FI128190B - Turboahdin - Google Patents

Abstract

Keksinnön kohteena on turboahdin, joka käsittää kompressorikotelon (10), kompressorikotelon sisällä olevan kompressoripyörän (12), ensimmäisen turbiinikotelon (14), ensimmäisen turbiinikotelon sisällä olevan ensimmäisen turbiinipyörän (16), jolla on säde r1, toisen turbiinikotelon (18), toisen turbiinikotelon sisällä olevan toisen turbiinipyörän (20), jolla on säde (r2) ja akselin (22), jolle kompressoripyörä, ensimmäinen turbiinipyörä ja toinen turbiinipyörä on järjestetty. Ensimmäinen turbiinipyörä ja toinen turbiinipyörä ovat olennaisesti erikokoisia.

Description

Keksinnön kohteena on turboahdin, joka käsittää kompressorikotelon, kompressorikotelon sisällä olevan kompressoripyörän, ensimmäisen turbiinikotelon, ensimmäisen turbiinikotelon sisällä olevan ensimmäisen turbiinipyörän, jolla ensimmäi5 sellä turbiinipyörällä on säde, toisen turbiinikotelon, toisen turbiinikotelon sisällä olevan toisen turbiinipyörän, jolla toisella turbiinipyörällä on säde, ja akselin, jolle akselille kompressoripyörä, ensimmäinen turbiinipyörä ja toinen turbiinipyörä on järjestetty.

Polttomoottoreiden, erityisesti dieselmoottoreiden, tehoa ja hyötysuhdetta voidaan 10 parantaa ahtimen avulla. Moottorin pakokaasusta käyttövoimansa saava pakokaasuahdin, ns. turboahdin, käsittää kompressorikotelon, jonka sisällä on kompressoripyörä, ja turbiinikotelon, jonka sisällä on turbiinipyörä, sekä kompressoripyörää ja turbiinipyörää yhdistävän akselin. Moottorista purkautuva pakokaasu pyörittää turbiinipyörää, jolloin kompressoripyörä ahtaa ilmaa moottorin imuputkiston ja imu15 sarjan kautta sylintereihin. Turboahtimen ansiosta sylintereihin voidaan johtaa enemmän ilmaa ja polttoainetta, jolloin moottorin teho ja hyötysuhde kasvavat.

Turboahtimen heikkoutena on, että se alkaa tuottaa riittävästi ahtopainetta vasta, kun moottorin kierrosluku on noussut riittävän korkealle. Tämä ilmiö tunnetaan turbon viiveenä. Turboahtimen viiveeseen voidaan vaikuttaa turbiini- ja kompres20 sorikoteloiden ja niissä olevien siipipyörien, ts. turbiinipyörän ja kompressoripyörän, siipien muotoiluilla. Jos turboahdin suunnitellaan toimimaan hyvin moottorin matalilla kierroksilla, sillä ei saavuteta maksimaalista tehoa moottorin korkeilla kierrosluvuilla. Vastaavasti, jos ahdin mitoitetaan toimimaan optimaalisesti korkeilla moottorin kierrosluvuilla, turbon viiveen pituus kasvaa. Yleensä turboahtimen 25 suunnittelussa joudutaankin tekemään kompromissi ylä- ja alakierrosten toimivuuden välillä.

Turboahtimen toimivuutta eri kierrosluvuilla voidaan parantaa myös käyttämällä turbiinipyörinä muuttuvasiipisiä siipipyöriä. Tällaiset ahtimet ovat kuitenkin teknisesti monimutkaisia ja valmistus-ja huoltokustannuksiltaan kalliita.

Julkaisussa US 4339922 on esitetty turboahdin, jossa turbiiniosaan kuuluu kaksi turbiinikoteloa, joissa kummassakin on oma turbiinipyörä. Molemmat turbiinipyörät on yhdistetty kompressoripyörän kanssa samaan akseliin. Pakokaasun virtausta moottorista turbiineihin ohjataan venttiileillä siten, että moottorin matalilla kierrosluvuilla pakokaasua johdetaan vain toiseen turbiinikoteloon ja pakokaasun paineen

20185535 prh 04-01- 2019 kasvaessa pakokaasua ohjataan molempiin turbiinikoteloihin pyörittämään molempia turbiinipyöriä. Julkaisussa US 4339922 kuvatulla ratkaisulla voidaan laajentaa turboahtimen toimivuutta moottorin eri kierroslukualueilla, mutta edelleen ahdin toimii optimaalisesti varsin kapealla moottorin kierroslukualueella.

Keksinnön tavoitteena on tuoda esiin turboahdin, jolla voidaan vähentää tunnettuihin turboahtimiin liittyviä ongelmia. Keksinnön mukaiset tavoitteet saavutetaan turboahtimella, jolle on tunnusomaista mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön kohteena on turboahdin, joka käsittää kompressorikotelon, kompressorikotelon sisällä olevan kompressoripyörän, ensimmäisen turbiinikotelon, ensimmäisen turbiinikotelon sisällä olevan ensimmäisen turbiinipyörän, jolla on säde, toisen turbiinikotelon, toisen turbiinikotelon sisällä olevan toisen turbiinipyörän, jolla on säde, ja akselin, jolle kompressoripyörä, ensimmäinen turbiinipyörä ja toi15 nen turbiinipyörä on järjestetty. Keksinnön mukaisessa turboahtimessa ensimmäinen turbiinipyörä ja toinen turbiinipyörä ovat olennaisesti erikokoisia.

Keksinnön mukaisen turboahtimen eräässä edullisessa suoritusmuodossa toisen turbiinipyörän säde on ainakin 20 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän säde, edullisesti ainakin 35 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän säde, 20 edullisimmin ainakin 50 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän säde. Turbiinipyörän säteellä on kaksi erisuuruista pituutta; tulopuolen pituus (Inducer) ja jättöpuolen pituus (Exducer). Turbiinipyörän säteellä tarkoitetaan tässä selostuksessa nimenomaan turbiinipyörän jättöpuolen säteen pituutta.

Keksinnön mukaisen turboahtimen eräs toinen edullinen suoritusmuoto käsittää 25 lisäksi ensimmäisessä turbiinikotelossa olevan ensimmäisen sisääntulonielun, toisessa turbiinikotelossa olevan toisen sisääntulonielun, ensimmäiseen sisääntulonieluun johtavan ensimmäisen pakokaasukanavan, toiseen sisääntulonieluun johtavan toisen pakokaasukanavan ja venttiilin, jolla toinen pakokaasukanava on suljettavissa. Sulkemalla toiseen pakokaasukanavaan johtava venttiili, voidaan kaikki 30 moottorista tuleva pakokaasu ohjata virtaamaan ensimmäiseen turbiinikoteloon pyörittämään kooltaan pienempää ensimmäistä turbiinipyörää.

Keksinnön mukaisen turboahtimen vielä eräässä edullisessa suoritusmuodossa ensimmäisessä turbiinikotelossa on jättöreikä pakokaasun ulosvirtausta varten ja turboahtimessa on lisäksi jättöreiästä toiseen pakokaasukanavaan, venttiilin

20185535 prh 12 -06- 2018 ja toisen sisääntulonielun väliselle osuudelle, johtava kiertokanava. Kiertokanavaa pitkin ensimmäisestä turbiinikotelosta poistuva pakokaasu voidaan johtaa edelleen toiseen turbiinikoteloon.

Keksinnön etuna on, että mahdollistaa ahtopaineen nousun pienemmillä moottorin 5 kierrosluvuilla ilman, että moottorin teho korkeilla kierrosluvuilla pienenee. Keksintö parantaa siten moottorin hyötysuhdetta ja nostaa moottorin tehoa.

Lisäksi keksinnön etuna on, että se mahdollistaa pakokaasun takaisinkierrätyksen tehostamisen erityisesti dieselmoottoreissa nostamalla pakosarjan puolella vaikuttavaa painetta matalilla kierrosluvuilla, jolloin pakokaasun virtaus pakosarjasta 10 imusarjaan mahdollistuu.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkinomaisesti erästä keksinnön mukaista turboahdinta periaatekuvana.

Kuvassa 1 on esitetty esimerkinomaisesti eräs keksinnön mukainen turboahdin periaatekuvana. Kuvassa turboahtimella tarkoitetaan laitekokonaisuutta, joka sijoittuu katkoviivalla piirretyn suorakaiteen sisäpuolelle. Suorakaiteen rajaaman alueen ulkopuolelle jäävä moottori 48 ja siihen kuuluvat osat eivät kuuluu keksinnön mukaiseen turboahtimeen.

Turboahdin käsittää kompressohkotelon 10 ja kaksi turbiinikoteloa; ensimmäisen turbiinikotelon 14 ja toisen turbiinikotelon 18. Kompressohkotelon sisällä on kompressohpyörä 12, ensimmäisen turbiinikotelon sisällä on ensimmäinen turbiinipyörä 16 ja toisen turbiinikotelon sisällä on toinen turbiinipyörä 20. Kompressoripyörä ja turbiinipyörät on kiinnitetty samalle akselille 22 siten, että kaikki akselilla olevat 25 pyörät pyörivät akselin kanssa samalla kierrosnopeudella. Kompressoripyörä ja turbiinipyörät ovat tunnetun tekniikan mukaisia turboahtimissa käytettäviä siipipyöriä, joiden rakennetta ei ole kuvattu tässä esityksessä tarkemmin.

Kompressorikotelossa 10 on imuaukko 40, jonka kautta kompressorikotelossa pyörivä kompressoripyörä 12 imee ilmaa imukotelon sisään. Kompressohkotelon 30 seinämässä on poistoaukko 42, jonka jatkeena olevan imukanavan 44 kautta ilma pääsee virtaamaan imusarjaan 46 ja edelleen moottorin 48 sylintereihin. Ensimmäisen turbiinikotelon 14 seinämässä on ensimmäinen sisääntulonielu 24, ja toisen turbiinikotelon 18 seinämässä on toinen sisääntulonielu 26. Ensimmäisellä

20185535 prh 12 -06- 2018 turbiinipyörällä on säde n, ja toisella turbiinipyörällä on säde Γ2. Turbiinipyörän säteellä tarkoitetaan tässä selostuksessa turbiinipyörän jättöpuolen säteen pituutta. Keksinnön mukaisessa turboahtimessa ensimmäinen turbiinipyörä on olennaisesti pienempi kuin toinen turbiinipyörä, ts. ensimmäisen turbiinipyörän säde on olen5 naisesti pienempi kuin toisen turbiinipyörän säde. Toisen turbiinipyörän säde on siten ainakin 20 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän säde. Edullisesti toisen turbiinipyörän säde on ainakin 35 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän säde. On jopa ajateltavissa, että toisen turbiinipyörän säde voi olla ainakin 50 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän säde. Ensimmäisen turbii10 nipyörän säde voi olla välillä 20-35 mm ja toisen turbiinipyörän säde voi olla välillä 25-50 mm.

Ensimmäisen turbiinikotelon 14 sisääntulonielun jatkeena on ensimmäinen pakokaasukanava 34 ja toisen turbiinikotelon 18 sisääntulonielun jatkeena on toinen pakokaasukanava 36. Ensimmäinen ja toinen pakokaasukanava yhdistyvät yh15 deksi kanavaksi, joka liittyy moottorin pakosarjaan 50. Polttoaineen ja ilman palamisessa syntyvä pakokaasu pääsee näin poistumaan moottorin sylintereistä pakosarjan ja pakokaasukanavien kautta ensimmäiseen turbiinikoteloon ja toiseen turbiinikoteloon. Ensimmäisen ja toisen pakokaasukanavan haarautumiskohdassa on venttiili 28, jolla voidaan sulkea toinen pakokaasukanavan kokonaan. Venttiilin 20 avautumista ja sulkeutumista säädetään toimilaitteella 29. Ensimmäisessä turbiinikolossa on vielä jättöreikä 52, jonka kautta pakokaasu pääsee poistumaan turbiinikotelosta. Jättöreikään on liitetty kiertokanava 32 siten, että kiertokanavan ensimmäinen pää liittyy jättöreikään ja toinen pää liittyy toiseen pakokaasukanavaan 36 venttiilin 28 ja toisen sisääntulonielun 26 väliselle osuudelle. Pakokaasu pää25 see siten virtaamaan ensimmäisestä turbiinikotelosta kiertokanavaa ja toista pakokaasukanavaa pitkin toiseen turbiinikoteloon 18, josta se poistuu jättöreiän 52 läpi kuvassa esittämättömään pakoputkeen.

Kuva 1 esittää keksinnön mukaista turboahdinta tilanteessa, jossa turboahtimeen liitettyä moottoria 50 käytetään matalalla kierrosluvulla. Tällöin toimilaitteella 29 30 ohjataan venttiili 28 sulkemaan toinen pakokaasukanava 36, jolloin kaikki moottorin sylintereissä syntyvä pakokaasu ohjataan ensimmäiseen turbiinikoteloon 14 pyörittämään ensimmäistä turbiinipyörää 16. Ensimmäisen turbiinipyörän pyöriminen saa kompressoripyörän 12 pyörimään, jolloin ahtopaine ja moottorin teho kasvaa. Pienikokoinen ensimmäinen turbiinipyörä on mitoitettu pyörimään jo moottorin 35 pienillä kierrosluvuilla, jolloin turboahdin ’’herää” tuottamaan ahtopainetta nopeasti, ts. turbon viive on pieni. Pakokaasu poistuu ensimmäisestä turbiinikotelosta kier tokanavan 32 ja toisen pakokaasukanavan 36 kautta toiseen turbiinikoteloon ja edelleen jättöreiän kautta pakoputkistoon.

Kun moottorin kierrosluku nousee riittävän korkealle, ensimmäisen turbiinikotelon tai turbiinipyörän koko alkaa rajoittaa pakokaasun virtausta ja pakosarjan paine 5 nousee suhteessa imusarjan paineeseen. Tällöin toimilaite 29 avaa venttiilin 28 kuvassa katkoviivalla viivalla piirrettyyn asentoon, jolloin pakokaasua pääsee virtaamaan pakosarjasta 50 suoraan myös toiseen turbiinikoteloon 18 pyörittämään toista turbiinipyörää 20. Venttiilin oikean avautumishetken määrittämistä varten pakosarjan ja venttiilin välisellä kanavaosuudella on paineanturi 54, jolla mitataan 10 pakokaasun painetta kanavassa. Pakokaasun paineen kasvaessa asetetun kynnysarvon yläpuolelle toimilaite 29 avaa toiseen pakokaasukanavaan johtavan venttiilin. Toisessa turbiinikotelossa pyörivä suurikokoinen toinen turbiinipyörä tuottaa ahtopainetta hyvin moottorin korkeilla kierrosluvuilla, jolloin moottorin teho myös korkeilla kierrosluvuilla paranee.

Edellä on selostettu eräitä keksinnön mukaisen turboahtimen edullisia suoritusmuotoja. Keksintö ei rajoitu edellä selostettuihin ratkaisuihin, vaan keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin patenttivaatimusten asettamissa rajoissa.

Claims (4)

1. Turboahdin, joka käsittää kompressorikotelon (10), kompressorikotelon (10) sisällä olevan kompressoripyörän (12), ensimmäisen turbiinikotelon (14), ensimmäisen turbiinikotelon (14) sisällä olevan ensimmäisen turbiinipyörän (16), jolla

5 ensimmäisellä turbiinipyörällä (16) on säde (n), toisen turbiinikotelon (18), toisen turbiinikotelon (18) sisällä olevan toisen turbiinipyörän (20), jolla toisella turbiinipyörällä (20) on säde (Γ2), ja akselin (22), jolle samalle akselille (22) kompressoripyörä (12), ensimmäinen turbiinipyörä (16) ja toinen turbiinipyörä (20) on järjestetty, tunnettu siitä, että ensimmäinen turbiinipyörä (16) ja toinen turbiinipyörä (20) 10 ovat olennaisesti erikokoisia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdin, tunnettu siitä, että toisen turbiinipyörän (20) säde (Γ2) on ainakin 20 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän (16) säde (n), edullisesti ainakin 35 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyörän (16) säde (n), edullisimmin ainakin 50 % suurempi kuin ensimmäisen turbiinipyö-

15 rän (16) säde (n).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen turboahdin, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi ensimmäisessä turbiinikotelossa (14) olevan ensimmäisen sisääntulonielun (24), toisessa turbiinikotelossa (18) olevan toisen sisääntulonielun (26), ensimmäiseen sisääntulonieluun (24) johtavan ensimmäisen pakokaasukanavan

20 (34), toiseen sisääntulonieluun (26) johtavan toisen pakokaasukanavan (36) ja venttiilin (28), jolla toinen pakokaasukanava (36) on suljettavissa.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen turboahdin, tunnettu siitä, että ensimmäisessä turbiinikotelossa (14) on jättöreikä (52) pakokaasun ulosvirtausta varten ja turboahtimessa on lisäksi jättöreiästä (52) toiseen pakokaasukanavaan (36), vent-

25 tiilin (28) ja toisen sisääntulonielun (26) väliselle osuudelle, johtava kiertokanava (32).