DE4309636C2 - Radialdurchströmte Abgasturboladerturbine - Google Patents
Radialdurchströmte AbgasturboladerturbineInfo
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- F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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- F01D17/10—Final actuators
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-
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Description
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.
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.
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.
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.
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.
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 (8)
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.
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