DE102013001231B4

DE102013001231B4 - Abgasführung einer Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System und Turbocompound-System

Info

Publication number: DE102013001231B4
Application number: DE102013001231.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vogel
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-01-26
Also published as: DE102013001231A1

Abstract

Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) für ein Turbocompound-System, wobei die Abgasnutzturbine (3) ein in einem Abgasstrom (2) positioniertes Turbinenrad (11) aufweist, das eine axiale Abströmrichtung (14) aufweist, sowie eine Turbinenwelle (12), die das Turbinenrad (11) trägt; 1.1 mit einem Abströmkanal (15) für den aus dem Turbinenrad (11) ausströmenden Abgasstrom (2), wobei der Abströmkanal (15) eine innere Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) aufweist, um die Turbinenwelle (12) radial von außen zu umschließen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.2 der Abströmkanal (15) einen in einem röhrenförmigen Querschnitt (19) mündenden, um die Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) verlaufenden Spiralkanal (18) aufweist, derart, dass der aus dem Turbinenrad (11) ausströmende, in dem Abströmkanal (15) geführte Abgasstrom (2) in seiner Hauptströmungsrichtung im gesamten Abströmkanal (15) axial ausgerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Abgasführung einer Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System sowie ein Turbocompound-System im Einzelnen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12.
Zur Ausbildung eines Turbocompound-Systems, insbesondere in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, wie es die vorliegende Erfindung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform betrifft, wird eine Abgasnutzturbine in dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors positioniert, um im Abgasstrom enthaltene Abgasenergie in Antriebsenergie umzuwandeln und auf die Antriebswelle des Verbrennungsmotors, die in der Regel in Form einer Kurbelwelle ausgebildet ist, zurückzuführen. Eine solche Abgasnutzturbine kann beispielsweise der Abgasturbine eines Turboladers, der zur Turboaufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, im Abgasstrom nachgeschaltet sein, jedoch kommen auch andere Positionen in Betracht, beispielsweise im Abgasstrom in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasturbine des Turboladers, oder auch als einzige Turbine im Abgasstrom.
Abgasnutzturbinen für ein Turbocompound-System, wie sie die vorliegende Erfindung betrifft, weisen eine axiale Abströmungsrichtung auf, das heißt der Abgasstrom tritt in Richtung der Drehachse der das Turbinenrad tragenden Turbinenwelle aus der Abgasnutzturbine beziehungsweise aus dem Turbinenrad aus. Da jedoch zugleich die Turbinenwelle in dieser Axialrichtung hinter dem Turbinenrad positioniert ist, muss der aus dem Turbinenrad ausströmende Abgasstrom radial außen um die Turbinenwelle geführt werden.
Herkömmlich wurde hierfür ein torusförmiger Ringkanal in Axialrichtung hinter dem Turbinenrad als Abströmkanal vorgesehen, der den in Axialrichtung aus dem Turbinenrad ausströmenden Abgasstrom über dem gesamten Umfang des Turbinenrades sammelt und anschließend über einen Krümmer, der an einer vorgegebenen Stelle des Umfangs des Ringkanals an diesem angeschlossen ist, zur Weiterleitung an ein Abgasrohr übergibt. Der über seinem gesamten Umfang ununterbrochene ringröhrenförmige Abströmkanal lenkt das aus dem Turbinenrad ausströmende Abgas zunächst in Radialrichtung um, bevor das in ihm strömende Abgas aufgrund der Sammelwirkung des Ringkanals eine Umfangskomponente in Unfangsrichtung der Turbinenwelle aufgeprägt bekommt und somit im Zentrum des Ringkanals in Richtung zur Anschlussstelle des Krümmers strömt und in den Krümmer eintritt. Eine solche Gestaltung mit einem torusförmigen Ringkanal wird in GB 2 440 343 A gezeigt.
Obwohl die Rückgewinnung der Abgasenergie in Antriebsenergie oder zur Turboaufladung des Verbrennungsmotors günstig im Hinblick auf den Wirkungsgrad und damit den Verbrauch des Verbrennungsmotors ist, ist mit jeder im Abgasstrom positionierten Turbine ein Druckverlust verbunden, sodass die Anzahl der in einem Abgasstrom nutzbringend einbringbaren Turbinen begrenzt ist beziehungsweise in Betriebszuständen mit geringerem Abgasdruck die gewünschte Energierückführung nicht mehr in ausreichendem Maße sichergestellt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasführung für eine Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System der eingangs dargestellten Art anzugeben, bei welchem der Druckverlust des Abgasstromes in der Abgasnutzturbine beziehungsweise der dem Turbinenrad nachgeschalteten Abgasführung reduziert werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Abgasführung für eine Abgasnutzturbine mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Turbocompound-System mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Eine erfindungsgemäße Abgasführung für eine Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System ist für eine Abgasnutzturbine vorgesehen, die ein in einem Abgasstrom positioniertes Turbinenrad umfasst, das eine axiale Abströmungsrichtung aufweist. Ferner ist eine Turbinenwelle vorgesehen, die das Turbinenrad trägt.
Die erfindungsgemäße Abgasführung weist einen Abströmkanal für den aus dem Turbinenrad ausströmenden Abgasstrom auf, wobei der Abströmkanal eine Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle beziehungsweise die dort eingebrachte Turbinenwelle radial von außen, in der Regel nur auf einem beziehungsweise dem ersten Teil ihrer axialen Länge ausgehend vom Turbinenrad umschließt.
Erfindungsgemäß wird der Abströmkanal nun abweichend von dem herkömmlichen torusförmigen Ringraum durch einen in einem röhrenförmigen Querschnitt mündenden, um die Turbinenwelle beziehungsweise die Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle verlaufenden Spiralkanal gebildet.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Abströmkanals kann erreicht werden, dass der aus dem Turbinenrad ausströmende, in dem Abströmkanal geführte Abgasstrom in seiner Hauptströmungsrichtung im gesamten Abströmkanal axial ausgerichtet ist und eine kontinuierliche Umlenkung mit geringen oder ohne Sekundärströmungsverluste erreicht wird. Insbesondere entfällt die bisherige Umlenkung in Radialrichtung von mehr als 180, 120 oder 90 Grad.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Verlustreduzierung des Druckverlustes im Abströmkanal von bis zu 50% oder mehr im Vergleich zu herkömmlichen Ringkanälen erreicht werden.
Besonders günstig ist es, wenn der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals beginnend an einem Einlasspunkt für den Abgasstrom unmittelbar hinter dem Turbinenrad (am Beginn der Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle) mit zunehmender Lauflänge in Richtung des röhrenförmigen Querschnitts zunimmt, insbesondere stetig zunimmt. Der Einlasspunkt kann beispielsweise an einer Stelle über dem Umfang des Turbinenrads gebildet werden, vor welchem der Abströmkanal beziehungsweise der Spiralkanal über dem Umfang des Turbinenrads unterbrochen ist und von welchem aus der Abgasstrom nur in eine der beiden Umfangsrichtungen spiralförmig geleitet wird, bevor er in den sich anschließenden röhrenförmigen Querschnitt eintritt.
Vorteilhaft wird der mittlere Durchmesser des Spiralkanals mit in Axialrichtung zunehmendem Abstand vom Turbinenrad zunehmend größer. Der mittlere Durchmesser wird dabei durch die radiale Mitte zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren Durchmesser des Spiralkanals gebildet, anders ausgedrückt durch die Hälfte der Summe des inneren Durchmessers und des äußeren Durchmessers. Der Spiralkanal kann sich mit zunehmender Lauflänge beginnend an dem Einlasspunkt auch zunehmend in Axialrichtung, das heißt in Richtung der Drehachse der Turbinenwelle, zunehmend erweitern, sodass eine mittlere Strömungsbahn in dem Spiralkanal, die in Radialrichtung auf dem mittleren Durchmesser liegt, sich mit zunehmender Lauflänge des Spiralkanals beziehungsweise mit zunehmendem Umfangswinkel, den der Spiralkanal überdeckt, weiter von dem Turbinenrad entfernt.
Eine besonders günstige Ausführungsform sieht vor, dass sich der Spiralkanal nur über eine Windung um die Turbinenwelle erstreckt beziehungsweise nur eine Umwendung um die Turbinenwelle aufweist, bevor er in den röhrenförmigen Querschnitt einmündet.
Günstig ist es, wenn ein Umschlingungswinkel der Umschlingung der Turbinenwelle durch den Spiralkanal in ihrer Umfangsrichtung in Axialrichtung der Turbinenwelle mit zunehmendem Abstand vom Turbinenrad abnimmt. Mit anderen Worten weist der über dem Umfang unterbrochene Spiralkanal mit zunehmendem Abstand vom Turbinenrad in Axialrichtung der Turbinenwelle einen zunehmend größeren Abstand in Umfangsrichtung beziehungsweise Winkelbereich zwischen seinen beiden in Umfangsrichtung gerichteten Enden auf.
Der Spiralkanal kann in Axialrichtung der Turbinenwelle auf seiner dem Turbinenrad abgewandten Seite bis zu seiner vollständigen Mündung im röhrenförmigen Querschnitt eine geschlossene Stirnseite aufweisen. Die geschlossene Stirnseite kann mit zunehmender Lauflänge des Spiralkanals in Strömungsrichtung des Abgasstromes einen zunehmenden, insbesondere stetig zunehmenden axialen Abstand vom Turbinenrad aufweisen. Wenn der Spiralkanal sich zu dem an seiner dem Turbinenrad zugewandten Seite, insbesondere trotz Unterbrechung, über den vollen Umfang des Turbinenrads erstreckt und hier somit eine Einlassöffnung für den Abgasstrom über dem vollen Umfang des Turbinenrads ausbildet, so kann durch die dargestellte Gestaltung der dem Turbinenrad abgewandten Stirnseite des Spiralkanals der zuvor dargestellte über dem Umfang zunehmend größer werdende Abstand einer mittleren Strömungsbahn gegenüber dem Turbinenrad erreicht werden.
Zumindest an seinem dem Turbinenrad zugewandten axialen Einlassende weist der Spiralkanal vorteilhaft eine Unterbrechung in Umfangsrichtung auf, wobei diese Unterbrechung, wie dargelegt, insbesondere über der gesamten axialen Länge des Spiralkanals (in Axialrichtung der Turbinenwelle) vorgesehen ist, und zwar in zunehmendem Ausmaß in Umfangsrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spiralkanal über seiner gesamten Länge in Axialrichtung der Turbinenwelle eine Mündung in den röhrenförmigen Querschnitt aufweist beziehungsweise sich die Mündung über der gesamten Länge des Spiralkanals in Axialrichtung der Turbinenwelle erstreckt, wobei der röhrenförmige Querschnitt sich insbesondere in Axialrichtung der Turbinenwelle entlang der Mündung des Spiralkanals zunehmend erweitert.
Die Abgasturbine kann neben der axialen Abströmung auch eine axiale Anströmung aufweisen. Prinzipiell sind jedoch auch andere Anströmungsrichtungen denkbar, wie radial oder tangential.
Ein erfindungsgemäßes Turbocompound-System weist einen Verbrennungsmotor auf, der eine Antriebswelle umfasst und einen Abgasstrom erzeugt. In dem Abgasstrom ist eine erfindungsgemäß ausgeführte Abgasnutzturbine positioniert, die in einer Triebverbindung mit der Antriebswelle steht, um im Abgasstrom enthaltene Abgasenergie in Antriebsenergie umzuwandeln und der Antriebswelle des Verbrennungsmotors, in der Regel Kurbelwelle, zu deren Antrieb zuzuführen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Turbocompound-System mit einer Abgasnutzturbine;
2 eine exemplarische Darstellung der Anordnung eines Leitapparats und Turbinenrads sowie der Anströmrichtung und Abströmrichtung der Abgasnutzturbine aus der 1;
3a und 3b eine beispielhafte Gestaltung des Abströmkanals der Abgasnutzturbine aus der 1.
In der 1 ist schematisch ein Turbocompound-System dargestellt, umfassend einen Verbrennungsmotor 1, der einen Abgasstrom 2 erzeugt. Im Abgasstrom 2 ist eine Abgasnutzturbine 3 positioniert, deren Turbinenrad (nicht im Einzelnen dargestellt) vom Abgasstrom 2 angetrieben wird und dadurch über eine Triebverbindung, hier mit einer hydrodynamischen Kupplung, die vom Verbrennungsmotor 1 angetriebene Antriebswelle 4 mit Antriebsleistung beaufschlagt.
Beispielhaft ist noch angedeutet, dass im Abgasstrom 2 in Strömungsrichtung hinter der Abgasnutzturbine 3 (oder auch davor) eine oder mehrere weitere Abgasturbinen vorgesehen sein können, hier beispielsweise die beiden Abgasturbinen 5, 6 eines zweistufigen Turboladers, von denen jede einen Frischluftverdichter 7, 8 antreibt, der einen dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Frischluftstrom 9 verdichtet. Durch die gestrichelte Linie ist die Positionierung der Abgasnutzturbine 3 hinter einer oder mehrerer Abgasturbinen 5, 6 eines Turboladers angedeutet.
In der 2 ist schematisch ein Schnitt durch die Abgasnutzturbine 3 gezeigt. Man erkennt im Abgasstrom 2 einen Leitapparat 10, gefolgt vom Turbinenrad 11, das auf einer Turbinenwelle 12 getragen wird, um diese drehend anzutreiben. Der Leitapparat 10 kann beispielsweise verstellbare Leitschaufeln aufweisen, was jedoch nicht zwingend ist.
Die Abgasnutzturbine 3 weist eine axiale Anströmrichtung 13 und eine axiale Abströmrichtung 14 auf. Aufgrund der Positionierung der Turbinenwelle 12 muss der Abgasstrom 2 in dem sich an das Turbinenrad 11 anschließenden Abströmkanal 15 radial außerhalb der Turbinenwelle 12, die beispielsweise in einem den Abströmkanal 15 ausbildenden Gehäuse gelagert sein kann, geführt werden.
In den 3a und 3b ist nun ein Ausführungsbeispiel für die Gestaltung eines erfindungsgemäß ausgeführten Abströmkanals 15 gezeigt, der durch ein Abströmgehäuse 16 gebildet wird. An seinem dem Turbinenrad 11 zugewandten Ende, dem Einströmende, verläuft der Abströmkanal 15 über dem gesamten Umfang des Turbinenrads 11, ist jedoch an einer Stelle des Umfangs unterbrochen, siehe die Stirnseite 17.
Beginnend an dem dem Turbinenrad 11 zugewandten axialen Ende weist der Abströmkanal 15 einen Spiralkanal 18 auf, der in einem röhrenförmigen Querschnitt 19 mündet, an welchem ein Abgasrohr (nicht dargestellt) angeschlossen sein kann.
Eine mittlere Strömungsbahn 20 des Abgasstromes erstreckt sich beginnend an dem Eintrittspunkt des Abgasstromes in den Spiralkanal 17 an der Unterbrechung in Umfangsrichtung mit zunehmendem axialen Abstand vom Turbinenrad 11 und zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse 21 der Turbinenwelle (in der 3 nicht im Einzelnen dargestellt). Dies wird dadurch erreicht, dass sich der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals 18 mit zunehmender Lauflänge in Axialrichtung (Richtung der Drehachse 21) und Radialrichtung (radial zur Drehachse 21) zunehmend erweitert, siehe den zunehmenden Abstand der Stirnseite 17 vom Turbinenrad 11 und des mittleren Durchmessers 22 des Spiralkanals 18 von der Drehachse 21.
Der röhrenförmige Querschnitt 19 erweitert sich beginnend an seinem dem Turbinenrad 11 zugewandten Ende zunehmend bis zu seinem Austrittsende für den Abgasstrom. Dasselbe gilt für die Mündung des Spiralkanals 18 in dem röhrenförmigen Querschnitt 19.

Claims

Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) für ein Turbocompound-System, wobei die Abgasnutzturbine (3) ein in einem Abgasstrom (2) positioniertes Turbinenrad (11) aufweist, das eine axiale Abströmrichtung (14) aufweist, sowie eine Turbinenwelle (12), die das Turbinenrad (11) trägt; 1.1 mit einem Abströmkanal (15) für den aus dem Turbinenrad (11) ausströmenden Abgasstrom (2), wobei der Abströmkanal (15) eine innere Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) aufweist, um die Turbinenwelle (12) radial von außen zu umschließen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.2 der Abströmkanal (15) einen in einem röhrenförmigen Querschnitt (19) mündenden, um die Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) verlaufenden Spiralkanal (18) aufweist, derart, dass der aus dem Turbinenrad (11) ausströmende, in dem Abströmkanal (15) geführte Abgasstrom (2) in seiner Hauptströmungsrichtung im gesamten Abströmkanal (15) axial ausgerichtet ist.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals (18) beginnend an einem Einlasspunkt unmittelbar hinter dem Turbinenrad (11) mit zunehmender Lauflänge in Richtung des röhrenförmigen Querschnitts (19) zunimmt, insbesondere stetig zunimmt.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser (22) des Spiralkanals (18), der in Radialrichtung der Turbinenwelle (12) in der Mitte zwischen dem äußeren und dem inneren Durchmesser des Spiralkanals (18) positioniert ist, mit in Axialrichtung zunehmendem Abstand vom Turbinenrad (11) zunehmend größer wird.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) nur eine Umwendung um die Turbinenwelle (12) aufweist.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung mit zunehmendem Abstand vom Turbinenrad (11) ein Umschlingungswinkel der Umschlingung der Turbinenwelle (12) durch den Spiralkanal (18) in ihrer Umfangsrichtung abnimmt.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) in Axialrichtung der Turbinenwelle (12) auf seiner dem Turbinenrad (11) abgewandten Seite bis zu seiner Mündung im röhrenförmigen Querschnitt (19) eine geschlossene Stirnseite (17) aufweist.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Stirnseite (17) mit zunehmender Lauflänge des Spiralkanals (18) in Strömungsrichtung des Abgases einen zunehmenden, insbesondere stetig zunehmenden axialen Abstand vom Turbinenrad (11) aufweist.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) zumindest an seinem dem Turbinenrad (11) zugewandten axialen Einlassende eine Unterbrechung in Umfangsrichtung aufweist.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) über seiner gesamten Länge in Axialrichtung der Turbinenwelle (12) eine Mündung in den röhrenförmigen Querschnitt (19) aufweist, wobei der röhrenförmige Querschnitt (19) sich insbesondere in Axialrichtung der Turbinenwelle (12) entlang der Mündung des Spiralkanals (18) zunehmend erweitert.
Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnutzturbine (3) eine axiale Anströmrichtung (13) aufweist.
Abgasnutzturbine (3) für ein Turbocompound-System 11.1 mit einem in einem Abgasstrom (2) positionierten Turbinenrad (11), das eine axiale Abströmrichtung (14) aufweist; 11.2 mit einer Turbinenwelle (12), die das Turbinenrad (11) trägt; dadurch gekennzeichnet, dass 11.3 die Abgasnutzturbine (3) eine Abgasführung mit einem Abströmkanal (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, wobei der Abströmkanal (15) die Turbinenwelle (12) radial von außen umschließt.
Turbocompound-System 12.1 mit einem Verbrennungsmotor (1), der eine Antriebswelle (4) aufweist und einen Abgasstrom (2) erzeugt; 12.2 mit einer im Abgasstrom (2) positionierten Abgasnutzturbine (3), die in einer Triebverbindung mit der Antriebswelle (4) steht, um im Abgasstrom (2) enthaltene Abgasenergie in Antriebsenergie umzuwandeln und der Antriebswelle (4) zu deren Antrieb zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass 12.3 die Abgasnutzturbine (3) gemäß Anspruch 11 ausgeführt ist.