CH618500A5

CH618500A5 - Exhaust turbocharger unit

Info

Publication number: CH618500A5
Application number: CH261577A
Authority: CH
Inventors: Hans-Guenther Dr Ing Bozung; Dieter Dr Ing Goerlich
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1976-03-06
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2609390A1; DE2609390C2; JPS5950851B2; FR2343124B1; FR2343124A1; JPS52107427A

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasturboladeraggregat mit mindestens einer mindestens eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturboladergruppe, die zeitweilig mit Fremdenergie antreibbar ist.

Bei einer aus der DT-OS 2 120 687 bekannten Anordnung dient zur Energieversorgung der Abgasturboladergruppe beim Anfahren und im Teillastgebiet eine in die Abgas-leitung von der Kolbenbrennkraftmaschine zur Abgasturbine eingeschaltete Brennkammer. Diese Brennkammer verursacht insbesondere im Vollastbetrieb der Kolbenbrennkraftmaschine, in der sie abgeschaltet ist, Strömungsverluste in der Ab-gasleitung.

Es ist weiterhin aus der DT-OS 2 303 516 bekannt, den

Abgasturbolader zeitweilig fremd anzutreiben und hierfür einen Elektromotor oder einen Druckgasmotor zu verwenden. Dies setzt voraus, dass entweder elektrische Energie oder gespeichertes Druckgas in ausreichendem Umfang zur 5 Verfügung steht, was nicht bei allen Anwendungsfällen der Fall ist oder zumindest zusätzliche Aufwendungen erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasturboladeraggregat zu schaffen, das als Fremdenergie einen einfach speicherbaren Energieträger verwendet, bei dem jedoch 10 die zum zusätzlichen Antrieb benötigten Mittel von der Leistung abgebenden Maschine getrennt sind, so dass sie bei Vollastbetrieb nicht störend in deren Funktionen eingreifen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein mit einem Anlassmotor versehenes, einen Verdichter, eine Brennkammer und mindestens eine Gasturbine aufweisendes Gasturbinenaggregat vorgesehen ist, das Treibgas zum Fremdantrieb der Abgasturboladergruppe bzw. den Abgasturboladergruppen liefert.

20 Da das Gasturbinenaggregat auf die Lieferung einer konstanten Treibgasmenge auslegbar ist, kann es einen guten Wirkungsgrad und damit einen geringen Verbrauch aufweisen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Aufladeaggregat mit Fremdenergie längere Zeit, z. B. in Bereichen 25 niedriger Last einer Kolbenbrennkraftmaschine, betrieben wird. Ausserdem ist für das Gasturbinenaggregat dann keine Regelung erforderlich.

Die Erfindung ist nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt

30 Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Turbinen des zweistufigen Abgasturboladeraggregates nach Fias §ur ^

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt einer anderen Ausführungsform und

Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles.

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Die Anordnung gemäss Fig. 1 umfasst eine Kolbenbrennkraftmaschine 1, insbesondere einen Dieselmotor, die Leistung abgibt. Die Kolbenbrennkraftmaschine 1 weist eine Abgassammelleitung 2 auf, die zu einer Hochdruckabgasturbine 3 des Turboladeraggregates führt. Der Auslass der 45 Hochdruckabgasturbine 3 steht über einen Kanal 4 mit dem Einlass einer Niederdruckabgasturbine 5 in Verbindung. Die Hochdruckabgasturbine 3 weist eine gemeinsame Welle 6 mit einem Hochdruckverdichter 7 auf. In gleicher Weise ist die Niederdruckabgasturbine 5 über eine Welle 8 mit einem 50 Niederdruckverdichter 9 gekuppelt. Der Auslass des Niederdruckverdichters 9 steht mit dem Einlass des Hochdruckverdichters 7 über eine Leitung 10 und über einen Zwischenkühler 33, der beim Anfahren und bei Teillast umgangen ist, in Verbindung. An den Auslass des Hochdruckverdichters 7 55 ist eine Ladeluftleitung 11 angeschlossen, die zu den Zylindern der Kolbenbrennkraftmaschine 1 führt und einen weiteren, ebenfalls zeitweilig umgehbaren Kühler 34 aufnimmt.

Weiterhin ist ein Gasturbinenaggregat vorgesehen, das ^ einen Verdichter 12 und eine Gasturbine 13 aufweist, die über eine gemeinsame Welle 14 miteinander verbunden sind. In die den Auslass des Verdichters, der aus der freien Luft ansaugt, mit der Gasturbine 13 verbindende Leitung 15 ist eine Brennkammer 16 eingeschaltet. Zum Anlassen des Ag-65 gregates dient ein mit der Welle 14 verbundener Anlassmotor 17, beispielsweise ein Elektromotor.

Der Auslass der Gasturbine 13 ist über eine Leitung 18 mit der Hochdruckabgasturbine 3 verbunden. Die Leitung p

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18 führt zu einem Teilsegment eines festen Leitschaufelringes 19, hinter dem die Schaufeln 20 des Läufers 21 der Hochdruckabgasturbine 3 umlaufen. Dabei erstreckt sich das an die Leitung 18 anschliessbare Teilsegment über etwa 10 bis 15 % des Leitschaufelringes 19 und ist an beiden Enden 5 gegenüber dem restlichen Teil des Leitschaufelringes 19 durch nicht dargestellte Querwände abgeschlossen. An die Schaufeln 20 schliesst sich der ringförmig um die Welle 6 verlaufende Kanal 4 an, der zu einem weiteren Leitschaufelring 23 der Niederdruckabgasturbine 5 führt, die wiederum einen Läufer io 24 mit Schaufeln 25 aufweist. Von der Niederdruckabgas-turbine 5 führt eine Leitung 26 durch einen Luftvorwärmer 27 ins Freie. In die Leitung 26 mündet eine weitere Leitung 28, die unter Umgehung des Luftvorwärmers 27 ebenfalls ins Freie führt. In jeder der beiden Leitungen 26, 28 ist ein Ab- 15 sperrelement 29, 30 vorgesehen, mit dem wahlweise eine der beiden Leitungen geöffnet und gleichzeitig die andere geschlossen werden kann. Durch den Luftvorwärmer 27 führt weiterhin eine Leitung 31, mit der der Niederdruckverdichter 9 seine Luft aus dem Freien ansaugt. 20

Am turbinenseitigen Ende der Leitung 18 ist eine Umschaltklappe 32 vorgesehen, die in der in Fig. 2 wiedergegebenen Stellung den Durchtritt der Treibgase zum Teilsegment des Leitschaufelringes 19 freigibt. Wird die Umschaltklappe 32 in die gestrichelte Lage überführt, so sperrt sie die Leitung 25 18 ab, ermöglicht dagegen Abgasen aus der Leitung 2 zu dem Leitschaufelring 19 zu gelangen. Bei normalem Betrieb der Hochdruckabgasturbine 3 ausschliesslich mit Abgasen vom Motor werden daher die Schaufeln 20 des Läufers 21 über ihren gesamten Umfang beaufschlagt. 30

Soll die Kolbenbrennkraftmaschine 1 angelassen werden, so wird zunächst der Anlassmotor 17 betätigt und versetzt die Läufer des Verdichters 12 und der Gasturbine 13 in Bewegung. Anschliessend wird Brennstoff in der Brennkammer 16 gezündet, so dass die Gasturbine 13 mit Treibgas beaufschlagt 35 wird. Sobald eine bestimmte Mindestdrehzahl der Welle 14 erreicht ist, wird der Anlassmotor 17 abgeschaltet.

Die Treibgase der Gasturbine 13 gelangen durch die Leitung 18 zur Hochdruckabgasturbine 3. Dabei befindet sich die Umschaltklappe 32 in der in Fig. 2 wiedergegebenen 40 Stellung, so dass die Treibgase durch ein Teilsegment desLeit-schaufelringes 19 die Schaufeln 20 beaufschlagen können. Die Treibgase gelangen anschliessend durch den Kanal 4 und den Leitschaufelring 23 zu den Schaufeln 25 der Niederdruckabgasturbine 5 und treiben auch diese an. Der Leit- 4S schaufelring 23 kann auch entfallen. Sobald die Turbinen 3 und 5 laufen, beginnen auch die Verdichter 7 und 9 zu fördern. Da beim Anfahren der Kolbenbrennlcraftmaschine das Absperrelement 29 geöffnet und das Absperrelement 30 geschlossen ist, erwärmen die aus der Niederdruckabgasturbine 50 5 durch den Luftvorwärmer 27 austretenden Treibgase die durch die Leitung 31 aus dem Freien angesaugte Luft. Hierdurch wird das schnelle Anspringen und der Betrieb bei niedrigen Lasten der Kolbenbrennlcraftmaschine 1 gefördert.

Sobald die von den Verdichtern 7, 9 geförderte Ladeluft ein bestimmtes Druckverhältnis und eine bestimmte Temperatur erreicht hat, wird die Kolbenbrennkraftmaschine 1 über eine nicht dargestellte, an sich bekannte Vorrichtung angedreht. Sobald die Kolbenbrennkraftmaschine läuft, wird der Hochdruckabgasturbine 3 und damit auch der Niederdruckabgasturbine 5 nicht nur Treibgas von der Gasturbine 13, sondern auch Abgas von der Kolbenbrennkraftmaschine 1 zugeführt. Die Verdichter 7, 9 werden also in diesem Arbeitsbereich der Kolbenbrennkraftmaschine sowohl durch die Treibgase des Gasturbinenaggregates als auch durch die Ab- 65 gase des Motors angetrieben.

Erhöht sich die Belastung und die Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine 1 weiter, so wird, sobald die Maschine eine ausreichende Menge Abgas liefert, die Brennkammer 16 und damit das Gasturbinenaggregat abgeschaltet, so dass die Maschine mit normaler Abgasturboaufladung arbeitet.

Beim Hochfahren der Kolbenbrennkraftmaschine 1 wird ferner bei Überschreiten einer vorgegebenen Abgastemperatur oder Drehzahl das Absperrelement 29 geschlossen und das Absperrelement 30 geöffnet, so dass nunmehr die Abgase durch die Leitung 28 unmittelbar ins Freie austreten können.

Anstelle der in Fig. 1 und 2 gezeigten Beaufschlagung der Hochdruckabgasturbine mit den Treibgasen der Gasturbine 13 kann zum Anlauf der Abgasturboladergruppe auch die Niederdruckabgasturbine 5 beaufschlagt werden. Eine derartige Anordnung zeigt Fig. 3. Hier führt eine Abgassammelleitung 102 zu einem Leitschaufelring 119, der sich entlang des gesamten Umfanges der Schaufeln 120 eines Läufers 121 der Hochdruckabgasturbine erstreckt. Von den Schaufeln 120 führt ein ebenfalls ringförmig ausgebildeter Kanal 104 zum Leitschaufelring 123 oder unmittelbar zu den Schaufeln 125 der Niederdruckabgasturbine. Ein Teilsegment des Leitschaufelringes 123 oder eines leitschaufellosen Zuströmsegmentes kann mittels einer Umschaltklappe 132 von dem Kanal 104 abgeschlossen und an eine Leitung 118 gelegt werden, durch die Treibgas von der Gasturbine 113 geführt wird. Auch hier ist die Anordnung wiederum so getroffen,

dass beim Umschalten der Klappe 132 in die gestrichelte Stellung die Leitung 118 abgeschlossen ist und die aus den Schaufeln 120 der Hochdruckturbine austretenden Abgase den Leitschaufelring 123 über seinen vollen Umfang beaufschlagen können.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Leitung 18 so zu verzweigen, dass mit den Treibgasen der Gasturbine 13 sowohl ein Teilsegment des Leitschaufelringes 19 der Hochdruckabgasturbine 3 als auch ein Teilsegment des Leitschaufelringes 123 der Niederdruckabgasturbine 5 beaufschlagt wird.

Die Anordnung gemäss Fig. 4 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass die vom Gasturbinenaggregat, das wiederum einen Verdichter 212, eine Brennkammer 216 und eine Gasturbine 213 um-fasst, gelieferten Treibgase über eine Leitung 233 einer gesonderten Gasturbine 234 zugeführt werden. Diese Gasturbine ist mit einer Welle 208, auf der eine Niederdruckabgasturbine 205 und ein Niederdruckverdichter 209 sitzen, über eine Kupplung 235 verbunden. Der Hochdruckverdichter 207 ist ebenso ausgebildet und angeordnet wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, während die Hochdruckabgasturbine 203 ebenso wie die Niederdruckabgasturbine 205 nicht unterteilte Leitschaufelkränze aufweisen.

Bei dieser Anordnung werden weiterhin die aus der Gasturbine 234 austretenden Treibgase durch eine Leitung 236 in eine Leitung 226, durch die die Abgase der Kolbenbrennkraftmaschine 201 aus der Niederdruckabgasturbine 205 austreten, eingeleitet, so dass auch bei dieser Anordnung die Treibgase zur Erwärmung der angesaugten Luft im Luftvorwärmer 227 herangezogen werden. In die Leitung 226 mündet wiederum eine direkt ins Freie führende Leitung 228. Dabei sind beide Leitungen wechselweise mittels der Absperrelemente 229, 230 absperrbar.

Grundsätzlich bestehen auch die Möglichkeiten, die beiden Anordnungen nach Fig. 1 und 4 gemeinsam anzuwenden, so dass die von der Gasturbine 13 gelieferten Treibgase teilweise einer weiteren Gasturbine 234 und teilweise einer oder beiden Abgasturbinen zugeführt werden. Weiterhin kann die Gasturbine 234 auch anstelle mit der Niederdruckabgasturbine 205 mit der Hochdruckabgasturbine verbunden werden. Wenngleich die Ausführungsbeispiele zwei-

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stufige Abgasturboladergruppen zeigen, so ist die Erfindung Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, ist die Er-

mit gleichem Erfolg auch bei einstufigen Gruppen anwend- findung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele be-

bar. schränkt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Abgasturboladeraggregat mit mindestens einer mindestens eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturboladergruppe, die zeitweilig mit Fremdenergie antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem Anlassmotor (17) versehenes, einen Verdichter (12; 212),

eine Brennkammer (16; 216) und mindestens eine Gasturbine (13; 213, 234) aufweisendes Gasturbinenaggregat vorgesehen ist, das Treibgas zum Fremdantrieb der Abgasturboladergruppe (3, 7, 5, 9; 203, 207, 205, 209) bzw. den Abgasturboladergruppen liefert.

2. Abgasturboladeraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Treibgas liefernden Gasturbine (13) mit einem Teilsegment des Einlasses mindestens einer Abgasturbine (3, 5) verbindbar ist, während der restliche Abschnitt des Einlasses der Abgasturbine (3, 5) an eine Abgas von der Kolbenbrennkraftmaschine (1) führende Leitung (2) angeschlossen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Abgasturboladeraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Teilsegment eine Umschaltklappe (32; 132) zur wahlweisen Beaufschlagung mittels Treibgas des Gasturbinenaggregates (12, 16, 13) oder Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine (1) vorgeschaltet ist.

4. Abgasturboladeraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinenaggregat (212, 216, 213) eine zusätzliche, von der Treibgas liefernden Gasturbine (213) versorgte Antriebsturbine (234) aufweist, die mit mindestens einem Verdichter (209) der Abgasturboladergruppe in Antriebsverbindung steht.

5. Abgasturboladeraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim Start und bei Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine (1; 201) mit Treibgas und Abgas beaufschlagbarer Luftvorwärmer (27; 227) vorgesehen ist.

6. Abgasturboladeraggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Treibgas und Abgas zum Luftvorwärmer führenden Leitung (26; 226) eine ins Freie führende Leitung (28; 228) abzweigt und Absperrorgane (29, 30; 229, 230) zur wahlweisen Öffnung der ins Freie führenden Leitung oder der Leitung zum Luftvorwärmer vorgesehen sind.

7. Abgasturboladeraggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweistufige Abgasturbine und zwei Verdichterstufen aufweisende Abgasturboladergruppe (3, 7, 5, 9) vorgesehen ist und der Auslass der Treibgas liefernden Gasturbine (13) mit einem Teilsegment der Hochdruck- und/oder Niederdruckgasturbine (3, 5) verbindbar ist.