废气动力涡轮、废热回收系统和废热回收系统运行方法

摘要

本发明涉及一种废气动力涡轮(20)、废热回收系统(1)和用于使废热回收系统运行的方法，其中，废气动力涡轮具有：涡轮罩壳(21)；转子(23)，其可旋转地支承在涡轮罩壳中并且具有多个涡轮叶片(23a)；布置在涡轮罩壳中的导向叶栅(24)以用于控制涡轮叶片的废气流入，其中，涡轮罩壳具有多个废气进入通道(22a，22b)以用于通过导向叶栅将废气引导到涡轮叶片上，其中，各个废气进入通道彼此分离直至导向叶栅，并且其中，在每个废气进入通道中布置有压力传感器以用于测量在相应的废气进入通道中的废气压力(PI，PII)。在多发动机设备中在避免在涡轮叶片处引起振动的情况下利用本发明可实现在废热回收时改进的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种废气动力涡轮(Abgasnutzturbine)、配备有这种废 气动力涡轮的废热回收系统以及用 于使这种废热回收系统运行的方法。

背景技术

在船舶应用中在多发动机设备(Mehrmotorenanlage)(也就是说具 有多个内燃机的设备)中以彼此无关的方式实施内燃机的各个废气管 线(Abgasstrang)，从而保证，在一个废气管线中的故障对其它内燃机 的运行方式没有影响。

如果应实施带有使用废热的蒸汽涡轮和废气动力涡轮的WHR系 统(Waste-Heat-Recovery-废热回收)用于多发动机设备，则通常每个内 燃机分别设置一个废气动力涡轮。

然而，多个较小的废气动力涡轮具有在较差的效率方面(与大的废 气动力涡轮相比)和在带有多个快速运行的传动机构的较复杂的结构 方面(与大的慢速运行的废气动力涡轮相比)的缺点，另一方面带有较 高的损失和通过集中式传动机构(Sammelgetriebe)的损失。

如果在较大的废气动力涡轮或动力涡轮机(Powerturbine)之前聚 集(zusammenführen)多个废气旁路管线(Abgasbypass-Strang)，则当在不 同的负载下使内燃机运行且废气压力不同时，在内燃机的相应的废气 系统中彼此产生反作用(Rückwirkung)。

发明内容

因此本发明的目的为，提供一种废气动力涡轮、配备有这种废气 动力涡轮的废热回收系统以及用于使这种废热回收系统运行的方法， 由此在多发动机设备中在避免在涡轮叶片处引起振动 (Schwingungsinduzierung)的情况下可实现在废热回收时改进的效率。

这利用根据权利要求1的废气动力涡轮、根据权利要求7的废热 回收系统以及根据权利要求10的方法实现。在相应的从属权利要求 中定义了本发明的改进方案。

根据本发明的第一方面，提供一种用于在能量方面利用内燃机废 气的废气动力涡轮，其中，废气动力涡轮具有：涡轮罩壳；转子，其 可旋转地支承在涡轮罩壳中并且具有多个涡轮叶片；布置在涡轮罩壳 中的导向叶栅(Leitgitter)以用于控制涡轮叶片的废气流入 其中，涡轮罩壳具有多个废气进入通道 (Abgaseinlasspassage)以用于通过导向叶栅将废气引导到涡轮叶片上， 其中，各个废气进入通道彼此分离直至导向叶栅，并且其中，在每个 废气进入通道中布置有压力传感器以用于测量在相应的废气进入通 道中的废气压力；以及压力平衡器件(Druckangleichmittel)，其与压力 传感器相连接并且其设定成，使在废气进入通道(22a，22b)中的相应的 废气压力(PI，PII)相互平衡。

通过压力平衡可靠地避免在涡轮叶片处引起振动。由此可设置唯 一的这种废气动力涡轮用于多发动机设备，并且由此可更大地且以更 高的效率实施该唯一的废气动力涡轮。

按照根据本发明的废气动力涡轮的实施形式，涡轮叶片构造成未 减震的尤其地无减震线材的涡轮叶片。

在通常的涡轮中应用减震线材以用于减弱独立的(freistehend)涡 轮叶片的振动，其中，通过在线材的支承部位处的摩擦进行减震。减 震线材可被引导穿过在涡流叶片中的孔。由于该孔为涡轮叶片的薄弱 部位，常常从中出现叶片破裂，因此在孔的区域中通常以加厚的方式 构造涡轮叶片。无论如何减震线材代表对围绕涡轮叶片轮廓的流动的 干扰并且由此减小涡轮的效率。

通过根据本发明涡轮叶片构造成未减震的、尤其地无减震线材的 涡轮叶片避免了这种效率减小。

按照根据本发明的废气动力涡轮的另一实施形式，通过设定成用 于调节在各个废气进入通道中的废气压力的压力调节装置置于每个 废气进入通道之前，形成压力平衡器件，其中，相应压力传感器和相 应的压力调节装置与涡轮控制装置相连接，并且其中，涡轮控制装置 设定成，基于由各个压力传感器测得的废气压力操控相应的压力调节 装置，以使得将在所有废气进入通道中的废气压力调节到一致的 (einheitlich)理论压力水平上。

按照根据本发明的废气动力涡轮的再一实施形式，利用彼此 ≤1.0bar的废气压力调节偏差预设该一致的理论压力水平。

按照根据本发明的废气动力涡轮的再另一实施形式，每个压力调 节装置具有节流装置(Drosseleinrichtung)以用于对进入到各个废气进 入通道中的废气输入流进行节流(Drosseln)。

按照根据本发明的废气动力涡轮的另一实施形式，备选地或附加 地，每个压力调节装置具有旁路装置以用于将废气从废气输入流中分 支到各个废气输入通道中。

根据本发明的第二方面，提供一种废热回收系统，其带有：多个 内燃机，其中每个内燃机具有独立的废气管线；以及唯一的根据以上 描述的本发明的第一方面的实施形式中的一个、多个或所有的以任意 可设想的组合的废气动力涡轮，其中，内燃机的第一内燃机的废气管 线与废气动力涡轮的废气进入通道的第一废气进入通道相连接以用 于导入废气，并且其中，内燃机的第二内燃机的废气管线与废气动力 涡轮的废气进入通道的第二废气进入通道相连接以用于导入废气。

通过压力平衡可靠地避免在涡轮叶片处引起振动。通过设置唯一 的根据本发明的废气动力涡轮用于废热回收系统，可更大地且以更高 的效率实施该唯一的废气动力涡轮。

按照根据本发明的废热回收系统的实施形式，该废热回收系统此 外具有：蒸汽涡轮和在每个废气管线中的热交换器，该热交换器带有 设定成用引导废气穿过的初级管线和设定成用于提供蒸 汽的次级管线其中，各个热交换器的次级管线与蒸 汽涡轮的蒸汽输入部相连接。

按照根据本发明的废热回收系统的另一实施形式，该废热回收系 统此外具有发电机，其中，发电机的驱动轴不仅可与废气动力涡轮的 由废气动力涡轮的转子旋转驱动的输出轴引入旋转驱动连接中，而且 可与蒸汽涡轮的由蒸汽涡轮的转子旋转驱动的输出轴引入旋转驱动 连接中。

根据本发明的第三方面，提供一种用于使根据以上描述的本发明 的第二方面的实施形式的一个、多个或所有的以任意可设想的组合的 废热回收系统运行的方法，其中，该方法具有步骤：测量在废气动力 涡轮的各个废气进入通道中的废气压力，比较测得的废气压力，并且 使在废气进入通道中的各个废气压力相互平衡。

通过压力平衡可靠地避免在涡轮叶片处引起振动。通过设置唯一 的根据本发明的废气动力涡轮用于废热回收系统中，可更大地且以更 高的效率实施该唯一的废气动力涡轮。

按照根据本发明的方法的实施形式，比较测得的废气压力此外具 有确定测得的废气压力的最低废气压力，其中，其余的废气压力确定 为具有较高压力的废气压力，其中，从最低废气压力中确定理论压力 水平，并且其中，在使在废气进入通道中的各个废气压力彼此平衡时 将具有较高压力的废气压力减小到理论压力水平。

按照根据本发明的方法的另一实施形式，利用彼此≤1.0bar的废气 压力调节偏差调节(einregeln)该一致的理论压力水平。

按照根据本发明的方法的再另一实施形式，通过对进入到各个废 气进入通道中的相应的废气输入流进行节流，减小较高的压力的废气 压力。

按照根据本发明的方法的再一实施形式，备选地或附加地，通过 使废气从各个废气输入流中分支到各个废气进入通道中，减小具有较 高的压力的废气压力。

本发明明确地延伸到这样的实施形式上，即，未通过从明确地回 引权利要求得到的特征组合中给出这些实施形式，对此，可任意相互 组合本发明的公开的特征(只要其在技术上是合理的)。

总结地，发明人认识到，带有多个进气管接头(Eintrittsstutzen)， 也就是说带有与脉冲增压相似的涡流罩壳的废气动力涡轮或动力涡 轮机作为一种解决方案，其中，在涡轮导向叶栅(喷管环)之后才混合 废气流并且由此废气流不受影响，从而无反作用 (Rückwirkungsfreiheit)。

此外，发明人认识到，在脉冲增压运行中，涡轮通过废气输送的 不均匀性而在其涡轮叶片处经受较高的振动激励，因此，必需带有减 震线材或减震元件的且由此较差的效率的坚固的涡轮。

相应地，作为解决方案发明人提出，为了最好的效率，以不带减 震线材的方式构造涡轮叶片，其中，通过独立地对在单个废气通道或 废气进入通道中的压力进行节流，减小或克服通过不均匀的加载引起 的涡轮叶片的振动激励的问题，从而使废气进入通道在尽可能相同的 压力水平以及由此相同的速度水平上运行。

例如，这表现为测量在涡流之前的输入管中的相应的压力以及通 过节流和/或旁路调节来调节相应的较高压力。节流运行导致较高的废 气压力，这有利于相联接的内燃机并且导致内燃机的更好的增压，只 要最大的燃烧压力允许这样。在旁路运行中，可提高在废气中的余热， 并且在蒸汽涡轮中将其转化。

由此可得到用于至少两个内燃机的WHR系统，其包括蒸汽涡轮 和废气动力涡轮，其共同装配在带有例如发电机的管线上。此外，可 得到带有至少两个输入部(与内燃机的数量相同)的为了尽可能好的效 率不带减震线材的废气动力涡轮，两个输入部应联接在一起 (zusammenschalten)。此外，可得到带有压力测量和调节机构的调节部， 其保证，在涡轮之前的废气压力分别在相似的水平上(例如调节偏差 ＜＝1.0bar)。

附图说明

下面根据优选的实施形式并参考附图详细地描述本发明。

图1显示了标准的废热回收系统的连接原理图(Schaltbild)，

图2显示了根据本发明的实施形式的废热回收系统的连接原理 图，

图3显示了根据本发明的实施形式的废气动力涡轮的透视的部分 视图，

图4以两个透视的部分视图显示了图3的废气动力涡轮的涡轮罩 壳的在图3中的平面A处剖切的部分，

图5显示了与图2相似的视图，其中，为了更好的可见性省略了 根据本发明的废热回收系统的几个元件。

参考标号列表

1，1′  废热回收系统

10，10′内燃机

15，15′废气管线

16，16′废气排出部

20，20′废气动力涡轮

21      涡轮罩壳

22      涡轮流入罩壳

22a，22b废气进入通道

22c     分离壁

23      转子

23a     (多个)涡轮叶片

23b     输出轴

24      导向叶栅

24a     排出扩散器

25，25′热交换器

25a，25a′初级管线

25b，25b′次级管线

30a，30a′废气涡轮增压器

30b，30b′废气涡轮增压器

50，50′  内燃机

55，55′  废气管线

56，56′  废气排出部

60′      废气动力涡轮

60a，60b  压力调节装置

61a，61b  控制单元

62a，62b  阀

63a，63b  阀

65，65′  热交换器

65a，65a′初级管线

65b，65b′次级管线

70a，70a′废气涡轮增压器

70b，70b′废气涡轮增压器

75，75′  蒸汽涡轮

75a       输出轴

80，80′  发电机

81，81′  驱动轴

85        传动机构

85′      集中式传动机构

90，90′  传动机构

100       涡轮控制装置

PI，PII   废气压力

A        (截面)平面

具体实施方式

图1显示了结合在船舶(未完全示出并且未独立标记)中的标准的 废热回收系统1′的连接原理图。

图1的废热回收系统1′具有第一内燃机10′和第二内燃机50′，其 用于驱动船舶。

每个内燃机10′，50′具有：带有相应的废气排出部16′或56′(在此为 烟道)的独立的废气管线15′或55′；独立的废气动力涡轮或动力涡轮机 20′或60′，其联接到相应的所属的废气管线15′或55′处，从而废气动 力涡轮20′，60′可通过其相应的废气管线15′或55′的废气驱动；独立的 热交换器25′和65′，其结合到相应地所属的废气管线15′或55′中以用 于利用其初级管线25a′或65a′产生蒸汽；以及两个废气涡轮增压器 30a′，30b′或70a′，70b′(带有相应的废气涡轮和相应的压缩机(未独立标 记))，其联接到相应地所属的废气管线15′或55′处以用于相应的内燃 机10′或50′的涡轮增压。

此外，图1的废热回收系统1′具有蒸汽涡轮75′和发电机80′。蒸 汽涡轮75′联接到热交换器25′，65′的相应的次级管线25b′或65b′的每一 个处，从而可通过由热交换器25′，65′产生的蒸汽驱动蒸汽涡轮75′。

两个废气动力涡轮20′，60′可通过集中式传动机构85′在输出侧以 进行选择的方式(selectiv)与发电机80′的驱动轴81′旋转驱动地相连接。 蒸汽涡轮75′通过传动机构90′在输出侧连续地与发电机80′的驱动轴 81′旋转驱动地相连接。

现在，参考图2至5描述根据本发明的实施形式的结合在船舶(未 完全示出且未独立标记)中的废热回收系统1。

根据本发明的废热回收系统1具有第一内燃机10和第二内燃机 50，其用于驱动船舶。

每个内燃机10，50具有：带有多个废气管路(未独立标记)且带有相 应的废气排出部16或56(在此为烟道)的独立的废气管线15或55；独 立的热交换器25或65，其结合到相应地所属的废气管线15或55中 以用于利用其设定成用于引导废气穿过的初级管线25a或65a来产生 蒸汽；以及两个废气涡轮增压器30a，30b或70a，70b(带有相应的废气 涡轮和相应的压缩机(未独立标记))，其联接到相应地所属的废气管线 15或55处以用于相应的内燃机10或50的涡轮增压。

此外，为了在能量方面利用内燃机废气，根据本发明的废热回收 系统1具有废气动力涡轮或动力涡轮机20，其通过废气管路联接到两 个废气管线15，55处，从而可通过两个废气管线15，55的废气驱动废 气动力涡轮20。

如尤其地可在图2，3和5中看出的那样，废气动力涡轮20具有： 带有涡轮流入罩壳22的涡轮罩壳21；转子23(仅仅示意性地且部分地 示出)，其可旋转地支承在涡轮罩壳21中并且具有多个未减震的、尤 其地无减震线材的涡轮叶片23a；布置在涡轮罩壳21中的导向叶栅 24(或喷管环)以用于控制涡轮叶片23a的废气流入；以及排出扩散器 (Auslassdiffusor)24a以用于将废气从废气动力涡轮20中排出。

涡轮罩壳21的涡轮流入罩壳22具有多个废气进入通道以用于通 过导向叶栅24将废气引导到涡轮叶片23a上，其中，各个废气进入通 道彼此分离直至导向叶栅24。根据本发明的在图2至5中描述的实施 形式，涡轮罩壳21的涡轮流入罩壳22具有第一废气进入通道22a和 第二废气进入通道22b，其在直接到导向叶栅24之前不远处通过分离 壁22c在流动上相互分离。为此图4以两个透视的部分视图显示了涡 轮流入罩壳22的在图3中的平面A处剖切的近似“裤子(Hosenstück)” 而构造的部分。

第一内燃机10的废气管线15与废气动力涡轮20的第一废气进 入通道22a相连接以用于导入废气。第二内燃机50的废气管线55与 废气动力涡轮的第二废气进入通道22b相连接以用于导入废气。

虽然在图2至5中未显示出，但是在废气进入通道22a，22b的每 个中布置有压力传感器以用于测量在各个废气进入通道22a，22b中的 废气压力PI或PII(见图2)。

设定成用于调节在各个废气进入通道22a，22b中的废气压力PI或 PII的压力调节装置60a，60b置于每个废气进入通道22a，22b之前。每 个压力调节装置60a，60b具有电子的控制单元61a或61b以及第一优 选地可机电地(以“M”表示)操控的阀62a或62b以及第二优选地可 机电地(以“M”表示)操控的阀63a或63b。第一和第二阀62a，63a或 62b，63b与其所属的控制单元61a或61b电连接以用于操控。

每个压力调节装置60a，60b的第一阀62a，62b作为用于对进入到分 别相关联的废气进入通道22a或22b中的废气输入流进行节流的节流 装置起作用。每个压力调节装置60a，60b的第二阀63a，63b作为用于将 废气从废气输入流中分支到分别相关联的废气进入通道22a或22b中 的旁路装置起作用。

此外，根据本发明的废热回收系统1具有电子的涡轮控制装置 100，其与各个压力传感器电连接以用于接收信号并且与各个压力调 节装置60a，60b的控制单元61a，61b相连接以用于操控。如此设定涡轮 控制装置100，即，其基于由各个压力传感器测得的废气压力PI，PII 操控相应的压力调节装置的控制单元61a，61b，以用于将在所有废气进 入通道22a，22b中的废气压力PI，PII调节到一致的理论压力水平上。 优选地，以彼此≤0.2bar的废气压力PI，PII的调节偏差预设该一致的理 论压力水平。

结果，压力调节装置60a，60b和涡轮控制装置100形成压力平衡 器件，其与压力传感器相连接并且其设定成，使在废气进入通道 22a，22b中的相应的废气压力PI，PII相互平衡。

此外，根据本发明的废热回收系统1具有蒸汽涡轮75和发电机 80。蒸汽涡轮75的蒸汽输入部(未独立标记)通过蒸汽管路(未独立标 记)联接到热交换器25，65的相应的设定成用于提供蒸汽的次级管线 25b或65b的每一个处，从而可通过由两个热交换器25，65产生的蒸 汽驱动蒸汽涡轮75。

电机80的驱动轴81可通过传动机构85引入与废气动力涡轮20 的由废气动力涡轮20的转子23旋转驱动的输出轴23b的旋转驱动连 接中，并且可通过传动机构90引入与蒸汽涡轮75的由蒸汽涡轮75 的转子(未标记)旋转驱动的输出轴75a的旋转驱动连接中。

在所显示的实施形式中，废气动力涡轮20可通过传动机构85和 离合器(未标记)在输出侧以进行选择的方式与发电机80的驱动轴81 旋转驱动地连接并且蒸汽涡轮75可通过传动机构90在输出侧连续地 与发电机80的驱动轴81旋转驱动地连接。

按照根据本发明的用于使在图2至5中描述的废热回收系统1运 行的方法，至少实施以下步骤：

-借助于压力传感器测量在各个废气进入通道22a，22b中的废气 压力PI，PII，

-在涡轮控制装置100中比较测得的废气压力PI，PII，以及

-通过压力平衡器件使在废气进入通道22a，22b中的各个废气压 力PI，PII彼此平衡。

根据该方法，比较测得的废气压力PI，PII此外具有确定测得的废 气压力PI，PII的最低废气压力，其中，其余的废气压力确定为具有较 高压力的废气压力，其中，从最低废气压力中确定理论压力水平，并 且其中，在使在废气进入通道22a，22b中的各个废气压力PI，PII彼此 平衡时通过压力调节装置60a，60b将较高压力的废气压力减小到理论 压力水平。

根据该方法，优选地利用彼此≤0.2bar的废气压力调节偏差调整该 一致的理论压力水平。

根据该方法，优选地，通过借助于部分地关闭相关的压力调节装 置60a，60b的第一阀62a或62b来对进入带有较高压力的(多个)废气进 入通道中的废气输入流进行节流，减小具有较高的压力的废气压力。

备选地或附加地，根据该方法，优选地，通过借助于打开相关的 压力调节装置60a，60b的第二阀63a或63b来将废气从废气输入流中 分支到具有较高压力的(多个)废气进入通道中，减小具有较高的压力 的废气压力。

根据该方法，可利用彼此偏差大于50％的发动机负载使内燃机 10，50运行，其中，尽管如此在内燃机10，50方面保证唯一的与发电机 联结的废气动力涡轮20的无反馈(rückkopplungsfrei)的运行。