DK155843B

DK155843B - Apparat til regulering af en udstoedsgasturboladersturbineindloebstvaersnit

Info

Publication number: DK155843B
Application number: DK314784A
Authority: DK
Inventors: Juerg Weber
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1984-06-27
Publication date: 1989-05-22
Also published as: EP0130408B1; US4571154A; DE3466572D1; EP0130408A1; DK155843C; JPS6013925A; DK314784D0; DK314784A; JPH0475370B2

Description

i

DK 155843 B

Opfindelsen angår et apparat i en udstødsgasturbolader til regulering af turbineindløbstværsnittet som angivet i krav l's indledning.

Ved drift af en motor under dellast formindskes udstødsgasmængden, 5 hvilket ved et uændret indløbstværsnit til en udstødsgasturbolader medfører, at ladetrykket formindskes. Derved får motoren en for lille mængde luft, hvorved udstødsgastemperaturen og faren for en ufuldstændig forbrænding stiger. For at motoren under sådanne forhold skal kunne arbejde uden forstyrrelser, skal turbinens ind-10 løbstværsnit kunne tilpasses under driften, således at der fås et nogenlunde konstant ladetryk og en røgfri drift i hele regulerings-området.

Et sådant apparat til regulering af strømningstværsnittet kendes fra 15 EP-A 93 462.

En indstillelig ringskyder muliggør her en trinløs ændring af turbineindløbstværsnittet. Indstillingen af ringskyderen sker ved aksialforskydning. Ringskyderen føres i en cylindrisk boring i gas-20 huset, hvilket medfører, at der mellem ringskyderen og huset skal være et radialt spillerum. For at forhindre udstødsgasser i at undvige, er ringskyderens føring forsynet med en labyrinttætning.

Føringen af en forholdsvis kort cylindrisk skyder i en boring i 25 huset kan medføre vanskeligheder i form af fastklemning af skyderen.

En anden ulempe er, at der på grund af de mod hinanden glidende deles høje temperatur ikke kan undgås friktionstab og slid af delene.

30 Et andet apparat af den indledningsvis nævnte art kendes fra DE-C 903 052. Dette apparat har til regulering af turbinens ydelse en i udstødsgassernes strømningsretning foran radialturbine anbragt ring, der kan forskydes ved hjælp af en ikke nærmere beskrevet stangmekanisme og virker som et variabelt opstemningsorgan > for 35 udstødsgasserne.

Fra US-A 4 214 850 kendes yderligere et apparat af den indledningsvis nævnte art. Også her er der, set i udstødsgassernes strømningsretning, foran radial turbinen anbragt en aksi alt forskydelig ring,

DK 155843B

2 der betjenes over en mekanisme bestående af en trykcylinder, en betjeningsstang, en arm og en aksel.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et apparat til regule-5 ring af turbineindløbstværsnittet, ved hvilket reguleringsorganet føres så let forskydeligt og nøjagtigt som muligt.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at et apparat af den indledningsvis nævnte art udformes med de i krav l's kendetegnende 10 del angivne ejendommeligheder.

De ved hjælp af opfindelsen opnåede fordele består hovedsageligt i, at der fås en for den berøringsfrie aftætning fordelagtig quasi-trans!atorisk føring af reguleringsorganet, og at ringl edarmenes med 15 ringe friktion arbejdende led befinder sig i et område med lavere temperatur. Dersom ringledarmene og reguleringsorganet er anbragt i trykrummet i et trykhus, opnås den fordel, at der ved gennemføringen for drivakslen kun ligger en eneste dynamisk belastet tætning mod omgivelserne. Dermed er tætningsproblemet reduceret væsentligt. Ved 20 rigtig dimensionering af den anden ringledarms vægtstangsarm opnås, at reguleringsorganets bevægelsesbane kun afviger uvæsentligt fra en transiatorisk ligeføring af dette.

På tegningen er to udførelseseksempler på opfindelsen anskueliggjort 25 i forenklet form. På tegningen viser:

Fig. 1 et længdesnit gennem en udstødsgasturboladers radialturbine med et cylindrisk reguleringsorgan, fig. 2 et tværsnit efter linien A-A i fig. 1, 30 fig. 3 et tværsnit efter linien B-B i fig. 1, fig. 4 en anden radialturbine med en i aksial retning indstillelig begrænsningsvæg i den spiralformede indløbskanal, og fig. 5 et tværsnit efter linien X-X i fig. 4. » 35 I tegningens figurer er ens dele betegnede med samme henvisningsbetegnelser. Arbejdsmediets strømningsretninger er vist med pile.

Den i fig. 1 viste radial turbine er over en gasindløbsåbning 9

DK 155843 B

3 sluttet til en ikke vist udstødsgasledning til en motor. Turbine-akslen 1 er lejret i turbinehuset 4 og bærer et med løbeskovie 3 forsynet turbinenav 2. Foran radial turbinen er anbragt et i aksi al retning forskydeligt reguleringsorgan 6 til ændring af turbineind-5 løbstværsnittet. Den ende af reguleringsorganet 6, der rager ind i turbinens strømningskanal, er afrundet af hensyn til strømningsforholdene. Den helt åbne stilling af reguleringsorganet 6 svarer til den maksimale bredde E af turbineindløbskanalen.

10 Den maksimale aksialforskydning S af reguleringsorganet bestemmes af bredden af motorens reguleringsområde. Det er vigtigt, at formindskelsen af turbineindløbstværsnittet afstemmes på en sådan måde, at den absolutte gasindstrømningshastighed i turbinen forbliver tilnærmelsesvis konstant i hele omløbstalområdet.

15

Ifølge opfindelsen er reguleringsorganet 6 ophængt i to koncentrisk med turbineaksen anbragte ringledarme 7,8. Den nærmest turbinen værende første ringledarm 7's vægtstangsarm Rj er længere end den anden ringledarm 8's vægtstangsarm R£. Herved dannes der en trapez- 20 formet ledfirkant, der ligger i et plan, som indeholder turbineaksen. Længden af vægtstangsarmene R^ og Rg, deres indbyrdes aksi ale afstand C samt den første ringledarm 7's afstand D fra det sted af reguleringsorganet 6, der skal tættes, er afstemt på en sådan måde, at reguleringsorganet 6's bevægelsesbane kun afviger minimalt fra en 25 translatorisk ligeføring af reguleringsorganet. Til turbinehuset 4 er sluttet et trykhus 5 med en gasudløbsåbning 10. Trykhuset 5's rotationssymmetriske inderdel 5' er udformet som en hul, koaks i al t anbragt cylinder. Dennes mod turbinen vendende endedel er profileret strømningskonform og bestemmer bredden E af turbineindløbskanalen.

30 Trykhuset 5 indeholder et trykrum 5".

Ringledarmene 7,8 og reguleringsorganet 6 er anbragt i trykhuset 5's trykrum 5", hvor de befinder sig i området med lavere temperaturer.

35 Denne anbringelse af ringledarmene 7,8 og reguleringsorganet 6 i trykhuset 5's trykrum 5" har den fordel, at de gennemføringer i turbinens under gastryk stående turbinestrømningskanal, der skal tættes mod atmosfæren, er begrænset til et minimum. Kun ledbolten 14's lejring skal tættes. Hertil anvendes en almindelig akseltætning 16.

5 4

DK 155843B

Ringledarmen 8's vægtstangsarm Rg kan fortrinsvis i afhængighed af andre indflydelsesstørrelser bestemmes som følger: i d - (|)2 . /-- •W- ------- + ^ tRr/Ri2 - Φ2] (C + D) * [Rl - - (|)2] 10 I 2 s 2 1

Formlen gælder tilnærmelsesvis for Ri ~ \JRi d = 0,'°5.

Symbolerne betyder: 15 D ringledarmen 7's aksiale afstand fra stedet, der skal tættes.

5 den maksimale aksi al forskydning af reguleringsorganet 6.

C den aksiale afstand mellem ringl edarmene.

Rj ringledarmen 7's vægtstangsarm.

20 Reguleringsorganet 6 forskydes berøringsfrit med dets cylindriske indad åbne flade langs den udadvendende cylindriske flade af trykhuset 5's inderdel 5'. Reguleringsorganet 6 forskydes ligeledes berøringsfrit med dets cylindriske udad åbne flade langs den cylindriske flade af den i turbinehuset 4 udformede aksiale boring.

25 Radial spalten mellem trykhuset 5's inderdel 5' og reguleringsorganet 6 samt radial spalten mellem turbinehuset 4 og reguleringsorganet 6 skal være så lille som mulig, idet der ellers på grund af den i turbineindløbskanalens omkredsretning optrædende trykgradient og trykdifferensen over reguleringsorganet 6 ville opstå strømningstab 30 og en intensiv hvirvel dannelse i motorens udstødsgasser i trykrummet 5". Hvirvel dannelsen i motorens varme udstødsgasser i trykrummet 5" ville kunne have negative følger for virkningen af den trapez-formede ledfirkants led.

> 35 Det i fig. 2 viste tværsnit viser den længste ringledarm 7. Denne ringl edarm 7 er forneden lejret i trykhuset 5 ved hjælp af en hængsel bolt 12. Reguleringsorganet 6 er drejeligt ophængt foroven i ringledarmen 7 ved hjælp af en hængsel bolt 11.

DK 155843 B

5

Fig. 3 viser et tværsnit efter linien B-B i fig. 1. Den anden ringl edarm 8 er her ved hjælp af en todelt hængsel bolt 14, der er fast forbundet med en betjeningsarm 15, ligeledes lejret i trykhuset 5. Hængselbolten 14 har en akseltætning 16 ved sin nærmest betje-5 ningsarmen 15 beliggende lejring. Reguleringsorganet 6 er drejeligt ophængt foroven i ringl edarmen 8 ved hjælp af en hængsel bolt 13.

Virkemåden af apparat ifølge opfindelsen er som følger:

Ved drift af motoren under fuldlast befinder reguleringsorganet 6 10 sig i åben stilling som vist i fig. 1. Ved reduceret motorlast formindskes udstødsgastrykket foran turbinen. Reguleringsorganet 6 forskydes nu automatisk eller manuelt ind i strømningskanalen, hvorved afstanden E mellem reguleringsorganet 6 og huset 4 og dermed turbineindløbstværsnittet formindskes. I tilfælde af en automatisk 15 styring af reguleringsorganet 6 kan f.eks. motorens udstødsgastryk anvendes som styrestørrelse.

Forskydningen af reguleringsorganet 6 er ved mindstelast af motoren indtegnet med stiplede linier i fig. 1 og betegnet med S.

20

Mekanismen til betjening af reguleringsorganet 6 er en trapezformet rumlig ledfirkant, hvis drejningspunkter udgøres af to i huset 5's indre med dette fast forbundne hængsel bol te 12,14 og i hver sin af de to ringledarme 7,8 anbragte bolte 11,13. Ved drejning af betje-25 ningsarmen 15, der er fast forbundet med bolten 14, som igen er fast forbundet med ringl edarmen 8, drejes bolten 14 og ringl edarmen 8 med den samme drejningsvinkel som betjeningsarmen 15. Bolten 13 bevæger sig herunder i en cirkelbueformet bane med en radius R£ om hængsel -bolten 14. Denne bevægelse overføres til reguleringsorganet 6, 30 hvorved reguleringsorganet 6 forskydes i tilnærmelsesvis aksi al retning. Da reguleringsorganet 6 er ophængt drejeligt i ringledarmen 7 ved hjælp af hængsel bol ten 11, drejes også ringledarmen 7, dog med en noget mindre vinkel, i samme retning som ringledarmen 8, hvorunder hængselbolten 11 bevæges i en cirkelbueformet bane med en radius 35 Rj om hængsel bol ten 12. Da radius R^ er mindre end Rj, vil den mod turbinen vendende ende af reguleringsorganet 6 ved en drejningsbevægelse af de to ringledarme 7,8 i retningen mod turbinerotoren 2,3 blive hævet opad fra dens nedadgående cirkelbane, således at bevægelsen af reguleringsorganet 6 kun kommer til at afvige minimalt fra

DK 155843B

6 en ren parallelforskydning. Forskydningen af reguleringsorganet kan derfor anses at være næsten retliniet.

Den i fig. 4 viste radialturbine adskiller sig fra radial turbinen ifølge fig. 1 ved, at reguleringsorganet 6 er udformet som en forskydelig begrænsningsvæg af den i turbinehuset 4 anbragt spiralformede strømningskanal. Den til den spiralformede strømningskanal passende form af reguleringsorganet 6 er i fig. 5 vist med en streg-priklinie. Indstillingsmekanismen er her fuldstændig identisk med den i fig. 1 viste.

Fordelen ved opfindelsen består navnlig i, at der opnås en præcis og med ringe friktion arbejdende quasi-translator!sk føring af reguleringsorganet 6 med berøringsfri aftætning, ved hvilken slid og driftsforstyrrelser i det væsentlige er elimineret, og apparatets levetid er forlænget.

Naturligvis omfatter opfindelsen også andre typer af turbiner, der f.eks. er forsynede med et delvis radialt gennemstrømmet turbinele-deapparat og med et i aksial retning forskydeligt reguleringsorgan.

Claims

1. Apparat i en udstødsgasturbolader til regulering af turbineindløbstværsnittet og i det væsentlige bestående af et reguleringsorgan (6), der, set i udstødsgassernes strømningsretning, er anbragt i strømningskanalen til udstødsgasturboladerens turbine foran udstødsgasturboladerens løbeskovie (3) og på aftættet måde er forskydeligt med værdien (S) i forhold til turbinens strømningskanal, samt af en mekanisme til betjening af reguleringsorganet (6), kendetegnet ved, at reguleringsorganet (6) er ophængt i to koncentrisk med turbineaksen i aksial afstand fra hinanden anbragte ringledarme (7,8), at den nærmest turbinen værende første ringledarms (7) vægtstangsarm (Rj) er længere end den anden ringledarms (8) vægtstangsarm (R2), og der derved dannes en i et plan, der indeholder turbineaksen, beliggende trapezformet ledfirkant, at længden af vægtstangsarmene (Rj, R2), deres gensidige aksiale afstand (C) og den første ringledarms (7) afstand (D) fra det sted mellem turbinens strømningskanal og reguleringsorganet (6), der skal tættes, er afstemt på en sådan måde i forhold til hinanden, at reguleringsorganets (6) bevægelsesbane kun afviger minimalt fra en translatorisk ligeføring af dette.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ringl edarmene (7,8) og reguleringsorganet (6) er anbragt i trykrummet af et trykhus (5).

3. Apparat ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at den anden ringledarms (8) vægtstangsarm (R^) i afhængighed af andre indflydelsesstørrelser bestemmes som følger: k2 -i - <2> — - Hr- tvik2 - Φ2] (C + D) * [R1 - ^R12 - (§)2] idet formlen tilnærmelsesvis gælder for r1 - ^R.,2 - <§)2 ^ = 0,05