DE69914199T2

DE69914199T2 - Langsamlaufender hochdruckturbolader

Info

Publication number: DE69914199T2
Application number: DE69914199T
Authority: DE
Inventors: Steven Don Arnold; D. Gary VRBAS
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP2002519581A; US6062028A; KR100588824B1; DE69914199D1; CA2337790C; AU4729899A; EP1092085B1; WO2000001935A1; CA2337790A1; KR20010053362A; BR9911807A; JP4317327B2; EP1092085A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Hochdruckturbolader. Insbesondere ist ein Turbolader mit einem zweistufigen Kompressor mit hintereinander angeordneten Radialkompressorrädern mit eingebauter Luftstromführung bereitgestellt, der eine Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers gestattet, während das Druckverhältnis gegenüber herkömmlichen Einheiten erhöht ist.
Beschreibung des Stands der Technik
Entwicklungen auf dem Gebiet der Turbolader erfordern weiterhin erhöhte Druckverhältnisse als Mittel zum Bereitstellen verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit, höherer Nennleistungen und verbesserter Emissionsleistung für Motoren, bei denen Turbolader eingesetzt sind, insbesondere zur gewerblichen Dieselanwendung. Bei herkömmlichen Turboladergestaltungen war das einzige Verfahren zum Erzielen solcher erhöhten Druckverhältnisse das Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit der Kompressor- und Turbinenbestandteile. Das gegenwärtige Druckverhältnisvermögen für Turbolader herkömmlicher Gestaltung liegt typischerweise im Bereich von 3,5, obwohl einige spezialisierte Anwendungen auf 4,0 arbeiten. Gegenwärtig ist das einzige bekannte Verfahren zum Erhöhen des Druckverhältnisvermögens eines Kompressors für eine gegebene maximale Blattspitzendrehgeschwindigkeit, die Rückwärtskrümmung der Blätter zu verringern. Die Rückwärtskrümmung wird zum Verbessern des Strömungsbereichsvermögens eines Kompressors sowie zum Verbessern der Effizienz genutzt, das Verringern der Rückwärtskrümmung führt daher zu geringerer Effizienz und einem niedrigeren Strömungsbereich. Die Erfordernisse für gewerbliche Dieselmotoren für den LKW-Transport und industrielle Anwendungen nähern sich rasch Druckverhältnissen von 5 bis 6 und möglicherweise höher mit Strömungsbereichen von über 2,5/l Sperrvolumenstrom zu Volumenstrom an. Die Begrenzungen von Materialeigenschaften werden bei den rotierenden Bestandteilen herkömmlicher Turboladergestaltungen bei diesen Druckverhältnissen aufgrund von Belastungen, die durch die erforderlichen hohen Drehgeschwindigkeiten auferlegt sind, überschritten. Bei einem Turbo, der eine herkömmliche einstufige Kompressorgestaltung verwendet, kann die optimale Turbinengestaltung für Effizienz aufgrund der hohen Trägheit einer spezifischen langsamlaufenden Gestaltung nicht verwendet werden. Hohe Trägheit verringert die Reaktion des Turboladers zur Entsprechung der Übergangserfordernisse des Motors.
Mehrfachstufige Kompression durch den Gebrauch von zwei oder mehr Turboladern, die mit in Reihe geschalteten Kompressoren arbeiten, war ein Annäherungsversuch, den erhöhten Druckverhältnisanforderungen zu entsprechen. Die Kosten und die Komplexität solcher Systeme sowie die Verpackungsgrößenerfordernisse sind jedoch für die meisten Anwendungen unattraktiv. Der Gebrauch mehrfacher Kompressorräder auf einer gemeinsamen Achse zum Erzielen von Kompressorstufen, einschließlich des Kombinierens axialer und radialer Kompressionsstufen, wurde im Stand der Technik ebenfalls eingesetzt. Verpackungseinschränkungen, insbesondere die Länge des Turboladers, Rotordynamik und Lagerfragen haben diese Gestaltungen auf ähnliche Weise in den meisten Fällen kommerziell unannehmbar gemacht.
Es ist daher wünschenswert, einen Turbolader mit einem hohen Verdichtungsverhältnis mit minimaler Verpackungsgrößenzunahme und verringerter Komplexität gegenüber Gestaltungen des Stands der Technik bereitzustellen. Das Beibehalten einer Teilzählung, die mit bestehenden gewerblichen Dieselturboladern vergleichbar ist, ist ebenfalls wünschenswert, um die Kosten auf einer annehmbaren Höhe zu halten.
Es ist auch wünschenswert, einen Turbolader mit gesteigerter Turbineneffizienz durch Verringern der Turbinendrehgeschwindigkeit bereitzustellen, wodurch der Gebrauch einer hochwirksamen, langsamlaufenden Turbine ermöglicht ist.
GB-A-727617 offenbart einen Turbolader mit Gehäuse und Kompressorrädern. DE-A-3041093 offenbart ein Schraubenrad mit Schaufeln auf beiden Seiten und mit einer dynamischen Abdichtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader mit einem Turbinengehäuse, das Abgas aus einem Abgasverteiler eines internen Verbrennungsmotors durch eine Schnecke empfängt und einen Abgasauslass aufweist, einem Verdichtergehäuse mit einem Lufteinlass und einer ersten Schnecke und einem Mittelgehäuse zwischen dem Turbinengehäuse und Kompressorgehäuse, wobei ein Turbinenrad in dem Turbinengehäuse getragen ist und Energie aus dem Abgas gewinnt, wobei das Turbinenrad mit einer Welle verbunden ist, die sich vom Turbinengehäuse durch eine Wellenbohrung in das Mittelgehäuse erstreckt; und einem Lager, das in der Wellenbohrung des Mittelgehäuses getragen ist, wobei das Lager die Welle zur Drehbewegung trägt, einem Kompressorlaufrad, das gegenüber dem Turbinenrad mit der Welle verbunden ist und im Kompressorgehäuse gestützt wird, wobei das Kompressorlaufrad eine Vielzahl von Laufradschaufeln aufweist, die an seiner Vorderseite in der Nähe des Lufteinlasses angebracht ist, wobei die erste Vielzahl von Schaufeln die Geschwindigkeit von Luft aus dem Lufteinlass erhöht und Luft in einen ersten Diffusor zwischen dem Kompressorlaufrad und der ersten Schnecke ablässt, bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass:
das Kompressorlaufrad außerdem eine zweite Vielzahl von Laufradschaufeln aufweist, die auf seiner Rückseite angebracht ist, wobei die zweite Vielzahl von Schaufeln die Geschwindigkeit von Luft aus einem Spiraleneinlass erhöht, der mit der ersten Schnecke verbunden ist, und Luft in einen zweiten Diffusor zwischen dem Kompressorlaufrad und einer zweiten Schnecke ablässt, wobei der erste und zweite Diffusor durch eine einzelne Wandprallfläche getrennt sind, die an einer Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schnecke angebracht ist und sich davon erstreckt, eine dynamische Abdichtung am peripheren Umfang des Kompressorlaufrads ausgebildet ist, der Spiraleneinlass und die zweite Schnecke einstückig mit einem Gussteil zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Turbinengehäuse sind und die zweite Schnecke einen Füllluftauslass aufweist, der mit einem Einlassverteiler für den Motor verbunden ist.
Die Details und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen klarer verständlich.
Es zeigen:
1 eine Querschnittansicht eines Turboladers, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einsetzt;
2 eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer halbkonzentrischen zweifachen Schnecke für die Verdichterstufen;
3a eine Endschnittansicht entlang Linie 3a-3a in 2 des Übergangsabschnitts der ersten Kompressorschnecke zum Einlass des Kompressors der zweiten Stufe;
3b eine Schnittansicht entlang Linie 3b-3b von 3a;
3c eine Schnittansicht entlang Linie 3c-3c von 3a;
4 eine Schnittansicht einer Ausführungsform für die periphere Abdichtung des Kompressorlaufrads; und
5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform für die periphere Abdichtung des Kompressorlaufrads.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Ausführungsform der Erfindung für einen Turbolader 10, der ein Turbinengehäuse 12, ein Mittelgehäuse 14 und ein Kompressorgehäuse 16 eingliedert. Turbinenrad 18 ist über Welle 20 mit Kompressorrad 22 verbunden, das ein äußeres Laufrad 24 und ein inneres Laufrad 26 eingliedert, welche Schaufeln umfassen, die an einer verlängerten Rückwand des Schraubenrads angebracht sind. Das Turbinenrad wandelt Energie aus dem Abgas eines inneren Verbrennungsmotors um, das aus einem Abgasverteiler (nicht gezeigt) zu einer Schnecke 13 im Turbinengehäuse geleitet wird. Das Abgas wird durch die Turbine ausgedehnt und verlässt das Turbinengehäuse durch Auslass 19.
Das Kompressorgehäuse gliedert einen Einlass 28 ein, zu dem für die in der Zeichnung gezeigte Ausführungsform ein mit Öffnungen versehenes Schirmblech 30 gehört. Das äußere Laufrad bildet eine erste Stufe für den Kompressor mit Stromaustritt durch einen ersten Diffusor 32 in eine erste Schnecke 34. Die Innenwand des ersten Diffusors ist durch Prallfläche 36 ausgebildet. Das innere Laufrad sieht eine zweite Stufe für den Kompressor vor, indem es Luft von der ersten Schnecke durch einen Einlass 38 empfängt und sie aus dem Laufrad durch den zweiten Diffusor 40 in eine zweite Schnecke 42 entlässt. Für die Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, sind Einlass 38 und die zweite Schnecke in einem Gussteil 44 der zweiten Stufe vorgesehen, das zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Mittelgehäuse angebracht ist. Prallfläche 36 dient als Außenwand des zweiten Diffusors, und eine abgestufte Scherkraftpumpabdichtung 46 zwischen der Prallfläche und dem Kompressorrotor minimiert ein Lecken vom Diffusor der zweiten Stufe in den Diffusor der ersten Stufe. Einlassleitschaufeln 48 für verbesserte Einlassbedingung und Stromgleichförmigkeit sind für die Ausführungsform von 1 gezeigt.
Das Kompressorrad, an dem die Laufradschaufeln sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite angebracht sind, in Kombination mit dem Gussteil der zweiten Stufe, das eingebaute Stromwege für Einlass und Auslass der zweiten Stufe vorsieht, minimiert die Zunahme an Gesamtlänge des Turboladers. Die erste Schnecke ist eng an den Einlass der zweiten Stufe gekuppelt, und die zweite Schnecke sieht an einer Stelle, die im Wesentlichen mit einer einstufigen Konfiguration identisch ist, einen Auslass zum festen Anschluss an den Einlassverteiler des Motors vor. Außerdem ist die Auswirkung auf die Lagerkonfiguration aufgrund der minimalen Zunahme an ausladender Länge minimal.
Traglager 50, die in der Wellenbohrung 52 des Mittelgehäuses angebracht sind, tragen die Welle in drehender Weise. Eine Spurscheibe 54, die dem Kompressorrad benachbart an der Welle angebracht ist, nimmt ein Axiallager 56 in Eingriff, das für die gezeigte Ausführungsform zwischen dem Mittelgehäuse und dem Gussteil der zweiten Stufe begrenzt ist. Schmierkanäle 58 versorgen die Lager mit Schmiermittel. Die Anbringung der Kompressorlaufräder der ersten und zweiten Stufe hintereinander weist zudem die Neigung auf, axiale aerodynamische Ladung durch den Kompressor auszugleichen.
Das Gussteil der zweiten Stufe ist unter Verwendung von Schrauben 60 oder anderer, im Stand der Technik bekannter Mittel, einschließlich der einstückigen Ausbildung mit dem Lagergehäuse, mit geeigneten Abdichtungen 62 am Kompressorgehäuse und Mittelgehäuse befestigt. Die Prallfläche für die Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Gussteil der zweiten Stufe aufgenommen und begrenzt.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Das Turbinengehäuse und Mittelgehäuse mit ihren zugehörigen Elementen sind im Wesentlichen mit den bezüglich 1 offenbarten und beschriebenen identisch. Der Einlass und das Laufrad der ersten Stufe oder äußere Laufrad 24 des Kompressors sind den in 1 offenbarten ähnlich, jedoch leitet ein Diffusor 70 einen Strom in eine Schnecke 72 der ersten Stufe, die im Wesentlichen eine Schnecke 74 der zweiten Stufe umgibt. Luft, die durch die Schnecke der ersten Stufe strömt, wird, wie am besten in 3 zu sehen, tangential zu einem Einlass 76 für den Kompressor der zweiten Stufe geleitet. Einlassleitschaufeln 78 leiten die Luft in das Laufrad 26 der zweiten Stufe. Luft, die das Laufrad der zweiten Stufe verlässt, strömt durch einen zweiten Diffusor 80 in eine Schnecke der zweiten Stufe. Luft verlässt die Schnecke der zweiten Stufe durch Auslass 82. Die Schnecke der ersten Stufe und die Schnecke der zweiten Stufe weisen für die Ausführungsform, die in 2 und 3 gezeigt ist, im Wesentlichen gleichförmige Querschnitte auf. Alternative Ausführungsformen, wie die in 1 offenbarte, setzen einen variierenden Querschnitt ein.
Für die Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, umfassen eine Außenwand 84 der Schnecke der ersten Stufe und ein Wandaufbau 86, der den Einlass der zweiten Stufe und die zweite Schnecke ausbildet, ein gemeinsames Gussteil. Wie am besten in 3a zu sehen, ist der Wandaufbau 86 von der Außenwand 84 durch einen Verbindungsabschnitt 88 getragen, der mit dem Auslass einstückig ist. Der Verbindungsabschnitt weist ein doppeltes Keil- oder Rautenprofil 89 auf, das sich zwischen Wandaufbau 86 und Außenwand 84 erstreckt, um die Luft, die durch die Schnecke der ersten Stufe strömt, tangential um den Wandaufbau in den Einlass für die zweite Stufe zu leiten. Ähnlich der ersten Ausführungsform ist eine Prallfläche 90 zur Absonderung des Luftstroms des Diffusors der ersten Stufe von dem Luftstrom des Diffusors der zweiten Stufe mit Wandaufbau 86 verbunden. Eine dynamische Abdichtung 92 ist zwischen dem Schraubenrad und der Prallfläche vorgesehen.
4 zeigt eine Ausführungsform für die dynamische Abdichtung 92. Die Abdichtung gliedert einen Dichtungsring 94 ein, der in einer peripheren Nut 96 in dem Schraubenrad aufgenommen ist. Die Prallfläche trägt den Dichtungsring auf einer ausgesparten Stufe 98 zum Positionieren, und die Abdichtung ist physikalisch durch das Labyrinth hervorgerufen, das durch Dichtungsring und periphere Nut ausgebildet ist.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform für die dynamische Abdichtung, die eine Erweiterung 100 der Prallfläche bildet, die in einem Schlitz 102 im Schraubenrad aufgenommen ist. Die Abdichtung ist durch die Schlangenlinienfläche 104 der Erweiterung erzielt. Für die gezeigte Ausführungsform umfasst die Prallfläche zumindest zwei halbzylindrische Stücke, die zum Einführen der Erweiterung in den Schlitz um das Schraubenrad zusammengefügt sind. In alternativen Ausführungsformen ist das Schraubenrad entlang einer Trennlinie, die an den Schlitz angrenzt, gespalten, um den Zusammenbau des Schraubenrads um die Erweiterung der Prallfläche zu ermöglichen.
Nachdem nun die Erfindung detailliert wie durch die Patentvorschriften erforderlich beschrieben wurde, wird der Fachmann Modifikationen an den und Ersetzungen der spezifischen Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, erkennen. Solche Modifikationen und Ersetzungen liegen im Anwendungsbereich und der Absicht der vorlie genden Erfindung wie in den folgenden Ansprüchen definiert.

Claims

Turbolader mit einem Turbinengehäuse (12), das Abgas aus einem Abgasverteiler eines internen Verbrennungsmotors durch eine Schnecke (13) empfängt und einen Abgasauslass (19) aufweist, einem Verdichtergehäuse (16) mit einem Lufteinlass (28) und einer ersten Schnecke (34) und einem Mittelgehäuse (14) zwischen dem Turbinengehäuse und Kompressorgehäuse, wobei ein Turbinenrad (18) in dem Turbinengehäuse getragen ist und Energie aus dem Abgas gewinnt, wobei das Turbinenrad mit einer Welle (20) verbunden ist, die sich vom Turbinengehäuse durch eine Wellenbohrung (52) in das Mittelgehäuse erstreckt; und einem Lager (50), das in der Wellenbohrung des Mittelgehäuses getragen ist, wobei das Lager die Welle zur Drehbewegung trägt, einem Kompressorlaufrad (22), das gegenüber dem Turbinenrad mit der Welle verbunden ist und in dem Kompressorgehäuse gestützt wird, wobei das Kompressorlaufrad eine erste Vielzahl von Laufradschaufeln (24) aufweist, die an seiner Vorderseite in der Nähe des Lufteinlasses angebracht ist, wobei die erste Vielzahl von Schaufeln die Geschwindigkeit von Luft aus dem Lufteinlass erhöht und Luft in einen ersten Diffusor (32) zwischen dem Kompressorlaufrad und der ersten Schnecke ablässt, bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass: das Kompressorlaufrad außerdem eine zweite Vielzahl von Laufradschaufeln (26) aufweist, die auf seiner Rückseite angebracht ist, wobei die zweite Vielzahl von Schaufeln die Geschwindigkeit von Luft aus einem Spiraleneinlass (38) erhöht, der mit der ersten Schnecke verbunden ist, und Luft in einen zweiten Diffusor (40) zwischen dem Kompressorlaufrad und einer zweiten Schnecke (42) ablässt, wobei der erste und zweite Diffusor durch eine einzelne Wandprallfläche (36, 90) getrennt sind, die an einer Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schnecke angebracht ist und sich davon erstreckt, eine dynamische Abdichtung (46) am peripheren Umfang des Kompressorlaufrads ausgebildet ist, der Spiraleneinlass und die zweite Schnecke einstückig mit einem Gussteil zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Turbinengehäuse sind und die zweite Schnecke einen Füllluftauslass aufweist, der mit einem Einlassverteiler für den Motor verbunden ist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die zweite Schnecke im Wesentlichen konzentrisch in der ersten Schnecke enthalten ist und zum Auslass ein diametrischer Keiltrennabschnitt (88) gehört, der sich von einer Außenwand (84) der ersten Schnecke erstreckt.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die dynamische Abdichtung umfasst: einen Dichtungsring (94), der in einer peripheren Nut (96) im Kompressorlaufrad aufgenommen und durch einen ausgesparten Ansatz (98) getragen ist, welcher sich von der Prallfläche radial nach innen in die Nähe des peripheren Schraubenradumfangs erstreckt.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die dynamische Abdichtung umfasst: einen erweiterten Abschnitt der Prallfläche (100), die eng in einem Schlitz (102) im peripheren Umfang des Schraubenrads aufgenommen ist, wobei der erweiterte Abschnitt auf zumindest einer Seite davon eine Schlangenlinienfläche (104) aufweist.