. An der Trennwand 121 ist ferner ein Sttömungsfuhrungsrad 125 angeordnet. Dieses Strömungsführungsrad 125 ist über ein Lager 127 drehbar auf der Welle 105 gelagert. Jedoch ist eine Lagerung des Strömungsführungsrades 125 auf der Welle 105 nicht zwingend notwendig. Insbesondere kann eine ausreichende Lagerung des Rotors 117 über die Dichtungsvorrichtungen 133 erfolgen, so dass auf das Lager 127 verzichtet werden kann. Das Innere der Dampfturbine 101 wird mittels der, vorzugsweise thermisch isolierenden, Wand 121 in eine erste Kammer 129 und eine zweite Kammer 131 unterteilt. Dabei wirkt die Kammer 129 als Dampferzeugungskammer, während die Kammer 131 als Kondensationskammer dient. Eine Abdichtung der zweiten Kammer 131 erfolgt im Bereich des Übergangs der Stirnwand 107 zur Umfangswand 113 durch durch eine Dichtungsvorrichtung 133. Diese Dichtungs Vorrichtung 133 kann in einer dem Fachmann allgemein bekannten Form ausgebildet sein. So kann die Dichtungsvorrichtung 133 insbesondere Dichtungselemente, wie in Form von O-Ringen und/oder ein Labyrinthsystem umfassen. Wichtig für die Funktionsweise der Dampfturbine 101 ist aber, dass die Dichtungsvorrichtung 133 eine Abdichtung der zweiten Kammer 131 sicherstellt und gleichzeitig eine Drehung des Rotors 117 relativ zum Stator 103 ermöglicht. Somit wird in der Dampfturbine 101 erreicht, dass die Dampferzeugungs Vorrichtung in Form der Kammer 129 im Wesentlichen vollständig von dem Rotor 117 umfasst ist, während die Kondensationsvorrichtung in Form der zweiten Kammer 131 mit der Stirnwand 107im Wesentlichen vollständig von dem Stator 103 umfasst ist.The embodiments of a heat engine according to the invention shown in FIGS. 1 to 8b are characterized jointly in that the rotor essentially completely the steam generating device in the form of the chambers 13, 13 ', 63, 63' and the condensation device in the form of the chambers 15, 15 ' , 65, 65 '. Embodiments of a heat engine according to the invention are now described with reference to FIGS. 9 to 11, in which the steam generating device or the condensing device are essentially completely or partially encompassed by the stator. These heat engines also have the advantages that they have a low power-to-weight ratio, high efficiency, low pollutant and noise emissions as well as a simple, low-maintenance and low-wear construction. In particular, these heat engines constructed as external rotors also have the advantage that the centrifugal force has the effect that a centrifugal force lock is implemented between the condenser and the evaporator, so that additional feed pumps can also be dispensed with. FIG. 9 shows a sixth embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 101, or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone. The construction of the steam turbine 101 is similar to that of the steam turbine 1 ″ shown in FIGS. 5 and 6. The steam turbine 101 thus comprises a stator 103, which in turn comprises a fixed shaft 105. In contrast to the embodiments according to the invention shown in FIGS. 1 to 8a an end wall 107 of the steam turbine 101 is connected to the shaft 105, and thus forms part of the stator 103. Via the end wall 107, the shaft 105 is also connected to a first impeller 109 and a second impeller 111. In contrast, a circumferential wall 113 and an end wall 115 rotatably mounted relative to the stator 103. These walls 113, 115 thus form a rotor 117. Partition walls 119, 121 and 123 are also connected to the rotor so as to be secured against rotation, and a flow guide wheel 125 is also arranged on the partition wall 121. This flow guide wheel 125 is connected via a Bearing 127 is rotatably supported on shaft 105. However, the flow guide is supported gsrades 125 on shaft 105 not absolutely necessary. In particular, the rotor 117 can be adequately supported by the sealing devices 133, so that the bearing 127 can be dispensed with. The interior of the steam turbine 101 is divided into a first chamber 129 and a second chamber 131 by means of the, preferably thermally insulating, wall 121. Chamber 129 acts as a steam generation chamber, while chamber 131 serves as a condensation chamber. The second chamber 131 is sealed in the region of the transition from the end wall 107 to the peripheral wall 113 by a sealing device 133. This sealing device 133 can be designed in a form which is generally known to the person skilled in the art. The sealing device 133 can in particular comprise sealing elements, such as in the form of O-rings and / or a labyrinth system. It is important for the functioning of the steam turbine 101 that the sealing device 133 ensures a seal of the second chamber 131 and at the same time enables the rotor 117 to rotate relative to the stator 103. It is thus achieved in the steam turbine 101 that the steam generating device in the form of the chamber 129 is essentially completely surrounded by the rotor 117, while the condensation device in the form of the second chamber 131 with the end wall 107 is essentially completely surrounded by the stator 103.
Im Folgenden wird nunmehr die Funktionsweise der Dampfturbine 101 erläutert. Ähnlich zu den zuvor dargestellten Ausführungsformen treffen Verbrennungsgase 135 im Gegenstromprinzip auf die Stirnwand 115. Dies bewirkt ein Aufheizen der ersten Kammer 129 was dazu führt, dass ein Arbeitsmedium 137 verdampft wird. Das Arbeitsmedium 137 tritt zwischen die Trennwände 121, 123 und durch die Düsen 139 in die zweite Kammer 131 ein. Dort trifft das verdampfte Arbeitsmedium auf das erste Schaufelrad 109, was zu einem Antrieb des Rotors 117 relativ zum Stator 103 führt. Nach Durchtritt durch das mit dem Stator 103 verbundene erste Schaufelrad 109 trifft das verdampfte Arbeitsmedium auf das mit dem Rotor 117 verbundene Strömvmgsführungsrad 125, wodurch der Rotor 117 weiter angetrieben wird. Nach dem Austritt aus dem Strömungsführungsrad 125 trifft das Arbeitsmedium schließlich zumindest teilweise auf das mit dem Stator 103 über die Stirnwand 107 verbundene zweite Schaufelrad 111. Um eine Kondensation des Arbeitsmediums im Bereich der zweiten Kammer 131 zu erzielen, strömt an der Kammer 131 abgewandten Seite der Stirnwand 107 Kühlluft 141 im Gegenstromprinzip entlang. Das auskondensierte Arbeitsmedium sammelt sich aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors 117 im Bereich der Umfangswand 113, wobei im Bereich zwischen der Stirnwand 107 und der Trennwand 119 nicht dargestellte Mitnahmeelemente, vorzugsweise in Form von Schaufeln, angeordnet sind, die mit dem Rotor 117 mitdrehen, insbesondere an diesem angebracht sind. Diese Mitnahmeelemente sind jedoch nicht zwingend notwendig, erhöhen aber die Betriebssicherheit des Fliehkraftverschlusses durch das Arbeitsmedium 137. Daraufhin fließt das Arbeitsmedium 137 zwischen Umfangswand 113 und Trennwand 119 wieder in die erste Kammer 129 zurück. Das Arbeitsmedium 137 stellt auch in der Dampfturbine 101 sicher, dass ein Verschluss zwischen der ersten Kammer 129 und der zweiten Kammer 131 im Bereich der Trennwand 119 und der Umfangswand 113 erzielt wird, so dass das Arbeitsmedium 137 stets den Weg über die Düse 139 aus der ersten Kammer 129 in die zweite Kammer 131 gehen muss. Die Dampfturbine 101 bietet den Vorteil, dass die Stirnwand 107 keine Drehbewegung ausfuhrt, wodurch es zu einer besonders laminaren Strömung der Kühlluft 141 entlang der Stirnwand 107 kommt. Somit wird der Wirkungsgrad der Kondensationsvorrichtung in Form der zweiten Kammer 131 und damit der Wirkungsgrad der Dampfturbine 101 erhöht. Des Weiteren erleichtert diese Konstruktion der Dampfturbine 101 die Zufuhr eines Kühlmediums in die Stirnwand 107. So kann vorgesehen sein, dass die Stirnwand 107 von nicht dargestellte Durchflusseimichtungen in Form von Kanälen, durchsetzt ist. Diese Kanäle können insbesondere Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufes sein, in dem ein Kühlfluid, wie Wasser, umgewälzt wird. Dadurch, dass die Stirnwand 107 mit der Welle 105 des Stators 103 verbunden ist, kann eine Zuführung dieses Kühlmedi- ums durch einen an der Welle 105 angeordneten oder diesen durchsetzenden Kanal erfolgen. Durch diese weitere Kühlungsmöglichkeit kann der Wirkungsgrad der Dampfturbine 101 weiter erhöht werden. In Figur 10 ist eine siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 101', oder besser Kompaktdampfturbine, mit integrierter Dampferzeugungzone dargestellt. Der Aufbau der Dampfturbine 101' entspricht im Wesentlichen demjenigen der Dampfturbine 101, die in Figur 9 dargestellt ist. Insbesondere kann die Dampfturbine 101' die in Bezug auf die Dampfturbine 101 beschriebenen Mitnahmevorrichtungen im Bereich der Trennwand 119 und der Stirnwand 107 aufweisen. Mit der Dampfturbine 101 identische Elemente der Dampfturbine 101' tragen die gleichen Bezugszeichen, während abweichende Elemente mit der gleichen Bezugsnummer aber einfach gestrichen bezeichnet sind. Der Aufbau der Dampfturbine 101' unterscheidet sich im Wesentlichen vom Aufbau der Dampfturbine 101 dadurch, dass sowohl die Kondensationsvorrichtung als auch die Dampferzeugungsvorrichtung im Wesentlichen vollständig von einem Stator 103' umfasst sind. Der Stator 103' umfasst eine Welle 105' die sowohl mit der Stirnwand 107 als auch mit einer Stirnwand 115' verbunden ist. Somit wird die Stirnwand 115' nicht vom Rotor 117' umfasst. Der Rotor 117' umfasst im Wesentlichen die Umfangswand 113', die mit den Trennwänden 119, 121, 123 verbunden ist. An der Trennwand 123 ist ferner das Strömungsführungsrad 125 angebracht. Zur Abdichtung der ersten Kammer 129', die als Dampferzeugungsvorrichtung dient, ist die Umfangswand 113' über Dichtungsvorrichtung 143' mit der Stirnwand 115' verbunden. Durch diesen konstruktiven Aufbau der Dampfturbine 101' wird erreicht, dass neben der Stirnwand 107 auch die Stirnwand 115' im Betrieb der Dampfturbine 101 ' ortsfest bleibt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Dampferzeugungsvorrichtung 129' erhöht, da die der Stirnwand 115' zugefuhrten Verbrennungsgase 135 nicht verwirbelt werden. Somit wird ein besserer Wärmeaustausch mit der ersten Kammer 129' erzielt und somit der Wirkungsgrad der gesamten Dampfturbine 101' weiter erhöht. Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Dampfturbine 101 ' kann dadurch erzielt werden, dass die Stirnwand 115' eine weitere Durchflusseinrichtung in Form von die Stirnwand 115' durchsetzenden Kanälen umfasst, durch die ein, vorzugsweise über die Welle 105' zugeführtes, Heizmedium umgewälzt wird. In analoger Weise können Durchflusseinrichtungen in Form von Kanälen in der Stirnwand 107, wie zuvor an Hand der Dampfturbine 101 beschrieben, vorgesehen sein.The mode of operation of the steam turbine 101 is now explained below. Similar to the previously illustrated embodiments, combustion gases 135 hit the end wall 115 in the countercurrent principle. This causes the first chamber 129 to heat up, which is why leads to a working medium 137 being evaporated. The working medium 137 enters between the partitions 121, 123 and through the nozzles 139 into the second chamber 131. There, the evaporated working medium strikes the first impeller 109, which leads to a drive of the rotor 117 relative to the stator 103. After passing through the first vane wheel 109 connected to the stator 103, the evaporated working medium strikes the flow guide wheel 125 connected to the rotor 117, as a result of which the rotor 117 is driven further. After exiting the flow guide wheel 125, the working medium finally at least partially meets the second paddle wheel 111, which is connected to the stator 103 via the end wall 107. In order to achieve condensation of the working medium in the region of the second chamber 131, the side facing away from the chamber 131 flows Front wall 107 cooling air 141 along the counterflow principle. The condensed working medium collects due to the rotational movement of the rotor 117 in the region of the peripheral wall 113, in the region between the end wall 107 and the partition wall 119 driving elements, not shown, are preferably arranged in the form of blades that rotate with the rotor 117, in particular are attached to this. However, these entrainment elements are not absolutely necessary, but they increase the operational safety of the centrifugal lock by the working medium 137. The working medium 137 then flows back between the peripheral wall 113 and the partition wall 119 into the first chamber 129. The working medium 137 also ensures in the steam turbine 101 that a seal is achieved between the first chamber 129 and the second chamber 131 in the region of the partition wall 119 and the peripheral wall 113, so that the working medium 137 is always the way out of the nozzle 139 must go first chamber 129 into the second chamber 131. The steam turbine 101 offers the advantage that the end wall 107 does not perform any rotational movement, which leads to a particularly laminar flow of the cooling air 141 along the end wall 107. Thus, the efficiency of the condensation device in the form of the second chamber 131 and thus the efficiency of the steam turbine 101 is increased. Furthermore, this construction of the steam turbine 101 facilitates the supply of a cooling medium into the end wall 107. It can thus be provided that the end wall 107 is penetrated by flow devices, not shown, in the form of channels. These channels can in particular be part of a closed cooling circuit in which a cooling fluid, such as water, is circulated. Because the end wall 107 is connected to the shaft 105 of the stator 103, this cooling medium can be supplied through a channel arranged on or passing through the shaft 105. The efficiency of the steam turbine 101 can be increased further by this further cooling possibility. FIG. 10 shows a seventh embodiment of a heat engine according to the invention in the form of a steam turbine 101 ', or rather a compact steam turbine, with an integrated steam generation zone. The structure of the steam turbine 101 'essentially corresponds to that of the steam turbine 101, which is shown in FIG. 9. In particular, the steam turbine 101 ′ can have the entrainment devices described in relation to the steam turbine 101 in the region of the dividing wall 119 and the end wall 107. Elements of the steam turbine 101 'which are identical to the steam turbine 101 have the same reference numerals, while different elements are simply denoted by the same reference number. The structure of the steam turbine 101 'essentially differs from the structure of the steam turbine 101 in that both the condensation device and the steam generating device are essentially completely comprised by a stator 103'. The stator 103 'comprises a shaft 105' which is connected both to the end wall 107 and to an end wall 115 '. The end wall 115 'is therefore not encompassed by the rotor 117'. The rotor 117 'essentially comprises the peripheral wall 113', which is connected to the partition walls 119, 121, 123. The flow guide wheel 125 is also attached to the partition 123. To seal the first chamber 129 ', which serves as a steam generating device, the peripheral wall 113' is connected to the end wall 115 'via a sealing device 143'. This structural design of the steam turbine 101 'ensures that, in addition to the end wall 107, the end wall 115' also remains stationary when the steam turbine 101 'is in operation. This increases the efficiency of the steam generating device 129 'since the combustion gases 135 supplied to the end wall 115' are not swirled. A better heat exchange with the first chamber 129 'is thus achieved and the efficiency of the entire steam turbine 101' is further increased. A further increase in the efficiency of the steam turbine 101 'can be achieved in that the end wall 115' comprises a further throughflow device in the form of channels penetrating the end wall 115 ', through which a heating medium, preferably supplied via the shaft 105', is circulated. Flow devices in the form of channels can be provided in an analogous manner in the end wall 107, as previously described with the aid of the steam turbine 101.
Schließlich ist in Figur 11 eine achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Dampfturbine 101" dargestellt. Der Aufbau der Dampfturbine 101" ist vergleichbar mit demjenigen der in Figur 10 dargestellten Dampfturbine 101'. Identische Elemente der Dampfturbine 101" tragen die gleichen Bezugszeichen, wie die Elemente der Dampfturbine 101', während die unterschiedlichen Elemente die gleichen Bezugszahlen, allerdings zweigestrichen, tragen. Die beiden Dampfturbine 101' und 101" unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch voneinander, dass die Stirnwände 107" und 115" im Wesentlichen zweigeteilt ausgeführt sind. So besteht die Stirnwand 107" aus den Teilen 107a" und 107b". Dabei ist der Stirnwandteil 107b" mit der Welle 105" verbunden, während der Stirnwandteil 107a" mit der Umfangswand 113" verbunden ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Dichtungsvorrichtungen 133" nicht im Bereich des Arbeitsmediums 137 angeordnet sind, und somit eine leichtere Abdichtung erzielt werden kann. In analoger Weise ist die Stirnwand 115" zweiteilig ausgebildet in Form des ersten Stirnwandteils 115a" und des zweiten Stirnwandteils 115b". Das Stirnwandteil 115a" ist mit der Umfangswand 113" verbunden während das Stirnwandteil 115b" mit der Welle 105" verbunden ist. Aufgrund dieses Aufbaus sind sowohl die erste Kammer 129", mit der Stirnwand 115", die als Dampferzeugungsvorrichtung dient, als auch die zweite Kammer 131" mit der Stirnwand 107", die als Kondensationsvorrichtung dient, sowohl teilweise von dem Rotor 117" als auch dem Stator 103" umfasst.Finally, an eighth embodiment of a heat engine according to the invention is shown in the form of a steam turbine 101 "in FIG. 11. The structure of the steam turbine 101" is comparable to that of the steam turbine 101 'shown in FIG. Identical elements of the steam turbine 101 "have the same reference numerals as the elements of the steam turbine 101 ', while the different elements bear the same reference numbers, albeit with two lines. The two steam turbines 101 'and 101 "essentially differ from one another in that the end walls 107" and 115 "are essentially in two parts. The end wall 107" consists of the parts 107a "and 107b". The end wall part 107b "is connected to the shaft 105", while the end wall part 107a "is connected to the peripheral wall 113". This offers the advantage that the sealing devices 133 "are not arranged in the area of the working medium 137, and thus a easier sealing can be achieved. In an analogous manner, the end wall 115" is formed in two parts in the form of the first end wall part 115a "and the second end wall part 115b ". The end wall part 115a "is connected to the peripheral wall 113", while the end wall part 115b "is connected to the shaft 105". Due to this construction, both the first chamber 129 "with the end wall 115", which serves as a steam generating device, and the second chamber 131 "with the end wall 107", which serves as a condensation device, are both partially from the rotor 117 "and the Stator 103 "includes.
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das aus der ersten Kammer austretende, verdampfte Arbeitsmedium zunächst unter Zwischenschaltung eines mit dem Rotor in Wirkverbindung stehenden Strömungsführungsrades auf das bzw. die Schaufelräder trifft. Insbesondere bei Verwendung eines einzelnen Schaufelrades kann vorgesehen sein, dass zur Ausnutzung der dem verdampften Arbeitsmedium innewohnenden Energie diesem Schaufelrad ein mit dem Rotor in Wirkverbindung stehendes, insbesondere als Laufrad wirkendes Strömungsführungsrad nachgeschaltet ist. Darüber hinaus ist die Anordnung des Umlenkrades, des Strömungsführungsrades und/oder des Schaufelrades nicht auf eine axiale relative Anordnung zueinander beschränkt. Um eine hohe Kompaktheit der Wärmekraftmaschine der Erfindung zu realisieren, ist insbesondere vorgesehen, dass diese Räder zumindest bereichsweise radial relativ zueinander angeordnet sind.In further embodiments of the invention, not shown, it can be provided that the evaporated working medium emerging from the first chamber initially hits the blade wheel or wheels with the interposition of a flow guide wheel that is operatively connected to the rotor. In particular when using a single paddle wheel, it can be provided that, in order to utilize the energy inherent in the vaporized working medium, a flow guide wheel that is operatively connected to the rotor and in particular acts as an impeller is connected downstream of this paddle wheel. In addition, the arrangement of the deflection wheel, the flow guide wheel and / or the paddle wheel is not limited to an axial relative arrangement to one another. In order to achieve a high degree of compactness of the heat engine of the invention, it is provided in particular that these wheels are arranged at least in regions radially relative to one another.
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine in Form von Gegendruck- bzw. Entnahmeturbinen ausgeführt wird, bei denen den Dampfturbinen durch zusätzliche Entnahmevorrichtungen in den Dampferzeugungskammern erzeugter Dampf entnommen werden kann.In further embodiments of the invention, not shown, it can be provided that the heat engine is designed in the form of counter-pressure or extraction turbines, from which steam generated by additional extraction devices in the steam-generating chambers can be extracted.
Auch ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in Form einer Vorschalt- bzw. Abdampfturbine durchführbar, indem der Wärmekraftmaschine extern, neben dem in- nerhalb der Wärmekraftmaschine erzeugten Dampf, zusätzlicher Dampf zugeführt werden kann.The use of the heat engine according to the invention can also be carried out in the form of a ballast or steam turbine, in that the heat engine is external, in addition to the internal Steam generated within the heat engine, additional steam can be supplied.
Bezüglich der zuvor angeführten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist zu beachten dass, wie insbesondere anhand der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Dampfturbine 1 ' zu erkennen ist, das Arbeitsmedium innerhalb der Wärmekraftmaschine einen Strömungsverlauf aufweisen kann, der an die jeweiligen Erfordernisse der Wärmekraftmaschine angepasst ist. So ist es insbesondere möglich, dass das Arbeitsmedium abschnittsweise in axialer, radialer oder auch Querrichtung strömen kann, insbesondere sowohl in radialer Richtung zu einer Achse der Wärmekraftmaschine hin, als auch von dieser fort. Die Erfindung ist also insbesondere nicht auf die exemplarisch dargestellten Strömungswege des Arbeitsmediums beschränkt.With regard to the exemplary embodiments of the invention mentioned above, it should be noted that, as can be seen in particular from the steam turbine 1 ′ shown in FIGS. 3 and 4, the working medium within the heat engine can have a flow pattern that is adapted to the respective requirements of the heat engine , In particular, it is possible for the working medium to flow in sections in the axial, radial or also transverse direction, in particular both in the radial direction towards an axis of the heat engine and away from it. The invention is therefore in particular not limited to the flow paths of the working medium shown as examples.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the above description, in the drawings and in the claims can be essential both individually and in any combination for realizing the invention in its various embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
, i', i" Dampfturbine , 3', 3" Stator , 5', 5" Welle " Verbindungsglied , 7*, 7" Schaufelrad " Sttömungsführungsrad , 9' Lager 0, 10' Dichtung 1, 11', 11" Rotor 1a, 11c, 11a', 11c', 11a", 11c" Stirnwand 1b, 11b', 11b" Umfangswand 3, 13' Kammer 4' Sttömungsführungskörper 5, 15' Kammer 6' Strömungsführungskörper 7, 17', 17" Wand 8" Verbindungsglied 9 Öffnung 0' Kanal 1, 21' Arbeitsmedium 3 Trennwand 4' Trennwand 5, 25' Turbinenkammer 7, 27', 27" Düse 8', 28" Schaufel 9, 29' Verbrennungsgas 0" Schaufel 1, 31' Kühlluft 1, 51', 51" Dampfturbine 3, 53', 53" Stator 5, 55' Welle 57a, 57b, 57a', 57b', 57c',, i ', i "steam turbine, 3', 3" stator, 5 ', 5 "shaft" connecting link, 7 *, 7 "paddle wheel" flow guide wheel, 9' bearing 0, 10 'seal 1, 11', 11 "rotor 1a , 11c, 11a ', 11c', 11a ", 11c" end wall 1b, 11b ', 11b "peripheral wall 3, 13' chamber 4 'flow guide body 5, 15' chamber 6 'flow guide body 7, 17', 17" wall 8 "connecting link 9 opening 0 'duct 1, 21' working medium 3 partition 4 'partition 5, 25' turbine chamber 7, 27 ', 27 "nozzle 8', 28" blade 9, 29 'combustion gas 0 "blade 1, 31' cooling air 1, 51 ', 51 "steam turbine 3, 53', 53" stator 5, 55 'shaft 57a, 57b, 57a ', 57b', 57c ',
57a", 57b", 57c" Schaufelrad57a ", 57b", 57c "paddle wheel
59, 59' Lager59, 59 'bearings
60, 60' Dichtung60, 60 'seal
61, 61', 61" Rotor61, 61 ', 61 "rotor
61a, 61c, 61a', 61c' Stirnwand61a, 61c, 61a ', 61c' end wall
61b, 61b' Umfangswand61b, 61b 'peripheral wall
63, 63' Kammer63, 63 'chamber
65, 65', 65" Kammer65, 65 ', 65 "chamber
67, 67' Ausgleichskammer67, 67 'compensation chamber
69, 69' Wand69, 69 'wall
71, 71' Verbrennungsgas71, 71 'combustion gas
73, 73' Arbeitsmedium73, 73 'working medium
75, 75', 75" Leitung75, 75 ', 75 "line
77, 77', 77" Düse77, 77 ', 77 "nozzle
79a, 79b, 79a*, 79b', 79c',79a, 79b, 79a *, 79b ', 79c',
79a", 79b", 79c" Umlenkrad79a ", 79b", 79c "deflection wheel
81, 81' Kühlluft81, 81 'cooling air
83, 83' Kanal83, 83 'channel
85, 85', 85" Trennwand85, 85 ', 85 "partition
101, 101', 101" Dampfturbine101, 101 ', 101 "steam turbine
103, 103', 103" Stator103, 103 ', 103 "stator
105, 105', 105" Welle105, 105 ', 105 "shaft
107, 107" Stirnwand107, 107 "end wall
107a", 107b" Stirnwandteil107a ", 107b" end wall part
109 Schaufelrad109 paddle wheel
111 Schaufelrad111 paddle wheel
113, 113', 113" Umfangswand113, 113 ', 113 "peripheral wall
115, 115', 115" Stirnwand115, 115 ', 115 "end wall
115a", 115b" Stirnwandteil115a ", 115b" end wall part
117, 117, 117" Rotor117, 117, 117 "rotor
119, 121, 123 Trennwand119, 121, 123 partition
125 Strömungsführungsrad125 flow guide wheel
127, 127' Lager 129, 129', 129" Kammer127, 127 'bearings 129, 129 ', 129 "chamber
131, 131', 131" Kammer131, 131 ', 131 "chamber
133, 133" Dichtung133, 133 "seal
135 Verbrennungsgas135 combustion gas
137 Arbeitsmedium137 working medium
139 Düse139 nozzle
141 Kühlluft141 cooling air
143'. , 143" r Dichtungselement 143 '. , 143 "r sealing element

Claims

Ansprüche Expectations
1. Wärmekraftmaschine (1, 1 ', 1", 51, 51', 51") zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, umfassend zumindest eine Dampferzeugungsvorrichtung (11a, 11a', 11a", 13, 13', 61a, 61a', 63, 63') zum zumindest teilweisen Verdampfen eines ersten flüssigen Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73') mittels der Wärmekraftmaschine (1, 1', 1", 51, 51', 51") zugeführter thermischer Energie, zumindest einen mittels des verdampften ersten Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73') zur Erzeugung von mechanischer Energie antreibbaren und relativ zu zumindest einem Stator (3, 3', 3", 53, 53', 53") um eine erste Drehachse drehbaren Rotor (11, 11', 11", 61, 61', 61") und zumindest eine Kondensationsvorrichtung (11c, 1 lc', 1 lc", 15, 15', 61c, 61c', 65, 65', 65") zur Kondensation des verdampften ersten Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73') nach Antreiben des Rotors (11, 11', 11", 61, 61', 61"), wobei der Rotor (11, 11', 11", 61, 61', 61") den Stator (3, 3', 53, 53', 53") im Wesentlichen vollständig umgibt, und der Rotor (11, 11', 11", 61, 61', 61") die Dampferzeugungsvorrichtung (11a, 11a', 11a", 13, 13', 61a, 61a', 63, 63') und die Kondensationsvorrichtung (11c, 11c', 11c", 15, 15', 61c, 61c' 65, 65', 65") im Wesentlichen vollständig umfasst.1. Heat engine (1, 1 ', 1 ", 51, 51', 51") for converting thermal energy into mechanical energy, comprising at least one steam generating device (11a, 11a ', 11a ", 13, 13', 61a, 61a ', 63, 63') for at least partially evaporating a first liquid working medium (21, 21 ', 73, 73') by means of thermal energy supplied by the heat engine (1, 1 ', 1 ", 51, 51', 51"), at least one that can be driven by means of the vaporized first working medium (21, 21 ', 73, 73') to generate mechanical energy and relative to at least one stator (3, 3 ', 3 ", 53, 53', 53") around a first one Rotatable rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61', 61") and at least one condensation device (11c, 1 lc ', 1 lc ", 15, 15', 61c, 61c ', 65, 65', 65 ") for condensing the evaporated first working medium (21, 21 ', 73, 73') after driving the rotor (11, 11 ', 11", 61, 61', 61 "), the rotor (11, 11 ' , 11 ", 61, 61 ', 61") the stator (3, 3', 53, 53 ', 53 ") essentially completely and and there are the rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61', 61") the steam generating device (11a, 11a ', 11a ", 13, 13', 61a, 61a ', 63, 63') and the Condensation device (11c, 11c ', 11c ", 15, 15', 61c, 61c '65, 65', 65") substantially completely comprises.
2. Wärmekraftmaschine (1, 1', 1", 51, 51', 51", 101, 101', 101") zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, umfassend zumindest eine Dampferzeugungsvorrichtung (11a, 11a', 11a", 13, 13', 61a, 61a', 63, 63*, 115, 115', 115") zum zumindest teilweisen Verdampfen eines ersten flüssigen Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73', 137) mittels der Wärmekraftmaschine (1, 1', 1", 51, 51*, 51", 101, 101', 101") zugeführter thermischer Energie, zumindest einen mittels des verdampften ersten Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73', 137) zur Erzeugung von mechanischer Energie antreibbaren und relativ zu zumindest einem Stator (3, 3', 3", 53, 53', 53", 103, 103', 103") um eine erste Drehachse drehbaren Rotor (11, 11', 11", 61, 61', 61", 117, 117', 117") und zumindest eine Konden- sationsvorrichtung (11c, 11c', 11c", 15, 15', 61c, 61c', 65, 65', 65", 107, 107', 107") zur Kondensation des verdampften ersten Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73', 137) nach Antreiben des Rotors (11, I T, 11", 61, 61*, 61", 117, 117', 117"), wobei der Rotor (11, 11', 11", 61, 61', 61", 117, 117', 117") den Stator (3, 3', 53, 53', 53", 103, 103', 103") zumindest bereichsweise umgibt. 2. Heat engine (1, 1 ', 1 ", 51, 51', 51", 101, 101 ', 101 ") for converting thermal energy into mechanical energy, comprising at least one steam generating device (11a, 11a', 11a", 13, 13 ', 61a, 61a', 63, 63 *, 115, 115 ', 115 ") for at least partially evaporating a first liquid working medium (21, 21', 73, 73 ', 137) by means of the heat engine (1, 1 ', 1 ", 51, 51 *, 51", 101, 101', 101 ") of thermal energy supplied, at least one by means of the vaporized first working medium (21, 21 ', 73, 73', 137) for the generation of mechanical Energy drivable and rotatable relative to at least one stator (3, 3 ', 3 ", 53, 53', 53", 103, 103 ', 103 ") about a first axis of rotation (11, 11', 11", 61, 61 ', 61 ", 117, 117', 117") and at least one condensing device (11c, 11c ', 11c ", 15, 15', 61c, 61c ', 65, 65', 65", 107, 107 ', 107 ") for condensing the evaporated first working medium (21, 21', 73, 73 ', 137) after driving the rotor (11, IT, 11", 61, 61 *, 61 ", 117, 117 ', 117"), the rotor (11, 11', 11 ", 61, 61 ', 61", 117, 117', 117 ") the stator (3, 3 ', 53, 53 ', 53 ", 103, 103', 103") at least in some areas.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11, 11', 11", 61, 61', 61", 117) die Dampferzeugungsvorrichtung (11a, 11a', 11a", 13, 13', 61a, 61a', 63, 63', 115) und/oder die Kondensationsvorrichtung (11c, 11c', 1 lc", 15, 15', 61c, 61c', 65, 65', 65") im Wesentlichen vollständig umfasst.3. Heat engine according to claim 2, characterized in that the rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61', 61", 117) the steam generating device (11a, 11a ', 11a ", 13, 13', 61a, 61a ', 63, 63', 115) and / or the condensation device (11c, 11c ', 1 lc ", 15, 15', 61c, 61c ', 65, 65', 65") essentially completely.
4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (103, 103") die Dampferzeugungsvorrichtung(l 15) und/oder die Kondensations vorrichtung( 107, 107') im Wesentlichen vollständig umfasst.4. Heat engine according to claim 2 or 3, characterized in that the stator (103, 103 ") comprises the steam generating device (l 15) and / or the condensation device (107, 107 ') substantially completely.
5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampferzeugungsvorrichtung(l 15") und/oder die Kondensationsvorrichtung(107") zumindest zweigeteilt ausgebildet ist bzw. sind und der Rotor (117") einen ersten Teil der Kondensationsvorrichtung (107a") und/oder einen ersten Teil der Dampferzeugungsvor- richtung(l 15a") umfasst und der Stator(103") den anderen Teil der Dampferzeugungsvorrichtung (115b") und/oder der Kondensationsvorrichtung(107b") umfasst.5. Heat engine according to claim 2, characterized in that the steam generating device (l 15 ") and / or the condensation device (107") is or are formed at least in two parts and the rotor (117 ") is a first part of the condensation device (107a") and / or comprises a first part of the steam generating device (115a ") and the stator (103") comprises the other part of the steam generating device (115b ") and / or the condensing device (107b").
6. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zumindest eine die Dampferzeugungsvorrichtung bildende erste Kammer (13, 13', 63, 63', 129, 129', 129"), zumindest eine die Kondensationsvorrichtung bildende zweite Kammer (15, 15', 65, 65', 65", 131, 131', 131") und zumindest eine Turbinenkammer (25), wobei vorzugsweise die erste Kammer (13, 13', 63, 63', 129, 129', 129") und die zweite Kammer (15, 15', 65, 65', 65", 131, 131', 131"), die erste Kammer (13, 13') und die Turbinenkammer (25, 25') und/oder die zweite Kammer und die Turbinenkammer zumindest bereichsweise mittels zumindest einer, insbesondere thermisch isolierenden, Wand (17, 17', 17", 23, 24', 69, 69', 85, 85*,85", 121) voneinander abgetrennt sind.6. Heat engine according to one of claims 1 to 5, characterized by at least one first chamber forming the steam generating device (13, 13 ', 63, 63', 129, 129 ', 129 "), at least one second chamber forming the condensing device (15, 15 ', 65, 65', 65 ", 131, 131 ', 131") and at least one turbine chamber (25), preferably the first chamber (13, 13', 63, 63 ', 129, 129', 129 " ) and the second chamber (15, 15 ', 65, 65', 65 ", 131, 131 ', 131"), the first chamber (13, 13') and the turbine chamber (25, 25 ') and / or the second chamber and the turbine chamber are separated from one another at least in regions by means of at least one, in particular thermally insulating, wall (17, 17 ', 17 ", 23, 24', 69, 69 ', 85, 85 *, 85", 121).
7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zumindest eine die erste Kammer (13, 13', 63, 63') und die Turbinenkammer (25, 25') zum Durchtritt des verdampften ersten Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73') verbindende erste Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise umfassend zumindest eine erste Düse (27, 27', 27", 77, 77', 77", 139), wobei vorzugsweise die Geometrie und/oder die Ausrichtung der Düsenöffhung einstellbar ist, zumindest ein erstes Rohr (75, 75', 75") und/oder zumindest eine insbesondere in der thermisch isolierenden Wand ausgebildete, erste Öffnung.7. Heat engine according to claim 6, characterized by at least one of the first chamber (13, 13 ', 63, 63') and the turbine chamber (25, 25 ') for passage of the vaporized first working medium (21, 21', 73, 73 ' ) connecting first connecting device, preferably comprising at least one first nozzle (27, 27 ', 27 ", 77, 77', 77", 139), preferably the geometry and / or the orientation of the nozzle opening being adjustable, at least one first tube ( 75, 75 ', 75 ") and / or at least one first opening formed in particular in the thermally insulating wall.
8. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch zumindest eine die Turbinenkammer und die zweite Kammer zum Durchtritt des verdampften ersten Arbeitsmediums verbindende zweite Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise umfassend zumindest eine zweite Düse, wobei vorzugsweise die Geometrie und/oder die Ausrichtung der Düsenöffhung einstellbar ist, zumindest ein zweites Rohr und/oder zumindest eine, insbesondere in der thermisch isolierenden Wand ausgebildete, zweite Öffnung.8. Heat engine according to claim 6 or 7, characterized by at least one second connecting device connecting the turbine chamber and the second chamber for the passage of the vaporized first working medium, preferably comprising at least one second nozzle, preferably the geometry and / or the orientation of the nozzle opening being adjustable, at least one second tube and / or at least one second opening, in particular formed in the thermally insulating wall.
9. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch zumindest eine mit der ersten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende erste und/oder zumindest eine mit der zweiten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende zweite Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung, vorzugsweise in Form eines ersten und/oder zweiten Ventils.9. Heat engine according to claim 7 or 8, characterized by at least one first and / or at least one second flow control and / or regulating device operatively connected to the first connecting device, preferably in the form of a first and / or second valve.
10. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch zumindest eine die erste Kammer (13, 13') und die Turbinenkammer (25, 25') zum Durchtritt des flüssigen ersten Arbeitsmediums (21, 21') verbindende dritte Verbindungsvorrichtung, insbesondere in Form zumindest einer, vorzugsweise in der thermisch isolierenden Wand (17, 17') ausgebildeten, dritten Öffnung (19, 20').10. Heat engine according to one of claims 6 to 9, characterized by at least one connecting the first chamber (13, 13 ') and the turbine chamber (25, 25') for the passage of the liquid first working medium (21, 21 '), in particular in the form of at least one third opening (19, 20 '), preferably formed in the thermally insulating wall (17, 17').
11. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch zumindest eine die Turbinenkammer und die zweite Kammer zum Durchtritt des flüssigen ersten Arbeitsmediums verbindende vierte Verbindungsvorrichtung, Vorzugs weise in Form zumindest einer, insbesondere in der thermisch isolierenden Wand aus gebildeten, vierten Öffnung.11. Heat engine according to one of claims 6 to 10, characterized by at least one connecting the turbine chamber and the second chamber for the passage of the liquid first working medium fourth connecting device, preferably in the form of at least one, in particular in the thermally insulating wall formed, fourth opening.
12. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige erste Arbeitsmedium (21, 21', 73, 73') während einer Drehung des Rotors (11, 11', 11", 61, 61', 61", 117, 117', 117"), insbesondere aufgrund der auf das Arbeitsmedium (21, 21', 73, 73', 137) wirkenden Fliehkraft, einen Austritt des verdampften ersten Arbeitsmediums (21, 21', 73, 73') aus der ersten Kammer (13, 13', 63, 63', 129, 129', 129") durch die dritte und/oder vierte Verbindungsvorrichtung verhindert, insbesondere die dritte und/oder vierte Öffnung (19, 20') blockiert.12. Heat engine according to claim 10 or 11, characterized in that the liquid first working medium (21, 21 ', 73, 73') during a rotation of the rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61', 61", 117, 117 ', 117 "), in particular due to the centrifugal force acting on the working medium (21, 21', 73, 73 ', 137), an escape of the vaporized first working medium (21, 21', 73, 73 ') from the first chamber (13, 13 ', 63, 63', 129, 129 ', 129 ") prevented by the third and / or fourth connecting device, in particular the third and / or fourth opening (19, 20') blocked.
13. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch zumindest eine mit der dritten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende dritte und/oder zumindest eine mit der vierten Verbindungsvorrichtung in Wirkverbindung stehende vierte Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung, vorzugsweise in Form eines dritten und/oder vierten Ventils, insbesondere eines Rückschlagventils.13. Heat engine according to one of claims 10 to 12, characterized by at least one third and / or at least one fourth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the third connecting device, preferably in the form of a third and / or or fourth valve, in particular a check valve.
14. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (15, 15') und die Turbinenkammer (25, 25') in einem ausgeformt sind.14. Heat engine according to one of claims 6 to 13, characterized in that the second chamber (15, 15 ') and the turbine chamber (25, 25') are formed in one.
15. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 14, gekennzeichnet durch zumindest einen in der ersten Kammer (13'), der zweiten Kammer (15*) und/oder der Turbinenkammer (25') ausgebildeten Strömungsführungskörper (14', 16').15. Heat engine according to one of claims 6 to 14, characterized by at least one in the first chamber (13 '), the second chamber (15 *) and / or the turbine chamber (25') formed flow guide body (14 ', 16').
16. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein von dem Stator (3, 3', 3", 53, 53', 53", 103, 103', 103") umfasstes, erstes Schaufelrad (7, 7', 7", 57a, 57a', 57a", 109), dem, vorzugsweise über die erste Verbindungsvorrichtung (27, 27', 27", 75, 75', 75", 77, 77', 77", 139), zum Drehen des Rotors (11, 11', 11", 61, 61*, 61", 117, 117', 117") relativ zu dem Stator (3, 3', 3", 53, 53', 53", 103, 103', 103") das verdampfte erste Arbeitsmedium (21, 21', 73, 73', 137) zuführbar ist, insbesondere axial, radial und/oder unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu der ersten Drehachse.16. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one of the stator (3, 3 ', 3 ", 53, 53', 53", 103, 103 ', 103 ") comprising a first blade wheel (7, 7' , 7 ", 57a, 57a ', 57a", 109), preferably via the first connecting device (27, 27', 27 ", 75, 75 ', 75", 77, 77', 77 ", 139), for rotating the rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61 *, 61", 117, 117', 117 ") relative to the stator (3, 3 ', 3", 53, 53', 53 ", 103, 103 ', 103 ") the evaporated first working medium (21, 21', 73, 73 ', 137) can be supplied, in particular axially, radially and / or at a predetermined angle relative to the first axis of rotation.
17. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch zumindest ein mit dem Rotor (11 ", 117, 117', 117") in Wirkverbindung stehendes, insbesondere mit diesem drehmitnahmesicher verbindbares, und stromaufwärts und/oder stromabwärts des verdampften Arbeitsmediums (21', 137) relativ zum ersten Schaufelrad (7", 109) angeordnetes Strömungsführungsrad (8", 125), wobei das Strömungsführungsrad (8", 125) vorzugsweise zumindest bereichsweise konzentrisch zum ersten Schaufelrad (7", 109) angeordnet ist, insbesondere innerhalb und/oder außerhalb des ersten Schaufelrades (7", 109).17. Heat engine according to claim 16, characterized by at least one with the rotor (11 ", 117, 117 ', 117") that is operatively connected, in particular connectable to this in a rotationally secure manner, and upstream and / or downstream of the vaporized working medium (21', 137 ) Relative to the first paddle wheel (7 ", 109) arranged flow guide wheel (8", 125), the flow guide wheel (8 ", 125) preferably at least in regions concentric to the first Paddle wheel (7 ", 109) is arranged, in particular inside and / or outside of the first paddle wheel (7", 109).
18. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch zumindest ein von dem Stator (53, 53', 53", 103, 103', 103") umfasstes, insbesondere stromabwärts des verdampften Arbeitsmediums relativ zum Strömungsführungsgrad angeordnetes, zweites Schaufelrad (57b, 57b', 57c', 57b", 57c", 111), wobei vorzugsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts des verdampften Arbeitsmediums (73, 73') relativ zu dem zweiten Schaufelrad (57b, 57b', 57b", 57c', 57c") zumindest ein mit dem Rotor (61, 61', 61") in Wirkverbindung stehendes, insbesondere mit diesem drehmitnahmesicher verbindbares, Umlenkrad (79a, 79b, 79a', 79b', 79c', 79a", 79b", 79c") angeordnet ist, wobei insbesondere das Umlenkrad zumindest bereichsweise konzentrisch zum ersten und/oder zweiten Schaufelrad angeordnet ist, insbesondere innerhalb und/oder außerhalb des ersten und/oder zweiten Schaufelrades.18. Heat engine according to claim 16 or 17, characterized by at least one of the stator (53, 53 ', 53 ", 103, 103', 103"), in particular arranged downstream of the vaporized working medium relative to the degree of flow, second paddle wheel (57b, 57b ', 57c', 57b ", 57c", 111), preferably upstream and / or downstream of the vaporized working medium (73, 73 ') relative to the second paddle wheel (57b, 57b', 57b ", 57c ', 57c" ) at least one deflection wheel (79a, 79b, 79a ', 79b', 79c ', 79a ", 79b", 79c "), which is operatively connected to the rotor (61, 61', 61") and in particular can be connected to it in a rotationally secure manner , in particular the deflection wheel is arranged at least in regions concentrically with the first and / or second impeller, in particular inside and / or outside the first and / or second impeller.
19. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaufelrad (7, 7', 57a, 57a', 57a"), das Strömungsführungsrad, das zweite Schaufelrad (57b, 57b', 57c', 57b", 57c") und/oder das Umlenkrad (79a, 79b, 79a*, 79b', 79c', 79a", 79b", 79c") zumindest teilweise in der Turbinenkammer (25, 25') angeordnet ist bzw. sind.19. Heat engine according to one of claims 16 to 18, characterized in that the first blade wheel (7, 7 ', 57a, 57a', 57a "), the flow guide wheel, the second blade wheel (57b, 57b ', 57c', 57b" , 57c ") and / or the deflection wheel (79a, 79b, 79a *, 79b ', 79c', 79a", 79b ", 79c") is or are at least partially arranged in the turbine chamber (25, 25 ').
20. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaufelrad einen von einem ersten Durchmesser des ersten Schaufelrades abweichenden zweiten Durchmesser und/oder eine von der Anzahl bzw. der Geometrie der Schaufeln des ersten Schaufelrades abweichende Anzahl bzw. Geometrie der Schaufeln aufweist.20. Heat engine according to claim 18 or 19, characterized in that the second impeller has a second diameter deviating from a first diameter of the first impeller and / or a number or geometry of the blades deviating from the number or geometry of the blades of the first impeller having.
21. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von zweiten Schaufelrädern (57b', 57c', 57b", 57c") und/oder Umlenkrä- dern (79a, 79b, 79a', 79b', 79c', 79a", 79b", 79c"), wobei die zweiten Schaufelräder (57b', 57c') vorzugsweise unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Geometrien und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln zueinander aufweisen und/oder die Umlenkräder (79a', 79b', 79c') unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Geometrien und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln zueinander aufweisen.21. Heat engine according to one of claims 18 to 20, characterized by a plurality of second paddle wheels (57b ', 57c', 57b ", 57c") and / or deflection wheels (79a, 79b, 79a ', 79b', 79c ' , 79a ", 79b", 79c "), the second vane wheels (57b ', 57c') preferably having different diameters, different geometries and / or a different number of vanes relative to one another and / or the deflection wheels (79a ', 79b', 79c ') different diameters, different Have geometries and / or a different number of blades from one another.
22. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und/oder die Stellung zumindest einer Schaufel des ersten Schaufelrades, zumindest eines zweiten Schaufelrades, des Strömvmgsführungsrades und/oder zumindest eines Umlenkrades, vorzugsweise während eines Betriebs der Wärmekraftmaschine, einstellbar ist bzw. sind.22. Heat engine according to one of claims 16 to 21, characterized in that the geometry and / or the position of at least one blade of the first blade wheel, at least one second blade wheel, of the flow control wheel and / or at least one deflection wheel, preferably during operation of the heat engine, is or are adjustable.
23. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Heizmittel zur Beaufschlagung der Dampferzeugungsvorrichtung (11a, 11a', 11a", 13, 13', 61a, 61a', 63, 63', 115, 115', 115", 129, 129', 129") insbesondere der ersten Kammer (13, 13', 63, 63', 129, 129', 129"), mit Wärme, vorzugsweise in Form eines fluiden Heizmediums, insbesondere in Form von heißen Gasen, wie Verbrennungsgasen (29, 29', 71, 71', 135), einer Heizquelle, wie in Form zumindest einer Heizspindel, die in einer, insbesondere ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit umfassenden und/oder für einen hohen konvektiven Wärmetransport strukturierten, Wand der ersten Kammer integriert und oder auf der Oberfläche dieser Wand ausgebildet ist, zumindest einer ersten Durchflusseinrichtung für ein Heizfluid (29, 29', 71, 71', 135), zumindest einer auf einer Außenseite der Wand (11a, 11a', 1 la", 61a, 61a', 115, 115', 115") der ersten Kammer (13, 13*, 63, 63', 129, 129', 129") ausgebildeten, insbesondere von dem Heizfluid (29, 29', 71, 71', 135) durchströmbaren, ersten Struktur und/oder zumindest einer auf einer Innenseite der Wand (11a, 11a', 11a", 61a, 61a', 115, 115', 115") der ersten Kammer (13, 13', 63, 63', 129, 129', 129") ausgebildeten, insbesondere von dem, vorzugsweise verdampften Arbeitsmedium (21, 21', 73, 73', 137) durchströmbaren, zweiten Struktur.23. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one heating means for acting on the steam generating device (11a, 11a ', 11a ", 13, 13', 61a, 61a ', 63, 63', 115, 115 ', 115", 129, 129 ', 129 "), in particular the first chamber (13, 13', 63, 63 ', 129, 129', 129"), with heat, preferably in the form of a fluid heating medium, in particular in the form of hot gases, such as Combustion gases (29, 29 ', 71, 71', 135), a heating source, such as in the form of at least one heating spindle, which is integrated in a wall of the first chamber, which comprises in particular a material with high thermal conductivity and / or is structured for high convective heat transport and or is formed on the surface of this wall, at least one first flow device for a heating fluid (29, 29 ', 71, 71', 135), at least one on an outside of the wall (11a, 11a ', 1 la ", 61a, 61a ', 115, 115', 115 ") of the first chamber (13, 13 *, 63, 63 ', 129, 129', 129") formed, in particular by the heating fluid (29, 29 ', 71, 71', 135), first structure and / or at least one on an inside of the wall (11a, 11a ', 11a ", 61a, 61a', 115, 115 ', 115 ") of the first chamber (13, 13', 63, 63 ', 129, 129', 129"), which can be flowed through, in particular, by the preferably vaporized working medium (21, 21 ', 73, 73', 137) , second structure.
24. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchflusseinrichtung in die Wand integriert ist, wobei das Heizmittel der ersten Durchflusseimichtung vorzugsweise über eine Welle des Stators zugeführt wird und/oder dass Heizmittel insbesondere in einem die erste Durchflusseimichtung umfassenden, vorzugsweise geschlossenen, Heizkreislauf umgewälzt wird. 24. Heat engine according to claim 23, characterized in that the first throughflow device is integrated in the wall, the heating means being fed to the first throughflow device preferably via a shaft of the stator and / or that heating means in particular in a preferably closed, comprising the first throughflow device, Heating circuit is circulated.
25. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Kühlmittel zur Beaufschlagung der Kondensationsvorrichtung (11c, 11c*, 11c", 15, 15', 61c, 61c', 65, 65', 65", 107, 107', 107", 131, 131', 131"), insbesondere der zweiten Kammer (15, 15', 65, 65', 65", 131, 131', 131"), mit Kälte, vorzugsweise in Form eines fluiden Kühlmediums, insbesondere in Form von Stickstoff oder Kaltluft (31, 31', 81, 81', 141), einer Kühlquelle, wie in Form zumindest eines Peltiere- lements, die insbesondere in einer, vorzugsweise ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit umfassenden und/oder für einen hohen konvektiven Wärmetransport strukturierten, Wand der zweiten Kammer integriert und/oder auf der Oberfläche dieser Wand ausgebildet ist, zumindest einer zweiten Durchflusseinrichtung für ein Kühlfluid (31, 31', 81, 81', 141), wie Stickstoff oder Kaltluft, zumindest einer auf einer Außenseite der Wand (11c, 11c*, 11c", 61c, 61c'm 107, 107', 107") der zweiten Kammer (15, 15', 65, 65', 65", 131, 131', 131") ausgebildeten, insbesondere von dem Kühlfluid (31, 31', 81, 81', 141) druchströmbaren, dritten Struktur und/oder zumindest einer auf einer Innenseite der Wand (11c, 11c', 11c", 61c, 61c', 107, 107', 107") der zweiten Kammer (15, 15', 65, 65', 65", 131, 131', 131") ausgebildeten, insbesondere von dem Arbeitsmedium (21, 21', 137) durchströmbaren vierten Struktur.25. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one coolant for acting on the condensation device (11c, 11c *, 11c ", 15, 15 ', 61c, 61c', 65, 65 ', 65", 107, 107', 107 ", 131, 131 ', 131"), in particular the second chamber (15, 15', 65, 65 ', 65 ", 131, 131', 131"), with cold, preferably in the form of a fluid cooling medium, in particular in the form of nitrogen or cold air (31, 31 ', 81, 81', 141), a cooling source, such as in the form of at least one Peltier element, which in particular comprises a material which preferably has a high thermal conductivity and / or for a high convective Structured heat transport, integrated wall of the second chamber and / or is formed on the surface of this wall, at least one second flow device for a cooling fluid (31, 31 ', 81, 81', 141), such as nitrogen or cold air, at least one on an outside the wall (11c, 11c *, 11c ", 61c, 61c'm 107, 107 ', 107") of the two th chamber (15, 15 ', 65, 65', 65 ", 131, 131 ', 131") formed, in particular by the cooling fluid (31, 31', 81, 81 ', 141), third structure and / or at least one on an inside of the wall (11c, 11c ', 11c ", 61c, 61c', 107, 107 ', 107") of the second chamber (15, 15', 65, 65 ', 65 ", 131, 131' , 131 "), fourth structure through which the working medium (21, 21 ', 137) can flow.
26. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Durchflusseimichtung in die Wand integriert ist, wobei das Kühlmittel der zweiten Durchflusseimichtung vorzugsweise über eine Welle des Stators zugeführt wird und/oder das Kühlmittel insbesondere in einem die zweite Durchflusseinrichtung umfassenden, vorzugsweise geschlossenen, Kühlkreislauf umgewälzt wird.26. Heat engine according to claim 25, characterized in that the second flow device is integrated in the wall, the coolant of the second flow device preferably being supplied via a shaft of the stator and / or the coolant in particular in a preferably closed, comprising the second flow device, Cooling circuit is circulated.
27. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid (29, 29', 71, 71') im Bereich des Heizmittels eine Strömungsrichtung aufweist, die im Wesentlichen von der ersten Drehachse radial nach außen zum Außenumfang des Rotors (11, 11', 11", 61, 61', 61") verläuft, und/oder das Kühlfluid (31, 31', 81, 81') im Bereich des Kühlmittels eine Strömungsrichtung aufweist, die im Wesentlichen radial vom Außenumfang des Rotors (11, 11', 11", 61, 61') in Richtung der ersten Drehachse verläuft. 27. Heat engine according to one of claims 23 to 26, characterized in that the heating fluid (29, 29 ', 71, 71') has a flow direction in the region of the heating medium, which essentially radially outwards from the first axis of rotation to the outer circumference of the rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61', 61"), and / or the cooling fluid (31, 31 ', 81, 81') has a flow direction in the region of the coolant which is essentially radial from the outer circumference of the Rotor (11, 11 ', 11 ", 61, 61') runs in the direction of the first axis of rotation.
28. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Zufuhreimichtung zur Zuführung zumindest eines dampfförmigen zweiten Arbeitsmediums, wobei vorzugsweise das erste und zweite verdampfte Arbeitsmedium identisch sind.28. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one supply device for supplying at least one vaporous second working medium, preferably the first and second evaporated working medium being identical.
29. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Abnahmevorrichtung zur Abführung zumindest eines Teils des verdampften und oder flüssigen ersten Arbeitsmediums.29. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one removal device for removing at least part of the evaporated and or liquid first working medium.
30. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 28 oder 29, gekennzeichnet durch zumindest eine mit der Zufuhreimichtung in Wirkverbindung stehende fünfte Durchflusssteuer- und/oder Regeleimichtung und/oder zumindest eine mit der Abnahmevorrichtung in Wirkverbindung stehende sechste Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung.30. Heat engine according to claim 28 or 29, characterized by at least one fifth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the feed device and / or at least one sixth flow control and / or regulating device that is operatively connected to the removal device.
31. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine mit der Dampferzeugungsvorrichtung, der Kondensationseimichtung, der ersten und/oder zweiten Düse der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und/oder sechsten Durchflusssteuer- und/oder Regeleimichtung, dem ersten Schaufelrad, zumindest einem zweiten Schaufelrad, dem Strömungsführungsrad und/oder zumindest einem Umlenkrad, dem Heizmittel, dem Kühlmittel und/oder einem Sensor zur Messung der Drehgeschwindigkeit des Rotors in Wirkverbindung stehende Steuer- und/oder Regeleinheit.31. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one with the steam generating device, the condensation device, the first and / or second nozzle of the first, second, third, fourth, fifth and / or sixth flow control and / or regulating device, the first Paddle wheel, at least one second paddle wheel, the flow guide wheel and / or at least one deflection wheel, the heating medium, the coolant and / or a sensor for measuring the rotational speed of the rotor, the control and / or regulating unit being operatively connected.
32. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche als Vorschaltturbinen, Abdampfturbine, Gegendruckturbine, Entnahmeturbine, Gleichdruckturbine und/oder Überdruckturbine. 32. Use of a heat engine according to one of the preceding claims as a front-end turbine, steam turbine, counter-pressure turbine, extraction turbine, constant-pressure turbine and / or positive-pressure turbine.
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