WO2000077363A1

WO2000077363A1 - Verfahren zum betreiben einer turbomaschine und turbomaschine

Info

Publication number: WO2000077363A1
Application number: PCT/DE2000/001857
Authority: WO
Inventors: Hubert Tomczyk
Original assignee: Diro Konstruktions Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1999-06-12
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2000-12-21
Also published as: EP1301695B1; JP2003502551A; EP1301695A1; DE50013988D1; US6487843B1; DE19926891A1; JP4472224B2; AU5963600A; ATE351974T1; DE19926891C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer derartigen Maschine wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, angesaugte Frischluft in einzelnen abgeschlossenen, in Förderrichtung (7) aufeinanderfolgenden Förder- und Erwärmungskammern (15) isochorisch zu erwärmen und dann einer Arbeitsmaschine (6) zuzuführen, in der die Luft entspannt und hinter der die Luft nach Vermischung mit Kraftstoff verbrannt wird, wobei dann die so erzeugten Verbrennungsgase im Gegenstrom zu der Förderrichtung (7) der Förder- und Erwärmungskammern (15) an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft in den genannten Kammern (15) sukzessive isochorisch erwärmt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine und Turbomaschine

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

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

Es ist bekannt, zur teilweisen Rückgewinnung der Abgasenergie z.B. Turbolader vorzusehen, mit denen sich aber letzt- lieh nur bei Kolbenmaschinen der Liefergrad vergrößern, die Abgasenergie aber nicht vollständig nutzen läßt.

Die CH 464 604 zeigt ein Verfahren zum Kühlen einer Schraubenkraftmaschine, bei dem Frischluft zwischen einem Ver- dichter und einer Brennkammer mittels Abgasen im Gegen- stromverfahren erwärmt wird. Der Verdichter ist hierbei zur Erzeugung eines Druckgefälles notwendig, um die Frischluft durch einen Wärmetauscher zu befördern.

Die DE 94 01 804 Ul und die DD 276 512 AI zeigen Verbrennungskraftmaschinen mit zwei parallelen kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln, durch die Frischluft zu einer Brennkammer befördert und Verbrennungsgase nachfolgend einer Expansionsstufe zugeführt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie zu dessen Durchführung eine Turbomaschine zu entwickeln, mit denen sich der genannte Wärmeverlust reduzie- ren läßt .

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Arbeitsmedium Frischluft an- gesaugt, dann in einzelnen abgeschlossenen, in Förderrichtung aufeinanderfolgenden Förder- und Erwärmungskammern kontinuierlich in Förderrichtung gefördert und hierbei iso- chorisch erwärmt wird, und dann in eine Arbeitsmaschine eingeleitet wird, in der der insbesondere durch die isocho- rische Erwärmung erzeugte Luftüberdruck durch Leistungsabgabe weitgehend abgebaut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Arbeitsmaschine und/oder die aus der Arbeitsmaschine austretende Luft mit Kraftstoff vermischt und eine Verbrennung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegenstrom, also entgegen der Förderrichtung der Förder- und Erwärmungskammern an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft bei ihrer kontinuierlichen Förderung in Förderrichtung in den Förder- und Erwärmungskammern sukzessive isochorisch erwärmt wird.

Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe vorrichtungsmäßig gelöst mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden, jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindeln, die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden, nach außen mit einer Wärmeisolierung versehenen Stator sich jeweils über einen Gewindeabschnitt er- streckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln von einem Luftansaugstutzen in axialer Förderrichtung zu einem Lufteinströmbereich einer drehfest mit den Schraubenspindeln verbundenen Arbeitsmaschine verschoben werden, vor deren Luft- eintritt und/oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer vorgesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrich- tung aufweist, wobei die Abgase über ein Abgasrohr jeweils in das dem Luftansaugstutzen gegenüberliegende Ende eines Wellenhohlraumes eingeleitet werden, der gegenüber den Luftka mern als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens in einen Auspuff mündet.

Erfindungsgemäß wird somit ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärmeenergie wieder in Druck umgewandelt, was sich aus der isochorischen Erwärmung des in Luftkammern eingeschlossenen Arbeitsmediums ergibt. Der so gewonnene

Luftdruck leistet dann in der Arbeitsmaschine, die z.B. in einem dem Schraubenkompressor umgekehrten Sinne arbeiten kann, Arbeit, wobei die dadurch erzeugte Wellendrehung in einer bevorzugten Ausfuhrungsform teilweise zur Luftvorver- dichtung am Wellenanfang, z.B. in einem Schraubenkompressor, genutzt werden kann.

Der Luftdruck sinkt nach der Expansion in der Arbeitsmaschine so weit ab, wie es in dem Wärmetauscher für die Überwindung der Strömungswiderstände erforderlich ist. Hingegen sinkt die Lufttemperatur gemäß den thermodynamischen Gesetzen für polytropische Expansion nicht so schnell ab, so daß die weitere Lufterhitzung im Nachbrenner ausgehend von einem bereits hohen Temperaturniveau erfolgen kann. Dabei kann in dem Gegenstromwärmetauscher mit einer Temperaturdifferenz von z.B. etwa 50 °C - 100 °C gearbeitet werden.

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

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

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

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

Anders als in der CH 464 604 wird erfindungsgemäß die Frischluft in separaten Förder- und Erwarmungskammern gefördert, in denen eine Erwärmung stattfindet. Somit ist die Verwendung eines Verdichters zur Erzeugung eines Druckgefälles nicht notwendig; ein Verdichter kann jedoch erfindungsgemäß vorgeschaltet werden, um verdichtete Frischluft zu befördern.

Anders als in der DE 94 01 804 Ul und DD 276 512 AI wird erfindungsgemäß der Wellenhohlraum als Gegenstromwärmetau- scher für die Luftkammern genutzt, wodurch die erfindungs- gemäße isochorische Erwärmung der einzelnen, weitgehend abgeschlossenen Luftkammern, die in axialer Richtung zu der Arbeitsmaschine befördert werden, ermöglicht wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert .

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende

Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

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

Figur 2 einen lotrechten Längsschnitt durch die Darstellung gemäß Figur 1;

Figur 3 einen lotrechten Querschnitt durch das linke Ende der Figur 2;

Figur 4 einen Horizontalschnitt durch die Turbomaschine gemäß Figur 1;

Figur 5 in vergrößertem Maßstab in Draufsicht eine

Prinzipskizze von zwei miteinander kämmenden Schraubenspindeln und

Figur 6 ein Temperatur- und Druckdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.

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

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

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

Figur 5 läßt erkennen, daß die beiden Schraubenspindeln 1, 2 zusammen mit dem sie dicht umschließenden Stator 3 sich jeweils über einen Gewindeabschnitt 14 erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern 15 bilden, die bei Drehung der Schrauben-

spindein 1, 2 von einem Luftansaugstutzen 16 (siehe Figuren 1 und 3) in axialer Förderrichtung 7 zu einem nicht näher gekennzeichneten Lufteinströmbereich der drehfest mit der jeweiligen Schraubenspindel 1, 2 verbundenen Arbeitsmaschi- ne 6 verschoben werden. Soll die von den Schraubenspindeln 1, 2 geförderte Luft auf ihrem Förderweg zusätzlich zu dem vorgeschalteten Verdichter 5 verdichtet werden, kann für die Gewindeabschnitte 14 eine in Förderrichtung 7 abnehmende Steigung vorgesehen werden. Figur 5 zeigt im rechten Abschnitt der Schraubenspindel 1, 2 eine Steigung 17 und eine demgegenüber verringerte Steigung 18 im linken Abschnitt der Figur 5.

Der Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1, 2 ist gegenüber den Luftkammern 15 als Gegenstromwarmetauscher aus- gebildet, der im Bereich des Luftansaugstutzens 16 in einem Auspuff 19 mündet. Dabei kann jeder Wellenhohlraum 13 mit Abgasleiteinrichtungen 20 bestückt sein, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordnete Leitschaufeln sind.

Werden über einen nicht näher dargestellten Anlasser die beiden an ihrem einen Ende mit dem Verdichter 5 und an ihrem anderen Ende mit der Arbeitsmaschine 6 bestückten Schraubenspindeln 1, 2 gegeneinander in Rotation versetzt, saugen die Verdichter 5 über den Luftansaugstutzen 16

Frischluft an, die dann nach ihrer Verdichtung dem in den Figuren 1, 2 und 4 rechten Ende der Schraubenspindeln 1, 2 zugeführt wird. Hier wird die vorverdichtete Frischluft sozusagen portionsweise nacheinander in die in axialer För- derrichtung 7 vorwandernden Luftkammern 15 eingespeist, in denen die vorverdichtete Frischluft auf ihrem Förderweg zu der Arbeitsmaschine 6 durch die den Gegenstromwarmetauscher durchströmenden Abgase isochorisch, also bei konstantem Kammervolumen erwärmt wird. Die Abgaswärme wird somit in Temperatur- und Druckerhöhung der zur Arbeitsmaschine angeförderten Frischluft umgesetzt. In der im Ausführungsbei- spiel vorgesehenen Vorbrennkammer 8 erfolgt dann eine teilweise Luftverbrennung. Die durch Leistungsabgabe in der Arbeitsmaschine 6 entspannte, aber noch heiße Luft wird dann in der Nachbrennkammer 11 noch weiter aufgeheizt. Diese aufgeheizten Abgase strömen dann von der Nachbrennkammer 11 über das Abgasrohr 12 durch den Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1, 2 und geben über deren innere Mantelfläche Wärme an die in den Luftkammern 15 eingeschlossene Luft ab, die dadurch in der vorstehend beschriebenen Weise isochorisch erwärmt wird. Nachdem die Temperatur der Abgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abgesenkt wurde, treten die Abgase aus dem Auspuff 19 aus.

Auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke 1₂₀ (siehe Figur 6) dienen die im Ausführungsbeispiel als Schnecke angedeuteten Abgasleiteinrichtungen 20 zur Vergrößerung der Wandungsflächen, über die Wärme an die Luftkammern 15 abgegeben werden soll. Um eine gute Wärmeleitung zu erzielen, müssen die z.B. schneckenförmig ausgebildeten Abgasleiteinrichtungen 20 mit ihrer äußeren Mantelfläche fest an der Mantelfläche des Wellenhohlraumes 15 anliegen. Fertigungstechnisch kann der Einbau so erfolgen, daß die gesamte Abgasleiteinrichtung aus auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordneten Leit- schaufeln besteht und nach einer Unterkühlung konzentrisch in den Wellenhohlraum 13 eingeschoben wird, wo sich dann bei Erwärmung der Luftleiteinrichtung auf Raumtemperatur die Leitschaufeln mit ihren Außenrändern unter Spannung an die Mantelfläche des Wellenhohlraumes 13 anlegen.

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

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

Figur 6 zeigt ein Temperatur- und Druckdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Dabei sind Temperatur und Druck jeweils über die nutzbare Länge 1₁₎₂ der Schraubenspindeln aufgetragen. Diese Länge 1₁₎₂ setzt sich zusammen aus den Teillängen 1₅ für den Verdichter 5, 1₂₀ für den Gegenstromwarmetauscher und 1₆ für die Arbeitsmaschine. Q_κ bezeichnet die aus dem Kraftstoff gewonnene Wärme, Q_τ den Wärmeaustausch und P die Motorleistung, also die Leistung der Arbeitsmaschine 6.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine, wobei als Arbeitsmedium Frischluft angesaugt, dann in einzelnen abge- schlossenen, in Förderrichtung (7) aufeinanderfolgenden

Förder- und Erwärmungskammern (15) kontinuierlich in Förderrichtung gefördert und hierbei isochorisch erwärmt wird, und dann in eine Arbeitsmaschine (6) eingeleitet wird, in der der insbesondere durch die isochorische Erwärmung er- zeugte Luftüberdruck durch Leistungsabgabe weitgehend abgebaut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Arbeitsmaschine (6) und/oder die aus der Arbeitsmaschine (6) austretende Luft mit Kraftstoff vermischt und eine Verbrennung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegenstrom, also entgegen der Förderrichtung (7) der Förder- und Erwärmungskam- ern (15) an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft bei ihrer kontinuierlichen Förderung in Förderrichtung in den Förder- und Erwärmungskammern (15) sukzessive isochorisch erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbomaschine in einem gegenüber dem Umfeld weitgehend wärmeisolierten System betrieben wird.

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

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Verbrennungsgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abgesenkt wird.

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

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

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinan- dergreifenden, jeweils als Hohlwelle ausgebildeten

Schraubenspindeln (1, 2), die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden, nach außen mit einer Wärmeisolierung (4) versehenen Stator (3) sich jeweils über einen Gewindeabschnitt (14) erstreckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern (15) bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln (1, 2) von einem Luftansaugstutzen (16) in axialer Förderrichtung (7) zu einem Lufteinströmbereich einer drehfest mit den Schraubenspindeln (1, 2) verbundenen Arbeitsmaschine (6) verschoben werden, vor deren Lufteintritt und/oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer (8, 11) vorgesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr- und Zündeinrichtung (9, 10) aufweist,

wobei die Abgase über ein Abgasrohr (12) jeweils in das dem Luftansaugstutzen (16) gegenüberliegende Ende eines Wellenhohlraumes (13) eingeleitet werden, der gegenüber den Luftkammern (15) als Gegenstromwarmetauscher ausgebildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens (16) in einen Auspuff (19) mündet.

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

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

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

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, daß jeder Wellenhohlraum (13) mit Abgasleiteinrichtungen (20) bestückt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleiteinrichtungen (20) schneckenförmig ausgebildet sind und mit ihrer äußeren Mantelfläche fest an der Mantelfläche des Wellenhohlraumes (13) anliegen.

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

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