DE19653057A1

DE19653057A1 - Radialturbine eines Turboladers

Info

Publication number: DE19653057A1
Application number: DE1996153057
Authority: DE
Inventors: Klaus Fussstetter; Martin Seiler
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-06-25

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine mit vier Gaseintritten ausgestattete und für die Stoß aufladung einer Viertakt-Brennkraftmaschine ausgebildete Radialturbine eines Turboladers, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zur Verbesserung des Teillastverhaltens wird bei aufgeladenen Viertaktmotoren die Stoßaufladung eingesetzt. Dadurch kann in der Abgasturbine ein großer Teil der in den Zylindern des Motors nicht nutzbaren Expansionsarbeit zurückgewon nen werden. Dies wird über Abgasleitungen mit engem Querschnitt erreicht, wel che die Energie vorwiegend in Form von Druckwellen zur Abgasturbine weiterlei ten. Entsprechend der Zylinderzahl des Motors ist zur optimalen Nutzung der Stoßaufladung eine bestimmte Anzahl von Zylindern erforderlich, die in jeweils einen Gaseintritt der Abgasturbine öffnen, d. h. mit diesem über Abgasleitungen verbunden sind. Dabei muß die Anzahl der Gaseintritte so gewählt sein, daß ein Zündabstand von mindestens 240° Kurbelwinkel erreicht wird.

Der Konstruktionsaufwand von Gaseintrittgehäusen richtet sich unter anderem nach der Art der verwendeten Abgasturbine und ist bei Radialturbinen am größ ten. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Anzahl der Gaseintritte, welche von zwei bis vier differieren kann.

Aus dem Fachbuch "Design of radial turbomachines", von A. Whitfield und N.C. Baines, UK 1990 (ISBN 0-582-49501-6), S. 331 sind Radialturbinen mit zwei Gas eintritten bekannt, deren Gaseintrittgehäuse entweder eine Umfangsteilung oder eine Sektorteilung aufweisen. Dabei bedeutet Umfangsteilung, daß das Gasein trittgehäuse zumindest zwei separate, in axialer Richtung nebeneinander ange ordnete Zuströmkammern besitzt. Demgegenüber sind die Zuströmkammern bei der Sektorteilung in radialer Richtung hintereinander angeordnet.

Die DE 29 34 041 C2 zeigt eine Radialturbine mit einem drei- bzw. viereintrittigen Gaseintrittgehäuse in Umfangsteilung, d. h. mit einer entsprechenden Anzahl von Zuströmkammern. Bei eine solchen Lösung müssen die einzelnen Zuströmkam mern bzw. deren Zuströmkanäle zum Turbinenlaufrad mit zunehmender Anzahl der Gaseintritte zwangsläufig immer schmaler ausgebildet werden. Dies wirkt sich jedoch negativ auf den Wirkungsgrad aus.

Dagegen ist durch die DE 31 05 179 A1 eine Radialturbine mit einem Gaseintritt gehäuse in Sektorteilung bekannt. Das Laufrad der Radialturbine kann über jede der vier dargestellten Abgasleitungen in einem Winkel von 90° beaufschlagt wer den. Entsprechend der Drehzahl der Brennkraftmaschine, d. h. in Abhängigkeit vom Ladedruck, ist die Zu- bzw. Abschaltung einzelner Abgasleitungen möglich. Bei dieser Lösung muß insbesondere die äußere Abgasleitung sehr lang aus gebildet sein, was zu Druckverlusten und damit zu einem Leistungsabfall der Ra dialturbine führen kann. Außerdem ist gerade dieser längste der Abgaskanäle direkt dem Turbinengehäuse benachbart, so daß die darin zum Laufrad geführ ten Abgase der Brennkraftmaschine durch Wärmeübergang nach außen relativ große Wärmeverluste verzeichnen. Im Ergebnis dessen ist ein weiterer Lei stungsabfall der Radialturbine zu verzeichnen. Zudem ist ein solches in Sektortei lung und mit vier Gaseintritten ausgeführtes Gaseintrittgehäuse bezüglich Defini tion, Konstruktion, Fertigung sowie Festigkeitsverhalten nur schwer zu beherr schen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, für Radialturbinen von Abgasturboladern ein vereinfachtes Gaseintritt gehäuse zu schaffen, mit dem ein höherer Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, im Gaseintrittgehäuse zwei Zuströmkammern in axialer Richtung nebeneinander ausgebildet sind und radial außerhalb jeder dieser beiden Zuströmkammern eine weitere Zuströmkammer angeordnet ist.

Auf diese Weise entsteht trotz vier Gaseintritten ein konstruktiv und fertigungs technisch relativ einfaches, weil symmetrisches Gaseintrittgehäuse. Durch die Kombination von Sektorteilung und Umfangsteilung besitzen die Zuströmkammern einen gegenüber der reinen Umfangsteilung vergrößerten Querschnitt. Zudem ist auch die Länge der Zuströmkammern gegenüber denen bei ausschließlicher Sektorteilung verringert. Da somit die für die beiden Arten der Gaseintrittgehäuse typischen Verluste verringert werden, kommt es zu einer Erhöhung des Wir kungsgrades der Radialturbine.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Zuströmkammern außer einer radial auch eine axial ausgerichtete Zwischenwand aufweisen und letztere bis in un mittelbare Nähe eines zwischen den Zuströmkammern und dem Turbinenlaufrad angeordneten Düsenrings reicht. Auf diese Weise können die Nachteile der Um fangsteilung des Gaseintrittgehäuses, wie z. B. Überströmverluste in andere Zu strömkammern und Reibungsverluste aufgrund hoher Abgasgeschwindigkeiten, vermieden werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Düsenring in axialer Richtung zweigeteilt aus gebildet ist. Dadurch werden die Abgase ohne Überströmverluste auf das Turbi nenlaufrad geleitet, was wiederum den Wirkungsgrad der Radialturbine erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Radial turbine eines Abgasturboladers dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Radialturbine;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Radialturbine entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Verdichterseite und die Lagerung des Abgasturboladers sowie die mit diesem verbundene Brennkraftma schine. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Von einem mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasturbolader, welcher eine Verdichterseite und eine Turbinenseite besitzt, ist nur die Turbinenseite 1 dargestellt. Zu dieser gehört ein fliegend mit einer Turboladerwelle 2 verbunde nes Turbinenlaufrad 3 mit Laufschaufeln 4, das in einem Turbinengehäuse 5 an geordnet ist. Das Turbinengehäuse 5 besteht hauptsächlich aus einem Gasein trittgehäuse 6 und aus einem Gasaustrittsgehäuse 7. Im Gaseintrittgehäuse 6 sind vier Zuströmkammern 8, 9, 10, 11 für von der nicht dargestellten Brennkraftma schine über entsprechende Abgasleitungen 12 und ebenfalls vier Gaseintritte 13 zugeführte Abgase 14 angeordnet. Zwei der Zuströmkammern 8, 9 sind in axialer Richtung nebeneinander ausgebildet. Radial außerhalb jeder dieser beiden Zu strömkammern 8, 9 ist eine weitere Zuströmkammer 10, 11 angeordnet (Fig. 1).

Radial zwischen den Zuströmkammern 8, 9, 10, 11 und dem Turbinenlaufrad 3 ist ein Düsenring 15 angeordnet. Die vier Zuströmkammern 8, 9, 10, 11 sind durch eine radial und eine axial ausgerichtete Zwischenwand 16, 17 räumlich von einander getrennt, wobei letztere bis in unmittelbare Nähe des Düsenrings 15 reicht. Der Düsenring 15 ist in axialer Richtung zweigeteilt ausgebildet. Er kann natürlich ebenso auch einteilig sein. Stromab des Düsenrings 15, d. h. im Bereich der Laufschaufeln 4 des Turbinenlaufrades 3 ist ein Strömungskanal 18 ausgebil det, welcher an einem Gasaustritt 19 des Turbinengehäuses 5 endet.

Während dem Betrieb des Abgasturboladers gelangen die heißen Abgase 14 der Brennkraftmaschine über die Abgasleitungen 12 zu den Gaseintritten 13 des Gas eintrittsgehäuses 6 und von dort aus in die mit diesen verbundenen Zuströmkam mern 8, 9, 10, 11 (Fig. 2). Der zweigeteilte Düsenring 15 leitet die Abgase 14 auf das Turbinenlaufrad 3, wo sie expandieren und schließlich über den Gasaustritt 19 an die Umgebung abgegeben werden.

Aufgrund der Ausbildung des Gaseintrittgehäuses 6 als eine Kombination von Sektorteilung und Umfangsteilung werden sowohl die Druck- als auch die Wär meverluste der Abgase 14 verringert, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgra des der Radialturbine führt.

Bezugszeichenliste

1

Turbinenseite

2

Turboladerwelle

3

Turbinenlaufrad

4

Laufschaufel

5

Turbinengehäuse

6

Gaseintrittgehäuse

7

Gasaustrittsgehäuse

8

Zuströmkammer

9

Zuströmkammer

10

Zuströmkammer

11

Zuströmkammer

12

Abgasleitung

13

Gaseintritt

14

Abgas

15

Düsenring

16

Zwischenwand, radial

17

Zwischenwand, axial

18

Strömungskanal

19

Gasaustritt.

Claims

1. Radialturbine eines mit einer Viertakt-Brennkraftmaschine verbundenen Turboladers mit einem auf einer Turboladerwelle (2) drehfest angeordneten Turbinenlaufrad (3), einem Turbinengehäuse (5), bestehend aus einem Gaseintrittgehäuse (6) und einem Gasaustrittsgehäuse (7), wobei das Gas eintrittgehäuse (6) vier Gaseintritte (13) und je Gaseintritt (13) eine zwi schen diesem und dem Turbinenlaufrad (3) angeordneten Zuströmkammer (8, 9, 10, 11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zuströmkam mern (8, 9) in axialer Richtung nebeneinander ausgebildet sind und radial außerhalb jeder dieser beiden Zuströmkammern (8, 9) eine weitere Zu strömkammer (10, 11) angeordnet ist.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zuströmkammern (8, 9, 10, 11) und dem Turbinenlaufrad (3) ein Dü senring (15) angeordnet ist, die Zuströmkammern (8, 9, 10, 11) eine radial und eine axial ausgerichtete Zwischenwand (16, 17) aufweisen und letztere bis in unmittelbare Nähe des Düsenrings (15) reicht.

3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (15) in axialer Richtung zweigeteilt ausgebildet ist.