DE102007047506A1

DE102007047506A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines drallbehafteten Mediumstromes, insbesondere für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102007047506A1
Application number: DE102007047506A
Authority: DE
Inventors: Tom Steglich
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines drallbehafteten Mediumstromes; - es wird ein erster Teilstrom mit einem ersten Drall erzeugt; - es wird ein zweiter Teilstrom erzeugt; - die beiden Teilströme werden zusammengeführt und einer Strömungsmaschine zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit welchem ein Mediumstrom erzeugt wird, der einen Drall aufweist, und der einer Strömungsmaschine zugeführt wird. Dabei geht es in erster Linie um das Zuführen eines drallbehafteten Luftstromes zur Verdichter eines Abgasturboladers, jedoch kommen auch Turbinen in Betracht. Ein solcher Abgasturbolader ist zum Beispiel in WO 00/73630 A1 beschrieben.
Abgasturbolader sind bei modernen Kraftfahrzeugen unverzichtbar. Sie umfassen als wichtige Bauteile eine Turbine und einen Verdichter. Diese beiden Bauteile sitzen im Allgemeinen auf ein- und derselben Welle oder stehen zumindest in Triebverbindung miteinander. Der Turbine wird das Abgas einer Brennkraftmaschine zugeleitet. Das Abgas treibt die Turbine an. Die Turbine treibt ihrerseits den Verdichter an. Dieser saugt Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird sodann für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine ausgenutzt. Abgasturbolader haben den Zweck, die Abgasemissionen zu verringern sowie den Wirkungsgrad des Motors und dessen Drehmoment zu erhöhen.
Der Abgasstrom wird der Turbine häufig mit einem gewissen Drall zugeführt. Zu diesem Zweck ist der Turbine eine Leiteinrichtung vorgeschaltet. Die Leiteinrichtung kann verstellbare Schaufeln, Klappen, Leitbleche und so weiter aufweisen, mit denen sich der Drallwinkel des strömenden Abgases beeinflussen lässt. Damit lässt sich der Anströmwinkel des nachgeschalteten Turbinen-Laufrades beeinflussen. Hiermit lässt sich wiederum der Wirkungsgrad des Laufrades und damit der Wirkungsgrad des Abgasturboladers verbessern.
Bei Verdichtern sind ebenfalls Leitapparate zur Einstellung des Vordralles bekannt. Diese bestehen üblicherweise aus verstellbaren Schaufeln oder Klappen, die in einem Leitring angeordnet und über ein Koppelgetriebe verstellt werden.
Solche Leitapparate sind bei Industrieverdichtern weit verbreitet. Sie werden zur betriebsoptimalen Regelung und als Ausgangsdrossel zur Verringerung des Anfahrmomentes eingesetzt.
In kleinen Abgasturboladern sind sie bisher nur zu Versuchzwecken eingesetzt worden. Der Grund liegt in den mit der Miniaturisierung verbundenen Problemen bei Herstellung, Einstellung, Betrieb und Kosten.
Ein Nachteil der Leiteinrichtung besteht also darin, dass diese die Herstellungskosten erhöht, dass sie durch die Verstellbarkeit störanfällig und damit wartungsbedürftig ist, und dass sich (bei Miniaturisierung) außerdem die gewählte Einstellung während des Betriebes schwierig gestaltet.
Die Nachteile einer bekannten Vorrichtung zum Einstellen des Dralles lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– es sind zahlreiche Einzelteile vorgesehen;
– abhängig von der Einbausituation gibt es zahlreiche Dichtstellen;
– die Montage und das Einstellen des Leitgitters ist aufwendig;
– die Vorrichtung nimmt einen großen Bauraum ein;
– die Herstellungskosten sind beträchtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit sich bei einer Leiteinrichtung, die einer Strömungsmaschine vorgeschaltet ist, der Drall zuverlässig einstellen lässt, bei verringerten Herstellungskosten, bei verringertem Wartungsaufwand und bei größter Genauigkeit der Einstellung des Drallwinkels.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.
Demgemäß geschieht die Einstellung des Drallwinkels mittels des Mischens von verdrallter und unverdrallter Strömung. Dabei kann die Zuführung einer der beiden Ströme durch ein Drosselelement geregelt werden. Es wird ein erster Teilstrom mit einem ersten Drall erzeugt. Es wird ferner ein zweiter Teilstrom erzeugt. Die beiden Teilströme werden zusammengeführt und der Strömungsmaschine zugeführt, somit einem Verdichter oder einer Pumpe.
Der zweite Teilstrom wird im Allgemeinen keinen Drall aufweisen, jedenfalls keinen, der durch eine Leiteinrichtung aufgeprägt ist.
Die Erfindung hat den großen Vorteil, dass nur wenige bewegbare Teile notwendig sind. Ein aufwendiger Verstellmechanismus für die Leitschaufeln entfällt.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Vorrichtung mit einem inneren und einem äußeren Kanal, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der äußere Kanal weist eine Leiteinrichtung auf, und der innere Kanal eine Drosseleinrichtung, hier geöffnet.
2 zeigt den Gegenstand von 1 mit geschlossener Drosseleinrichtung.
3 zeigt eine Vorrichtung ähnlich jener gemäß der 1 und 2; dabei ist die Leiteinrichtung diagonal durchströmt, das heißt mit einer Strömungsrichtung, die gegen die Längsachse geneigt ist.
4 zeigt eine Vorrichtung, bei der die Leiteinrichtung radial durchströmt ist.
5 zeigt eine Vorrichtung, bei welcher der innere Kanal durch ein Stellventil absperrbar ist – hier geöffnet.
6 zeigt die Vorrichtung gemäß 5 bei geschlossenem Stellventil.
Die in den 1 bis 6 dargestellten Vorrichtungen dienen zum Erzeugen eines drallbehafteten Volumenstromes zum Zuführen zum Verdichter oder zur Turbine eines Abgasturboladers.
Alle Vorrichtungen weisen einen inneren Strömungskanal 1 auf, umschlossen von einem inneren Rohrabschnitt 2, sowie einen äußeren Strömungskanal 3, gebildet zwischen dem inneren Rohrabschnitt 2 und einem äußeren Rohrabschnitt 4.
Im inneren Strömungskanal 1 befindet sich eine Drosseleinrichtung 5. Diese ist im vorliegenden Falle eine Drosselklappe. Im äußeren Kanal befindet sich eine Leiteinrichtung 6.
Die Leiteinrichtung 6 ist bei der Vorrichtung gemäß der 1 und 2 im äußeren Strömungskanal 3 angeordnet. Sie ist axial durchströmt.
Ist die Drosseleinrichtung 5 vollständig offen, so wie in 1 gezeigt, so nimmt der größte Teil des durchgesetzten Volumenstromes den Weg des geringsten Widerstandes durch den inneren Strömungskanal 1, und ändert daher seinen Drall nicht. Siehe den dicken Pfeil 9, der den Hauptvolumenstrom andeutet. Da die Leiteinrichtung 6 nicht vollständig geschlossen werden kann, wird ein geringer Teil des Volumenstromes auch hier durchtreten. Siehe den dünnen Pfeil 10, der den Teilvolumenstrom andeutet.
Am Ende des inneren Strömungskanales 1 und des äußeren Strömungskanales 3, der ein Ringkanal ist, treffen sich der Hauptvolumenstrom 9 und der Teilvolumenstrom 10 und mischen sich. Es entsteht ein resultierender Volumenstrom mit im Allgemeinen geringem mittleren Drallwinkel, der dem Verdichter oder der Turbine des Abgasturboladers zugeführt wird.
Die Eintrittsebene der Vorrichtung ist mit 7 bezeichnet, und die Austrittsebene mit 8.
Ist die Drosseleinrichtung 5, wie in 2 gezeigt, vollständig geschlossen, so bleibt dem durchgesetzten Volumenstrom nur der Weg durch die Leiteinrichtung. Hierdurch wird dem gesamten Volumenstrom ein Drall aufgeprägt.
Befindet sich die Drosseleinrichtung 5 in einer Zwischenposition und sperrt den inneren Strömungskanal 1 somit nur partiell ab, so stellt sich – hiervon abhängig – ein mittlerer Drallwinkel am Austritt 8 ein. Der Drallwinkel nimmt mit zunehmendem Absperren des inneren Strömungskanals 1 zu.
Die Drosseleinrichtung 5 kann von jeglicher Bauart sein. Im vorliegenden Falle handelt es sich um eine Drosselklappe.
Auch kann die Leiteinrichtung 6 unterschiedlicher Bauart sein. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Umlenkgitter handeln.
Die Leiteinrichtung 6 ist starr, das heißt, dass ihre Elemente wie Leitbleche und so weiter nicht verstellbar sind.
Die Vorrichtungen gemäß der 3 bis 6 arbeiten analog wie jene gemäß der 1 und 2. Unterschiedlich ist bei der Ausführungsform gemäß der 3 und 4 lediglich die Anordnung der Leiteinrichtung 6.
Die Vorrichtung gemäß der 5 und 6 ist etwas anders gestaltet, als die vorausgegangenen Vorrichtungen. Der Hauptunterschied liegt in der Gestaltung der Drosseleinrichtung 5. Diese ist bei der Ausführung gemäß der 5 und 6 ein Stellventil. Die Leiteinrichtung 6 ist hierbei axial durchströmt.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie Folgt zusammenfassen: Es gibt nur ein einziges bewegliches Bauteil, nämlich die Drosseleinrichtung 5. Ist die Drosseleinrichtung als Drosselklappe oder als Stellventil mit einem Ventilteller ausgestattet, so handelt es sich um einfache und robuste Komponenten.
Hingegen ist die Leiteinrichtung 6 nicht verstellbar. Sie kann daher bei Gussteilen in die Ansaugleitung integriert werden.
Hieraus ergeben sich die folgenden Vorteile:

– geringe Toleranzen auch bei miniaturisierter Ausführung;
– einfacher Aufbau;
– einfache Handhabung;
– kompakte Bauweise;
– Serientauglichkeit auch bei kleinen Turbomaschinen;
– geringe Herstellungskosten.

Im Folgenden wurde eingehend eine Vorrichtung zur Anwendung bei einem Verdichter oder einer Turbine für einen Abgasturbolader beschrieben.
Die Vorrichtung lässt sich jedoch auch überall dort einsetzen, wo einem strömenden Medium – Flüssigkeit oder Gas – ein Drall verliehen werden soll.

1: innerer Strömungskanal
2: innerer Rohrabschnitt
3: äußerer Strömungskanal
4: äußerer Rohrabschnitt
5: Drosseleinrichtung
6: Leiteinrichtung
7: Eintritt
8: Austritt
9: Hauptvolumenstrom
10: Teilvolumenstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 00/73630 A1 [0001]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines drallbehafteten Mediumstromes; 1.1 es wird ein erster Teilstrom mit einem ersten Drall erzeugt; 1.2 es wird ein zweiter Teilstrom erzeugt; 1.3 die beiden Teilströme werden zusammengeführt und einer Strömungsmaschine zugeführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium Luft oder Gas oder Abgas oder eine Flüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom keinen Drall aufweist, oder dass dem zweiten Teilstrom kein Drall durch eine Leiteinrichtung aufgeprägt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen eines drallbehafteten Mediumstromes 4.1 mit einem ersten Strömungskanal (1); 4.2 mit einem zweiten Strömungskanal (3); 4.3 einer der beiden Strömungskanäle (1, 3) weist eine Strömungsleiteinrichtung (6) auf.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Strömungskanäle (1, 3) eine Drosseleinrichtung (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Strömungsleiteinrichtungen (6) nicht verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine (1) der beiden Strömungskanäle (1, 3) innerhalb des anderen (3) Strömungskanales angeordnet und von diesem umschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strömungskanäle (1, 3) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strömungskanal (1) durch Bohren hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 10.1 die Strömungsleiteinrichtung (6) befindet sich im äußeren Strömungskanal; 10.2 die Strömungsleiteinrichtung (6) ist axial oder radial durchströmt, oder unter einem Winkel, der gegen die axiale und die radiale Richtung geneigt ist.