CZ290761B6

CZ290761B6 - Axiální turbína turbodmýchadla na výfukové plyny

Info

Publication number: CZ290761B6
Application number: CZ19971377A
Authority: CZ
Inventors: Josef Ing. Bättig; Rudolf Ing. Ricanek
Original assignee: Abb Schweiz Holding Ag
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 2002-10-16
Also published as: DE19618313B4; PL319718A1; US5934868A; KR970075265A; DE19618313A1; EP0806547A1; JP2956834B2; JPH1047011A; CN1170810A; CZ137797A3; CN1086770C; EP0806547B1; KR100695644B1; DE59704833D1

Abstract

kolem °e en je vytvo°it jednoduchou a ekonomicky v²hodnou vnit°n ochranu proti prora en pro axi ln turb nu turbodm²chadla na v²fukov plyny. Sou asn se m zv² it funk n spolehlivost turbodm²chadla na v²fukov plyny. Toho se dosahuje t m, e pojistn² prstenec (8) proti prora en je vytvo°en jako integr ln , v podstat radi ln upraven sou st st ny (5) na vstupn stran plynu v²stupn sk° n (2) plynu a je spojen bu p° mo nebo prost°ednictv m proti proudu uspo° dan ho axi ln ho prodlu ovac ho kusu (6) se vstupn sk° n (1) plynu.\

Description

Axiální turbína turbodmychadla na výfukové plyny

Oblast techniky

Vynález se týká axiální turbíny se spalovacím motorem spojeného turbodmychadla na výfukové plyny.

Dosavadní stav techniky

Rozhodující kritérium pro zvýšení výkonu spalovacích motorů, které jsou opatřeny turbodmýchadly na výfukové plyny, je plnicí tlak, který vytváří kompresor turbodmýchadla na výfukové plyny. Pokud se plnicí tlak zvýší, lze do válců stlačit více vzduchu a tak zdokonalit výkon spalovacího motoru. Aby se dosáhlo vysokých plnicích tlaků, otáčejí se v současnosti nasazovaná trubodmýchadla na výfukové plyny se značně vysokými obvodovými rychlostmi. Zejména u větších turbodmýchadel na výfukové plyny to má za následek tu skutečnost, že je možné zlomky protlačované oběžné lopatky zadržet, že je možné zlomky protlačované oběžné lopatky zadržet ve skříni turbíny jen prostřednictvím velmi nákladných konstrukčních opatření. Na podkladě větších hmotností případných zlomků se tento problém zvětšuje ještě u tak zvaných integrálních turbín, protože jejich turbínové kotouče a oběžné lopatky jsou vyrobeny z jednoho kusu.

U známých turbodmýchadel na výfukové plyny s axiální turbínou je turbínový kotouč axiálně ve výstupní skříni plynu a jeho oběžné lopatky jsou navenek omezeny krycím prstencem ve tvaru difuzoru. V extrémním případě je turbínový kotouč axiální turbíny uspořádán uprostřed výstupní skříně plynu, viz článek M. Appel a kol. na téma „Turbodmychadla vysokého specifického výkonu...“ v MTZ 54(1993)6, obr. strana 288. Protože u tohoto řešení je v radiálním směru za tenkým krycím prstencem ve tvaru difuzoru přímo upravena vnější stěna výstupní skříně plynu, případně komínu, není při prasknutí oběžné lopatky nebo turbínového kotouče prakticky žádný odpor proti navenek s vysokou rychlostí vymrštěným úlomkům. Tak může dojít k proražení vnější stěny turbodmýchadla a tím i k ohrožení osob nebo k poškození sousedních součástí strojů.

Aby se tomu zabránilo, jsou turbodmýchadla na výfukové plyny často opatřena vnější ochranou proti proražení. Takové, na vnější straně axiální turbíny upravené krycí ústrojí je však velmi pracné a tím také drahé. Z DE-A1—42 23 496 je známá také vnitřní ochrana proti proražení pro axiální turbínu. K. tomu účelu je na skříni turbíny upevněn ochranný prstenec, který je uspořádán axiálně v oblasti turbínového kotouče. Radiálně je tento ochranný prstenec uspořádán mezi stěnou skříně a mezi turbínovým kotoučem, a to v nepatrném odstupu od jeho oběžné roviny. Takový samostatný ochranný prstenec proti proražení však vyžaduje kromě montážních nákladů také přídavné výrobní náklady, což opět zvyšuje celkové náklady turbodmýchadla na výfukové plyny.

Dále je z konstrukční řady turbodmýchadel MAV B&W NA, která je uvedena ve firemním prospektu D366002/2E „NA-type turbochargers with axial turbines“ str. 5, obr. 4, známý pojistný prstenec proti proražení, který je vytvořen jako v podstatě radiálně upravená součást na vstupní straně plynu upravené stěny výstupní skříně plynu. Tento pojistný prstenec proti proražení je prostřednictvím po proudu uspořádaného axiálního prodlouženého kusu spojen jak se vstupní skříní plynu, tak i s výstupní skříní plynu. K tomu je prostřednictvím relativně dlouhé příruby realizováno komplikované, to znamená nákladné spojení prodlužovacího kusu se vstupní skříní plynu. Takové spojovací elementy, které jsou uspořádány v bezprostředním sousedství skrz turbínu protékajících horkých výfukových plynů spalovacího motoru jsou však vystaveny vysokým tepelným pnutím a také jsou proto značně ohroženy odtrháváním. Tím je ohrožena funkční spolehlivost takového turbodmýchadla na výfukové plyny a jeho životnost je zmenšena.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za úkol odstranit všechny uvedené nedostatky. Podle vynálezu se má vytvořit jednoduchá a ekonomicky výhodná vnitřní ochrana proti proražení pro axiální turbínu turbodmýchadel na výfukové plyny. Současně má být zvýšena funkční bezpečnost tohoto turbodmýchadla na výfukové plyny.

Vytčený úkol se řeší u axiální turbíny tím, že pojistný prstenec proti proražení je vytvořen jako integrální, v podstatě radiálně upravená součást stěny na vstupní straně plynu výstupní skříně plynu. K tomu je pojistný prstenec proti proražení spojen buď přímo, nebo prostřednictvím proti proudu uspořádaného axiálního prodlužovacího kusu se vstupní skříní plynu.

Na podkladě tohoto vytvoření přejímá na vstupní straně plynu upravená stěna výstupní skříně plynu funkci ochrany proti proražení pro turbínový kotouč. Tak není k tomuto účelu potřebná žádná samostatná konstrukční součást, čímž se uspoří jak náklady, tak i doba potřebná pro montáž. Mimoto lze spojení pojistného prstence proti proražení se vstupní skříní plynu vytvořit velmi krátké a kompaktní, to znamená, že jej lze realizovat jednoduše a optimálně z hlediska pnutí. Tak se sníží náklady na turbodmýchadlo na výfukové plyny zvýší se jeho funkční bezpečnost.

Podle prvního výhodného provedení axiální turbíny podle vynálezu sestává stěna na vstupní straně plynu výstupní skříně plynu alespoň z axiálního prodlužovacího kusu, z převážně radiálně kněmu upraveného výstupního hrdla plynu, jakož i z pojistného prstence proti nárazu. Ten spojuje prodlužovací kus s výstupním hrdlem plynu.

Ze tří dílů vytvořená, na vstupní straně plynu upravená stěna výstupní skříně plynu s výhodou umožňuje jak relativně krátkou axiální turbínu, tak i relativně jednoduchou vstupní skříň plynu.

Zvláště účelná je ta skutečnost, když pojistný prstenec proti proražení má axiální délku, případně radiální výšku, které odpovídají nejméně zhruba šířce, případně nejméně zhruba polovině výšky oběžné lopatky. Tak je ve vnější oblasti turbínového kotouče obvodově uspořádaný pojistný prstenec proti proražení vytvořen relativně masivně. V případě havárie narazí zlomky rozlámaných oběžných lopatek na axiálně v jejich oblasti uspořádaný pojistný prstenec proti proražení a předají na něj největší část své kinetické energie. Tak je možné předejít proražení vnější stěny turbodmýchadla a tím i ohrožení osob nebo poškození těch částí strojů, které jsou upraveny v sousedství.

Zvláště výhodně odpovídají axiální délka, případně radiální výška pojistného prstence proti proražení zhruba šířce, případně výšce oběžné lopatky. Takto zvětšený pojistný prstenec proti proražení má lepší ochranný účinek. Může tak totiž zachycovat nejen zlomky prorážejících oběžných lopatek, ale také zlomky turbínového kotouče. Každé další zvětšení axiální délky, případně radiální výšky pojistného prstence proti prorážení zvyšuje bezpečnost při haváriích.

Výstupní hrdlo plynuje vytvořeno proti pojistnému prstenci proti proražení navenek kuželovité rozšířené, čímž se dosáhne rovnoměrně zvětšeného průtokového průřezu. Proto působí hrdlo pro výstup plynů jako difuzor, což vede ke zlepšení účinnosti turbíny.

Alternativně k prvnímu provedení axiální turbíny podle vynálezu může stěna na vstupní straně plynu výstupní skříně plynu sestávat jen z axiálního prodlužovacího kusu a z pojistného prstence proti proražení, který je uspořádán po proudu od prodlužovacího kusu. Stěna na vstupní straně plynu výstupní skříně plynu však může být také vytvořena z pojistného prstence proti proražení a z převážně radiálně upraveného výstupního hrdla plynu. To vede k podstatě jednoduššímu vytvoření výstupní skříně plynu.

-2CZ 290761 B6

Přehled obrázků na výkresech

Axiální turbína turbodmýchadla na výfukové plyny podle vynálezu je v dalším podrobněji popsána na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí.

Na obr. 1 je schematicky znázorněn dílčí podélný řez turbodmýchadla na výfukové plyny v oblasti axiální turbíny.

Na obr. 2 je znázorněn druhý příklad provedení ve vyobrazení, které odpovídá obr. 1.

Na obr. 3 je znázorněn třetí příklad provedení ve vyobrazení, které odpovídá obr. 1.

Na výkresech jsou znázorněny jen ty podstatné elementy, které jsou nutné pro porozumění vynálezu. Neznázoměna je například kompresorová stěna turbodmýchadla na výfukové plyny. Směr proudění pracovního prostředí je označen šipkami.

Příklady provedení vynálezu

Axiální turbína turbodmýchadla na výfukové plyny má skříň 3 turbíny, která je tvořena vstupní skříní £ plynu a výstupní skříní 2 plynu, které jsou navzájem spojeny spojovacími elementy 4, vytvořenými jako šrouby. Výstupní skříň 2 plynu má stěnu 5 na vstupní straně plynu a stěnu na straně kompresoru, která není znázorněna. Stěna 5 na vstupní straně plynu je vytvořena ze tří částí. Sestává z prodlužovacího kusu 6, který je upraven axiálně a navazuje na vstupní skříň £ plynu, z k němu převážně radiálně upraveného výstupního hrdla 7 plynu a z pojistného prstence 8 proti proražení. Prodlužovací kus 6 a výstupní hrdlo 7 plynu jsou navzájem spojeny prostřednictvím pojistného prstence 8 proti proražení. Výstupní hrdlo 7 plynuje proti pojistnému prstenci 8 proti proražení rozšířeno kuželovité radiálně navenek, jak je to patrno z obr. 1.

Ve skříni 3 turbíny je uspořádán turbínový kotouč 10 s oběžnými lopatkami 11, který je unášen hřídelem 9. Turbínový kotouč 10 je navenek omezen krycím prstencem 12, vytvořeným jako difuzor, který je sám o sobě upevněn prostřednictvím příruby 13 a šroubů 14 na stěně 5 na vstupní straně plynu výstupní skříně 2 plynu, případně na pojistném prstenci 8 proti proražení. Mezi turbínovým kotoučem 10 a skříní 3 turbíny je vytvořen průtokový kanál 15, který přejímá spaliny neznázoměného, s turbodmýchadlem spojeného Dieselová motoru a vede je dále k oběžným lopatkám 11 turbínového kotouče £0. Je samozřejmé, že s turbodmýchadlem může být spojen také jiný spalovací motor. Ve směru proti proudu od běžných lopatek 11 je v průtokovém kanálu 15 uspořádán dýzový prstenec 16 a je axiálně upnut mezi krycím prstencem 12 a mezi vstupní skříní £ plynu.

Pojistný prstenec 8 proti proražení, který je vytvořen jako integrální součást stěny 5 na vstupní straně plynu výstupní skříně 2 plynu je uspořádán axiálně v oblasti turbínového kotouče £0 a v nepatrném radiálním odstupu od běžné roviny jeho oběžných lopatek ££. Přitom má axiální délku 17, případně radiální výšku £8, které jsou větší než šířka, případně výška oběžných lopatek ££.

Pokud dojde v průběhu provozu turbodmýchadla na výfukové plyny k rozlomení oběžné lopatky 11, jsou její úlomky vymrštěny proti pojistnému prstenci 8 proti proražení. Ten zachytí největší část jejich kinetické energie. Vzhledem, ke svému masivnímu vytvoření dojde jen k nepatrné deformaci pojistného prstence 8 proti proražení, takže není třeba vyměňovat výstupní skříň 2 plynu. Při použití v jeho radiální výšce 18 zvětšeného pojistného prstence 8 proti proražení mohou být dokonce zachyceny úlomky rozlámaného turbínového kotouče 10 bez ohrožení osob a v okolí uspořádaných strojových částí.

Na podkladě radiálně vnějšího kuželovitého rozšíření výstupního hrdla 7 plynu proti pojistnému prstenci 8 proti proražení se vytvoří zvětšený průtokový průřez pro spaliny, které se rozpínají v axiální turbíně a přicházejí od Dieselová motoru, spojeného s turbodmýchadlem. Tím působí výstupní hrdlo 7 plynu jako difuzor, což vede k lepší účinnosti turbíny.

U druhého a u třetího příkladu provedení je stěna 5 na vstupní straně plynu výstupní skříně 2 plynu vytvořena jednodušší, to znamená jen ze dvou dílů. K tomu účelu buď není upraveno žádné výstupní hrdlo 7 plynu, jak je to znázorněno na obr. 2, nebo žádný prodlužovací kus 6, jak je to znázorněno na obr. 3, přičemž v posledním případě je vstupní skříň 1 plynu příslušného prodloužena. Funkce obou řešení je v podstatě analogická s prvním příkladem provedení. Je přirozeně také možné, když se neupraví výstupní hrdlo 7 plynu a prodlužovací kus 6 realizovat jednodílnou stěnu 5 na vstupní straně plynu výstupní skříně 2 plynu, což není znázorněno.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Axiální turbína turbodmýchadla na výfukové plyny, která sestává hlavně ze vstupní skříně plynu, z výstupní skříně plynu se stěnou na vstupní straně plynu, z oběžného turbínového kotouče svíce oběžnými lopatkami, a z pojistného prstence proti proražení, který je uspořádán radiálně vně od běžných lopatek v nepatrném radiálním odstupu od jejich oběžné roviny, jakož i v axiální oblasti turbínového kotouče, vyznačující se tím, že pojistný prstenec (8) proti proražení je vytvořen jako integrální, v podstatě radiálně upravená součást (5) na vstupní straně plynu výstupní skříně (2) plynu a je spojen buď přímo, nebo prostřednictvím proti proudu uspořádaného axiálního prodlužovacího kusu (6) se vstupní skříní (1) plynu.
2. Axiální turbína podle nároku 1,vyznačující se tím, že stěna (5) na vstupní straně plynu výstupní skříně (2) plynu sestává alespoň z axiálního prodlužovacího kusu (6), z převážně radiálně kněmu upraveného výstupního hrdla (7) plynu, jakož i z pojistného prstence (8) proti proražení, který spojuje prodlužovací kus (6) s výstupním hrdlem (7) plynu.
3. Axiální turbína podle nároku 2, vyznačující se tím, že výstupní hrdlo (7) plynu je vytvořeno proti pojistnému prstenci (8) proti proražení navenek kuželovité rozšířené.
4. Axiální turbína podle nároku 1,vyznačující se tím, že stěna (5) na vstupní straně plynu výstupní skříně (2) plynu sestává alespoň z axiálního prodlužovacího kusu (6) a z pojistného prstence (8) proti proražení, který je uspořádán po proudu od prodlužovacího kusu (6).
5. Axiální turbína podle nároku 1,vyznačující se tím, že stěna (5) na vstupní straně plynu výstupní skříně (2) plynu sestává alespoň z pojistného prstence (8) proti proražení a z převážně radiálně upraveného výstupního hrdla (7) plynu.
6. Axiální turbína podle jednoho z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že pojistný prstenec (8) proti proražení má axiální délku (17), případně radiální výšku (18), které odpovídají nejméně zhruba šířce, případně nejméně zhruba polovině výšky oběžné lopatky (11).
7. Axiální turbína podle nároku 6, v y z n a č u j í c í se t í m , že axiální délka (17), případně radiální výška (18) pojistného prstence (8) proti proražení odpovídají zhruba šířce, případně výšce oběžné lopatky (11).
8. Axiální turbína podle nároku 6, v y z n a č u j í c í se t í m , že axiální délka (17), případně radiální výška (18) pojistného prstence (8) proti proražení jsou vytvořeny větší než šířka, případně výška jedné oběžné lopatky (11).