DE2813638A1

DE2813638A1 - Verfahren zum betreiben einer geometrisch variablen turbine

Info

Publication number: DE2813638A1
Application number: DE19782813638
Authority: DE
Inventors: Joseph John Brett; Jun Wilbur Allen Spraker
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1978-11-09
Also published as: JPS53136113A; FR2389760A1; SE7801452L; BR7802094A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art.

Im einzelnen befaßt sich die Erfindung mit der Steuerung von Turboladern, die in Verbindung mit Innenverbrennungsmotoren bzw, -maschinen benutzt werden, und noch mehr mit der Steuerung der Turbinenbetriebseigenschaften, so daß der Turboladerbetrieb noch besser an die Maschinen- bzw, Motorerfordernisse angepaßt werden kann. Turbolader werden allgemein benutzt, um die Luftströmungsgeschwindigkeit und den Einlaßdruck eines Innenverbrennungsmotors zu vergrößern. Dieses führt zu einer Vergrößerung der Leistungsabgabe und des Wirkungsgrades des Motors. Bei der üblichen Anlage wird ein Zentrifugalkompressor von einer Radialeinfluß- bzw. Radialturbine angetrieben, die ihrerseits von den Motorabgasen angetrieben wird. Wenn die Geometrie des Kompressors und der Turbine festgelegt sind, wie es normalerweise der Fall ist, ist es schwierig, für eine passende Turboladerleistungsfähigkeit über den erwünschten Motorbetriebsbereich zu sorgen, das heißt vom Leerlaufzustand bis zu MaxiiHallexstungszustanden. Wenn der Turbolader auf einen maximalen Wirkungsgrad bei minimaler Motorleistung ausgelegt ist, ist festzustellen, daß sich eine übermäßige Turboladerdrehzahl und ein übermäßiger Motorversorgungsdruck ergeben, wenn der Motor entsprechend betrieben wird, um seine maximale Leistung zu erreichen. Wenn der Turbolader umgekehrt für einen maximalen Wirkungsgrad bei maximaler Motorleistung ausgelegt ist, ist festzustellen, daß die Turboladerdrehzahl zu klein und der Luftstrom sowie der Einlaßdruck deshalb bei Leerlauf, das heißt bei minimaler Motorleistung, zu niedrig sind. Bei diesem letztgenannten Zustand ist die Motorleistungsabgabe kleiner als erwünscht, und es können sich übermäßige Auspuffgase und Temperaturen ergeben.

Zum überwinden dieser Schwierigkeiten wurden in bekannter Weise verschiedene Maßnahmen angewendet. Eine Lösung bzw. Maßnahme ist ein Nebenauslaß ins Freie für zum Betrieb der Turbine nicht be-

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nötigtes Abgas (wastegate), wobei dieser Nebenauslaß einen Uy- ; pass für Motorabluft um die Turbine bildet _T so daß die Turboladerdrenzahl und der Laderdruck (boost pressure) begrenzt werden.

• Andere Lösungen beinhalten einen beweglichen Flügel in dem. Turbi—

j nengehäuse vor dem Turbinenschaufelrad zum Erzielen eines variab-Jlen Einlaßhalsbereiches (inlet throat area) bzw. einer variablen Einlaßhalsfläche (OS-Patent 2 944 736); ein in dem Turbinengehäu- ; se angeordnetes Ventil zum Leiten des Stroms zu einer oder zu j beiden Seiten eines geteilten Gehäuses (US—Patent 3 432 926); ein j in der Abgasleitung vor dem Turbolader befindliches Ventil (US— ! Patent 2 δ38 9o); und bewegliche Turbineneinlaßdüsen (US—Patent '' 3 639 o75) .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens der im Oberbegriff genannten Art.

!Die Erfindung basiert auf einer Verbesserung bezüglich der Betriebsweise des variablen Einlaßhalsaufbaues aus dem US-Patent 2 944 786, auf das hiermit Bezug genommen wird. Gemäß diesem Aufbau ist ein dreh- bzw. schwenkbarer Flügel mittels einer Anlenkung an dem Turbinengehäuse befestigt. Der Flügel kann eine begrenzte Schwenkbewegung zwischen zwei extremen Winkelpositionen ausführen. Bei einer Winkelposition hat der Einlaßhals für die das Turbinenrad antreibenden Gase eine maximale Fläche, während die andere extreme Winkelstellung des Flügels die minimale Einlaßfläche des Halses bestimmt. Veränderungen zwischen diesen zwei Winkelstellungen werden durch gewisse geeignete Triebwerksparameter bestimmt, wie durch die Motordrehzahl, durch den Druck usw. Der jeweils angewendete Parameter und die jeweilige Betriebsweise einer Ankopplung eines Betätigungsmechanismus zum Verschwenken des Flügels in Abhängigkeit von dem erfaßten Parameter bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Solche Parameter und Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt. Beim Betrieb einer in dem genannten US-Patent 2 944 786 aufgezeigten Turbine mit variab lern Einlaßhals wurde jedoch festgestellt, daß unannehmbar kleine Turbinenwirkungsgrade durch große dynamische Fluidverluste bei bestimmten Winkelpositionen des Flügels auftraten. Um dieses zu

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vermeiden, wird dementsprechend im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß der angelenkte Flügel von der ersten zu der zweiten Position um einen Wert verändert bzw. verschwenkt wird, der im wesentlichen 1o Grad nicht übersteigt. Demgemäß soll die maximale Wxnkelveränderung des Flügels nicht einen Wert von etwa 1o Grad überschreiten.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in einer Seitenansicht eine Turbine mit einem schwenkbaren Flügel zum Verändern der Einlaßhalsfläche und

Figur 2 - eine Kurve, die die Abhängigkeit zwischen dem in Figur 1 dargestellten Flügelwinkel Di- und dem Turbinenwirkungsgrad darstellt.

In Figur 1 bezeichnet die Hinweiszahl 1o allgemein eine Radialeinfluß- bzw. Radialturbine eines herkömmlichen Turboladers. Ein herkömmlicher Turbolader wird von einem Turbinenrad und einem Kompressorrad bestimmt, wobei diese Räder allgemein auf derselben Welle angebracht sind und wobei das Turbinenrad durch Abgase von einer Innenverbrennungsmaschine angetrieben wird, um das Kompressorrad zu drehen und hierdurch Umgebungsluft für ein Eintreten in die Ansaugleitung des Motors zu verdichten. Die Hinweiszahl 12 bezeichnet den Einlaß der Turbine, welcher einen durch die Hinweiszahl 14 bezeichneten Hals hat. Die Hinweiszahl 16 bezeichnet das Turbinenrad, welches eine Drehachse 17 hat. Die Hinweiszahl 18 be zeichnet einen dreh-^ bzw. schwenkbaren Flügel, der an einer Anlen· kung 2o am Turbinengehäuse angelenkt ist. Der Flügel 18 entsprich völlig dem Flügel 7 aus dem genannten US-Patent 2 944 786, während die Anlenkung 2o vollständig der Anlenkung 8 dieses Patents entspricht. In ähnlicher Weise entspricht der Einlaß 12 dem Einlaß 5 des genannten Patents, während der Hals 14 dem Hals 6 diese; Patents entspricht.

Der Winkel c6 gibt die Wxnkelveränderung bzw. -lage zwischen dem Flügel 18 in seiner vollständig geöffneten Position (gemäß Darstellung mit durchgezogenen Linien) und dem Flügel in einer HaIs-

— 5 —

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schließposition (gemäß Darstellung mit gestrichelten Linien) wieder. In der letztgenannten Position des Flügels 18 hat der Hals 14 eine kleinere Fläche als in der vollständig offenen Position. Der Buchstabe L bezeichnet die Länge des Flügels 18; der Buchstabe D bezeichnet die Distanz zwischen der Spitze des Flügels und der Drehachse 18 des Turbinenrades in der offenen Position des Flügels. Der Buchstabe E gibt die entsprechende Abmessung an, die sich einstellt, wenn der Flügel in die Halsschließposition bewegt wird. Elementare geometrische Betrachtungen führen dann zu

E—D

dem folgenden Zusammenhang: sin oC = ——.

Ij

In Figur 2 ist die Veränderung des Wirkungsgrades der Turbine Io in Abhängigkeit von einer Veränderung des in Grad gemessenen Winkels o6 aufgetragen. Für die bestimmte getestete Turbine 1o betrug der maximale Wirkungsgrad bei null Grad etwa 67.%, während der Wirkungsgrad bei einem Winkel oc von etwa 12,5 Grad auf etwa 53 % abfiel. Eine Betrachtung von Figur 2 zeigt, daß die bevorzugte maximale Veränderung des schwenkbaren Flügels 18 dergestalt sein sollte, daß der Winkel oc nicht etwa 1o Grad übersteigt. Nach dem Erreichen von etwa Io Grad fällt der Wirkungsgrad sehr schnell ab

Bei der Verwirklichung des in dem obigen US-Patent 2 944 786 dargestellten Turbinenaufbaues mit variablem Flügelwinkel könnte man annehmen, daß keine besondere Wirkungsgradveränderung der Turbine bei einer Veränderung des Flügelwinkels auftritt, da in diesem Patent nichts von einer derartigen Veränderung gesagt wird. Figur 2 zeigt jedoch, daß diese Erwartung tatsächlich nicht zutrifft. Vielmehr muß der Fachmann, der das Merkmal des variablen Flügelwinkels gemäß dem obigen US-Patent anzuwenden wünscht, verminderte Turbinenwirkungsgrade bzw. -leistungsfähigkeiten in Kauf nehmen, wenn er den Flügel über einen Winkel von mehr als etwa 1o Grad verändert bzw. verschwenkt. So führt eine Veränderung des Winkels oC von null bis 1o Grad in einem typischen Turbinenaufbau zu einer Wxrkungsgradveranderung von etwa 67 % auf etwa 62 %. Jedoch ergibt eine Veränderung von etwa null Grad bis etwa 12 Grad eine Wirkungsgradänderung von etwa 67 % auf etwa 55 %. Damit führen die zwei zusätzlichen Winkelgrade jenseits der 1o Grad

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Veränderung des Flügelwinkels zu bedeutend größeren Wirkungsgrad-Verlusten. Dementsprechend ist es für einen Fachmann bei einer praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung möglich, solche unerwünscht großen Turbinenwirkungsgradverluste zu vermeiden, indem die Veränderungen von oo kleiner als etwa 1o Grad gehalten werden.

Die folgenden Betrachtungen (die für eih Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind) zeigen die Beziehung zwischen verschiedenen Parametern eines typischen Turbinenaufbaues. Bei der üblichen Auslegung eines Turbinengehäuses mit fester Geometrie wird eine erforderliche Halsgeometrie als Funktion der Motorbetriebsbedingungen bestimmt. Die Halsgeometrie (throat geometry) ist gewöhnlich als das Verhältnis des Halsbereiches (-flächt (throat area) zum Radius von der Turbinenrad-Drehachse zu dem Flächenschwerpunkt (centroid) des Halsbereiches definiert. Der Halsbereich ist gewöhnlich längs eines Radius von der Drehachse definiert, so daß die Halsgeschwindigkeitsvektorrichtung tangential zur Spitze des Schaufelrades verläuft. Somit gilt: A/R = A

Gemäß FigurJäst der Halsbereich durch die Differenz zwischen der Abmessung F sowie der Abmessung D, wobei beide Abmessungen relativ zur Drehachse 17 gemessen werden, und die Abmessungen des Durchgangs rechtwinklig zu Figur 1 bestimmt, wobei irgendeine erwünschte Form vorliegen kann. Die Abmessung D ist gewöhnlich um etwa 1o % größer als der Radius des Turbinenschaufelrades.

Die Form des Halses für ein Turbinengehäuse mit variabler Geometrie, wie bei dem vorliegenden flügelvariablen Turbinenaufbau nach dieser Erfindung, ist gewöhnlich quadratisch oder rechteckig, obwohl auch andere Formen innerhalb des Gestaltungserfordernisses möglich sind, daß die Halsbreite an der Stelle der beweglichen Zunge bzw. des Flügels 18 konstant ist. Wenn der Hals quadratisch ist, kann die Abmessung F als Funktion des erforderlichen A/R Wertes und der Abmessung D berechnet werden, die als Funktion des Radius des Turbinenschaufelrades bekannt ist. Es sei angenommen,

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daß der Hals quadratisch und die Halshöhe rechtwinklig zu Figur 1 konstant sowie gleich F-D sind. Dann gilt

2 (F - D) ²
^A/K F + D

Hieraus ergibt sich:

A/R Γ A/R² I¹/2

_F = £££ + D + j f4=) + (A/R) D (1)

in ähnliches Ergebnis wird erzielt, wenn die Halsform nicht quadratisch ist.

Das grundlegende Auslegungserfordernis für ein Turbinengehäuse variabler Geometrie besteht darin, daß das Verhältnis A/R an der geschlossenen Position des beweglichen Flügels kleiner als dasjenige an der geöffneten Position ist. In typischer Weise entspricht

(A/R) ,, etwa 8o % von (A/R) __
' geschlossen ' offen

Wenn die Abmessung F aus Gleichung 1 für (^A/^R)_off_en ^^ur einen Hals bestimmt wird, der im offenen Zustand quadratisch ist, dann ergibt sich:

(A/R) = 2(F-E) (F- D) , _}

^ΚΆ/Ά) geschlossen (F +E) ^{K }}

Hieraus ergibt sich:

2F(F-D) -

geschlossen ⁺ 2(F-D)

Ein ähnliches Ergebnis wird erzielt, wenn der Hals in der offenen Position nicht quadratisch ist.

Die Abmessungen F und E aus Figur 1 sind, wie es sich aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt, eine Funktion des erforderlichen Verhältnisses A/R des Turbinengehäuses an den offenen und geschlossenen Positionen und der Abmessung D, die eine Funktion des Radius des Turbxnenschaufelrades ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Gleichungen (1) und (2) lediglich interessehalber angege-

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ben sind und daß ein Verständnis derselben nicht zur praktischen Durchführung der Erfindung erforderlich ist.

Eine experimentelle flügelvariable Turbinensteuerung wurde entworfen, aufgebaut und getestet. Ein größerer Unsicherheitsfaktor während der Auslegung betraf den Bereich, über den der Winkel oC verändert werden konnte, ohne den Wirkungsgrad der Turbine übermäßig zu reduzieren.

Figur 2 zeigt den gemessenen Turbinenwirkungsgrad als Funktion des Flügelwinkels «> für konstante Werte der Turbinendrehzahl und Turbineneinlaßtemperatur. Der Wirkungsgrad an der offenen Position bei oC = 0 ist etwa derselbe, wie er für dasselbe Turbinenschaufelrad mit einem herkömmlichen Turbinengehäuse fester Geometrie gemessen wird. Es wurde beobachtet, daß der Turbinenwirkungsgrad allmählich abfällt, wenn der Winkel et- bis zum Erreichen von etwa 1o Grad vergrößert wird. Über einem Winkel oC von etwa 1o Grad führte eine weitere Winkelvergrößerung zu einer schnellen Verminderung des Turbxnenwirkungsgrades.

Test- bzw. Versuchsergebnisse zeigten, daß ein Turbinengehäuse, bei dem der Winkel °C größer als 1o Grad ist, wenn der Flügel von der offenen zu der geschlossenen Position bewegt wird, zu übermäßigen dynamischen Fluidverlusten und unannehmbar niedrigen Werten des Turbinenwirkungsgrades führt. Es wird angenommen, daß solche Verluste auf einer Fluidturbulenz in der Nähe des Flügels beruhen und hauptsächlich von der Größe des Winkels <** abhängen. Diese Verluste sind klein für Winkel o6> von weniger als 1o Grad und nehmen schnell zu, wenn der Winkel oO über ^o Grad ansteigt. Diese Verluste sind unabhängig von den einzelnen Abmessungen des Flügels oder des Turbinengehäuses oder des Verhältnisses der Flüjellänge zu einer Abmessung des Turbinengehäuses.

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Claims

WALLACE MURRAY CORPORATION, 299 Park Avenue, New York, N.Y.1oo17 (USA)

Verfahren zum Betreiben einer geometrisch variablen Turbine

Patentanspruch

Verfahren zum Betreiben einer geometrisch variablen Turbine vom Radialtyp mit einem Turbinengehäuse und mit einem darin drehbaren Turbinenrad, wobei in dem Gehäuse ein angelenkter, insbesondere eine Oberfläche des Einlaßhalses der Turbine bildender Flügel angebracht ist, der zwischen einer ersten offenen Position und eine: zweiten Position bewegbar ist, um hierdurch den Bereich bzw. die Fläche des Einlaßhalses von einem Maximum in der ersten Position

u einem kleineren Wert in der zweiten Position zu verändern, dadurch gekennzeichnet, daß der angelenkte Flügel von der ersten zu der zweiten Position um einen Wert verändert bzw. verschwenkt wird, der im wesentlichen 1o Grad nicht übersteigt.

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ORIGINAL INSPECTED