DE3335262A1

DE3335262A1 - Radiale ansaugturbine

Info

Publication number: DE3335262A1
Application number: DE3335262A
Authority: DE
Inventors: Robert C. 46112 Brownsburg Ind. Bremer jr.; Louise C. 46224 Indianapolis Ind. Marr
Original assignee: Household Manufacturing Inc
Current assignee: Household Manufacturing Inc
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1984-04-05
Also published as: US4512716A; JPS5982502A; GB2127904A; FR2533968A1; SE8305180D0; SE8305180L; GB8326281D0; GB2127904B; BR8305350A

Description

¹ y

219

Household Manufacturing Jnc,
27ΟΟ Sanders Road

Prospect Heights. Xlliaois 60070
U.S.A.

Vorliegende Erfindung- bezieht sich auf eine Turbinengefciäusekonsrruktion, die besonders für eine Vsrvendung an der Turbinenseite eines Turboladers für Verbrennungsmaschinen geeignet ist.

Einen Turbolader kann man als eine Kombination aus Verdichter und Turbine betrachten, wobei das Verdichterrad und das Turbinenrad an den entgegengesetzten Enden einer gemeinsamen angeordnet sind. Die Abgase einer Verbrennungsmaschine, oder mindestens ein Tail von ihnen, werden in die Turbine"einge-

leitet. Die Energie der Gase, die durch das Turbinenrad strömen, veranlassen die gemeinsame Kiel ie, sich zu drehen. Diese Drehbewegung veranlasst das Yerdichierrad, sich ebenfalls . zudrehen und so Umgebungsluft anzusaugen und zu verdichten, die in den Ansaugverteilor dar Verbrennungsmaschine eingeleitet wird. Diese Anordnung von Turbine und Verdichter ist bekannt und ähnlich der bei einem Überverdichter, ausgenommen, dass im letzteren Falle der Verdichter durch eine direkte mechanische Verbindung mit der Kurbelwelle gedreht wird,

In der üblichen Rohrverbindung zwischen dem Abgasverteiler der Verbrennungsmaschine und dam Turbineneinlass des Turboladers wird keine besondere Anordnung oder Konstruktion von Rohrleitungen eingesetzt, die sich von einer geeigneten Form unterscheiden, um die Abgase zum Turbineneinlass zu Leiten (ebenfalls ausgenommen spezielle Fglla von Rohrleitungen,

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zum Seispial Ycirteilorabstinanung·) . Zm allgemeinen ist die VertBilung dor Abgasgaschwindigkeii bei ^Austritt aus der Rohrleitung aus der Yerbrsnnungsmaschine anngherrnd gleichförmig. So herrscht am Turbineneinlass sine gleichmässige Geschwindigkeit der Abgase,

Nach Eintritt in den Turbirseneinlass durchströmt das Abgas das Innere des 'gekrümmten Turbinenspiralgehäuses, in einem gekrümmten oder bogenförmigen Pfad. Während das Gas das gekrümmte Innere des Turbinenspiralgehäuse durchströmt, neigt es dazu aufgrund bekannter dynamischer Gesetze eine freie Tiirbelstromverteilirag anzunehmen. Sine freie Wirbelstromverteilung in dieser Umgebung bedeutet, dass ein Partikel im Abgas, das sichnäEnar am Innenradius des Inneren der Turfainenspirala befindst, eine grössere Geschwindigkeit hat, als ain Partiksl des Abgases, das sich in den radial äuss«rsten Teilen der Turbinenspiral© befindet-, d.h. die Geschwindigkeit eines Partikels ist umgekehrt proportional zum Radius oder Abstand vom Xo"fcationsmittelpunkt das Turbinenrades.

Entsprechend der Erfindung wurde festgestellt, dass, wann die anfänglich© Gaschwindigkeitsverteilung des Abgases, das zu dem Turbinenainlass geleitet wird, in der Art eines freien liirbelstroraes verteilt ist, die Leistung der Tür-

bine verbessert wird. Weiterhin ist entsprechend der Erfindung eine Vorrichtung vorgesehen, um diese Umwandlung von gleichförmiger Gaschwindigkeitsverteilung in freie-Wirbelstromgsschwindiglcsitsvsrtailung zu bewirken, die in einer Wirbslstrornübsrtragungsleitung besteht. Diese Leitung nimmt Abgas aus .der Maschine auf, wobei dieses Abgas die übliche gleichförmige Gsschwindigkeitsverteilung über den gesamten Querschnitzt des Abgrasrohres aufweist. £>ιι_ΓέΊι ^die Geometrie der erfindungsgamässen Hirbelstromübertragungsleitung wird diese Geschwindigkeitsvsrteilung von eino-r gleichförmigen Geschwindigkeitsverteilung am Einlass der

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Wirbelstromübertragungsleitung in eine freie Wirbelstromgeschwindigkeitsverteilung am Auslass der Wirbelstromübertragungsleitung umgewandelte

Ohne die erfijidungsgemässe Wirbelstromübertragungsleitung· wird die natürlich eintretende Umwandlung von Geschwindigkeiten von einheitlicher Verteilung· in freie fe'irbelstroraverteilung, die im Turbinenspiralgehäuse erfolgt, von^; Scherkräften begleitet, die im Abgas wirken, um die Entwicklung. — 10 oder Erreichung des natürlicherweise eintretenden freien Wirbelstromflusses zu behindern« Diese Scherkräfte sind Funktion des G-eschwindigkeitsgradienten im -^-bgas und seiner Viskosität. ie viskosen Wirkungen bedeuten den Verlust von nützlicher Energie aus dem Gas, die nicht zurückgewonnen werden kann, ^ieser Verlust resultiert im einem Absinken des tangentialen Momentes des Abgases_o In der Auslegung von Turbomaschineη ist es bekannt, dass ein hohes tangentiales Moment am Turbinenrotoreinlass wünschenswert ist, da dieses tangentiale Moment des Abgases die Übertragung von Energie aus dem Abgas an den Turbinenrotor bewirkt«

Bei der Überleitung von einer gleichförmigen Geschwindigkeit sverteilung in eine freie Wirbelstromgeschwindigkeitsverteilung im turbinenspiralgehäuse, treten, wie oben dargelegt, aufgrund von Scherkräften gewisse Verluste auf.

in gewissermassen ähnlicher Effekt tritt in der erfindungsgemässen Wirbelstromübertragungsleitung auf. Unterschiedlich zu den Verlusten aufgrund von Scherkräften innerhalb des Gases im Turbinenspiralgehäuse sind die Verluste, die in der erfindungsgemässen Wirbelstromübertragungsleitung auftreten, geringer. ^Di©s© Verringerung der Verluste beruht auf der Tatsache, dass die erfindungsgemässe Wirbelstromübertragungsleitung spezifisch so ausgelegt ist, dass sie eine einzige Funktion ausübt„. näeiich dio Veränderung der Geschwindigkeitsverteilung des in die Wirbelstromübertra-

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gungsleitung eintretenden Gases vom einer gleichförmigen Geschwindigkeits\^Tertellung in ein© freie Verteilung derr Wirbelstromgeschvindigkeit am Ausläse der Wirbelstromübertragungsleitungo Obwohl Scherkräfte in der Kirbelstromübertragungsleitung· auftreten können, ist diese Leitung

mit einer dreidimensionalen Konvergenz so ausgelegt, dass sie das Geseiiwindigkeitsprof il umfasst, und zwar über Druckgradienten, die in der ex*f XEtdungsgemässen Leitung aufgebaut werden, um die gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung in eine frei© Ve-jrfceilung der Wirbelstromgeschwindigkeit umzuvand eln_o

Entsprechend einer Äusführungsart- der ©rfimduEBgsgemässen Ifirbelstrossübortragungsleitung ist der Rohreinlass recht» eckig ausgebildet _t während der Auslass weitgehend trapezförmig ausgebildet ist_o Um den. Einlass zum turbinenspiralgehäuse an den Auslass der Wirfoelstromübertragunsleitung anzupassen, ist der Einlass zum Turbinenspiralgehäuse ebenfalls weitgehend trapezförmig ausgebildet» Die radial inner» ste gekrümmte Oberfläche des Rohrinneren bildet einen kreisförmigen Bogen, während die radial äusserste Oberfläche der Rohrleitung ebenfalls einen kreisförmigen Bogen bildet, der jedoch einen grösseren Radius und einen anderen Mittelpunkt von dem innersten Bogen aufweist. Durch diese Konfiguration wird der Fluss entlang der innersten- Oberfläche der Rohrleitung schneller beschleunigt, als der Fluss an der radial äussersten Oberfläche der Rohrleitung,, wodurch die Wirkung der ¥irbelstromüb©rtragungsleitung bei d©r. Umwandlung, der eintretenden Geschwindigkeiten im eine freie radiale ttirbel-Stromgeschwindigkeitsverteilung verstärkt wird* Es werden drei spezifische Ausführungsarten der Übertragungsleitung gezeigto

3 J ο s 2 ο 2

Die Zeichnungen zeigsn:

Fig, 1 ist ein teilvoissr Querschnitt einer typischen Turbine des Standss dar Technilc für einen 'SYtrboauf lader;

Fig» 2 ist eine Ansicht entlang dom Schnitt 2-2 aus Fig. 1;

3 ist eine teilweise scheroatische Ansicht ähnlich

Fig. 1, die die Konfiguration der erfindungsgemässen Wirbelstromübertragungsleitung zeigt, wie sie bei einer typischen Turbine des Standes der Technik für einen Tuirboauflader eingesetzt wird,

c K ist ein« schematische Ansicht der arfindungsgemässen Wirbels tiromübertragungslaitung;

Fig, 5 ist eine schematische Ansicht₅ die die gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung am Einlass der erfindungsgemgssen Firbelstromübertragungsleitung zeigt; 2O

6 1st eine Ansicht ähnlich. ™±g. 5» die jedoch die ^rfreis

Verteilung der v/irbelstronr/erteilang der Abgase zeigt, wie sie in der erf indungsgeraässen WirbelStromübertragungsleitung erreicht wird;

Fig. 7 zeigt eine Ansicht des Auslasses der srfindungsgemässen FirbelstroErübertx-agungsleitung,·

Fjg. 8 ist eine schematischs Ansi cht, die die ralative Übertragung vom Einlass dar Firbelstromübertragungsleitung zu dem Auelass der erfindungsgemässen 'ürbslstroaübsrtragungsleitung zeigt;

Fjg» 9 ist aine -&-xislch.t ähnlich Fig. 3 und zeigt eine zweit* Ausführungsart der orfindangsgamässen Wirbelstromübartragungs1eitung;

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.... ..' *--■ J JuO ZDZ

ZT j.?» 10 zeigt sirio Ansicht ähnlich wio Fig·, 3 und verdeutlicht eine dritta Ausführungsart der rerf indungsgemässen. Übertragungsleitung j

Fi?» 1 1 zeigt ainen sc-haraatischen Querschnitt ähnlich den 3, 9 und 10 und verdeutlicht verschiedene Gas chwindigkeii;s-■veirtsilungen des Abgases»

In den Zeichnungen zeigen die Fig·. 1 und 2 eine typische Turbinengehäusekonstruktion des Standes der Technik» Die Nummer IO bezeichnet durchgehend das Turbinengehäuse, das eine Einlassleitung 12 aufveis», die die Abgase aus dem Abgasvertsiler einer Verbrennungsraas chine aufnimmt« Während sie hier in das Turbinengehäuse integriert gezeigt vird, kann die Leitung 12 ebenfalls getrennt vorgesehen sein und durch aine geeignet© Koppslung, zum Beispiel Schrau ben und Flansch, niit dem Gehäuse verbunden sein. Die Nummer i4 bezeichnet den äussearen gekrümmten Teil des Turbinenspiralgahäuses, Dia Nuciraer 16 bezeichnet den -Einlass für die Abgase zum Turbinenspiralgehäuse, Die Nummer 18 'bezeichnet ein klassisches radiales Einlassturbinenrad, das sich, auf eine Welle 20 montiert, um die Achse 21 dreht. Die Nummer 22 bezeichnet eine beliebige einer Yielzahl von Schaufeln, die integral sit dem Turbinenrad 18 gebildet sind. Die Numraer 2k bezeichnet das Innere des Turbinengehäuses, wobei der radial innerste Taxi des Inneren eine ringförmige kontinuierliche Fläche 26 aufweist entlang derer das Abgas an die äussere Psriphsris das Turbinenrades 18 strömt und von da aus axial entlang dsn Schaufeln 22. Der Innenteil kann als ein gekrümelter länglicher Flissspfad einer kontinuierlichen ringförmigen Düse 26 betrachtet warden.

Sin typisches Turbinengehäuse des Standes der Technik ist

im US-Patent 2 Skh 786, erteilt an Angell, gezeigt, nach dem die Fig. 1 und 2 angefertigt wurden,

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Mit Bezug auf dia 15*ig. 3 und 4 der Zeichnungen zeigt der unterste linke T-ail dor !Tig·« 3 ein teilweisen Querschnitt des bekannton Turbinenspiralgshäusss, \ile zum Beispiel das Turbinengehäuse aus den Fig. 1 und 2. Die Numraer i4 entspricht so dam gussersten Tail des Turbinenspiralgehäuses, während die Nummer 24 wieder den gekrümmten Fliesspfad des Innenteils das Spiralgehäuses bezeichnet» Die Nummer 26 bezeichnet den radial, äussörsten Tail oder Fläche des Fliesspfades im Spiralgehäuse, das ebenfalls in Fig. 3 in Form einer Spirale gezeigt ist. Eine spiralförmige Fläche, wie die Fläche 26, ist bereits in der Technik bekannt, wie zum Baispiel in dem erwähnten US-Patent von Angell gezeigt,

Dia Nummer 50 bezeichnet durchgehend die erfindungsgemässe Wirbelstromübertragungsleitung (siehe auch Fig. 4), die einen Einlassbereich oder Verdünnung 52 aufweist, -die allgemein rechteckig ist. Dia Nummer 62 bezeichnet den radial äussersten Teil eines allgemein trapezförmigen Auslasses 54, während die Nummer 64 den radial innersten Teil eines, allgemein trapezförmigen Auslasses 54 bezeichnet. Die Nummer 66 bezeichnet den radial äussersten Teil der Einlassdüse 52 der ΐ/irbelstromübertragungsleitung, während die Nummer 68 den radial innersten Teil der Sinlassdüse 52 bezeichnet. Die Nummer 74 bezeichnet die radial äusserste gekrümmte Fläche, die sin kreisförmiger Bogen der Übertragunsleitung 50 ist, während die Nummer 72 die radial innerste Fläche der Übertragungsleitung bezeichnet, die ebenfalls die Form eines kreisförmigen Bogens aufweist» Die beiden Seiten der Leitung ^O sind gekrümmt, so dass dar Übergang von rechteckig auf allgemein trapezförmig erfolgen kann. Der Einlass zum Turbinenspiralgehäuse 14 ist trapezförmig ausgebildet, damit er mit dem trapezförmigen Auslass 54 der übertragungsleitung 5° zusammenpasst.

Die Nummer 80 bezeichnet einen beliebigen Rohranschluss

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- ·ο

zwischer: dam Ab^asvorteilar einer YerbrsnDungsmaschina und. der Sinlassdüss 52 der Übertragungsleitung 5°· ^^s kann jede Art der Verbindung- zvischan dem Rohr SO und der Düse 52 verwendet verden, so '.via sum Bsispiel eine Verbindung aus flansch und Schrauben,

Fig. 5 zeigt schematisch die Verteilung der radialen- Geschwindigkeit des Abgases der Verbrennungsmaschine, wenn es aus der Leitung 80 in die Übertragungsleitung 5° strömt. Es zeigt sich, dass die Geschwindigkeitsverteilung gleichförmig ist, d.h. in alLen Bereichen über dem Einlass 52 der Leitung 50 (angeschlossen an den Auslass des Rohres 80) ist die Geschwindigkeit dar Abgase konstant. Fig. 6 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung des Abgases, wenn es aus dem Auslass $h der Leitung 5® i^ den Einlass des Turbinenspiralgehäuses i4 gelangt, -^ig. 6 zeigt, dass die Verteilung nicht gleichförmig ist, wobei die grössten Geschwindigkeiten an den raidal innersten T_eilen und die niedrigsten Geschwindigkeiten an den radial äusserst;en Teilen der übertiragungsleiirung auftraten* Biese Verteilung, die direkt in das Turbinenspiralgehäuse eingeleitet wird, ergibt eine verbesserte Turbinenleistung im Vergleich zu der in Fig. 5 gezeigten Verteilung»

Mit erneutem Bezug auf Fig,, 3 eier Zeichnungen bezeichnet der Buchstabe q die Dicke der Spirale lk .an ihrem Ende.. An diesem Snda hat sich das Abgas um 3°0 gedreht, seit es in den Turbinensiniass 5^ gelangt ist. Der Buchstabe ρ bezeichnet die Dicke der Spirale lh an einem Punkt von 27Ο⁰ von dem Turbineneirilass, Diese Dicken in den Bereichen ρ und q -werden durch bekannte Überlegungen in Bezug auf Auslegung diZctiart,

Hit weiterem Bezug auf Fig. 3 bezeichnet R den Abstand

zwischen dar Rotationsachse 21 und dem radial äussersten

BADORiGINAL COPY ]

. Teil des Auslasses $h der Wirbelstromübertragungsleitung R bezeichnet den Abstand zwischen der Rotationsachse 21 und dem radial innersten Teil des Endteils der Spirale 1²J-. R„ bezeichnet den Abstand zwischen der Achse 21 und dem radial äussersten Teil des Endes der Spirale 14, der gleich der kürzeren allgemein trapezförmigen Kante 64 des Auslasses 54 der Übertragungsleitung 50 ist.

Der Mittelpunkt von Radius R„, welcher die radial innerste Fläche 72 der übertragungsleitung bildet, wird durch den Buchstaben A bezeichnet. Punkt B ist der Mittelpunkt der· Krümmung der radial äussersten Fläche 7^ der Übertragungsleitung und hat einen Radius R . Punkt C der Fig. 3 bildet den Schnittpunkt der Fläche 72 (Bogen 1) mit einer hor±zx>ntalen Linie von 27Ο in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn von dem Einlass zum Turbinenspiralgehäuse 14. Der Punkt D fällt mit der Kante 64 in der Ebene der Fig. 3 zusammen. Punkt 0 liegt an der Rotationsachse 21, Die Punkte E und F bilden die Enden der Fläche 74. ' ,

Die Punkte A und B werden in folgender Weise bestimmt,, Zuerst wird ein Bogen einer Länge R₂ gezogen, dessen Mittelpunkt im Punkt D liegt. Ein Bogen mit einer Länge R„ wird mit einem Mittelpunkt bei Punkt C versehene Der Schnittpunkt dieser Bögen ist der Mittelpunkt des Bogens 1 und wird mit A bezeichnet. Dann wird, mit dem Mittelpunkt des Bogens 1 bei Punkt A, ein Bogen einer Länge R„ gezogen, welcher die Punkte D und C verbindet und so den Umfang der Fläche 72 bildet.

Der Winkel «*. ist der Winkel zwischen der Horizontalen am Punkt D und die Tangente zum Bogen 1 am Punkt D. Der Abstand QA wird wie folgt angegeben:

ÖÄ = ^₂(R₂)² - 2(R₂)² cos al V2

al

sin ( a/2)

- 1O «-

Mittel trigonometrischer und geometrischer Relationen kann nachgewiesen werden, dass OA am Punkt © einen Winkel von mit der Horizontalen bildet«

Der Bogen 2 ist die äusserste Strömungslinie (Fläche der Wirbelstromübertragungsleitung und in folgender Weise konstruiert. Zuerst wird die Linie OA xadial nach aussen mit einem Winkel d./2 fortgeführt. Dann wird ein Bogen einer Länge R mit dem Mittelpunkt am Punkt E (an der Kante 62) gezogen. Der Schnittpunkt des sich daraus ergebenden Bogens mit der Verlängerung des Segmentes OA bestimmt den Mittelpunkt B des Bogens 2 (Fläche 74). Dann wird mit einem Mittelpunkt am Punkt B ein Bogen mit einem Radius R gezogen, der di© Punkte E und F verbindet.

Da ein Turbolader im allgemeinen in ©inem beschränkten Raum angeordnet uiad fiäar· einen bestimmten Motor ausgelegt wird, ergibt sich gewöhnlich ©ins in der Peripherie be>grenzte Geometrie. Diese G©oinetra© beinhaltet de>n Radius R , den inneren Radius R des Spiralgehäuseeinlasses und die Materialdicke ρ und q. Massefluss, Luftdruck, Temperatur im Abgasverteiler de>s Motors und Leistungsanforderungen vervollständigen die tliermodynanEischen -^-nwendungs be dingungen. Der rechteckige Durchgang 52 am Einlass der WirbeiStromübertragungsleitung ist notwendig für den passenden Anschluss des Abgasv©rteil©rs des Motors. In Anbetracht der gegetoenenAusl©guBgspa:rain©ter uad Längan (in Graden vor dem Einlass des Turbinenspiralgehäuses) der Wirbelstromübertragungsleituag wurde ein spezifischer rechteckiger Einlass der Wirbelstromübertragungsleitung zusammen mit einem weitgehend trapezförmigen Auslass definiert. Es besteht ebenfalls ein spezifischer Seitenwandwinkel (S) des Gehäuses, der so spezifiziert werden muss, dass er eine freie Verteilung der WirbelStromgeschwindigkeit um den Rotoreinlass aushält.

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S wird wie folgt definiert:

tan

Fig. 7 zeigt den Winkel delta (£).·.

Fig. 8 zeigt, dass ein gewisser Radius R vorhanden ist, an dem die Weite des Einlasses der Wirbels tromüb ear tragung sleitung und die Weite des Einlasses des Turbinensρiralgehäuses gleich sind, diese Länge wird mit der Nummer 84 bezeichnet. An allen Radien R (gemessen von d&r Turbinenradachse 21), die grosser als R sind, divergiert die Weite der Übertragungsleitung gegen den Einlass des TurbinenSpiralgehäuses, und an allen Radien R, die kleiner als R 84

Ji

sind, konvergiert die Weite der Übertragungsleitung gegen den Einlass des Turbinenspiralgehäuses. Daher ist entlang der ausseien Wand der Übertragungsleitung, die die Fläche 74 beinhaltet, die Weite divergierend auf W am ^Einlass des Turboladers« Diese Divergenz/Konvergenz der Weite d*r Übertragungsleitung in Verbindung mit der Konvergenz der inneren und äusseren Leitungswände bewirkt die freie radiale Geschwindigkeitsverteilung des Wirbelstroms am Einlass des Turbinenspiralgehäuse«.

Durch die Gewährleistung der Funktion der Neuverteilung von Geschwindigkeiten weist die Übertragungsleitung der in Fig. gezeigten Ausführungsart ein gewisse aerodynamische Diskontinuierlichkeit auf, die zwischen oder in Verbindung mit den Strömungslinien des Flusses auftritt=. Entsprechend einer zweiten Ausführungsart, die jetzt beschrieben wird, werden die Dicken ρ und q vergrössert und die Winkel alpha und beta (aus Fig, 3) sind gleich. Eine Überprüfung des obersten Teils von Fig. 3 zeigt, dass, wenn die Winkel alpha und beta

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. gleich sind, der Übergang zwischen Bogen 2 und dem Spiralgehäuse aerodynamisch glatt ist.

In der in Fig₀ 9 gezeigten Ausführungsart, in der gleiche Nummern der in J^ig. 3 gezeigten Ausführungsart entsprechen, sind die Winkel alpha und beta gleich, um dadurch einen glatten Übergang zwischen Bogen 2 (bezeichnet mit Ifk) und der Spiralfläche 26 zu erreichen. Dies erfolgt durch die Art der Konstruktion, die jetzt beschrieben wird. Der Eingang zum Spiralgehäuse 2k und dem Ende der Übertragungsleitung 50 wird wirksam durch ein eingefügtes Rohrsegment 100 getrennt, ^ie gegenüberliegenden Wände der Leitung sind parallel, wobei eine Teillinie die Punkte 62 und verbindet, die mit der Tangente zur Spirale am Eingang der letzteren zusammenfällt· ®±e Länge des eingeführten Rohres 1OO in paralleler Richtung zu dieser Tangente wird mit L bezeichnet»

Die Konstruktion des Bogens 1 (Fläche 72) und dee Bogens (Fläche 7*0 is* die gleiche wie in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsart, ausgenommen dass der Bezug von dear Rotationsachse 21 des Turbinenrades jetzt zu einem neuen Punkt 210 verlegt wird.*Dieser neue Punkt wird entlang dem ¥inkel beta über eine Länge L von der Achse 21 verschoben. Die Länge OA, die den Abstand zwischen dem Rotationszentrum des Turbinenrades und dem Mittelpunkt detr Fläche J2 (Bogen i) darstellt, wird wie folgt angegeben:

OA = i if + 2R², (sin²ß + 2 sin⁴ β/2)] ^1/2

Die Länge OB, die den Abstand zwischen dem Rotationszentrum 21 des Turbinenrades und dem Mittelpunkt der Fläche 74 (Bogen 2) darstellt, wird wie folgt angegeben:

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OB = Il² + 2 R² (sin² β + 2 sin⁴ ß/2)V ^1/2 I ' )

Fig. 10 enthält eine weitere Ausführungsart der Erfindung und zeigt den glatten Strömung-sfluss aus Fig» 9» obwohl dieser eine leicht unterschiedliche Form hat. Die Konstruktionsmethode der Flächen "Jk (Bogen 2) und J2 (Bogen i) ist folgende-:

Zur Herstellung der Fläche 74 wird eine Linie vom Punkt 62 gezogen, die im rechten ¥inkal zur Tangente der Spiraljfläche 26 am Eunkt 62 verläuft, ^iese Linie wird mit 62a bezeichnet. Als nächstes wird die Länge R entlang 62a vom Punkt 62 gemessen, um den Punkt B zu bilden, und dann wird ein Bogen mit einem Radius R von den Punkten 62 bis 64 gezogen, um die Fläche Jk zu bilden.

Um die Fläche 7² zu bilden, wird zunächst die Länge R^ bestimmt. Als nächstes wird eine Senkrechte von einem Linienabschnitt mit einem Winkel beta zur Horizontalen zum Punkt 64 gezogen. Dies ist die Linie 64a. Mit Punkt 64 als Mittelpunkt wird ein Bogen mit einem Radius R gezogen, der die Linie 64a schneidet. Dieser Schnittpunkt ist der Mittelpunkt A der Fläche 72. Dann wird der Bogen 1 zwischen den Punkten D und C mit einem Ra.dius R gezogen, um die Fläche 74 zu bilden. Sollte dieses Verfahren in einer Dicke ρ resultieren, die geringer ist als für die Festigkeit notwendig, wird R vergrössert und die obigen Schritte wiederholt, bis man die notwendige Mindestdicke für ρ erhält. Der Abschnitt OAB hat einen Winkel von i/2 beta zur Horizontalen. Die Länge OA wird wie folgt ausgedrückt:

OA = 2R sin ß/2 '

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und die Länge OB aargibt sieh, wie folg-t:

Ö3 = 2R sin ß/2

In Fig. 11 stellt der kreuzweise schraffierte Bereich die Leitung 50 dar, die von inrem Einlassbereich zu ihrem Auslassbereich konvergiert. Aufgrund bekannter Gesetze der Fluidraechanik bleiben die Ringenschaften dar Gase, wenn ein Fluid durch den Einlassbereich eines gekrümmten konvergierenden Rohres strömt, nicht über das ganze Rohr gleich, Wenn zum Beispiel das Geschwindigkeitsprofil am Einlass des Rohres gl ei Chinas s ig ist, wird die Krümmung und Konvergenz des Rohres das Geschwindigkeitsprofil so abschrägen, dass am Rohrausgang ein unterschiedliches Geschwindigkeitsprofil erscheint.

Entsprechend der Erfindung ist die Geometrie des Rohres so ausgelegt, dass das gewünschte Geschwindigkeitsprofil des freien liirbelstroms erreicht wird, das durch folgende Gleichung am Rohraustritt definiert wird:

X χ Vq — konstant.

Die in Fig. 11 gezeigte allgemeine Übertragungsleitung umfasst die Flächen SO und 92 sowie verbindende Flächen, von denen jsweils eine über und eine unter dem dargestellten Querschnitt angeordnet ist» ^ie gewünschte Variation der Geometrie, um eine freie Geschwindigksitsverteilung des Wirbelstromes zu bewirken, kann durch eine geeignete Krümmung jeder dieser Flächen oder eine Kombination von Flächen, die die Geometrie der übrigen Flächen aufweisen, um obige Gleichung einzuhalten, erreicht werden.

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Claims

• PATENTANSPRÜCHE:

Eina· radiale An saug turbine, die mit einem Verdichter- in einem Turbolader eingesetzt wird, um eine Kolbenyerbrennungsmaschime aufzuladen, und die ein radiales Ansaugturbinenrad aufweist, sowie ein %-feitgehend ringförmiges "Spiralgehäuse mit einer Einlassöffnung für Abgase aus, dem Motor, wobei das Turbinenrad drehend in dem Gehäuse gelagert ist und der Innenteil des Spiralgehäuses eine bogenförmige Düse bildet, um in das Gehäuse eingeleitetes Abgas zu dem Turbinenrad zu leiten, und die radial äusserste Fläche der bogenförmigen Düse die Form einer Spirale hat, so dass such die radial äusserste Fläche langsam der Peripherie des Turbinenrades nähert und die Abgase, die vom Gehäuseeinlass durch die bogenförmige Düse radial nach innen in das Turbinenrad ström en, um as in Drehbewegung zu versetzen, wobei die Verbesserung darin besteht, dass zwischen der Abgasquelle und dem Abgaseinlass des Spiralgaliäuses Mittel vorgesehen sind, um eine freie liirbelstronrverteilung dar Geschwindigkeit auf das Abgas zu beaufschlagen, wenn es in das Turbinenspiralgehäuse eintritt, wodurch geringere Gasverluste und eine verbesserte Turbinenleistung im Vergleich zu einer Geschwindigkeitsverteilung am Gehäuseeingang, die eine andere ist, als die freie Wirbelstromverteilung_e

· · .

2. Eine radiale Ansaugturbine nach Anspruch 1, in der die Mittel für die Beaufschlagung einer freien Verteilung der Wirbelstromgeschwindigkeit eine Wirbelstromübertragungsleitung mit einer winkligen Ausdehung von etwa 90 ist, die mit ihrem Auslass am Einlass des Spiralgehäuses befestigt ist, wobei der Einlass der Wirbelstromübertragungsleitung rechteckig ausgelegt ist, während der Auslass der Wirbelstromübertragungsleitung und der Einlass des Turbinenspiralgehäuses trapezförmig angelegt sind.

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3. Eine radiale Ansaugturbine nach. Anspruch 2, in der die iradial innersten und radial äussersten Flächen der ¥irbelstromübertragungsleitung kreisförmige Bogen darstellen, die auf eine orthogonale Ebene zur Drehachse des Turbinenrades projiziert sind.

4. Eine radiale Ansaugturbine nach Anspruch 3» in der sich die Mittelpunkte der beiden kreisförmigen Bögen an verschiedenen Stellen befinden«

5β Eine radiale Ansaugturbine nach Anspruch h, in der der Krümmungsradius des radial innersten kreisförmigen Bogens R₂ ist (Rp ist der Abstand zwischen der Rotationsachse des Turbinenrades und de>r innersten Kante des w&itgehend trapezförmigen Eintritts des Turbinengehäuses in dieser

Ebene), und dessen Mittelpunkt durch den Schnittpunkt von ersten und zweiten Bögen gebildet wird, wobei der erste Bogen einen Radius R₂ hat, dessen Mittelpunkt in dieser Ebene an der radial innersten Kante des allgemein trapezförmigen Einlasses zu dem Turbinenspiralgehäuse angeordnet ist, während der zweite Bogen mit einem Radius R_?, dessen Mittelpunkt in dieser Ebene an der radial innersten Kante des Einla&ses der Wirbelstromübertragungsleitung angeordnet ist, und in dem der Krümmungsradius des radial gussersten kreisförmigen Bogens R ist (R ist der Abstand zwischen der Rotationsachse des Turbinenrades und deT· radial äussersten Kante des weitgehend trapezförmigen Einlasses des Turbinengehäuses in dieser Ebene), und dessen Mittelpunkt durch den Schnittpunkt von (i), der Verläng©- rung einer Linie in dieser Ebene von der Rotationsach.se des Turbinenrades durch den Mittelpunkt der Krümmung des radial innersten kreisförmigen Bogens bestimmt wird, mit einem ^ßogen (2) in dieser Ebene mit einem Radius R , dessen

Mittelpunkt an der radial äussersten Kante des weitgehend trapezförmigen Einlasses zum Turbinenspiralgehäuse angeordnet ' i6t„

6. -^ine radiale Ansaugturbina nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, in der der Einlass zu der Turbine und der Auslass der Wxrbelstromübertragungsleitung durch ein eingefügtes Rohrsegment gekoppelt sind,

7. ^Eine radiale Ansaugturbine nach Anspruch 5, in der die Rohroberflächen R^ und R in der gleichen Weise bestimmt werden, ausgenommen, dass der Rotationsmittelpunkt der Turbine für diese Bestimmung über eine Länge L entlang der Neigungslinie¹ beta vom Rotationsmittelpunkt der Turbine verschoben wird, dessen beta dear* Winkel von der Horizontalen der Tangente zum Spiralgehäuse -von seinem radial äussersten Einlass ist, und worin L die Weite entlang einer Richtung parallel zu dieser Tangente ist, und zwar eines eingefügten Rohrsegmentes, das zwischen dem Einlass des Turfoinenspiralgehäuses und dem Auslass der Übeirtragungrsletung angeordnet ist, wodurch aerodynamische ^iskontinuierlichkeiten auf ein Midestmass reduziert werden₀

8. Verfahren für den Betrieb einer radialen Ansaugturbine, wie zum Beispiel einer Turbine eines Turboladers, die mit den Abgasen eines Kolbenmotors gespeist wird, wobei dieses Verfahren den Schritt beinhaltet, die Abgase vor ihrem Eintritt in das Turbinenspiralgehäuse so zu behandeln, dass sie eine freie radiale Verteilung der Ges>chwindigkeiten des Wirbelstroms bei ihrem Eintritt in das Turbinenspiralgehäuse aufweisen, wodurch die Gasenergieverluste aufgrund von internen Scherkräften der Abgase in Turbine verringert werden.