DE102010038631B4

DE102010038631B4 - Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010038631B4
Application number: DE102010038631.6A
Authority: DE
Inventors: Andre Voges
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: DE102010038631A1

Abstract

Turboverdichter (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (10), mit einem drehbar im Verdichtergehäuse (10) gelagerten Verdichterlaufrad (20), mit einer im Verdichtergehäuse (10) ausgebildeten Fluideinlasspassage (P), über die dem Verdichterlaufrad (20) zu verdichtendes Arbeitsfluid zuführbar ist, und mit einer Leitgittervorrichtung (30) zum Vorleiten des dem Verdichterlaufrad (20) über die Fluideinlasspassage (P) zuzuführenden Arbeitsfluids, wobei die Leitgittervorrichtung (30) so in der Fluideinlasspassage (P) zwischen einer Betriebsposition und einer Außerbetriebsposition verfahrbar ist, dass eine von der Leitgittervorrichtung (30) auf das Arbeitsfluid ausübbare Leitwirkung änderbar ist, nämlich derart, dass die Leitgittervorrichtung (30) mit Hilfe eines Antriebs (40) zum Verfahren der Leitgittervorrichtung (30) unter Freigabe der Fluideinlasspassage (P) und Einnahme der Außerbetriebsposition aus der Fluideinlasspassage (P) herausfahrbar ist, so dass die Leitwirkung der Leitgittervorrichtung (30) aufgehoben ist; und wobei die Leitgittervorrichtung (30) ein Leitgitter (31) mit einer Leitgitterbasis (32) und eine Mehrzahl von Leitschaufeln (33) aufweist, wobei die Leitschaufeln (33) starr an der Leitgitterbasis (32) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenumfang (32a) der Leitgitterbasis (32) zum Verdichterlaufrad (20) hin konisch zulaufend ausgebildet ist, der Antrieb (40) in einer fluidströmungsaufwärts der Fluideinlasspassage (P) angeordneten, als ansaugseitiger Schalldämpfer ausgebildeten Vorschalteinrichtung (50) des Turboverdichters (1) aufgenommen ist, die Fluideinlasspassage (P) in einem in das Verdichtergehäuse (10) eingesetzten Einsatzstück (11) ausgebildet ist, wobei die Leitgittervorrichtung (30) so verfahrbar ist, dass die Leitgittervorrichtung (30) in der Betriebsposition unter Ausfüllen einer Einlassöffnung (12) des Einsatzstücks (11) in die Einlassöffnung (12) eingesetzt ist und in der Außerbetriebsposition unter vollständiger Freigabe der Einlassöffnung (12) des Einsatzstücks (11) aus dieser herausverlagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine.
Ein Turboverdichter ist aus DE 103 29 281 A1 bekannt. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Turboverdichter kann die Leitwirkung einer Leitgittervorrichtung aufgehoben werden, indem eine in axialer Höhe eines Verdichterlaufrades in eine Fluideinlasspassage des Turboverdichters mündende die Leitgittervorrichtung aufnehmende Zusatzpassage geschlossen wird, so dass eine Fluidströmung über die Leitgittervorrichtung bzw. die Zusatzpassage vollständig unterbunden wird. Bei dieser Lösung sind die Funktion der Zusatzpassage und die Funktion der Leitgittervorrichtung untrennbar miteinander verknüpft, was eine separate Nutzung von Zusatzpassage und Leitgittervorrichtung ausschließt.
Aus der DE 196 44 892 A1 und der DE 10 2004 023 081 A1 sind weitere Verdichter bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turboverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei dem eine von anderen Verdichterkomponenten unabhängige Aktivierung und Deaktivierung der Leitwirkung einer Leitgittervorrichtung ermöglicht ist.
Dies wird mit einem Turboverdichter gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Durch Einführung von TIER3 befassen sich Motorenhersteller mit der Entwicklung von Abgasrezirkulationssystemen. Solche Abgasrezirkulationssysteme zweigen einen Teil des Motorabgases vor einer Abgasturbine eines Abgasturboladers eines Motors ab, um es zu reinigen und wieder der von einem Turboverdichter des Abgasturboladers verdichteten Ladeluft zuzuführen. Dies hat zur Folge, dass die Massendurchsätze durch Abgasturbine und Turboverdichter stark verschoben werden. Deswegen ist eine Änderung der strömungsführenden Teile im Abgasturbolader notwendig. Für Großdieselmotoren, die im z. B. Marinesektor eingesetzt werden, wird geplant diese Abgasrezirkulation (AGR) zu- und abschaltbar auszuführen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein optimaler Betrieb für diese beiden o. g. Anwendungsfälle für einen Abgasturbolader mit fester thermodynamischer Geometrie nicht möglich ist. Auf Turbinenseite kann man mit einer variablen Turbinengeometrie diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Auf Verdichterseite gibt es verschiedenste Lösungsansätze. Erfindungsgemäß wird als Lösung vorgeschlagen, ein Vorleitgitter bzw. eine Leitgittervorrichtung bei Bedarf vor dem Turboverdichter zu platzieren und damit die Optimierung für den Turboverdichter für AGR zu erzielen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird demnach ein Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, wobei der Turboverdichter ein Verdichtergehäuse, ein drehbar im Verdichtergehäuse gelagertes Verdichterlaufrad, eine im Verdichtergehäuse ausgebildete Fluideinlasspassage, über die dem Verdichterlaufrad zu verdichtendes Arbeitsfluid zuführbar ist, und eine Leitgittervorrichtung zum Vorleiten des dem Verdichterlaufrad über die Fluideinlasspassage zuzuführenden Arbeitsfluids aufweist, und wobei die Leitgittervorrichtung so in der Fluideinlasspassage verfahrbar ist, dass eine von der Leitgittervorrichtung auf das Arbeitsfluid ausübbare Leitwirkung änderbar ist. Der erfindungsgemäße Turboverdichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leitgittervorrichtung unter Freigabe der Fluideinlasspassage und Einnahme einer Außerbetriebsposition aus der Fluideinlasspassage herausfahrbar ist, so dass die Leitwirkung der Leitgittervorrichtung vollständig oder nahezu vollständig aufgehoben wird.
Dadurch, dass die Leitgittervorrichtung unter Freigabe der Fluideinlasspassage und Einnahme einer Außerbetriebsposition aus der Fluideinlasspassage herausfahrbar ist, so dass die Leitwirkung der Leitgittervorrichtung aufgehoben wird, wird die Fluideinlasspassage in der Außerbetriebsposition nicht mehr von der Leitgittervorrichtung beeinflusst. Die Aktivierung und Deaktivierung der Leitwirkung der Leitgittervorrichtung können vollständig unabhängig von anderen Verdichterkomponenten, wie z. B. einer möglicherweise vorgesehenen Zusatzpassage, vorgenommen werden.
Ferner wurde erfindungsgemäß erkannt, dass eine in einer Arbeitsfluidströmung befindliche Leitgittervorrichtung immer eine erhöhte Schwingungsanregung an Verdichterschaufeln des Verdichterlaufrades erzeugt. Durch das wie gemäß der Erfindung vorgesehene Einführen und Herausnehmen der Leitgittervorrichtung in die bzw. aus der Arbeitsfluidströmung kann eine solche erhöhte Schwingungsanregung vermieden werden.
Dadurch, dass die Leitgittervorrichtung im Sinne einer ”0”-oder-”1”-Schaltung deaktiviert bzw. aktiviert wird, kann das Leitgitter optimal an den Verwendungsfall der Leitgittervorrichtung angepasst werden und braucht nicht entsprechend einem Nichtverwendungsfall verstellbar sein. Durch die nun mögliche starre Ausführung des Leitgitters kann auf eine wie bei verstellbaren Leitgittern notwendige aufwendige Verstellmechanik und präzise Verstellsteuerung verzichtet werden, womit Kosten und Wartungsaufwand entfallen.
Dadurch, dass die Fluideinlasspassage in einem in das Verdichtergehäuse eingesetzten Einsatzstück ausgebildet ist, wobei die Leitgittervorrichtung so verfahrbar ist, dass sie in einer Betriebsposition unter vollständigem Ausfüllen einer Einlassöffnung des Einsatzstücks in die Einlassöffnung eingesetzt ist und in der Außerbetriebsposition unter vollständiger Freigabe der Einlassöffnung aus dieser herausverlagert ist, wird sicher gewährleistet, dass die Leitgittervorrichtung in ihrer Betriebsposition ihre maximale Leitwirkung erzielt und in ihrer Außerbetriebsposition auf eine Leitwirkung von Null reduziert wird.
Ein Außenumfang der Leitgitterbasis ist zum Verdichterlaufrad hin konisch zulaufend ausgebildet. Mit anderen Worten kann die Leitgitterbasis der Leitgittervorrichtung ähnlich wie ein Korken in einen Flaschenhals in die Einlassöffnung der Fluideinlasspassage eingeführt werden. Durch die konische bzw. korkenförmige Ausgestaltung erfolgt beim Einführen eine gewisse Selbstzentrierung, so dass das Einführen einfach und betriebssicher erfolgen kann.
Dadurch, dass der Antrieb in der fluidströmungsaufwärts der Fluideinlasspassage angeordneten Vorschalteinrichtung des Turboverdichters aufgenommen ist, nimmt der Antrieb keinen Platz direkt im Arbeitsfluidflusspfad bzw. im Verdichtergehäuse in Anspruch, womit einerseits das Verdichtergehäuse kompakter ausgeführt sein kann und andererseits der Antrieb gegen z. B. korrosive Beanspruchung durch das Arbeitsfluid geschützt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Leitgittervorrichtung zum Herausfahren aus der Fluideinlasspassage in eine fluidströmungsaufwärtige Richtung der Fluideinlasspassage und zum Einfahren in die Fluideinlasspassage in eine fluidströmungsabwärtige Richtung der Fluideinlasspassage verfahrbar.
Durch das fluidströmungsaufwärtige Verfahren der Leitgittervorrichtung wird vorteilhaft zur Minimierung von deren Schwingungsanregung der Verdichterschaufeln des Verdichterlaufrades beigetragen, da sich ein Abstand zu diesen vergrößert.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leitgittervorrichtung translatorisch verfahrbar.
Eine translatorische Verfahrbewegung lässt sich besonders einfach realisieren und steuern, womit Kosten und Wartungsaufwand eingespart werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Antrieb als Linearantrieb, wie z. B. ein Hydraulikzylinder, ein Pneumatikzylinder, ein elektromagnetischer Linearmotor oder ein Zahnstangentrieb, ausgebildet.
Ein Linearantrieb ist kostengünstig sowie einfach aufgebaut und steuerbar, so dass Kosten und Wartungsaufwand eingespart werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorschalteinrichtung als Filterschalldämpfer ausgebildet. Bevorzugt ist die Leitgittervorrichtung in ihrer Außerbetriebsposition in der Vorschalteinrichtung angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Abgasturbolader für einen Großdieselmotor, wie er z. B. für Schiffsanwendungen und/oder Kraftwerksanwendungen eingesetzt wird, bereitgestellt, wobei der Abgasturbolader mit einem Turboverdichter gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination versehen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Turboverdichters eines Abgasturboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei sich eine Leitgittervorrichtung des Turboverdichters in einer Betriebsposition befindet.
2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht des Turboverdichters von 1, wobei sich die Leitgittervorrichtung in einer Außerbetriebsposition befindet.
1 und 2 zeigen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung jeweils eine schematische Längsschnittansicht eines Turboverdichters 1 eines Abgasturboladers (nicht vollständig dargestellt) für eine Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), wie einem z. B. für Schiffsanwendungen und/oder Kraftwerksanwendungen eingesetzten Großdieselmotor.
Der Turboverdichter 1 weist ein Verdichtergehäuse 10, ein über eine Welle 21 drehbar im Verdichtergehäuse 10 gelagertes Verdichterlaufrad 20, eine im Verdichtergehäuse 10 ausgebildete Fluideinlasspassage P, über die dem Verdichterlaufrad 20 zu verdichtendes Arbeitsfluid (wie z. B. Umgebungsluft) zuführbar ist, eine Leitgittervorrichtung 30 zum Vorleiten des dem Verdichterlaufrad 20 über die Fluideinlasspassage P zuzuführenden Arbeitsfluids, einen Antrieb 40 und eine Vorschalteinrichtung 50 auf.
Die Fluideinlasspassage P ist in einem in das Verdichtergehäuse 10 eingesetzten Einsatzstück 11 ausgebildet, wobei das Einsatzstück 11 eine sich vom Verdichterlaufrad 20 weg trichterförmig aufweitende Einlassöffnung 12 aufweist, die einen Einlass der Fluideinlasspassage P definiert. Die Fluideinlasspassage P erstreckt sich demnach von der Einlassöffnung 12 des Einsatzstücks 11 aus bis zum Verdichterlaufrad 20 hin.
Die Vorschalteinrichtung 50 ist als ansaugseitiger Filterschalldämpfer des Turboverdichters 1 ausgebildet.
Der Antrieb 40 dient zum translatorischen Verfahren der Leitgittervorrichtung 30 und ist in der fluidströmungsaufwärts der Fluideinlasspassage P angeordneten Vorschalteinrichtung 50 des Turboverdichters 1 aufgenommen.
Der Antrieb 40 ist als Linearantrieb in Form eines Pneumatikzylinders ausgebildet und weist einen Zylinder 41 und eine durch den Zylinder 41 hindurch verfahrbare an einen im Zylinder 41 angeordneten Kolben (nicht gezeigt) gekoppelte Kolbenstange 42 auf. Der Kolben ist linear verschiebbar und gegen Verdrehen gesichert in dem bewegungsfest in der Vorschalteinrichtung 50 gelagerten Zylinder 41 aufgenommen, wobei die Kolbenstange 42 gegen Verdrehen gesichert an dem Kolben angebracht ist.
Die Leitgittervorrichtung 30 weist ein Leitgitter 31 mit einer Leitgitterbasis 32 und eine Mehrzahl von Leitschaufeln 33 auf, die starr bzw. fest eingestellt an der Leitgitterbasis 32 angebracht sind. Die Leitgitterbasis 32 ist gegen Verdrehen gesichert an einem Längsende der Kolbenstange 42 des Antriebs 40 angebracht.
Damit wird ein Verdrehen der Leitgittervorrichtung 30 verhindert, wenn sich diese in einer in 1 gezeigten Betriebsposition in der Fluideinlasspassage P befindet.
Ein Außenumfang 32a der Leitgitterbasis 32 ist zum Verdichterlaufrad 20 hin konisch zulaufend ausgebildet.
Wie aus einem Vergleich der 1 und 2 ersichtlich, ist die Leitgittervorrichtung 30 durch den Antrieb 40 zum Herausfahren aus der Fluideinlasspassage P in eine fluidströmungsaufwärtige Richtung R1 (siehe 2) der Fluideinlasspassage P und zum Einfahren in die Fluideinlasspassage P in eine fluidströmungsabwärtige Richtung R2 (siehe 1) der Fluideinlasspassage P verfahrbar.
Genauer gesagt ist die Leitgittervorrichtung 30 so verfahrbar, dass sie in der in 1 gezeigten Betriebsposition unter vollständigem Ausfüllen der Einlassöffnung 12 des Einsatzstücks 11 in die Einlassöffnung 12 eingesetzt ist und in einer in 2 gezeigten Außerbetriebsposition unter vollständiger Freigabe der Einlassöffnung 12 aus dieser herausverlagert und in der Vorschalteinrichtung 50 angeordnet ist.
Durch die wie oben beschriebene Ausgestaltung des Turboverdichters 1 ist die Leitgittervorrichtung 30 so in der Fluideinlasspassage P verfahrbar, dass eine von der Leitgittervorrichtung 30 auf das Arbeitsfluid ausübbare Leitwirkung änderbar ist, wobei die Leitgittervorrichtung 30 unter Freigabe der Fluideinlasspassage P und Einnahme der Außerbetriebsposition aus der Fluideinlasspassage P herausfahrbar ist, so dass die Leitwirkung der Leitgittervorrichtung 30 aufgehoben wird.
Bezugszeichenliste

1: Turboverdichter
10: Verdichtergehäuse
11: Einsatzstück
12: Einlassöffnung
20: Verdichterlaufrad
21: Welle
30: Leitgittervorrichtung
31: Leitgitter
32: Leitgitterbasis
32a: Außenumfang
33: Leitschaufeln
40: Antrieb
41: Zylinder
42: Kolbenstange
50: Vorschalteinrichtung
P: Fluideinlasspassage
R1: fluidströmungsaufwärtige Richtung
R2: fluidströmungsabwärtige Richtung

Claims

Turboverdichter (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (10), mit einem drehbar im Verdichtergehäuse (10) gelagerten Verdichterlaufrad (20), mit einer im Verdichtergehäuse (10) ausgebildeten Fluideinlasspassage (P), über die dem Verdichterlaufrad (20) zu verdichtendes Arbeitsfluid zuführbar ist, und mit einer Leitgittervorrichtung (30) zum Vorleiten des dem Verdichterlaufrad (20) über die Fluideinlasspassage (P) zuzuführenden Arbeitsfluids, wobei die Leitgittervorrichtung (30) so in der Fluideinlasspassage (P) zwischen einer Betriebsposition und einer Außerbetriebsposition verfahrbar ist, dass eine von der Leitgittervorrichtung (30) auf das Arbeitsfluid ausübbare Leitwirkung änderbar ist, nämlich derart, dass die Leitgittervorrichtung (30) mit Hilfe eines Antriebs (40) zum Verfahren der Leitgittervorrichtung (30) unter Freigabe der Fluideinlasspassage (P) und Einnahme der Außerbetriebsposition aus der Fluideinlasspassage (P) herausfahrbar ist, so dass die Leitwirkung der Leitgittervorrichtung (30) aufgehoben ist; und wobei die Leitgittervorrichtung (30) ein Leitgitter (31) mit einer Leitgitterbasis (32) und eine Mehrzahl von Leitschaufeln (33) aufweist, wobei die Leitschaufeln (33) starr an der Leitgitterbasis (32) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenumfang (32a) der Leitgitterbasis (32) zum Verdichterlaufrad (20) hin konisch zulaufend ausgebildet ist, der Antrieb (40) in einer fluidströmungsaufwärts der Fluideinlasspassage (P) angeordneten, als ansaugseitiger Schalldämpfer ausgebildeten Vorschalteinrichtung (50) des Turboverdichters (1) aufgenommen ist, die Fluideinlasspassage (P) in einem in das Verdichtergehäuse (10) eingesetzten Einsatzstück (11) ausgebildet ist, wobei die Leitgittervorrichtung (30) so verfahrbar ist, dass die Leitgittervorrichtung (30) in der Betriebsposition unter Ausfüllen einer Einlassöffnung (12) des Einsatzstücks (11) in die Einlassöffnung (12) eingesetzt ist und in der Außerbetriebsposition unter vollständiger Freigabe der Einlassöffnung (12) des Einsatzstücks (11) aus dieser herausverlagert ist.
Turboverdichter (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Leitgittervorrichtung (30) zum Herausfahren aus der Fluideinlasspassage (P) in eine fluidströmungsaufwärtige Richtung (R1) der Fluideinlasspassage (P) und zum Einfahren in die Fluideinlasspassage (P) in eine fluidströmungsabwärtige Richtung (R2) der Fluideinlasspassage (P) verfahrbar ist.
Turboverdichter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Leitgittervorrichtung (30) translatorisch verfahrbar ist.
Turboverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Antrieb (40) als Linearantrieb ausgebildet ist.
Turboverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorschalteinrichtung (50) als Filterschalldämpfer ausgebildet ist.
Turboverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leitgittervorrichtung (30) in ihrer Außerbetriebsposition in der Vorschalteinrichtung (50) angeordnet ist.