DE3346472C2

DE3346472C2 - Radialturbine mit veränderlicher Leistung

Info

Publication number: DE3346472C2
Application number: DE3346472A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokosika Komatsu; Fumio City Nishiguchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-12-28
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1991-09-12
Anticipated expiration: 2003-12-23
Also published as: DE3346472A1; GB8334363D0; GB2134602A; GB2134602B; US4544326A

Abstract

Ein Turbinen-Bogenkanal ist in einen ersten und zweiten, die sich längs dessen parallel zueinander erstreckende Bogenkanäle unterteilt. Der erste Kanal ist mit einer seitlichen Öffnung verbunden, um das Strömungsmittel im Bogenkanal einem Turbinenrad zuzuführen. Der zweite Kanal ist gegenüber der seitlichen Öffnung durch eine Trennwand isoliert, die den zweiten Kanal gegenüber dem ersten Kanal abtrennt. Die Trennwand ist mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Durchbruch versehen, um eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem ersten und zweiten Kanal herzustellen. Die Öffnung erstreckt sich in Längsrichtung über etwa 360° rund um die Turbinenachse und hat über seine Länge hinweg eine konstante Breite. Im Nebenkanal ist zu dessen Absperrung ein Schwenkventil, Drehventil oder sonstiges Ventil vorgesehen. Wenn die Turbine Teil eines Turboladers ist, der mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, wird der Nebenkanal bei einem niederen Drehzahlbereich abgesperrt. Die Öffnung der Trennwand und das Ventil sind auf verschiedenartige Weise ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radialturbine mit veränderbarer Leistung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. Derartige Radialturbinen werden beispielsweise bei Turboladern von Verbrennungskraftmaschinen verwendet.
Im folgenden wird der Stand der Technik in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer bekannten Turbine mit veränderbarer Leistung,

Fig.2A und 2B je eine Ansicht der Strömung des Strömungsmediums in der Turbine gemäß Fig. 1 und

Fig.3 einen Schnitt durch die Einlaufspirale einer Turbine mit doppeltem Einlaß.

F i g. 1 zeigt eine Radialturbine eines Turboladers mit variabler Leistung, welche in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 57-11 233 offenbart ist.

An einer Welle 2 sind ein Turbinenrad 1 sowie ein nicht dargestelltes Verdichterrad befestigt. Das Turbinenrad 1 ist von einer Einlaufspirale 3 umgeben, welche in einem Turbinengehäuse 5 ausgebildet ist. Mit einem Einlaß 3Cder Einlaufspirale 3 ist eine Abgasleitung 4 verbunden, so daß das Abgas in die Einlaufspirale eingeleitet werden kann. Die Einlaufspirale 3 ist in einen größeren Spiralkanal 3A und in einen kleineren Spiralkanal 3B unterteilt, wobei diese Unterteilung durch eine Trennwand 5Λ erfolgt, welche in dem Turbinengehäuse 5 ausgebildet ist. Die Trennwand 5Λ ist in einem Winkel zu der Drehachse der Welle 2 angeordnet. Beide Spiralkanäle sind jeweils zum Turbinenrad 1 hin geöffnet. In der Abgasleitung 4 ist im Bereich des größeren Spiralkanals 3A ein Ventil 6 vorgesehen, mittels dessen die Strömung durch den Spiralkanal 3A steuerbar ist. Das Ventil 6 ist in Abhängigkeit von Motorparametern, etwa dem Ladedruck, betätigbar. In einem Betriebsbereich mit niedriger Motordrehzahl ist der Einströmbereich des Spiralkanals 3A verschließbar, um die Ladccharukteristik der Turbine zu verbessern. Bei hoher Motordrehzal ist das Ventil 6 in einer Position, in welcher das Strömungsmedium (Abgase) durch beide Spiralkanäle 3/\ und ZB strömen kann. Das Strömungsmedium vcr-

läßt die Turbine durch einen Auslaß 7.

Bei dieser Turbine sind beide Spiralkanäle 3A und 35 zum Einlaßabschnitt IA des Turbinenrades hin offen. Dementsprechend bildet sich, wenn mittels des Ventils 6 der größere Spiralkanal 3A von der Zuitrömung von Strömungsmittel abgetrennt ist, in diesem eine tote Strömungszone aus. Wenn somit da* Strömungsmedium durch den kleineren Spiralkanal 35 dem Turbinenrad 1 zugeleitet wird, bildet sich eine in F i g. 2A gezeigte Rotationsströmung bzw. Strömlings walze 10 im Einlaßbereich 1/4 der Turbinenradkammer rund um das Turbinenrad 1 aus. Das Strömungsmedium der Strömungswalze 10 breitet sich infolge der Fliehkrafteinwirkung radial in dem loten Strömungsbereich des abgesperrten größeren Spiralkanals 3Λ aus. Wie in Fig.2B dargestellt ist, wird somit in dem Spiralkanal 3Λ eine Umlaufströmung 11 hervorgerufen, welche entlang der Wandung des Spiralkanals 3Λ strömt und, bedingt durch die dabei auftretende Reibung, einen großen Energieverlust erzeugt.

F i g. 3 zeigt eine andere Konstruktion des Turbinenbogens, welche auch als Gehäuse mit doppeltem Einlaß bezeichnet wird. Bei dieser Konstruktion ist die Spirale 3 in zwei Hälften 3D mittels einer Wand 5Λ unterteilt, die vom Umfang der Einlaufspirale 3 aus hervorsteht und etwa senkrecht zur Welle des Turbinenrades angeordnet ist. Wenn einer der Halbkanäle 3D durch ein Ventil verschlossen ist, tritt dasselbe Phänomen wie bei der vorherigen Konstruktion auf, so daß der Wirkungsdie Beschleunigung des aus dem offenen Kanal der Einlaufspirale austretenden Strömungsmedium durch das Turbinenrad stört. In dem toten Strömungsmittelbereich des abgesperrten Kanals bildet sich eine Umlaufströmung in Form einer Strömu.igswalze auf, die längs der Wand des stillgelegten Kanals verläuft und, bedingt durch die Wandreibung, ein hohes Maß an Energie verbraucht. Bei der bekannten Turbine führt somit das Verschließen eines Kanals der Einlaufspirale, das eigentlich

ίο zu einer Verbesserung der Ladecharakteristik beitragen soll, zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Turbine und zu einer erheblichen Störung des Strömungsverlaufs des Strömungsmittels durch die gesamte Turbine.

Aus der US-PS 32 70 495 sowie aus der DE-OS 20 12 957 sind Radialturbinen bekannt, welche der Radialturbine gemäß der DE-OS 20 44 026 äußerst ähnlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Radialturbine mit variabler Leistung, welche bei einfachem Aufbau, kostengünstiger Herstellungsweise und sicherem Betrieb auch bei geringen Drehzahlen bzw. verminderter Leistung einen guten Wirkungsgrad ermöglicht und in zuverlässiger und betriebssicherer Weise an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen angepaßt werden kann, die Ansirömverhältnisse des Laufrades auch bei Teillast zu verbessern.

Die Aufgabe wird bei einer Radialturbine der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kenn-

grad verringert und das Ansprechverhalten des Turbo- 30 zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Der

in der Trennwand ausgebildete Verbindungskanal bewirkt, daß der zweite Spiralkana! sich nicht direkt zum Turbinenrad hin öffnet, so daß das ihn durchströmende Strömungsmedium erst nach Durchströmung des ersten Spiralkanals dem Turbinenrad zugeleitet werden kann.

Die Unteransprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Lehre des Hauptanspruchs; weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 4 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 5A eine Schnittsnsicht längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 5B eine Schnitt-Detailansicht durch einen Kehlabschnitt der Einlaufspirale,

F i g. 6 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Radialturbine,

Fig.7 einen Schnitt entlang der Linie XlII-XIIi der Fig. 6,

F i g. 8 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,

F i g. 9 eine vergrößerte Ansicht eines Teilschnitts des Verbindungskanals der F i g. 8,

Fig. 10 einen vergrößerten Detailschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einlaufspirale,

Fig. 11 eine graphische Darstellung zwischen dem Turbinenwirkungsgrad und der Ausbildung des Verbindungskanals und

Fig. 12 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Radialturbine.

E:ⁿ erstes Ausführungsbeispiel der vorliegender. Erfindung ist in F i g. 4 gezeigt. Ein Turbinengehäuse 5 weist eine Einlaufspirale 13 auf, die aus einem ersten Spiralkanal 13.4 und einem zweiten Spiralkanal 13B besteht. Der erste Spiralkanal 13.4 weist eine seitliche öff-

ladedrucks im niederen Drehzahlbereich verschlechtert sind.

Aus der DE-OS 20 44 026 ist eine Radialturbine bekannt, welche ein Turbinengehäuse aufweist, das das Turbinenrad umschließt und eine Einlaßöffnung aufweist, durch welche das Strömungsmittel in eine Einlaufspirale gelangt. Die Einlaufspirale weist in ihrem Inneren zwei Spiralkanäle auf, welche durch eine in Längsrichtung der Spirale verlaufende Wand voneinander getrennt sind. Nach Durchlauf durch die Einlaufspirale gelangt das Strömungsmittel auf das Turbinenrad und von dort aus in einen Auslaßkanal. Die beiden Spiralkanäle dieses Turbinengehäuses laufen zueinander parallel, sind jedoch durch die Wand vollständig voneinander getrennt. Im Bereich der Einlaßöffnungen der beiden parallel verlaufenden Kanäle ist eine Ventileinrichtung vorgesehen, mittels derer dor Eintritt des Strömungsmittels entweder in beide Kanäle freigegeben werden kann oder nur in einen Kanal erfolgen kann, da der andere Kanal durch die Ventileinrichtung verschlossen ist. Durch die Verteilung des Strömungsmittels entweder auf beide Spiralkanäle oder nur auf einen von diesen, soll die Turbine verschiedenen Betriebsbedingungen angepaßt werden. Dadurch soll eine optimale Ladecharakteristik auch bei niederen Drehzahlen erreicht werden. Ist die Stellung des Ventils im Einlaufteil zur Einlaufspirale so, daß beide Kanäle gleichmäßig durchströmt werden, so arbeitet die Turbine mit einem zufriedenstellenden Wirkungsgrad. Wird jedoch einer der beiden Kanäle durch die Ventileinrichtung verschlossen, um die Turbine mit einer optimalen Ladecharakteristik auch für niedrige Drehzahlen auszustatten, so weist die bekannte Turbine eine Reihe schwer wiegender Nachteile auf. Da beide Kanäle der Einlaufspirale zum Turbinenrad hin eine öffnung aufweisen, wird in dem stillgelegten Kanal, bedingt durch eine Rotationsströmung bzw. eine sich ausbildende Strömungswalze eine Strömung hervorgerufen, welche im starken Maße

nung 14 auf, die sich zum Einlaß \A der Turbinenradkammer hin öffnet. Der zweite Spiralkanal 135 erstreckt sich parallel zum ersten Spiralkanal 13Λ und ist gegenüber diesem durch eine Trennwand 55 getrennt, die sich in Längsrichtung der Einlaufspirale 13 erstreckt. Der zweite Spiralkanal 135 ist gegenüber dem Einlaß IA der Turbinenradkammer durch die Trennwand 55 abgetrennt. Die Trennwand SB ist mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Verbindungskanal 15 versehen, der eine Strömungsverbindung zwischen den Spiralkanälen 13/4 und MB herstellt. Die Trennwand 5B steht im wesentlichen senkrecht zur Achse des Turbinenrades 1, wie in Fig.4 gezeigt. Allerdings kann die Trennwand 55 auch leicht geneigt sein.

Wie in Fig.5A gezeigt, erstreckt sich der Verbindungskanal IS längs der Außenwand des Turbinengehäuses 5, das den Außenumfang der Einlaufspirale 13 bildet und hat eine Breite B, in radialer Richtung gemessen, die über im wesentlichen seine gesamte Länge konstant ist. Der Verbindungskanal 15 erstreckt sich in Längsrichtung von einem Kehl- oder Drosseiabschnitt 17 der Einlaufspirale 13, der zwischen einem Zungenabschnitt 16 und der Außenwand des Gehäuses 5 ausgebildet ist, zu einem engsten Abschnitt der Spirale 13, der an der Turbinenradseite des Zungenabschnitts 16 angeordnet ist Wenn es nicht möglich ist, den Verbindungskanal 15 durchgehend über die volle Länge auszubilden, wegen der grundsätzlichen Auslegung bzw. Dimensiionierung oder des Aufbaus des Turboladers, ist es ratsam, einen nicht durchgehenden Verbindungskanal 15 auszubilden und dessen Gesamtlänge so lang wie möglich zu machen, um den Energieverlust in Folge einer Unregelmäßigkeit in der Ausbildung des Strömungsmittelkanals auf ein Mindestmaß zu verringern.

Ein Ventil 18 ist in einer Abgasleitung 4 angeordnet, die mit dem Einlaß 13Cder Einlaufspirale 13 verbunden ist. Das Ventil 18 ist auf der Seite des zweiten Spiralkanals 135 angeordnet, um das Volumen des Strömungsmediums zu steuern, das durch diesen eintritt. Das Ventil 18 wird durch einen Steuermechanismus und einen Betätigungsmechanismus (nicht gezeigt) gesteuert und ist im Bereich niederer Motordrehzahl geschlossen.

Eine optimale Turboladecharakteristik kann dann erhalten werden, wenn der nachfolgenden Bedingung bezüglich der Breite B des Verbindungskanals 15 entsprochen ist:

B S

A_BT/R_b

A_A1/R, + A_B1'Ti_t

χ H.

Hierbei ist:

A at Die Fläche des ersten Spiralkanals 13Λ am Kehlabschnitt UA,

Abt die Fläche des zweiten Spiralkanals 135 am Kehlabschnitt 175,

Ra der Abschnitt zwischen der Mitte O des Turbinenrades und der Mitte der Ausbildung des Kehlabschnitts 17 A,

Rb der Abstand zwischen der Mitte O des Turbinenrades und der Mitte der Ausbildung des Kehlabschnitts 175,

H die Breite der Turbinenradschaufeln am Einlaßabschnitt XA der Turbinenradkammer.

Wenn dementsprechend die Breite B des Verbindungskanals 15 zum stromabwärts gelegenen Ende verjüngt werden muß, dann sollte die obenerwähnte Bedingung in Betracht gezogen werden, um den Energieverlust auf ein Mindestmaß zu verringern.

Bei der derart aufgebauten Einlaufspirale 13 treten die Strömungswalze 10 und die Umlaufströmung 11, die in Fig. 2A und 2B gezeigt sind, nicht mehr im zweiten Spiralkanal 135 auf, wenn diese vom Ventil 18 im Bereich mit niederer Motordrehzahl geschlossen ist. Wenn der zweite Spiralkanal 13B geschlossen ist, dann ist eine tote Strömungsmediumzone in diesem geschaffen, der ίο zweite Spiralkanal 13ZJ ist jedoch gegenüber dem ersten Spiralkanal 13/4 durch die Trennwand SB getrennt und hat keine öffnung, die dem Einlaß 1Λ für die Turbinenradkammer zugewandt ist. Deshalb unterliegt der zweite Spiralkanal 135 nicht dem unerwünschten Einfluß der Rotationsströmung, die rund um den Einlaß 1/4 der Turbinenradkammer vorliegt. Der zweite Spiraikana! 13ß ist über den Verbindungskanal offen, dieser ist allerdings nicht dem Einlaß 1/4 der Turbinenradkammer zugewandt Die Strömungsmediumströmung ist im Inneren des offenen ersten Spiraikanals 13/4 begrenzt, als wäre dort eine starre Wand, die von dem statischen Strömungsmedium an dem Verbindungskanal 15 gebildet ist.
Somit kann die Turbine eine vorteilhafte Turboladecharakteristik selbst im Bereich mit niederer Motordrehzahl, wie eine Turbine mit einem Spiralkanal mit nur einem einzigen Eingang liefern, die einen Einlauf bzw. eine Kehle mit einer kleinen Schnittfläche aufweist. Im Bereich mit niederer Motordrehzahl steigt deshalb der Turboladedruck in gewünschter Weise an.

Wenn der Turboladedruck ansteigt und einen bestimmten Wert erreicht, dann beginnt das Ventil 18, den zweiten Spiralkanal 135 durch die Wirkung des Steuermechanismus zu öffnen, der den Turboladedruck oder einen anderen, variablen Parameter benutzt. In jenem Zustand, in dem beide Spiralkanäle offen sind, strömt das Strömungsmedium durch beide Kanäle 13Λ und 135. Das Abgas, das in den zweiten Spiralkanal 135 eingeleitet wird, strömt in den ersten Spiralkanal 13/4 durch den Verbindungskanal 15 und strömt dann zum Turbinenrad 1, und zwar gemeinsam mit dem Abgas des ersten Spiralkanals 13/4.

Innerhalb der Einlaufspirale 13 ist die Strömungsmediumgeschwindigkeit an der äußersten Stelle am niedrigsten, in weicher der Verbindungskanai 15 angeordnet ist. Deshalb ist der Energieverlust, der durch das Strömungsmedium verursacht wird, das vom zweiten Spiralkanal 135 zum ersten Spiralkanal 13Λ durch den Verbindungskanal 15 strömt, auf einem Mindestwert gehalten.

Im Bereich mit hoher Motordrehzahl, in welchem das Abgas mit höheren Durchsätzen strömt, veranlaßt der Verbindungskanal 15 nahezu keinerlei Verringerung des Turbinenwirkungsgrades. Somit ist der Abgas-Energieverlust selbst bei hohen Motordrehzahlen sehr klein und der Motor-Rückstaudruck kann verringert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in F i g. 4 gezeigt, die Kontur der äußeren Umfangswandfläche der Einlaufspirale 13 zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralkanal 13/4 und 135 durchgehend. Die Schnittfläche des zweiten Spiralkanals 135 ist größer als jene des ersten Spiralkanals 13A

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den F i g. 6 und 7 gezeigt Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verbindungskanal 15 zur Herstellung einer Strömungsmediumverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Spiraikanal 13/4 und 135 zwischen zwei konzentrischen Kreisen begrenzt, deren gemeinsame Mitte auf

der Achse des Turbinenrades liegt, wie in Fig. 7 zu sehen ist.

Wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ist der Verbindungskanal 15 in der Trennwand SB des Turbinengehäuses 5 ausgebildet und unterteilt die Einlaufspirale 13 in den ersten und einen zweiten Kanal 13/4 und 13Ä Der Verbindungskanal 15 hat ein stromaufwärts gelegenes Ende, das nahe dem Zungenabschnitt 16 und stromabwärts von diesem angeordnet ist. sowie ein stromabwärts gelegenes Ende, das im engsten Kanalabschnitt angeordnet ist, der vom Zungenabschnitt 16 gebildet ist. Der Verbindungskanal 15 erstreckt sich in Längsrichtung zwischen dem stromaufwärts- und stromabwärts gelegenen Ende. Es ist vorteilhaft, einen vollständigen Kreis des Verbindungskanals 15 um die Mitte O des Turbinenrades 1 zu bilden, In diesem Beispiel erstreckt sich der Verbindungskanal 15 in Längsrichtung über einen Winkel, der nur wenig kleiner ist als 360°. Die radiale Breite ßdes Verbindungskanals 15 ist über dessen Länge hinweg gleichförmig. Die äußere und die innere Abgrenzung des Verbindungskanals 15 sind kreisförmig und zueinander konzentrisch, und die gemeinsame Mitte der konzentrischen äußeren und inneren Abgrenzung liegt auf der Achse der Turbinenwelle 2.

Der Verbindungskanal 15 erstreckt sich in Längsrichtung, so daß er einen gleichbleibenden Abstand gegenüber dem Einlaßabschnitt \A der Turbinenradkammer aufweist. Diese Ausbildung trägt dazu bei, die Gleichförmigkeit in den Strömungsmediumströmen beizubehalten, die von dem Strömungsmedium gebildet werden, das durch den zweiten Spiralkanal 135 eintritt und in den Turbinenradkammer-Einlaß 1/4 einströmt. Der derart ausgebildete Verbindungskanal 15 spart Energieverluste, die durch eine ungleichmäßige Strömungsmediumströmung verursacht werden.

Die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erwähnte Bedingung (1) sollte in Betracht gezogen werden, wenn man die Breite B des Verbindungskanals 15 bestimmt, wenn dieser eng ausgebildet ist oder sich verjüngt.

Wie in F i g. 7 gezeigt, ist in dem zweiten Spiraikanal 135 ein Drehventil 31 angeordnet.

Wenn der zweite Spiralkanal 13ß vom Ventil 31 verschlossen ist, dann ist in diesem eine tote Strömungsmediumzone gebildet. Der zweite Spiralkanal 13ß hat allerdings keinerlei öffnung, die sich zum Einlaß 1Λ der Turbinenradkammer hin öffnet. Deshalb können die Strömungswalze 10 und die Umlaufströmung 11, die in F i g. 2A und 2B gezeigt sind, in der toten Strömungsmediumzone im zweiten Spiralkanal 13Ä nicht gebildet werden.

Die Strömungsmediumbewegung in dem ersten Spiralkanal 13/4 ist ein freier Wirbel. Im freien Wirbel nimmt die Strömungsmediumgeschwindigkeit bei einem vorgegebenen Radius ab, wenn der Radius zunimmt. Das heißt, die Strömungsmediumgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zum Radius. Somit verbleibt Vx Rc konstant, wobei R_c der Radius an einem vorgegebenen Punkt des Spiralkanals ist, und V eine Strömungsmediumgeschwindigkeit am Radius R_c ist Deshalb ist der statische Druck in der Nähe des Einlasses \A der Turbinenradkammer kleiner und im äußeren Bereich nahe dem Außenumfang der Einlaufspirale höher.

Der Verbindungskanal 15 bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich längs einer Linie mit einem konstanten Radius R, so daß dort kein Druckunterschied in Folee eines Unterschieds im Radius auftritt. Deshalb strömt das Strömungsmedium im ersten Spiralkanal 13/4 nicht in den zweiten Spiralkanal 13ß, so daß das Strömungsmedium zum Turbinenrad 1 in einem gewünschten Strömungszustand strömt.
Bei einem mittleren Motordrehzahlbereich öffnet das Drehventil 31 nur teilweise den zweiten Spiralkanal 13fi In diesem Zustand strömt das Strömungsmedium durch den zweiten Spiralkanal 13ß zusätzlich zu der Hauptströmung mittels Strömung durch den ersten Spiralkanal 13Λ. Das Drehventil 31 öffnet den zweiten Spiralkanal 13ß durch Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn entsprechend der Ansicht in Fig. 7, so daß der zweite Spiralkanal 13ß von der Außenseite her geöffnet wird. Wegen einer solchen Anordnung des Drehventils 31 strömt das Strömungsmedium längs des Außenumfangs des zweiten Spiralkanals 13Ä Dann strömt das Strömungsmedium in den ersten Spiralkanal 13Λ, und zwar zuerst am stromabwärts gelegenen Ende des Verbindungskanals 15. Wenn der Öffnungsgrad des Drehventils 31 zunimmt, dann strömt das Strömungsmedium in den ersten Spiralkanal 13/4 auch durch einen weiteren Bereich des Verbindungskanals 15.

Wenn das Drehventil 31 voll offen ist, dann wird es dem Abgas ermöglicht, vom zweiten Spiralkanal 13ß durch den Verbindungskanal 15 über die volle Länge in den ersten Spiraikanal 13/4 zu strömen. Somit wird das gesamte Abgas wirksam dem Turbinenrad 1 zugeführt, so daß der Rückstau des Motors verringert und die Motorleistung verbessert wird.

Wie in F i g. 6 gezeigt, weist die Trennwand 5ß einen inneren Abschnitt SD auf, der an der Innenseite des Verbindungskanals 15 ausgebildet ist. Der Innenwandabschnitt SD ragt radial nach außen zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralkanal 13Λ und 13Z? vor. Ein Teil des Abgases im zweiten Spiralkanal 13ß verliert seine Geschwindigkeit durch die Wirkung der Reibung und bildet eine Nebenströmung, welche nahe dem Innenumfang des zweiten Spiralkanals 13ßzum Stillstand gelangt. Der Innenwandabschnitt 5D dient als eine Abschirmung oder eine Barriere, um eine solche Nebenströmung daran zu hindern, in den ersten Spiralkanal 13/4 durch den Spiralkanai 15 einzutreten. Der Innenwandabschnitt SD trägt somit zur Aufrechterhaltung und Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades bei.

Der Innenwandabschnitt 5D unterstützt ein glattes Zusammenströmen des Abgases, das durch den Verbindungskanal 15 in den ersten Spiralkanal 13Λ strömt, mit dem Hauptstrom, und versetzt hierbei den Strömungsmediumstrom, der gegen das Turbinenrad 1 gelenkt wird, in einen erwünschten Zustand.

Die Trennwand SB, die in F i g. 6 gezeigt ist, steht im wesentlichen senkrecht zur Achse des Turbinenrades 1. Die Trennwand SB kann allerdings auch leicht geneigt sein, um einen kleinen Winkel zu einer Ebene zu bilden, die senkrecht zur Achse des Turbinenrades 1 steht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig.8 bis 10 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorherigen Ausführungsbeispiel dahingehend, daß der Verbindungskanal 15 geneigt ist, wie im Schnitt der F i g. 8 zu sehen ist, geschnitten durch eine Ebene, die durch die Achse des Turbinenrades 1 verläuft. Im Schnitt der F i g. 8 ist der Verbindungskanal 15 durch zwei parallele Linien derart begrenzt, daß seine Breite B konstant ist. Der Verbindungskanal 15 ist von der Achse des Turbinenrades 1 an der Seite des ersten Spiralkanals weiter entfernt und näher an der Achse des Turbinenrades 1 an der Seite des zweiten Süiralkanals. In anderen Worten, der Verbin-

dungskanal 15 ist zwischen zwei konischen Flächen begrenzt, die dadurch erhalten werden, daß man zwei parallele, gerade Linien rund um die Achse des Turbinenrades 1 rotieren läßt, welche die beiden parallelen Linien an jeweiligen Stellen auf der Seite des zweiten Spiralkanals der Trennwand 5ß schneiden.

Der Verbindungskanal 15 hat eine äußere konische Grenzfläche mit einem Außenrand 15ß an der Seite des zweiten Spiralkanals, sowie eine innere konische Grenzfläche mit einem Innenrand 15/4 an der Seite des ersten Spiralkanals, wie in F i g. 9 gezeigt. Der Außenrand 15/4 an der Seite des ersten Spiralkanals überdeckt den Innenrand 15ß an der Seite des zweiten Spiralkanals. Das heißt, der Außenrand 15Λ und der Innenrand 15ß sind beide kreisförmig, wobei ihre Mitte jeweils auf der Achse des Turbinenrades 1 liegt, und der Radius des Außenrandes 15ß ist kleiner als der Radius des Randes 15A, und zwar um eine Länge L, wie in F i g. 9 gezeigt. Der Außenrand 15/4 und der Innenrand 15ß bilden jeweils an den Scheiteln spitze Winkel. Es können allerdings auch beide oder einer der Ränder 15Λ und 155 abgerundet sein, solange die Überdeckung mit der Länge L beibehalten ist.

Wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen wird es vorteilhaft, den Verbindungskanal 15 so lange wie möglich auszubilden, um eine gleichmäßige Strömungsmediumströmung rund um den Einlaß 1/4 der Turbinenradkammer zu erhalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das stromaufwärts gelegene Ende des Verbindungskanals 15 so nahe am Zungenabschnitt 16 angeordnet wie möglich, und das stromabwärts gelegene Ende ist im engsten Abschnitt der Einlaufspirale 13 angeordnet.

Es ist ein Drehventil 31 vorgesehen, das mit dem Ventil 31 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels übereinstimmt.

Die oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erwähnte Bedingungen (i) ist auch auf dieses Ausführungsbeispiei anwendbar.

Der statische Druck ist über die volle Länge des Verbindungskanals 15 konstant, weil der Schnitt zum Verbindungskanal 15, geschnitten durch eine Ebene senkrecht zur Achse des Turbinenrades 1, durch zwei konzentrische Kreise begrenzt ist, deren gemeinsame Mitte auf der Achse des Turbinenrades 1 liegt. Die öffnung mit einer solchen Ausbildung unterstützt die Aufrechterhaltung eines gewünschten Strömungsmediumströmungszustandes.

Fig. 10 zeigt die Ausbildung des Verbindungskanals 15 in vergrößertem Maßstab. Dabei liegt der Innenrand 15/4 auf der Seite des ersten Spiralkanals nicht auf einer Ebene der Oberfläche SD der Trennwand 5ß auf der Seite des ersten Spiralkanals, sondern ist um einen Abstand Cgegenüber der Ebene der Seitenwandfläche SD des ersten Spiralkanals zu diesem hin versetzt

Ein Bezugszeichen 30/4 bezeichnet eine imaginäre, äußere, konische Grenzfläche des Verbindungskanals 15. Die imaginäre Grenzfläche 3OA weist einen Außenrand 15ß' auf der Seite des zweiten Spiralkanals auf. Wenn der Verbindungskanal 15 die imaginäre äußere Grenzfläche 30/4 statt der äußeren Grenzfläche 30ß aufweist, dann gäbe es keine Überdeckung zwischen dem Innenrand 15/4 auf der Seite "des ersten Spiralkanals und dem Außenrand 15ß'auf der Seite des zweiten Spiralkanals. Eine Stellung A 1, die in F i g. 10 gezeigt ist, ist auf der Seite des ersten Spiralkanals der Trennwand 5ß bei einem Radius angeordnet, der gleich ist dem Radius des Außenrandes 15ß'auf der Seite des zweiten Spiralkanals. Eine Stelle A 2 ist auf der Seite des ersten Spiralkanals der Trennwand 5ß bei einem Radius angeordnet, der gleich ist dem Radius des Innenrandes \5A auf der Seite des ersten Spiralkanals. Eine Stelle B1 ist auf der Seite des zweiten Spiralkanals bei einem Radius angeordnet, der zwischen den Radien der Lagen A 1 und A 2 liegt. Ein statischer Druck Pa ι an der Stelle A 1 ist größer als ein statischer Druck Pb\ an der Stelle ß 1. Der statische Druck Pb\ ist größer als ein statischer Druck Pa 2 an der Stelle A 2.

Wenn nun der Verbindungskanal 15 keine Überdekkung hätte, dann würde eine Nebenströmung 40 gebildet, die sich von der Stelle A 1 zur Stelle ß 1 und dann von der Stelle ß 1 zur Stelle A 2 bewegen würde, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 10gezeigt ist. In diesem Fall würde das Strömungsmedium der Drehströmung bzw. Strömungswalze im ersten Spiralkanal 13/4 aus diesem in den zweiten Spiralkanal 13ß strömen, und statt dessen würde das Strömungsmedium der toten Strömungsmediumzone mit einer niedrigen Energie aus dem zweiten Spiralkanal 13ß zum ersten Spiralkanal 13/4 zurückströmen. Dies würde zu einem Energieverlust des Strömungsmediums führen.
Diese unerwünschte Tendenz zu einer Nebenströmung kann durch die Überdeckung des Verbindungskanals 15 oder durch eine Anordnung verhindert werden, bei welcher der Innenrand 15Λ auf der Seite des ersten Spiralkanals und der Außenrand 15ß auf der Seite des zweiten Spiralkanals des Verbindungskanals 15 mit glei-

chem Radius angeordnet sind (d. h., das Maß der Überdeckung ist Null). Selbst wenn das Strömungsmedium der rotierenden Strömung aus dem ersten Spiralkanal 13Λ in den zweiten Spiralkanal 13ß strömt, verhindert eine Seitenfläche SE der Trennwand 5ß auf der Seile des zweiten Spiralkanals die Strömungsmediumströmung aus dem zweiten Spiralkanal 13ßzum ersten Spiralkanal 13Λ. Somit wird der Energieverlust auf ein Mindestmaß verringert.
Fig. 11 zeigt Ergebnisse eines Experiments über die

Wirkung der Überdeckung. Die Abszisse drückt das Verhältnis L/B zwischen dem Maß der Überdeckung L und der Breite B des Verbindungskanals 15 aus. Die Ordinate drückt einen Turbinenwirkungsgrad im niederen Drehzahlbereich aus. Der Turbinenwirkungsgrad nimmt abrupt ab, wenn das Verhältnis L/B unter Null absinkt Das Verhältnis L/B ist Null, wenn das Maß der Überdeckung L Null ist. In jenem Fall, daß die Breite B und die Dicke der Trennwand konstant sind, nimmt die Neigung des Verbindungskanals 15 allmählich zum linken Ende der Abszisse ab.

Wie aus F j g. 11 klar hervorgeht, ist es von Vorzug, das Maß der Überdeckung Lgleich oder größer als Null auszubilden. Wenn aus irgendeinem Grund eine positive Überlappung oder eine Null-Überlappung nicht durchführbar ist, ist es wünschenswert, das Verhältnis L/B gleich oder größer als —0,25 auszubilden.

Im mittleren Motordrehzahlbereich öffnet das Ventil 31 teilweise den zweiten Spiralkanal 13ß. Zuerst wird dem Strömungsmedium im zweiten Spiralkanal 13ßgestattet, in den ersten Spiralkanal 13/4 durch den stromabwärts gelegenen Endabschnitt des Verbindungskanals 15 im engsten Teil der Einlaufspirale 13 zu strömen. Der Bereich des Verbindungskanals 15, durch welchen das Strömungsmedium aus dem zweiten Spiralkanal 13ß zum ersten Spiralkanal 13/4 strömen kann, erweitert sich allmählich vom stromabwärts gelegenen Ende zum stromaufwärts gelegenen Ende, und zwar in Übereinstimmung mit dem Öffnungsgrad des Ventils 31.

Im hohen Motordrehzahlbereich ist das Ventil 31 voll offen und das Strömungsmedium strömt wirksam aus dem zweiten Spiralkanal 13ß zum ersten Spiralkanal 13/4 durch die volle Länge des Verbindungskanals 15. Somit ist der Druck am Einlaß der Turbine, d. h. der Rückstaudruck des Motors, verringert und die Motor-Ausgangsleistung ist verbessert.

In dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt ein Niveauunterschied zwischen der Oberfläche 5Dder Trennwand 5ß auf der Seite des ersten Spiralkanals außerhalb des Verbindungskanals 15 und einer Seitenfläche 5C der Trennwand 5ß auf der Seite des ersten Spiralkanals innerhalb des Verbindungskanals 15 vor. Die Oberfläche 5C, die innerhalb des Verbindungskanals 15 liegt, ragt mit dem Abstand C von der Oberfläehe SD ab, die außerhalb des Verbindungskanals 15 liegt. Der Innenrand 15A der öffnung auf der Seite des ersten Spiralkanals liegt auf der Oberfläche 5C, die gegenüber der Oberfläche 5D vorspringt. In jenem Zustand, in welchem das Abgas sowohl in den zweiten Spiralkanal 136 als auch den ersten Spiralkanal 13,4 eingeleitet wird, verliert das Strömungsmedium Energie durch die Reibung mit der Wand des zweiten Spiralkanals 13ß, sammelt sich nahe dem Innenumfang des zweiten Spiralkanals 13ßan und bildet eine Nebenströmung. Diese Nebenströmung trachtet danach, sich unmittelbar zum Einlaß IA der Turbinenradkammer zu bewegen. Der Innenrand 15A auf der Seite des ersten Spiralkanals dient als eine Barriere oder ein Grenzschichtschirm, um eine solche Nebenströmung daran zu hindern, sich unmittelbar zum Einlaß IA der Turbinenradkammer zu bewegen. Außerdem unterstützt der Innenrand 15A eine glatte Vermischung zwischen dem Hauptstrom im ersten Spiralkanal 13A und dem Strom aus dem zweiten Spiralkanal zum ersten Spiralkanal hin durch den Verbindungskanal 15. Somit verbessert der Innenrand 15A auf der Seite des ersten Spiralkanals den Turbinenwirkungsgrad und liefert eine gewünschte Turbinenleistung über alle Betriebsbereiche hinweg, und zwar dadurch, daß der Strömungsmedium-Strömungszustand rund um den Einlaß IA der Turbinenradkammer verbessert wird.

Der Innenrand 15A auf der Seite des ersten Spiralkanals, der um den Abstand C gegenüber der Oberfläche 5D der Trennwand 55 außerhalb des Verbindungskanals 15 vorspringt, leitet das Strömungsmedium in einer Grenzschicht, die an der Wandfläche 5D gebildet ist, in den zweiten Spiralkanal 13ß. Hierdurch verhindert der Rand 15A noch weiter, daß die Nebenströmung im zweiten Spiralkanal 13ß unmittelbar in den Einlaß IA der Turbinenradkammer eingelassen wird.

Es ist erwünscht, den Verbindungskanal 15 bei einem Radius anzuordnen, der bewußt groß ist, um den Wirkungsgrad im mittleren und hohen Motordrehzahlbereich zu verbessern, in welchen das Abgas auch in den zweiten Spiralkanal 13S eingeleitet wird.

Die Trennwand 55, die in Fig. 8 und 10 gezeigt ist, steht senkrecht zur Achse des Turbinenrades 1. Allerdings kann die Trennwand 5ß auch bezüglich einer Ebene geneigt sein, die senkrecht zur Achse des Turbinenrades 1 steht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 12 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein dritter Spiralkanal 13D zusätzlich zum ersten Spiralkanal 13A und zum weiten Spiralkanal 13,5 gebildet. Eine Trennwand 5C des Turbinengehäuses 5 trennt den dritten Spiralkanal 13D gegenüber dem zweiten Spiralkanal 13ß. Ein Vcrbindungskanal 15' ist in der Trennwand 5C ausgebildet. Der Verbindungskanal 15' ist ähnlich dem Verbindungskanal 15 der Trennwand 5ß in der Radiallage, Längserstreckung und Querschnittsform. Ein Ventil ist an einem stromaufwärts gelegenen Teil des dritten Spiralkanals 13D wie auch beim zweiten Spiralkanal 13ß vorgesehen. Die Strömungsmediumströmung kann in noch weiterem Umfang gesteuert werden, in dem man die Ventile des zweiten Spiralkanals 13ß und des dritten Spiralkanals 13Dsteuert.

Für das Abgas kann ein Umgehungsventil im zweiten Spiralkanal 13ßoder im dritten Spiralkanal 13D vorgesehen werden. Mit diesem Ventil kann eine übermäßige Turbinendrehzahl verhindert werden.

Die Trennwände 5ß und SC können senkrecht zur Achse des Turbinenrades oder bezüglich einer Ebene senkrecht zur Achse eines Turbinenrades 1 geneigt sein.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radialturbine mit veränderbarer Leistung mit einem, ein Turbinenrad umgebenden, eine Einlaufspirale mit einer Einlaßöffnung und einen Auslaßkanal aufweisenden Turbinengehäuse, und mit zwei im Inneren der Spirale in deren Längsrichtung verlaufenden, durch eine Wand voneinander getrennten Spiralkanälen, wobei ein erster Spiralkanal eine radial nach innen zum Turbinenrad weisende öffnung aufweist, wobei der erste Spiralkanal gegenüber der Strömungsmediumquelle offen und der zweite Spiralkanal in seinem Einlaufbereich mit einem Steuerventil zum Steuern der Strömung des Strömungsmediums versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiralkanal (t33) ηυ<· durch einen ringsum in der Trennwand (5B) sich erstrekkenden, von der Auslaßöffnung (14) des ersten SpiraJkanals (13A) entfernt liegenden Verbindungskanal (15) mit dem ersten Spiralkanal (13A) und über diesen mit dem Turbinenrad (1) in Verbindung steht.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbindungskanal (15) etwa über einen Bereich von 360° längs des radial äußeren Bereichs der Trennwand (5B) erstreckt.

3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) des Verbindungskanals (15) im wesentlichen über dessen gesamte Länge hinweg konstant ist.

4. Radialturbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5B) im wesentlichen senkrecht zur Achse des Turbinenrades (1) steht.

5. Radialturbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (15) ein stromaufwärts und ein stromabwärts gelegenes Ende aufweist und sich zwischen den beiden Enden erstreckt, wobei das stromaufwärts gelegene Ende nahe einem Zungenabschnitt (16) des Turbinengehäuses (5) angeordnet ist, wobei sich der Zungenabschnitt (16) einwärts zum Umfang des Turbinenrades (1) hin erstreckt und einen Einlaufabschnitt (17) der Einlaufspirale (13) an seiner Außenseite mit der Außenwand des Turbinengehäuses (5) und einen engsten Abschnitt der Einlaufspirale (13) an seiner Innenseite bildet, und wobei das stromabwärts gelegene Ende des Verbindungskanals (15) am engsten Abschnitt der Einlaufspirale (13) angeordnet ist.

6. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (15) zwischen zwei koaxialen, zylindrischen Flächen begrenzt ist, deren gemeinsame Achse mit der Achse des Turbinenrades zusammenfällt (Fig. 6).

7. Radialturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang des zweiten Spiralkanals (13B) innerhalb der zylindrischen Fläche liegt, welche die innere Begrenzung des Verbindungskanals (15) bildet.

8. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (15), in einem Schnitt gesehen, der durch eine Ebene senkrecht zur Achse des Turbinenrades (1) herbeigeführt ist, zwischen zwei konzentrischen Kreisen angeordnet ist, deren gemeinsame Mitte auf der Achse des Turbinenrades liegt, und daß der Verbindungskanal, in einem Schnitt gesehen, der durch eine Ebene her-

beigeführt ist, die durch die Achse des Turbinenrades verläuft, zwischen zwei parallelen, geraden Linien begrenzt ist, welche bezüglich der Achse des Turbinenrades derart geneigt sind, daß der Verbindungskanal (15) von der Achse des Turbinenrades auf der Seite des ersten Spiralkanals (13AJ weiter entfernt ist als auf der Seite des zweiten Spiralkanals (13fi;(Fig.8).

9. Radialturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (15) konzentrisch einen kreisförmigen Innen- und Außenrand auf der Seite des ersten Spiralkanals (13A) und konzentrisch einen kreisförmigen Innen- und Außenrand auf der Seite des zweiten Spiralkanals (13B) aufweist, und daß der Radius des Innenrandes (15A) auf der Seite des ersten Spiralkanals (13A) gleich oder größer ist als der Radius des Außenrandes (15£J auf der Seite des zweiten Spiralkanals (13B).

10. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiralkana) in zwei Spiralkanäle (13B, 13D) unterteilt ist, und daß die zweite Trennwand mit einem zweiten Verbindungskanal (15') ausgebildet ist, der sich in Längsrichtung der Einlaufspirale (13) erstreckt.