DE2624312C2 - Turbine und Verfahren zur Änderung ihrer Arbeitscharakteristika - Google Patents

Description

axialen Richtung um einen beträchtlichen Winkel gegen die Drehrichtung umgelenkt sind Dementsprechend können die Maschinenleistung und damit die Drehzahl des Turboladers dadurch gesteuert werden, daß das Verhältnis der Gasdurchsätze im Ein- und Auslaßteil des Laufrades verändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine der eingangs genannten Art so auszubilden und ein Verfahren zur Änderung der Arbeitscharakteristika einer solchen Turbine so vorzusehen, daß diese Steuerung des Gasdur rhsatzverhältnisses in einer wirksamen und den Wirkungsgrad der Turbine möglichst wenig negativ beeinflussenden Weise ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben sind für die Turbine im Anspruch 1 und für das Verfahren im Anspruch 9 angegeben.

Die erfindungsgemäße »Abgasabzweigung« bietet beträchtliche Vorteile, da das unbeeinflußt in das Laufrad einströmende Gas einen beträchtlichen Anteil der gesamten Energieübertragung ausmacht L-ie Abgasabzweigung ergibt im übrigen eine nur geringfügige Verminderung des Turbinenwirkungsgrades.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert und zwar zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Turbine mit einem Steuerring,

F i g. 2 eine Schnittansicht ähnlich F i g. 1 durch eine andere Ausführungsform nach der Erfindung

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 2 und

Fig.5 eine teilweise perspektivische Ansicht eines typischen Laufrades für Turbinen gemäß den F i g. 1 oder 2.

F i g. 1 zeigt einen Teil eines Turboladergehäuses 10 mit einer ringförmigen Gehäusekammer 12 für die Abgase einer Brennkraftmaschine. Das Innere eines rohrförmigen Abgaskanals 14 ist mit 16 bezeichnet. Auf dem Teilweise dargestellten Laufrad 20, das auf der mit dem nicht dargestellten Laderteil verbundenen Laufradwelle 22 sitzt, ist eine Vielzahl von Laufschaufeln 24 angeordnet, deren radial äußersten Teile mit 26 und deren Auslaßseite mit 28 bezeichnet sind.

Die Abgase der Brennkraftmaschine gelangen durch die Gehäusekammer 12 radial nach innen in den Teil 26 jeder Laufradschaufel und verlassen diese axial durch den Auslaßteil 28 in den Abgaskanal 14. Hier ist ein Steuerring 30 angeordnet, der mit der Innenseite des rohrförmigen Abgaskanals 14 einen ringförmigen Umgehungskanal 32 bildet. Der Steuerring 30 ist in F i g. 1 in seiner äußersten linken Stellung, der stromaufwärtigen Endstellung dargestellt und kann von dort wahlweise nach rechts verschoben werden.

Wird der Steuerring 30 nach links in seine dargestellte geschlossene Endstellung gebracht, so gelangt kein Abgas in den ringförmigen Umgehungskani»! 32 und die Turbine arbeitet in üblicher Weise. Der Steuerring 32 bildet dabei einen Teil des Abgaskanals 14. Der Gasstrom ist durch einen gekrümmten Pfeil dargestellt.

Wird der Steuerring 30 vom Laufrad weg in den Abgaskanal 14 bewegt, so vergrößert sich der Einlaßquerschnitt des Umgehungskanals 32 zwischen der linken Kante des Steuerringes 30 und den äußersten Teilen der Laufschaufeln 24, so daß eine größere Gasmenge durch den Umgehungskanal strömt. Da es allgemein erwünscht ist, die Turbinenleistung beim Höchstleistungstand der Brennkraftmaschine um eiwa 10% zu drosseln, muß etwa 20—30% des Abgasdurchcatzes durch den Umgehungskanal geleitet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die radiale Weite des Umgehungskanals .22 etwa 6 mm bei einem Laufraddurchmesser von etwa 75 mm. Die Bemessung des Umgehungskanals hängt von der Laufradkonstruktion und dem Maß der erforderlichen Leistungsdrosselung ab.

F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Turbine nach der Erfindung, wobei für die mit der Ausführung nach F i g. 1 gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.

Der in F i g. 2 gezeigte Steuerring 50 hat über seinen Umfang verteilte Erhebungen 52 mit radial nach außen sich erstreckenden und durch axiale Langlöcher 55 in der Wandung des Abgaskanals 14 ragenden Stiften 54, die von einem äußeren ringförmigen Steuerschieber 56 getragen werden. Unterhalb der Mantelfläche des Steuerschiebers 56 befinden sich mit axialem Abstand voneinander angeordnete Dichtungen 58, z. B. O-Ringe, die zweckmäßig aus einem hochwarmfesten Werkstoff bestehen und auf der äußeren Mantelfläche des Abgaskanals 14 gleiten können. Die axiale Länge der Erhebungen ist größer als die Länge der Langlöcher 55, so daß erstere die Langlöcher 55 in beiden Endstellungen abdecken. Um Passungsunterschiede infolge thermischer Ausdehnung auf ein Minimum zu beschränken, bestehen das Turbinengehäuse 10, der Steuerring 50 und die hiermit verbundenen Teile, ausgenommen die Dichtungen 58, aus duktilem Eisen.

Der den Auslaßteil 28 des Laufrades 28 umgebende Auslaß des Umgehungskanals 32 bildet eine Ejektorpumpe, so daß bei der Ausführungsform nach F i g. 1 eine gewisse Mischung und Wiederherstellung des statisehen Eiruckes dieser Ejektorpumpe stattfindet. Es kann jedoch erwünscht sein, für die Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades eine wirkungsvollere Ausbildung des Auslasses vorzusehen.
Um eine plötzliche Expansion des Abzweiggases zu vermeiden, ist ein sich axial erstreckender Zentralkörper 64 (F i g. 2) vorgesehen, der mit dem Abgaskanal 14 einen Diffusor bildet und von Traggliedern 66 im Auspuff 16 gehalten wird.
Gemäß Fig.4 ist der Zentralkörper 64 mit seinem einen Ende mit dem Laufrad 20 verbunden und erweitert sich an seinem rechten Ende. Er gestattet eine allmählichere Abstufung des Energieverlustes.

Die Bewegung des Steuerschiebers 56 bewirkt eine gleichartige Verschiebung des Steuerringes 50 und damit eine Veränderung der durch den Auslaßteil 28 des Laufrades 20 strömenden Gasmenge. Die gebogenen Pfeile in Fig.2 zeigen den Teil der Abzweigmenge (oberer Pfeil) und der direkt strömenden Gasmenge (unterer Pfeil). Die Abzweigmenge strömt über die ring-

5^ri formige Einschnürung 15 des Auslaßteiles 28 radial nach außen und dann axial durch den Umgehungskanal 32.

Die Abzweigmenge wächst mit der Verschiebung des Steuerringes 50 nach rechts. Die Bewegung des Steuerschiebers 56 kann somit eine Funktion von der Stellung eines Brennstoffreglers der Brennkraftmaschine sein.

Der Umgehungskanal kann z. B. bis zu einem bestimmten Prozentsatz der Höchstlast geschlossen bleiben, oberhalb welcher der Steuerschieber 56 dann allmählich nach rechts bewegt wird, um die Abzweigmenge mittels des Steuerringes 50 zu vergrößern, wenn sich die Maschinenleistung ihrem Maximum nähert.

Alternativ kann auch der Einlaßdruck als Steuersignal dienen, indem er die Stellung des Steuerringes 50 so

ändert, daß der Einlaßdruck in oder unterhalb eines gewünschten Wertes gehalten wird. Ober den größeren Teil des Lastbereiches der Brennkraftmaschine kann der Umgehungskanal geschlossen bleiben und der Turbolader kann während dieser Zeit in üblicher Weise 5 arbeiten. Der Umgehnungskanal wird allgemein erst im Bereich hoher Last und höchster Drehzahl wirksam.

In dem in F i g. 5 gezeigten Auslaßteil eines Laufrades ist dessen Drehrichtung mi! einem gebogenen Pfeil angegeben. Die axiale Erstreckung des Auslaßteiles ist io durch die strichpunktierte Mittellinie angedeutet. Es ist deutlich zu erkennen, daß der Auslaßteil der Laufschaufeln aus einer axialen in eine der Drehrichtung entgegenstehende Richtung übergeht.

15

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Claims (9)

kanals (14), und daß die dem Laufrad (20) zugewand-Patentansprüche: te Vorderkante des Steuerringes (50) in dessen stromaufwärtiger Endstellung eine Verlängerung

1. Turbine, insbesondere für einen Abgasturbola- der Einschnürung (15) bildet

der, mit einer ringförmigen Gehäusekammer zur 5 9. Verfahren zum Ändern der Arbeitscharakteri-

Aufnahme der dem Laufrad radial zugeführten An- stikü einer Turbine mit radialem Einlaß, insbesonde-

triebsgase bzw. Abgase einer Brennkraftmaschine, re eines Abgasturboladers, dadurch gekennzeichnet,

mit einem Laufrad ohne Deckscheibe, dessen axial daß ein Teil der Gasmenge vor dem Verlassen des

gerichteter Auslaßteil in einen rohrförmigen Abgas- Laufrades (20) radial abgezweigt wird,

kanal ragt und mit einem in dem Abgaskanal koaxial 10

verschieblichen Steuerring zur Steuerung der das

Laufrad durchströmenden Gasmenge, dadurch
gekennzeichnet,

daß der Steuerring (30,50) in seiner stromaufwärti- Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere für

gen Endstellung den axial gerichteten Auslaßteil (28) 15 einen Abgasturbolader, mit einer ringförmigen Gehäudes Laufrades- (20) umgibt und somit einen Teil des sekammer zur Aufnahme der dem Laufrad radial zuge-Strömungskanals bildet, führten Antriebsgase bzw. Abgase einer Brennkraftma-

daß zwischen dem Steuerring (30,50) und dem rohr- schine, mit einem Laufrad ohne Deckscheibe, dessen förmigen Abgaskanal (14) ein ringförmiger Umge- axial gerichteter Auslaßteil in einen rohrförmigen Abhungskanal (32) gebildet ist, und 20 gaskanal ragt und mit einem in dem Abgaskanal koaxial

daß bei einer Verschiebung des Steuerringes (30,50) verschieblichen Steuerring zur Steuerung der das Laufin stromabwärtiger Richtung eine ringförmige Ein- rad durchströmenden Gasmenge sowie ein Verfahren trittsöffnung in den Umgehungskanal (32) zuneh- der Arbeitscharakteristika einer solchen Turbine,
mend freigegeben wird, durch die ein Teil der in das Turbolader dienen im allgemeinen zur Steigerung des

Laufrad (20) eingetretenden Gasmenge unter Um- 25 Luftdurchsatzes und des Einlaßdruckes bei Brennkraftgehung des axial gerichteten Auslaßteiles (28) radial maschinen, um damit deren Leistung und Wirkungsgrad abzweigbar ist zu erhöhen.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Üblicherweise wird hierbei ein Turbolader, bestehen zeichnet, daß sich der Steuerring (30, 50) in seiner aus einem Tubinenteil und einem hiermit gekuppelten stromaufwärtigen Endstellung axial über den Aus- 30 Laderteil von den Abgasen der aufzuladenden Brennlaßteil (28) des Laufrades (20) hinaus erstreckt. kraftmaschine angetrieben.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Sind die geometrischen Verhältnisse zwischen Lader zeichnet, das der Steuerring (30, 50) eine Vielzahl und Turbine einmal festgelegt, so ist es schwer, den radial nach außen vorstehender Erhebungen (52) Betrieb des Turboladers über den gewünschten Beaufweist, daß jede Erhebung (52) einen radialen Stift 35 triebsbereich vom Leerlauf bis zur Höchstlast der (54) trägt, der durch ein axiales Langloch (55) in der Brennkraftmaschine stets angemessen aufrecht zu erWandung des Abgaskanals (14) ragt, daß die Stifte halten. Ist der Turbolader so ausgelegt, daß er bei Leer-(54) an einem ringförmigen Steuerschieber (56) befe- laufdrehzahl arbeitet, liegen bei Höchstlast eine zu hohe stigt sind, der auf dem Außenmantel des Abgaska- Drehzahl und Aaslaßdrücke des Turboladers vor. Umnals (14) angeordnet ist, daß die axiale Erstreckung 40 gekehrt ergeben sich bei einer Auslegung des Turbolader Erhebungen (52) größer ist, als die axiale Länge ders für die Höchstlast der Brennkraftmaschine zu niedder Langlöcher (55) und daß die Erhebungen (52) die rige Einlaßdrücke und Drehzahlen beim Leerlauf. Dann Langlöcher (55) in allen Stellungen des Steuerringes ist die Leistung der Brennkraftmaschine unerwünscht (50) bedecken. niedrig und es entstehen übermäßiger Abgasgeruch und

4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 45 Hitze.

zeichnet, daß zwischen dem ringförmigen Steuer- Zur Steuerung des Abgasturboladers wurden eine

schieber (56) und dem Auslaßkanal (40) Dichtungen Vielzahl Vorschläge gemacht.

(58) vorgesehen sind. Aus der GB-PS 8 96 584 ist ein Abgasturbolader be-

5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekenn- kannt, bei dem vor dem Laufrad ein Umgehungskanal zeichnet, daß die Dichtungen (58) als O-Ringe ausge- 50 aus dem Zuleitungskanal abgeleitet ist, der erst hinter bildet und beiderseits der Langlöcher (55) angeord- dem Laufrad in den Abgaskanal mündet.

net sind. Zur Steuerung der Durchsatzmengen dieses Umge-

6. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da- hungskanals ist ein axial verschiebbarer Steuerring am durch gekennzeichnet, daß die Außenseiten der Er- Beginn des rohrförmigen Abgaskanals angeordnet, der hebungen (52) gleitend an der Innenwand des Ab- 55 die Mündungsöffnung des Umgehungskanals, der auch gaskanals (14) angreifen. aus einer Vielzahl von Kanälen bestehen kann, mehr

7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- oder weniger mit seiner Mantelfläche verschließt,
durch gekennzeichnet, daß koaxial zum Abgaskanal Diese Steuervorrichtung folgt ebenso wie viele ande-

(14) hinter dem Laufrad (20) in Fortsetzung von des- re dem Prinzip, Abgas bereits vor dem Laufrad abzusen Nabe ein sich axial erstreckender Zentralkörper 60 zweigen und dadurch die Strömungsverhältnisse in bzw. (64) vorgesehen ist, der mit dem Abgaskanal (14) vor dem Laufrad zu beeinflussen.

einen Diffusor bildet. Eine Erforschung der Laufradleistungen ergab je-

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- doch, daß etwa zwei Drittel der Laufradleistung vom durch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle Radialfluß der Abgase in die Laufradschaufeln und zwischen der ringfömigen Gehäusekammer (12) und 65 Laufradkanäle und etwa ein Drittel der Leistung von dem Abgaskanal (14) eine ringförmige Einschnürung der Ablenkung der Gase in den Abgaskanal abhängig

(15) ausgebildet ist, deren Durchmesser geringer ist, ist. Der Abgaskanal ist derjenige Teil des Laufschaufelals der anschließende Innendurchmesser des Abgas- systems, in dem die Laufschaufeln aus einer allgemein