DE19752534C1 - Radialdurchströmte Abgasturboladerturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine radialdurchströmte Ab­ gasturboladerturbine nach der im Oberbegriff von An­ spruch 1 näher definierten Art.

Eine Abgasturboladerturbine dieser Art ist aus der DE 43 09 636 A1 bekannt. Dabei sind verstellbare Leit­ schaufeln vorgesehen, womit die Turbinenleistung, die Turbinendrehzahl und auch der Ladedruck erhöht werden können. Hauptzweck einer derartigen im Abgasstrom ei­ ner Brennkraftmaschine angeordneten Turbine ist es einen Verdichter anzutreiben, der atmosphärisch ange­ saugte und in ihm komprimierte Luft über eine Lade­ luftleitung den einzelnen Zylindern der Brennkraftma­ schine zuführt. Ein weiterer Zweck einer derartigen Turbine ist jedoch auch ihr Einsatz im Bremsbetrieb einer Brennkraftmaschine. Für die Nutzung im Bremsbe­ trieb als sogenannte Turbobremse werden die Leitschau­ feln durch eine entsprechende Verdrehung ihrer Ver­ stellwellen vollständig geschlossen. Problematisch dabei sind jedoch sogenannte Spaltverluste, die auf­ grund unvermeidlicher Toleranzen und einem zwangsweise großen Spiel aufgrund der erheblichen Temperaturunter­ schiede und daraus resultierender Längenänderungen auftreten. Insbesondere im Bremsbetrieb der Abgastur­ boladerturbine besteht eine sehr hohe Druckdifferenz zwischen den Bereichen vor den Leitschaufeln und hin­ ter den Leitschaufeln. Vor den Leitschaufeln herrscht ein sehr hoher Bremsdruck, während hinter den Leit­ schaufeln in Richtung der sich daran anschließenden Abgasanlage nahezu Umgebungsdruck herrscht. Durch die großen Spaltverluste wird deshalb die Bremsleistung deutlich verringert. Darüber hinaus führen die relativ großen Spaltquerschnitte und geringen Dichtflächen jedoch auch im Normalbetrieb der Turbine zu Wirkungs­ gradverlusten.

Zum allgemeinen Stand der Technik wird weiterhin noch auf die DE 39 12 348 C2, die DE 195 16 971 A1 und die DE 39 07 504 C2 verwiesen.

Der vorliegenden Aufgabe liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturboladerturbine der eingangs erwähnten Art derart zu verbessern, daß möglichst geringe Spaltver­ luste, insbesondere in geschlossenem Zustand der Leit­ schaufeln, entstehen können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die seitlich an den Längsseiten der Leitschau­ feln angeordneten Dichtscheiben wird insbesondere bei geschlossenem Leitgitter durch entsprechend verstellte Leitschaufeln eine drastische Reduzierung der Spalt­ verluste erreicht. Insbesondere im Betrieb der Turbine als Motorbremse, wobei entsprechend hohe Druckkräfte auf das Leitgitter bzw. die Leitschaufeln wirken, wird damit eine deutlich bessere Abdichtung und daraus re­ sultierend eine erhebliche Steigerung der Bremswirkung erreicht.

Diese Herabsetzung der Spaltverluste kommt auch im normalen befeuerten Betrieb dem Wirkungsgrad der Ab­ gasturboladerturbine zugute, da damit ebenfalls wir­ kungslose Umströmungen der Leitschaufeln vermieden werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtschei­ ben besteht darin, daß durch die zusätzliche Lagerung der Leitschaufeln über die Dichtscheiben auf der von den Verstellwellen abgewandten Seite eine stabilere Lagerung der Beschaufelung erreicht wird, was insbe­ sondere bei den hohen Druckkräften im Bremsbetrieb von Vorteil ist. Das geschlossene Leitgitter wird damit deutlich stabiler.

Auf der Verstellwellenseite können die Leitschaufeln in bekannter Weise in den Verstellwellen gelagert sein. In vorteilhafter Weise kann man jedoch auch auf dieser Seite die Dichtscheiben wenigstens teilweise zur Lagerung verwenden, da man aufgrund der großen Durchmesser der Dichtscheiben damit deutlich größere Lagerflächen erreicht.

Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung vorgesehen ist, daß die Dichtscheiben auf ihren von den Leitschaufeln abgewandten Rückseite wenigstens teilweise mit strukturierten Oberflächen versehen sind, so werden Spaltverluste noch weiter verringert. Durch die Oberflächenstrukturierung wird eine Verwir­ belung und Turbulenz des Spaltmassenstromes erreicht und damit der Strömungswiderstand stark erhöht, wo­ durch der wirkungsgradschädliche Spaltmassenstrom stärker reduziert werden kann.

Eine ähnliche Wirkung wird durch Labyrinth- Abdichtungsmaßnahmen an den Rückseiten der Dichtschei­ ben erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzip­ mäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch die erfindungsge­ mäße Abgasturboladerturbine;

Fig. 2 eine Frontansicht auf das Leitgitter mit den Leitschaufeln im geöffneten Zustand;

Fig. 3 eine Frontansicht auf das Leitgitter mit den Leitschaufeln in geschlossenem Zustand;

Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß X nach der Fig. 1; und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht von drei neben­ einanderliegenden Leitschaufeln mit Dicht­ scheiben und Verstellwellen.

Grundsätzlich ist die in Fig. 1 dargestellte Abgastur­ boladerturbine von bekannter Bauart und arbeitet in bekannter Funktionsweise sowohl im befeuerten Betrieb als auch in einem Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine, weshalb nachfolgend nur auf die für die Erfindung we­ sentlichen Teile näher eingegangen wird.

Die nur teilweise dargestellte Abgasturboladerturbine 1 weist eine radiale, aus einer Spirale erfolgenden Zuströmung zur Beschaufelung und eine axiale Abströ­ mung aus der Beschaufelung auf. Die einen durchström­ ten Kanal 2 begrenzenden Wandungen stromaufwärts von Laufschaufeln 3 sind eine innere linke und rechte Wan­ dung eines Gehäuses 4.

Eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Leit­ schaufeln 5 in den Kanal 2 sind jeweils mit Verstell­ wellen 6 in dem Gehäuse 4 gelagert. Jede Verstellwelle 6 ist an ihrem von der Leitschaufel 5 abgewandten Ende mit einem Schwenkhebel 7 versehen. Die Verstellhebel 7 und damit die Verstellwellen 6 werden in nicht näher dargestellter Weise durch eine Betätigungseinrichtung 8 gemeinsam und synchron verstellt. Die Winkelverstel­ lung der Verstellhebel 7 kann z. B. durch Betätigungs­ mittel erfolgen, wie sie aus dem Verdichterbau bekannt sind.

An ihren rechtwinklig zu den Längsachsen der Verstell­ wellen 6 verlaufenden Längsseiten bzw. seitlich an den Leitschaufeln 5 sind Dichtscheiben 9 angeordnet, wel­ che im allgemeinen jeweils mit den Leitschaufeln 5 und den Verstellwellen 6 einstückig sind.

Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung in der Fig. 4 erkennbar ist, bilden die beiden seitlichen Dichtscheiben 9 gleichzeitig auch Lagerstellen 10 und 11 für die Leitschaufeln 5 in Bohrungen des Gehäuses 4. Auf diese Weise wird anstelle einer allgemein übli­ chen nur einseitigen Lagerung der Leitschaufeln 5 eine doppelte bzw. zweiseitige Lagerung erreicht.

Da trotzdem über die Lagerstellen 10 und 11 noch Spaltmassenströme über die Rückseiten der Dichtschei­ ben 9 erfolgen können, sind die Dichtscheiben 9 auf ihren Rückseiten mit strukturierten Oberflächen 12 versehen. Dies ist insbesondere jeweils für die Lager­ stelle 10 von Vorteil, die im allgemeinen als Ra­ diallager ausgebildet sein wird. Art und Verlauf der Oberflächenstrukturierung ist beliebig. Wesentlich ist lediglich, daß dadurch eine entsprechende Verwirbelung und Turbulenz entsteht, womit der Strömungswiderstand erhöht und der wirkungsgradschädliche Spaltmassenstrom über die rückseitigen Spalten der Dichtscheiben 9 er­ heblich reduziert wird.

Aus den Fig. 2, 3 und 5 ist deutlich erkennbar, daß durch die seitlichen Dichtscheiben 9 auf Grund ihrer wesentlich größeren Durchmesser im Vergleich zur Dicke der Leitschaufeln 5 die Spalte auf beiden Seiten der Leitschaufeln 5 in erheblichem Umfange reduziert wer­ den. Wie insbesondere aus der Fig. 5 ersichtlich ist, steht im Vergleich zu den geringen Dicken der Leit­ schaufeln 5 durch die großen Durchmesser der Dicht­ scheiben 9 eine wesentlich längere seitliche Dichtflä­ che zur Verfügung. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu den sehr geringen Leitschaufeldicken im Bereich ihrer Stirnseiten. Die Spaltverluste im Bereich der vorderen und hinteren Enden bzw. Stirnseiten der Leit­ schaufeln 5 bleiben zwangsweise vorhanden, da aus kon­ struktiven Gründen den Durchmesservergrößerungen der Dichtscheiben 9 Grenzen gesetzt sind, aber wie insbe­ sondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann durch eine geeignete Durchmesserwahl der Dichtscheiben 9 eine drastische Reduzierung von Spaltverlusten über nahezu die Hälfte der Leitschaufellängen oder sogar noch mehr erreicht werden.

Die Dichtscheiben 9 auf der den Verstellwellen 6 zuge­ wandten Seiten können selbstverständlich auch als rei­ ne Dichtscheiben ausgebildet sein, wobei die Lagerung der Leitschaufeln 5 in bekannter Weise durch die Ver­ stellwellen 6 selbst erfolgt. In diesem Falle wird man dann die Dichtscheiben 9 auf dieser Seite ebenfalls auf ihren Rückseiten mit strukturierten Oberflächen zur Verringerung von Spaltmasseströmen versehen.

Die Erfindung wurde anhand einer sogenannten einfluti­ gen Abgasturboladerturbine vorstehend beschrieben. Selbstverständlich ist eine Ausgestaltung der Leit­ schaufeln 5 mit den seitlichen Dichtscheiben 9 auch bei einer zweiflutigen Abgasturboladerturbine möglich, wobei sich die Leitschaufeln in einem Hauptstrom be­ finden und ein geringer Strom parallel dazu gedrosselt über ein Bremsgitter mit sehr engen Spalten erfolgt. Auch in diesem Falle sind die Dichtscheiben für eine Spaltminimierung im Hauptstrom und ein daraus resul­ tierender gezielter und genau definierter Bremsbetrieb von Vorteil. Gleiches gilt für den Wirkungsgrad einer zweiflutigen Abgasturboladerturbine im befeuerten Be­ trieb.

Claims (5)

1. Radialdurchströmte Abgasturboladerturbine mit ei­ ner Reihe verstellbarer Leitschaufeln, welche über in einem Gehäuse gelagerte Verstellwellen verdreh­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (5) an ihren rechtwinklig zu den Verstellwellenachsen verlaufenden Längsseiten mit Dichtscheiben (9) versehen sind, deren Durchmesser ein Mehrfaches der Dicke der Leitschaufeln (5) be­ trägt, und daß die Dichtscheiben (9), die sich auf der von den Verstellwellen (6) abgewandten Seite befinden, Lagerstellen (10) für die Leitschaufeln (5) in dem Gehäuse (4) bilden.

2. Abgasturobladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheiben (9) auf der den Verstellwellen (6) zugewandten Seite wenigstens teilweise Lager­ stellen (11) bilden.

3. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheiben (9) auf ihren von den Leitschau­ feln (5) abgewandten Rückseiten wenigstens teil­ weise mit strukturierten Oberflächen versehen sind.

4. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheiben (9) auf ihren von den Leitschau­ feln (5) abgewandten Seiten mit Labyrinthdichtun­ gen versehen sind.

5. Abgasturboladerturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Dichtscheiben (9) wenigstens annähernd den halben Längen der Leitschaufeln (5) entsprechen.