DE3831687C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialturbine mit im Strömungsquerschnitt veränderbarem Spiralgehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der EP 00 81 255 A1 als bekannt hervorgeht.

In der EP 00 81 255 A1 ist ein Abgasturbolader aufgezeigt, in dessen Turbinengehäuse ein mit einem Regelkolben gekoppelter, axial - in Richtung der Laufradachse - verstellbarer Spiralkörper zur Änderung der Querschnittsfläche des Spiralkanals angeordnet ist. Der eine seitliche Strömungswand des Spiralkanals beinhaltende Spiralkörper hat im wesentlichen die gleiche Querschnittsausbildung wie der Spiralkanal. Durch stufenlose Anpassung des Strömungsquerschnitts des Spiralkanals an die jeweils angebotene Abgasmenge der Brennkraftmaschine wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms für eine optimale Leistung der Abgasturbine entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepaßt. An diesem Stand der Technik wird als nachteilig empfunden, daß die den Spiralkanal auf seinem inneren und äußeren Umfang begrenzenden Wandungen des Spiralgehäuses mit parallel zueinander verlaufenden Flächen ausgebildet sein müssen, damit der Spiralkörper überhaupt in der angegebenen Weise stufenlos axial verschieblich ist. Eine solche Querschnittsausbildung ist jedoch hinsichtlich des Wirkungsgrades aufgrund länglicher, im wesentlichen rechteckiger Strömungsräume mit üblicherweise über dem Umfang der Spirale konstanter Breite wegen starker Strömungsumlenkungen mit daraus resultierenden Sekundärströmungen und erhöhter Wandreibung durch große Wandflächen ungünstig. Besonders ungünstig wird das Höhen-Breiten-Verhältnis des Strömungsraums zum Spiralende hin, und insbesondere bei großen Abgasturboladern mit zunehmenden Spiralengrößen. Nachteilig ist ferner, daß die Dichtungen in den Gleitflächen des Regelkolbens anzuordnen sind, was infolge Reibungseinflüssen eine ungenaue Einstellung des Regelkolbens und damit des Spiralkörpers bewirkt.

Bei der Einrichtung nach der DE-PS 10 34 192 ist ebenfalls der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals durch eine verschiebbare seitliche Wand stufenlos veränderbar. Außerdem ist hier darüber hinaus auch der Strömungskanal im Bereich eines Stators, des Laufrads und des anschließenden Strömungsraums durch axiale Verschiebbarkeit der Seitenwände und einer an das Laufrad anschließenden Steuerscheibe veränderbar. Wie schon vorgehend beschrieben, kann die Ausbildung des Spiralkanals aufgrund der Verschiebbarkeit einer Seitenwand des Spiralkanals nicht beliebig sein. So ist auch hier die den Spiralkanal auf seinem äußeren Umfang begrenzende Wandung mit einer ebenen Zylinderfläche auszubilden, da an ihr der äußere Rand der verschiebbaren seitlichen Strömungswand entlanggleitet. Als Nachteil ergibt sich somit ebenfalls, daß der Spiralkanal wegen der zylindrischen Ausbildung auf dem Außenumfang einen Querschnitt besitzt, der hinsichtlich des Wirkungsgrads nicht optimal ist. Das Höhen-Breiten-Verhältnis des Strömungsraums kann nicht, wenn nur eine Seitenwand verschiebbar ist, bei Vollast und bei Teillast gleichermaßen optimal sein. Wenn der Strömungsraum derart ausgebildet ist, daß das Höhen-Breiten-Verhältnis bei Vollast günstig ist, ergibt sich bei Verschieben einer Seitenwand für den anderen Lastzustand ein ungünstiges Höhen-Breiten-Verhältnis und eine ungleiche Änderung der Flächenverhältnisse am Anfang und am Ende der Spirale mit ungünstiger Beeinflussung des statischen Drucks im Spiralraum und der Strömungsverhältnisse. Insbesondere ergibt sich auch eine ungleiche Druckverteilung über dem Umfang. Zur Vermeidung von Schaufelschwingungen ist jedoch ein wichtiges Auslegungskriterium für Turbinenspiralen konstanter und gleicher statischer Druck im gesamten Spiralraum. Dies wird aber nur erreicht durch einen geeigneten Flächenverlauf über dem Umfang, der sich mit der vorliegenden Einrichtung nicht für alle Lastzustände herstellen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Verstellung des Strömungsquerschnitts des Spiralkanals einer Radialturbine aufzuzeigen, die für zwei Leistungsbereiche hinsichtlich des Wirkungsgrads optimal ausgelegt ist, mit dem Vorteil einer besonders einfachen Regelmöglichkeit, der Möglichkeit zur leichtgängigen Führung des Stellglieds, sowie eines geringen axialen Bauraumbedarfs der Turbine.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Ausbildung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Aufgrund der Beschränkung auf nur zwei mögliche Verschiebestellungen des verschiebbaren Spiralgehäuses besteht keine Beschränkung hinsichtlich der Formgebung für die Spiralgehäuse. Somit ist aber eine strömungsoptimale Ausbildung der Spiralkanäle mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt möglich. Zwar sind dann nur zwei Betriebspunkte mit optimaler Turbinenleistung möglich. Jedoch ist hier der Wirkungsgrad jeweils optimal, was vorteilhafter sein kann, als eine Vielzahl von einstellbaren Strömungsquerschnitten mit ungünstigen verlustbehafteten Strömungsverhältnissen. Vorteilhaft ist weiter auch, daß aufgrund der Einschränkung auf nur zwei mögliche Verschiebestellungen die Abdichtung der durch die Spiralgehäuse gebildeten Strömungsräume mittels axial wirkender Dichtflächen vorgenommen werden kann, die zugleich als Anschläge zur Begrenzung der Verschiebebewegung dienen. Dadurch lassen sich die Gleitflächen an der Führung des verstellbaren Spiralgehäuses dichtungsfrei und damit leichtgängig ausbilden. Von Vorteil ist auch, daß die Regeleinrichtung bei nur zwei verschiebbaren Verschiebestellungen sehr einfach gestaltet werden kann. Von Vorteil ist ferner der geringe Bauraumbedarf, da die Verschiebebewegungen des verstellbaren Spiralgehäuses zwischen den zwei Schaltstellungen gering sind. Der dem Verstellweg entsprechende Spalt zwischen dem freien Rand des verstellbaren Spiralgehäuses und dem äußeren Spiralgehäuse muß gerade so groß sein, daß das zwischen äußerem und innerem Spiralgehäuse zuströmende Abgas ungehindert zum Laufradeintritt gelangt. Entsprechend ist der Stellweg abhängig vom Flächenverhältnis der beiden durch die Spiralgehäuse gebildeten Spiralkanalquerschnitte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Turbine eines Abgasturboladers mit bei Teillast eingenommener Stellung des verschiebbaren Spiralgehäuses,

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende fragmentarische Querschnittsansicht durch die Turbine eines Turboladers im Bereich der Spiralkanäle mit bei Vollast eingenommener Stellung des verschiebbaren Spiralgehäuses,

Fig. 3 eine Schnittansicht der Turbine entlang der in der Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie III-III.

Von einem Abgasturbolader ist in Fig. 1 in einem Längsschnitt die Turbine 1, mit einem Teil des Lagergehäuses 2, dem darin gelagerten Laufrad 3 sowie dem an das Lagergehäuse angebauten Turbinengehäuse dargestellt. Das Turbinengehäuse ist mit einem ersten äußeren feststehenden Spiralgehäuse 4 ausgebildet, das einen Spiralkanal formt. Im Bereich des Strömungsauslasses des Turbinengehäuses ist die axiale Führung eines zweiten inneren Spiralgehäuses 5 angeordnet. Das axial verschiebbare Spiralgehäuse 5 erstreckt sich im Strömungsquerschnitt des ersten Spiralgehäuses 4. Die Führung erfolgt an einem Führungsflansch 8, mit dem das Spiralgehäuse 5 im Bereich eines Randes verbunden ist. Der Führungsflansch 8 erstreckt sich in einen Ringraum 12 des Turbinengehäuses, der über eine Bohrung 13, eine Leitung 16 und ein Ventil 9 mit dem nicht dargestellten Verdichter des Abgasturboladers verbunden ist. Parallel zum Ventil 9 ist ein Drosselventil 11 angeordnet. Am Umfang des Führungsflansches 8 sind mehrere Druckfedern 10 angeordnet, die in von Hülsen 14 gebildeten Hohlräumen liegen. Die Druckfedern 10 wirken in axialer Richtung. Die Hülsen 14 können als Hülsenfedern ausgebildet sein, die die Aufgabe haben, das innere Spiralgehäuse 5 gegenüber dem äußeren Spiralgehäuse 4 zu zentrieren und tangentiale Kräfte und Beschleunigungen aufzunehmen. Vom Ringraum 12 führt eine Drosselbohrung 15 zum Strömungsauslaß des Turbinengehäuses. Durch die Drosselbohrung 15 und das Drosselventil 11 wird, auch bei geschlossenem Ventil 9, ein ständiger Ladeluftstrom zur Kühlung der im Bereich des Ringraums 12 angeordneten Federn aufrechterhalten.

In Fig. 2 ist das verstellbare Spiralgehäuse 5 in zurückgezogener Stellung dargestellt. Zwischen dem freien Rand des Spiralgehäuses 5 und der Innenwand des Spiralgehäuses 4 besteht ein Spalt, über den das zwischen den Spiralgehäusen 4, 5 strömende Abgas zum Abgaseintritt am Laufrad gelangt. Dabei ist durch das Ventil 9 die mit dem Verdichter verbundene Leitung 16 abgesperrt. Die Abdichtung der Spiralenräume erfolgt an Dichtflächen 18 und 19, die zugleich als Anschlag wirken. In der Stellung des Spiralgehäuses 5 nach Fig. 1 dient die Anlagefläche des freien Randes im Spiralgehäuse 4 als Dichtfläche 20. Die Abdichtung der Führungsflächen des Führungsflanschs 8 erfolgt, da die Dichtflächen 18, 19 nunmehr wirkungslos sind, aber das Ventil 9 geöffnet ist, durch Ladeluft, die ins Turbinengehäuse strömt, weil die Ladeluft einen höheren Druck als das Abgas aufweist.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Turbine 1 entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie III-III. Es ist die Anordnung des inneren Spiralgehäuses 5 im äußeren Spiralgehäuse 4 dargestellt.

Bei wechselndem Abgasangebot, wie es bei Abgasturboladern von Kraftfahrzeugmotoren auftritt, sollen durch veränderbare Spiralkanalquerschnitte günstige Beaufschlagungsgeschwindigkeiten für die Turbinenschaufeln aufrechterhalten werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung mit einem axial verstellbaren Spiralgehäuse 5 für zwei Regelstellungen ergeben sich bei Vollast und einem Teillastbetriebspunkt optimale Turbinenwirkungsgrade, da die Form der Spiralgehäuse 4, 5 beliebig, also auch strömungsgünstig kreisförmig gewählt werden kann. Bei Teillast liegt der freie Rand des inneren Spiralgehäuses 5 am äußeren Spiralgehäuse 4 an der Dichtfläche 20 an. Das gesamte vom Motor angebotene Abgas gelangt daher über den Strömungsquerschnitt des inneren Spiralgehäuses 5 zum Abgaseintritt am Laufrad 3. Das zwischen den Spiralgehäusen 4 und 5 einströmende Abgas staut sich auf, da kein Abfluß vorhanden ist. Die Verstellung des Spiralgehäuses 5 in seine Teillastposition erfolgt durch Öffnen des Ventils 9, so daß der Ringraum 12 und damit die radialen Flächen des Führungsflansches 8 mit dem Ladeluftdruck beaufschlagt sind. Dem Ladeluftdruck entgegen wirkt der am inneren Spiralgehäuse 5 angreifende Abgasdruck. Da der Abgasdruck im gesamten Betriebsbereich jedoch kleiner als der Ladeluftdruck ist, erfolgt die Verstellung des Spiralgehäuses 5 in die in Fig. 1 gezeichnete Position. Um möglichst hohe Verschiebekräfte zu erreichen, kann der Staudruck der Ladeluft entnommen werden. Die axialen Druckfedern 10 wirken gleichgerichtet mit dem Ladeluftdruck. Sie unterstützen deshalb die Stellbewegung und sorgen für hohe Anlagekräfte des Spiralgehäuserandes am äußeren Spiralgehäuse 4 auch bei Druckschwankungen. Die Steifigkeit der Druckfedern ist so bemessen, daß bei durch das Ventil 9 abgesperrter Leitung 16 der Abgasdruck eine Verschiebung des inneren Spiralgehäuses 5 in Vollaststellung entsprechend Fig. 2 bewirkt. In dieser Stellung gelangt das aus dem äußeren Spiralgehäuse zuströmende Abgas über den Spalt zwischen dem freien Rand des inneren Spiralgehäuses 5 und den Wandungen des Spiralgehäuses 4 und vom Spiralgehäuse 5 aufgenommenes Abgas zum Abgaseintritt am Laufrad 3. Die Einstellung der Spiralgehäuselage erfolgt in einfacher Weise durch Betätigung des Ventils 9. Das Ventil 9 wird beispielsweise in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck oder anderen Motorbetriebskennwerten geschaltet.

Der axiale Bauraumbedarf der Verstellturbine ist niedrig, weil nur geringe Verschiebebewegungen des Spiralgehäuses genügen, damit ein ausreichender Spalt für ungehinderten Zutritt von Abgas aus dem Spiralgehäuse 4 entsteht. Der Verstellweg ist abhängig vom Flächenverhältnis der durch die Spiralgehäuse 4, 5 umfaßten Strömungskanäle.

Bei der Optimierung des Spiralenverlaufs kann in vorteilhafter Weise berücksichtigt werden, daß sich eine Verlagerung des Strömungsflächenschwerpunkts nach innen ergibt bei der Schaltung von Vollast auf Teillast.

Zur Gewichtseinsparung kann das innere Spiralgehäuse, da das innere Spiralgehäuse im Gegensatz zum äußeren Spiralgehäuse nur geringen Kräften ausgesetzt ist, zum Teil mit einem Formblech ausgeführt werden. Die in Formblech ausgeführte Spiralgehäusehälfte wird mit der die Führung beinhaltenden Spiralgehäusehälfte durch Schweißen verbunden. Es wird dadurch insbesondere auch die Fertigung durch Einsparung eines aufwendigen Spiralenkerns vereinfacht und verbilligt.

Claims (7)

1. Radialturbine mit im Strömungsquerschnitt durch axial - in Richtung der Laufradachse - verschiebbare Wandteile veränderbarem Spiralgehäuse, wobei die Wandteile mit einer axialen Führung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbaren Wandteile die Form eines im Strömungsquerschnitt und im Außenumfang gegenüber einem ersten, feststehend angeordneten Spiralgehäuse (4) kleineren, verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) besitzen, das sich im Strömungsraum des ersten Spiralgehäuses (4) erstreckt und auf einer Seite mit der Führung verbunden ist, und daß eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts entsprechend dem Strömungsquerschnitt des zweiten verschiebbaren Spiralgehäuses (5) erfolgt, wenn das zweite verschiebbare Spiralgehäuse (5) unter Anlage seines der geführten Seite gegenüberliegenden - freien - Randes an der Seitenpartie des ersten Spiralgehäuses (4) über dem Strömungseintritt zum Laufrad (3) liegt, und daß eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts erfolgt, wenn der freie Rand des verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) von seiner Anlage im ersten Spiralgehäuse (4), frei in der Strömung endend, zurückgezogen ist.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das axial verschiebbare zweite Spiralgehäuse (5) mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.

3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der durch die Spiralgehäuse (4, 5) gebildeten Strömungsräume an die Axialbewegung des verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) begrenzenden Dichtflächen (18, 19, 20) erfolgt.

4. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialturbine als Abgasturbine eines Abgasturboladers ausgebildet ist, und eine Fläche der Führung des verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) mit dem Ladeluftdruck beaufschlagt ist, der dem am zweiten verschiebbaren Spiralgehäuse (5) wirkenden Abgasdruck entgegengerichtet ist, und daß die Beaufschlagung durch den Ladeluftdruck abhängig vom Abgasangebot der Brennkraftmaschine mittels eines Ventils (9) aufhebbar ist.

5. Radialturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am verschiebbaren zweiten Spiralgehäuse (5) entgegengerichtet zum Abgasdruck Druckfedern (10) wirken.

6. Radialturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Räumen, in denen die Druckfedern (10) angeordnet sind, ein Kühlluftstrom geführt wird.

7. Radialturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlluft Ladeluft dient, die über ein Drosselventil (11) zu den Räumen der Druckfedern (10) gelangt.