DE1451904C

DE1451904C - Control device for the blow-off valve of a gas turbine, in particular an exhaust gas turbine of a reciprocating internal combustion engine

Info

Publication number: DE1451904C
Authority: DE
Inventors: Wendell E. Chula Vista Calif. Reed (V.StA.). F02k 9-04
Original assignee: International Harvester Co., Chicago, 111. (V.StA.)
Publication date: 1972-04-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für das Abblasventil einer einen Verdichter antreibenden Gasturbine, insbesondere einer ein Ladegebläse antreibenden Abgasturbine einer Kolbenbrennkraftmaschine, wobei das Abblasventil 5 durch den Gasdruck und mittels eines Stellkolbens durch den Verdichter- bzw. Gebläseenddruck in OfI-nungsrichtung und durch einen von diesem Enddruck abgeleiteten, durch Abblasen in die Umgebung verminderten Luftdruck in Schließrichtung bewegbar ist.The invention relates to a control device for the blow-off valve of a compressor driving gas turbine, in particular an exhaust gas turbine of a reciprocating internal combustion engine driving a charging fan, wherein the blow-off valve 5 by the gas pressure and by means of an adjusting piston by the compressor or blower end pressure in the opening direction and by a pressure derived from this final pressure which is reduced by blowing off into the environment Air pressure can be moved in the closing direction.

Turboverdichter für die Abgase von Kolbenbrennkraftmaschinen erfordern eine Regelung ihres Abblasventils, die der Größe und jeweiligen Leistung des verwendeten Motors gerecht wird. Turboverdichter müssen so ausgelegt werden, daß sie bei maximaler Leistung einen Aufladedruck liefern, der den Bedarf des verwendeten Motors eher überschreitet. Dies kann zu ernsthaften Beschädigungen des Motors führen, wenn der Ladedruck nicht innerhalb zulässiger Grenzen geregelt wird.Turbo compressors for the exhaust gases from reciprocating internal combustion engines require their blow-off valve to be regulated, which is fair to the size and respective power of the motor used. Turbo compressor must be designed so that they deliver a boost pressure at maximum power that the Tends to exceed the requirements of the motor used. This can seriously damage the engine lead if the boost pressure is not regulated within permissible limits.

Bisher bekannte Lösungen, etwa nach der USA.-Patentschrift 3 035 408, sind zu aufwendig und erlauben keine ausreichend feinfühlige Regelung bei kleiner Ansprechzeit. Die demzufolge auftretenden Unregelmäßigkeiten des Aufladedrucks verursachen eine entsprechend unregelmäßige Beaufschlagung des Motors.Solutions known so far, for example according to US Pat. No. 3,035,408, are too expensive and allow no sufficiently sensitive control with a short response time. The resulting Irregularities in the boost pressure cause a correspondingly irregular application of the Engine.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelvorrichtung der eingangs genannten Bauart zu schaffen, die eine für eine feinfühlige Regelung ausreichend kleine Ansprechzeit besitzt, um eine optimale Leistung des angeschlossenen Motors zu gewährleisten. Die Bauweise einer hierfür vorgesehenen Regelvorrichtung soll darüber hinaus einfach sein und mit nur wenig Bauteilen auskommen.The object of the invention is to create a control device of the type mentioned at the outset, which has a sufficiently short response time for sensitive control to ensure optimum performance of the connected motor. The construction of a control device provided for this purpose should also be simple and get along with only a few components.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den Stellkolben des Gas-Abblasventils in dessen Öffnungsrichtung durch ein von einer Druckfeder in Schließrichtung belastetes, vom Verdichter- bzw. Gebläseenddruck zu öffnendes Überdruckventil entweder dieser Enddruck oder der Umgebungsluftdruck und daß in dessen Schließrichtung der durch Abblasen aus einer Bohrung in die Umgebung verminderte, durch eine feste Drossel zügeführte Verdichter- bzw. Gebläseenddruck zur Wirkung gebracht wird.This object is achieved according to the invention in that on the actuating piston of the gas blow-off valve in its opening direction by a compression spring loaded in the closing direction by the compressor or blower end pressure, the overpressure valve to be opened either this end pressure or the ambient air pressure and that in its closing direction by blowing from a bore into the environment reduced compressor or blower end pressure supplied by a fixed throttle to take effect is brought.

Hierdurch wird erreicht, daß bei Auftreten eines unzulässig hohen Verdichter- bzw. Gebläseenddrucks dieser durch Öffnen des Gas-Abblasventils schnell und zuverlässig abgebaut wird. In Schließstellung hingegen ist der auf der ventilschließenden Seite des Stellkolbens herrschende Druck noch hoch genug, um eventuell auftretende Leckverluste durch die bewegliche Dichtung des Stellkolbens ausgleichen zu können.This ensures that if an impermissibly high compressor or blower end pressure occurs this is quickly and reliably reduced by opening the gas blow-off valve. In closed position on the other hand, the pressure prevailing on the valve-closing side of the actuating piston is still high enough to compensate for any leakage losses caused by the moving seal of the actuating piston be able.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Überdruckventil in einem Einschraubstück untergebracht, das nahe seinem inneren Ende durch eine Verschlußkugel in deren Schließstellung mit dem Umgebungsluftdruck und in deren Offenstellung mit dem Verdichter- bzw. Gebläseenddruck in Verbindung zu bringende Querbohrungen aufweist. Durch Vorhandensein mehrerer solcher Querbohrungen können diese in ihrem Durchmesser klein gehalten werden, so daß sie bei Beaufschlagung der ventilöffnenden Seite des Stellkolbens keine drosselnde Wirkung herbeiführen, vielmehr ein sofortiges Ansprechen des Stellkolbens gewährleisten. Dadurch aber, daß der Durchmesser klein gehalten werden kann, benötigt die Verschlußkugel zum schnellen Schalten nur einen geringen Weg.In an advantageous embodiment of the invention, the pressure relief valve is housed in a screw-in piece, that near its inner end by a locking ball in its closed position the ambient air pressure and in its open position with the compressor or blower end pressure Has to be brought cross bores. By having several such cross bores these can be kept small in diameter so that they are when applied to the valve-opening side of the actuating piston do not bring about a throttling effect, rather an immediate one Ensure that the actuating piston responds. But because the diameter can be kept small can, the locking ball needs only a short way for quick switching.

Um den Turboverdichter an Motoren unterschiedlicher Leistung anpassen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die die Verschlußkugel in Schließrichtung belastende Druckfeder an ihrem äußeren Ende an einem Einschraubnippel abgestützt, der im Einschraubstück axial verstellbar ist.In order to be able to adapt the turbo-compressor to engines of different performance, is in further Embodiment of the invention, the compression spring loading the locking ball in the closing direction on its outer end supported on a screw-in nipple which is axially adjustable in the screw-in piece.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten Regelvorrichtung ist im Längsschnitt in der Zeichnung dargestellt. Die Regelvorrichtung 22 ist einem Turboverdichter zugeordnet, dessen Turbinengehäuse 38 eine Nebenleitung 44 aufweist, über die von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor ausgehende Auspuffgase direkt zu einer im Turbinengehäuse 38 angeordneten Öffnung 46 geleitet werden können, sofern ein die Öffnung 70 der Nebenleitung 44 normalerweise verschließendes Abblasventil 68 sich in seiner Offenstellung befindet.An exemplary embodiment of the regulating device designed according to the invention is shown in longitudinal section in FIG shown in the drawing. The control device 22 is assigned to a turbo compressor, the turbine housing 38 has a secondary line 44 via which an internal combustion engine, not shown, is used outgoing exhaust gases passed directly to an opening 46 arranged in the turbine housing 38 provided that a blow-off valve which normally closes the opening 70 of the secondary line 44 68 is in its open position.

Das Abblasventil 68 ist über eine Kolbenstange 62 mit einem Stellkolben 60 verbunden, der in einer f Kammer 58 des Reglergehäuses 48 axial verschiebbar gelagert und in Schließstellung des Abblasventils 68 durch eine Druckfeder 76 beaufschlagt ist. Über eine von einem Verdichtergehäuse des Tourboverdichters ausgehende Leitung 78 wird der Verdichterdruck in die Kammer 58 eingeleitet, die an eine Bohrung 82 angeschlossen ist, die eine feste Drossel 85 aufweist. Von der Bohrung 82 geht vor der Drossel eine Zweigbohrung 84 ab, die zu einem Überdruckventil 88 führt. Von diesem Überdruckventil 88 führt eine Leitung 90 zu einer Kammer 92, die auf der ventilöffnenden Seite des Stellkolbens 60 liegt.The blow-off valve 68 is connected via a piston rod 62 to an actuating piston 60 which, in a f Chamber 58 of the regulator housing 48 mounted so as to be axially displaceable and in the closed position of the blow-off valve 68 is acted upon by a compression spring 76. Via one of a compressor housing of the tourbo compressor outgoing line 78, the compressor pressure is introduced into the chamber 58, which is connected to a bore 82 is connected, which has a fixed throttle 85. From the bore 82 goes in front of the throttle a branch bore 84 which leads to a pressure relief valve 88. From this pressure relief valve 88 leads a line 90 to a chamber 92 which is on the valve-opening side of the actuating piston 60.

Das Überdruckventil 88 besteht aus einem in den Gehäusedeckel 52 eingeschraubten Einschraubstück 94, das in einer Innenbohrung 96 eine durch eine Druckfeder 100 belastete Verschlußkugel 98 aufnimmt. Die Druckfeder 100 drückt die Verschlußkugel 98 normalerweise gegen einen Querstift 102 des Einschraubstücks 94. Das äußere Ende der Druckfeder 100 stützt sich auf einem Einschraubnippel 104 ab, der beliebig weit in das Einschraub- ( stück 94 eingeschraubt werden kann. Dadurch ist eine Veränderung des auf die Verschlußkugel 98 wirkenden Federdrucks möglich. Das innere Ende des Einschraubstücks 94 ist mit einer Anzahl Querbohrungen 106 versehen, durch welche die Innenbohrung 96 mit der Leitung 90 dann in Verbindung steht, wenn das Einschraubstück 94 entsprechend der Darstellung in der Zeichnung in der Zweigbohrung 84 befestigt ist. Wenn die Verschlußkugel 98 am Querstift 102 anliegt, besteht keine Verbindung zwischen der Druckleitung 78 und der Innenbohrung 96, während die Kammer 92 über die Querbohrungen 106 und die Innenbohrung 96 mit der Umgebung in Verbindung steht.The pressure relief valve 88 consists of a screw-in piece 94 which is screwed into the housing cover 52 and which receives a locking ball 98 loaded by a compression spring 100 in an inner bore 96. The compression spring 100 normally presses the locking ball 98 against a transverse pin 102 of the screw-in piece 94. The outer end of the compression spring 100 is supported on a screw-in nipple 104, which can be screwed into the screw-in piece 94 as far as desired spring pressure acting on the locking ball 98. The inner end of the screw-in piece 94 is provided with a number of transverse bores 106 through which the inner bore 96 communicates with the line 90 when the screw-in piece 94 is fastened in the branch bore 84 as shown in the drawing When the locking ball 98 rests on the transverse pin 102, there is no connection between the pressure line 78 and the inner bore 96, while the chamber 92 is in communication with the environment via the transverse bores 106 and the inner bore 96.

Sobald sich die Verschlußkugel 98 bis unterhalb der Querbohrungen 106 bewegt, kann der Verdichter über die Bohrung 82 Druck in die Kammer 92 liefern, die dann über die Bohrungen 84,106 und die Leitung 90 mit der Bohrung 82 verbunden ist. In einer Mittelstellung wird der Druck, der auf die ventilöffnende Seite des Stellkolbens 60 wirkt, durch eine teilweise Öffnung der Querbohrungen 106 mittels der Kugel 98 bestimmt.As soon as the locking ball 98 moves below the transverse bores 106, the compressor can via the bore 82 supply pressure into the chamber 92, which then via the bores 84,106 and the Line 90 is connected to bore 82. In a middle position, the pressure on the valve-opening side of the actuating piston 60 acts through a partial opening of the transverse bores 106 by means of of the ball 98 determined.

Wenn der Verbrennungsmotor und der angeschlos-If the combustion engine and the connected

sene Turboverdichter außer Betrieb sind, nehmen alle Teile der Regelvorrichtung die in der Zeichnung dargestellte Lage ein. Beim Starten des Motors werden die Auspuffgase der Turbine zugeführt, wodurch ein schneller Druckanstieg am Verdichter eintritt. Dieser Druck gelangt über die Leitung 78 und die Drossel 85 in die Kammer 58, so daß sich die durch die Feder 76 ausgeübte Kraft verstärkt.If turbo compressors are out of operation, all parts of the control device take those in the drawing position shown. When the engine is started, the exhaust gases are fed to the turbine, whereby a rapid pressure increase occurs on the compressor. This pressure passes through line 78 and the Throttle 85 into the chamber 58, so that the force exerted by the spring 76 is increased.

Durch die Kammer 58 findet ein ständiger Luftdurchfluß statt, und zwar unabhängig von der jeweiligen Stellung des Gas-Abblasventils 68. Die durch die Drossel 85 in die Kammer 58 eintretende Luft tritt durch eine kalibrierte Bohrung 107 im Deckel 52 aus. Durch dieses Abblasen herrscht in der Kammer 58 ein gegenüber dem Verdichter- bzw. Gebläseenddruck verminderter Druck, der durch die Größe der Drossel 85 sowie der Bohrung 107 bestimmt wird. In einer praktischen Ausführungsform haben Drossel 85 und Bohrung 107 jeweils einen Durchmesser von 1,8 mm.There is a constant flow of air through the chamber 58 instead, regardless of the respective position of the gas blow-off valve 68. The Air entering chamber 58 through throttle 85 passes through a calibrated bore 107 in the Lid 52 off. As a result of this blow-off, there is a pressure in the chamber 58 compared to the compressor or Blower end pressure reduced pressure, which is determined by the size of the throttle 85 and the bore 107 will. In a practical embodiment, the throttle 85 and bore 107 each have one 1.8 mm in diameter.

Unter normalen Betriebsbedingungen ist die durch die Druckfeder 76 wirkende Kraft, zuzüglich der auf den Kolben 60 einwirkenden Kraft, die der Differenz zwischen dem reduzierten Druck in der Kammer 58 und dem Umgebungsluftdruck in der Kammer 92 entspricht, geringfügig größer als die durch die Auspuffgase verursachte Kraft auf das Abblasventil 68, so daß dieses auf seinem Sitz gehalten wird. Ein ansteigender Auspuffdruck wirkt sich in einer entsprechenden Zunahme des Verdichterdrucks sowie des verminderten Drucks in der Kammer 58 aus, wobei die Summe der Kräfte das Abblasventil 68 so lange geschlossen halten, wie die Verschlußkugel 98 ihre in der Zeichnung dargestellte Lage beibehält.Under normal operating conditions, the force acting by the compression spring 76 plus that on The force acting on the piston 60 is the difference between the reduced pressure in the chamber 58 and corresponds to the ambient air pressure in chamber 92, slightly greater than that through the exhaust gases caused force on the blow-off valve 68 so that this is held on its seat. An increasing one Exhaust pressure affects in a corresponding increase in compressor pressure as well of the reduced pressure in the chamber 58, the sum of the forces causing the relief valve 68 keep closed as long as the locking ball 98 maintains its position shown in the drawing.

Wenn der Verdichteraustrittsdruck den vorbestimmten Wert überschreitet, wie er durch die Vorbespannung der Druckfeder 100 festgelegt ist, erfolgt eine Abwärtsbewegung der Verschlußkugel 98, wobei der in der Leitung 78 vorhandene Druck sich bis in die Kammer 92 fortpflanzt. Die daraus folgende Drucksteigerung in der Kammer 92 führt zu einer Überschußkraft, die in Richtung einer Ventilöffnung wirkt. Nach dem Öffnen des Abblasventils 68 kann ein Teil der Auspuffgase durch die Leitung 44, den Auslaß 70 und die Öffnung 46 in die Umgebung gelangen, was zu einer Drehzahlherabsetzung der Turbine führt. Wenn die Drehzahl der Turbine abnimmt, verringert sich entsprechend auch der Verdichterauslaßdruck, und zwar so lange, bis eine bestimmte Druckhöhe erreicht ist und die Verschlußkugel 98 sich wieder nach oben bewegt. Damit ist eine Druckabnahme in der Kammer 92 verbunden, die so lange anhält, bis ein Gleichgewichtszustand der auf den Stellkolben 60 wirkenden Kräfte erreicht ist. Das Abblasventil 68 verharrt dabei in einer teilweisen Offenstellung, bis der Verdichterauslaßdruck wieder unter den vorbestimmten Wert abgefallen ist.When the compressor discharge pressure exceeds the predetermined value as determined by the pre-tensioning the compression spring 100 is fixed, there is a downward movement of the locking ball 98, wherein the pressure present in line 78 propagates into chamber 92. The resulting Pressure increase in the chamber 92 leads to an excess force in the direction of a valve opening works. After opening the blow-off valve 68, some of the exhaust gases can pass through line 44, the outlet 70 and the opening 46 get into the environment, which leads to a reduction in the speed of the turbine leads. As the speed of the turbine decreases, the compressor outlet pressure decreases accordingly, until a certain pressure level is reached and the locking ball 98 moves back up. This is associated with a decrease in pressure in the chamber 92 for so long continues until a state of equilibrium of the forces acting on the actuating piston 60 is reached. The Blow-off valve 68 remains in a partially open position until the compressor outlet pressure is restored has fallen below the predetermined value.

Die Vorrichtung spricht ebenso schnell auf einen Druckanfall an. Wenn nämlich der Druck unterhalb den vorbestimmten Wert abfällt, entlüftet die Verschlußkugel 98 die Kammer 92, so daß das Abblasventil 68 sofort wieder in seine Schließstellung zurückkehren kann.The device also responds quickly to a pressure build-up. If the pressure is below drops the predetermined value, the locking ball 98 vents the chamber 92, so that the relief valve 68 can immediately return to its closed position.

Claims

Patent claims:

1. Control device for the blow-off valve of a gas turbine driving a compressor, in particular an exhaust gas turbine of a reciprocating internal combustion engine driving a charging fan, the blow-off valve being controlled by the gas pressure and by means of an adjusting piston through the compressor or End of blower pressure in opening direction and by one derived from this final pressure and reduced by blowing it off into the environment Air pressure is movable in the closing direction, characterized in that on the Adjusting piston (60) of the gas blow-off valve (68) in its opening direction through one of a Compression spring (100) loaded in the closing direction and opened by the compressor or blower end pressure Pressure relief valve (88) either this final pressure or the ambient air pressure and that in its closing direction the reduced by blowing out of a bore (107) into the environment, Compressor or blower end pressure supplied by a fixed throttle (85) to take effect is brought.

2. Control device according to claim 1, characterized in that the pressure relief valve (88) in a screw-in piece (94) is housed, which is offset near its inner, in diameter End through a locking ball (98) in its closed position with the ambient air pressure and in their open position to be brought into connection with the compressor or blower end pressure Has transverse bores (106).

3. Control device according to claim 1 or 2, characterized in that the locking ball (98) in the closing direction loading compression spring (100) at its outer end on one Screw-in nipple (104) is supported, which is axially adjustable in the screw-in piece (94).

4. Control device according to claims 1 to 3, characterized in that the pressure relief valve (88), the screw-in piece (94) with screw-in nipple (104), one the fixed throttle (85) having bore (82) with a branch bore (84) and the blow-off bore (107) in a part of a piston chamber (58) located on the closing side of the actuating piston (60) forming cover (52) are arranged.

1 sheet of drawings