DE2550054A1 - TWO-STAGE EXHAUST GAS TURBOCHARGER WITH NESTING SHAFTS - Google Patents
TWO-STAGE EXHAUST GAS TURBOCHARGER WITH NESTING SHAFTSInfo
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Description
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Ro/CaRo / approx
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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Switzerland)
-Zweistufiger Abgasturbolader mit ineinanderliegenden Wellen.-Two-stage exhaust gas turbocharger with shafts lying one inside the other.
Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Abgasturbolader mit in einem Gehäuse untergebrachten ineinanderliegenden Wellen, einer HD- und einer ND-Stufe, die je ein beschaufeltes Turbinen- und ein beschaufeltes Verdichterrad aufweisen, wobei jede Welle ein Turbinen- und ein Verdichterrad trägt.The invention relates to a two-stage exhaust gas turbocharger with nested shafts accommodated in a housing, a high-pressure stage and a low-pressure stage, each of which has a bladed turbine wheel and a bladed compressor wheel, with each shaft carries a turbine and a compressor wheel.
Im weiteren werden die Ausdrücke ND und HD für Niederdruck bzw, Hochdruck verwendet. "In the following, the expressions ND and HD are used for low pressure and High pressure used. "
Die Aufladung eines Verbrennungsmotors, dessen Leistung über die mit einem einstufigen Turbolader erzielbare gesteigertThe charging of an internal combustion engine, the performance of which is increased beyond that which can be achieved with a single-stage turbocharger
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werden soll, kann bekanntlich mit einem zweistufigen Turbolader bewerkstelligt werden, der eine aus ND-Turbine und ND-Verdichter bestehende ND-Stufe und eine aus HD-Turbine und HD-Verdichter bestehende HD-Stufe aufweist. Verschiedene Turbolader dieser Art sind schon ausgeführt worden.is to be done, as is well known, with a two-stage turbocharger, which consists of a LP turbine and LP compressor comprising LP stage and a HP turbine and HP compressor consisting of HP stage. Different Turbochargers of this type have already been implemented.
Bei einer in der Zeitschrift "Hans^a" Nr. 20/74 veröffentlichten, vom Standpunkt der Raumersparnis vorteilhaften Konstruktion werden zwei ineinanderliegende koaxiale Wellen in einem · gemeinsamen Gehäuse verwendet. Dabei ist das ND-Verdichterrad und das HD-Turbinenrad auf der inneren Welle, und das HD-Verdichterrad und das ND-Turbinenrad auf der äusseren Welle angeordnet. Diese Kopplung der HD-Turbine mit dem ND-Verdichter und der ND-Turbine mit dem HD-Verdichter ist jedoch nachteilig, da es sich eine ungünstige Verteilung der pro Welle durchgesetzten Volumina ergeben kann, und da sich dabei wirkungsgradmässig, festigkeitsmässig und schwingungsmässig sehr ungünstige Kombinationen ergeben können. So kann es vorkommen, dass einerseits ein sehr schmales HD-Verdichterrad oder eine ND-Turbine mit sehr langen Schaufeln, andererseits ein sehr breites HD-Verdichterrad oder eine HD-Turbine mit sehr kurzen Schaufeln verwendet werden müssen.In one published in the magazine "Hans ^ a" No. 20/74, from the point of view of space saving construction, two nested coaxial shafts are in one common housing used. The LP compressor wheel and the HP turbine wheel are on the inner shaft, and the HP compressor wheel and the LP turbine wheel is arranged on the outer shaft. This coupling of the HP turbine with the LP compressor and the LP turbine with the HP compressor is disadvantageous, however, since there is an unfavorable distribution of the prevailing per shaft Volumes can result, and since this is very unfavorable in terms of efficiency, strength and vibration Combinations can result. It can happen that on the one hand a very narrow HP compressor wheel or a LP turbine with very long blades, on the other hand a very wide HP compressor wheel or a HP turbine with very short blades must be used.
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zuThe object of the invention is to address the aforementioned disadvantages
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vermeiden und einen zweistufigen Turbolader der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine günstigere Verteilung der durchgesetzten Volumina und damit eine hinsichtlich der vorerwähnten Standpunkte günstige Kopplung erreicht wird.and avoid a two-stage turbocharger of the type mentioned at the beginning Art to create in which a more favorable distribution of the enforced volumes and thus a respect the aforementioned viewpoints favorable coupling is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die auf jeweils einer Welle angeordneten Räder derselben Stufe angehören.According to the invention, this object is achieved in that the wheels, each arranged on a shaft, have the same step belong.
Nach der vorliegenden Erfindung wird das vom Standpunkt des Pestigkeitsverhaltens, des Schwingungsverhaltens und des Wirkungsgrades des Turboladers günstige Merkmal der rationalen Verteilung der durchzusetzenden Volumina mit der vom Standpunkt der Raumersparnis günstigen Konstruktion der ineinander· liegenden Wellen in einfacher Weise kombiniert. Ferner besteht die Möglichkeit die grundsätzliche Anordnung in verschiedenen Varianten auszuführen, in Abhängigkeit von den in der Praxis vorkommenden jeweiligen Anforderungen.According to the present invention, from the standpoint of Flammability behavior, the vibration behavior and the degree of efficiency of the turbocharger favorable feature of the rational distribution of the volumes to be enforced with that from the point of view the space-saving construction of the nested shafts combined in a simple manner. Furthermore, there is the possibility of executing the basic arrangement in different variants, depending on the the respective requirements occurring in practice.
So kann z.B. die das HD-Turbinenrad und das HD-Verdichterrad tragende, nachstehend als HD-Welle bezeichnete Welle die äussere Welle und die das ND-Turbinenrad und das ND-Verdichterrad tragende, nachstehend als ND-Welle bezeichnete Welle.For example, the shaft carrying the HP turbine wheel and the HP compressor wheel, hereinafter referred to as the HP shaft, can be the outer shaft and the shaft carrying the LP turbine wheel and the LP compressor wheel, hereinafter referred to as the LP shaft.
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die innere Welle sein. Dabei können die Verdichterräder von der Luft gleichgerichtet oder entgegengerichtet durchströmt sein, und die beiden Wellen in gleicher oder entgegengesetzter Richtung gedreht werden.be the inner wave. The air can flow through the compressor wheels in the same direction or in the opposite direction be, and the two shafts are rotated in the same or opposite direction.
Eine der Wellen kann im Gehäuse und die andere in bzw. auf
der ersten Welle gelagert sein. Es können auch beide Wellen im Gehäuse gelagert sein. Dabei sind verschiedene Varianten
der Lagerungsanordnung möglich. Die Lager können zwischen den auf der Welle angeordneten Rädern oder ausserhalb derselben
angeordnet sein. Ferner kann ein Lager zwischen den Rädern
und ein zweites Lager ausserhalb der Räder angeordnet sein.One of the shafts can be mounted in the housing and the other in or on the first shaft. Both shafts can also be supported in the housing. Different variants of the storage arrangement are possible. The bearings can be arranged between the wheels arranged on the shaft or outside the same. There can also be a bearing between the wheels
and a second bearing can be arranged outside the wheels.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Turboladers sind die Wellen in einem Gehäuse-Innenteil gelagert,
welches zwecks Demontage aus einem Gehäuse-Aussenteil in
Richtung des Verdichters oder in Richtung der Turbine hinausschiebbar ist. Dabei müssen die an das Gehäuse angeschlossenen
Luft- und Abgasleitungen nicht demontiert werden.According to a particularly advantageous embodiment of the turbocharger, the shafts are mounted in an inner housing part, which for the purpose of dismantling from an outer housing part in
Can be pushed out in the direction of the compressor or in the direction of the turbine. The air and exhaust pipes connected to the housing do not have to be dismantled.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen im Längsschnitt:Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. It shows in longitudinal section:
Fig. 1 einen Turbolader, bei dem die innere Welle die ND-Welle und die äussere Welle die HD-Welle ist;Fig. 1 shows a turbocharger in which the inner shaft is the LP shaft and the outer wave is the HD wave;
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Fig. 2 einen Turbolader, bei dem die innere Welle die HD-Welle und die äussere Welle die ND-Welle ist;2 shows a turbocharger in which the inner shaft is the HP shaft and the outer shaft is the LP shaft;
Fig. 3 einen Turbolader, dessen Gehäuse einen Aussenteil
und einen aus diesem in Richtung des Verdichters
hinausschiebbaren Innenteil aufweist;3 shows a turbocharger, the housing of which has an outer part and one from this in the direction of the compressor
has slide-out inner part;
Fig. M den Turbolader nach der Fig. 3, wobei der Innenteil in teilweise hinausgeschobenem Zustand dargestellt ist;FIG. M shows the turbocharger according to FIG. 3, the inner part is shown in a partially pushed out state;
Fig. 5 einen Turbolader, dessen Gehäuse einen Aussenteil und einen in Richtung der Turbine hinausschiebbaren Innenteil aufweist;5 shows a turbocharger, the housing of which has an outer part and has an inner part which can be pushed out in the direction of the turbine;
Fig. 6 den Turbolader nach der Fig. 5S wobei der Innenteil in teilweise hinausgeschobenem Zustand dargestellt ist.Fig. 6 shows the turbocharger of FIG. 5 S wherein the inner part is shown in a partially hinausgeschobenem state.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Bestandteile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or similar components are provided with the same or similar reference symbols.
Der Turbolader nach der Fig. 1 weist einen Turbinenteil 1 mit zwei Abgasturbinenstufen und einen Verdichterteil 2 mit zwei Verdichterstufen auf. In einem aus mehreren Teilen bestehendenThe turbocharger according to FIG. 1 has a turbine part 1 with two exhaust gas turbine stages and a compressor part 2 with two Compressor stages on. In one made up of several parts
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Gehäuse 3 sind zwei ineinanderliegende Wellen 1I und 5 abgestützt, von denen die innere Welle k in den Lagern 6 gelagert ist und das äussere Turbinenrad 8 und das äussere Verdichterrad 9 trägt, und die äussere Welle 5 in den Lagern 7 gelagert ist und das innere Turbinenrad 10 und das innere Verdichterrad 11 trägt. Bei dieser Ausfuhrungsform ist die innere Welle M die ND-Welle, das Turbinenrad 8 ein ND-Turbinenrad und das Verdichterrad 9 ein ND-Verdichterrad, wogegen die äussere Welle 5 die HD-Welle, das Turbinenrad 10 ein HD-Turbinenrad , und das Verdichterrad 11 ein HD-Verdichterrad ist. Eine Leitstufe 12 ist zwischen den Turbinenrädern 8 und 10 vorgesehen. Die die innere Welle 4 tragenden Lager 6 sind ausserhalb der äusseren Räder 8 und 9, wogegen die die äussere Welle 5 tragenden Lager 7 innerhalb der inneren Räder 10 und 11 angeordnet sind.Housing 3 are two nested shafts 1 I and 5 supported, of which the inner shaft k is mounted in the bearings 6 and carries the outer turbine wheel 8 and the outer compressor wheel 9, and the outer shaft 5 is mounted in the bearings 7 and the inner one Turbine wheel 10 and the inner compressor wheel 11 carries. In this embodiment, the inner shaft M is the LP shaft, the turbine wheel 8 is an LP turbine wheel and the compressor wheel 9 is an LP compressor wheel, whereas the outer shaft 5 is the HP shaft, the turbine wheel 10 is a HP turbine wheel, and the compressor wheel 11 is a high-pressure compressor wheel. A guide stage 12 is provided between the turbine wheels 8 and 10. The bearings 6 carrying the inner shaft 4 are arranged outside the outer wheels 8 and 9, whereas the bearings 7 carrying the outer shaft 5 are arranged inside the inner wheels 10 and 11.
Die Abgase strömen in Richtung des Pfeiles 13 in das Gehäuse hinein, durch die Schaufeln des HD-Turbinenrades 10, durch die Schaufeln der Leitstufe 12, die Schaufeln des ND-Turbinenrades 8 und in Richtung des Pfeiles lh aus dem Gehäuse hinaus und treiben dabei die Wellen 4 und 5 und deren Verdichterräder 9 und 11 an. Aussenluft strömt in Richtung des Pfeiles 15 über den Schalldämpfer 16 in die Schaufeln des ND-Verdichterrades 9 und wird dort auf ein bestimmtes DruckniveauThe exhaust gases flow in the direction of arrow 13 into the housing, through the blades of the HP turbine wheel 10, through the blades of the guide stage 12, the blades of the LP turbine wheel 8 and in the direction of arrow lh out of the housing and drive the Shafts 4 and 5 and their compressor wheels 9 and 11. Outside air flows in the direction of the arrow 15 via the silencer 16 into the blades of the LP compressor wheel 9 and is there to a certain pressure level
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verdichtet. Die aus dem ND-Verdichter herausströmende Luft wird im Hinblick auf eine Reduktion der Verdichtungsleistung zum Zweck weiterer Verdichtung in Richtung der Pfeile 17 über den Kühler 18 zum HD-Verdichterrad 11 geleitet und strömt in Richtung der Pfeile 20 über einen zweiten Kühler 19 zu den Zylindern des Motors (nicht gezeigt). Die Verdichterräder 9 und 11 sind somit von der Luft gleichgerichtet durchströmt.condensed. The air flowing out of the LP compressor is reduced with a view to reducing the compression output for the purpose of further compression in the direction of arrows 17 via the cooler 18 to the high-pressure compressor wheel 11 and flows in Direction of arrows 20 via a second cooler 19 to the cylinders of the engine (not shown). The compressor wheels 9 and 11 are thus traversed by the air in the same direction.
Der Turbolader nach der Fig. 2 ist in seiner Punktionsweise demjenigen nach der Fig. 1 im wesentlichen gleich und unterscheidet sich von diesem lediglich in seiner Konstruktion. Hier ist die innere Welle 4 die HD-Welle, das Turbinenrad 8' ein HD-Turbinenrad und das Verdichterrad 9' ein HD-Verdichterrad, wogegen die äussere Welle 5 die ND-Welle ist, das Turbinenrad 10' ein ND-Turbinenrad und das Verdichterrad 11' ein ND-Verdichterrad. Die die äussere Welle 5 tragenden Lager 7 sind auch hier zwischen den inneren Rädern 10' und 11' angeordnet, wogegen eines der die innere Welle 4 tragenden Lager 6 zwischen den beiden äusseren Rädern 81 und 9' und das andere ausserhalb des Rades 8' angeordnet ist. Die aus dem ND-Ver.dichterrad 11' austretende Luft wird bei dieser Ausführung zuerst um das HD-Verdichterrad 91 herumgeleitet, bevor sie in dieses eintritt. Die Verdichterräder 9' und 11' sind somit von der Luft entgegengerichtet durchströmt.The turbocharger according to FIG. 2 is essentially the same in its puncture method as that according to FIG. 1 and differs from it only in its construction. Here the inner shaft 4 is the HP shaft, the turbine wheel 8 'is a HP turbine wheel and the compressor wheel 9' is a HP compressor wheel, whereas the outer shaft 5 is the LP shaft, the turbine wheel 10 'is an LP turbine wheel and the Compressor wheel 11 'is an LP compressor wheel. The bearings 7 carrying the outer shaft 5 are also arranged here between the inner wheels 10 'and 11', whereas one of the bearings 6 carrying the inner shaft 4 between the two outer wheels 8 1 and 9 'and the other outside the wheel 8' is arranged. In this embodiment, the air emerging from the LP compressor wheel 11 'is first directed around the HP compressor wheel 9 1 before it enters the latter. The air flows through the compressor wheels 9 'and 11' in the opposite direction.
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Es sind verschiedene Varianten der beschriebenen Anordnungen möglich. So können z.B. beide Lager 6 zwischen den äusseren Rädern 8 und 9 bzw. 8' und 9' beide Lager 7 ausserhalb der inneren Räder 10 und 11 bzw. 10' und II1, oder je ein Lager 6 und/oder 7 ausserhalb bzw. innerhalb ihrer betreffenden Räder angeordnet sein. Die äussere Welle 5 kann ferner auf der inneren Welle k gelagert sein, wobei die betreffenden Lager ebenfalls zwischen den Rädern 10 und 11 bzw. 10* und 11' und/oder ausserhalb derselben angeordnet sein können. Die zwei Turbinenräder 8 und 10 bzw. 81 und 10f können auch ohne Zwischenschaltung einer Leitstufe 12 unmittelbar nebeneinander angeordnet sein. Ferner können die beiden Wellen in gleicher Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden.Different variants of the described arrangements are possible. For example, both bearings 6 between the outer wheels 8 and 9 or 8 'and 9', both bearings 7 outside the inner wheels 10 and 11 or 10 'and II 1 , or one bearing 6 and / or 7 each outside or be arranged within their respective wheels. The outer shaft 5 can also be mounted on the inner shaft k, the bearings in question also being able to be arranged between the wheels 10 and 11 or 10 * and 11 'and / or outside the same. The two turbine wheels 8 and 10 or 8 1 and 10 f can also be arranged directly next to one another without the interposition of a guide stage 12. Furthermore, the two shafts can be rotated in the same direction or in opposite directions.
Beim Turbolader nach den Figuren 3 und k besitzt das Gehäuse einen Aussenteil 20 und einen in diesem loslösbar befestigten Innenteil 21. Zweckmässig bestehen die beiden Teile 20 und 21 aus mehreren relativ zueinander starr befestigten Abschnitten. Der vom Aussenteil losgelöste Innenteil ist im Aussenteil in axialer Richtung verschiebbar angeordnet und kann in Richtung des Verdichters hinausgeschoben werden, wie dies aus der Fig. hervorgeht. Die innere Welle M, die eine ND-Welle ist, ist im Innenteil 2l gelagert, wogegen die als HD-Welle ausgebildeteIn the case of the turbocharger according to FIGS. 3 and k , the housing has an outer part 20 and an inner part 21 detachably fastened in it. The two parts 20 and 21 are expediently made up of several sections rigidly fastened relative to one another. The inner part, detached from the outer part, is arranged in the outer part so as to be displaceable in the axial direction and can be pushed out in the direction of the compressor, as can be seen from the figure. The inner shaft M, which is an LP shaft, is mounted in the inner part 2l, whereas the one designed as a HP shaft
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äussere Welle 5 auf der inneren Welle 1J gelagert ist. Die äussere Welle 5 kann jedoch ebenfalls im Innenteil 21 gelagert sein.outer shaft 5 is mounted on the inner shaft 1 J. The outer shaft 5 can, however, also be mounted in the inner part 21.
Der in den Figuren 5 und 6 gezeigte Abgasturbolader ist dem in den Figuren 3 und 4 beschriebenen ähnlich, doch kann der Innenteil 21 in Richtung der Turbine aus dem Aussenteil 20 hinausgeschoben werden. Die Ausführungsformen nach den Figuren 3-6 besitzen den Vorteil, dass der Innenteil 21 zusammen mit den Wellen 1I und 5 zwecks Demontage aus dem Aussenteil 20 entfernt werden kann, ohne dass die an das Gehäuse angeschlossenenLuft- und Abgasleitungen demontiert werden müssten.The exhaust gas turbocharger shown in FIGS. 5 and 6 is similar to that described in FIGS. 3 and 4, but the inner part 21 can be pushed out of the outer part 20 in the direction of the turbine. The embodiments of Figures 3-6 have the advantage that the inner part 21 can be removed for disassembly from the outer part 20 together with the shafts 1 I and 5, without the angeschlossenenLuft- to the housing and exhaust lines would have to be disassembled.
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