DE60030894T2

DE60030894T2 - Turbokompressor mit axial verschiebbaren schaufeln wobei die geometrie in längsrichtung unterschiedlich ist

Info

Publication number: DE60030894T2
Application number: DE60030894T
Authority: DE
Inventors: AlliedSignal Turbo SA Alain Rene LOMBARD; AlliedSignal Turbo SA Jean-Luc Hubert PERRIN
Original assignee: Honeywell Garrett SA
Current assignee: Garrett Motion France SAS
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: KR100643093B1; EP1301689B1; CN1289791C; CN1454284A; EP1301689A1; AU2000267060A1; US7097432B1; JP2004504524A; KR20030029785A; DE60030894D1; WO2002006636A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein hin auf Turbokompressoren mit variabler Geometrie. Insbesondere wird ein Turbokompressor mit einem Turbineneinlass mit variablem Rohr mit verschiebbaren Schaufeln bereitgestellt, wobei die Schaufeln durch ein Hitzeschild aus aufgehängtem, geschlitzten Blech in das Turbinengehäuse treten und die Schaufeln eine Form mit Absatz aufweisen, um ein hermetisches Abschließen gegen die Fläche des Hitzeschildes zu gewährleisten.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Die leistungsfähigen Turbokompressoren verwenden Systeme mit variabler Geometrie für die Turbinen-Rohreintritte, um die Leistung und den aerodynamischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Systeme mit variabler Geometrie für Turbokompressoren sind typischerweise vom Typ mit drehbaren Schaufeln und mit Kolben gewesen. Der im amerikanischen Patent mit der Nummer 5.947.681, das betitelt ist mit PRESSURE BALANCED DUAL AXLE VARIABLE NOZZLE TURBOCHARGER, beispielhaft angegebene Typ mit drehbaren Schaufeln stellt eine Vielzahl von in dem Einlassrohr der Turbine angeordneten individuellen Schaufeln bereit, die sich drehen können, um den lichten Raum des Rohres und das Strömungsvolumen zu reduzieren oder zu erhöhen. Der Typ mit Kolben, der beispielhaft in den amerikanischen Patenten mit den Nummern 5.214.920 et 5.231.831, die beide betitelt sind mit TURBOCHARGER APPARATUS, und das amerikanische Patent mit der Nummer 5.441.383, das betitelt ist mit VARIABLE EXHAUST DRIVEN TURBOCHARGERS, verwendet einen Kolben oder eine zylindrische Wand, die in zur Drehachse der Turbine konzentrischer Weise verschiebbar ist, um den lichten Raum des Einlassrohres zu reduzieren. Das Patent EP 0.571.205 , das betitelt ist mit VARIABLE EXHAUST DRIVEN TURBOCHARGERS, sieht ein ringförmiges Rohr vor, das zwischen einem mit Schlitzen versehenen Hitzeschild gebildet ist, um die Schaufeln aufzunehmen, die von einer im Austrittsmantel axial verschiebbaren Muffe getragen werden. In der Vielzahl von Fällen schließt der Turbokompressor mit variabler Geometrie des Typs mit Kolben Schaufeln mit einem in Bezug auf den Luftstrom festen Anstellwinkel ein, die entweder an dem Kolben oder an einer festen Rohrwand gegenüber dem Kolben montiert sind, und die während der Bewegung des Kolbens in Schlitze in der gegenüberliegenden Fläche eindringen. Die WO 01/53679, die betitelt ist mit TURBOCHARGER WITH SLIDING BLADES HAVING COMBINED DYNAMIC SURFACES AND HEAT SCREEN AND UNCOUPLED AXIAL ACTUATING DEVICE, setzt einen Schirm ein, um das Gas, das vom Hohlraum der hinteren Scheibe gelangt, daran zu hindern, wieder in Zirkulation in den Hohlraum zurückzugelangen, der die Stege aufnimmt, welche die aerodynamische Strömung erhöhen.
Bei den Turbokompressoren mit variabler Geometrie des Typs mit Kolben des Standes der Technik, hat die Herausforderung darin bestanden, die aerodynamische Leistung zu maximieren, die durch die Toleranz der Kontaktflächen ausbalanciert wird, vor allem der Schaufeln und Aufnahmeschlitze, die einer extremen Temperaturvariation und einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind, sowie ein Mittel bereit zu stellen, um den Kolben gemäß einer Konfiguration zu betätigen, die einfach hergestellt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Turbokompressor, der die vorliegende Erfindung einschließt, besitzt ein Gehäuse mit einem Turbinengehäuse, welches Abgas eines Auspuffkrümmers eines Verbrennungsmotors im Bereich einer Einströmöffnung aufnimmt, und mit einem Abgas-Austritt, einem Kompressorgehäuse mit einer Luft-Einströmöffnung und einem ersten Spiralgehäuse und einem Zentralgehäuse zwischen dem Turbinengehäuse und dem Kompressorgehäuse. Ein Turbinenrad wird in dem Turbinengehäuse getragen, um die Energie dem Abgas zu entziehen. Das Turbinenrad ist mit einer Welle verbunden, die sich vom Turbinengehäuse durch eine Wellenbohrung im Zentralgehäuse erstreckt, und das Turbinenrad besitzt eine im wesentlichen volle hintere Scheibe und eine Vielzahl von Schaufeln. Ein in der Wellenbohrung des Zentralgehäuses montiertes Lager stützt die Welle zur Drehbewegung ab und ein Schaufelrad ist dem Turbinenrad gegenüberliegend mit der Welle verbunden und in dem Kompressorgehäuse eingeschlossen.
Ein im Wesentlichen zylindrischer Kolben ist konzentrisch zum Turbinenrad und parallel zu einer Drehachse des Turbinenrades verschiebbar. Mehrere Schaufeln erstrecken sich ausgehend von einem ersten Ende des Kolbens in der Nähe der hinteren Scheibe im Wesentlichen parallel zur Drehachse. Ein Hitzeschild ist im Bereich seines äußeren Randes zwischen dem Turbinengehäuse und dem Zentralgehäuse eingebunden und erstreckt sich radial ins Innere zur Drehachse hin. Das Hitzeschild besitzt mehrere Schlitze, welche die Schaufeln aufnehmen. Eine Betätigungsvorrichtung ist bereitgestellt, um den Kolben von einer ersten Position, in der das erste Ende sich in der Nähe des Hitzeschildes ist, in eine zweite Position zu verschieben, in der das erste Ende vom Hitzeschild entfernt ist. Die Schaufeln besitzen einen ersten Teil, der dimensioniert ist, um von den Schlitzen aufgenommen zu werden, und einen zweiten Teil oder Absatz zwischen dem ersten Teil und dem Kolben, der dimensioniert ist, um in die Fläche des Hitzeschildes einzugreifen und den Schlitz mit dem Kolben in der ersten Position zu be decken.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit der detaillierten Beschreibung und Abbildungen besser verstanden werden, in denen:
1 eine Vorderansicht eines Turbokompressors im Querschnitt ist, der eine Ausführung der Erfindung verwendet;
2 eine Draufsicht des Hitzeschildes ist;
3 eine Ansicht des Kolbens mit den angebrachten Schaufeln von unten ist;
4 eine Seitenansicht einer der Schaufeln ist;
5a eine seitliche Teilansicht des die vorliegende Erfindung einschließenden Turbokompressors ist, welche die Einzelheit des Eingriffs des Absatzes der Schaufeln des Hitzeschildes mit dem Kolben in der geschlossenen Position zeigt;
5b eine seitliche Teilansicht des die vorliegende Erfindung einschließenden Turbokompressors ist, welche die Einzelheit des Eingriffs des Absatzes der Schaufeln des Hitzeschildes mit dem Kolben in der offenen Position zeigt;
6a eine Ansicht des Hitzeschildes von unten ist, die den Abdruck des Absatzes an den Schaufeln, der die Schlitze schließt, in gestrichelten Linien zeigt; und
6b eine detaillierte Ansicht einer Ausführungsvariante des Schaufel- und Absatzabdruckes ist, wobei die Absatzsehne in einem bestimmten Winkel zur Schaufelsehne liegt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Abbildungen zeigt 1 eine Ausführung der Erfindung für einen Turbokompressor 10, der ein Turbinengehäuse 12, ein Zentralgehäuse 14 und ein Kompressorgehäuse 16 einschließt. Ein Turbinenrad 18 ist über eine Welle 20 mit einem Kompressorrad 22 verbunden. Das Turbinenrad wandelt die Energie des Auspuffgases eines Verbrennungsmotors um, das mittels eines Auspuffkrümmers (nicht dargestellt) einem Spiralgehäuse 24 im Turbinengehäuse zugeführt wird. Das Auspuffgas wird über die Turbine expandiert und verlässt das Turbinengehäuse über einen Austritt 26.
Das Kompressorgehäuse schließt einen Einlass 28 und eine Austrittsspirale 30 ein. Eine hintere Platte 32 ist durch Bolzen 34 mit dem Kompressorgehäuse verbunden. Die hintere Platte ist wiederum an dem Zentralgehäuse mit Hilfe von Bolzen (nicht dargestellt) befestigt. Eine erste Ringdichtung 36 ist zwischen der hinteren Platte und dem Kompressorgehäuse eingesetzt und eine zweite Ringdichtung 38 ist zwischen der hinteren Platte und dem Zwischengehäuse eingesetzt. Bolzen 40 und Unterlegscheiben 42 zur Befestigung verbinden das Turbinengehäuse mit dem Zentralgehäuse.
Zapfenlager 50, die in der Wellenbohrung 52 des Zentralgehäuses montiert sind, stützen die Welle zur Drehung ab. Ein neben dem Kompressorrad auf der Welle montiertes Klemmband 54 greift in ein Axiallager 56 ein, das in der dargestellten Ausführung zwischen das Zentralgehäuse und die hintere Platte gepresst ist. Eine Muffe 58 ist zwischen dem Klemmband und dem Kompressorrad eingesetzt. Eine Drehdichtung 60, wie ein Kolbenring, stellt eine dichte Verbindung zwischen der Muffe und der hinteren Platte bereit. Ein Sicherungsbügel 62 presst das Zapfenlager in die Bohrung, und eine Mutter 64 presst das Kompressorrad und die Lager komponenten auf die Welle.
Der Mechanismus zur variablen Geometrie der vorliegenden Erfindung schließt einen im Wesentlichen zylindrischen Kolben 70 ein, der konzentrisch in das Turbinengehäuse eintritt und auf die Drehachse der Turbine ausgerichtet ist. Der Kolben ist durch einen Kreuzzapfen 72, der in der dargestellten Ausführung drei Arme aufweist, in Längsrichtung verschiebbar, der sich am Kolben und an einer Betätigungswelle 74 anheftet. Die Betätigungswelle läuft in eine Hülse 76, die sich durch das Turbinengehäuse erstreckt und sich mit einer Betätigungsvorrichtung 77 verbindet. In der dargestellten Ausführung ist die Betätigungsvorrichtung an Vorsprüngen am Turbinengehäuse montiert, indem ein Träger 78 und Bolzen 80 verwendet werden.
Der Kolben gleitet in dem Turbinengehäuse durch ein eingesetztes Stück mit niedriger Reibung 82. Eine zylindrische Dichtung 84 ist zwischen den Kolben und das eingesetzte Stück eingefügt. Der Kolben ist ausgehend von einer in 1 dargestellten geschlossenen Position, die den lichten Raum des Einlassrohres vom Spiralgehäuse 24 aus zur Turbine hin wesentlich vermindert, verschiebbar. In vollständig geöffneter Position gelangt ein radialer Überstand 86 am Kolben in eine Ausnehmung 88, die den Weg des Kolbens begrenzt.
Die Schaufeln 90 des Rohres erstrecken sich ausgehend vom radialen Überstand über den Kolben. In geschlossener Position des Kolbens sind die Schaufeln in einem ausgenommenen Abschnitt des Gussteiles des Zentralgehäuses untergebracht. Ein Hitzeschild 92 ist zwischen dem Turbinengehäuse und dem Zentralgehäuse eingesetzt. Das Schild weist eine angepasste Gestalt auf, um sich im Hohlraum des Turbinengehäuses ausgehend von der Schnittstelle zwischen dem Zentralgehäuse und dem Turbinengehäuse zu erstrecken, und stellt dem Auslassrohr der Turbine eine innere Wand bereit.
2 zeigt das Hitzeschild, das geschlossene Schlitze 96 einschließt, um die Schaufeln 90 aufzunehmen. Wie es die 3 und 4 zeigen, besitzen die Schaufeln einen ersten Abschnitt 98, der in den Schlitzen aufgenommen wird, und einen zweiten Abschnitt 100 in Form eines Absatzes, der in Sehne und Tiefe länger ist, um die Größe des Schlitzes zu übersteigen. Wie es 5b zeigt, ist mit dem Kolben in geöffneter Position der lichte Raum des Turbinen-Einlassrohres für eine maximale Strömung in der Turbine dimensioniert. Mit dem Kolben in geschlossener Position, wie es in 5a zu sehen ist, wird der erste Abschnitt der Schaufeln vom Inneren der Schlitze aufgenommen und der zweite Abschnitt oder Absatz an den Schaufeln kommt mit der Fläche des Hitzeschildes in Eingriff. Der Absatz schließt den Schlitz in dem Hitzeschild hermetisch ab, um einen exzessiven Verlust der Einlassströmung der Turbine zu vermeiden, wie es am besten in 6a zu sehen ist. Die aerodynamische Form des Absatzes erhält eine gleichmäßige Strömung des Einlassstromes in der geschlossenen und geöffneten Position des Kolbens aufrecht. 6b zeigt eine Ausführungsvariante des Schaufelabsatzes mit einer Absatzsehne, die durch die Linie 106 dargestellt ist, die unter einem Winkel in Bezug auf die Sehne der Schaufel, die durch die Linie 104 dargestellt ist, festgelegt ist. Diese Anordnung stellt einen veränderten Anstellwinkel an der Schaufel in Bezug auf die Luftströmung in der geöffneten und geschlossenen Position des Kolbens für eine gefüllte aerodynamische Steuerung bereit.
Das Betätigungssystem des Kolbens ist bei der in den Abbildungen veranschaulichten Ausführung eine pneumatische Betätigungsvorrichtung 77 mit einem an einem Träger 78 befestigten Gehäuseboden 102, wie es in 1 veranschaulicht ist.
Mit der ausführlichen Beschreibung der Erfindung, wie es das Recht des industriellen Eigentums fordert, werden sich die Fachleute über Modifikationen und Substitutionen der bis dahin offenbarten, spezifischen Ausführungen im Klaren sein. Derartige Modifikationen und Substitutionen liegen im Umfang und in der Intention der vorliegenden Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Turbokompressor (10) umfassend: ein Gehäuse mit einem Turbinengehäuse (12), welches Abgas eines Auspuffkrümmers eines Verbrennungsmotors im Bereich einer Einströmöffnung aufnimmt, und mit einem Abgas-Auslaß, einem Kompressorgehäuse (16) mit einer Luft-Einströmöffnung und einem ersten Spiralgehäuse (24) und einem Zentralgehäuse (14) zwischen dem Turbinengehäuse (12) und dem Kompressorgehäuse (16); ein Turbinenrad (18), das in dem Turbinengehäuse (12) getragen wird und die Energie dem Abgas entzieht, wobei das Turbinenrad (18) mit einer Welle (20) verbunden ist, die sich vom Turbinengehäuse (12) durch eine Wellenbohrung (52) im Zentralgehäuse (14) erstreckt; ein Lager (50), das in der Wellenbohrung (52) des Zentralgehäuses (14) getragen wird, wobei das Lager die Welle zur Drehbewegung abstützt; ein mit der Welle verbundenes Schaufelrad, das dem Turbinenrad (18) gegenüberliegt und in dem Kompressorgehäuse (16) eingeschlossen ist; einen im Wesentlichen zylindrischen Kolben (70), der konzentrisch zum Turbinenrad (18) und parallel zu einer Drehachse des Turbinenrades (18) verschiebbar ist; mehrere Schaufeln (90), die sich im Wesentlichen parallel zur Drehachse ausgehend von einem ersten Ende des Kolbens in der Nähe der hinteren Scheibe erstrecken, wobei jede Schaufel (90) einen ersten Abschnitt (98) mit erster Sehne und Tiefe und einen zweiten Abschnitt (100) zwischen dem ersten Abschnitt (98) und dem ersten Ende des Kolbens (70) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (100) zweite Sehne und Tiefe aufweist; ein Hitzeschild (92), das im Bereich seines äußeren Randes zwischen dem Turbinengehäuse (12) und dem Zentralgehäuse (14) eingebunden ist und sich radial ins Innere zur Drehachse hin erstreckt, wobei das Hitzeschild (92) außerdem mehrere Schlitze (96) mit einer Sehne und einer Tiefe aufweist, um den ersten Abschnitt (98) der Schaufeln (90) in enger Weise aufzunehmen; und Mittel, um den Kolben (70) von einer ersten Position, in der das erste Ende in der Nähe des Hitzeschildes (92) ist, in eine zweite Position zu verschieben, in der das erste Ende vom Hitzeschild (92) entfernt ist, wobei der zweite Abschnitt der Schaufeln (90) mit dem Hitzeschild (92) in Eingriff kommt und die Schlitze (96) hermetisch verschließt, wenn der Kolben (70) sich in der ersten Position befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (100) der Schaufeln (90) zweite Sehne und Tiefe aufweist, die größer als die erste Sehne und Tiefe sind, um einen Absatz um den ersten Abschnitt (98) zu bilden.
Turbokompressor (10) nach Anspruch 1, bei dem im zweiten Abschnitt (100) der Schaufeln (90) eine im Hinblick auf ein Unterstützen der glatten Strömung des Turbineneintrittsgases aerodynamische Form eingearbeitet ist.
Turbokompressor (10) nach Anspruch 2, bei dem der zweite Abschnitt (100) der Schaufeln (90) in Bezug auf den ersten Abschnitt (98) im Hinblick auf das Bereitstellen eines modifizierten Anstellwinkels für die Luftströmung, wenn der Kolben sich in der geschlossenen Position befindet, geneigt ist.