CZ292035B6

CZ292035B6 - Turbína na odpadní plyny turbodmýchadla

Info

Publication number: CZ292035B6
Application number: CZ1998263A
Authority: CZ
Inventors: Marcel Meier; Martin Seiler; Claus Weisheit; Marcel Zehnder
Original assignee: Abb Schweiz Holding Ag
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2003-07-16
Also published as: DE19703033A1; JP3004616B2; CZ26398A3; EP0856639A3; KR19980070758A; EP0856639A2; JPH10220235A; US5964574A; CN1192513A

Abstract

Turb na na odpadn plyny turbodm²chadla je provedena se sk° n (2) turb ny, sest vaj c ze vstupn sk° n (3) plynu, z v²stupn sk° n (4) plynu a z alespo jedn konstruk n sou sti (5) sk° n na stran turb ny, s turb nov²m kolem (7) s ob n²mi lopatkami (8) oto n ulo en²m na h° deli (6), se vtokov²m kan lem (9) vytvo°en²m ve sk° ni (2) turb ny p°ed turb nov²m kolem (7) pro v²fukov plyny (10) spalovac ho motoru spojen ho s turbodm²chadlem, a s d²zov²m prstencem (11) uspo° dan²m ve vtokov m kan lu (9), upevn n²m ve vybr n (19) sk° n (2) turb ny a vedouc m v²fukov plyny (10) na ob n lopatky (8). D²zov² prstenec (11) sest v ze dvou upev ovac ch element (16, 17) uspo° dan²ch ve vybr n (19), kter jsou navz jem spojeny prost°ednictv m rozv d c ch lopatek (18). Mezi sk° n (2) turb ny a d²zov²m prstencem (11) je vytvo°ena dilata n sp ra (20) a v oblasti t to dilata n sp ry (20) je uspo° d no alespo jedno t sn n (22, 28). Bu v alespo jednom z upev ovac ch element (16, 17), nebo v alespo jedn sou sti sk° n (2) turb ny obklopuj c upev ovac elementy (16, 17) je vytvo°ena obvodov dr ka (21), v n je t sn n (22, 28) ulo eno.\

Description

Turbína na odpadní plyny turbodmýchadla

Oblast techniky

Vynález se týká turbíny na odpadní plyny turbodmýchadla, která má dýzový prstenec uspořádaný ve vtokovém kanálu turbíny na odpadní plyny, který zavádí pracovní médium na lopatky turbíny.

Dosavadní stav techniky

Dýzové prstence turbín na odpadní plyny turbodmýchadel jsou vysoce namáhány měnícími se provozními podmínkami, to znamená zvyšováním nebo poklesem tlaku a teploty pracovního prostředí. V závislosti na použití turbíně a odpovídajícím konkrétním podmínkám nasazení může mít pracovní médium vysoký teplotní gradient. Protože dýzový prstenec má ve srovnání sjej obklopujícími konstrukčními součástmi turbíny vždy jen nepatrnou hmotnost, podléhá relativně značným teplotním protažením.

Často je provedeno upevnění dýzového prstence ve skříni turbíny na odpadní plyny prostřednictvím jednoduchého sevření. Protože se v takovém případě dýzový prstenec nemůže příslušně protahovat, dochází k deformovacím a k trhlinám, takže takový dýzový prstenec nemá uspokojivou životnost. Proto je třeba je vyměňovat v poměrně krátkých časových intervalech, což kromě přídavných nákladů představuje také výpadek turbíny.

Z uvedených důvodů musí být mezi dýzovým prstencem a jej obklopujícími konstrukčními součástmi vytvořena dostatečně velká dilatační spára. U takového řešení však vzniká nevýhoda nikoli zanedbatelného obtokového proudění pracovního média skrz dilatační spáru. Tím může dojít k podstatnému zmenšení účinnosti turbíny.

Pro odstranění těchto nedostatků byl v souladu s EP 00 24 275-A1 vyvinut dýzový prstenec, který se může jak v axiálním, tak i v radiálním směru volně roztahovat a navzdory tomu má uzavíratelnou dilatační spáru. K tomu se provádí aretování tohoto dýzového prstence hlavně prostřednictvím pružného elementu, který dýzový prstenec na podkladě předpětí trvale zatlačuje proti sedlu ve skříni turbíny. Přitom se současně uskutečňuje utěsnění dilatační spáry.

Ukázalo se, že předpětí pružného elementu na podkladě vysokých teplot pracovního prostředí a dýzového prstence zaniká. Toto mizející předpětí pružného elementu nakonec vede k tomu, že dýzový prstenec již nedosedá na své sedlo a dilatační spára opět propouští obtokové proudění. V souladu s tím nelze ani u tohoto řešení trvale zajistit utěsnění dilatační spáry proti obtokovému proudění a tak nelze zabránit narůstajícímu zmenšení účinnosti.

Podstata vynálezu

Vynález se snaží odstranit všechny tyto nedostatky. Jeho úkolem je vytvořit dýzový prstenec pro turbínu na odpadní plyny turbodmýchadla, který by kromě zdokonalené životnosti zajišťoval také konstantní účinnost.

Uvedený úkol splňuje turbína na odpadní plyny turbodmýchadla, se skříní turbíny, sestávající ze vstupní skříně plynu, z výstupní skříně plynu a z alespoň jedné konstrukční součásti skříně na straně turbíny, s turbínovým kolem s oběžnými lopatkami otočně uloženým na hřídeli, se vtokovým kanálem vytvořeným ve skříni turbíny před turbínovým kolem pro výfukové plyny spalovacího motoru spojeného s turbodmýchadlem, a s dýzovým prstencem uspořádaným ve vtokovém kanálu, upevněným ve vybrání skříně turbíny a vedoucím výfukové plyny na oběžné lopatky,

-1 CZ 292035 B6 přičemž dýzový prstenec sestává ze dvou upevňovacích elementů uspořádaných ve vybrání, které jsou navzájem spojeny prostřednictvím rozváděčích lopatek, podle vynálezu, jehož podstatou je, že mezi skříní turbíny a dýzovým prstencem je vytvořena dilatační spára a v oblasti této dilatační spáry je uspořádáno alespoň jedno těsnění, přičemž buď v alespoň jednom z upevňovacích 5 elementů, nebo v alespoň jedné součásti skříně turbíny obklopující upevňovací elementy je vytvořena obvodová drážka, v níž je těsnění uloženo.

Při provozu turbodmýchadla umožňuje radiální dilatační spára vytvořená mezi dýzovým prstencem a skříní turbíny volné roztahování dýzového prstence jak v axiálním, tak i radiálním směru. 10 Současně je těsnění tlakem výfukových plynů spalovacího motoru spojeného s turbodmýchadlem tlačeno do drážky, čímž se dosáhne prakticky úplného utěsnění dilatační spáry. Tímto způsobem se zaručí jednak dostatečná vůle pro tepelnou roztažnost dýzového prstence a jednak dostatečné utěsnění obtokového proudění.

Zvlášť výhodné je, když je obvodová drážka uspořádána ve směru proudění výfukových plynů. Tím je možno vytvořit zvlášť velkou těsnicí plochu, což má za následek lepší utěsnění, a tudíž i vyšší účinnost turbíny.

Podle konkrétních prostorových poměrů v oblasti dýzového prstence lze uspořádat těsnění vždy 20 mezi dýzovým prstencem a buď vstupní skříní plynu, nebo konstrukční součástí skříně na straně turbíny nebo výstupní skříní plynu.

Těsnění je s výhodou vytvořeno jako lamelový kroužek. Zvlášť výhodné je provedení těsnění z dostatečně tepelně odolného materiálu, zejména z chrómniklové oceli, které je vytvořeno jako 25 dvojitý lamelový kroužek. Takové těsnění zahrnuje úhel o hodnotě 720°. Může proto bez poškození odporovat nejen vysokým teplotám až do hodnoty 750 °C, ale zabezpečuje také lepší utěsnění dilatační spáry. Tím lze ještě dále zvýšit účinnost turbíny a také zvětšit dobu životnosti dýzového prstence.

Alternativně k tomu je možné vytvořit těsnění také z dostatečně tepelně odolného materiálu jako pístní kroužek. Tím je dána další možnost utěsnění dilatační spáry, která je k dispozici v souladu s konkrétními podmínkami použití.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí, a to na podkladě radiální turbíny turbodmýchadla, opatřené dýzovým prstencem.

Na obr. 1 je schematicky znázorněn dílčí podélný řez radiální turbínou. Na obr. 2 je ve větším měřítku znázorněn výřez z obr. 1 v oblasti dýzového prstence. Na obr. 3 je znázorněn podélný řez těsněním podle vynálezu, který odpovídá obr. 1, avšak ve větším měřítku.

Na obr. 4 je znázorněno vyobrazení, která odpovídá obr. 2, avšak druhého příkladu provedení.

Na obr. 5 je znázorněno vyobrazení, které odpovídá obr. 2, avšak třetího příkladu provedení.

Na výkresech jsou znázorněny jen elementy, které jsou podstatné pro porozumění vynálezu. Ze zařízení není znázorněna například kompresorová strana turbodmýchadla na odpadní plyny 50 as radiální turbínou spojený spalovací motor. Směr proudění pracovního prostředí je označen šipkami.

Příklady provedení vynálezu

Turbodmýchadlo na odpadní plyny sestává hlavně z neznázoměného kompresoru a z turbíny 1 na odpadní plyny, která je vytvořena jako radiální turbína. Radiální turbína 1 na odpadní plyny má skříň 2 turbíny s ve tvaru spirály vytvořenou vstupní skříní 3 plynu, s výstupní skříní 4 plynu vytvořenou ve tvaru příruby a s konstrukční součástí 5 skříně na straně turbíny ve tvaru mezilehlé stěny. Ve skříni 2 turbíny je otočně uloženo hřídelem 6 unášené turbínové kolo 7 s oběžnými lopatkami 8. Na straně kompresoru je na hřídeli 6 uspořádáno také neznázoměné kompresorové kolo.

Vstupní skříň 3 plynu přechází ve směru proudění do vtokového kanálu 9 pro výfukové plyny 10 spalovacího motoru, který je spojen s turbodmýchadlem na odpadní plyny a který také není znázorněn. Ve vtokovém kanálu 9 je tvarově pevně uspořádán dýzový prstenec 11 mezi vstupní skříní 3 plynu a mezi výstupní skříni 4 plynu, případně její příruby, jakož i mezi konstrukční součástí 5 skříně na straně turbíny ve tvaru mezilehlé stěny. Hřídel 6 je prostřednictvím ložisek 12 otočně uložen v ložiskové skříni 13. Vstupní skříň 3 plynu a ložisková skříň 13 jsou navzájem spojeny prostřednictvím v obvodovém směru uspořádaného upínacího pásu 14. Výstupní skříň plynu a vstupní skříň 3 plynu jsou na sobě navzájem uvolnitelně upevněny prostřednictvím šroubů 15, viz obr. 1.

Dýzový prstenec 11 sestává ze dvou prstencových upevňovacích elementů 16, 17, které jsou navzájem spojeny prostřednictvím více rozváděčích lopatek H. Pro uložení dýzového prstence 11 má skříň 2 turbíny v oblasti přechodu od vstupní skříně 3 plynu k výstupní skříni 4 plynu ve tvaru příruby, případně ke konstrukční součásti 5 skříně na straně turbíny ve tvaru mezilehlé stěny vybrání 19. V tomto vybrání 19, to znamená mezi dýzovým prstencem 11 a mezi skříní 2 turbíny, je vytvořena radiální dilatační spára 20, která umožňuje jak axiální, tak i radiální protažení dýzového prstence 1L Na straně vstupu plynu dýzového prstence 11 je v upevňovacím elementu 17 uspořádána obvodová drážka 21 a je nasměrována ve směru proudění výfukových plynů 10. Ve družce 21 je uloženo těsnění 22 ve tvaru dvojité lamelového kroužku, to znamená, že obklopuje úhel o hodnotě 720°. Těsnění 22 ve tvaru lamelového kroužku sestává z chrómniklové oceli, přičemž pochopitelně mohou být použity také jiné tepelně odolné materiály. Jak ve drážce 21. tak i ve vybrání 19 skříně 2 turbíny je uspořádána vždy jedna těsnicí plocha 23. 24 pro těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužku, jak je to patrno z obr. 2. V závislosti na požadavcích utěsnění a na prostorových poměrech je samozřejmě možné také použít jednoduché nebo trojité lamelové kroužky.

Na obr. 3 je znázorněn podélný řez těsněním 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužku, který je vyobrazen na obr. 1 a jen částečně znázorněn. Pro přehlednost bylo zvoleno vyobrazené ve větším měřítku.

Pro montáž je těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužku společně s dýzovým prstencem 11 nasunuto na mírně menší vnější průměr 25 vybrání 19. Tím se vytvoří předpětí těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužku, čímž toto stále dosedá na těsnicí plochu 24. Pro usnadnění natažení těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužkuje vybrání 19 v oblasti vstupní skříně 3 plynu opatřeno zešikmením 26.

Při provozu s turbodmýchadlem na odpadní plyny spojeného, jako Dieselův motor vytvořeného spalovacího motoru se dostávají výfukové plyny 10 nejprve do spirálovitě vytvořené vstupní skříně 3 plynu radiální turbíny 1 na odpadní plyny. Ve vstupní skříni 3 plynu jsou urychlovány a prostřednictvím dýzového prstence 11 jsou vedeny s optimálním úhlem proudění k turbínovému kolu 7. Tam se výfukové plyny 10 uvolňují. Přitom poskytují výkon, který vytváří pohon hřídele 6 a tím i kompresorového kola.

Na podkladě vytvoření radiální dilatační spáry 20 se může dýzový prstenec 11 volně protáhnout jak v axiálním, tak i v radiálním směru. Přitom přitlačuje tlak plynů působící prostřednictvím

-3CZ 292035 B6 vtokového kanálu 9 a dilatační spáry 20 těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužku trvale na těsnicí plochu 23 drážky 21. Tím se dosáhne velmi dobrého utěsnění dilatační spáry 20. Při odpovídajících zkušebních pokusech byly zjištěny zisky na účinku až do hodnoty tří bodů ve srovnání s variantami bez utěsnění dilatační spáry 20.

U druhého příkladu provedení je podle vynálezu obvodová drážka 21 vytvořena v přírubě výstupní skříně 4 plynu, jak je to patrno z obr. 4. Tím je dána druhá varianta uspořádání těsnění 22, která se použije při odpovídajících konstrukčních předpokladech. Na rozdíl od prvního příkladu provedení je kromě těsnicí plochy 23. uspořádané v drážce 21, vytvořena druhá těsnicí ίο plocha 27 na upevňovacím elementu 17 dýzového prstence Π.. Funkce tohoto těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužkuje analogická jako u prvního příkladu provedení. Je samozřejmé, že obvodová drážka 21 může být vytvořena také v upevňovacím elementu 16 nebo v konstrukční součásti 5 skříně na straně turbíny ve tvaru mezilehlé stěny, to znamená také na vstupní, případně výstupní straně dýhového prstence 11, což není znázorněno.

Podle obr. 5 je u třetího příkladu provedení uspořádáno jako pístní kroužek vytvořené těsnění 28 na vstupní straně plynu dýzového prstence 11. a to mezi jeho upevňovacím elementem 17 a mezi vstupní skříní 3 plynu. Těsnění 28 ve tvaru pístního kroužku je uloženo v přizpůsobené drážce 29. Jak v drážce 29. tak také ve vybrání 19 skříně 2 turbíny je uspořádána vždy jedna těsnicí 20 plocha 30. 31 pro těsnění 28 ve tvaru pístního kroužku. Pro zajištění dobrého utěsnění je využito těsnění 28 ve tvaru pístního kroužku se zahákovaným stykem, což není znázorněno. Všechny ostatní konstrukční součásti radiální turbíny £ na odpadní plyny jsou vytvořeny analogicky s prvním příkladem provedení. Funkce těsnění 28 ve tvaru pístního kroužku odpovídá funkci těsnění 22 ve tvaru dvojitého lamelového kroužku.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Turbína na odpadní plyny turbodmýchadla, se skříní (2) turbíny, sestávající ze vstupní skříně (3) plynu, s výstupní skříně (4) plynu a z alespoň jedné konstrukční součásti (5) skříně na straně turbíny, s turbínovým kolem (7) s oběžnými lopatkami (8) otočně uloženým na hřídeli (6), se vtokovým kanálem (9) vytvořeným ve skříni (2) turbíny před turbínovým kolem (7) pro výfukové plyny (10) spalovacího motoru spojeného s turbodmýchadlem, a s dýzovým prstencem (11) uspořádaným ve vtokovém kanálu (9), upevněným ve vybrání (19) skříně (2) turbíny a vedoucím výfukové plyny (10) na oběžné lopatky (8), přičemž dýzový prstenec (11) sestává ze dvou upevňovacích elementů (16, 17) uspořádaných ve vybrání (19), které jsou navzájem spojeny prostřednictvím rozváděčích lopatek (18), vyznačující se tím, že mezi skříní (2) turbíny a dýzovým prstencem (11) je vytvořena dilatační spára (20) a v oblasti této dilatační spáry (20) je uspořádáno alespoň jedno těsnění (22, 28), přičemž buď v alespoň jednom z upevňovacích elementů (16, 17), nebo v alespoň jedné součásti skříně (2) turbíny obklopující upevňovací elementy (16,17) je vytvořena obvodová drážka (21), v níž je těsnění (22, 28) uloženo.
2. Turbína na odpadní plyny podle nároku 1, vyznačující se tím, že obvodová drážka (21) je uspořádána ve směru proudění výfukových plynů (10).
3. Turbína na odpadní plyny podle nároku 2, vyznačující se tím, že těsnění (22, 28) je uspořádáno mezi vstupní skříní (3) plynu a dýzovým prstencem (11).
4. Turbína na odpadní plyny podle nároku 2, v y z n a č u j í c í se t í m, že těsnění (22, 28) je uspořádáno mezi konstrukční součástí (5) skříně na straně turbíny a dýzovým prstencem (11).
5. Turbína na odpadní plyny podle nároku 2, vyznačující se tím, že těsnění (22, 28) je uspořádáno mezi vstupní skříní (4) plynu a dýzovým prstencem (11).
6. Turbína na odpadní plyny podle jednoho z nároků 3 až 5, vyznačující se tím, že těsnění (22) je vytvořeno jako lamelový kroužek, zejména dvojitý lamelový kroužek.
7. Turbína na odpadní plyny podle nároku 6, vyznačující se tím, že lamelový kroužek sestává z dostatečně tepelně odolného materiálu, zejména z chromniklové oceli.
8. Turbína na odpadní plyny podle jednoho znároků 3 až 5, vy zn ačuj ící se tím, že těsnění (28) je vytvořeno jako pístní kroužek.
9. Turbína na odpadní plyny podle nároku 8, vyznačující se tím, že pístní kroužek sestává z dostatečně tepelně odolného materiálu, zejména z chromniklové oceli.