DE8805288U1

DE8805288U1 - Internal combustion engine system

Info

Publication number: DE8805288U1
Application number: DE8805288U
Authority: DE
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1987-05-16
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1988-07-07

Description

24.05.1988 1 GmB 179624.05.1988 1 Gmbh 1796

Beschreibung;
utz turbine^?Description;
utz turbine^?

Die Neuerung betrifft eine Nutzturbine für eine einen Abgasturbolader aufweisende Hubkolbenbrennkraftmaschine^ die parallel zur Laderturbine angeordnet ist, der zum Betrieb der Laderturbine nicht benötigtes Abgas zuführbar ist und die ihre Leistung über ein Untersetzungsgetriebe abgibt.The innovation concerns a power turbine for a reciprocating piston internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, which is arranged parallel to the charger turbine, to which exhaust gas not required to operate the charger turbine can be fed and which delivers its power via a reduction gear.

Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der EP-PS 00 91 oder der DE-PS 33 35 856 bekannt. Während die erstgenannte Schrift keine Hinweise auf die Ausgestaltung der Nutzturbine gibt, soll nach der zweitgenannten Schrift eine baureihenkleinere Laderturbine verwendet werden, die durch die Charakteristik des Verdichters bedingt, mit hohen Drehzahlen läuft. Auch die aus DE-OS 35 14 814 bekannte Nutzturbine ist für hohe Drehzahlen ausgelegt.Such arrangements are known, for example, from EP-PS 00 91 or DE-PS 33 35 856. While the first-mentioned document gives no information on the design of the power turbine, according to the second-mentioned document, a smaller-series charger turbine is to be used, which runs at high speeds due to the characteristics of the compressor. The power turbine known from DE-OS 35 14 814 is also designed for high speeds.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nutzturbine zu schaffen, die mit einfachen Maßnahmen an die besonderen Anforderungen ihres Einsatzes in einer gattungsgemäßen Anlage angepaßt ist, so daß ein möglichst großer Leistungsgewinn aus dem für den Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht benötigten Abgas erzielt wird.The innovation is based on the task of creating a power turbine that is adapted with simple measures to the special requirements of its use in a generic system, so that the greatest possible power gain is achieved from the exhaust gas that is not required for the operation of the reciprocating piston internal combustion engine.

Neuerungsgemäß wird dies durch Anwendung der Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 erreicht.According to the innovation, this is achieved by applying the features of the characterising part of claim 1.

Bei Anwendung der Neuerung ergibt sich zum einen 4er Vorteil, d&8 die Nutzturbine relativ langsam läuft. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise ein kleines Untersetzungsverhältnis im nachgeschalteten Getriebe. Zum anderen nimmt bei einer neuerungsgemäß ausgebildeten Nutzturbine der Durchsatz bei konstanter Drehzahl verhältnismäßig rasch ab. Die Nutzturbine kann daher auch bereits in einem Punkt des Teillastbereichs der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeschaltet werden, in dem nur sehrWhen the innovation is applied, there is the advantage that the power turbine runs relatively slowly. This advantageously enables a small reduction ratio in the downstream gearbox. On the other hand, with a power turbine designed according to the innovation, the throughput decreases relatively quickly at constant speed. The power turbine can therefore be switched on at a point in the partial load range of the reciprocating piston internal combustion engine in which only very

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wenig nicht zum Betrieb der Lädertürbine benötigtes Abgas zur Verfugung steht,little exhaust gas is available that is not needed to operate the loader turbine,

Anhand der Zeichnung sind zwei AusfUhrungsbeispiele der Neuerung beschrieben. Es zeigtTwo examples of the innovation are described in the drawing. It shows

Fig. 1 einen Schnitt durch eine neuerungsgemä'Öe Nutzturbine undFig. 1 a section through a power turbine according to the innovation and

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer neuerungsgemäßen Brennkraftmäschinenanlage.Fig. 2 is a schematic representation of an innovative internal combustion engine system.

Die in Fig. 1 dargestellte Nutzturbine 1 ist als Radialturbine ausgebildet, wird also in radialer Richtung angeströmt. Sie weist ein Laufrad 2 mit mehreren Schaufeln 3 auf. Fest mit dem Laufrad 2 ist eine Welle 4 verbunden, die in einem Lager 5 einer Gehäusestirnwand 6 sowie einem weiteren nicht dargestellten Lager gelagert ist.The power turbine 1 shown in Fig. 1 is designed as a radial turbine, i.e. the flow is in a radial direction. It has an impeller 2 with several blades 3. A shaft 4 is firmly connected to the impeller 2 and is mounted in a bearing 5 of a housing end wall 6 and in another bearing (not shown).

Die Schaufeln 3 des Laufrades 2 sind so ausgebildet, daB sich der mittlere Eintrittsdurchmesser Di_m zum mittleren Austrittsdurchmesser D2m 1,6 bis 1,8 zu 1 verhält. Diese Auslegung ergibt im Vergleich zu den bei Turbinen im Abgasturboladerbau üblicherweise verwendeten kleineren Durchmesserverhältnissen, bei gleichem Durchsatz, eine niedrigere Drehzahl der Turbine. Sofern die Ein- oder Austrittskante der Schaufeln nicht parallel zur Achse des Laufrades verläuft, wie dies beim Ausfuhrungsbeispiel für die Austrittskante der Schaufeln 3 der Fall ist. ist der mittlere Durchmesser nach der FormelThe blades 3 of the impeller 2 are designed in such a way that the ratio of the average inlet diameter Di _m to the average outlet diameter D2m is 1.6 to 1.8 to 1. This design results in a lower speed of the turbine for the same throughput compared to the smaller diameter ratios usually used for turbines in exhaust gas turbocharger construction. If the inlet or outlet edge of the blades does not run parallel to the axis of the impeller, as is the case in the exemplary embodiment for the outlet edge of the blades 3, the average diameter is calculated according to the formula

°^2m v^-z° ^2m v^-z

zu ermitteln. Hierin ist D2i der Innendurchmesser undHere D2i is the inner diameter and

^D 2a the outer diameter

einer Austrittskante einer Schaufel 3.a trailing edge of a blade 3.

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Am Gehäuse 6 ist ein Einlaßkanal 7 befestigt, der¹ seinerseits einen Äüsiäßkänai 8 trägt, Der Einlaßkanal 7 umfaßt Weiterhin eine Abdeckung 9 für die Schaufeln 3 des Laufrades 2 Und ein daran anschließendes AusläßkänälteilstUck 10. Dabei bildet ein Abschnitt des Auslaßkanals 8 zusammen mit dem gegenüberliegenden Auslaßkanal teilstUck IO einen ringförmigen Abgasdiffusor 11 mit einer axial angeströmten Einlaßöffnung und einer etwa in radialer Richtung durchströmten Auslaßöffnüng. Während die Lage der Eintrittsöffnung durch die Lage der Austrittskanten der Schaufeln 3 bestimmt ist, fuhrt eine etwa in radialer Richtung durchströmte Austrittsöffnung zu einer kurzen axialen Baulänge der Nutzturbine 1.An inlet channel 7 is attached to the housing 6, ^which in turn carries an exhaust channel 8. The inlet channel 7 also comprises a cover 9 for the blades 3 of the impeller 2 and an outlet channel section 10 connected to it. A section of the outlet channel 8 together with the opposite outlet channel section 10 forms an annular exhaust diffuser 11 with an inlet opening with axial flow and an outlet opening with flow in an approximately radial direction. While the position of the inlet opening is determined by the position of the outlet edges of the blades 3, an outlet opening with flow in an approximately radial direction leads to a short axial length of the power turbine 1.

Da die Schaufeln 3 des Laufrades 2 nur für einen Betriebspunkt optimal auf einen parallel zur Längsachse des Laufrades verlaufenden Gasaustritt ausgelegt werden können, entsteht in anderen Betriebspunkten ein Drall, dessen Umfangskomponente als Verlust verlorengeht. Durch den nachgeschalteten Diffusor 11 wird diese Umfangskomponente des vom Laufrad 2 abströmenden Abgases durch Vergrößerung des Durchmessers im Abgasdiffusor nach dem Drallgesetz verzögert und mit sehr hohem Wirkungsgrad in Druckriickgewinn umgesetzt. Auch die Axial komponente des Abgases wird durch die Flächenerweiterung des Diffusors Ii in einen Druckriickgewinn umgesetzt. Da der Druck am Austritt des Diffusors etwa dem Umgebungsdruck entspricht* besteht hierdurch die Möglichkeit-, das für die Nutzturbine 1 zur Verfügung stehende Gefälle zu erhöhen, da hinter dem Laufrad ?. ein unterhalb des Umgebungsdruckes liegender Druck möglich wird.Since the blades 3 of the impeller 2 can only be optimally designed for a gas outlet running parallel to the longitudinal axis of the impeller for one operating point, a swirl is created at other operating points, the circumferential component of which is lost as a loss. The downstream diffuser 11 slows down this circumferential component of the exhaust gas flowing out of the impeller 2 by increasing the diameter in the exhaust diffuser according to the swirl law and converts it into pressure recovery with a very high degree of efficiency. The axial component of the exhaust gas is also converted into pressure recovery by expanding the area of the diffuser 1i. Since the pressure at the outlet of the diffuser corresponds approximately to the ambient pressure*, this makes it possible to increase the gradient available for the power turbine 1, since behind the impeller ?. a pressure below the ambient pressure is possible.

Zwischen dem Einlaßkanal und den Schaufeln 3 sind weiterhin Einlaßleitschaufeln 12 vorgesehen. Im einfachsten Fall können fest eingebaute Einlaßleitschaufeln 12 Verwendung finden. Wenngleich derartige Einlaßleitschaufeln nicht zwingend notwendig sind, ist es zweckmäßig sie vorzusehen. Hierdurch kann die gleiche Nutzturbine an unterschiedliche maximale Abgasmengen verschiedener Bfeflnkraftmäschinenanlagen angepaBt werden.Inlet guide vanes 12 are also provided between the inlet channel and the blades 3. In the simplest case, permanently installed inlet guide vanes 12 can be used. Although such inlet guide vanes are not absolutely necessary, it is advisable to provide them. This allows the same power turbine to be adapted to different maximum exhaust gas quantities from different combustion engine systems.

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Es besteht jedoch auch die Möglichkeit} wie beim AißfühTUngsbeispiel gezeigt, die Efniaßleitschaufeih 11 mittels Zapfen 13 drehbar zu lagern, AUf jeden Zapfen 13 ist dann ein Zahnrad 14 aufgesetzt, das mit einer innenverzahnung eines Stell ringes 15 kämmt. Am Stellring 15 ist eine Stell stange 16 ingelenkt, die einen Hydraulikkoiben 17 trägt. Ober den Mydraulikkolben 17 kann die Stell stange 16 bewegt und damit der Stellring 15 gedreht werden. Dies fUhrt zu einer Schwenkung der linlaßleitschaufeln IZ und damit zu einer vergrößerung bzw. Verkleinerung der freien Durchtrittsfläche für das Abgas. Hierdurch kann die Nutzturbine an die jeweils zur Verfügung stehende Abgasmenge, die der Abgasturbolader der Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht benötigt, angepaßt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die verstellbaren Einlaßleitschaufeln dazu zu benutzen, die Leistung der Nutzturbine in Abhängigkeit vom Strombedarf eines Stromnetzes, dessen Generator von der Nutzturbine angetrieben wird, anzupassen.However, it is also possible, as shown in the example, to mount the inlet guide vanes 11 so that they can rotate using pins 13. A gear 14 is then placed on each pin 13, which meshes with the internal teeth of an adjusting ring 15. An adjusting rod 16 is pivoted onto the adjusting ring 15, which carries a hydraulic piston 17. The adjusting rod 16 can be moved via the hydraulic piston 17, and thus the adjusting ring 15 can be rotated. This leads to a pivoting of the inlet guide vanes IZ and thus to an increase or decrease in the free passage area for the exhaust gas. This allows the power turbine to be adapted to the amount of exhaust gas available at any given time, which the exhaust gas turbocharger of the reciprocating piston internal combustion engine does not require. However, it is also possible to use the adjustable inlet guide vanes to adjust the output of the power turbine depending on the power requirements of a power grid whose generator is driven by the power turbine.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 vorgesehen, von deren Abgassamn*?,lleitung 21 eine Leitung 22 zu einer Laderturbine 23 abzweigt, die einen Verdichter 24 antreibt. Dabei bilden die Laderturbine 23 und der Verdichter 24 den Abgasturbolader.In the arrangement according to Fig. 2, a reciprocating piston internal combustion engine 20 is provided, from whose exhaust gas collection line 21 a line 22 branches off to a charger turbine 23, which drives a compressor 24. The charger turbine 23 and the compressor 24 form the exhaust gas turbocharger.

Another line 25 branches off from the exhaust gas collection line 21,

die sich in zwei Teilleitungen 26, 27 aufteilt. Die Teilleitungwhich is divided into two sub-lines 26, 27. The sub-line

&Idigr; 26 führt zu einer ersten Nutzturbine 28 und nimmt ein&Idigr; 26 leads to a first power turbine 28 and takes a

Shut-off element 29. The partial line 27 leads to a second Power turbine 30 and also accommodates a shut-off element 31.

Beide Nutzturbinen 28, 30 sind entsprechend demBoth power turbines 28, 30 are according to the

Embodiment according to Fig. 1. Each of the two Power turbines 28, 30 is a reduction gear 32, 33

nachgeschaltet. Die Ausgangswellen der beidenThe output shafts of the two

Untersetzungsgetriebe 32, 33 stehen über ein Sammelgetriebe 34 mit der Kurbelwelle 35 dev Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 in Verbindung.Reduction gears 32, 33 are connected via a collective gear 34 to the crankshaft 35 of the reciprocating piston internal combustion engine 20.

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Liefert die Hubaalbenbrennkraftmaschine 20 nur wenigIf the Hubaalbenbrennkraftmaschine 20 delivers only little

liberschlissiges Abgas, das die LadertUrbi'ne 23 zurexcessive exhaust gas, which the charger Urbi'ne 23 to

Aufrechterhaltung der Luftversorgung nicht benötigt» so wird lediglich das Absperrelement 29 gebffnet und damit die iutzturbine 28 beaufschlagt, Diese Nutzturbine kann daher optimal flir einen sehr kleinen AbgasdurChsatz ausgelegt werden. Steigt die von der Hubkolbenbrennkraftmaschine 20 zur Aufladung nicht »ehr benötigte Abgäsmenge, so wird zusätzlich das Absperrelement 31 geöffnet und damit die NUtztufBine 30 beäüfschlägt. Sei Aufteilung des liberschlissigen Abgases auf zwei Turbinen ergibt sich somit eine besonders gute Ausnutzung der Energie geringer Abgasliberschußmengeri. Außerdem kann floch eher als bei Verwendung von nur einer Nutzturbine auf Verstellbare Einläßleitschaufeln verzichtet werden,If the air supply is not required to maintain the air supply, only the shut-off element 29 is opened and the exhaust turbine 28 is thus actuated. This exhaust turbine can therefore be optimally designed for a very small exhaust gas throughput. If the exhaust gas quantity no longer required by the reciprocating piston internal combustion engine 20 for charging increases, the shut-off element 31 is also opened and the exhaust turbine 30 is thus actuated. The division of the excess exhaust gas between two turbines thus results in particularly good utilization of the energy of small excess exhaust gas quantities. In addition, adjustable inlet guide vanes can be dispensed with more quickly than when using only one exhaust turbine.

Claims

24.05.1988 1 GmB 1796 Protection claims:

1. Power turbine for a reciprocating piston internal combustion engine having an exhaust gas turbocharger, which is arranged parallel to the charger turbine, to which exhaust gas not required for operating the charger turbine can be fed and which delivers its power via a reduction gear, characterized in that the power turbine (1) is designed as a radial turbine with a ratio of the average inlet diameter to the average outlet diameter of the blades (3) of the impeller (2) of 1.6 to 1.8 to 1.

2. Power turbine according to claim 1 or 2, characterized in that an annular diffuser (11) with an axially flowing inlet opening is arranged downstream of the impeller (2).

3. Power turbine according to claim 2, characterized in that the diffuser (11) has an outlet opening through which the flow occurs approximately in the radial direction.

4. Power turbine according to one of the preceding claims, characterized in that two power turbines (28, 30) arranged parallel to one another and which can be switched on one after the other are provided.

5. Power turbine according to one of the preceding claims, characterized in that inlet guide vanes (12) are arranged upstream of the impeller (2) of the power turbine (1).

6. Power turbine according to claim 5, characterized in that the inlet guide vanes (12) are adjustable.

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