CH432130A - Abgasturbine für Kolbenbrennkraftmaschinen - Google Patents

Description

      Abgasturbine    für     Kolbenbrennkraftmaschinen       <B>1</B>  Die Erfindung     betrifft        eine    Abgasturbine für die Ver  wertung der aus einer     Kolbenbrennkraftmaschine    kom  menden Abgasströme mit einer konzentrisch um den  oder seitlich vor dem Turbinenläufer angeordneten Aus  gleichskammer, in welche die einzelnen Abgasströme zur  Erzielung einer Umlaufströmung durch in einer achs  normalen Ebene     .liegende    Stutzen     tangential    eingeführt  und dadurch deren Druckschwankungen weitgehend aus  geglichen werden.  



  Derartige     Ausgleichskammern    sind an sich bekannt.  In ihnen sollen die infolge stossweise anfallender Abgas  mengen sich einstellenden     Drudkpulsationen    weitgehend  ausgeglichen und damit die Voraussetzungen erfüllt wer  den, dass die für kontinuierliche     Beaufschlagung    mit  konstantem Druck ausgelegte Turbine die ihr zugeführte  Abgasmenge mit bestem     Wi & ungsgrad    verarbeitet. Ge  gen solche     Druckschwankungen    ist besonders die Zen  tripetal-Turbine empfindlich, was der Grund dafür sein  mag, dass die bekannten Anordnungen vornehmlich für  in zentripetaler Richtung durchströmte Turbinen vorge  sehen waren.  



  Die     bekannten        Ausgleichskammern    bestehen entwe  der aus einem Ringkanal mit im Grundriss etwa ellipti  schem Kanalverlauf oder aus einem den Turbinenrotor  konzentrisch     umschliessenden    Ringkanal mit einem     äus-          sern    Durchmesser, der etwa doppelt so gross ist wie der  des Rotors. Bei der     kanalartigen    Ausgleichskammer er  geben sich von vornherein grosse Wandoberflächen und  dementsprechend grosse     Abstrahlungs-    und Reibungs  verluste.

   Aber auch bei der bekannten Ringkammer er  geben sich beträchtliche Strömungswege und dement  sprechend ein grosser Wärmeübergang vom heissen  Treibgas auf die Kammerwand, weil jenes auf     Spiral-          bahnen    mit mehreren Rundläufen den Ringkanal durch  strömen muss, bis es in die     Schaufelkanäle    des Rotors  eintritt. In beiden Anordnungen kann somit leicht der  Fall eintreten, dass die grossen Wärme- und Reibungs  verluste den durch     Beaufschlagung    des Rotors mit  konstantem Druck erreichbaren Gewinn wieder aufhe  ben.

      Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. die durch  lange Strömungswege     bedingten    Nachteile der bekannten  Abgasturbinen zu beheben, um dadurch eine bessere  Ausnutzung der in Abgasen von     Kolbenbrennkraftma-          schinen    enthaltenen Energie     sicherzustellen.     



       Der        Erfindung    liegt dabei die     Erkenntnis    zugrunde,  dass Druckschwankungen in pulsierenden Strömungen  auch ohne     lange    Strömungswege     ausgeglichen    werden  können, wenn nur ein Aufnehmer oder Kompensations  raum in geeigneter Anordnung zur     Verfügung    steht.  



  Die Erfindung besteht demzufolge darin, dass die       tangentialen        Einströmstutzen    in nächster Nähe der Tur  binenschaufeln angeordnet sind, wodurch die Ausgleichs  kammer in einen Raum für die Hauptströmung und in  einen     Nebenraum    für eine induzierte Strömung unterteilt  wird.

   In dem     Ausgleichsraum    der Abgasturbine nach der  Erfindung können also zwei Wirbelströmungen unter  schieden werden, nämlich die von den     Abgasstössen    pe  riodisch angefachte Hauptströmung in nächster Nähe der       Turbinenbeschaufelung    und die von der     Haupströmung     in dem axial oder radial benachbarten Raum     induzierte     Nebenströmung, wobei zwischen beiden Strömungen eine  mehr oder weniger stake Trennschicht gebildet sein  kann. Zwischen beiden Strömungen erfolgt ständig ein  Energieaustausch im Sinne einer weitgehenden Egali  sierung des Gesamtdruckes.

   Die Nebenströmung enthält  im allgemeinen Gas niederer Temperatur und stellt da  durch auch eine     vorzügliche    Isolierung der Hauptströ  mung gegen Wärmeverluste dar.  



  Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Er  findung erläutert. Die Zeichnungen zeigen in       Fig.    1 einen Abgasturbolader mit einer     Axialturbine     im     Axialschnitt,          Fig.    2 einen Schnitt durch die     Ausgleichskammer    der  in     Fig.    1 gezeigten Turbine längs     Linie        1I    =     1I,          Fig.    3 Läufer und Ausgleichskammer einer Radial  turbine im     Axialschnitt,          Fig.    4 einen Schnitt längs Linie IV = IV der     Fig.    3.

    In     Fig.    1 und 2 bezeichnet 1 die Abgasturbine, deren  Läufer 2 mit axial     beaufschlagten    Schaufeln 3  bestückt ist und der den Läufer des     Radialgebläses    4      antreibt. Das durch die Leitungen 5, 6, 7     zugeführte          heisse    Abgas strömt durch die     tangential    mündenden,  düsenartig ausgebildeten     Einströmstutzen    8, 9, 10 in das  als Ausgleichskammer 11 ausgebildete     Einströmgehäuse     12.

   Diese weist eine zylindrische Verlängerung 12a auf,  an deren äusserem Ende der Bügel 13 befestigt ist, von  welchem die     axial        verstellbare    Kammerwand 14 mittels  Stange 15 und Muttern 16 gehalten wird. Der Faltenbalg  17 dient zur     Abdichtung    der Ausgleichskammer.  



  Wie aus     Fig.    1 ersichtlich, sind die     Einströmstutzen     8, 9, 10 in nächster Nähe der Turbinenschaufeln 3 an  geordnet, so dass in der     Ausgleichskammer    11 zwei  Räume unterschieden werden können, nämlich der  Raum     lla    für die Hauptströmung und der     Raum.        llb     für die von der Hauptströmung induzierte Nebenströ  mung.     Beide    Strömungen stellen sich als Wirbel mit der  Turbinenachse als     Wirbelachse    dar.  



  Bei der     Aufladung    von     Kolbenbrennkraftmaschinen,     insbesondere von     Zweitakt-Motoren,    kann es nun vor  kommen, dass z. B. im     Tevllastbetrieb    die von der       Brennkraftmaschine        dargebotenen    Abgasmengen zu ge  ring sind, um den vom Ladegebläse zu liefernden Luft  bedarf des Motors zu decken. Für solche Fälle ist es be  reits bekannt, die Abgasturbine     mit    einem besonderen  Düsensegment für die     Beaufsehlagung    mit     Druckluft    aus  zustatten, die von einem anderen Gebläse, z.

   B. einem  mechanisch vom Motor oder     elektrisch    angetriebenen  Hilfsgebläse oder von den     Kolbenunterseiten    geliefert  wird. Um dieses Hilfstreibmittel mit     gleichem    Wirkungs  grad verarbeiten zu     können,    ist es     erforderlich,    dass der  Wert     u/co    der     Hilfsdüse    gleich demjenigen der Abgas  düsen ist, d. h. bei Verwendung von     kalter    Luft als       Hilfstreibmittel    muss der Druck entsprechend höher be  messen werden.

   Das hat jedoch zur Folge, dass die Lauf  schaufeln bei jedem Umlauf im Bereich der     Hilfsdüse     mit höherem Druck     beaufschlagt    werden und dadurch zu  Schwingungen erregt werden können, die leicht zu  Dauerbrüchen führen.  



  Die     Ausgleichskammer    gemäss vorliegender Erfin  dung erweist sich nun auch in diesem Falle als vorteil  haft für die     Einbringung    bzw. Verwendung eines Hilfs  treibmittels.     Fig.    2     zeigt    die     Hilfsdüse    18, durch die von  dem Hilfsverdichter 19, z. B. den Kolbenunterseiten des  Motors 20     gelieferte    Luft     tangential    eingeführt wird.     Da     diese Luft sich in der Hauptströmung mit den Abgasen  vermischt, ist der Ausgleich von Druck und Temperatur  mit den heisseren Abgasen weitgehend sichergestellt.  



  In der Darstellung der     Fig.    2 liegen die düsenartigen       Einströmstutzen    8, 9, 10 verhältnismässig dicht beiein  ander. Sie können jedoch auch in     punktsymmetrischer          Verteilung,    d. h. also mit gleichen Abständen über dem  Umfang     verteilt,    angeordnet sein.

   In beiden     Anordnun-          gen    werden - infolge der     tangentialen        Einströmung      die einzelnen Auspuffstösse sich gegenseitig     fördern.    wo  bei im Falle der     Fig.    2 auch von dem Kaltluftstrom eine       Förderwirkung    auf den aus dem Stutzen 8 kommenden  Abgasstrom erzielt wird.  



  Die     Fig.    3 und 4 zeigen die Erfindung in Anwendung  bei einer     Zentripetalturbine    21 mit dem Rotor 22 und  den Schaufeln 23. Der Rotor 22 ist von der ringförmigen  Ausgleichskammer 24 umschlossen, die     zugleich    das     Ein-          strömgehäuse    mit den     tangential    mündenden Einström-         stutzen    25     darstellt,    von denen wiederum mehrere ne  beneinander oder über den Umfang in gleichen Abstän  den verteilt     angeordnet    sein können.

   Wie die Zeichnung       erkennen    lässt, liegen auch diese in nächster Nähe der  Turbinenschaufeln 23, so dass der Nebenraum 24b den  Raum     24a    für die Hauptströmung     umschliesst.    Um zu  verhindern,     dass    die eintretenden Gasstrahlen bis in den  Nebenraum 23b vordringen, sind die Leitflächen 26 vor  gesehen, die sich entweder nur über den Bereich der  Einströmung     oder    über den ganzen Umfang erstrecken.

    Es ist ohne weiteres verständlich, dass auch bei einer  solchen     Zentripetalturbine    neben den     Heissgasstutzen    zu  sätzlich     Hilfsdüsen    für die Einspeisung     eines        zusätzlichen     Treibmittels vorgesehen sein können. Abschliessend sei  noch     erwähnt,    dass die gezeigten Ausführungsbeispiele  keine     Leitschaufeln    vor den     Laufschaufeln    verwenden,  da die in deren Kanäle eintretende Strömung bereits eine  geeignete     Umfangskomponente    aufweist.

   Trotzdem könn  te aber auch zur etwaigen Korrektur von Strömungs  richtungen ein     besonderer    Leitapparat vorgesehen wer  den.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Abgasturbine für die Verwertung der aus einer Kol- benbrennkraftmaschine kommenden Abgasströme, mit einer konzentrisch um den oder seitlich vor dem Turbi nenläufer angeordneten Ausgleichskammer, in welche die einzelnen Abgasströme zur Erzielung einer Umlaufströ mung durch in einer achsnormalen Ebene liegende Stut zen tangential eingeführt u.

   dadurch deren Druckschwan kungen weitgehend ausgeglichen werden, dadurch ge kennzeichnet, dass die tangential mlündenden Einström- stutzen (8, 9, 10) in nächster Nähe der Turbinenschaufeln (3) angeordnet sind, wodurch die Ausgleichskammer (11) in einen Raum (11a) für die Hauptströmung und in einen Nebenraum (11b) für eine induzierte Strömung un terteilt wird. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Abgasturbine nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ausgleichskammer (11) als zylin drischer Hohlraum ausgebildet ist. 2. Abgasturbine nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Volumen der Ausgleichskammer ('11) durch einen beweglichen Wandteil (14) einstellbar ist. 3. Abgasturbine nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ausgleichskammer (11) mit min destens einer Hilfsdüse (18) für das Einbringen eines Hilfstreibmittels, z. B. Luft, versehen ist. 4.

   Abgasturbine nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass auch die Hilfsdüse (18) tangential in die Ausgleich"mmer (11) mündet. 5. Abgasturbine nach Patentanspruch, gekennzeich net durch mindestens über den Bereich der Einströmung sich erstreckende Führungsflächen (26).