CH618500A5 - Exhaust turbocharger unit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasturboladeraggregat mit mindestens einer mindestens eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturboladergruppe, die zeitweilig mit Fremdenergie antreibbar ist. The invention relates to an exhaust gas turbocharger unit with at least one exhaust gas turbocharger group having at least one exhaust gas turbine and a compressor, which can be driven temporarily with external energy.
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. In an arrangement known from DT-OS 2 120 687, a combustion chamber connected to the exhaust gas line from the piston internal combustion engine to the exhaust gas turbine is used to supply energy to the exhaust gas turbocharger group when starting off and in the part-load region. This combustion chamber causes flow losses in the exhaust gas line, in particular when the piston internal combustion engine is in full load operation, in which it is switched off.
Es ist weiterhin aus der DT-OS 2 303 516 bekannt, den It is also known from DT-OS 2 303 516, the
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. To temporarily drive the exhaust gas turbocharger using an electric motor or a compressed gas engine. This presupposes that either sufficient electrical energy or stored compressed gas is available, which is not the case in all applications or at least requires additional expenditure.
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. The invention has for its object to provide an exhaust gas turbocharger unit that uses an easily storable energy source as external energy, but in which 10 the means required for the additional drive are separated from the power output machine, so that they do not interfere with their functions at full load operation .
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. According to the invention, this is achieved in that a gas turbine unit provided with a starter motor, a compressor, a combustion chamber and at least one gas turbine is provided, which supplies propellant gas for the external drive of the exhaust gas turbocharger group or the exhaust gas turbocharger groups.
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. 20 Since the gas turbine unit can be designed for the delivery of a constant amount of propellant gas, it can have good efficiency and thus low consumption. This is particularly advantageous if the supercharger with external energy for a long time, for. B. is operated in areas 25 low load of a piston internal combustion engine. In addition, no regulation is then required for the gas turbine unit.
Die Erfindung ist nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt The invention is explained below using some exemplary embodiments with reference to the drawing. In this shows
30 Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles; 30 Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Turbinen des zweistufigen Abgasturboladeraggregates nach Fias §ur ^ Fig. 2 is a schematic longitudinal section through the turbines of the two-stage exhaust gas turbocharger unit according to Fias §ur ^
Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt einer anderen Ausführungsform und Fig. 3 is a section corresponding to FIG. 2 of another embodiment and
Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles. Fig. 4 is a representation corresponding to FIG. 1 of a further embodiment.
40 40
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. 1 comprises a piston internal combustion engine 1, in particular a diesel engine, which outputs power. The piston internal combustion engine 1 has an exhaust manifold 2, which leads to a high-pressure exhaust gas turbine 3 of the turbocharger unit. The outlet of the 45 high-pressure exhaust gas turbine 3 is connected via a duct 4 to the inlet of a low-pressure exhaust gas turbine 5. The high-pressure exhaust gas turbine 3 has a common shaft 6 with a high-pressure compressor 7. In the same way, the low-pressure exhaust gas turbine 5 is coupled to a 50 low-pressure compressor 9 via a shaft 8. The outlet of the low-pressure compressor 9 is connected to the inlet of the high-pressure compressor 7 via a line 10 and via an intercooler 33, which is bypassed when starting up and under partial load. A charge air line 11 is connected to the outlet of the high pressure compressor 7 55 and leads to the cylinders of the piston internal combustion engine 1 and accommodates a further cooler 34, which is also temporarily bypassable.
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. Furthermore, a gas turbine unit is provided which has a compressor 12 and a gas turbine 13, which are connected to one another via a common shaft 14. A combustion chamber 16 is switched into the line 15 connecting the outlet of the compressor, which draws in from the free air, with the gas turbine 13. A starter motor 17 connected to the shaft 14, for example an electric motor, is used to start the Ag-65 unit.
Der Auslass der Gasturbine 13 ist über eine Leitung 18 mit der Hochdruckabgasturbine 3 verbunden. Die Leitung p The outlet of the gas turbine 13 is connected to the high-pressure exhaust gas turbine 3 via a line 18. The line p
3 3rd
618 500 618 500
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 18 leads to a sub-segment of a fixed guide vane ring 19, behind which the blades 20 of the rotor 21 of the high-pressure exhaust gas turbine 3 rotate. The sub-segment that can be connected to the line 18 extends over approximately 10 to 15% of the guide vane ring 19 and is closed at both ends 5 with respect to the remaining part of the guide vane ring 19 by transverse walls (not shown). Connected to the blades 20 is the channel 4, which extends in an annular manner around the shaft 6 and leads to a further guide blade ring 23 of the low-pressure exhaust gas turbine 5, which in turn has a rotor io 24 with blades 25. A line 26 leads from the low-pressure exhaust gas turbine 5 through an air preheater 27 into the open. A further line 28 opens into line 26, which also leads outside bypassing the air preheater 27. In each of the two lines 26, 28, a shut-off element 29, 30 is provided, with which one of the two lines can optionally be opened and the other can be closed at the same time. A line 31 continues through the air preheater 27, with which the low-pressure compressor 9 draws its air from the outside. 20th
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 A switchover flap 32 is provided at the turbine-side end of the line 18, which in the position shown in FIG. 2 enables the passage of the propellant gases to the sub-segment of the guide vane ring 19. If the switching flap 32 is moved into the dashed position, it shuts off the line 25 18, on the other hand, allows exhaust gases from the line 2 to reach the guide vane ring 19. During normal operation of the high-pressure exhaust gas turbine 3 exclusively with exhaust gases from the engine, the blades 20 of the rotor 21 are therefore acted upon over their entire circumference. 30th
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. If the piston internal combustion engine 1 is to be started, the starter motor 17 is first actuated and sets the rotors of the compressor 12 and the gas turbine 13 in motion. Fuel is then ignited in the combustion chamber 16, so that the gas turbine 13 is acted upon with propellant gas 35. As soon as a certain minimum speed of shaft 14 is reached, starter motor 17 is switched off.
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. The propellant gases of the gas turbine 13 pass through the line 18 to the high-pressure exhaust gas turbine 3. The switching flap 32 is in the 40 position shown in FIG. 2, so that the propellant gases can act on the blades 20 through a sub-segment of the guide vane ring 19. The propellant gases then pass through the channel 4 and the guide vane ring 23 to the vanes 25 of the low-pressure exhaust gas turbine 5 and also drive them. The guide 4S blade ring 23 can also be omitted. As soon as the turbines 3 and 5 are running, the compressors 7 and 9 also start to deliver. Since the shut-off element 29 is opened and the shut-off element 30 is closed when the piston internal combustion engine starts up, the propellant gases emerging from the low-pressure exhaust gas turbine 50 5 through the air preheater 27 heat the air sucked in from the outside through the line 31. This promotes the quick start and the operation at low loads of the piston internal combustion engine 1.
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. As soon as the charge air conveyed by the compressors 7, 9 has reached a certain pressure ratio and a certain temperature, the piston internal combustion engine 1 is turned on via a device, not shown, which is known per se. As soon as the piston internal combustion engine is running, the high-pressure exhaust gas turbine 3 and thus also the low-pressure exhaust gas turbine 5 are supplied not only with propellant gas from the gas turbine 13 but also with exhaust gas from the piston internal combustion engine 1. The compressors 7, 9 are therefore driven in this working area of the piston internal combustion engine both by the propellant gases of the gas turbine unit and by the exhaust gases from the engine.
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. If the load and the rotational speed of the piston internal combustion engine 1 continue to increase, the combustion chamber 16 and thus the gas turbine unit are switched off as soon as the engine delivers a sufficient amount of exhaust gas, so that the engine operates with normal exhaust gas turbocharging.
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. When the piston internal combustion engine 1 is started up, the shut-off element 29 is also closed and the shut-off element 30 is opened when a predetermined exhaust gas temperature or speed is exceeded, so that the exhaust gases can now escape directly through line 28 into the open.
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, Instead of the application of the propellant gases of the gas turbine 13 to the high-pressure exhaust gas turbine shown in FIGS. 1 and 2, the low-pressure exhaust gas turbine 5 can also be supplied to start the exhaust gas turbocharger group. Such an arrangement is shown in FIG. 3. Here, an exhaust manifold 102 leads to a guide vane ring 119 which extends along the entire circumference of the vanes 120 of a rotor 121 of the high-pressure exhaust gas turbine. A channel 104, which is also of annular design, leads from the blades 120 to the guide blade ring 123 or directly to the blades 125 of the low-pressure exhaust gas turbine. A partial segment of the guide vane ring 123 or an inflow segment without a guide vane can be closed off from the duct 104 by means of a changeover flap 132 and connected to a line 118 through which propellant gas is guided by the gas turbine 113. Again, the arrangement is made so
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. that when the flap 132 is switched to the dashed position, the line 118 is closed and the exhaust gases emerging from the blades 120 of the high-pressure turbine can act on the guide vane ring 123 over its full extent.
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. Of course, it is also possible to branch the line 18 so that the propellant gases of the gas turbine 13 act on both a partial segment of the guide vane ring 19 of the high-pressure exhaust gas turbine 3 and a partial segment of the guide vane ring 123 of the low-pressure exhaust gas turbine 5.
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. The arrangement according to FIG. 4 differs from the arrangement according to FIG. 1 essentially in that the propellant gases supplied by the gas turbine unit, which in turn comprises a compressor 212, a combustion chamber 216 and a gas turbine 213, are supplied via a line 233 to a separate gas turbine 234 are supplied. This gas turbine is connected to a shaft 208, on which a low-pressure exhaust gas turbine 205 and a low-pressure compressor 209 are seated, via a clutch 235. The high-pressure compressor 207 is designed and arranged in the same way as in the exemplary embodiment according to FIG. 1, while the high-pressure exhaust gas turbine 203 and the low-pressure exhaust gas turbine 205 have guide vane rings which are not divided.
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. In this arrangement, the propellant gases emerging from the gas turbine 234 are further introduced through a line 236 into a line 226 through which the exhaust gases of the piston internal combustion engine 201 emerge from the low-pressure exhaust gas turbine 205, so that in this arrangement the propellant gases for heating the sucked-in air in Air preheater 227 can be used. A line 228 leading directly into the open in turn opens into line 226. Both lines can be shut off alternately by means of shut-off elements 229, 230.
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- Basically, there are also the possibilities of using the two arrangements according to FIGS. 1 and 4 together, so that the propellant gases supplied by the gas turbine 13 are partly supplied to a further gas turbine 234 and partly to one or both exhaust gas turbines. Furthermore, the gas turbine 234 can also be connected to the high-pressure exhaust gas turbine instead of the low-pressure exhaust gas turbine 205. Although the exemplary embodiments
618 500 4 618 500 4
stufige Abgasturboladergruppen zeigen, so ist die Erfindung Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, ist die Er- stage exhaust gas turbocharger groups show how the invention is.
mit gleichem Erfolg auch bei einstufigen Gruppen anwend- findung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele be- with equal success even with single-stage groups, do not apply to the exemplary embodiments shown
bar. schränkt. bar. limits.
M M
2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings
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