WO2012048987A1 - Dampfturbine - Google Patents

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WO2012048987A1
WO2012048987A1 PCT/EP2011/066218 EP2011066218W WO2012048987A1 WO 2012048987 A1 WO2012048987 A1 WO 2012048987A1 EP 2011066218 W EP2011066218 W EP 2011066218W WO 2012048987 A1 WO2012048987 A1 WO 2012048987A1
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WO
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nozzles
steam turbine
impeller
steam
stator
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/066218
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nadja Eisenmenger
Manfred Schmitt
Ilona Krinn
Bernd Banzhaf
Juergen Hilzinger
Juergen Stegmaier
Patrick Glaser
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Priority to US13/879,564 priority patent/US20130205783A1/en
Priority to EP11757648.8A priority patent/EP2627869A1/de
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/18—Final actuators arranged in stator parts varying effective number of nozzles or guide conduits, e.g. sequentially operable valves for steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
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    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/16—Purpose of the control system to control water or steam injection

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine, in particular for waste heat utilization of an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • the steam turbine according to the invention with the features of the independent claim has the advantage that a particularly large power spectrum can be covered by the steam turbine through the use of nozzles that are designed for different load points and are independent of each other and can be switched off.
  • the different designs of the nozzles are easy and advantageous due to their geometry, the area ratio between the narrowest nozzle cross-section and outlet cross section, the approved flow cross-section and / or the angle of inclination of the nozzle to the impeller specified.
  • high load points of the internal combustion engine only the nozzle with the design for high load points can be switched on, while the other nozzle is switched off.
  • Next load points of the internal combustion engine can be covered by a combination of both nozzles. The low number of nozzles can save costs in the design and at the same time a broad performance spectrum of the internal combustion engine can be covered.
  • vapor nozzles are used for the acceleration of the vapor in the stator, since the steam can be accelerated from supersonic to supersonic through these nozzles, and a particularly high output of the steam turbine can be achieved by the high speeds.
  • the use of partially pressurized steam turbines is advantageous because the diameter of the impeller can be increased by the partial application and can be avoided by small and difficult to implement sizes of turbines.
  • a further advantage results when the nozzles of the steam turbine are switched on and off via a switching device of control valves or pinholes, as a result, a variety of possible nozzle combinations is available.
  • a switching device which is controlled by a voltage applied to the stator pressure difference, since the disconnection and connection of the nozzle can be optimally adapted to the adjacent boundary conditions. It is advisable that the switching device is actuated via a servomotor, in particular a stepper motor, since this is a simple and cost-effective implementation possibility.
  • a nozzle as a nozzle bypass, which directs the steam without accelerating on the impeller to slowly flow through the impeller during warm-up or to produce no power in Schubbertrieb the internal combustion engine.
  • a bypass implemented in this form is much less expensive than a bypass that bypasses the steam at the steam turbine.
  • the slow flow through the turbine during warm-up can prevent low-quality steam from causing damage to the impellers by recondensation.
  • freezing of the impellers may be eliminated by the warm steam prior to starting the steam turbine.
  • the nozzle which serves as a nozzle bypass
  • the direction of the steam jet changed so that no resulting torque is generated on the impeller.
  • a power output of the steam turbine is avoided in overrun operation.
  • FIG. 1 shows a steam turbine in a schematic representation according to a first embodiment
  • FIG. 2 a perspective view of a Laval nozzle
  • Figure 3 shows a steam turbine in a schematic representation according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a steam turbine with a line circuit in a schematic representation.
  • FIGS 1 and 3 show a steam turbine 10 in a schematic representation with an impeller 26, a stator 20 and a switching device 28.
  • Diffuser 20 at least two nozzles 22 are arranged, which convert the potential energy of the steam into kinetic energy in the stator 20.
  • the nozzles 22 are arranged in the stator 20 parallel to each other, so that the steam in a same plane for all nozzles 22, perpendicular to the main stream tion direction, enters and leaves the nozzles 22 in another plane, which is perpendicular to the main flow direction.
  • the nozzles 22 are arranged in a circular manner in the stator 20. It can be a fully pressurized steam turbine 10, in which the nozzles are arranged around the entire stator 20 around or a teilbeetzmannte steam turbine 10, wherein the nozzles 22 fill only parts or a sector of the circle of the stator 20.
  • the nozzles 22 are designed for different load points of the impeller 26, wherein at least one of the nozzles 22 is designed for a high load point of the impeller 26 and at least one of the nozzles 22 is designed for a low load point of the impeller 26.
  • the different design of the nozzles 22 are determined mainly by their geometry, the released flow cross section, the area ratio between the narrowest nozzle cross section and outlet cross section and / or the inclination angle of the nozzle 22 to the impeller 26.
  • the design of the individual nozzles 22 is determined on the basis of the operating conditions occurring, such as mass flow, temperature and pressure conditions. These operating conditions vary particularly strongly in a steam turbine which is used for waste heat utilization of an internal combustion engine.
  • the nozzles 22 are preferably Laval nozzles 24, as shown in Figure 2, and direct the steam accelerated to the impeller 26 of the steam turbine 10.
  • the Laval nozzles 24 are formed as rectangular channels with a converging and diverging cross-sectional profile. Due to their special shape Laval nozzles 24 are able to accelerate gas flows from subsonic to supersonic.
  • nozzles 22 may be provided for other load points of the impeller 26 or a plurality of nozzles 22 may be provided for the same load point of the impeller 26.
  • the nozzles 22 may be arranged in nozzle groups or individually in the stator 20.
  • the stator 20 is preceded by a switching device 28, which connects the nozzle 22 stator 20 independently of each other and off. Through the Heidelbergvorrich tion 28 each nozzle 22 can be opened alone, while the other nozzles 22 are closed or multiple nozzles 22 are opened simultaneously. If the nozzles 22 are arranged in nozzle groups, whole nozzle groups can also be opened or closed via the switching device 28.
  • the switching device 28 may consist of control valves 30 or from a pinhole and may be arranged in front of or behind the stator 20.
  • the switching device 28 can be regulated via a voltage applied to the stator 20 pressure difference. Depending on the applied pressure difference, one or more nozzles 22 adapted to this boundary condition are released, while other nozzles 22 are closed.
  • the switching device 28 can be actuated via a servomotor, in particular a stepping motor.
  • the actuation of the switching device 28 can be active by a servomotor or passively by the use of the applied pressure difference.
  • FIG. 3 A further embodiment is shown in Figure 3, in which in addition to the nozzles 22, which serve to accelerate the steam to the impeller 26, a further nozzle is provided, which serves as a nozzle bypass 32.
  • This nozzle bypass 32 is not designed as a Laval nozzle 24, since the nozzle bypass 32 is intended to direct the steam unaccelerated to the impeller 26.
  • the nozzle bypass 32 has in comparison to the other nozzles 22 a large flow cross-section, so that the pressure in the steam turbine 10 upstream high-pressure part degrades very quickly and the steam reaches only very small flow velocities when entering the impeller 26. Due to the low flow rates, no appreciable power output is achieved in the impeller 26.
  • the power of the impeller 26 can be further reduced when the nozzle bypass 32 changes the direction of the steam jet emerging from the nozzle bypass 32 so that no resulting torque is generated. This can be effected by an impingement of the impeller 26 in the axial direction or in the reverse direction of rotation.
  • the steam turbine 10 may also be formed as a multi-stage steam turbine 10, in which a plurality of stages of guide wheels 20 and wheels 26 are arranged one behind the other. In each of the turbine stages, the nozzles 22 of the stator 20 can be switched on and off according to the two embodiments of FIG. 1 and FIG. 3 via a switching device 28.
  • a switching device 28 for controlling the nozzles 22 may be located only in the first stage of the steam turbine 10 of stator 20 and impeller 26, which is located directly behind the steam source.
  • the nozzles 22 of the downstream stages of stator 20 and impeller 26 may be arranged so that they correspond to their positioning with the nozzles 22 of the first stage.
  • the steam jet of the nozzle 22 released in the first stage should only enter the corresponding second stage nozzle 22.
  • the corresponding nozzles 22 are designed so that they achieve optimum efficiency in the adjacent boundary conditions.
  • the steam turbine 10 is particularly suitable for waste heat utilization for applications in motor vehicles. However, the steam turbine 10 of the invention is also suitable for other applications.
  • FIG. 4 shows a steam turbine 10 according to one of the previous embodiments in a line circuit 4 for waste heat utilization of an internal combustion engine 2.
  • a heat exchanger 8 In the line circuit 4, in which a working medium circulates, are a heat exchanger 8, a
  • Condenser 12 a feed pump 6 and the steam turbine 10 is arranged.
  • the internal combustion engine 2 burns fuel to generate mechanical energy.
  • the resulting exhaust gases are discharged via an exhaust system in which an exhaust gas catalyst can be arranged.
  • a line section of the exhaust system is passed through a heat exchanger 8. Heat energy from the exhaust gases or the exhaust gas recirculation is discharged in the heat exchanger 8 to the working fluid, so that the working fluid can be evaporated in the heat exchanger 8 and overheated.
  • the heat exchanger 8 of the line circuit 4 is connected via a line to the steam turbine 10. Via the line, the vaporized working fluid flows to the steam turbine 10 and drives it.
  • the steam turbine 10 has an output shaft 1 1, via which the steam turbine 10 is connected to a load.
  • a working medium water can be used or another liquid that meets the thermodynamic requirements.
  • the working medium undergoes thermodynamic changes of state as it flows through the line circuit 4.
  • the working medium is brought by the feed pump 6 to the pressure level for the evaporation.
  • the heat energy of the exhaust gas is discharged via the heat exchanger 8 to the working medium.
  • the working medium is isobarically evaporated and then overheated.
  • the steam is relaxed adiabatically in the steam turbine 10. This mechanical energy is obtained and transmitted to the shaft 1 1.
  • the working medium is then cooled in the condenser 12, liquefied and fed back to the feed pump 6.
  • the heat exchanger 8 produces the steam that is available to the steam turbine 10.
  • the steam turbine 10 must work with other boundary conditions (amount of steam, temperature, pressure) and adjust its load points accordingly. This is done by the switching on and off of the nozzles 22 in the stator 20 of the steam turbine 10, which correspond to the different load points of the internal combustion engine 2.

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Abstract

Es wird eine Dampfturbine (10), insbesondere zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2), vorgeschlagen, mit mindestens einem Laufrad (26) und mindestens einem Leitrad (20), wobei das Leitrad (20) mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Düsen (22) aufweist und die Düsen (22) für unterschiedliche Lastpunkte des Laufrades (26) ausgelegt sind und voneinander unabhängig zu- und abschaltbar sind.

Description

Beschreibung Titel
Dampfturbine
Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine, insbesondere zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus DE 42 14 775 AI ist bereits eine Dampfturbine bekannt, die bei unterschiedlichen Lastzuständen betrieben werden kann. Diese Dampfturbine zeichnet sich durch mehrere Düsengruppen gleicher Auslegung im Leitrad aus. Zur Steuerung der Dampfturbine bei unterschiedlichen Lastanforderungen wird der Dampfzufluß zu jeder Düsengruppe mit einem Regelventil eingestellt. Bei einer niedrigen Lastanforderung ist nur eine Düse oder eine Düsengruppe freigeschaltet. Bei zunehmenden Leistungsbedarf wird eine Düsengruppe nach der anderen mit Dampf beaufschlagt. Die Regelung der Dampfzufuhr geschieht dabei durch die Steuerschlitze eines Drehschiebers. Es ist auch üblich gesteuerte Regelventile einzusetzen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Dampfturbine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass durch den Einsatz von Düsen, die für unterschiedliche Lastpunkte ausgelegt sind und voneinander unabhängig zu und abschaltbar sind, ein besonders großes Leistungsspektrum durch die Dampfturbine abdeckbar ist.
Die unterschiedlichen Auslegungen der Düsen lassen sich einfach und vorteilhaft durch ihre Geometrie, das Flächenverhältnis zwischen engsten Düsenquerschnitt und Austrittsquerschnitt, den freigegebenen Strömungsquerschnitt und/oder den Neigungswinkel der Düse zum Laufrad vorgegeben.
Die Anforderung an ein großes Leistungsspektrum tritt besonders bei Dampfturbi- nen auf, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, welche in Kraftfahrzeugen betrieben wird, eingesetzt werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Betriebspunkte der Brennkraftmaschine mit den unterschiedlichen Lastpunkten des Laufrades korrespondieren. Abhängig von dem jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine variieren die Randbedingungen (Dampfmenge, Temperatur, Druck) am Eintritt in das Leitrad. Eine optimale Ausnutzung der durch die Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellten Energie, kann durch das Zu- und Abschalten von unterschiedlich ausgelegten Düsen erzielt werden, da diese an die jeweiligen Randbedingungen angepasst sind.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn eine Düse für einen hohen Lastpunkt des Laufrades und eine andere Düse für einen niedrigen Lastpunkt des Laufrades in das Leitrad integriert ist. Durch diese Maßnahme lässt sich mit nur wenigen Düsen ein besonders breites Leistungsspektrum abdecken, da für niedrige Lastpunkte der Brennkraftmaschine nur die Düse mit der Auslegung für niedrige Lastpunkte zugeschaltet sein kann, während die andere Düse abgeschaltete ist. Dagegen kann für hohe Lastpunkte der Brennkraftmaschine nur die Düse mit der Auslegung für hohe Lastpunkte zugeschaltet sein, während die andere Düse abgeschaltet ist. Weiter Lastpunkte der Brennkraftmaschine lassen sich durch eine Kombination beider Düsen abdecken. Durch die geringe Anzahl von Düsen können Kosten bei der Konstruktion gespart werden und gleichzeitig ein breites Leistungsspektrum der Brennkraftmaschine abgedeckt werden.
Zweckmäßigerweise werden für die Beschleunigung des Dampfes im Leitrad La- valdüsen eingesetzt, da sich durch diese Düsen der Dampf von Unterschall- auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigen lässt und durch die hohen Geschwindigkeiten eine besonders hohe Leistung der Dampfturbine erreicht werden kann.
Vorteilhaft ist der Einsatz von teilbeaufschlagten Dampfturbinen, da durch die Teilbeaufschlagung der Durchmesser des Laufrades erhöht werden kann und da- durch kleine und schwer zu realisierende Baugrößen von Turbinen vermieden werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Düsen der Dampfturbine über eine Schaltvorrichtung aus Regelventilen oder Lochblenden zu- und abgeschaltet werden, da dadurch eine Vielzahl von möglichen Düsenkombinationen zur Verfügung steht.
Besonders vorteilhaft ist eine Schaltvorrichtung, die über eine am Leitrad anliegende Druckdifferenz geregelt ist, da die Ab- und Zuschaltung der Düsen optimal an die anliegenden Randbedingungen angepasst werden kann. Es bietet sich an, dass die Schaltvorrichtung über einen Stellmotor, insbesondere einen Schrittmotor, betätigt wird, da dies eine einfache und kostengünstige Realisierungsmöglichkeit ist.
Vorteilhaft ist der Einsatz einer Düsen als Düsenbypass, die den Dampf unbeschleunigt auf das Laufrad leitet, um das Laufrad im Warmlauf langsam zu durchströmen oder um im Schubbertrieb der Brennkraftmaschine keine Leistung zu erzeugen. Ein in dieser Form umgesetzter Bypass ist viel kostengünstiger als ein Bypass, der den Dampf an der Dampfturbine vorbeileitet. Außerdem kann durch das langsame Durchströmen der Turbine im Warmlauf vermieden werden dass Dampf mit geringer Qualität Schäden an den Laufrädern durch Rückkondensation bewirkt. Des Weiteren können Einfrierungen an den Laufrädern durch den warmen Dampf vor der Inbetriebnahme der Dampfturbine beseitigt werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Düse, die als Düsenbypass dient, die Richtung des Dampfstrahls so verändert, dass kein resultierendes Drehmoment am Laufrad erzeugt wird. Dadurch wird eine Leistungsabgabe der Dampfturbine im Schubbetrieb vermieden.
Bei Dampfturbinen, die mehrere Stufen aus Leiträdern und Laufrädern hintereinander angeordnet haben, ist es von Vorteil, wenn die Düsen der nachgeschalteten Stufen aus Leitrad und Laufrad so angeordnet sind, dass sie von ihrer Anordnung und Auslegung mit den Düsen der ersten Stufe aus Leitrad und Laufrad kor- respondieren. Durch diese Anordnung können zusätzliche Schaltvorrichtungen in den nachgelagerten Stufen vermieden und somit Kosten eingespart werden.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz einer Dampfturbine mit den bisher genannten Eigenschaften, wenn diese in einem Leitungskreis mit Speisepumpe, Wärmetauscher und Kondensator angeordnet ist und der Wärmetauscher zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine dient und den Dampf erzeugt, der den Düsen des Leitrades zugeführt wird, da bei dieser Anwendung ein besonders breites Leistungsspektrum auftritt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Dampfturbine in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine Lavaldüse in perspektivischer Darstellung,
Figur 3 eine Dampfturbine in einer schematischen Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Figur 4 eine Dampfturbine mit einem Leitungskreis in einer schematischen Dar- Stellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren 1 und 3 zeigen eine Dampfturbine 10 in einer schematischen Darstel- lung mit einem Laufrad 26, einem Leitrad 20 und einer Schaltvorrichtung 28. Im
Leitrad 20 sind mindestens zwei Düsen 22 angeordnet, die im Leitrad 20 die potentielle Energie des Dampfes in kinetische Energie umwandeln.
Die Düsen 22 sind im Leitrad 20 parallel zueinander angeordnet, so dass der Dampf in einer für alle Düsen 22 gleichen Ebene, die senkrecht zur Hauptströ- mungsrichtung ist, eintritt und in einer anderen Ebene, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ist, die Düsen 22 verlässt. Die Düsen 22 sind kreisförmig im Leitrad 20 angeordnet. Es kann sich um eine vollbeaufschlagte Dampfturbine 10 handeln, bei der die Düsen um das gesamte Leitrad 20 herum angeordnet sind oder um eine teilbeaufschlagte Dampfturbine 10, bei der die Düsen 22 nur Teile oder einen Sektor des Kreises des Leitrades 20 ausfüllen.
Die Düsen 22 sind für unterschiedliche Lastpunkte des Laufrades 26 ausgelegt, wobei mindestens eine der Düsen 22 für einen hohen Lastpunkt des Laufrades 26 ausgelegt ist und mindestens eine der Düsen 22 für einen niedrigen Lastpunkt des Laufrades 26 ausgelegt ist.
Die unterschiedliche Auslegung der Düsen 22 werden hauptsächlich durch ihre Geometrie, den freigegebenen Strömungsquerschnitt, das Flächenverhältnis zwischen engstem Düsenquerschnitt und Austrittsquerschnitt und/oder den Neigungswinkel der Düse 22 zum Laufrad 26 bestimmt. Die Auslegung der einzelnen Düsen 22 wird anhand der auftretenden Betriebsbedingungen, wie Massenstrom, Temperatur und Druckverhältnisse bestimmt. Diese Betriebsbedingungen schwanken bei einer Dampfturbine, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine genutzt wird, besonders stark.
Die Düsen 22 sind vorzugsweise Lavaldüsen 24, wie sie in Figur 2 dargestellt sind, und leiten den Dampf beschleunigt auf das Laufrad 26 der Dampfturbine 10. Die Lavaldüsen 24 sind als rechteckige Kanäle ausgebildet mit einem konvergierenden und divergierenden Querschnittsverlauf. Durch ihre spezielle Formgebung sind Lavaldüsen 24 in der Lage Gasströmungen von Unterschall auf Überschall zu beschleunigen.
Es können weitere Düsen 22 für andere Lastpunkte des Laufrades 26 vorgesehen werden oder mehrere Düsen 22 für den gleichen Lastpunkt des Laufrades 26 vorgesehen werden. Die Düsen 22 können in Düsengruppen oder einzeln im Leitrad 20 angeordnet sein.
Dem Leitrad 20 ist eine Schaltvorrichtung 28 vorgelagert, welche die Düsen 22 Leitrad 20 voneinander unabhängig zu- und abschaltet. Durch die Schaltvorrich tung 28 kann jede Düse 22 allein geöffnet werden, während die anderen Düsen 22 geschlossen sind oder mehrere Düsen 22 gleichzeitig geöffnet werden. Sind die Düsen 22 in Düsengruppen angeordnet, so können über die Schaltvorrichtung 28 auch ganze Düsengruppen geöffnet oder geschlossen werden.
Die Schaltvorrichtung 28 kann aus Regelventilen 30 bestehen oder aus einer Lochblende und kann vor oder hinter dem Leitrad 20 angeordnet sein. Die Schaltvorrichtung 28 kann über eine am Leitrad 20 anliegende Druckdifferenz geregelt werden. Abhängig von der anliegenden Druckdifferenz, werden eine oder mehrere an diese Randbedingung angepasste Düsen 22 freigeschaltet, während andere Düsen 22 geschlossen werden. Die Schaltvorrichtung 28 kann über einen Stellmotor, insbesondere einen Schrittmotor, betätigt werden.
Ist eine Lochblende vorgesehen, so kann die Betätigung der Schaltvorrichtung 28 aktiv durch einen Stellmotor oder passiv durch die Nutzung der anliegenden Druckdifferenz erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 dargestellt, bei dem neben den Düsen 22, die zur Beschleunigung des Dampfes auf das Laufrad 26 dienen, eine weitere Düse vorgesehen ist, die als Düsenbypass 32 dient. Dieser Düsenbypass 32 ist nicht als Lavaldüse 24 ausgebildet, da der Düsenbypass 32 den Dampf unbeschleunigt auf das Laufrad 26 leiten soll. Der Düsenbypass 32 hat im Vergleich zu den anderen Düsen 22 einen großen Strömungsquerschnitt, so dass sich der Druck im der Dampfturbine 10 vorgelagerten Hochdruckteil sehr schnell abbaut und der Dampf nur sehr kleine Strömungsgeschwindigkeiten beim Eintritt in das Laufrad 26 erreicht. Durch die geringen Strömungsgeschwindigkeiten wird im Laufrad 26 keine nennenswerte Leistungsabgabe erzielt.
Die Leistung des Laufrades 26 lässt sich noch weiter reduzieren, wenn der Düsenbypass 32 die Richtung des aus dem Düsenbypass 32 austretenden Dampfstrahls so verändert, dass kein resultierendes Drehmoment erzeugt wird. Dies kann durch ein Anströmen des Laufrades 26 in axialer Richtung oder in Gegendrehrichtung bewirkt werden. Die Dampfturbine 10 kann auch als mehrstufige Dampfturbine 10 ausgebildet sein, bei der mehrere Stufen aus Leiträdern 20 und Laufrädern 26 hintereinander angeordnet sind. In jeder der Turbinenstufe können die Düsen 22 des Leitrades 20 entsprechend der beiden Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 und Fig. 3 über eine Schaltvorrichtung 28 zu- und abgeschaltet werden.
Alternativ kann sich nur in der ersten Stufe der Dampfturbine 10 aus Leitrad 20 und Laufrad 26, die sich direkt hinter der Dampfquelle befindet eine Schaltvorrichtung 28 zur Steuerung der Düsen 22 befinden. Die Düsen 22 der nachgeschalteten Stufen aus Leitrad 20 und Laufrad 26 können so angeordnet sein, dass sie von ihrer Positionierung mit den Düsen 22 der ersten Stufe korrespondieren. Dabei sollte der Dampfstrahl der in der ersten Stufe freigegeben Düse 22 nur in die korrespondierende Düse 22 der zweiten Stufe eintreten. Die korrespondierenden Düsen 22 sind so ausgelegt, dass sie einen optimalen Wirkungsgrad bei den anliegenden Randbedingungen erzielen.
Die Dampfturbine 10 eignet sich besonders zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die Dampfturbine 10 der Erfindung eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
Die Figur 4 zeigt eine Dampfturbine 10 nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele in einem Leitungskreis 4 zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 2. Im Leitungskreis 4, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert, sind ein Wärmetauscher 8, ein
Kondensator 12, eine Speisepumpe 6 und die Dampfturbine 10 angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt Brennstoff, um mechanische Energie zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Ab- gaskatalysator angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt der Abgasanlage ist durch einen Wärmetauscher 8 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen oder der Abgasrückführung wird im Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 8 verdampft und überhitzt werden kann. Der Wärmetauscher 8 des Leitungskreises 4 ist über eine Leitung mit der Dampfturbine 10 verbunden. Über die Leitung strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Dampfturbine 10 und treibt diese an. Die Dampfturbine 10 weist eine Abtriebswelle 1 1 auf, über die die Dampfturbine 10 mit einer Last verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines elektrischen Generators, einer Pumpe oder dergleichen dienen. Nach dem Durchströmen der Dampfturbine 10 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung zu einem Kondensator 12 geführt. Das über die Dampfturbine 10 entspannte Arbeitsme- dium wird im Kondensator 12 abgekühlt und kondensiert. Der Kondensator 12 kann mit einem Kühlkreislauf verbunden sein. Das im Kondensator 12 verflüssigte Arbeitsmedium wird über eine Leitung von einer Speisepumpe 6 in die Leitung zum Wärmetauscher 8 transportiert.
Durch die Speisepumpe 6 ist eine Durchlaufrichtung des Arbeitsmediums durch den Leitungskreis 4 gegeben. Somit kann den Abgasen und den Bestandteilen der Abgasrückführung der Brennkraftmaschine 2 über den Wärmetauscher 8 fortwährend Wärmeenergie entzogen werden, die in Form von mechanischer Energie an die Welle 1 1 abgegeben wird.
Als Arbeitsmedium kann Wasser eingesetzt werden oder eine andere Flüssigkeit, die den thermodynamischen Anforderungen entspricht. Das Arbeitsmedium erfährt beim durchströmen des Leitungskreises 4 thermodynamische Zustandsänderungen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Speisepumpe 6 auf das Druckniveau für die Verdampfung gebracht. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 8 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Dampfturbine 10 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Welle 1 1 übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 12 abgekühlt, verflüssigt und wieder der Speisepumpe 6 zugeführt.
Abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2 wird eine unterschiedliche Menge an Abwärme dem Wärmetauscher 8 zur Verfügung gestellt. Der Wärmetau- scher 8 produziert den Dampf der der Dampfturbine 10 zur Verfügung steht. Die Dampfturbine 10 muss abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2 mit anderen Randbedingungen (Menge von Dampf, Temperatur, Druck) arbeiten und ihre Lastpunkte entsprechend anpassen. Dies geschieht durch das Zu- und Abschalten der Düsen 22 im Leitrad 20 der Dampfturbine 10, die mit den unterschiedlichen Lastpunkten der Brennkraftmaschine 2 korrespondieren.

Claims

Ansprüche
1. Dampfturbine (10), insbesondere zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2), mit mindestens einem Laufrad (26) und mindestens einem Leitrad (20), wobei das Leitrad (20) mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Düsen (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (22) für unterschiedliche Lastpunkte des Laufrades (26) ausgelegt sind und voneinander unabhängig zu- und abschaltbar sind.
2. Dampfturbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Lastpunkte des Laufrades (26) mit unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (2) korrespondieren.
3. Dampfturbine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Auslegung der Düsen (22) durch ihre Geometrie, den freigegebenen Strömungsquerschnitt und/oder den Neigungswinkel der Düse (22) zum Laufrad (26) gegeben ist.
4. Dampfturbine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Düsen (22) für einen niedrigen Lastpunkt des Laufrades (26) ausgelegt ist und eine andere der Düsen (22) für einen hohen Lastpunkt des Laufrades (26) ausgelegt ist.
5. Dampfturbine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Düsen (22) eine Lavaldüse (24) ist.
6. Dampfturbine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (26) teilweise mit Dampf beaufschlagt ist.
7. Dampfturbine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (22) über eine Schaltvorrichtung (28) aus Regelventilen (30) oder Lochblenden zu- und abgeschaltet werden.
8. Dampfturbine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (28) über eine am Leitrad (20) anliegende Druckdifferenz geregelt ist.
9. Dampfturbine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Düsen (22) als Düsenbypass (32) dient, die den Dampf unbeschleunigt auf das Laufrad (26) leitet.
10. Dampfturbine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (22), die als Düsenbypass (32) dient, den Dampfstrahl so verändert, dass kein resultierendes Drehmoment erzeugt wird.
11. Dampfturbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrerer Stufen aus Leiträdern (20) und Laufrädern (26) hintereinander angeordnet sind.
12. Dampfturbine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (22) der nachgeschalteten Stufen aus Leitrad (20) und Laufrad (26) so angeordnet sind, dass sie von ihrer Auslegung mit den Düsen (22) der ersten Stufe aus Leitrad (20) und Laufrad (26) korrespondieren.
13. Dampfturbine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Leitungskreis (4) dadurch gekennzeichnet, dass im Leitungskreis (4) eine Speisepumpe (6), ein Wärmetauscher (8), und ein Kondensator (12) angeordnet sind, das der Wärmetauscher (8) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2) dient und den Dampf erzeugt, der den Düsen (22) des Leitrades (20) zugeführt wird.
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