EP0086466B1

EP0086466B1 - Durchflussregelung für den Spiralgehäuse-einlass einer Radialturbine

Info

Publication number: EP0086466B1
Application number: EP83101306A
Authority: EP
Inventors: Merle Lavern Kaesser
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1982-02-16
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1987-05-27
Also published as: DE3371804D1; ES8402637A1; CA1206419A; BR8300621A; JPS58150028A; EP0086466A1; MX156452A; ES519793A0; ZA831015B; ATE27474T1; AU550503B2; AU9165882A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasturbine mit variabler Strömung, insb. zum Antrieb von Turboladern von Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine Turbine dieser Art ist aus der FR-A-1337865 bekannt. Bei dieser werden die Abgase durch zwei getrennte Leitungen einem geraden Eintrittsgehäuse zugeführt, an das der zum Turbinengehäuse gehörende Einlaßabschnitt anschließt, der bis zur Anschlußstelle des Spiralgehäuseabschnittes in einer Richtung entgegengesetzt der des Spiralgehäuseabschnittes gekrümmt verläuft. Im Eintrittsgehäuse beginnt eine Trennwand, die sich durch den Eingangsabschnitt bis in den Spiralgehäuseabschnitt erstreckt und jeweils den gleichen geraden bzw. gekrümmten Verlauf aufweist wie das Einlaßgehäuse, der Eingangsabschnitt bzw. der Spiralgehäuseabschnitt. Dadurch werden innere und äußere Strömungswege für die Abgase gebildet, die im Einlaßgehäuse und im Eingangsabschnitt etwa gleiche und gleichbleibende Querschnitte aufweisen. Der äußere Strömungsweg behält auch im Spiralgehäuseabschnitt bis zum Ende der Trennwand seine Querschnittsfläche im wesentlichen unverändert bei. Im Spiralgehäuseabschnitt enden die Trennwand und die Innenfläche des Spiralgehäuseabschnittes jeweils unmittelbar am äußeren Umfang eines festen gleichförmigen Leitschaufelabschnittes, der den Rotor umgibt. Der Leitschaufelkranz ist so ausgebildet, daß eine Leitschaufel eine annähernd tangential zum Umfang des Rotors verlaufende Verlängerung für das Ende der sich innerhalb des Spiralgehäuseabschnittes stetig dem äußeren Umfange des Leitschaufelkranzes nähernden Trennwand. Im geraden Eintrittsgehäuse ist ein umschaltbares ventilartiges Glied mit einer Betätigungseinrichtung vorgesehen. In einer Stellung dieses Gliedes ist der äußere Strömungsweg abgeschlossen, so daß die Gase aus den beiden Abgaszuleitungen sich mischen und ausschließlich dem inneren Strömungsweg zugeführt werden. Bei geöffnetem Ventilglied können dagegen die getrennt zugeführten Abgasströme nahezu unvermischt in den inneren bzw. den äußeren Strömungsweg eintreten. Durch den Verlauf der Trennwand im Spiralgehäuseabschnitt und durch den in diesem angeordneten Leitschaufelkranz ergibt sich, daß der innere Strömungsweg sowohl an der Übergangsstelle zwischen Eingangsabschnitt und Spiralgehäuseabschnitt wie auch im Bereich des radial äußeren Endes jeder Leitschaufel eine abrupte Querschnittsänderung aufweist, so daß sich die Querschnittsflächen bei zunehmender Annäherung der Trennwand an den Umfang des Leitschaufelkranzes die Querschnittsfläche nur im Mittel fortschreitend verringert. Eine abrupte Querschnittserweiterung erfährt auch der äußere Strömungskanal innerhalb des Spiralgehäuseabschnittes dort, wo die Trennwand am Umfang des Leitschaufelkranzes endet. Auch hier werden durch die Leitschaufeln die Querschnittsflächen des äußeren Strömungskanals in Höhe des jeweils radial äußeren Endes jeder Leitschaufel abrupt verändert.
In der FR-A-2465069 ist eine Abgasturbine beschrieben, bei der das Ende der Trennwand, die im Spiralgehäuseabschnitt den äußeren und den inneren Strömungsweg bildet, in Form einer etwa tangential am Umfang des Rotors anliegenden Leitflächenspitze ausgebildet ist. Der durch die Trennwand begrenzte äußere Strömungsweg nimmt in seiner Querschnittsfläche innerhalb des Spiralgehäuses seiner Breite nach ab und zwar stetig in Richtung zunehmender Annäherung dieses Strömungsweges bis hin unmittelbar an den Umfang des Rotors. Auch bei dieser bekannten Abgasturbine ist dem Spiralgehäuseabschnitt ein gerader Eingangsabschnitt zugeordnet, durch den bis zu seinem Eintrittsquerschnitt die Trennwand ebenfalls gerade verläuft. Im Bereich des Eintrittsquerschnittes des Eingangsabschnittes liegt ein Schieber, der so angeordnet ist, daß in einer Stellung der äußere Strömungsweg abgeschlossen ist, so daß die Gase aus der Zuleitung dem inneren Strömungsweg zugeführt werden. Bei geöffnetem Schieber kann dagegen die Abgasströmung in den inneren und den äußeren Strömungsweg eintreten. Wenn auch bei dieser bekannten Abgasturbine die Querschnitte der beiden Strömungswege in Strömungsrichtung abnehmen und die Strömung in beiden Strömungswegen direkt bis zum Umfang des Rotors geführt werden, zeigt die Praxis, daß die Effektivität der Abgasturbine nur über einen sehr begrenzten_' Arbeitsbereich groß ist, bei größeren Arbeitsbereichen jedoch rasch abnimmt.
Es ist ferner eine Turbine mit einem dem Turbinengehäuse zugeordneten geraden Eintrittsgehäuseabschnitt mit Trennwand und ventilartigem Glied bekannt, das dem inneren Strömungsweg zugeordnet ist (vgl. US-A-41 77 006). Bei dieser bekannten Anordnung weisen Eingangsabschnitt und Spiralgehäuseabschnitt des Turbinengehäuses eine weitere Trennwand auf, die sich etwa senkrecht zu der die inneren und äußeren Strömungswege trennenden Trennwand und zur Drehachse des Rotors erstreckt und sich vom Eintritt des Eingangsabschnittes bis zum Ende der ersten Trennwand reicht. Dieser zusätzliche Trennwandabschnitt hält die getrennt zugeführten Abgasströme bis zum Auftreffen auf den Rotor strikt getrennt. Bei dieser bekannten Ausbildung endet die den äußeren und inneren Strömungsweg begrenzende Trennwand in einem erheblichen Abstand vom äußeren Umfang des Rotors, so daß auch die Gasstromführung durch diese Trennwand im erheblichen Abstand vom Umfang des Rotors endet. Im Eintritt des inneren Strömungsweges ist ein Ventil vorgesehen, das den inneren Strömungsweg abschließen kann. Der innere Strömungsweg weist einen unstetigen, d. h. zunächst abnehmenden, dann zunehmenden und wieder abnehmenden Querschnitt auf.
Bei diesen Turbinen mit variabler Strömung kann durch Verstellung des Ventils und Veränderung der Größe der Eintrittsöffnung des einen Strömungskanals die Querschnittsfläche des Fluidströmungsweges verändert werden. Dadurch lassen sich Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes kompensieren, die durch den Betrieb der Brennkraftmaschine bei verschiedenen Drehzahlen und unter unterschiedlichen Belastungen auftreten können.
Eine solche Turbine mit variabler Strömung kann den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch Verwendung von Kompressoren vergrößern. Diese weisen eine hohe Effektivität bei begrenzter Geschwindigkeit und Belastung und eine geringe Effektivität bei Spitzendrehmomentleistungen der Brennkraftmaschine auf. Hier kann eine Kompensation durch die Veränderungsmöglichkeit der Leistung der Turbine mit variabler Strömung bei Spitzendrehmomenten erreicht werden. Auch sind Turbinen mit variabler Strömung effektiver bei Zuständen unterhalb der maximalen Geschwindigkeit und Belastung.
Es ist jedoch wünschenswert einen Turbolader in Verbindung mit einer Turbine von variabler Strömung zu erhalten, die höchste Effektivität über den gesamten Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Turbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß diese den zuletzt genannten Forderungen gerecht wird, so daß die von der zugehörigen Brennkraftmaschine erbrachte Leistung vergrößert werden kann. Dabei soll eine genauere Anpassung der Arbeitsweise der Turbine an den Bedarf und die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Versuche haben gezeigt, daß durch die neue gekrümmte Ausbildung des Eingangsabschnittes im Vergleich zu Turbinen mit geradem oder gegensätzlich gekrümmtem Eingangsabschnitt eine wesentlich höhere Effektivität über einen größeren Arbeitsbereich erreicht werden kann. Durch die Anordnung und den Verlauf der Trennwand im gekrümmten Eingangsgehäuseabschnitt und im Spiralgehäuseabschnitt und durch die dadurch bedingte stetige Verringerung der jeweiligen Querschnittsflächen der beiden Strömungswege läßt sich eine wesentlich genauere und effektivere Steuerung der Strömung der Gase über den gesamten Querschnitt erreichen. Durch die Verstellung des ventilartigen Gliedes kann so das Moment der Abgase genau eingestellt werden. Die Drosselverluste werden durch die neue Ausbildung wesentlich vermindert und dadurch die Effektivität der Turbine gesteigert. Auch die Strömungsgeschwindigkeit läßt sich mit hoher Genauigkeit einstellen. Wesentlich ist dabei, daß bei der neuen Ausbildung die Gasströme durch die Trennwand bis in unmittelbare Nähe des äußeren Umfanges des Rotors zwangsweise geführt werden. Ein Leitschaufelkranz ist nicht erforderlich. Insgesamt erhält man die Möglichkeit, über das ventilartige Glied den Wirkungsgrad der Turbine für eine vorbestimmte Drehmomentkurve und über einen gewünschten großen Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine zu variieren. Damit erreicht man eine Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine. Die neue Ausbildung gestattet auch die Verwendung eines Kompressors mit hohem Wirkungsgrad bei begrenzten Geschwindigkeiten der Brennkraftmaschine. Auch erzielt man ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Geschwindigkeiten.
Die zeitlich gleichrangige europäische Patentanmeldung EP-A-86467 (Art. 54.3) betrifft das Gehäuse einer Turbine für ähnliche Einsatzzwecke wie die vorliegende Turbine, wobei das Gehäuse jedoch auch für Turbinen mit fester Geometrie und unveränderlicher Strömung geeignet ist. Dabei geht es vor allem um einen in Strömungsrichtung kontinuierlich abnehmenden Krümmungsradius des Einlaßabschnittes des Gehäuses in der Weise, daß das relativ gleichförmige Strömungsprofil der Gase am Einlaß des gekrümmten Einlaßabschnittes in ein vorbestimmtes Wirbelgeschwindigkeits-Profil am Auslaß des gekrümmten Einlaßabschnittes umgewandelt wird.
Demgegenüber betrifft die vorliegende Erfindung eine Turbine mit veränderlicher Geometrie und damit veränderlichen Strömungsverhältnissen und um eine entsprechende Ausbildung und Anordnung der für diese Turbinen charakteristischen Trennwand, die sich über den Eingangsabschnitt und den Spiralgehäuseabschnitt erstreckt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der neuen Turbine ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Von besonderer Bedeutung ist dabei, wenn das ventilartige Glied so einstellbar ist, daß die Abgase, die durch den sekundären inneren Strömungsweg strömen gegen die Trennwand gelenkt werden können, da dabei auch bei teilweiser Durchströmung des inneren Strömungsweges der maximale Krümmungsradius besonders wirksam ist.
Es kommen auch besonders günstige Strömungsverhältnisse zustande, wenn die Strömungswege auch in dem gekrümmten Eingangsabschnitt vom Einlaß aus bis zum Eintritt in den Spiralgehäuseabschnitt jeweils eine stetig abnehmende Querschnittsfläche aufweisen.
Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Trennwand so angeordnet ist, daß der oder die äußeren Strömungswege und der oder die inneren Strömungswege im Bereich des gekrümmten Eingangsabschnittes in Richtung vom Anfang der Trennwand bis zum Eintritt in den Spiralgehäuseabschnitt jeweils einen abnehmenden Krümmungsradius aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen :

Figur 1 eine Seitenansicht einer Turbine gemäß der Erfindung.
Figur 2 einen Querschnitt durch die Turbine nach Figur 1.
Figur 3 einen Teilschnitt entlang der Schnittlinie 111-111 der Fig. 1.
Figur 4 eine Draufsicht auf den Fluideinlaß der Maschine mit Blickrichtung entlang der Pfeile IV-IV der Figur 2.
Figur 5 im Querschnitt und im Ausschnitt eine abgewandelte Ausführungsform der Turbine.
Figur 6 eine Stirnansicht des Einlasses mit Blickrichtung entlang der-Pfeile VI-VI der Fig. 5 und
Figur 7 einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie VII-VII der Figur 5.

Die in den Figuren, insb. Fig. 3, gezeigte Anordnung 10 umfaßt eine Turbine 11 mit variabler Strömung, die mit einem Kompressor 12 verbunden ist. Die ganze Anordnung 10 bildet einen Abgasturbolader.
Die Turbine weist ein Gehäuse 13 auf, das aus einem gekrümmten Einlaßabschnitt 14 und einem Spiralgehäuseabschnitt 16 besteht. Der gekrümmte Gehäuseabschnitt 14 ist ein bogenförmiger Teil, der mittels eines Flanschendes 18 über Bolzen und Bolzenlöcher 20 an den Abgasverteiler einer Brennkraftmaschine angeflanscht werden kann. Der gekrümmte Abschnitt 14 weist eine Winkelausdehnung von wenigstens 30° auf, vorzugsweise eine Ausdehnung zwischen 30 und 180°. Der bevorzugte Bereich für die Ausdehnung liegt zwischen 45° und 90°. Der gekrümmte Abschnitt 14 weist einen Einlaß 22 am Flanschende 18 auf und ist mit dem Spiralgehäuseabschnitt 16 am anderen Ende 24 verbunden. Der Spiralgehäuseabschnitt 16 weist eine Umfangsausdehnung von wenigstens 270° und vorzugsweise von etwa 360° auf. Der Bogen des Spiralgehäuseabschnittes 16 erstreckt sich um eine Achse, die senkrecht zum Papier nach Fig. 1 verläuft. Eine Verbindungswelle 26 verbindet drehbar einen Rotor 28 der Turbine mit einem Kompressorrad 30. Die Welle 26 rotiert um die Achse des Spiralgehäuses. Der Turbinenrotor 28, der in dem Gehäuse 13 eingeschlossen ist, weist mehrere in Umfangsrichtung in Abständen angeordnete Turbinenblätter oder Schaufeln 34 auf, die sich von der zentralen Achse in radialer Richtung nach außen erstrecken. Die besondere Form und Gestalt der Schaufeln 34 kann in bekannter Weise je nach Wunsch unterschiedlich sein. Das Turbinengehäuse 13 weist auch einen Auslaß 32 auf, der in Figur 3 zu sehen ist. Die Abgase einer Brennkraftmaschine werden in die Turbine 11 eingeleitet. Sie führen dazu, daß der Turbinenrotor 28 rotiert. Wenn der Rotor 28 umläuft wird das Kompressorrad 30 mitgenommen, und zwar über die Verbindungswelle 26. Das Kompressorrad 30 liefert auf diese Weise einen relativ hohen Ladedruck für die Brennkraftmaschine.
Nahe dem Fluideinlaß 22 ist ein Steuerventilglied 36 angeordnet. Dieses dient zur Steuerung der Gasströmung in dem Turbinengehäuse 13. Das Steuerventil 36 ist vorzugsweise ein Drehventil, das in der Innenfläche des gekrümmten Gehäuseabschnittes 14 eingepaßt ist. Das Ventil 36 weist einen Ventileinsatz 40 auf, der zwischen einer Offenstellung und einer geschlossenen Stellung bewegbar ist, um die Gasströmung durch die Turbine von variabler Strömung zu verändern und zu regeln. In der Offenstellung gemäß Fig. 2 liegt der Ventileinsatz 40 bündig mit der Innenfläche des gekrümmten Gehäuseabschnittes 14 und gestattet es so, daß die Abgase durch den gesamten gekrümmten Abschnitt 14 strömen. In der geschlossenen Stellung, die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, schränkt der Ventileinsatz 40 den Strömungsweg der Gase durch den gekrümmten Gehäuseabschnitt 14 ein. Das Ventil 36 wird durch eine Steuereinrichtung 42 über Stift 43 und Gestänge 44 betätigt. Die Steuereinrichtung 42 kann schwenkbar an einem Ende 46 an einer festen Stützeinrichtung 48 befestigt sein, so daß eine lineare Bewegung des Gestänges 44 in eine Drehbewegung des Steuerventils 36 umgesetzt wird. Es wird bemerkt, daß die Steuereinrichtung 42 manuell oder automatisch betätigt werden kann, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Steuereinrichtung 42 kann auch unterschiedlich ausgebildet werden, und zwar für im wesentlichen jede lineare oder nicht lineare Abhängigkeit auf Veränderungen von Maschinenparametern, z. B. der Arbeitsgeschwindigkeit, der Belastung, den Verteilereinlaßdruck, den Maschinenemissionen, der Rauchdichte der Abgase, welche die Maschine verlassen und in die Atmosphäre gelangen, von der Temperatur der Abgase oder von jeder Kombination dieser Faktoren. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung 42 auf Parameter abgestellt werden, z. B. die Geschwindigkeit des Turbinenrotors 28 und auf die Drosselstellung.
Von dem Steuerventil 36 erstreckt sich in beide Abschnitte des Turbinengehäuses 13 eine Teilerwand oder Trennwand 50. Die Trennwand 50 läuft in eine Spitze 52 aus, die annähernd tangential am äußeren Umfang des Turbinenrotors 28 liegt. Diese Trennwand 50 ist ein bogenförmiges Glied, das einstückig mit dem Turbinengehäuse ausgebildet sein kann und dazu dient das Turbinengehäuse 13 in einen inneren oder sekundären Fluidkanal 54 und in einen äußeren oder primären Fluidkanal 56 zu unterteilen. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 56 größer als die Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals 54. Insbesondere wird bevorzugt, wenn die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 56 annähernd dreimal so groß ist wie die Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals 54. Wenn die Querschnittsfläche des inneren und des äußeren Fluidkanals 54 bzw. 56 annähernd im Verhältnis von 1 : 3 stehen, schneidet der äußere Fluidkanal 56 annähernd dreimal so viel des Umfanges des Turbinenrotors 28 wie der innere Fluidkanal 54. Zusätzlich zu dieser Größendifferenz der Fluidkanäle 54 und 56 arbeitet die Trennwand 50 mit einer Innenfläche 58 des Spiralgehäuseabschnittes 16 zusammen, wie dies aus Figur 2 ersichtlich ist. Damit ergibt sich eine abnehmende Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 56. Vorzugsweise nehmen die Querschnittsflächen beider Fluidkanäle 54 und 56 über den ganzen gekrümmten Gehäuseabschnitt und über den Spiralgehäuseabschnitt 14 bzw. 16 konstant ab. Dieses Merkmal liefert eine relativ gleichförmige Geschwindigkeit der Abgase beim Auftreffen auf die Turbinenschaufeln 34. Ein Drehen des Steuerventils 36 aus der Offenstellung zu einer teilweise geschlossenen Stellung führt dazu, daß die Abgase nach außen in Richtung auf die Teilerwand 50 abgelenkt werden. Dadurch steigert sich die Geschwindigkeit der Abgase, die in den beiden inneren und äußeren Kanälen 54 und 56 strömen. Die vergrößerte Geschwindigkeit kombiniert mit dem vergrößerten Krümmungsradius der Massenströmung der Abgase führt zu einer Vergrößerung der Leistung der Turbine 11.
Eine weitere Drehung des Steuerventils 36 in die voll geschlossene Stellung, wie sie gestrichelt in Fig. 2 gezeigt ist, leitet alle strömenden Abgase durch den äußeren Kanal 56. Dies führt zu einer weiteren Vergrößerung sowohl der Geschwindigkeit als auch des durchschnittlichen Krümmungsradius der Massenströmung der Abgase und maximiert die Ausgangsleistung der Turbine 11.
Der gekrümmte Gehäuseabschnitt 14 wirkt mit einer Innenfläche 58 des Spiralgehäuseabschnittes 16 zusammen, um eine Zunge 60 mit einer Spitze 62 zu bilden. Die Spitze 62 liegt am entgegengesetzten Ende 24 des gekrümmten Gehäuseabschnittes 14, die durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. Sie liegt in unmittelbarer Nähe des Umfanges des Turbinenrotors 28 und vorzugsweise tangential zu dem äußeren Umfang des Rotors. Die Zungenspitze 62 liegt in einem Winkelabstand von etwa 90° von der Spitze 52 der Trennwand 50, so daß etwa 75 % des Umfangsbereiches des Turbinenrotors 28 zum äußeren Fluidkanal 56 hin freiliegt. Die Spitze 62 und die Innenfläche 58 steuern die Strömung der Abgase zwischen dem äußeren Umfang des Turbinenrotors 28 und der Zunge 60. Die Spitze 62 kontrolliert außerdem jede Strömung der Abgase im Uhrzeigersinne, welche Strömung pulsierende Wirkung auf den Turbinenrotor 28 hätte.
Es wird nunmehr bezug genommen auf die Figuren 5 bis 7. In diesen ist eine alternative Ausführungsform für eine Turbine mit variabler Strömung gezeigt. Diese weist ebenfalls ein Steuerventil 64 auf, welches quer über den inneren Strömungskanal 54 angeordnet ist. Das Steuerventil 64 weist einen Ventileinsatz 67 auf, der innerhalb des gekrümmten Gehäuseabschnittes 14 auf Dichtungen 65 über ein Steuergestänge 66 nach Fig. 7 betätigbar ist. Wenn das Steuerventil 64 gedreht wird, bewegt sich der Ventileinsatz 67 zwischen der Offenstellung und der geschlossenen Stellung. In der Offenstellung nach Fig. 5 ist der Ventileinsatz 67 bündig mit der Innenfläche des gekrümmten Abschnittes 14 und gestattet. daß Abgase durch sowohl den inneren als auch den äußeren Strömungskanal 54 bzw. 56 strömen. Durch Drehung des Ventileinsatzes 67 in Richtung auf die Trennwand 51 in eine teilweise geschlossene Stellung wird ein Teil des inneren Kanals 54 gesperrt. In der voll geschlossenen Stellung, die durch gestrichelte Linien in Fig. 5 angedeutet ist, blockiert der Ventileinsatz 67 die Abgase gegenüber dem inneren Fluidkanal 54 vollständig. Dies ermöglicht sowohl eine Zunahme der Gasgeschwindigkeit als auch eine Zunahme des durchschnittlichen Krümmungsradius der Massenströmung der Abgase. Dadurch wird die Ausgangsleistung der Turbine 11 erhöht. Die alternative Ausführungsform zeigt auch eine axiale Teilerwand 68, die nach Fig. 6 und 7 annähernd senkrecht zu der Trennwand 51 angeordnet ist und sich vom Fluideinlaß 22 in beiden Abschnitten 14 und 16 des Turbinengehäuses 13 nach innen erstreckt. Die axiale Teilerwand 68 unterteilt das Turbinengehäuse 13 in zwei axial getrennte Fluidströmungswege 70 und 72, wobei jeder dieser Strömungswege innere und äußere Strömungskanäle 54 und 56 aufweisen. Jeder der Strömungswege 70 und 72 ist in Fluchtung mit einer getrennten Abgasverteilerleitung, um zu verhindern, daß die pulsierenden Abgase sich mischen können, bevor sie auf die Turbinenschaufeln 34 auftreffen.
Die neue Turbine 11 arbeitet mit den Abgasen, die von dem Abgasverteiler einer Brennkraftmaschine durch die Strömungswege 54 und 56 geleitet werden und auf die Schaufeln 34 des Turbinenrotors 28 auftreffen. Der Turbinenrotor 28 wird mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die an die Geschwindigkeit und die Massenströmung der Abgase angepaßt ist. Die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrotors 28 wird in Bezug gesetzt zu den Arbeitsbedingungen der Brennkraftmaschine, z. B. in Bezug auf deren Geschwindigkeit und Belastung. Die Querschnittsströmungsfläche und Form der Strömungskanäle 54 und 56 ebenso wie die Form der Trennwand 50 beeinflußt die Geschwindigkeit der Abgase und hat somit auch eine Wirkung auf die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrotors 28. Durch eine Bemessung der Querschnittsströmungsfläche des äußeren Kanals 56 auf annähernd das Dreifache der Querschnittsströmungsfläche des inneren Kanals 54 und durch Verwendung eines gekrümmten Gehäuseabschnittes 14 in Strömungsrichtung vor dem Spiralgehäuseabschnitt 16 erhält man eine bessere Steuerung der Geschwindigkeit der Abgase. Durch Schließen des Steuerventils 36 kann eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Gase durch den äußeren Kanal 56 bei relativ niedrigen Arbeitsgeschwindigkeiten der Brennkraftmaschine erzielt werden. Wenn der innere Strömungskanal 54 blockiert ist muß die gesamte Gasströmung durch den äußeren Strömungskanal 56 passieren. Dies stellt sicher, daß eine ausreichende Gasgeschwindigkeit erzielt wird, um den Turbinenrotor 28 mit einer ausreichenden Geschwindigkeit anzutreiben, so daß das Kompressorrad 30 den Ladedruck für die Brennkraftmaschine steigern kann. Wenn die Geschwindigkeit oder die Belastung der Brennkraftmaschine zunehmen, nehmen auch die Geschwindigkeit und die Massenströmung der Abgase zu. An einem oberen Punkt der Drehmomentkurve der Maschine führen Geschwindigkeit und Massenströmung der Abgase dazu, daß der Turbinenrotor 28 so schnell dreht, daß entweder eine Komponente des Turboladers 10 kritische Arbeitsgrenzen überschreiten könnte und ausfällt oder der Turbolader könnte Ladedrücke erzeugen, die die Arbeitsgrenzen der Brennkraftmaschine übersteigen. Bevor irgend eines dieser Ereignisse auftritt wird das Steuerventil 36 in Richtung auf die Offenstellung gedreht, um zu ermöglichen, daß die eintretenden Abgase durch sowohl den inneren als auch den äußeren Strömungskanal 54 bzw. 56 fließen.
Durch teilweises Schließen des Steuerventils 36 wird die Gasströmung weiter weg von der zentralen Achse des Turbinenrotors 28 gelenkt. Dadurch wird der durchschnittliche Krümmungsradius der Massenströmung vergrößert. Die Geschwindigkeit nimmt ebenfalls zu aufgrund der Abnahme der Querschnittsfläche des gekrümmten Abschnittes 14. In jeder Stellung des Steuerventils 36 führt die Gasgeschwindigkeit senkrecht zum Krümmungsradius unmittelbar stromabwärts von dem Steuerventil 36 zu einem bestimmten Winkelmoment. Durch Schließen des Steuerventils 36 kann der Krümmungsradius des Massenflusses und die Geschwindigkeit der Abgasströmung vergrößert werden, so daß auch das Winkelmoment zunimmt. Diese Zunahme der durchschnittlichen Massengeschwindigkeit wird stromabwärts am Umfang des Turbinenrotors 28 annähernd gemäß folgender Formel festgestellt :
In dieser Gleichung bedeuten :

c die durchschnittliche Massengeschwindigkeit der Abgase.
K einen konstanten Wert, der durch die Werte c und R unmittelbar stromab des Steuerventils bestimmt wird und die den gewünschten Wert von c am Umfang des Turbinenrotors erzeugt, und
R der durchschnittliche Krümmungsradius der Massenströmung für die Abgase.

Die oben gegebene Gleichung läßt sich auf alle Turbinen anwenden, welche einen Spiralgehäuseabschnitt aufweisen, in dem Reibung und Kompressibilität vernachlässigbar sind.
Durch teilweises oder volles Schließen des Steuerventils 36 kann die Geschwindigkeit der Abgase, die auf die Schaufeln 34 des Turbinenrotors 28 treffen, vergrößert werden. Dies wiederum führt zu einer Vergrößerung des Energieüberschusses auf den Turbinenrotor 28 in Übereinstimmung mit der gut bekannten Turbinengleichung von Euler :
In dieser Gleichung bedeuten :

H die Energie, die pro Masseneinheit der Abgase auf den Turbinenrotor übertragen wird ;
U₁ die Geschwindigkeit der Turbinenschaufeln 34 am Umfang des Rotors 28 ;
C_U1 die Geschwindigkeit der Abgase tangential zum Umfang des Turbinenrotors 28 ;
C_u2 die durchschnittliche tangentiale Massengeschwindigkeit der Abgase bei Verlassen des Rotors 28 ;
U₂ die Geschwindigkeit der Turbinenschaufeln 34 im Bereich des durchschnittlichen Massenradius der strömenden Abgase bei Verlassen des Rotors 28 und
g_c die Schwerkraftkonstante.

Teilweise oder volles Schließen des Steuerventils 36 zur Vergrößerung der Geschwindigkeit des Turboladers vergrößert die Ladeluftströmung zur Brennkraftmaschine. Dies ermöglicht, daß mehr Kraftstoff in die Brennkraftmaschine zur Erzielung höherer Maschinendrehmomente und zur Verbesserung der Übergangsansprechempfindlichkeit injeziert werden kann, ohne daß die Abgasrauchdichtgrenzen überschritten werden. Für Maschinenbelastungen unterhalb der maximalen Drehmomentkurve kann das Steuerventil 36 so moduliert werden, daß eine optimale Kombination von Luft/Kraftstoffverhältnis und Druckdifferential über die Maschine bei maximaler Brennkraftmaschinenwirksamkeit erzielt werden kann. In gleicher Weise kann durch teilweise oder volles Öffnen des Steuerventils 36 bei hohen Maschinengeschwindigkeiten und Belastungen die Querschnittsfläche vergrößert und der durchschnittliche Krümmungsradius der Massenströmung verringert werden, um die Geschwindigkeit des Turboladers und den Ladedruck der Maschine zu überwachen.
Es sollte bemerkt werden, daß die leitschaufelfreien, düsenartigen Turbinen nach der Erfindung Strömungen von Abgasen verarbeiten können, deren Geschwindigkeiten oberhalb Mach I liegen, ohne daß Stoßprobleme auftreten. Diese Fähigkeit, absolute Geschwindigkeiten verarbeiten zu können, welche Überschallgeschwindigkeiten überschreiten, ist bei Turbinen mit Leitschaufeln nicht vorhanden.

Claims

1. Abgasturbine mit variabler Strömung, insb. zum Antrieb von Turboladern von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem um eine Achse drehbarem Rotor (28) mit einer Mehrzahl von im gegenseitigen Umfangsabstand angeordneten Rotorblättern (34), aus einem Turbinengehäuse (13), in dem der Rotor drehbar ist und das einen zum Rotor koaxialen Auslaß (32), einen Spiralgehäuseabschnitt (16) und einen gekrümmten Eingangsabschnitt (14) mit im Abstand von der Achse angeordnetem Einlaß (22) aufweist, aus einer Trennwand, die im Eingangsabschnitt (14) und im Spiralgehäuseabschnitt (16) einen äußeren und einen inneren Strömungsweg (56, 54) bildet, innerhalb des Spiralgehäuseabschnittes (16) im gleichen Sinne wie dieser Spiralgehäuseabschnitt gekrümmt ist und so im Spiralgehäuseabschnitt (16) angeordnet ist, daß eine etwa tangential am äußeren Umfang des Rotors (28) liegende, den äußeren und den inneren Strömungsweg getrennt haltende feste Leitflächenspitze (52) gebildet wird und der innere Strömungsweg (54) innerhalb des Spiralgehäuseabschnittes (16) bis unmittelbar zum Umfang des Rotors (28) hin eine bei zunehmender Annäherung dieses Strömungsweges (54) an den Rotor abnehmende Querschnittsfläche aufweist, sowie aus einem ventilartigen Glied (36) mit Betätigungseinrichtung zur Veränderung des Einströmquerschnittes eines der beiden Strömungswege im Eingangsabschnitt (14), dadurch gekennzeichnet, daß der sich zwischen seinem Anschluß (18) an den Abgasverteiler der Brennkraftmaschine und dem Anschluß an den Spiralgehäuseabschnitt (16) erstreckende Eingangsabschnitt (14) und der im Eingangsabschnitt (14) liegende Teil der Trennwand (50) im gleichen Sinne gekrümmt sind, wie der Spiralgehäuseabschnitt (16), daß die Trennwand (50) sich in dem Spiralgehäuseabschnitt (16) so erstreckt, daß ihr Ende selbst die etwa tangential am Umfang des Rotors (28) liegende Leitflächenspitze (52) bildet und die Querschnittsflächen des äußeren Strömungsweges (56) wie auch die des inneren Strömungsweges (54) innerhalb des Spiralgehäuses bis hin unmittelbar an den Umfang des Rotors (28) heran in Richtung zunehmender Annäherung des Strömungsweges an den Rotor (28) stetig abnehmen, und daß das ventilartige Glied (36) dem inneren Strömungsweg (54) so zugeordnet ist, daß bei Bewegen des ventilartigen Gliedes (36) in Richtung auf die den inneren Strömungsweg (54) abschließende Stellung sowohl der durchschnittliche Krümmungsradius der Massenströmung als auch die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase zunehmen.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangsabschnitt (14) die Querschnittsfläche des äußeren Strömungsweges (56) größer als die des inneren Strömungsweges (54) ist.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangsabschnitt (14) die Querschnittsfläche des äußeren Strömungsweges (56) etwa dreimal so groß ist wie die Strömungsfläche des inneren Strömungsweges (54).

4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Strömungsweg (56) annähernd dreimal so viel vom Umfang des Rotors (28) schneidet wie der innere Strömungsweg (54).

5. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Eingangsabschnitt (24) sich über einen Bogenwinkel, gemessen entlang der Krümmung des Eingangsabschnittes (14), zwischen etwa 30° und etwa 180° erstreckt.

6. Turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Eingangsabschnitt (14) sich über einen Bogenwinkel zwischen etwa 45° und etwa 90° erstreckt, und zwar gemessen entlang der Krümmung des Eingangsabschnittes (14).

7. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (40) des gekrümmten Eingangsabschnittes (14) und die Innenfläche (58) des Spiralgehäuseabschnittes (26) eine Zunge (60) am Eintritt in den Spiralgehäuseabschnitt (16) bilden, die sich etwa tangential zum Rotorumfang erstreckt und die mit Ihrer Spitze (62) etwa am äußeren Rotorumfang anliegt, und daß sich der gekrümmte Eingangsabschnitt (14) über einen Bogenwinkel von mindestens 30°, gemessen entlang der Krümmung des Eingangsabschnittes (14),' und der Spiralgehäuseabschnitt (26) über eine Bogenlänge von mindestens 270°, gemessen entlang der Krümmung des Spiralgehäuseabschnittes, erstreckt, und daß die beiden Innenflächen (40, 48) konvergieren und die Spitze (52) der Trennwand (50) um eine Bogenlänge, gemessen entlang der Krümmung des Spiralgehäuseabschnittes, von etwa 90° gegenüber dem Ende (62) der Zunge (60) versetzt ist.

8. Turbine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ventilartige Glied (36 bzw. 64) in jede Stellung zwischen einer ersten Stellung, in der der innere Strömungsweg (54) für die Fluidströmung voll geöffnet ist, und einer zweiten Stellung einstellbar ist, in der der innere Strömungsweg (54) gegenüber der Fluidströmung abgesperrt ist.

9. Turbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ventilartige Glied (36 bzw. 64) so einstellbar ist, daß die Abgase, die durch den sekundären inneren Strömungsweg (54) strömen, gegen die Trennwand (50, 51) gelenkt werden.

10. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Trennwandabschnitt (68) vorgesehen ist, der sich etwa senkrecht zur der Trennwand (50) bzw. (61) erstreckt und vom Einlaß aus in das Gehäuse ragt, um dieses in zwei axial nebeneinanderliegende und voneinander getrennte Strömungswege zu unterteilen, deren jeder einen äußeren Strömungsweg und einen inneren Strömungsweg aufweisen.

11. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege auch in dem gekrümmten Eingangsabschnitt (14) vom Einlaß (22) aus bis zum Eintritt in den Spiralgehäuseabschnitt (16) jeweils eine stetig abnehmende Querschnittsfläche aufweisen.

12. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die äußeren Strömungswege und der oder die inneren Strömungswege im Bereich des gekrümmten Eingangsabschnittes (14) in Richtung vom Anfang des Trennwand (50, 51) bis zum Eintritt in den Spiralgehäuseabschnitt (16) jeweils einen abnehmenden Krümmungsradius aufweisen.