DE2624312A1

DE2624312A1 - Turbine, insbesondere fuer einen turbolader

Info

Publication number: DE2624312A1
Application number: DE19762624312
Authority: DE
Inventors: Jun Wilbur Allen Spraker; Robert Lynn Stewart
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-05-31
Publication date: 1977-02-17
Also published as: BR7603514A; JPS5945808B2; DE2624312C2; JPS526814A; GB1509838A; US3994620A

Description

PATENTANWALT Anw.-Akte: Dipl.-lng. Wolfgang K. Rauh

5100 AACH EN 1-53¹^

Kref eider Straße 35 · Telefon 36452

PATENTANMELDUNG

Anmelder: Wallace Murray Corporation Delaware Corporation, 299 Park Avanue: Neu York, Neu/ York

Priorität: _{UBft 3f] 3}.

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Bezeichnung: Turbine, insbesondere für einen Turbolader

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere für einen Turbolader mit einer ringförmigen Gehäusekammer _t'ur Aufnahme der den Laufrad radial zuzuführende." Antriebsgasc bzw. der Abgase Girer Brennkrsf tmaschir=;.

Turbolader dienen allgemein zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und des Einlaßdruckes von Brennkraftmaschinen, um damit zugleich Leistung und Wirkungsgrad dieser Maschinen zu erhöhen. Bei den üblichen Bauarten ujird ein Zentrifugalkompressor durch ein Laufrad mit radial von außen zugeführten Abgasen angetrieben. Wenn die geometrischen Verhältrisse zwischen Kompressor und Turbine einmal festgelegt sind, UJ3S allgemein der Fall ist, ist es schmierig, den Betrieb des Turboladers über den gewünschten Betriebsbereich

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Leerlsuf bis zur Hcchstlast der Brennkraftmaschine stets angemessen beizubehalten, k'er.n der Turbolader so ausgelegt ist, daß sr bei Leerlaufdrehzahl arbeitet, zeigte es sich, daß bei Höchstlast eine zu hohe Drehzahl des Turboladers und zu hohe Abgasdrücke vorliegen. Umgekehrt ergibt es sich, daß, wenn der Turbolader auf Höchstlast der Brennkraftmaschine ausgelegt ist, die Drehzahl und der Einlaßdruck beim Leerlauf zu niedrig sind. Unter diesen Umständen ist die Leistung der Brennkraftmaschine niedriger als erwünscht, und es entstehen übermäßiger Abgasgeruch und Hit;

Es-wurden schon verschiedene Vorschläge gemacht, um diese Wachteile zu vermeiden. Einer hiervon ist ein Auslaßloch, das einen Abztueigkanal für das Abgas um das Laufrad herum bildet und damit die Drehzahl und den Auslaßdruck des Laufrades begrenzt.

Ein anderer Vorschlag sieht vor, im Turbinengehäuse vor dem Laufrad umlaufende oder bewegliche Leitschaufeln vorzusehen (US-PS'2 944 786). Entsprechend der US-PS 3 423 926 ist ein Ventil im Turbinengehäuse vorgesehen, das den Gasstrom zu einer von zu/ei Seiten eines geteilten Gehäuses leitet. Entsprechend der US-PS 2 838 907 ist vorgeschlagen, ein Ventil im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor dem Turbolader vor-

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zusehen, und nach der US-PS 3 639 075 wurde vorgeschlagen, bewegliche Turbineneinlaßdüsen anzuordnen. Diese Konstruktionen bewirken entweder zu hohe arodynamische Verluste und damit einen Wirkungsgradverlust oder erfordern derartig komplizierte Vorrichtungen, daß es ein Problem ist, diese im Bereich des Turboladers zuverlässig arbeiten zu lassen.

Es wurde festgestellt, daß alle bisherigen Steuermittel für Turbolader darauf beruhten, daß die Strömungsverhältnisse vor dem Laufrad verändert wurden. Eine Erforschung der Leistungen des Laufrades ergab jedoch, daß etwa zwei Drittel der Laufradleistung vom radialen Fluß der Abgase der Brennkraftmaschine in die Laufradschaufeln und Laufradkanäle und etwa ein Drittel der Leistung von der Ablenkung der Luft in den Auslaßkanal abhängig ist. Der Auslaßkanal ist derjenige Teil des Laufradschaufelsystems, in dem die Laufradschaufeln sich aus einer im wesentlichen axialen Richtung um einen bedeutenden Winkel entgegen der Drehrichtung des Laufrades wenden. Dementsprechend können die Maschinen! leistung und damit auch die Drehzahl des Turboladers verändert und gesteuert werden, wenn der Luftdurchsatz durch den Auslaßteil des Laufrades relativ zum Luftdurchsatz durch das Turbineneinlaßgehäuse und den radialen Teil der Laufschaufeln

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verändert wird. Diese Maßnahme, die auch als Abgasabzweigung bezeichnet u/erden kann, bietet beträchtliche Vorteile, da die Luft, die bis dahin unbeeinflußt das Laufradeinlaßgehäuse und den radialen Teil der Laufschaufeln durchlaufen hat, einen beträchtlichen Prozentsatz der gesamten Energieübertragung ausmacht. Die Abgasabzweigung beu/irkt daher nur noch eine geringe Abweichung des Turbinenu/irkungsgrades.

Die aus dem Auslaßteil der Laufschaufeln abgezweigte Luft hat noch einen beträchtlichen Energieinhalt, da sie an einer Stelle abgezweigt ujird, wo der Druck noch beträchtlich oberhalb des Auslaßdruckes der Turbine liegt. Dieser Energieinhalt kann teilweise rückgeiuonnen werden, indem er als Antriebsmittel für eine Strahlpumpe am Auslaß des Laufrades verwendet wird, um den Druck am Laufradauslaß zu vermindern und gleichzeitig den Druck unterhalb des Laufrades im Auslaßkanal zu erhöhen.

Die Erfindung wird darin gesehen, daß eine Ringzone zwischen den radial äußersten Kanten der Laufschaufeln an der Auslaßseite des Laufrades und der inneren Seite des Auslaßkanals vorgesehen ist, daß koaxial zur Drehachse des Laufrades ein Steuerring angeordnet ist, der zumindest teilweise in die Ringzone ragt, und dessen radiale Wandstärke geringer ist als die Dicke der Ringzone, daß der Steuerring axial

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vor- und rückbewegbar angeordnet ist, derart, daß das in das Laufrad eintretende Gas im einen Totpunkt des Steuerringes im wesentlichen axial aus dem Laufrad austritt und im anderen Totpunkt, d.h vom Laufrad entfernt, teilweise radial aus dem Laufrad und axial zwischen dem Auslaßkanal und dem Steuerring austritt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mit der Abzweigluft eine Strahlpumpe angetrieben ujird. Derartige Turboladerlauf räder haben allgemein einen Durchmesser von 75 bis 125 mm. Der Auslaßkanal ist im allgemeinen zylindrisch an seiner Innenseite und hat einen lichten Durchmesser zwischen 75 bis 90$ des maximalen Laufraddurchmessers. Der Nabendurchmesser des Laufrades an der Auslaßseite beträgt etiua 40$ des Einlaßdurchmessers. Die Einlaßtemperatur eines Leders liegt zwischen 800 und 1300° F abhängig von den Arbeitsbedingungen der Brennkraftmaschine, ujobei der Turbolader eine Maximaldrehzahl im Bereich von 70.000 bis 120.000 U/min hat, abhängig von seiner Abmessung. Der Turbineneinlaßdruck liegt zwischen 3,5 atü bei Höchstlast und 1,5 atü bei Leerlauf abhängig von den Arbeitscharakteristika der jeweiligen Brennkraftmaschine, der der Turbolader zugeordnet ist. Im allgemeinen ist der Auslaßdruck der Turbine eteas höher als der Atmosphärendruck.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt und zwar zeigen:

Fig.1 einen teiliweisen Längssshnitt durch eine Turbine mit einem Steuerring,

Fig.2 eine ähnliche Schnittansicht gemäß Fig.1 durch eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig.3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig.2, Fig.4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig22 und

Fig.5 eine teilweise perspektivische Ansicht eines typischen Laufrades für Turbinen der Fig.1 oder 2*·

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In Fig.1. ist qin Teil eines Turboladergehäuses 10 dargestellt, das eine ringförmige Einlaßkammer 12 zur Aufnahme der Abgase einer Brennkraftmaschine aufweist. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Teil des Turbinenauslaßkanals, dessen Inneres mit 16 bezeichnet ist. Die Figur zeigt einen Teil eines Turbinenlaufrades 20 und der Laufradwelle 22, die mit einem nicht dargestellten Kompressorteil des Turboladers verbunden sind. Mit 24 ist eine von einer Vielzahl einzelner Laufschaufeln bezeichnet, deren radial äußerster Teil mit 26 bezeichnet ist, und deren Auslaßseite mit 28 bezeichnet ist. Die Abgase der Brennkraftmaschine gelangen in die Einlaßkammer und durchlaufen radial nach innen den Teil 26 jeder Laufschaufel und verlassen diese durch den Auslaßteil 28 zum Auslaßkanal. In diesem Auslaßkanal 14 ist ein Steuerring 30 angeordnet, der einen ringförmigen Raum oder eine ringförmige Zone 32 zwischen der Innenseite des Auslaßkanals 14 und .der äußeren Mantelfläche des Steuerringes 30 begrenzt. Dieser Steuerring ist in seiner extrem linken Stellung, dem inneren Totpunkt dargestellt und kann nach rechts und von dort wieder nach links usw. bewegt werden, je nach der jeweiligen Arbeitsbedingung der Brennkraftmaschine, wie dies noch später beschrieben wird.

Die Ringzone 32 bildet einen ringförmigen Abzweigkanal zwischen

dem Steuerring 30 und der Innenseite des AuslaQkanals 14 der Turbine. Wird der Steuerring 30 nach links in seine geschlossene

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Stellung, wie in Fig.1 dargestellt bewegt, so ujird kein Abgas abgezweigt und die Turbine arbeitet in üblicher Weise. Der Gasstrom ist durch den gekrümmten Pfeil dargestellt. Wird der Steuerring 30 vom Laufrad uiegbeu/egt, so vergrößert sich der Querschnitt des Abzu/eigkanals (zwisckBn der linken Kante des Steuerringes 30 und den Laufschaufelkanten 26), so daß eine größere Gasmenge durchbden Abzweigkanal fließt. Es ist allgemein wünschenswert, die Turbinenleistung bei einem maximalen Leistungszustand der Brennkraftmaschine um etüfa 10/b zu reduzieren und dies erfordert, daß etwa 20 bis 30% des Turbinendurchsatzes durch den Abzweigkanal geleitet werden muß. Bei einem typischen Anwendungsbeispiel mit einem Laufradaußendurchmesser von ca. 75 mm beträgt die radiale Stärke des Abzweigkanals 32 etwa 6 mm. Diese Abmessung ist eine Funktion einer bestimmten Laufradkonstruktion und der erforderlichen Leistungsverminderung.

Fig.2 zeigt eine besondere Ausführungsform gemäß der Erfindung. In den Fig.1 und 2 sind soweit es sich um übereinstimmende Teile handelt, gleiche Bezugszeichen verwendet. Der in Fig.2 dargestellte Steuerring 50 besitzt über seinen Umfang 'verteilte Erhebungen 52, die ihrerseits wiederum Stifte 54 tragen, die sich radial nach außen durch Langlöcher 55 im Auslaßkanal 14 erstrecken, Diese Stifte 54 werden von einem äußeren ringförmigen Steuerschieber 56 getragen. Axial mit Abstand voneinander angeordnete

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Dichtungen 58, die beispielsweise als O-Ringe ausgebildet sein können, sind unterhalb der Mantelfläche des Steuerschiebers 56 angeordnet. Diese O-Ringe sind zweckmäßig aus einem hochjuarmfesten Werkstoff hergestellt und geeignet, auf der äußeren Mantelfläche des Gehäuseteiles 14 zu gleiten. Die axiale Länge der Erhebungen 52 ist größer als die axiale Länge der Langlöcher 55, so daß die Erhebungen 52 sowohl im äußeren als auch im inneren Totpunkt die Langlöcher 55 völlig abdecken. Vorzugsweise bestehen das Gehäuse 10 und die Steuerringe 50 sowie die damit verbundenen Elemente mit Ausnahme der O-Ringe aus duktilem Eisen, so daß Passungsunterschiede infolge der thermischen Ausdehnung auf ein Minimum gebracht sind.

Der Auslaß des Abzuieigkanals, der den Auslaßteil 28 des Laufrades 20 umgibt, bildet eine Ejektorpumpe. Infolgedessen findet bei der Ausbildung gemäß Fig,1 eine gewisse Mischung und Wiederherstellung des statischen Druckes dieser Ejektorpumpe statt, Es kann jedoch erwünscht sein, zur Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades Bine wirkungsvollere Auslaßausbildung vorzusehen. Um eine plätzliche Expansion der abgezweigten Luft zu vermeiden, ist ein allgemein konischer Diffusor 64 (Fig.2) vorgesehen, der von Traggliedern 66 im Auspuff 16 gehalten ist, der seinerzeit in die Umgebungsluft mündet. Fig.4 zeigt ebenfalls die Ausbildung des Diffusors. Der konische Diffusor 64 ist mit

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seinem einen Ende mit dem Laufrad 20 verbunden, und erweitert sich an seinem rechten Ende wie dargestellt. Der konische Diffusor gestattet eine allmählichere Abstufung des Energieverlustes.

Die Bewegung des Steuerschiebers 56 nach links oder rechts ist mit einer entsprechenden Bewegung des?.

Steuerringes 50 verbunden, wodurch zugleich auch die Gasmenge verändert wird, die durch den Auslaßteil 28 des Laufradeshindurchfließt. Die gebogenen Pfeile in Fig.2 zeigen den Teil · der abgezweigten Abgasmenge (oberer Pfeil) und der verbleibenden Gasmenge (unterer Pfeil). Der abgezweigte Teil fließt über die ringförmige Einschnürung 15 des Auslaßkanals 14 und von dort radial nach außen sowie axial durch den ringförmigen Abzweigkanal 32. Je größer die Bewegung des Steuerringes 50 nach rechts ist, um so größer ist auch die Menge an abgezweigtem Abgas. Die Bewegung, des Steuerschiebers 56 kann eine Funktion von der Stellung des Brennstoffreglers der Brennkraftmaschine sein. So kann beispielsweise der Abzweigkanal bis zu einem gewissen Prozentsatz der Maximalleistung geschlossen bleiben, oberhalb welcher der Steuerschieber 56 allmählich nach rechts bewegt wird,, um die Abzweigmenge mittels des Steuerringes 50 zu vergrößern, wenn sich die Maschinenleistung ihrem Maximum nähert. Eine alternative Anordnung besteht darin, den Druck an der

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Eingangsseite als Steuersignal zu verwenden, wobei dieser Druck die Stellung des Steuerringes 50 so verändert, daß der Eingangsdruck in oder unterhalb eines gewünschten Druckes gehalten wird. Während des größten Teiles des Arbeitsbereiches der Brennkraftmaschine kann der A.bzweigkanal geschlossen bleiben und der Turbolader kann während dieser Zeit in üblicher Weise arbeiten. Allgemein wird die Verwendung eines Abzweigkanals nur im Bereich hoher Leistung und höchster Drehzahl der Brennkraftmaschine wirksam.

Fig.5 zeigt den Auslaßteil eines typischen Laufrades. Der gebogene Pfeil zeigt die Drehrichtung des Laufrades. Die axiale Erstreckung des Auslaßteiles ist durch die Strichpunktierte Mittellinie angedeutet. Es ist deutlich zu erkennen, daß der Auslaßteil der Laufschaufeln aus einer axialen Richtung in eine Richtung übergeht, die der Drehrichtung entgegensteht.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Turbine, insbesondere für einen Turbolader mit einer ringförmigen Gehäusekammer zur Aufnahme der dem Laufrad radial zuzuführenden Antriebsgase, bzw. der Abgase einer Brennkraftmaschine und mit einem Laufrad, dessen Auslaßteil in einen länglichen Abgaskanal ragt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringzone (32) zwischen den radial äußersten Kanten der Laufschaufeln (24) an der ■Auslaßseite (28) des Laufrades (20) und der Innenseite des Auslaßkanals (14) vorgesehen ist, daß koaxial zur Drehachse des Laufrades (20) ein Steuerring (30,50) angeordnet ist, der zumindest teilweise in die Ringzone (32) ragt, und dessen radiale Wandstärke geringer ist als die Dicke der Ringzone (32), daß der Steuerring (30,50) axial vor- und rückbewegbar angeordnet ist, derart, daß das in das Laufrad (20) eintretende Gas im einen Totpunkt des Steuerringes (30,50) im wesentlichen axial aus dem Laufrad (20) austritt und im anderen Totpunkt, d.h. vom Laufrad (20) entfernt, teilweise radial aus dem Laufrad (20) and axial zwischen dem Auslaßkanal (14) und dem Steuerring (30,50) austritt.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich η e t, daß sich der Steuerring (30,50) in seinem Inneren, dem Laufrad (20) zugewandten Totpunkt axial über das

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auslaßseitige Ende (28) des Laufrades (20) hinausstreckt.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

z e i c h η e t, daß der Steuerring (50) eine Vielzahl radial nach außen uorstehender Erhebungen (52) aufweist, daß jede Erhebung (52) einen radialen Stift (5A) trägt, der durch ein axiales Langloch (55) in der Wandung des Auslaßkanals (14) ragt, daß die Stifte (54) an einem ringförmigen Steuerschieber (56) befestigt sind, der auf dam Außenmantel des Auslaßkanals (14) angeordnet ist, daß die axiale Erstreckung der Erhebungen (52) größer ist als die axiale Länge der Langlöcher (55) und daß die Erhebungen (52) die Langlöcher (55) in allen Stellungen des Steuerringes (50) bedecken.

4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ringförmigen Steuerschieber (56) und dem Auslaßkanal (40) Dichtungen (58) vorgesehen sind.

5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (58) als O-Ringe ausgebildet und beiderseits der Langlöcher (55) angeordnet sind.

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6. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn.zeichnet, daß die Außenseiten der Erhebungen (52) gleitend an der Innenwand 'des Auslaßkanals (14) angreifen.

7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zum Auslaßkanal (14) hinter dem Laufrad (20) ein sich axial erstreckender Diffusor (64) vorgesehen ist.

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle zwischen der radialen Einlaßkammer (12) und dem Auslaßkanal (14) eine ringförmige Einschnürung (15) angeordnet ist, deren Durchmesser geringer ist als der anschließende Innendurchmesser des Auslaßkanals (14), und daß die äem Laufrad.(20) zugeu/andte Vorderkante des Steuerringes (50) im inneren Totpunkt eine Verlängerung der Einschnürung (15) bildet.

9. Verfahren zum Ändern der Arbeitscharakteristika einer Turbine mit radialem Einlaß, insbesondere eines Turboladers, dadurch gekennzeichnet,

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daß ein Teil der Abgase vor dem Verlassen des Laufrades (20) radial abgezweigt wird.

Für Wallace Murray Corporation

Dipl.-Ing. wolfgaitg K. Rauh PATENTANWALT

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