CS261217B2 - Přeplňovaný motor s vnitřním spalováním, obsahující turbokompresor s axiální turbinou - Google Patents

Abstract

Řešení se týká přeplňovaných motorů s vnitřním spalováním, obsahujících turbokompresor s axiální turbinou. Turbina je opatřena vstupní tvarovkou osazenou na skříni turbiny a překrývající její kolo. Vstupní tvarovka je přímo spojena s výstupem sběrače výfukových plynů a má tvar spirály, otevírající se ke kolu turbiny. Vstupní průchozí profil tvarovky pro výfukové plyny je roven výstupnímu profilu sběrače a zmenšuje se postupně podle úhlu definovaného mezi rovinou jejího otevření ke kolu turbiny a spirálovitou povrchovou křivkou, nejvzdálenější od kola turbiny, až na nulovou hodnotu.

Description

Vynález se týká přeplňovaných motorů s vnitřním spalováním, obsahujících turbokompresor s axiální turbinou, opatřenou tvarovkou osazenou na skříni turbiny a překrývající její kolo, přičemž tato vstupní tvarovka je připojena k výstupu společného sběrače výfukových plynů z jednoho nebo více válců motoru a má alespoň jeden přívodní průchod výfukových plynů k otáčivým lopatkám kola turbiny.

Je známo, například ze švýcarského patentového spisu č. 375 954, spojovat vstup turbiny poháněné výfukovými plyny s výstupem společného potrubí na vedení výfukových plynů pomocí difuzoru. Jak je popsáno v uvedeném patentovém spise, zmenšuje toto společné potrubí, v němž proudí výfukové plyny přiváděné z jednotlivých válců motoru a upravené na výstupním konci do tvaru difuzoru, rychlost plynů proudících v tomto potrubí při přeměně jejich kinetické energie na tlakovou energii, projevující se zvýšením tlaku plynů.

Pro připojení tohoto potrubí k turbině je proto zapotřebí difuzoru, zajištujícího účinnou přeměnu kinetické energie plynů a mající poměrně značnou délku, jak je zřejmé z výkresů obsažených v uvedeném patentovém spise. Z těchto výkresů lze odvodit, že difuzor by měl mít úhel otevřeni 10 až 15° nebo délku okolo 500 mm. Prostor, potřebný pro osazení takového difuzoru však značně přesahuje velikost, která je obvykle k dispozici, a to tím spíše, že vstup do turbiny je obvykle umístěn po straně. Včlenění tohoto difuzoru je tedy obtížné a někdy dokonce nemožné.

Je rovněž známo, že výfukové plyny přicházející pod tlakem ze sběrače jsou vedeny k rozdělovacím lopátkám turbiny, umístěným proti otáčivým lopatkám kola turbiny. Taková axiální turbina je například popsána ve francouzském patentovém spise č. 1 225 788. Je známo, že tyto lopatkové soustavy mají dvojí funkci, a to zrychlování proudu, a tedy tryskový účinek, a orientování proudu, tj. uzpůsobování směru dopadu na lopatky otáčivého kola turbiny.

Není-li však proudění trvalé, což je případ axiálních turbin při přeplňování impulsního typu, může se stát soustava rozdělovačích lopatek zdrojem značných ztrát v důsledku nárazů.

Je tedy žádoucí tyto rozdělovači lopatky vyloučit.

Je rovněž třeba poznamenat, že výtěžek difuzoru je velmi slabý. Rychlost plynů na výstupu ze sběrače klesá jen velmi málo se zatížením a rychlostí motoru, a to v protikladu k poměru zužitkovatelné expanze plynů, takže kinetická složka energie může tedy dosáhnout značného podílu tlakové složky při částečných zatíženích. Tato složka kinetické energie se z velké části ztrácí a přeměňuje se v teplo mezi koncem sběrače a bodem ležícím před rozdělovačem turbiny. V tomto bodě je skutečně rychlost plynu asi 3 až 4krát nižší (asi 0,1 až 0,2 Mach) než na výstupu ze sběrače, nebot difuzor a tvar vstupní tvarovky dovolují pouze velmi nedokonale měnit rychlost na tlakovou energii. V důsledku částečné ztráty energie v podobě její přeměny v teplo na výstupu ze sběrače při průchodu difuzorem a vstupní tvarovkou turbiny již není termodynamicky možné dosáhnout zrychlováním plynů v rozdělovači na jeho výstupu rychlost, kterou měly plyny původně na výstupu ze sběrače. Je tedy výhodné zrušit sestavu difuzoru a vstupní tvarovky s rozdělovačem, která je málo účinná, aby se tak mohla plně zužitkovat počáteční rychlostní složka plynů na výstupu ze sběrače.

Uvedené nedostatky odstraňuje vynález, jehož podstatou je, že vstupní tvarovka turbiny je přímo spojena s výstupem sběrače výfukových plynů a má tvar spirály otevírající se ke kolu turbiny, přičemž profil vstupní tvarovky, měřený na odvěsně pravoúhlého trojúhelníka proti úhlu vymezovanému rovinou otevření vstupní tvarovky ke kolu turbiny a spirálovou povrchovou křivkou, nejvzdálenější od kola turbiny, je na vstupu roven výstupnímu profilu sběrače a zmenšuje se ve směru vedení výfukových plynů na nulovou hodnotu ve vrcholu uvedeného úhlu.

Vstupní tvarovka nemá rozdělovači lopatky a není sdružena s difuzorem, a může přivádět do turbiny plyny, jejichž rychlost je zachována na maximální úrovni nezávisle na zařízení motoru. Podle vynálezu se tak v celkové energii, která je k dispozici, zachovává rychlostní složka kinetické energie plynů, kterou plyny měly na výstupu ze sběrače, přičemž tato složka nezávisí na zatížení a na počtu otáček motoru.

Podle dalšího znaku vynálezu vstupní tvarovka ve tvaru spirály sestává ze dvou dílů ve tvaru polovičních spirál, přiložených k sobě a prodlužujících se navzájem, a se dvěma samostatnými vstupy, z nich jeden je připojen ke sběrači jedné řady válců motoru a druhý je připojen ke sběrači druhé řady válců motoru, a přičemž každý z těchto dvou dílů se otevírá k jednomu segmentu kola turbiny.

Oba spirálové díly mohou být bud navzájem spolu spojeny, anebo izolovány jedna od druhé.

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popise na příkladech provedeni s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 schematický čelní pohled na první provedení spojovací vstupní tvarovky ve tvaru spirály, umístěné mezi sběračem výfukových plynů a přeplňovací turbinou, obr. 2 příčný řez touto spirálou, osazenou na turbnině, obr. 3 řez rozvinutou spirálou z obr. 1 a 2, obr. 4 schéma jiného provedení vstupní tvarovky ve tvaru spirály, sestávající ze dvou dílů ve tvaru poloviční spirály, navzájem přiložených k sobě a izolovaných jedna od druhé, obr. 5 podélný řez rozvinutou vstupní tvarovkou z obr. 4, obr. 6 schéma dalšího provedení vstupní tvarovky ve tvaru spirály, sestávající ze dvou dílů ve tvaru poloviční spirály, navzájem přiložených k sobě a spolu spojených, a obr. 7 podélný řez rozvinutou vstupní tvarovkou z obr. 6.

V prvním provedení spoj mezi výstupem ze sběrače výfukových plynů C a axiální turbinou 10 používá vstupní tvarovky 11 ve tvaru spirály, osazené na skříni turbiny tak, že překrývá její kolo 12, nesoucí radiální 'lopatky 13 a výšce h. Spirála má takový tvar, že průchozí profil výfukové plyny se postupně zmenšuje z hodnoty rovné výstupním profilu d_p sběrače

C podle úhlu alfa definovaného mezi rovinou F-Γ* otevření spirály ke kolu 12 turbiny 10 a spirálovitou povrchovou křivkou 14, nej vzdálenější od kola turbiny, a to až na nulovou hodnotu. Z rozvinutého řezu vstupní tvarovkou je patrné, že toto zmenšování profilu probíhá v podstatě lineárně. Uvedené uspořádání má za následek, že rychlost dopadu výfukových plynů na kolo 12 turbiny je konstantní po celém jeho obvodě.

Aby se dosáhlo přizpůsobeni různým průtokovým množstvím plynů, postupuje se odlišně, než je tomu dle známého stavu techniky. Dle známého stavu techniky se mění užitečný průřez a směr rozdělovače a profil kola je přizpůsoben trojúhelníku rychlosti existující od paty lopatky kola až k jejímu konci. Podle vynálezu se toto přizpůsobování provádí obměňováním profilu dp na vstupu do spirálovité vstupní tvarovky 11 a měněním výšky h lopatek 13 kola turbiny.

V případě motoru s vnitřním spalováním se dvěma řadami válců, uspořádanými do tvaru písmene V, je vhodné použít pro připojení turbiny k výstupům ze dvou sběračů výfukových plynů, přidružených-každý k jedné řadě válců, spirálovitou vstupní tvarovkou se dvěma vstupy, znázorněnou na obr. 4 a 5 a obr. 6 a 7. Každý vstup spirálovité vstupní tvarovky přijímá výfukové plyny ze sběrače přidruženého jedné řadě válců. V závislosti na pořadí zapalování válců a jejich počtu se použije bud dvou dílů ve tvaru polovičních spirál, přiložených k sobě a izolovaných jeden od druhého zásobících každý jeden segment kola turbiny, nebo dvou dílů ve tvaru poloviční spirály, přiložených k sobě a navzájem spolu spojených. Prvního případu se použije při dvou řadách nezávislých válců, když motor obsahuje dostatečný počet válců, například nejméně čtyři válce na řadu s pravidelným sledem zapalování. Druhého řešení se pak použije tehdy, když zapalování válců v jednotlivých řadách po sobě nenásledují pravidelně.

Na obr. 4 je schematicky znázorněna vstupní tvarovka 15, tvořená dvěma díly 16 ve tvaru poloviční spirály, přiloženými k sobě v kruhu, a mající každý vstup 17, uložený diamentrálně protilehle vůči vstupu druhého dílu 16 ve tvaru poloviční spirály. Vstup 17 každého dílu 16 ve tvaru poloviční spirály je připojen ke sběrači C, C' výfukových plynů, přidruženému jedné řadě válců motoru, uspořádaných ve tvaru písmene V. Šipky na obr. 4 ukazují dráhu, kterou procházejí výfukové plyny v každém dílu 16 ve tvaru poloviční spirály od vstupu 17 až k jeho diametrálně protilehlému konci. Obr. 5 znázorňuje schematicky rozvinutý řez oběma díly ve tvaru poloviční spirály, z něhož je zřejmé, že jsou oba izolovány jeden od druhého.

V případě provedení dle obr. 6 je vstupní tvarovka 18 mezi výstupem sběrače výfukových plynů a axiální turbinou tvořena dvěma díly 19 ve tvaru poloviční spirály, přiloženými k sobě do tvaru kruhu a navzájem spolu spojenými. Každý díl 19 ve tvaru poloviční spirály má vstup 20, přidružený ke sběrači výfukových plynů jedné řady válců, přičemž z rozvinutého řezu na obr. 7 je patrné, že každý díl 19 ve tvaru poloviční spirály je připojen na svém konci, diametrálně protilehlém vůči vstupu 20, ke druhému dílu 19 ve tvaru poloviční spirály.

předmEt vynálezu

Claims (4)

1. Přeplňovaný motor s vnitřním spalováním, obsahující turbokompresor s axiální turbinou, opatřenou vstupní tvarovkou osazenou na skříni turbiny a překrývající její kolo, přičemž tato vstupní tvarovka je připojena k výstupu společného sběrače výfukových plynů z válců motoru a má alespoň jeden přívodní průchod výfukových plynů k otáčivým lopatkám kola turbiny, vyznačený tím, že vstupní tvarovka (11, turbiny je přímo spojena s výstupem (S) sběrače (C) výfukových plynů a má tvar spirály otevírající se ke kolu (12) turbiny, přičemž profil (d) vstupní tvarovky (11) pro výfukové plyny, měřený na odvěsně pravoúhlého trojúhelníka, protilehlé vrcholu úhlu (alfa), vymezovaného rovinou (F-F) otevření vstupní tvarovky (11) ke kolu (12) turbiny a spirálovou povrchovou křivkou (14) , nejvzdálenější od kola turbiny, je na vstupu roven výstupnímu profilu (dp) sběrače a zmenšuje se ve směru vedení výfukových plynů k nulové hodnotě ve vrcholu úhlu (alfa).

2. Motor podle bodu 1, vyznačený tím, že vstupní tvarovka ve tvaru spirály sestává ze dvou dílů (16, 19) ve tvaru polovičních spirál, přiložených k sobě a prodlužujících se navzájem, a se dvěma samostatnými vstupy (17, 20), z nichž jeden je připojen ke sběrači (C) jedné řady válců' motoru a druhý je připojen ke sběrači (C') druhé řady válců motoru, a přičemž každý z těchto dvou dílů (16, 19) se otevírá k jednomu segementu (βρ s₂) kola (12) turbiny.

3. Motor podle bodu 2, vyznačený tím, že oba díly (19) ve tvaru poloviční spirály jsou navzájem spolu spojeny.

4. Motor podle bodu 2, vyznačený tím, že oba díly (16) ve tvaru poloviční spirály jsou izolovány jeden od druhého.