DE102011007638A1

DE102011007638A1 - Turboladeranordnung

Info

Publication number: DE102011007638A1
Application number: DE102011007638A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rippl Alexander
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-25

Abstract

Turboladeranordnung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Schiffsdieselbrennkraftmaschine, wobei ein erster Turbolader (10) einen Hochdruckverdichter und eine Hochdruckturbine (12) jeweils in Radialbauweise und ein zweiter Turbolader (11) einen Niederdruckverdichter und eine Niederdruckturbine (13) jeweils in Axialbauweise bereitstellt, wobei die Radialhochdruckturbine (12) des ersten Turboladers (10) verlassendes Abgas der Axialniederdruckturbine (13) des zweiten Turboladers (11) über einen Strömungskörper (14) zuführbar ist, und wobei der Strömungskörper (14) derart ausgebildet ist, dass das Abgas im Bereich des Strömungskörpers (14) so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2007 017 843 A1 ist eine Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher zwei Turbolader in Reihe geschaltet sind. Ein erster Turbolader stellt einen Hochdruckverdichter und eine Hochdruckturbine und ein zweiter Turbolader einen Niederdruckverdichter und eine Niederdruckturbine bereit, wobei es aus diesem Stand der Technik bereits bekannt ist, die Hochdruckturbine des ersten Turboladers in Radialbauweise und die Niederdruckturbine des zweiten Turboladers in Axialbauweise auszuführen. Nach diesem Stand der Technik ist Abgas, welches die Radialhochdruckturbine verlässt, der Axialniederdruckturbine über einen von einem Strömungsgehäuse bereitgestellten Strömungskörper zuführbar.
Hievon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Turboladeranordnung mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Turboladeranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Strömungskörper derart ausgebildet, dass das Abgas im Bereich des Strömungskörpers so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt. Dadurch, dass der Strömungskörper der erfindungsgemäßen Ladeanordnung derart ausgebildet ist, dass das Abgas im Bereich des Strömungskörpers nahezu keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt, können Strömungsverluste zwischen der Radialhochdruckturbine und der Axialniederdruckturbine nahezu vollständig vermieden werden. Der Strömungskörper der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung ermöglicht eine nahezu verlustfreie Führung des Abgases ausgehend von der Radialhochdruckturbine in Richtung auf die Axialniederdruckturbine.
Vorzugsweise ist der Strömungskörper derart ausgebildet, dass Abgas auch beim Übertritt von der Radialhochdruckturbine in den Strömungskörper sowie beim Übertritt vom Strömungskörper in die Axialniederdruckturbine so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt. Dann, wenn auch beim Übertritt von der Radialhochdruckturbine in den Strömungskörper sowie beim Übertritt vom Strömungskörper in die Axialniederdruckturbine das Abgas keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt, kann der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden, da in diesem Fall dann auch bei den obigen Übertritten des Abgases Strömungsverluste vermieden werden können.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Strömungskörper in Strömungsrichtung des Abgases gesehen rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei sich in Strömungsrichtung des Abgases und damit in Axialrichtung des Strömungskörpers gesehen eine Innenkontur und eine Außenkontur des Strömungskanals des Strömungskörper derart ändern, dass an jeder Axialposition des Strömungskörpers ein Produkt aus dem Radius der Innenkontur und der Differenz zwischen dem Radius der Außenkontur und dem Radius der Innenkontur konstant ist. Die Ausgestaltung des Strömungskörpers als rotationssymmetrischer Körper mit der obigen Konturierung von Innenkontur und Außenkontur gewährleistet, dass sich die Strömungsquerschnitte im Strömungskörper in Strömungsrichtung gesehen nicht verändern. In diesem Fall können dann auf besonders einfache Art und strömungsseitige Verluste vermieden werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1: einen schematisierten Ausschnitt aus einer Turboladeranordnung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine, so zum Beispiel für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine. Eine solche Turboladeranordnung verfügt über einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader, die hintereinander in Reihe geschaltet sind.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung im Bereich einer von einem ersten Turbolader 10 bereitgestellten Hochdruckturbine 12 und einer von dem zweiten Turbolader 11 bereitgestellten Niederdruckturbine 13, wobei die Strömungsrichtung des Abgases im Bereich der Hochdruckturbine 12 und der Niederdruckturbine 13 durch Pfeile A visualisiert ist.
Im Bereich der Hochdruckturbine 12 des ersten Turboladers 10 wird Abgas A entspannt und die hierbei gewonnene Energie zum Antreiben eines in 1 nicht gezeigten Hochdruckverdichters des ersten Abgasturboladers 10 verwendet.
Die durch die weitere Entspannung des Abgases A im Bereich der Niederdruckturbine 13 des zweiten Abgasturboladers 11 gewonnene Energie wird zum Antreiben eines ebenfalls nicht gezeigten Niederdruckverdichters des zweiten Abgasturboladers 11 verwendet.
Gemäß 1 ist die Hochdruckturbine 12 des ersten Abgasturboladers 10 in Radialbauweise ausgeführt und demnach als Radialhochdruckturbine 12 ausgeführt. Die Niederdruckturbine 13 des zweiten Turboladers 11 ist in Axialbauweise ausgeführt und demnach als Axialniederdruckturbine 13 ausgebildet.
Der nicht gezeigte Hochdruckverdichter des ersten Turboladers 10 ist beispielsweise in Radialbauweise ausgeführt. Der nicht gezeigte Niederdruckverdichter des zweiten Turboladers 11 ist ebenfalls beispielsweise in Radialbauweise ausgeführt.
Das Abgas A, welches die Radialhochdruckturbine 12 des ersten Turboladers 10 verlässt, ist der Axialniederdruckturbine 13 des zweiten Turboladers 11 über einen Strömungskörper 14 zuführbar, der zwischen der Radialhochdruckturbine 12 und der Axialniederdruckturbine 13 positioniert ist, wobei der Strömungskörper 14 derart ausgebildet ist, dass das Abgas A im Bereich des Strömungskörpers 14 so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt. Eine Geschwindigkeitsänderung kann sich allenfalls durch Reibungsverluste der Abgasströmung im Bereich des Strömungskörpers 14 ausbilden. Hierzu ist der Strömungskörper 14 derart ausgebildet, dass ein Strömungskanal desselben in Strömungsrichtung des Abgases A gesehen keine Querschnittsänderung aufweist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Strömungskörper 14 weiterhin derart ausgebildet, dass das Abgas A sowohl beim Übertritt von der Radialhochdruckturbine 12 in den Strömungskörper 14 als auch beim Übertritt vom Strömungskörper 14 in die Axialniederdruckturbine 13 so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt. Hierzu ist der Strömungskörper 14 derart ausgebildet, dass eine Querschnittsfläche eines Eintrittsbereichs 15 des Strömungskanals des Strömungskörpers 14 einer Querschnittsfläche eines Austrittsbereichs 16 eines Strömungskanals der Radialhochdruckturbine 12 entspricht. Ebenso entspricht eine Querschnittsfläche eines Austrittsbereichs 17 des Strömungskanals des Strömungskörpers 14 einer Querschnittsfläche eines Eintrittsbereichs 18 des Strömungskanals der Axialniederdruckturbine 13.
Bei dem Strömungskörper 14 handelt es sich vorzugsweise um einen rotationssymmetrischen Strömungskörper, der einen im Querschnitt ringartigen Strömungskanal aufweist, der in Axialrichtung des Strömungskörpers 14 durchströmt ist. So zeigt 1, dass eine Innenkontur 19 eines ringartigen Strömungskanals des Strömungskörpers 14 durch einen sich in Axialrichtung bzw. Strömungsrichtung des Abgases A gesehen ändernden Innenradius Ri definiert wird, wobei eine Außenkontur 20 des ringartigen Strömungskanals des Strömungskörpers 14 durch einen sich in Strömungsrichtung bzw. Axialrichtung ändernden Außenradius Ra definiert wird.
Der Strömungskörper 14 ist derart rotationssymmetrisch ausgeführt, dass an jeder Axialposition desselben die Kreisringfläche des Strömungskörpers 14 zwischen dem Radius Ri der Innenkontur 19 und dem Radius Ra der Außenkontur 20 der Beziehung: F = π/4 × ((2Ra)² – (2Ri)²) = konstant in etwa folgt.
Über den gesamten Strömungskörper 14, beim Übertritt der Abgasströmung A von der Radialhochdruckturbine 12 in den Strömungskörper 14 sowie beim Übertritt derselben vom Strömungskörper 14 in die Axialniederdruckturbine 13 ist ein gleichförmiges Geschwindigkeitsfeld der Abgasströmung A gewährleistet. Die Abgasströmung A unterliegt demnach weder einer Verzögerung noch einer Beschleunigung. Dadurch kann der Wirkungsgrad einer Turboladeranordnung positiv beeinflusst werden.
Bezugszeichenliste

10: erster Turbolader
11: zweiter Turbolader
12: Radialhochdruckturbine
13: Axialniederdruckturbine
14: Strömungskörper
15: Eintrittsbereich des Strömungskörpers
16: Austrittsbereich der Radialhochdruckturbine
17: Austrittsbereich des Strömungskörpers
18: Eintrittsbereich der Axialniederdruckturbine
19: Innenkontur des Strömungskörpers
20: Außenkontur des Strömungskörpers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007017843 A1 [0002]

Claims

Turboladeranordnung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Schiffsdieselbrennkraftmaschine, wobei ein erster Turbolader (10) einen Hochdruckverdichter und eine Hochdruckturbine (12) jeweils in Radialbauweise und ein zweiter Turbolader (11) einen Niederdruckverdichter und eine Niederdruckturbine (13) jeweils in Axialbauweise bereitstellt, und wobei die Radialhochdruckturbine (12) des ersten Turboladers (10) verlassendes Abgas der Axialniederdruckturbine (13) des zweiten Turboladers (11) über einen Strömungskörper (14) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (14) derart ausgebildet ist, dass das Abgas im Bereich des Strömungskörpers (14) so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt.
Turboladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (14) derart ausgebildet ist, dass ein Strömungskanal desselben in Strömungsrichtung des Abgases gesehen keine Querschnittsänderung aufweist.
Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (14) derart ausgebildet ist, dass Abgas auch beim Übertritt von der Radialhochdruckturbine (12) in den Strömungskörper (14) sowie beim Übertritt vom Strömungskörper (14) in die Axialniederdruckturbine (13) so gut wie keiner Geschwindigkeitsänderung unterliegt.
Turboladeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (14) derart ausgebildet ist, dass eine Querschnittsfläche eines Eintrittsbereichs (15) eines Strömungskanals des Strömungskörpers (14) einer Querschnittsfläche eines Austrittsbereichs (16) eines Strömungskanals der Radialhochdruckturbine (12) entspricht.
Turboladeranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (14) derart ausgebildet ist, dass eine Querschnittsfläche eines Austrittsbereichs (17) eines Strömungskanals des Strömungskörpers (14) einer Querschnittsfläche eines Eintrittsbereichs (18) eines Strömungskanals der Axialniederdruckturbine (13) entspricht.
Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (14) in Strömungsrichtung des Abgases gesehen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wobei sich in Strömungsrichtung des Abgases und damit in Axialrichtung des Strömungskörpers (14) gesehen eine Innenkontur (19) und eine Außenkontur (20) des Strömungskanals des Strömungskörper (14) derart ändern, dass an jeder Axialposition des Strömungskörpers (14) ein Produkt aus dem Radius der Innenkontur und der Differenz zwischen dem Radius der Außenkontur und dem Radius der Innenkontur konstant ist.