ORC-Turbinen-Generatoreinheit für Lkw-Anwendungen

Moderne Verbrennungskraftmaschinen nutzen bereits einen Großteil der thermischen Abgasenergie in Turbolader-Turbinen oder Abgasnachbehandlungssystemen. Trotz dieser Maßnahmen verbleibt immer noch eine große Menge ungenutzter thermischer Energie im Abgas. Um einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen, kann ein Organic-Rankine-Cycle-Prozess eingesetzt werden. Der Gesamtwirkungs-grad eines solchen Prozesses ist hauptsächlich von der verwendeten Expansionsmaschine abhängig. Für eine solche Anwendung wurde an der Leibniz-Universität Hannover eine einstufige Überschall-Axial-Impulsturbine mit Teilbeaufschlagung ausgelegt und gefertigt.

AUTOREN

Dipl.-Ing. Ole W. Willers ist Wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Institut für Turbomaschinen und

Fluiddynamik (TFD) der Leibniz-Universität

Hannover (LUH).

Dipl.-Ing. Harald Kunte war zum Zeitpunkt

des Forschungsvorhabens Wissenschaftlicher Mit-arbeiter am Institut für

Turbo maschinen und Fluid dynamik (TFD) der

Leibniz-Universität Hannover (LUH).

Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume

ist Leiter des Instituts für Turbomaschinen und

Fluiddynamik (TFD) der Leibniz-Universität

Hannover (LUH).© Universität Hannover

Energieeffizienz

FORSCHUNG ENERGIEEFFIZIENZ

64

1 MOTIVATION

Zukünftige Emissionsgrenzwerte stellen eine große Herausforderung für Automobilhersteller dar, den Wirkungsgrad ihrer Verbrennungs-motoren immer weiter zu erhöhen, um die Treibhausgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Eine Möglichkeit, diese Vorgaben zu erfüllen, besteht in der Gesamtwirkungsgradsteigerung der Verbrennungsmotoren durch Nutzung der im Abgas enthaltenen Restwärme. Nach [1] können bis zu 25 % der ungenutzten chemi-schen Energie durch Abgaswärmenutzung zurückgewonnen werden. Diese Energie kann sowohl in elektrische Energie, zur Unterstützung der Subsysteme, als auch in zusätzliche mechanische Energie umgewandelt werden, was zu einer reduzierten Leistungsaufnahme parasitärer Verbraucher führt.

Der Organic-Rankine-Cycle(ORC)-Prozess wurde hierfür als geeig-netstes System identifiziert, obwohl zur Maximierung der Abgabe-leistung sehr hohe Druckverhältnisse erforderlich sind [2]. Der gene-relle ORC-Prozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess basie-rend auf dem Rankine-Kreisprozess mit organischen Flüssigkeiten als Arbeitsmedium. Der Wirkungsgrad eines solchen ORC-Prozesses ist hauptsächlich von der Expansionsmaschine und dem Arbeits-medium abhängig. Für diese Untersuchungen wurde, aufgrund der erzielbaren Leistung und der Verfügbarkeit, ein Gemisch aus 95 % Wasser und 5 % Ethanol gewählt [3]. Der Wasseranteil gewährleis-tet die Korrosionsbeständigkeit des Turbinenmaterials. Die Betriebs-randbedingungen wurden für eine Lkw-Anwendung eines 12,8-l-Die-selmotors mit 375 kW Leistung definiert. Daraus ergibt sich ein Ethanolmassenstrom von bis zu 0,1 kg/s mit einer Maximaltempe-ratur von 539 K und einem maximalen Eintrittsdruck von 4000 kPa für die Expansionsmaschine.

Für Automotive-Anwendungen sind Turboexpander aufgrund ihrer kleinen Baugröße, dem geringen Gewicht und dadurch hohen spezifischen Leistung zu favorisieren [4–6]. Deshalb wurde für diese Anwendung eine einstufige Überschall-Axial-Impulsturbine mit Teilbeaufschlagung gewählt [3, 7–10]. Nach fünfjähriger Ent-wicklungszeit werden sowohl der Prototyp der Turbinen-Generator-Einheit als auch der Vergleich von experimentellen Ergebnissen und numerischen Simulationen vorgestellt.

2 PROTOTYPDESIGN

Wie bereits erwähnt, ist der Wirkungsgrad des ORC-Prozesses von der Expansionsmaschine abhängig. Aufgrund der Größe, des Gewichts, der Drehzahl und des hohen Druckniveaus wurde eine axiale Impulsturbine gewählt. Die Turbine wurde aus Packaging-Gründen und aufgrund der Forderung nach einem hohen Wirkungs-grad über einen weiten Betriebsbereich als einstufige Überschall-Impulsturbine ausgeführt [11, 12]. Die Kombination aus einstufi-ger Turbine und sehr hohen Druckverhältnissen führt zu einer Überschalldurchströmung der Turbinenstufe. Daher wurde der Strömungskanal des Turbinenstators als Lavaldüse ausgeführt, BILD 1. Die Unterschallströmung erreicht den konvergenten Stator-teil mit einem Druck von bis zu 4000 kPa, ①, und beschleunigt bis auf Schallgeschwindigkeit im Düsenhals, ②. Im divergenten Statorteil wird die Strömung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, ③, bevor diese in die Rotorpassagen eintritt, ④. Die Rotorpassengen weisen eine konstante Querschnittsfläche mit einem Reaktionsgrad von null auf, weshalb keine weitere Expan-sion im Turbinenrotor stattfindet. Zur Abdeckung des geforderten Betriebsbereichs (insbesondere der sehr kleinen Massenströme), sind sehr geringe Schaufelhöhen erforderlich.

Es wird ein Teilbeaufschlagungskonzept verwendet, um die Spalt-verluste an den Schaufelspitzen zu minimieren. Hierbei sind bei geringen Massenströmen nur zwei Statorpassagen geöffnet. Mit steigendem Massenstrom werden sukzessive weitere Passagen geöffnet. Diese Regelungsstrategie ist drehzahlunabhängig, da auf-grund der Schallgeschwindigkeit im Düsenhals der Massenstrom ausschließlich von den Eintrittsrandbedingungen am Stator abhängt. Die geometrischen Parameter der Turbinenstufe sind in TABELLE 1

1 MOTIVATION

2 PROTOTYPDESIGN

3 EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ERGEBNISSE

4 ZUSAMMENFASSUNG

①

②③

Stationär

Rotierend

Mach-Zahl3,5

2,5

1,5

0,5

④

BILD 1 Schaufelprofil und Mach-Zahl-Verteilung (50 % relative Schaufelhöhe) der Turbinenstufe (© Universität Hannover)

Energieeffizienz

Parameter Symbol Einheit Wert

Manteldurchmesser Dshroud m 0,06310

Schaufelhöhe h m 0,00343

Schaufelspalt δ m 0,00013

Rotationsgeschwindigkeit nDesign 1/min 100.000

Statorpassagen NStator – 8

Rotorpassagen NRotor – 33

Teilbeaufschlagungsgrad ε – 0,2/0,4/0,6/0,8

TABELLE 1 Geometrische Turbinenparameter (© Universität Hannover)

ATZ 10|2017 119. Jahrgang 65

zusammengefasst und die Konstruktion ist in BILD 2 dargestellt. Der Turbinenrotor wurde aus einer Titanlegierung gefertigt, um ein geringes Gewicht und die erforderliche Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. Um ein kompakte Bauform zu realisieren, ist die Tur-bine direkt mit einem Hochgeschwindigkeitsgenerator gekoppelt. Die Generatormagnete sind auf der Rotorwelle angebracht und der Turbinenrotor ist fliegend gelagert. Der Prototyp der Expansions-maschine hat eine Gesamtlänge von 285 mm und ein Gewicht von weniger als 20 kg [13].

3 EXPERIMENTELLE UND NUMERISCHE ERGEBNISSE

Die experimentellen Untersuchungen wurden auf dem Prüfstand für Aufladesysteme des TFD durchgeführt, der sich am Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) befindet. Das Doppel-brennkammersystem des Prüfstands kann mittels eines ORC-

Moduls erweitert werden, das dem Institut für Kraftwerkstechnik der Leibniz-Universität Hannover gehört. Die numerischen Simu-lationen wurden mit der kommerziellen Software Ansys CFX 14.5 durchgeführt. Der empirische Ansatz nach Aungier [14] wurde nachträglich verwendet, um die Teilbeaufschlagungsverluste zu berücksichtigen.

BILD 3 und BILD 4 stellen die experimentellen und numerischen Ergebnisse der Turbine für eine Teilbeaufschlagung von 20 % (ε = 0,2) und 40 % (ε = 0,4) dar. Der minimale Turbineneintritts-druck beträgt 2000 kPa und wird in 500-kPa-Schritten bis auf 4000 kPa für zwei und bis auf 3000 kPa für vier offene Passagen erhöht. Die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine wird in 5000/min-Schritten von 45.000 bis auf 80.000/min gesteigert. Dargestellt sind die Betriebspunkte mit der höchsten Abgabe-leistung pro Massendurchsatz. Die Turbinenleistung wird unter Berücksichtigung der parasitären Verluste, wie beispielsweise Generator- und Reibungsverluste, aus der elektrischen Generator-leistung ermittelt. Eine Turbinenleistung von 5,2 kW bei einem Wirkungsgrad von 51,8 % wird bei einem Massenstrom von 0,03 kg/s mit zwei geöffneten Passagen erzielt. Mit vier geöffne-ten Passagen kann eine maximale Turbinenleistung von 7,6 kW bei einem Turbineneintrittsdruck von 3000 kPa generiert werden. Diese Spitzenleistung wird bei einem Massenstrom von 0,05 kg/s und einem Wirkungsgrad von 57 % erreicht. Die maximale Abwei-chung der experimentellen und numerischen Ergebnisse beträgt 3,8 % für ε = 0,2 und 4,7 % für ε = 0,4 [13].

4 ZUSAMMENFASSUNG

Eine ORC-Turbinen-Generatoreinheit kann genutzt werden, um den Gesamtwirkungsgrad von Verbrennungsmotoren zu erhöhen und dadurch die Treibhausgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Die Ethanol-Betriebsrandbedingungen, die durch eine Lkw-Anwendung definiert wurden, führen zu niedrigen Mas-senströmen und einem Druckverhältnis von etwa 49. Deshalb wurde eine einstufige Überschall-Axial-Impulsturbine mit Teilbe-aufschlagung ausgelegt. Diese wurde mit einem Hochgeschwin-digkeitsgenerator gekoppelt und somit eine kompakte Turbinen-

Versperrter Bereich

Beaufschlagter Bereich

Stator Rotor

Strömungsrichtung

Rotationsrichtung

CFDExperiment

ε = 0,2ε = 0,4

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06Massenstrom m [kg/s]

0

0,4

0,5

0,6

0,7

Turb

inen

wir

kung

sgra

d η

[-]

BILD 2 Konstruktion der Turbinenstufe (© Universität Hannover)

BILD 3 Kennfeld der Turbinen-leistung – Fehlerbalken zeigen den 95-%-Konfidenzintervall der experimentellen Ergebnisse an [13] (© Universität Hannover)

FORSCHUNG ENERGIEEFFIZIENZ

66

Generatoreinheit für ORC-Lkw-Anwendungen entwickelt. Eine Spitzenleistung der Turbine von 7,6 kW und einem Wirkungsgrad von 57 % wurde erzielt, was einer potenziellen Kraftstoffeinspa-rung von 3 % entspricht. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und

kritischen rotordynamischen Effekten konnte bisher nicht der gesamte Betriebsbereich untersucht werden. Sollten diese Her-ausforderungen bewältigt werden, wäre mit dieser Anwendung eine Maximalleistung von 17 kW realisierbar.

CFDExperiment

ε = 0,2ε = 0,4

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06Massenstrom m [kg/s]

Turb

inel

eist

ung

P [

kW]

0

2

4

6

10

8

BILD 4 Kennfeld des Tubinen-wirkungsgrads – Fehlerbalken zeigen den 95-%-Konfidenzintervall der experimentellen Ergebnisse an [13] (© Universität Hannover)

ATZ 10|2017 119. Jahrgang 67

LITERATURHINWEISE[1] Bourhis, G.; Leduc, P.: Energy and Exergy Balances for Modern Diesel and Gasoline Engines. In: Oil and Gas Science and Technology (2010), Nr. 65[2] Span, R.; Eifler, W.; Struzyna, R.: Nutzung der Motorwärme durch Kreisprozesse. Abschlussbericht FVV-Vorhaben Nr. 1009, Heft R553, 2011[3] Kunte, H.; Seume, J.: Partial Admission Impulse Turbine for Automotive ORC Application. In: SAE Technical Paper, 2013[4] Oomori, H.; Ogino, S.: Waste Heat Recovery of Passenger Car Using a Combination of Rankine Bottoming Cycle and Evaporative Engine Cooling System. In: SAE Technical Paper 930880, 1993[5] Patel, P.; Doyle, W.: Compounding the Truck Diesel Engine with an Organic Rankine-Cycle System. In: SAE Technical Paper 760343, 1976[6] Freymann, R.; Strobl, W.; Obieglo, A.: Der Turbosteamer: Ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung im Automobil. In: MTZ 69 (2008), Nr. 5, S. 404–412[7] Seume, J.; Peters, M.; Kunte, H.: Design and test of a 10 kW ORC supersonic turbine generator. 11th European Turbomachinery Conference, Madrid (Spanien), 2015[8] Kunte, H.; Seume, J.: Experimental setup of a small supersonic turbine for an automotive ORC application running with ethanol. 3rd International Seminar on ORC Power Systems, Brüssel (Belgien), 2015[9] Kunte, H.; Seume, J.; Pautov, D.; Cherkasova, M.; Zabelin, N.; Olennikov, S.; Rassokhin, V.: Supersonic turbine for automotive waste heat recovery: a compa-rison of three designs of turbine blade profiles. 11th European Turbomachinery Conference, Madrid (Spanien), 2015[10] Kunte, H.; Seume, J.: Design of a turbine-generator-unit for commercial vehicle ORC applications. 12th International Conference on Turbochargers and Turbocharging, London (UK), 2012[11] Verneau, A.: Small High Pressure Ratio Turbines. In: Von Karman Institute for Fluid Dynamics, Lecture Series Nr. 7, 1987[12] Eilts, P.; Seume, J.; Brümmer, A.; Sourell, R.; Kunte, H.; Hütker, J.; Nikolov, A.: Expansionsmaschine Vorstudie: Gegenüberstellung des Anwendungspotenti-als von Hubkolben-, Rotationsverdrängermaschinen und Strömungsmaschinen

für Abwärmenutzung in einem Rankine-Kreislauf am Abgasstrang eines PKWs und eines NKWs. Abschlussbericht FVV-Vorhaben Nr. 1060, Heft R558, 2012[13] Willers, O.; Kunte, H.; Seume, J.: Supersonic Impulse Turbine for Organic Rankine Cycle (ORC) Truck Applications. 26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2017, Aachen[14] Aungier, R.: Turbine Aerodynamics: Axial-flow and radial-inflow turbine design and analysis. ASME-Press, New York (USA), 2006

DANKEDie Autoren danken Dipl.-Ing. Henning Rätz und Dipl.-Ing. Tore Fischer vom

Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik für ihren Beitrag. Diese Unter-

suchung wurde durch Industriebeiträge im Rahmen des Sonderforschungspro-

gramms CO2 der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V.

(FVV) und der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. (FVA) finanziert,

denen ebenso gedankt wird wie dem Arbeitskreis FVV Expansionsmaschine unter

der Führung von Dr.-Ing. Thomas Streule (Daimler AG). Zusätzlicher Dank gilt

dem Regionalen Rechenzentrum Niedersachen (RRZN), der Antriebstechnik und

Entwicklung GmbH, Schaeffler Technologies AG und dem britischen Tochter-

unternehmen Barden Corp. sowie Sieb & Meyer AG. Der ORC-Prüfstand wurde

teilfinanziert durch die Europäische Gemeinschaft im Rahmen einer EFRE-

Förderung und kofinanziert durch das Institut für Kraftwerkstechnik der Leibniz-

Universität Hannover, geleitet von Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf.

FORSCHUNG ENERGIEEFFIZIENZ

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