DE3724385C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Radial-Turbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Abgasturbinen, die mit durch Festkörper verunreinigtem Abgas, wie dem Abgas schwerölbetriebener Brennkraftmaschinen betrieben werden, kommt es durch die feinen erosiv wirkenden Feststoff- Partikel, die aus Rost, Zunder, Cat-fines oder Sand bestehen, zur verstärkten Abnützung, insbesondere der Schaufeln und Düsenringe. Da die Feststoff-Partikel teilweise von den Schaufeln zurückgeschleudert werden, entsteht in den Zuströmkanälen stromauf des Laufrades eine regelrechte Anreicherung mit diesen Festkörpern, wodurch deren schädigende Wirkung noch verstärkt wird.

Bei Abgas-Radialturbinen ohne vorgeschalteten Düsenring ist es zur Beseitigung dieser Schäden aus dem Abstract der japanischen Patentanmeldung 60-1326 oder der DE-OS 35 32 168 bekannt, in der Außenwand des spiralförmigen Zuströmgehäuses Eintrittsöffnungen mit Abzugskanälen für Festkörper-Partikel anzuordnen. Für Abgas-Radialturbinen mit einem vorgeschalteten Düsenring ist diese Lösung nicht befriedigend, da hierdurch Festkörper-Partikel nur in begrenztem Umfang entnommen werden können. Gerade an den festen Schaufeln treten nach wie vor Schäden auf. Außerdem entstehen an den Eintrittsöffnungen in der Außenwand des Spiralgehäuses Verwirbelungen, die zum einen die Anreicherung des entlang der Außenwand strömenden Abgases mit Festkörper-Partikeln stören und zum anderen den Wirkungsgrad der Abgasturbine vermindern.

Aus der US-PS 33 80 711 ist eine Abgas-Radialturbine mit einem vorgeschalteten Düsenring bekannt, bei der ein separater in Strömungsrichtung des Abgases vor der Turbine liegender Partikelabscheider vorgesehen ist. Der Partikelabscheider ist in Form eines Leitungsrohres, das dem Turbinengehäuse vorangeht, ausgebildet. In dieser Leitungsröhre werden Partikel aus dem Abgas abgeschieden. Diese Lösung ist vergleichsweise aufwendig und aus oben genannten Gründen ebenfalls nicht befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit durch Festpartikel verunreinigten Gasen betriebene Radial-Turbine für einen Abgasturbolader mit vorgeschaltetem Düsenring so zu gestalten, daß bei geringem baulichen Aufwand und sehr geringen Wirkungsgradverlusten ein möglichst großer Teil der Partikel stromauf des Laufrades aus dem Abgasstrom entfernt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anwendung der Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Anordnung von Eintrittsöffnun9en der Abzugskanäle in dem Teil des Zuströmkanales, der die größte Umfangsgeschwindigkeitskomponente aufweist, wird die Trennwirkung der auf die Partikel wirkenden Zentrifugalkräfte ohne einen zusätzlichen Aufwand ausgenutzt, um auch feinste Partikel zu einem großen Teil abzusondern.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Radialturbine mit Düsenring,

Fig. 2 einen Querschnitt zur Fig. 1;

Fig. 3 eine Variante zur Fig. 1;

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht einer Einzelheit aus Fig. 3;

Fig. 5 eine Radialturbine mit Düsenring und nachgeschaltetem Diffusor.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist auf einer Welle 16 ein mit mehreren Schaufeln 17 bestücktes Laufrad 18 einer Radialturbine eines Abgasturboladers angeordnet. Die Welle 16 trägt an ihrem anderen, nicht dargestellten Ende ein Laufrad eines Ladeluftverdichters. Das Laufrad 18 ist von einem mit mehreren, gegenüber einer Radialen geneigten Schaufeln 19 versehenen Düsenring 20 umgeben. Zwischen der Innenkante der Schaufeln 19 und der Eintrittskante der Schaufeln 17 des Laufrades 18 erstreckt sich ein Ringraum 21, der in Richtung der Turbinenlängsachse in Strömungsrichtung nach vorn von einer Seitenwand 22, nach hinten von einer Seitenwand 23 begrenzt wird. Der Düsenring 20 ist von einem im Querschnitt spiralförmigen Zuströmgehäuse 24 umgeben, das am größten Querschnitt am Eintritt einen Flansch 25 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Abgassammelleitung einer mit Schweröl betreibbaren Brennkraftmaschine aufweist. Nahe dem engsten Querschnitt gegen Ende des spiralförmigen Zuströmgehäuses 24 sind in Höhe der Innenkante der Schaufeln 19 des Düsenrings 20 in der Wand 22 und in der Wand 23 Bohrungen 26 angebracht. Diese bilden auf der Seite des Ringraumes 21 Eintrittsöffnungen 27 von Abzugskanälen 28. Die Abzugskanäle 28 können von Einsatdüsen 31 begrenzt sein. Die Bohrungen können, wie in Fig. 1 mit Bezugszahl 26 dargestellt, achsparallel zur Längsachse der Turbine verlaufen oder auch - wie in Fig. 3 und 4 mit 126 angedeutet - mit einem Neigungswinkel in Umfangsrichtung. Die Abzugskanäle 28 werden zweckmäßigerweise stromab des Laufrades 18 über Durchtrittsöffnungen 32 in ein dort angeordnetes Abströmgehäuse 29 eingeleitet.

Die insbesondere bei Schwerölbetrieb in den Abgasen mitgeführten Partikel gelangen entlang der Innenwand des spiralförmigen Zuströmgehäuses 24 durch die Zwischenräume zwischen den Schaufeln 19 des Düsenrings 20 in den Ringraum 21. Durch die gegenüber einer Radialen geneigten Schaufeln 19 wird der Strömung eine starke Umfangskomponente erteilt, die dazu führt, daß sich im Ringraum 21 in Verbindung mit der Rotation des Laufrades 18 ein kreisförmiger Wirbel bildet. In diesem Wirbel tritt durch die Fliehkraft eine Trennung der Partikel vom Abgas ein. Die gegenüber dem Abgas schwereren Partikel werden nach außen bewegt und bilden nahe der Innenkante der Schaufeln 19 des Düsenrings 20 eine mit Partikeln stark angereicherte Schicht. Da die schräggestellten Schaufeln 19 sich in der radialen Projektion soweit überlappen, daß ein Austreten der Partikel zurück ins spiralförmige Zuströmgehäuse 24 unmöglich ist, tritt während des Betriebs des Abgasturboladers eine immer stärkere Anreicherung mit Partikeln im Ringraum 21 auf. Durch die Eintrittsöffnungen 27 der Abzugskanäle 28 wird nun kontinuierlich eine geringe Teilmenge des Gesamtabgasstromes gezielt im Bereich der stärksten Anreicherung mit Partikeln aufgenommen und als Bypass um das Laufrad herumgeführt. Dadurch vermindert sich die Konzentration der Partikel im Ringraum 21 und ihre schädigende Wirkung an den Innenkanten der Schaufeln 19 des Düsenrings 20 sowie am Laufrad 18 wird erheblich gemindert. Die Eintrittsöffnungen 27 der Abzugskanäle 28 können, wie in Fig. 1 gezeigt, in beiden den Ringraum 21 begrenzenden Wänden 22 und 23 angeordnet sein. Alternativ dazu ist auch eine Eintrittsöffnung 27 in nur einer der beiden Wände 22, 23 denkbar, insbesondere wenn die Gestaltung des spiralförmigen Zuströmgehäuses 24 dem Abgasstrom zusätzlich eine Komponente in axialer Richtung erteilt, die im Ringraum 21 eine besondere Anreicherung mit Partikeln vor einer der beiden Wände 22, 23 erwarten läßt.

Bei einer in Fig. 5 dargestellten Variante zur Fig. 1 ist dem Laufrad 18′ im Abströmgehäuse 29′ ein Diffusor 30 nachgeschaltet. Die im Ringraum 21′ zwischen den Schaufeln 17′ des Laufrades 18′ und den Innenkanten der Schaufeln 19′ des Düsenrings 20′ mit den Eintrittsöffnungen 27′ der Bohrungen 26′ beginnenden Abzugskanäle 28′ münden über Durchtrittsöffnungen 32 auf der Eintrittsseite des Diffusors 30 ein. Die Einmündung in den Diffusor 30 erfolgt dabei in vorteilhafter Weise tangential in Drehrichtung des Laufrades. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Bypass-Stromes im Diffusor zum Teil nutzbringend zur Erhöhung des Turbinengefälles verzögert.

Im Bypass-Weg zwischen Düsenring 20 und Abströmgehäuse 29 ist vorteilhaft eine Vorrichtung angeordnet, mittels derer der Bypass-Weg bei bestimmten Betriebsbedingungen verschließbar ist. Da bei Teillast oder bei Verwendung einer besseren Treibstoffqualität die Schadwirkung durch Fest-Partikel aufgrund deren geringerer Geschwindigkeit oder geringerer Anzahl weit geringer als bei Vollast oder bei Verwendung einer minderen Treibstoffqualität ist, kann der Bypass-Weg in den erstgenannten Fällen ohne das Risiko einer Schädigung der Turbine verschlossen werden. Bei Teillastbetrieb bedeutet ein Verzicht auf eine Bypass-Menge gleichzeitig eine erhöhte Turbinenleistung und somit einen höheren Ladedruck. Das Öffnen und Schließen kann selbsttätig in Abhängigkeit von einem bestimmten Betriebswert, wie beispielsweise dem Ladedruck, erfolgen.

Zur genauen Dosierung der Bypass-Menge ist es vorteilhaft, die Abzugskanäle 28 mit in bezug auf ihren Durchmesser verschiedenen, auswechselbaren Einsatzkörpern 31 zu versehen.

Die in allen vorstehenden Ausführungsbeispielen und Varianten durch die als Düsen ausgebildete Eintrittsöffnungen abgenommene und durch die Abzugskanäle am Laufrad vorbeigeführte Abgasmenge bewegt sich vorteilhafterweise in der Größenordnung von 0,5% bis 2% der Gesamtabgasmenge. Dadurch werden Wirkungsgradverluste der Turbine sehr gering gehalten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind alle von der an Feststoffpartikel reichen Bypass-Menge durchströmten Teile, insbesondere die Eintrittsöffnungen, Einsatzkörper und Abzugskanäle aus einem verschleißfesten Material hergestellt oder mit einem solchen beschichtet.

Claims (6)

1. Radial-Turbine für einen Abgasturbolader einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem spiralförmigen Zuströmgehäuse (24) in dessen Bereich Eintrittsöffnungen in eine Einrichtung zum kontinuierlichen Abführen von Festkörperpartikeln mit einem Teilstrom des Abgases, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem spiralförmigen Zuströmgehäuse (24) und dem mit mehreren Schaufeln (17) bestückten Laufrad (18) ein Düsenring (20, 20′) mit Schaufel (19) vorgesehen ist, dem sich ein Ringraum (21) mit diesen in axialer Richtung begrenzenden Seitenwänden (22/23) anschließt und die Eintrittsöffnungen (27) für die Festkörperpartikel im Bereich der stromabseitigen Innenkante der Schaufeln (19) in Nähe des engsten Querschnitts des spiralförmigen Zuströmgehäuses (24) in mindestens einer der Seitenwände (22/23) vorgesehen sind.

2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abzugskanäle (28, 28′) für den abgeleiteten Teilstrom des Gases stromab des Laufrades (18, 18′) in ein Abströmgehäuse (29, 29′) einmünden.

3. Abgasturbine nach Anspruch 2 mit einem ihrem Laufrad (18′) nachgeschalteten Diffusor (30), dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugskanäle (28′) nahe der Eintrittsebene eines einen Diffusor (30) bildenden Teils des Abströmgehäuses (29′) tangential in Drehrichtung des Laufrades (18′) in diesen einmünden.

4. Abgasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abzugskanäle (28, 28′) und Eintrittsöffnungen (27, 27′) so bemessen sind, daß etwa 0,5% bis 2% des Gesamtabgasstromes abgeleitet werden.

5. Abgasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (27′) von austauschbaren Einsatzdüsen (31) gebildet sind.

6. Abgasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (27) und die anderen den abgeleiteten Teilstrom des Gases führenden Teile der Abzugskanäle (28) aus verschleißfestem Material gefertigt sind.