DE4309636C2

DE4309636C2 - Radialdurchströmte Abgasturboladerturbine

Info

Publication number: DE4309636C2
Application number: DE4309636A
Authority: DE
Inventors: Jozef Baets; Marcel Zehnder
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2013-03-26
Also published as: DE4309636A1; CZ286599B6; GB2276424B; CZ67294A3; JPH06299860A; KR100289549B1; US5518365A; RU2125164C1; PL173354B1; GB9405081D0; KR940021905A; CN1034967C; GB2276424A; CN1094159A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine radialdurchströmte Abgasturbo laderturbine mit einer Reihe einzeln verstellbarer Leit schaufeln, welche über je eine in einem Gehäuse gelagerte Verstellwelle verdrehbar sind, wobei jede Verstellwelle über einen Schwenkhebel betätigt wird.

Stand der Technik

Derartige Turbinen sind beispielsweise bei Abgasturboladern hinlänglich bekannt. die Leitschaufelverstellung an der Tur bine eine mögliche Massnahme. Beispiele hierfür liefern die EP 226 444 B1 oder die EP 227 475 B1. Mit den verstellbaren Turbinenleitschaufeln soll für einen gegebenen Durchsatz ein grösseres Gefälle erzeugt werden. Dadurch erhöht sich die Turbinenleistung, die Turbinendrehzahl und schliesslich der Ladedruck. Damit die Verstellschaufeln während des "heissen" Betriebes nicht klemmen, müssen sie in der Regel mit ange messenem Spiel eingebaut werden. Besonders im zugedrehten Zustand kann sich die Spaltströmung am Kopf und am Fuss der Schaufeln sehr störend auf die Hauptströmung im Kanal aus wirken. Bei der Maschine nach EP 226 444 B1 wird dem abgeholfen, indem die Kanalwand des Gehäuses neben der verdreh baren Schaufel axial verschiebbar ausgebildet ist und wäh rend des Betriebes gegen die Verstellschaufeln gedrückt wird.

Die Schwenkhebel werden in der Regel, wie aus EP 226 444 B1 oder EP 227 475 B1 erkennbar, durch einen gemeinsamen Nuten ring angetrieben. Dieser Nutenring ist verdrehbar und muss deswegen gelagert sein. Ferner sind die Antriebswellen der Verstellschaufeln im Durchmesser kleiner bemessen als die Sehnen der Verstellschaufeln. Dies führt dazu, dass bei spielsweise anlässlich einer Schaufeldemontage der Schwenk hebel von der Verstellwelle getrennt werden muss.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei radial durch strömten Turbinen der eingangs genannten Art den Leitapparat mitsamt dem Verstellmachanismus auf wenig Einzelteile zu reduzieren.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Sehne S jeder Leitschaufel kleiner ist als der grösste Durchmesser der zugehörigen Verstellwelle und dass, in Axialrichtung betrachtet, das Schaufelprofil jeder Leitschaufel vollstän dig innerhalb der radial äusseren Kontur der zugehörigen Verstellwelle liegt.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass die Möglichkeit gegeben ist, eine Leitschaufel mit zugehöriger Verstellwelle und Schwenkhebel einstückig auszu bilden. Die so geschaffene Verstelleinheit kann als Ganzes in das Gehäuse eingeführt oder aus dem Gehäuse ausgeführt werden, ohne dass ein Zugang zum Gehäuseinneren vorhanden sein muss.

Es ist zweckmässig, wenn jede Verstelleinheit axial ver schiebbar ist und über Federmittel an die dem Kopfende der Leitschaufeln gegenüberliegende Kanalwand des Gehäuses andrückbar ist. Damit können Leitschaufelspiele am freien Kopfende vermieden werden.

Wenn jede Verstellwelle mit zwei axial benachbarten Lager stellen versehen ist, ist es angebracht, im Gehäuse zwischen den Lagerstellen einen mit Druckluft zu beaufschlagenden Ringraum vorzusehen. Damit kann einerseits die Verstellwelle gekühlt werden, anderereits kann ein Entweichen von Arbeits mittel aus dem durchströmten Kanal nach aussen durch die Lagerstellen verhindert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einstufigen Abgasturboladerturbine mit radialem Turbineneintritt dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine mittels Abgasturbolader auf geladene 4-Zylinder Brennkraftmaschine;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch die Turbine;

Fig. 3 eine Frontansicht auf den Verdrehmechanismus;

Fig. 4 die Detailansicht eines Schwenkhebels mit Verbindungslaschen;

Fig. 5 eine teilweise Ansicht des Verdrehmechanismus mit voll offenem Leitgitter;

Fig. 6 eine teilweise Ansicht des Verdrehmechanismus mit voll geschlossenem Leitgitter;

Fig. 7 einen teilweisen Schnitt durch die Lagerung einer Verstellwelle.

Fig. 8 einen Teilansicht eines Ausführungsvariante des Verstellmachanismus. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind in Fig. 1 bei spielsweise die Gehäuse mit Zu- und Ableitungen, der Rotor mitsamt Lagerung usw. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel sind mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine sei ein Dieselmotor 1. Die Auspuffgase der einzelnen Zylinder strömen in einen Abgassammelbehälter 2, in dem sich die Druckstösse ver gleichmässigen. Mit nahezu konstantem Druck gelangen die Abgase über die Abgasleitung 3 in die Turbine 4, die nach dem Stauverfahren arbeitet. Der von der Turbine angetriebene Verdichter 5 fördert die atmosphärisch angesaugte und kom primierte Luft über eine Ladeluftleitung 6 in einen Lade luftsammelbehälter 7, aus dem die Ladeluft in die einzelnen Zylinder gelangt. Die Turbine ist mit einem variablem Ersatzquerschnitt in Form von verstellbaren Leitschaufeln 18 (Fig. 2) versehen.

Die in Fig. 2 teilweise gezeigte Gasturbine hat eine radiale, aus einer Spirale erfolgende Zuströmung zur Beschaufelung und eine axiale Abströmung aus der Beschaufelung. Die den durchströmten Kanal 11 begrenzenden Wandungen stromaufwärts der Laufschaufeln 15 sind die innere linke und rechte Wan dung des Gehäuses 14. Im Bereich der Laufschaufeln 15 wird der Kanal 11 innen begrenzt durch die Nabe 12 des mit Lauf schaufeln bestückten Rotors 16 und aussen durch den annä hernd axial verlaufende Wandung des Gehäuses 14.

Die verstellbaren Leitschaufeln 18 sind mit ihrer jeweiligen Verstellwelle 19 vorzugsweise einteilig ausgeführt. Die Welle 19 ist im Gehäuse 14 gelagert in einer Bohrung 13, welche das Gehäuse 14 durchdringt. An ihrem aus der Bohrung herausragenden Ende ist die Welle mit einem Schwenkhebel 21 versehen. Dieser Hebel ist zusammen mit Verstellwelle 19 und Leitschaufel 18 einstückig ausgeführt, beispielsweise als Gussstück.

Zur Kühlung der Verstellwellen 19 ist deren Umspülung mit verdichteter Luft vorgesehen. Zur Bereitstellung der erfor derlichen Luft kann beispielsweise gemäss Fig. 1 stromabwärts des Verdichters eine Bypassleitung 8 mit einem darin ange ordneten Regelorgan 9 vorgesehen sein. Diese Bypassleitung 8 mündet in das Gehäuse der Gasturbine 4. Jede Verstellwelle 19 ist mit zwei axial benachbarten Lagerstellen versehen. Zwischen den Lagerstellen ist in den Lagerbohrungen 13 des Gehäuses ein Ringraum 17 angeordnet, in den die Druckluft eingeleitet wird. Unter Ausübung ihrer Kühl- und Sperrfunk tion umströmt die Druckluft die Lagerstellen der Verstell welle und gelangt über die Lagerspalte einerseits in den Gasstrom, andererseits in die Atmosphäre.

Wie aus Fig. 2 und insbesondere Fig. 4 erkennbar ist, ist die Sehne S jeder Leitschaufel 18 kleiner ist als der grös ste Durchmesser der zugehörigen Verstellwelle 19. In Axial richtung betrachtet, liegt das Schaufelprofil vollständig innerhalb der radial äusseren Kontur der zugehörigen Ver stellwelle. Damit kann die Einheit Schaufel/Verstellwelle als aus der Lagerbohrung demontiert werden.

Um Schaufelspiele am freien Kopfende der Leitschaufeln 18 zu vermeiden, ist jede Verstelleinheit innerhalb der Lagerboh rung axial verschiebbar ausgebildet. Wie aus Fig. 7 ersicht lich, sind die Verstellwellen 19 als Hohlwellen ausgeführt. Im Hohlraum liegen Federmittel, hier eine Schraubenfeder 22 ein. Diese Federmittel stützten sich an einem Ring 20 ab, der auf geignete Art am Gehäuse 14 befestigt ist. Die Leit schaufelspitze wird über diese Federmittel an die gegenüber liegende Kanalwand 23 des Gehäuses angedrückt.

Die eigentliche Verstellung der Leitschaufeln 18 im Gitter erfolgt über die Schwenkhebel 21. Je zwei banachbarte Schwenkhebel 21 sind über ein Verbindungselement gekoppelt, um die synchrone Schwenkbewegung der Hebel zu gewährleisten. In den Fig. 2 bis 6 handelt es sich dabei um flache Laschen 24 mit Stiften. Die Stifte greifen in entsprechende Bohrun gen in den Schenkhebeln ein. Sie bilden an ihrer Befesti gungsstelle mit dem Schwenkhebel 21 eine Drehachse 25. Damit alle Schwenkhebel die gleiche Winkelbewegung vollziehen, muss der Abstand A zwischen den Drehachsen 25 eines Verbin dungselementes dem Achsabstand B zwischen zwei benachbarten Verstellwellen 19 entsprechen.

Im Beispielsfall sind die Laschen zweiteilig ausgebildet. Die beiden Teile 24' und 24" sind an ihrer Verbindungsstelle mit einem dritten Drehgelenk 26 versehen sind. Derartige Verbindungselemente können Herstellungs- und Montageungenau igkeiten sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungen kompensie ren, wie dies in Fig. 4 verdeutlicht ist.

Die Winkelverstellung der Hebel erfolgt durch nicht darge stellte Betätigungsmittel, wie sie beispielsweise aus dem Verdichterbau bekannt sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann hierzu beispielsweise an einem verlängerten Verstellhebel 21a ein Kolben angreifen. Die Verstellung erfolgt vorzugs weise automatisch in Funktion der Betriebsparameter wie Ladedruck, Drehzahl usw.

In Fig. 5 ist eine teilweise Ansicht dargestellt, in welcher das Gitter in voll geöffneter Stellung gezeigt ist. Die nicht radiale Stellung der Schaufeleintrittskanten ist hier ohne Bedeutung, da das Gitter ohnehin aus einer Spirale her aus mit einem richtigen Zuströmwinkel beaufschlagt wird.

In Fig. 6 ist eine teilweise Ansicht dargestellt, in welcher das Gitter in voll geschlossener Stellung gezeigt ist, wel che der kleinsten zu fahrender Teillast entspricht.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher die Ver bindungselemente Kettenglieder 24b einer Rollenkette sind. Die das Kettengelenk bildenden Bolzen sind die Drehachsen 25 des Verbindungselementes und die Schwenkhebel 21b sind als Kettenrad ausgebildet.

Bezugszeichenliste

1

Dieselmotor

2

Abgassammelbehälter

3

Abgasleitung

4

Turbine

5

Verdichter

6

Ladeluftleitung

7

Ladeluftsammelbehälter

8

Bypassleitung

9

Regelorgan

11

Kanal

12

Nabe

13

Lagerbohrung

14

Gehäuse

15

Laufschaufel

16

Rotor

17

Ringraum

18

verstellbare Leitschaufel

19

Verstellwelle

20

Ring

21

,

21

b Schwenkhebel

21

a verlängerter Schwenkhebel

22

Federmittel

23

Kanalwand

24

,

24

',

24

" Verbindungselement, Lasche

24

b Verbindungselement, Kettenglied

25

Drehachse

26

Drehgelenk

Claims

1. Radialdurchströmte Abgasturboladerturbine mit einer Reihe einzeln verstellbarer Leitschaufeln (18), welche über je eine in einem Gehäuse (14) gelagerte Verstell welle (19) verdrehbar sind, wobei jede Verstellwelle (19) über einen Schwenkhebel (21) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehne (S) jeder Leitschaufel (18) kleiner ist als der grösste Durchmesser der zugehörigen Verstell welle (19) und dass, in Axialrichtung betrachtet, das Schaufelprofil jeder Leitschaufel (18) vollständig innerhalb der radial äusseren Kontur der zugehörigen Verstellwelle (19) liegt.

2. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Leitschaufel (18) mit zugehöriger Verstellwelle (19) und Schwenkhebel (21) eine Verstel leinheit bilden und einstückig ausgebildet sind.

3. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass jede Verstelleinheit axial verschiebbar ist und über Federmittel (22) an die Kanalwand (23) des Gehäuses (14) andrückbar ist.

4. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass jede Verstellwelle (19) mit zwei axial benachbarten Lagerstellen versehen ist, zwischen denen ein mit Druckluft beaufschlagter Ringraum (17) vorgese hen ist.

5. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass jeweils zwei banachbarte Schwenkhebel (21, 21b) mittels eines Verbindungselementes (24, 24b) gekoppelt sind, wobei die Verbindungselemente an ihrer Befestigungsstelle mit dem Schwenkhebel eine Drehachse (25) aufweisen, und wobei der Abstand (A) zwischen den Drehachsen (25) eines Verbindungselementes dem Achsab stand (B) zwischen zwei benachbarten Verstellwellen (19) entspricht.

6. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verbindungselemente flache Laschen (24) mit Stiften sind, wobei die Stifte in entspre chende Bohrungen in den Schenkhebeln eingreifen.

7. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Laschen zweiteilig (24', 24") ausge bildet und mit einem dritten Drehgelenk (26) versehen sind.

8. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verbindungselemente Kettenglieder (24b) einer Rollenkette sind, wobei die das Kettenge lenk bildenden Bolzen die Drehachsen (25) des Verbin dungselementes bilden und wobei die Schwenkhebel (21b) als Kettenrad ausgebildet sind.