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"Radial durchströmte Abgasturbine mit veränderlichem
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Leitradquerschnitt zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, insbesondere
für Kraftfahrzeuge" Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasturbine der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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Die Abgasturbine nach der erfindung ist zum Antrieb eines Kolbenkompressors
mit unabhängig von der Drehzahl veränderlicher Liefermenge, definiert als die in
der Zeiteinheit verdichtete Lu-tmenge, geeignet, wobei diese Liefermenge den Luftbedarf
eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, definiert als die in der Zeiteinheit geschluckte
Luftmenge, deckt. Mit einem derartigen Kompressor ist es möglich, tiber einen großen
Drehzahlbereich des Motors einen konstanten Ladedruck unabhängig von der Kompressordrehzahl
zu realisieren.
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Die von einer Turbine abgegebene Leistung ist proportional der in
der Zeiteinheit durchströmenden Gasmenge und der spezifischen Umfangsleistung, die
als das Produkt der von den Laufschaufeln erzeugten Umlenkung der Strömungsgeschwindigkeit
in Umfangsrichtung multipliziert mit der Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufeln
definiert ist. Dieselbe spezifische Umfangsleistung kann durch eine größere Umlenkung
und eine kleinere Umfangsgeschwindigkeit oder eine kleinere Umlenkung und eine größere
Umfangsgeschwindigkeit erreicht werden, wenn nur das Produkt dieser Größen denselben
Wert behält. Einer Anderung der Umlenkung sind durch eine festliegende Beschaufelung
des Laufrades verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, da die der Strömungsgeschwindigkeit
innewohnende Energie mit einem optimalen Wirkungsgrad umgesetzt werden soll und
der Wirkungsgrad sinkt, wenn die Umlenkung von einer optimalen abweicht.
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Im Bereich des optimalen Wirkungsgrades wird eine verlangte spezifische
Umfangsleistung mit einer kleinstmöglichen Strörningsgeschwindig1eit erreicht.
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Die von dem Kolbenkompressor, der beispielsweise mit einer veränderbaren
Füllung durch eine Verschiebung des Einlaßendes ausgerüstes sein kann und so eine
unabhängig von der Drehzahl veränderliche Liefermenge aufweist, aufgenommene Leistung
ist bei einem gleichbleibenden Ladedruck proportional der Liefermenge.
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Da die Liefermenge und die die Turbine durchströmende Gasmenge, die
durch die Brennstoffzufuhr etwas größer ist als der Luftbedarf, d.h. die Liefermenge,
in einem festen Verhältnis zueinander stehen, fordert ein gleichbleibender Ladedruck
- von Nebeneinflüssen abgesehen - von der Turbine dieselbe spezifische Umfangsleistung
unabhängig von der Liefermenge. Stillschweigend ist vorausgesetzt, daß in allen
Betriebszuständen die gesamte Abgasmenge des Motors die Turbine passiert.
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Bei den bekannten Abgasturbinen mit einem unveränderlichen Leitradquerschnitt
kann eine von einem gewollten konstanten Ladedruck geforderte konstante spezifische
Umfangsleistung in einem Auslegungspunkt für ein bestimmtes Gasvolumen in der Zeiteinheit,
das durch den Luftbedarf und die Gastemperatur gegeben ist, mit der kleinstmöglichen
Strömungsgeschwindigkeit bei einer optimalen Umlenkung und einer optimalen Umfangsgeschwindigkeit
erreicht werden, für größere Gasvolumina mit höheren Strdmungsgeschwindigkeiten
in verhältnismäßig engen Grenzen bei größeren Umlenkungen und kleineren Umfangsgeschwindigkeiten,
so lange die Strömung nicht an den Laufschaufelprofilen abreißt, und bei kleineren
Umlenkungen und größeren Umfangsgeschwindigkeiten, so lange eine zulässige Höchstdrehzahl
des Laufrades nicht überschritten wird und so lange die Liefermenge des Kompressors
jeweils durch Veränderung der Füllung den kleineren oder größeren Umfangsgeschwindigkeiten
anpaßbar ist. FUr kleinere Gasvolumina mit niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten
ist die geforderte konstante spezifische Umfangs leistung nicht erreichbar. Das
bedeutet, daß die bekannte Turbine nicht imstande ist, im Verein mit dem genannten
Kompressor die Forderung eines konstanzen Ladedrucks über einen großen Drehzahlbereich
des Motors zu erfüllen.
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Abgasturbinen mit veränderlichem Leitradquerschnitt sind bekannt,
bei denen drehbar gelagerte Leitschaufeln flacher gegen die Strömungsrichtung gestellt
werden können und so der Leitradquerschnitt veränderbar ist. Geht man bei diesen
Turbinen von einem Gasvolumen im Auslegungspunkt wie oben aus, der dem maximalen
Leitradquerschnitt entsprechen möge, gelten für größere Gasvolumina dieselben Einschränkungen
wie oben.
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Für kleinere Gasvolumina kan durch flacher gestellte Leitschaufeln
die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, die Axialkomponente derselben ist jedoch
nicht durch die Flacherstellung der Leitschaufeln beeinflußbar und ist kleiner als
die im Auslegungspunkt, wodurch die-Umlenkung zwangsläufig kleiner ausfällt und
nur durch eine u.U. erhebliche Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit die geforderte
spezifische Umfangsleistung erreichbar ist. Mit dieser bekannten Turbine kann der
Betriebsbereich eines konstanten Ladedrucks wohl gegenüber dem bei einer Verwendung
der im vorigen Abschnitt genannten Turbine etwas erweitert werden, aber nicht in
dem Maße, wie es erwünscht ist.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, eine Turbine zu schaffen,
die im Verein mit einem Kolbenkompressor mit unabhängig von der Drehzahl veränderlicher
Liefermenge einen Verbrennungsmotor über einen großen Drehzahlbereich des Motors
mit einem konstanten Ladedruck aufladen kann. Diese Aufgabe ist durch eine Turbine
mit den im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Auf diese Weise kann für einen großen Drehzahlbereich des Motors und
auch für einen großen Temperaturbereich der Abgase der Letradquerschnitt durch entsprechende
Regelmittel kontinuierlich der Abgasmenge sö angepaßt werden, daß für jede Abgasmenge
die notwendige Strömungsgeschwindigkeit vorliegt, mit der eine von einem konstanten
Ladedruck geforderte spezifische Umfangsleistung erreichbar ist. Dabei ist die zugehörige
Umfangsgeschwindigkeit in den Grenzen wählbar, in denen die Liefermenge des Kompressors
unabhängig von der Drehzahl verändert werden kann.
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Zweckmäßig wird eine oben erwähnte optimale Umfangsgeschwindigkeit
als eine konstante Umfangsgeschwindigkeit gewählt, so weit es auch andere Gesichtspunkte
zulassen. Als eine untere und eine obere Umfangsgeschwindigkeit können die Umfangsgeschwindigkeiten
gewählt werden, bei denen die geforderte Umfangsleistung mit einem noch vertretbaren
Wirkungsgrad erreicht wird.
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Da bei einem eingeschobenen ein brit- Lseitigen Winkelring die Strömung
den von den Lauf schaufeln gebildeten Strömungskanal nicht ausfüllt, ist die Turbine
tunlichst als soyenannte Gleichdruckturbine auszubildon, bei der das gesamte Druckgefälle
im Leitrad entspannt wird und im Laufrad Gleichdruck herrscht.
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Linse bei Gleichdruckturbinen bekannte Teilbeaufschlagung des Leitrades,
bei der einzelne Leitschaufelkanäle durch Sperrmittel abgeschaltet und zugeschaltet
werden können, ist u.a.
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ausgeschlossen worden, weil dadurch nur eine stufenweise, jedoch nicht
eine kontinuierliche Veränderung des Leitradquerschnitts möglich ist.
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In dem von einem eintrittseitigen Winkelring abgedeckten Bereich der
Laufschaufelkanäle kann die Strömung seitlich ausbrechen. Dadurch mögliche Verluste
können dadurch gemildert werden, daß ein Mantel, dessen der Idufkranzaustrittseite
zugewandter Durchmesser um eine Spaltbreite von dem Durchmesser dieser Laufkranzseite
abweicht zusammen mit einem Seitenblech einen verschiebbaren austrittseitigen Winkelring
bildet, durch den im eingeschobenen Zustand ein Teil des Laufkranzes abgedcckt ist.
So kann in dein nun beidseitig abgedeckten Bereich der Laufschaufelkanäle ein Druck
aufgebaut und einem Ausbrechcin der Strömung Widerstand entgegengesetzt werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herabsetzung der Verluste in dem abgedeckten
Bereich besteht darin, daß im Laufkranz eine oder mehrere an den Laufschaufeln befestigte
oder durch andere Mittel gehaltene Zwischenbleche vorgesehen sind, die die Laufschaufelkanäle
in zwei oder mehr Teilkanäle unterteilen, wodurch in den jeweils nicht abgedeckten
Teilkanälen Verluste durch ein Ausbrechen der Strömung vermieden sind.
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Die anderen MitteL können beispielsweise darin bestehen, daß ein von
den Lauf schaufeln mit Spiel durchbrochenes Zwischenblech durch Speichen mit einer
auf einer Welle verschieblichen Nabe verbunden ist. Der Verschiebeweg der Nabe wird
dabei zweckmäßig so eingerichtet, daß das Zwischenblech stets in der Ebene der verschiebbaren
Seiten- oder Zwischenwand des Leitrades bleibt um so Verluste durch ein Ausbrechen
der Strömung in den abgedeckten Teilen der Laufschaufelkanäle glanz zu vermeiden.
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Ein weiteres Mittel zur Herabsetzung der Verluste besteht darin, daß
bei einer zweiseitig beaufschlagten Turbine mit auf beiden Seiten eines Laufrades
angeordneten Laufkränzen eine oder beide Seiten verschiebbare Winkelringe aufweisen.
Im einfachsten Fall wird nur eine Seite mit einem Winkelring vesehen, dessen Verschiebeweg
zweckmäßig bis zu ein vollen Abdeckung dieser Seite, d.ll zur vollen Sperrung einer
Seite ausreicht, und bleibt auf der anderen Seite die wirksame Leitschaufellänge
unverändert.
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In der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
wird auf die Zeichnung bezueagenormen. Ls zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt einer
Turbine mit einem verschiebbaren Winkelring, dessen einer Schenkel eine von den
Leitschaufeln durchbrochene Zwischenwand ist, Fig. 2 einen Ausschnitt einer Turbine
mit einem verschiebbaren Winkelring dessen einer Schenkel eine von den Leitschaufeln
durchbrochene Seitenwand ist, Fig. 3 einen Teilschnitt durch die Schaufel profile
der Turbine nach Fig. 2, Fig. 4 einen Ausschnitt einer zweiseitig beaufschlagten
Turbine mit einem verschiebbaren Winkelring, dessen einer Schenkel eine Zwischenwand
ist.
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Bei der @adi@@ von @ußen nach innen durchströmt@n Turbine nach Fig.
1 ist ein mit Lei@schaufeln 3 bestücktes Leitrad 2 in einem Gehäuse 1 angeordnet,
wobei die Leitschau-Leln 3 von einer mit dem Gehäuse 1 vereinten Seitenwand 4 und
einer durch die Leitschaufeln 3 selbst getragenen Seitenwand 5 gehalten sind hin
mit Laufschaufeln ?1 bestücktes Laufrad 10 hat einen Laufkranz 12 un&i ist mit
einer Welle 26 versehen, die mittels zweier Gleitlager 16 und 16' in einem mit dem
Geiiäuse 1 verbundenen Lagerbock 15 drehbar gelagert und axial festgelegt ist. Zwischen
den beiden Seitenwänden 4 und 5 ist eine von den Leitschaufeln 3 durchdrungene Zwischenwand
(; angeordnet, die zusammen mit einem Mantel 13, dessen Innendurchmesser um eine
Spaltbreite von dem Außendurchmesser des Laufkranzes 12 abweicht, einen eintrittseitigen
Winkelring 7 bildet, der ar indem Gehäusemantel 17 verschiebbar geführt ist. Das
freie Ende des Mantel.s 13 weist ein nach außen gebogenes Halteteil 18 auf, das
zur Befestigung einer Betätigungsstand 19 eines außen am Gehäuse 1 angebrachten
Servomotors 20 dient. Ein austrittseitiger Winkelring 8 ist durch einen Mantel 14,
dessen Außendurchmesser um eine Spal@breite von dem Innendurchmesser des Laufkranzes
12 abweicht, gebildet und auf einem Gehäusemantel 22 verschiebbar gef@hrt. Das freie
Ende des Mantels 14 weist ein nach innen gebogenes Halteteil 23 auf, das zur Befestigung
einer Betätigungsstange 24 eines außen am Gehäuse 1 angebrachten Servomotors 25
dient. Weitere Einselheiten der Turbine sind ein mit einer Verzahnung versehenes
Austrittsende 38 der Welle 26 zur Weitergabe des Drehmoments, ein das Leitrad 2
und den Winkelring 7 umfassender, durch einen Gehäusemantel 33 abgeschlossener Gaseintrittraum
31 mit einem Gaseintrittstutzen 27, ein von dem Laufkranz 12 wegführender, durch
einen GehAusemantel 35 gebildeter Gasaustrittraum 32 mit einem Gasaustrittstutzen
28, ein durch Rippen 34 mit dem Gehäusemantel verbundenes Rohr 36, durch das dem
Laufrad 10 Kühlluft zugeführt werden kann, wobei der Kühlluftstrom
in
den Gasaustrittsraum 32 geleitet und durch am Laufrad 10 angeordnete, radial nach
außen gerichtete Schaufeln 37 erzeugt oder verstärkt sein kann.
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Die obere Hälfte der Fig. 1 zeigt den eintrittseitigeri Winkelring
7 in einer ausgeschobenen Stellung, in der durch eine mit der Länge der Lauf schaufeln
11 übereinsti.mmende Länge der Leitschaufeln 3 ein maximaler Leitradquerschnitt
festgelegt ist.
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Der austrittseitige Winkelring 8 steht in einer ausgeschobenen Stellung,
in der sein Mantel 14 ohne Einfluß auf den den Laufkranz 12 verlassenden Gasstrom
ist und seine Seitenwand 21 als Führungswand des Gastroms dient. Im Laufkranz 12
ist ein gestrichelt angedeutetes Zwischenblech 44 vorgesehen, das die von den Laufschaufeln
11 gebildeten Laufschaufelkanäle in zwei hintereinanderliegende Teilkanäle unterteilt.
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Die untere Hälfte der Fig. 1 zeigt einen eintrittseitigen Winkelring
7' in einer eingeschobenen Stellung, in der die wirksame Länge der Leitschaufeln
3' verkürzt, ein Teil des Laufkranzes 12' durch den Winkelring 7' abgedeckt und
so der Leitradquerschnitt verkleiner-t ist. Ein austrittseitiger Winkelring 8' steht
in einer eingeschobenen Stellung, in der seine Seitenwand 211 in derselben Ebene
liegt wie die Zwischenwand 6 des eintrittseitigen Winkelrings 7' und bewirkt eine
Führung des aus dem Laufkranz 12' tretenden Gasstroms.
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Eine Verschiebung der Zwischenwände erfolgt durch die Servomotore
20 und 25. Der Verschiebeweg kann für beide Winkelringe 7 und 8 gleich oder unterscl1i.edlich
eingerichtet werden, wie es jeweils günstiger ist. Gleiche Schiebewege sind auch
dadurch möglich, daß die beiden Winkelringe in nicht dargestellter Weise mechanisch
verbunden werden.
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Um eine Verschiebbarkeit der Zwischwand 6 entlang den Leitschaufeln
3 und des Mantels 13 auf dem Gehäusemantel 17 zu gewährleisten, müssen an den Berührungsflächen
dieser Teile
Spalte vorgeschen werden, durch die ein Verluststrom
aus dem Gaseintrittsraum 3-l in den llinraum zwischen dem Leitrad 2 und dem Laufkranz
12 gelangen kann Diese Spalte sind möglichst klein auszuführen Für den Spalt zwischen
dem Mantel 13 und dem Gehäusemantel 17 können Dichtinittel wie z.B. eine Labyrinthdichtung
vorgesehen werden. Bei der Bemessung der Spalte muß auf unterschiedliche Dehnungen
durch unterschiedliche Temperaturen der verschieblichen Teile bei einer Anderung
der Gas temperatur und auf einer dadurch mögliche Verklemmung der Teile keine besondere
Rücksicht genommen zu werden, da nach einem Wärmeaustausch der Teile die unterschiedlichen
T)ehnungen aufgehoben werden und e eine Verschiebung wieder möglich ist. Dabei kann
durch entsprechende Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß während einer Verklemmung
die eine Verschiebung ausführenden Teile, insbesondere dafür verwendete Servomotore
keinen Schaden leiden.
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Bei der Turbine nach Iig. 2 sind Leitschaufeln 53 von einer durch
einen eintrittseitigen Winkel ring 57 gebildeten Seitenwand 54 und einer durch die
Leitschaufeln 53 getragenen Seitenwand 55 gehalten und Lauf schaufeln 61 mit einem
Laufrad 60 verbunden. Eine als Teil eines Gehäuses 5 ausgebildete Zwischenwand 56
ist von den Leitschaufeln 53 durchdrungen. Der Winkelring 57 ist durch ei.nen am
Gehäuse 51 angebrachten Servomotor 70 in eine Stellung geschoben, in der die wirksame
Länge der Leitschaufeln 53 durch die Seitenwand 54 verkiirzt ist und ein Mantel
63 des Winkelrings 57 ein Teil eines Laufkranzes 62 abdeckt. Der Teilschnitt nach
Fig. 3 läßt durch die Leitschaufeln 53 gebildeten Leitschaufelkanäle 40 und durch
die Turbinenschaufeln 61 gebildeten Laufschaufelkanäle 41 erkennon. Die Seitenwand
54 des Winkelrings 57 erstreckt sich von einem Außendurchmesser 42 bis zu einem
Innendurchmesser 43.
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Bc.i der Turbine nach F.ig. 4 sind iif beiden Seiten einer Sei-@enwand
84 eines Gehäuses 81 ein Leitrad 82 und ein Leitrad 821 gebildet und auf beiden
Seiten eines Laufrades 90 Laufkränze 92 und 92' angeordnet. Auf der rechten Seite
sind Leitschaufeln 83 zwischen der Seitenwand 84 und einer durch
die
Leitschaufeln 83 getragenen Seitenwand 85 gehalt, auf der linken Seite Leitschaufeln
83' zwischen der Seitenwand 84 und einer Seitenwand 85 des Gehäuses 81. Ein auf
einem Gehäusemantel 97 verschiebbarer eintrittseitiger Winkelring 87 ist durch einen
Mantel 93 und eine von den leitschaufeln 83 durchdrungene Zwischenwand 86 gebildet.
Der Zustrom des Gases zu den Leiträdern 82 und 82' erfolgt in zwei Strombahnen aus
zwei Gaseintritträumen 101 und 101', wobei auf der rechten Seite die Länge der Leitschaufeln
83 durch eine Verschiebung des Winkelrings 87 verkürzt werden kann und auf der linken
Seite die Länge der Leitschaufeln 83' nicht veränderbar ist. Eine Seite der Turbine
ist vollkommen absperrbar, indem der Winkelring 87 bis zum Anschlag an die Seitenwand
84 geschoben wird.
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