DE3322436A1

DE3322436A1 - Abgasturbolader mit einen scheibenfoermigen luftspalt aufweisender trennwand zwischen ladeluftkompressor und abgasturbine

Info

Publication number: DE3322436A1
Application number: DE19833322436
Authority: DE
Inventors: Peter Wolfgang Dipl.-Ing. 3170 Gifhorn Manz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1983-06-22
Publication date: 1985-01-03

Description

Abgasturbolader mit einen scheibenförmigen
Luftspalt aufweisender Trennwand zwischen Ladeluftkompressor und Abgasturbine Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Abgasturbolader, der den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads bei geringer Baugröße aufweist, ist aus der US-PS 4 179 247, Fû4B 17/00, bekannt. Der als Wärmebarriere zwischen dem Turbinen- und dem Kompressorteil dienende scheibenförmige Luftspalt nimmt die Verstelleinrichtung für die verstellbaren Leitschaufeln auf.
Dieser bekannte Abgasturbolader besitzt jedoch einige Schwächen, die letztlich aus seiner insbesondere in Achsrichtung gedrungenen Bauform resultieren. So bewirkt das in den scheibenförmigen Luftspalt eingeschlossene, relativ geringe Luftvolumen keineswegs eine ausreichende Verringerung des Wärmeübergangs zwischen den beiden Hauptbestandteilen des Abgasturboladers, insbesondere nicht bei hohen Abgastemperaturen. In diesem Zusammenhang ist nämlich auch der intensive Strahlungsaustausch der beiderseits des scheibenförmigen Luftspalts befindlichen Teile der Trennwand zu berücksichtigen. Bei hohen Abgas temperaturen kann sich der turbinenseltige Teil der Trennwand verformen, wodurch schwere Schäden am Turbolader hervorgerufen werden können. Infolge der nicht ausreichenden Verringerung des Wärmeübergangs von der Abgasturbine zum Ladeluftkompressor heizt das Abgas auch die Ladeluft auf, was die Füllung der nachgeschalteten Brennkraftmaschine nachteilig beeinflußt. Schließlich trägt die bekannte Konstruktion Abgasleckagen nicht Rechnung, die durch die Durchführungen für die Schwenkachsen der Leitschaufeln durch den abgasturbinenseitigen Teil der Trennwand entstehen.
Aus der DE-AS 12 36 856 ist zwar ein Abgasturbolader bekannt, bei dem unter anderem zwecks Verringerung der Temperatur der in die Turbine eintretenden Gase und des Turbinenrotors bei höheren Ladedrücken über ein Rückschlagventil eine Strömungsverbindung zwischen dem druckseitigen Teil des Ladeluftkompressors und der Abgasturbine im Bereich ihres Rotors hergestellt wird. Dieser bekannte Abgasturbolader besitzt aber eine Trennwand zwischen seinen beiden Hauptbestandteilen, die in axialer Richtung eine relativ große Abmessung besitzt. Die beschriebene Erfindung einschließlich des Rückschlagventils ist in dieser Trennwand so angeordnet, daß sie eine einzige, dem Turbinenrotor stirnseitig gegenüberstehende Einströmstelle bildet. Selbst wenn vor dem abgasturbinenseitigen Teil dieser Trennwand ein mit der genannten Verbindung zwischen Kompressor und Abgasturbinenteil in Verbindung stehender Ringraum vorgesehen ist, kann dieser in seiner wärmedämmenden Wirkung lediglich mit dem scheibenförmigen Luftspalt in der eingangs beschriebenen amerikanischen Konstruktion verglichen werden. Infolge der örtlich konzentrierten Einströmung der Ladeluft im Bereich der Stirnseite des Abgasrotors kommt es auch nicht zu der angestrebten Verringerung der Gesamttemperatur der Abgase, sondern zu einem schwer kontrollierbaren Temperaturgefälle innerhalb der Abgasturbine, das die Beherrschung der thermischen Verhältnisse auch im Bereich des Turbinenrotors nicht erleichtert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, dessen Betriebssicherheit mit einfachen Mitteln erhöht ist. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Im Gegensatz zu der diskutierten Konstruktion nach der zitierten Auslegeschrift umgeht die zur Kühlung der Trennwand und zur Abführung der Abgasleckmengen dienende überschüssige Ladeluft also die Abgasturbine und wird direkt in die Abgasleitung geführt. In Abweichung von dem Abgasturbolader nach der eingangs diskutierten US-Patentschrift durchströmt die überschüssige Ladeluft den scheibenförmigen Luftspalt, so daß dieser kein abgeschlossenes und sich demgemäß schnell aufheizendes Luftvolumen enthält.
Das Einwegventil muß verständlicherweise so ausgelegt werden, daß Ladeluft nur dann zur Durchströmung des scheibenförmigen Luftspalts abgezogen wird, wenn der Ladedruck hinreichend hoch ist, da andernfalls das dynamische Ansprechverhalten des Abgasturboladers darunter leiden würde. Diese Bedingung läßt sich jedoch leicht erfüllen, da hohe Abgastemperaturen nur bei hohem Ladedruck vorliegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die einen Längsschnitt durch die hier interessierenden Teile des Abgasturboladers wiedergibt.
Auf der gemeinsamen Welle 1 sind drehfest der Turbinenrotor 2 des Turboladers 3 und der Kompressorrotor 4 des Ladeluftkompresors 5 angeordnet. Die verschiedenen Abgas- und Luftströmungen sind durch Pfeile angedeutet. Dem Turbinenrotor 2 werden die Abgase über verstellbare Leitschaufeln 6 zugeführt, deren Schwenkachsen 7 in der Trennwand 8 zwischen Turbolader 3 und Kompressor 5 gelagert sind. Diese Trennwand, die die gemeinsame Welle 1 dichtend aufnimmt, ist aus dem kompressorseitigen Teil 9 und dem turbinenseitigen Teil 10 zusammengesetzt, die zwischen sich den scheibenförmigen Luftspalt 11 einschließen.
Der Luftspalt 11, In den die freien Enden der Schwenkachsen 7 für die Leitschaufeln 6 hineinragen, nimmt Verstelleinrichtungen für die Leitschaufeln auf, deren Aufbau im einzelnen nicht interessiert. Man erkennt lediglich Verstellhebel 12.
Wie unmittelbar aus der Figur hervorgeht, besitzt die Trennwand 8 eine sehr kleine Abmessung in axialer Richtung, d.h. in Richtung des Wärme gefälles zwischen Abgasturbine 3 und Ladeluftkompressor 5. Um hier eine wirksame Wärmedämmung sowie eine Abfuhr durch die Lager für die Schwenkachsen 7 in den Luftspalt 11 eingedrungener Abgasleckmengen zu schaffen, ist zwischen dem druckseitigen Tell des Ladeluftkompressors 5 einerseits und dem scheibenförmigen Luftspalt 11 andererselts die das Einwegventil 13 enthaltende Verbindungsleitung 14 vorgesehen, deren Einwegventil 13 so eingestellt ist, daß erst oberhalb eines vorgegebenen Werts des Ladedrucks die Verbindung 14 durchgeschaltet ist. Der umfangsseitig in den scheibenförmigen Luftspalt 11 einmündenden Verbindungsleitung 14 liegt etwa diametral die zum Abgasauslaß des Turboladers führende Verbindungsleitung 15 gegenüber. Damit ist sichergestellt, daß bei hohen Ladedrücken, die verbunden sind mit hohen Abgastemperaturen, überschüssige Ladeluft den Luftspalt 11 kühlend durchströmt und etwa in diesen eingedrungenes Abgas mit fortführt. Eine Beeinflussung der Strömungsverhältnisse oder eine nur örtliche Kühlung im Bereich der Abgasturbine 3 erfolgt durch diese Maßnahme nicht; vielmehr wird angestrebt, daß die Kühlung der Zwischenwand 8 in allen Bereichen derselben möglichst gleichmäßig erfolgt.
- L e e r s e i t e -

Claims

PATENTANSPRÜCHE Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, enthaltend einen Kompressorrotor und einen Turbinenrotor auf einer gemeinsamen Welle, die eine mit einem scheibenförmigen Luftspalt versehene, zwischen den Rotoren verlaufende dichte Trennwand zwischen Ladeluftkompressor und Abgasturbine durchsetzt, die mit ihren Schwenkachsen in der Trennwand gehaltene verstellbare Leitschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem druckseitigen Teil des Ladeluftkpmpressors (5) und dem Luftspalt (11) eine mit einem Einwegventil (13), das erst oberhalb eines vorgegebenen Wertes des Ladedrucks öffnet, bestückte Verbindung (14) vorgesehen ist und an einer vom Ort dieser Verbindung (i4) entfernten Stelle des Luftspalts (11) von diesem eine die Abgasturbine (3) umgehende Verbindung (15) zum Abgasauslaß der Abgasturbine (3) abgeht.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (14,15) an sich bezüglich der Welle (1) etwa diametral gegenüberliegenden Stellen des Luftspalts (11) in diesen einmünden.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Verbindungen (14,15) in den Umfang des Luftspalts einmündet.