Verfahren zum Regulieren von Radialturbinen und Einrichtung zur Durchführung desselben. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regulieren von Radialturbinen und eine Ein- riclitun g zur Durehführung desselben.
Ce- mü13 der Erfindung- besteht das Verfahren darin, (1a13 im Ringspalt, der zwischen den Leitsehaufelaustritten und den Laufschaufel eintritten besteht, Durehströmquerschnitte ge ändert -erden. Die zur Ausübung des Verfah rens geeignete Einrichtung ist dadurch ge kennzeichnet, dass zwischen dem Leitschaufel austritt und dem Laufsehaufeleintritt ein i ingförmiges Regulierorgan eingeschaltet ist,
(las zwecks -Änderung des Dureliströmquer- sehnittes zwischen dein. Leitrad und dem Lauf rad in axialer Richtung bewegbar ist.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist die zur Ausführun o- des Verfahrens geeignete Ein- rielitung in beispielsweisen Ausführungsfor- inen dargestellt, und es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht mit teilweisem Längs schnitt eines Abgasturboladers mit Regulier organ in einem ersten Ausführungsbeispiel und Fig. ' einen Querschnitt nach den Linien 1-I und II-II der Fig. 1, Fig.3 einen Längssehnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Regulieror gan,
das sowohl den Durchströmquersehnitt zwisehen Leit- und Laufrad als auch Über- ströniöffnungen für übersehüssiges Betriebs- niitt.el, steuert.
Fig. 4. einen Längssehnitt eines Düsen triebwerkes finit. Regulierbüehse, die im Bereich zwischen den Leit- und Laufschaufeln ein zelne Ausnehmungen aufweist.
An Hand dieser Beispiele wird auch da-, Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläutert.
Zur Veranschaulichung der Erfindung dienen die Beispiele nach Fig.1 bis 4, wobei zwecks Wahrung der Übersicht in den Fig. 1 bis 3 nur einstufige innenbeaufsehlagte Ra dialturbinen mit den hierfür entsprechenden Regulierorganen als Beispiele angenommen wurden.
Die nachfolgenden Stufen mehrstufiger Turbinen können radiale oder axiale Durch- strömrichtung aufweisen, wobei im letzteren Fall das Betriebsmittel nach der ersten Stufe in die axiale Richtung umgeleitet wird. Einen solchen Fall zeigt das in Fig.4 dargestellte Düsentriebwerk mit Regulierorgan zwischen Leit- und Laufschaufeln der ersten Turbinen stufe.
Die Erfindung kann für vollbeaufschlagte wie auch für teilbeaufschlagte Turbinen ange wendet werden. Bei. den letzteren sind be kanntlich durch entsprechend geformteWVände am Düseneinlauf die nicht benötigten Düsen gruppen abgeschlossen. Durch Verschieben der Regulierbüchse verändert sich der Quer schnitt der Durchströmfläche zwischen den Leit- und Laufschaufeln. Ebenfalls kann die Erfindung Anwendung finden bei Turbinen, bei denen zwei und mehr Eintritte mit Tren nung des Zuflusses bis nun Düsenaustritt notwendig sind.
Diese Ausführungsart findet beispielsweise bei Abgasturboladern für mehr- zylindrige Dieselmotoren Anwendung. Um eine ungünstige Beeinflussung des Abgasaus- lasses einzelner Zylinder durch die Druck stösse der Abgase anderer Zylinder zu verhin dern, werden die Abgase je nach Zylinderzahl in zwei oder mehr Teilströme unterteilt. Diese Unterteilung wird bis zum Düsenaustritt. auf- r echterhalten.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 und \?, bezeichnet 1 die Leistung auf nehmende Maschine und 2 das Turbinenrad, \velches das Gebläse einer Abgas-Turboauf- ladegruppe treibt. 3 bezeichnet den Eintritt des Abgases in das Turbinengehäuse G, 4 ein trichterförmiges Umlenkbleeh und 5 die Düsen. Nach den Düsen befindet sich ein Spalt 6 und hinter diesem die Turbinenschaufeln 7. 8 ist das Gas-Sammelgehäuse und 9 der Aus trittsstutzen desselben. In den Spalt 6 greift das Ende einer axial verschiebbaren Regu lierbüchse 10.
Die Regulierbüchse ist am Mit: telteil mit einer oder mehreren eingefrästen, mit Steigung versehenen Nuten 12 versehen, in welche im Maschinenteil 17 ortsfest veran kerte Führungszapfen 11 eingreifen. In der Lagerbüchse 18 ist versehiebbar eine Regulier stange 13 gelagert. Die Regulierstange 13 weist einen Schlitz 13' auf, in welchen der Führungsstift 14 eingreift, welcher mit der Regulierbüchse 10 fest verbunden ist. 15 ist. ein Federrohr zur Abdichtung der Regulier stange 13.
Im Betrieb fliesst das Betriebsmittel in das Turbinengehäuse und wird durch das Um- lenkble.eh 4 den Düsen 5 zugeleitet. Das ganz oder teilweise expandierte Gas strömt nach Verlassen der Düse 5 in den Spalt 6, um hier auf die Energie an die Laufschaufeln 7 abzu geben. Nach Verlassen derselben wird das Gas im Sammelgehäuse 8, das auch als Spirale aus gebildet sein kann, gesammelt und dem Aus trittstut.zen 9 zugeführt. Durch axiales Ver schieben der Regulierbüehse 10 im Spalt 6 wird der Durchströmquerschnitt zwischen Leit- und Laufschaufeln verändert.
Um die Genauigkeit der Regulierung zu erhöhen und eine Verschiebung der Büchse 10 zu erleich tern, wird die axiale Bewegung durch Drehen der Büchse erreicht. Ein oder mehrere, bei- spiels reise drei ortsfeste Führungszapfen 1.1 greifen in die mit Steigung eingefrästen Nuten 12.
Durch Verschieben der Regulierstange 13 wird mittels Führ tuigsstift 1:1 die Regulier- büehse 10 gedreht. uncl gleichzeitig entspre- ehend der Steigung der Führungsnuten 1\? axial verschoben. Die axiale Verschiebung der Regulierbüehse kann aneh durch andere -Mit tel erreicht werden.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel Fig.3 haben die mit gleichen Bezugszeichen belegten Teile die analoge Bedeutung wie in Fig. 1 und beschrieben. Der zylindi-iselie Teil (Y des Gehäuses G ist dabei mit in regelmässigen Ab ständen zueinander angeordneten Öffnungen 16 versehen. Die Regulierbüelise besitzt einen Teil 10' finit gegenüber dem Teil 10 verminder tem Durchmesser, welcher an cleni Teil. aussenseits über den Öffnungen 16 anliegt.
13 ist die in der Richtung des Pfeils P hin- und lierversehiebbare Regulierstange, welche -in der Stelle 13' mit der Regulierliüelise 10 fest verbunden ist.
Durch Verschieben der Regulierbüehse 10 vermittels der Regulierstange 13 werden nach ganz freigegebenem Dtircliströinquei-sehnitt zwischen Leit- und Laufsehaufeln die Öff nungen 16 mehr oder weniger freigelegt. Diese Regulierung kommt dort in Frage, -o Be triebszustände auftreten, bei denen trotz frei gegebenem Durehströmquersehnitt zwischen Leit-; und Laufsehaufeln die Betriebsmittel- menge den Leistungsbedarf übersteigt.
Durch Einregulieren dieses (luersehnittes kann der überscliüssia-e Teil des Betriebsmittels unter Umgehung von Düse und Turbinenrad direkt dem Austrittstutzen 9 zuströmen.
Bei dem Düsentriebwerk nach Fig. 4 haben die mit gleichen Bezugszeichen belegten Teile ebenfalls die Bleiehe Bedeutung, wie in den vorangehenden Beispielen beschrieben. Der Durchströniquersehnitt zwischen Leitsehau- feln 5 und Laufsehaufeln 7 ist. durch die Regu lierbüchse 10 bei Betäti-ung der Stange 13 regulierbar. Die Regulierbüeltse spielt in deni Spalt 6, der zwischen den Leitschaufeln 5 und den Laufschaufeln 7 liegt.
Eine weitere Variante besteht darin, das in den Rin gspalt eingreifende Ende der Regu- lierlrüehse abzustufen, d. h. mit Ausschnitten 27 zu versehen (Fig. 4). Dadurch erhält man die -Möglichkeit, den Durchströmquerschnitt zwischen Leit- und Laufschaufeln längs des Umfanges in axialer Richtung verschieden gross zrt gestalten.
Die Betätigung des beschriebenen Regu lierorgans kann von Hand oder automatisch erfolgen. Die automatische Steuerung kann in Abhängigkeit der Turbinendrehzahl, der Dreh zahl der angetriebenen oder einer dritten Ma- seliine oder aber einer andern Betriebsgrösse dieser Maschinen erfolgen. Bei grösserem Wechsel des Atmosphärenzustandes während des Betriebes kann die Steuerung der Regu lierung- in Abhängigkeit von Barometerstand oder Aussentemperatur gebracht werden.
Die Vorteile der beschriebenen Regulie- rLinn' sowie ihre Wirkungsweise und Anwen dung- werden an Hand einiger Beispiele besser erkannt.
Besonders grosse Vorteile der Regulierbar keii: von Abgasturboladern ergeben sich bei ihrer Anwendung auf Motoren mit häufiger Betriebsänderung, wie Fahrzeugmotoren (Lastwagen, Überlandbusse etc.) und Flug- inotoren.
Bei unregulierbaren Abgasturboladern hängt der Aufladedruck von der sekundlich angelieferten Abgasmenge ab. Wenn. beispiels weise die Drehzahl des Motors reduziert oder mit Teillast gefahren wird, vermindert sich (leg- Abgasanfall;
der Düsenquerschnitt wird zu grob und damit sinkt das von der Turbine ausnützbare Drrrekgefälle. Der Aufladedruck sinkt so weit ab, bis Leistungsgewicht zwischen Turbine und (lebläse herrscht. -Mit dem vor geschlagenen Regulierverfahren kann durch Verringerung des Durchströmquersehnittes zwischen den Leit- und Laufschaufeln das 1)ruekgefälle so lange gesteigert werden, bis die Leistung zur Erreichung des Auflade- druekes erreicht ist..
<I>Beispiel</I><B>1:</B> Aufladung eines Fahrzeug- Dieselmotors in ständig angenähert gleicher Höhe über Meer. Das vorgeschlagene Regulier verfahren gestattet, unabhängig von der Mo torendrehzahl mit einem konstanten Auflade druck und ständig hohem Drehmoment zu fahren, was stets sehr erwünscht ist. Das An fahren geht schneller, der Motor reagiert viel rascher und es muss weniger geschaltet werden, weil der Motor infolge der Regulierung des Aufladedruckes elastischer ist. Die automati sche Regulierung wird dabei vorteilhaft in Ab hängigkeit der Motorendrehzahl gesteuert,kann aber auch ladedruelzabhängig geschehen.
Bei Vollast mit reduzierter Drehzahl und bei Teil last wird mittels der Regulierbüchse der Durchströmquerschnitt zwischen Leit- und Laufschaufeln so stark verringert, bis der volle Aufladedruek erreicht ist. Wird die Re gulierung gemäss Fig. 3 ausgebildet, so kann mit einem Handgriff durch Freilegen der Um gehungsöffnungen vor den Leitschaufeln die Aufladegruppe ausser Betrieb gesetzt werden.
<I>Beispiel ,?:</I> Aufladung eines Fahrzeug- Dieselmotors zur Überwindung grosser Höhen differenzen. Infolge Änderung des Barometer standes kommt das vorgeschlagene Regulier verfahren kombiniert mit der Mengenregulie rung gemäss Fig.3 in Frage. Bei gleichblei bendem Aufladedruck ändert sich das Druck verhältnis des Laders mit der Änderung des Barometerstandes. Zweckmässig werden die Leitschaufeln für das grösste Druckverhältnis des Laders (bei niedrigstem Barometerstand bzw. bei grösster Höhe) dimensioniert.
Beim Betrieb in den untern Höhenlagen ist, infolge des höheren Barometerstandes, das für den gleichen Aufladedruck benötigte Druckver hältnis des Gebläses kleiner, weshalb der Ab gasanfall den Leistungsbedarf übersteigt. Bei Vollast mit maximaler Drehzahl wird deshalb in den Niederungen die Regulierbüchse so weit zurückgezogen, bis genügend Querschnitt-zum Abströmen des nicht benötigten Abgases frei gelegt ist. Bei reduzierter Drehzahl oder Teil last ist der Abgasanfall geringer, weshalb der Abströmquerschnitt durch Verschieben der Regulierbüchse verkleinert. werden muss.
In der grössten Höhenlage ist der Abströmquer- schnitt ganz zu schliessen, wobei die Regulierung für die verschiedenen Be triebszustände analog Beispiel 1 nur noch durch Veränderung des Durehströmquer- sehnittes zwischen Leit- und Laufschaufeln zu erfolgen hat. Die automatische Steuerung könnte in den untern Höhenlagen vom Baro meterstand, in den obern von der vIotoren- drehzahl abhängig gemacht werden. Andere Kombinationen sind durchaus möglich. .
Method for regulating radial turbines and device for carrying out the same. The invention relates to a method for regulating radial turbines and a device for guiding the same.
According to the invention, the method consists in changing the flow cross-sections in the annular gap that exists between the guide vane outlets and the rotor blade inlet. The device suitable for performing the method is characterized in that it exits between the guide vane and an i ing-shaped regulating element is switched on at the bucket inlet,
(read, for the purpose of changing the Dureliströmquer- sehnittes between your. stator and the impeller in the axial direction.
The accompanying drawing shows the instructions suitable for carrying out the process in exemplary embodiments, and it shows:
Fig. 1 is a view with partial longitudinal section of an exhaust gas turbocharger with regulating organ in a first embodiment and Fig. 'A cross section along the lines 1-I and II-II of Fig. 1, Fig. 3 is a longitudinal section of a second embodiment with a Regulieror gan,
which controls both the flow cross-section between the guide and impeller as well as overflow openings for excess operating fluid.
Fig. 4. A longitudinal section of a jet engine finite. Regulating bushing, which has individual recesses in the area between the guide and rotor blades.
Using these examples, the method according to the invention is also explained, for example.
To illustrate the invention, the examples according to FIGS. 1 to 4 are used, with the purpose of maintaining the overview in FIGS. 1 to 3, only single-stage, internally commanded Ra dialturbinen with the corresponding regulating elements being assumed as examples.
The subsequent stages of multistage turbines can have a radial or axial flow direction, in the latter case the operating medium is diverted in the axial direction after the first stage. One such case is shown in the jet engine shown in Figure 4 with regulating member between the guide and rotor blades of the first turbine stage.
The invention can be used for fully loaded as well as for partially loaded turbines. At. The latter are known to be closed by appropriately shaped walls at the nozzle inlet, the nozzle groups that are not required. Moving the regulating bushing changes the cross-section of the flow area between the guide and rotor blades. The invention can also be used in turbines in which two or more inlets with separation of the inflow up to now a nozzle outlet are necessary.
This type of embodiment is used, for example, in exhaust gas turbochargers for multi-cylinder diesel engines. In order to prevent the exhaust gas outlet of individual cylinders from being adversely affected by the pressure surges of the exhaust gases from other cylinders, the exhaust gases are divided into two or more partial flows depending on the number of cylinders. This subdivision is up to the nozzle outlet. keep up.
According to the first exemplary embodiment, FIGS. 1 and 1, 1 denotes the power consuming machine and 2 the turbine wheel, which drives the fan of an exhaust gas turbocharger. 3 denotes the entry of the exhaust gas into the turbine housing G, 4 a funnel-shaped deflector and 5 the nozzles. After the nozzles there is a gap 6 and behind this the turbine blades 7. 8 is the gas collecting housing and 9 of the outlet nozzle from the same. The end of an axially displaceable Regu lierbüchse 10 engages in the gap 6.
The regulating bushing is provided on the central part with one or more milled grooves 12 provided with a pitch, in which guide pins 11 fixedly anchored in the machine part 17 engage. In the bearing bush 18 a regulating rod 13 is displaceably mounted. The regulating rod 13 has a slot 13 ′ in which the guide pin 14 engages, which is firmly connected to the regulating bush 10. 15 is. a spring tube for sealing the regulating rod 13.
During operation, the operating medium flows into the turbine housing and is fed to the nozzles 5 through the deflector 4. The fully or partially expanded gas flows after leaving the nozzle 5 into the gap 6 in order to give up the energy to the blades 7 here. After leaving the same, the gas is collected in the collecting housing 8, which can also be formed as a spiral, and fed to the outlet 9. By axially pushing the regulating sleeve 10 in the gap 6, the flow cross-section between the guide and rotor blades is changed.
In order to increase the accuracy of the regulation and a displacement of the sleeve 10 to erleich tern, the axial movement is achieved by rotating the sleeve. One or more, for example three, stationary guide pins 1.1 engage in the grooves 12 milled with an incline.
By moving the regulating rod 13, the regulating sleeve 10 is rotated 1: 1 by means of a guide pin. and at the same time according to the slope of the guide grooves 1 \? axially displaced. The axial displacement of the regulating sleeve can also be achieved by other means.
In the second exemplary embodiment, FIG. 3, the parts with the same reference numerals have the same meaning as in FIG. 1 and described. The cylindrical part (Y of the housing G is provided with openings 16 arranged at regular intervals from one another. The regulating bush has a part 10 'finite in relation to the part 10, which is smaller in diameter and rests on the outside of the opening 16 .
13 is the regulating rod which can be displaced back and forth in the direction of the arrow P and which is firmly connected to the regulating bar 10 at point 13 '.
By moving the regulating bushing 10 by means of the regulating rod 13, the openings 16 are more or less exposed after the Dtircliströinquei-sehnitt between the guide vanes and moving blades. This regulation comes into question there, -o Be operating conditions occur in which despite the released Durehströmquersehnitt between Leit-; and moving shovels the amount of resources exceeds the power requirement.
By regulating this (luersehnittes), the oversized part of the operating medium can flow directly to the outlet connection 9, bypassing the nozzle and turbine wheel.
In the jet engine according to FIG. 4, the parts with the same reference numerals also have the same meaning as described in the preceding examples. The transverse flow section between guide blades 5 and moving blades 7 is. adjustable by the regulating sleeve 10 when the rod 13 is actuated. The regulating bushing plays in the gap 6 which lies between the guide vanes 5 and the rotor blades 7.
Another variant consists in grading the end of the regulating gland that engages in the ring gap, i.e. H. to be provided with cutouts 27 (Fig. 4). This gives the possibility of designing the flow cross-section between guide vanes and rotor blades of different sizes along the circumference in the axial direction.
The actuation of the Regu described organ can be done manually or automatically. The automatic control can take place as a function of the turbine speed, the speed of the driven or a third machine line, or another operating variable of these machines. In the event of a major change in the atmospheric state during operation, the regulation can be controlled depending on the barometer level or outside temperature.
The advantages of the described regulator as well as its mode of action and application are better recognized with the aid of a few examples.
Particularly great advantages of the adjustable keii: of exhaust gas turbochargers arise when they are used on engines with frequent changes in operation, such as vehicle engines (trucks, intercity buses, etc.) and aircraft engines.
In the case of non-adjustable exhaust gas turbochargers, the boost pressure depends on the amount of exhaust gas delivered every second. If. for example, if the engine speed is reduced or driven with partial load, this is reduced (leg exhaust gas;
the nozzle cross-section becomes too coarse and thus the pressure gradient that can be used by the turbine decreases. The boost pressure drops until the power-to-weight ratio between the turbine and the (lebläse) prevails. -With the proposed regulation method, by reducing the flow cross section between the guide and rotor blades, the 1) backward gradient can be increased until the power is required to achieve supercharging. pressure is reached ..
<I>Example </I> <B> 1: </B> Charging of a vehicle diesel engine at constantly approximately the same height above sea level. The proposed regulation method allows regardless of the engine speed with a constant charging pressure and constantly high torque to drive, which is always very desirable. The start is faster, the engine reacts much more quickly and less need to be switched because the engine is more elastic due to the regulation of the boost pressure. The automatic cal regulation is advantageously controlled as a function of the engine speed, but can also be done depending on the loading pressure.
At full load with reduced speed and at part load, the flow cross-section between guide vanes and rotor blades is reduced by means of the regulating sleeve until the full charging pressure is reached. If the regulation is designed according to FIG. 3, the charging group can be put out of operation with a handle by exposing the bypass openings in front of the guide vanes.
<I> Example,?: </I> Charging a vehicle diesel engine to overcome great height differences. As a result of the change in the barometer status, the proposed regulation method combined with the quantity regulation according to FIG. 3 comes into question. If the boost pressure remains the same, the pressure ratio of the charger changes with the change in the barometer reading. The guide vanes are expediently dimensioned for the greatest pressure ratio of the supercharger (at the lowest barometer level or at the highest altitude).
When operating in the lower altitudes, as a result of the higher barometer level, the required for the same boost pressure Druckver ratio of the fan is smaller, which is why the from gas production exceeds the power requirement. At full load at maximum speed, the regulating bushing is therefore pulled back in the depressions until sufficient cross-section is exposed to allow the exhaust gas that is not required to flow out. With reduced speed or partial load, the amount of exhaust gas is lower, which is why the outflow cross-section is reduced by moving the regulating sleeve. must become.
At the highest altitude, the outflow cross-section must be closed completely, whereby the regulation for the various operating states analogous to Example 1 only has to be done by changing the through-flow cross-section between the guide and rotor blades. The automatic control could be made dependent on the barometer level in the lower altitudes, and on the vIotor speed in the higher altitudes. Other combinations are possible. .