DE102011054236A1

DE102011054236A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Antreiben eines Turboladers

Info

Publication number: DE102011054236A1
Application number: DE201110054236
Authority: DE
Inventors: Dieter Thelen
Original assignee: Schenck RoTec GmbH
Current assignee: Schenck RoTec GmbH
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: WO2013050442A1; DE102011054236B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Antreiben eines Turboladers (1) mit Hilfe von dem Turbineneinlass (12) zugeführter Treibluft wird die am Verdichterauslass (15) austretende verdichtete Luft in den Turbineneinlass (12) geleitet und die Treibluft mit einem gegenüber dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit der verdichtete Luft höheren Druck und höherer Strömungsgeschwindigkeit mittels einer Strahlpumpe (22) in den Turbineneinlass eingeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben eines eine Turbine und einen Turboverdichter umfassenden Turboladers, der ein Gehäuse mit einem Turbineneinlass und einem Verdichterauslass und einen Rotor mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad aufweist, bei welchem Verfahren der Rotor mit Hilfe von dem Turbineneinlass zugeführter Treibluft auf eine im wesentlichen normale Arbeitsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Bei der Entwicklung und Produktion von Turboladern ist es zu Messzwecken, beispielsweise zum hochtourigen Auswuchten, erforderlich, den Rotor des Turboladers bis auf seine maximale Betriebsdrehzahl oder eine ähnlich hohe Drehzahl zu bringen. Um dies zu erreichen, ist es aus DE 10 2009 013 432 A1 bekannt, die Turbine des Turboladers mit Treibluft zu beaufschlagen und dem Rotor auf diese Weise die notwendige Antriebsleistung zuzuführen. Als Treibluft dient üblicherweise Druckluft, die beispielsweise einem Druckluftnetz entnommen werden kann. Die zum Antrieb benötigte Menge an Druckluft ist erheblich, zumal die Druckluft in der Regel kalt ist, d. h. Raumtemperatur hat, und dementsprechend das Enthalpiegefälle in der Turbine klein ist. Druckluft ist als Energieträger vergleichsweise teuer und die Energieeffizienz des Antriebs der Turbine mit Druckluft ungünstig. Das Beschleunigen eines Turbolader-Rotors auf maximale Betriebsdrehzahl mit Hilfe von Treibluft verursacht daher nicht unerhebliche Kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Kosten für das Antreiben des Rotors des Turboladers zu verringern.
Nach der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Patentanspruch 3 angegeben.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die am Verdichterauslass austretende verdichtete Luft in den Turbineneinlass geleitet und die Treibluft zum Antreiben des Turbinenrades mit einem gegenüber dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft im Turbineneinlass höheren Druck und höherer Strömungsgeschwindigkeit in Form wenigstens eines Strahles in den Turbineneinlass geleitet.
Durch das Verfahren nach der Erfindung wird die von der Verdichterseite des Turboladers geförderte verdichtete Luft zusätzlich für den Antrieb genutzt, indem sie in den Turbineneinlass geführt wird. Zwar kann die geförderte verdichtete Luft für den Antrieb des Rotors nicht ausreichen, da sowohl in der Turbine als auch im Verdichter Verluste entstehen, die durch von außen zugeführte Energie in Form von Treibluft ausgeglichen werden müssen. Darüber hinaus bedarf es eines Energieüberschusses, um eine kurzzeitige Beschleunigung des Rotors auf hohe Drehzahl zu bewirken. Im Gegensatz zu einem ausschließlich Treibluft verwendenden Antrieb wird bei dem Verfahren nach der Erfindung relativ wenig Treibluft zur Unterstützung der verdichteten Luft benötigt, da die in der vom Verdichter kommenden Luft gespeicherte Energie für den Antrieb der Turbine zurückgewonnen werden kann. Im Prinzip müssen durch die zugeführte Treibluft also nur die Energieverluste in Turbine und Verdichter und die Verluste in der Rotorlagerung gedeckt werden. Der Verbrauch an Treibluft kann daher durch das relativ einfach durchzuführende Verfahren nach der Erfindung erheblich gesenkt werden. Dies führt dann auch zu einer entsprechenden Senkung der Kosten für den Antrieb des Turboladers.
Die Zuführung der Treibluft kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft nach dem Prinzip einer Strahlpumpe erfolgen. Da die vom Turboverdichter des Turboladers kommende verdichtete Luft im Druck deutlich unter dem Druck der normalen Druckluftnetze liegt, denen üblicherweise die Treibluft entnommen wird, kann die Treibluft mit Hilfe einer Strahlpumpe als Treibstrahl sehr wirksam der verdichtete Luft zugemischt werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung zum Antrieb eines eine Turbine und einen Turboverdichter umfassenden Turboladers, der ein Gehäuse mit einem Turbineneinlass und einem Verdichterauslass und einen Rotor mit einem Turbinenrad und einem Verdichterrad aufweist, erforderlich, wobei die Vorrichtung eine an den Turbineneinlass anschließbare Treibluftquelle umfasst. Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin eine Leitung, die an den Verdichterauslass und den Turbineneinlass anschließbar ist, um die an dem Verdichterauslass austretende verdichtete Luft in den Turbineneinlass zu leiten, und eine an den Turbineneinlass und die Treibluftquelle anschließbare Strahlpumpe, durch welche die Treibluft mit einem gegenüber dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft höheren Druck und höherer Strömungsgeschwindigkeit in Form eines Strahles in den Turbineneinlass eingeleitet werden kann.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist einfach und kostengünstig herstellbar und unkompliziert in der Handhabung. Die Strahlenpumpe kann in das an den Turbineneingang anschließbare Ende der Leitung integriert sein.
Das Verfahren nach der Erfindung ist bei kompakten Turboladern und auch bei Turbolader-Rumpfgruppen anwendbar. Bei Turbolader-Rumpfgruppe besteht das Gehäuse aus einem die Rotorlagerung enthaltenden Mittelgehäuse, das Bestandteil des Turboladers ist und aus an das Mittelgehäuse angesetzten Hilfsgehäuseteilen, welche die Turbinenkammer und die Verdichterkammer mit den dazugehörigen Einlässen und Auslässen bilden. Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei Turboladern beschränkt, sondern kann auch bei ähnlich aufgebauten Aggregaten, z.B. den Gaserzeugergruppen kleiner Gasturbinen, angewendet werden, um diese zum Zwecke des Auswuchtens oder zu anderen Erfordernissen anzutreiben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Turbolader mit einem daran angeschlossenen Treibluftantrieb nach der Erfindung.
Dargestellt ist ein Turbolader 1, der eine Turbine 2 und einen Turboverdichter 3 enthält. Der Turbolader 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das eine Turbinenkammer 5 und eine Verdichterkammer 6 und ein zwischen diesen angeordnetes Lagergehäuse 7 bildet. In dem Gehäuse 4 ist ein Rotor 8 mit einer im Lagergehäuse 7 gelagerten Welle 9 angeordnet. An der Welle 9 ist in der Turbinenkammer 5 ein Turbinenrad 10 und in der Verdichterkammer 6 ein Verdichterrad 11 befestigt. An der Turbinenkammer 5 ist das Gehäuse 4 mit einem Turbineneinlass 12, der im Wesentlichen tangential in die spiralförmige Turbinenkammer 5 mündet, und mit einem koaxialen Turbinenauslass 13 versehen. Die spiralförmige Verdichterkammer 6 weist einen zentralen Verdichtereinlass 14 und einen tangentialen Verdichterauslass 15 auf.
Um den Turbolader 1 z.B. für Messzwecke bis auf eine der maximalen Betriebsdrehzahl entsprechende Drehzahl antreiben zu können, ist er an eine Vorrichtung 20 angeschlossen. Die Vorrichtung 20 weist eine Leitung 21 auf, die den Verdichterauslass 15 mit dem Turbineneinlass 12 verbindet. Der unmittelbar an den Turbineneinlass 12 angrenzende Abschnitt der Leitung 21 ist als Strahlpumpe 22 ausgebildet und enthält einen Düsenstock 23 mit einer Düse 24, deren Strahl in Richtung auf den Turbineneinlass 12 gerichtet ist. Der Düsenstock 23 ist über ein Ventil 25 an einen Treibluftbehälter 26 angeschlossen, der von einem durch einen Motor angetriebenen Kompressor 27 mit Treibluft gespeist wird. Die Treibluft hat einen Druck, der erheblich höher ist als der maximale Druck, den die vom Turboverdichter 3 geförderte verdichtete Luft im Verdichterauslass 15 bei maximaler Betriebsdrehzahl erreicht.
Soll der Rotor 8 angetrieben und beschleunigt werden, so wird das Ventil 25 geöffnet und Treibluft durch die Düse 24 in die Turbinenkammer 5 geleitet. Durch die Wirkung der Strahlpumpe 22 wird hierbei auch Luft aus der Leitung 21 und dem Turboverdichter 3 angesaugt. Durch die in die Turbinenkammer 5 einströmende Luft wird das Turbinenrad 10 angetrieben und der Rotor 8 in Drehung versetzt. Mit wachsender Drehzahl wächst die Förderleistung des Turboverdichters 3 und damit auch die dem Turbineneinlass zugeführte Luftmenge. Die Turbinendrehzahl nimmt weiter zu, bis sie einen Wert erreicht, bei dem sich ein Gleichgewicht einstellt, bei dem die mit der Treibluft aus dem Treibluftbehälter 26 zugeführte Energie den Energieverlusten in der Turbine, in dem Verdichter und in der Lagerung des Rotors entspricht.
Soll die Rotordrehzahl weiter erhöht werden, so muss durch entsprechende Steuerung des Ventils 25 die zugeführte Treibluftmenge erhöht werden. Umgekehrt kann durch Verringerung der zugeführten Treibluftmenge die Rotordrehzahl gesenkt werden.
Insgesamt ergibt sich durch die Einleitung der von dem Turboverdichter 3 geförderten verdichteten Luft in die Turbine 2 eine deutliche Verringerung der benötigten Treibluftmenge und damit des Energie- und Kostenaufwands für einen Mess- und Testbetrieb des Turboladers 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009013432 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Antreiben eines eine Turbine (2) und einen Turboverdichter (3) umfassenden Turboladers (1), der ein Gehäuse (4) mit einem Turbineneinlass (12) und einem Verdichterauslass (15) und einen Rotor (8) mit einem Turbinenrad (10) und einem Verdichterrad (11) aufweist, bei welchem Verfahren der Rotor (8) mit Hilfe von dem Turbineneinlass (12) zugeführter Treibluft auf eine im wesentlichen normale Arbeitsgeschwindigkeit beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die am Verdichterauslass (15) austretende verdichtete Luft in den Turbineneinlass (12) geleitet wird und dass die Treibluft mit einem gegenüber dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft im Turbineneinlass (12) höheren Druck und höherer Strömungsgeschwindigkeit in Form eines Strahles in den Turbineneinlass (12) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Treibluft mittels einer Strahlpumpe (22) erfolgt.
Vorrichtung zum Antreiben eines eine Turbine (2) und einen Turboverdichter (3) umfassenden Turboladers (1), der ein Gehäuse (4) mit einem Turbineneinlass (12) und einem Verdichterauslass (15) und einen Rotor (8) mit einem Turbinenrad (10) und einem Verdichterrad (11) aufweist, mit einer an den Turbineneinlass (12) anschließbaren Treibluftquelle, gekennzeichnet durch eine Leitung (21), die an den Verdichterauslass (15) und den Turbineneinlass (12) anschließbar ist, um die an dem Verdichterauslass (15) austretende verdichtete Luft in den Turbineneinlass (12) zu leiten und durch eine an den Turbineneinlass (12) und die Treibluftquelle anschließbare Strahlpumpe (22), durch welche die Treibluft mit einem gegenüber dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft im Turbineneinlass (12) höheren Druck und höherer Strömungsgeschwindigkeit in Form eines Strahles in den Turbineneinlass (12) eingeleitet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (23) in die Leitung (21) integriert ist.