DE69809130T2

DE69809130T2 - Turbine mit verstellbarer Statorgeometrie

Info

Publication number: DE69809130T2
Application number: DE69809130T
Authority: DE
Inventors: Peter Stuart Mckean; David Michael Moulson
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-05-18
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: DE69809130D1; GB2326198A; GB9711897D0; EP0884453A1; US5868552A; EP0884453B1; JP4145994B2; JPH1172008A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbine mit variabler Geometrie, die eine verschiebbare Seitenwand aufweist.
In dem US-Patent 4973223 wird eine bekannte Turbine mit variabler Geometrie beschrieben, bei der ein Turbinenrad so angebracht ist, daß es um eine vorgegebene Achse in einem Gehäuse rotiert. Eine Seitenwand ist relativ zu einer durch das Gehäuse definierten Oberfläche verschiebbar, um die Breite des an das Rad angrenzenden und zwischen der Seitenwand und dieser Oberfläche definierten Gasströmungsdurchgangs zu steuern. Die Seitenwand wird auf Stäben getragen, die sich parallel zu der Drehachse des Rades erstrecken, und die Stäbe werden relativ zu dem Gehäuse axial verschoben, so daß die von der Seitenwand eingenommene Position gesteuert wird.
Die Stäbe werden durch einen auf der Außenseite des Gehäuses angebrachten, pneumatischen Aktuator verschoben, wobei der pneumatische Aktuator einen Kolben antreibt, der parallel zu der Turbinenachse verschiebbar ist. Der Aktuatorkolben ist durch ein Joch, das auf einem auf dem Gehäuse angebrachten Bügel schwenkbar getragen wird, mit der Seitenwand gekoppelt, wobei das Joch zwei in einem gewissen Abstand voneinander angeordnete Arme definiert, die sich auf entgegengesetzten Seiten der Turbinenachse erstrecken, um in Bereiche der sich außerhalb des Gehäuses erstreckenden Tragstäbe einzugreifen. Das Ende jedes Arms ist in einem Schlitz in einer jeweiligen Seitenwand-Tragstange aufgenommen. Die Verschiebung des Aktuatorkolbens bewirkt infolge des gegenseitigen Eingriffs zwischen den Jocharmen und den Seitenwand-Tragstäben, daß das Joch geschwenkt wird und die Seitenwand in der axialen Richtung angetrieben wird.
Bei der bekannten Turbine mit variabler Geometrie ist der Jochdrehzapfen in der aggressiven Umgebung außerhalb des Gehäuses gelegen, und er kann nicht leicht geschmiert werden. Der Eingriff der Jocharme in die Stäbe ist von einer gleitenden Art, und obwohl bekannt ist, daß abnutzungsfeste, relativ zueinander gleitende Oberflächen aus zum Beispiel keramischen Materialien eingebaut werden können, können diese Oberflächen nicht leicht geschmiert werden. Daher kann Abnutzung bei der bekannten Einheit ein Problem sein.
In dem US-Patent 5522697 wird eine zu der in dem US-Patent 4973223 beschriebenen Jocheinheit alternative Jocheinheit beschrieben. Bei dieser alternativen Einheit greift ein Joch, das in dem Gehäuse auf einer Welle, die sich nach außerhalb des Gehäuses erstreckt, schwenkbar angebracht ist, in die Seitenwand- Tragstäbe ein. Ein externer Aktuator steuert die Drehung der Welle und folglich die Verschiebung des Jochs, das in Schlitze in den Seitenwand-Tragstäben eingreift. Das Joch ist in einem Hohlraum unmittelbar hinter der Seitenwand angebracht.
Bei der Anordnung des US-Patents 5522697 ist das Joch relativ kompakt, und die Jochdrehzapfen- und Tragstab-Eingriffsoberflächen sind in dem Gehäuse gelegen und daher gegenüber der aggressiven Umgebung außerhalb des Gehäuses isoliert. Unglücklicherweise ist das Joch jedoch den Bedingungen ausgesetzt, die unmittelbar hinter der Seitenwand vorherrschen, und angesichts dieser Bedingungen ist es nicht möglich, das Joch zu schmieren. Als Folge davon kann Abnutzung immer noch ein Problem sein.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die oben dargelegten Probleme zu beseitigen oder zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbine mit variabler Geometrie verwirklicht, aufweisend ein Gehäuse, ein Turbinenrad, das angebracht ist, um sich um eine vorgegebene Achse innerhalb des Gehäuses zu drehen, und eine Seitenwand, die innerhalb eines durch das Gehäuse definierten Seitenwandhohlraums verschiebbar ist, um die Breite eines Gasströmungsdurchgangs zu steuern, der sich zwischen einer durch die Seitenwand definierten, ersten Oberfläche und einer durch das Gehäuse definierten, zweiten Oberfläche zu dem Rad hin erstreckt, wobei die Seitenwand auf axial verschiebbaren Stäben angebracht ist, die sich parallel zu der Drehachse des Rades erstrecken, ein Joch innerhalb des Gehäuses schwenkbar getragen wird und Arme definiert, von denen sich jeder bis in Eingriff mit einem jeweiligen Stab erstreckt, und Mittel vorgesehen sind, um das Joch relativ zu dem Gehäuse zu schwenken, um die Position der Seitenwand relativ zu dem Gehäuse zu steuern, wobei das Joch innerhalb einer Jochkammer aufgenommen wird, die in einem gewissen Abstand von dem Seitenwandhohlraum angeordnet ist und gegen Verbindung mit dem Seitenwandhohlraum abgedichtet ist, und Mittel vorgesehen sind, um Schmiermittel an die Jochkammer abzugeben.
Die Anbringung des Jochs in einer durch das Gehäuse definierten, geschmierten Kammer ermöglicht, daß alle potentiellen Abnutzungspunkte, die mit der Bewegung des Jochs verknüpft sind, geschützt werden.
Die Lager, die vorgesehen sind, um eine Welle zu tragen, auf der das Turbinenrad angebracht ist, und die Lager, die vorgesehen sind, um einen Drehzapfen zu tragen, auf dem das Joch angebracht ist, können durch ein gemeinsames Schmiermittel geschmiert werden.
Das Gehäuse kann ein Lagergehäuse aufweisen, das zwischen dem Turbinenradgehäuse und einem Kompressorgehäuse gelegen ist. Das Turbinenradgehäuse kann das Turbinenrad aufnehmen, das auf einem Ende einer sich durch das Lagergehäuse erstreckenden Welle angebracht ist, und das Kompressorgehäuse kann ein auf dem anderen Ende der Welle getragenes Kompressorrad aufnehmen. Der Seitenwandhohiraum ist in dem an das Turbinenrad angrenzenden Lagergehäuse gebildet, und der Jochhohlraum ist in dem an das Kompressorrad angrenzenden Lagergehäuse gebildet.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mittels eines Beispiels beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, die Folgendes darstellen:
Die Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Turboladereinheit, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
Die Fig. 2 ist eine von oben gesehene, partielle Schnittansicht einer Halbe der Einheit der Fig. 1.
Die Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Einheit der Fig. 1 und 2, der die relative Anordnung des Seitenwand-Steuerjochs und der Seitenwand-Tragstäbe, in die das Joch eingreift, wiedergibt.
In den beigefügten Zeichnungen, auf die min Bezug genommen wird, werden ein Turbinenrad 1 und ein Kompressorrad 2 auf einer gemeinsamen Welle 3 in einem Gehäuse getragen, das durch ein Kompressorgehäuse 4, ein zentrales Lagergehäuse 5, und ein Turbinengehäuse 6 definiert wird. Die Gehäuse 4 und 5 sind durch eine ringförmige Klemmschelle 7 miteinander verbunden, und die Gehäuse 5 und 6 sind durch eine ringförmige Klemmschelle 8 miteinander verbunden. Die Welle 3 wird in den Lagern 9 und 10 getragen, an die Schmiermittel von einem Schmiermitteleinlaß 13 über die Durchgänge 11 und 12 abgegeben wird. Weiterhin wird Schmiermittel über einen Durchgang 15 an ein Lager 14 abgegeben. Das Schmiermittel wird in einer Kammer 16 gesammelt und fließt über einen Schmiermittelausgang 17 nach draußen. Das von dem Lager 14 weggeschleuderte Schmiermittel wird durch eine Ablenkplatte 18 nach dem Schmiermittelauslaß 17 abgelenkt.
Eine verschiebbare Seitenwand 19 trägt Leitschaufeln 20, die in einen ringförmigen Hohlraum 21 hineinragen. Das Auspuffgas strömt in der Richtung der Pfeile 22 durch den Zwischenraum, der durch eine von der Seitenwand 19 gebildete, erste Oberfläche 23 und eine von dem Gehäuse gebildete, zweite Oberfläche 24 definiert wird. Die Seitenwand 19 ist axial verschiebbar, um die Breite des zwischen den Oberflächen 23 und 24 gebildeten Durchgangs zu steuern. Die Seitenwand 19 ist in der Fig. 1 in ihrer ganz ausgefahrenen Position, und in der Fig. 2 in ihrer ganz eingefahrenen Position wiedergegeben.
Die Seitenwand 19 ist auf zwei Seitenwand-Tragstäben 25 angebracht, die auf entgegengesetzten Seiten der Welle 3 gelegen sind. Jeder der Stäbe definiert einen Schlitz 26, in dem ein auf einem Stift 28 schwenkbar angebrachter Block 27 aufgenommen ist, wobei der Stift wiederum auf einem Arm 29 angebracht ist, der durch ein Joch definiert wird, das um eine Achse 30 schwenkbar ist. Die Fig. 1 gibt das Joch in gestrichelten Linien in zwei alternativen Positionen wieder, wobei die gestrichelten Linien 31 die Position des Jochs wiedergeben, wenn die Seitenwand 19 in der in der Fig. 1 wiedergegebenen Position ist, und die gestrichelten Linien 32 die Position des Jochs wiedergeben, wenn die Seitenwand 19 in der in der Fig. 2 wiedergegebenen Position ist. Folglich ist erkennbar, daß bei einer Drehung des Jochs um die Achse 30 die Stifte 28 einen Kreisbogen beschreiben, und dadurch wiederum die Blöcke 27 sich mit den in den Seitenwand-Tragstäben 25 definierten Schlitzen 26 axial bewegen und in diesen Schlitzen vertikal verschoben werden. Die axiale Bewegung der Seitenwand kann folglich durch Drehung des Jochs um die Achse 30 erreicht werden.
Das Joch ist auf einer Welle 33 angebracht, die in dem Lagergehäuse 5 gelagert ist und eine Kurbel 34 trägt. Diese Kurbel 34 kann mit irgendeinem geeigneten Hebelsystem verbunden werden, wie durch die gestrichelte Linie 35 angegeben ist, um die genaue Steuerung der Winkelposition des Jochs um die Achse 30 zu ermöglichen.
Die Seitenwand 19 ist in einem ringförmigen Seitenwandhohlraum 36 angebracht, der in dem an das Radgehäuse 6 angrenzenden Ende des Lagergehäuses 5 definiert ist. Dieser Hohlraum ist hohen Temperaturen ausgesetzt, da Auspuffgas an der Seitenwand 19 vorbeiströmt. Bei der in dem US-Patent 5522697 beschriebenen Vorrichtung war ein Seitenwandpositions-Steuerjoch in einer Verlängerung des Seitenwandhohlraums gelegen, und es konnte angesichts der in dem Seitenwandhohlraum vorherrschenden Bedingungen nicht geschmiert werden. Im Gegensatz dazu wird das Joch bei der dargestellten Anordnung in einer Kammer 37 getragen, die in einem gewissen Abstand dem Seitenwandhohlraum 36 gelegen ist und gegen Verbindung mit dem Seitenwandhohlraum 36 abgedichtet ist. Folglich ist das Innere der Kammer den Auspuffgasen nicht direkt ausgesetzt, und es wird durch das in dem Lagergehäuse 5 vorgesehene Kühlsystem (nicht im Detail wiedergegeben) gekühlt, und es wird mit Schmiermittel gespült, das an das Lager abgegeben wird, das vorgesehen ist, um die Welle, auf der das Turbinenrad angebracht ist, zu tragen.
Es ist erkennbar, daß bei den Vorrichtungen des Standes der Technik, bei denen das Joch und seine zugehörigen Komponenten nicht geschmiert wurden, die Einheit unter Verwendung von teueren Wärme- oder Oberflächenbehandlungen aus teuren Materialien hergestellt werden mußte, um die notwendige Festigkeit, Abnutzungsfestigkeit und Korrosionsfestigkeit für ein lange Nutzlebensdauer zu erreichen. Hohe Arbeitstemperaturen erforderten außerdem große Arbeitszwischenräume zwischen den Komponenten, um die relative Wärmeausdehnung und Verwindung aufzunehmen. Große Zwischenräume erhöhten die Kontaktspannungen zwischen sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen. Schließlich waren der Zusammenbau und die Zerlegung beim Betrieb schwierig, da die Betätigungskomponenten unzugänglich waren.
Im Gegensatz dazu sind bei der vorliegenden Erfindung die Komponenten der Betätigungseinheit, die relativ zueinander gleiten, in einer durch das Gehäuse definierten Kammer gelegen, in der sie durch das Schmiermittel, das verwendet wird, um die Turbinenwelle zu schmieren, spritzgeschmiert und gekühlt werden. Sie sind vor Motorauspuffgas geschützt, wodurch die Korrosionsprobleme verringert werden. Sie können angesichts ihrer Schmierung und Kühlung mit engeren Toleranzen hergestellt werden, und die Vibrationsbewegung zwischen miteinander verbundenen Komponenten wird durch das Schmiermittel unterdrückt. Schließlich machen die günstigeren Bedingungen, denen die Komponenten ausgesetzt werden, es möglich, billigere Materialien, billigere Produktionsprozesse, und kleinere Zwischenräume zu verwenden, wodurch wiederum bessere Kontaktbedingungen zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen gefördert werden. Die verschiedenen Komponenten sind auch relativ gut zugänglich, wodurch ein leichterer Zusammenbau und eine leichtere Wartung gefördert werden.

Claims

1. Turbine mit variabler Geometrie, aufweisend ein Gehäuse, ein Turbinenrad (1), das angebracht ist, um sich um eine vorgegebene Achse innerhalb des Gehäuses zu drehen, und eine Seitenwand (19), die innerhalb eines durch das Gehäuse definierten Seitenwandhohlraums (36) verschiebbar ist, um die Breite eines Gasströmungsdurchgangs zu steuern, der sich zwischen einer durch die Seitenwand (19) definierten, ersten Oberfläche (23) und einer durch das Gehäuse definierten, zweiten Oberfläche (24) zu dem Rad (1) hin erstreckt, wobei die Seitenwand (19) auf axial verschiebbaren Stäben (25) angebracht ist, die sich parallel zu der Drehachse des Rades (1) erstrecken, ein Joch innerhalb des Gehäuses schwenkbar getragen wird und Arme (29) definiert, von denen sich jeder bis in Eingriff mit einem jeweiligen Stab (25) erstreckt, und Mittel vorgesehen sind, um das Joch relativ zu dem Gehäuse zu schwenken, um die Position der Seitenwand (19) relativ zu dem Gehäuse zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch innerhalb einer Jochkammer (37) aufgenommen wird, die in einem gewissen Abstand von dem Seitenwandhohlraum (36) angeordnet ist und gegen Verbindung mit dem Seitenwandhohiraum abgedichtet ist, und Mittel vorgesehen sind, um Schmiermittel an die Jochkammer (37) abzugeben.

2. Turbine mit variabler Geometrie, gemäß Anspruch 1, wobei Turbinenradlager (9, 10) und ein Zapfenlager, auf dem das Joch angebracht ist, durch ein gemeinsames Schmiermittel geschmiert werden.

3. Turbine mit variabler Geometrie, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse ein Lagergehäuse (5) aufweist, das zwischen dem Turbinenradgehäuse (6) und einem Kompressorgehäuse (4) gelegen ist, wobei das Turbinenradgehäuse (6) das Turbinenrad (1) aufnimmt, das auf einem Ende einer sich durch das Lagergehäuse (5) erstreckenden Welle (3) angebracht ist, wobei das Kompressorgehäuse (4) ein auf dem anderen Ende der Welle (3) getragenes Kompressorrad (2) aufnimmt, wobei der Seitenwandhohlraum (36) in dem an das Turbinenradgehäuse (6) angrenzenden Lagergehäuse (5) gebildet ist, und wobei der Jochhohlraum (37) in dem an das Kompressorgehäuse (4) angrenzenden Lagergehäuse (5) gebildet ist.