DE2344023A1

DE2344023A1 - Turbolader-kompressor

Info

Publication number: DE2344023A1
Application number: DE19732344023
Authority: DE
Inventors: Edward Frank Benisek
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1973-08-31
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1975-03-13
Also published as: DE2344023C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader-Kompressor mit zweifachen Einlaß- und Sammelkammern.

Die Temperatur der vorverdichteten oder überverdichteten Luft sollte vor ihrer Einleitung in den Einlaß einer Verbrennungsmaschine möglichst gering sein. In der US-PS 3 143 103 ist ein mehrstufiger Turbolader-Kompressor beschrieben, der eine getrennte Axialstromstufe zur Zufuhr von Kühlluft an einen externen Wärmeaustauscher aufweist, durch den die unter iaohem Druck und hoher Temperatur stehende Luft zur Ladung der Haschine hindurchtritt. Die Aufrechterhaltung des maximalen Sauerstoffgehalts pro Volumenä. nheit der Ladeluft ist, wie in der genannten Patentschrift erwähnt, ein wichtiger Vorteil der Ladeluftkühlung. Die immer wichtiger werdende Verminderung unerwünschter Abgasemission läßt die Behandlung der Maschinen-Ladeluft für Benutzer und Hersteller von Tränsport- und industriellen Dieselmaschinen immer interessanter erscheinen. Bei niedrigen Verbrennungsteaperaturen entstehen im allgemeinen weniger giftige Sticko^id-Emissionen. Da bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen das Abgas einen geringeren Stickoxidanteil hat und sich bei

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Kühlung der Maschinen-Ladeluft niedrigere Verbrennungstemperaturen ergeben, ist die Schaffung eines kompakten und wirkungsvollen Turbolader-Kompressors zur Kühlung der Ladeluft immmer wichtiger.

Es wurde "bereits vorgeschlagen, radial verlaufende frontale Flügelteile mit dem Kompressorgehäuse zu benutzen, das in zwei getrennte Sammelkammern unterteilt ist. Das Konzept der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich hiervon dadurch, daß zwei getrennte Strömungswege, die zweifache Einlaßkanäle enthalten, für die Kompressorstufe des Turboladers vorgesehen sind. Dies hat den Vorteil, daß der Kompressor die Luft aus der Atmosphäre in einen externen Wärmetauscher oder Zwischenkühler einsaugen kann, und daß die unter hohem Druck stehenden Ausgangsgase des Kompressors von dem kühlenden Luftstrom gekühlt werden. Der Wärmeübertritt erfolgt im Wärmetauscher, bevor die Kühlluft durch den Kompressor hindurchgetreten ist, und damit bevor ihre Temperatur durch die Kompression erhöht wurde. Auf diese Weise wird eine wirkungsvollere Kühlung der getrennt (durch den Kompressor und den Wärmetauseher) geführten Ladeluft der Maschine erreicht. Gleichzeitig kann die Größe des externen Wärmetauschers vermindert werden.

,Bei dem erfindungsgemäßen einstufigen Zentrifugalkompressor eines Turboladers für eine Verbrennungsmaschine sind die Flügel des Kompressorrades so geformt, daß sich vordere Flügelteile ergeben, die radial über die hiermit verbundenen, angrenzenden Flügelteile hinausragen. Der Einlaß des Kompressors bildet zwei diskrete Einlaßkanäle, und zwar einen für die radial verlaufenden Flügelteile und einen für die angrenzenden Flügelteile. Eine Innenwand der Kompressorradabdeckung bildet zwei diskrete Kammern oder Kanäle, und zwar eine zur Aufnahme des durch die radial verlaufenden Flügelteile erzeugten Luftstroms, und den anderen zur Aufnahme des durch die angrenzenden Flügelteile erzeugten Stroms. Mit Hilfe der durch den Kompressor gebildeten beiden Strömungswege kann kühle Umgebungsluft durch einen extern angeordneten Wärmetauscher und dann in den Einlaß des einen Kompressor-Ströniungswegs gesaugt werden. Diese Luft-

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strömung tauscht ihre Wärme' mit der unter hohem Druck stehenden Ausgangsluft des anderen Kompressor-Strömungspfades aus. Die gekühlte, unter hohem Druck stehende Ausgangsluft wird als Ladeluft in das luftinduktionssystem der Verbrennungsmaschine injiziert.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels -wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Pig·. 1 . eine zum Teil geschnittene Seitenansicht eines Turboladers, "bei dem ein Teil des Einlaßkanals zur Aufnahme der in Pig.3 gezeigten, den zweifachen Einlaß bildenden Einrichtung verlängert ist;

Pig. 2 die Draufsicht auf das Ende des in Pig. 1 gezeigten Turboladers;
Pig. 2 die Draufsicht eines Eintrittsgehäuses, das den zweifachen

Einlaßweg für die Kompressorstufe des Turboladers bildet; Pig. 4 die seitliche Schnittansicht des Einlaßgehäuses der Pig. J, das an der Kompressorstufe der Pig. 1 angebracht ist, längs der Linie 4-4 in Pig. 3> und Pig. 5 die schematische Darstellung des Turboladers der Pig. 1 bis 4 zusammen mit einem einen externen Wärmetauscher enthaltenden System zur Luftladung einer Verbrennungsmaschine.

Pig. 1 und 2 zeigen einen vom Abgas gespeisten Turbolader, der ein Turbinengehäuse 10 enthält. Dieses umschließt ein herkömmliches, mit Schaufeln versehenes, nicht gezeigtes Turbinenrad, das -die Welle 14 antreibt. Das Turbinengehäuse ist mit einem einen Flansch aufweisenden Einlaßkanal 18 versehen, über den die Maschinenabgase dem Turbinenrad zugeführt werden. Die Turbinenstufe selbst ist herkömmlicher Bauart. Die unteoTnohem Druck stehenden, in die Turbine eintretenden Gase expandieren durch das Turbinenrad, so daß die V/eile mit hoher Drehzahl umläuft. Die verbrauchten Gase werden durch den Turbinenauslaß 19 abgelassen.

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Am Turbinengehäuse 10 ist ein Zwischen- oder Yerbindungsteil 21 befestigt. Zwischenteil 21 und Turbinengehäuse 10 sind mittels eines Klemmringes 22 dicht miteinander verbunden. Der Zwischenteil 21 ist asymmetrisch aufgebaut urü enthält einen Mittelteil 24 und einen nach außen ragenden Plansch 27. Der mittlere Teil 24 ist mit einer zentralen öffnung 34 versehen, durch die die Welle 14 hindurchragt. In dieser Öffnung trägt der Teil 24 Rotations- und Schublager, die insgesamt mit 36 bezeichnet sind und eine freie Drehung der Welle gestatten.

Am Flansch 27 ist mittels eines Klemmringes 37 ein Kompressoraufsatz 3d befestigt. An den Kompressoraüfsatz 38 ist eine gekrümmte Wand/angeformt, die innerhalb des Aufsatzes verläuft. Die Wand ist mit wegragenden Teilen 39a versehen, die die gemeinsame kreisförmige Grenze 39b zwischen zwei Kammern 41 und 42 bilden.

Die Kammer 41 umgibt das Kompressorrad und bildet eine insgesamt ringförmige Sammelfläche, deren Auslaß der tangential verlaufende Auslaßkanal 43 (Pig. 2) bildet.Gemäß Pig. 2 bildet die Kammer 42 einen schneckenförmigen Sammel- und Diffusor-Kanal. Ein wegragender Teil 39c der Wand 39 bildet den engen Diffusorkanal 43» der von den Spitzen der Kompressor-Radflügel etwa radial nach außen verläuft. Die spiralförmige Kammer des Kanals 42 hat ihren Auslaß am tangential verlaufenden Auslaßkanal 44 (Pig. 2).

Der herausragende, einen verringerten Durchmesser aufweisende Teil der Welle 14 trägt ein Zentrifugal-Kompressorrad 46 mit mehreren radial nach außen ragenden Plügeln. Gemäß Fig. 1 und 4 sind die Flügel in einen vorderen Teil 47 und damit verbundene oder angrenzende Teile 48 unterteilt. Der vordere Teil 47 jedes Flügels weist einen radial verlaufenden Teil 47a auf, der radial über die daran anstoßenden Flugelteile 48 hinausragt. Die kreisförmige gemeinsame Grenze zwischen den Kammern 41 und 42 befindet sich angrenzend der Verbindung der radial nach außen ragenden vorderen Teile

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47a und der daran anstoßenden Flügelteile 48. Die Flügel sind auf einer auf der Welle 14 gelagerten Nabe 52 befestigt. Die Kanten der vorderen Flügelteile 47 liegen an den Kanten der daran angrenzenden Flügelteile 48 an. Die einen Schacht bildende Krümmung der Flügel verläuft kontinuierlich und glatt über die radial nach außen ragenden vorderen Flügelteile 47 und die daran anstoßenden hinteren Flügelteile 48. Ein Teil des Kompressor-Einlaßkanals wird von der zylindrischen Verlängerung 58 des Kompressoraufsatzes 38 gebildet.

Gemäß Fig. 3 und 4 ist der längliche zylindrische Teil 58 des Aufsatzes 38 in einem Kompressor-Einlaßgehäuse 61 untergebracht und befestigt. Das Einlaßgehäuse enthält einen ersten oder inneren rohrförmigen Kanal 62, der durch einen Zylinder 63 gebildet wird. Der Zylinder 63 ist am Lufteinlaßende 63a konisch erweitert. Das innere Ende 63b endet nahe angrenzend an die Verbindungsstelle der radial wegragenden Flügelteile 47a und der daran anstoßenden Flügelteile 47. Er ist auf den Rand 39a der gemeinsamen Grenze 39 zwischen den Sammelkammern 41 und 42 ausgerichtet. Der Zylinder 63 verläuft zentral durch ein insgesamt rechteckiges Außengehäuse 64 mit einem zylindrischen Einlaß 66 und einer geschlossenen Basis bzw. Wand Der Zylinder 63 nimmt einen Ring 68 (Fig. 4) auf. Der Ring 68 liegt über der Verlängerung 58 des Aufsatzes 38 und klemmt die Verlängerung 58 gegen einen flachen Ring 69, der auf vier im Querschnitt kreisförmigen Stützen 71 aufliegt, von denen in Fig. 4 nur zwei gezeigt sind. Das Außengehäuse 64 und der daran angrenzende Teil des Aufsatzes 38 bilden einen zweiten oder äußeren rohrförmigen Einlaßkanal 72 (Fig. 4), dessen Einlaß 76 quer zur Achse des ersten Kanals 62 verläuft. Der Durchmesser des zweiten rohrförmigen Einlaßkanals 72 ist wenigstens gleich und vorzugsweise in wesentlichen ebenso gro3 wie der Spitzendurchmesser der vorderen Flügelteile 47 einschließlich ihrer radialen Verlängerungen 47a. Wenn das Kompressorrad mit hoher Drehzahl umläuft, wird wie in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet, durch die Bewegung der radialen Flügelteile 47a Luft durch den Einlaß 66 und den Kanal 72 angesaugt und der Sammelkammer 41 zugeführt. Sie wird gem. Fig. 2 durch den Auslaß 43 in die Atmosphäre

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abgeleitet. Der Kanal 62 bildet einen getrennten Weg für die bei 65a (Pig. 4) eintretende Luft. Diese wird durch die an die Plügelverlängerungen 47a angrenzenden Teile des Kompressorrades komprimiert und mit hohem Druck und hoher Temperatur der Sammelkammer 42 zugeführt.

Pig. 5 zeigt den in das Turboladersystem einer Verbrennungsmaschine eingebauten, zweikanaligen Kompressor. Die Verbrennungsmasehine 81 enthält ein Einlaß-Verteilerrohr 82 und ein Auslaß-Bammelrohr 83. Die Abgase vom Auslaß-Sammelrohr expandieren durch die Turbinenstufe und treiben dabei das anhand Pig. 1 und 4 beschriebene. Kompressorrad an.

Die unter hohem Druck und erhöhter Temperatur stehende Luft wird von der Sammelkammer 42 (Pig. 4) über den Auslaß 44 (Pig. 2) und durch "einen schematisch gezeigten Wärmetauscher 84 geleitet. Die Kühlluft wird über den anderen Strömungspfad im Wärmetauscher angesaugt und dem Einlaß 66 zugeführt. Diese Luft wird durch die radialen Teile 47a des Kompressorrades in Bewegung versetzt und durch den Auslaß 43 zur Atmosphäre ausgestoßen. Während die von der Atmosphäre angesaugte, verhältnismäßig kühle Luft durch den Wärmetauscher strömt, kühlt sie die unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Ladeluft für die Maschine und gewährleistet so, daß die Ladeluft mit verminderter Temperatur in die Maschine eintritt.

Auf diese Weise werden/die oben genannten Vorteile erreicht, nämlich ein maximaler Sauerstoffgehalt in der Ladeluft und niedrigere Verbreiinungstemperaturen. Da die Kühlluft durch den Wärmetauscher strömt, bevor die Kompressionswärme infolge des Kompressorrade3 der Luft zugeführt wurde, erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den beiden Strömungswegen durch den Wärmetauscher 84 mit erhöhtem Wirkungsgrad.

Das Außen- oder Eintrittsgehäuse kann statt getrennt vom Kompressorgehäuse 38 auch einteilig mit diesem Verbunden sein.

Ansprüche 509811/0559

Claims

ANSPRÜCHE DA-K1111

\.) Zentrifugal-Turbolader-Kompressor mit einem von einer Antriebswelle angetriebenen und von einem Gehäuse umschlossenen Kompressorrad, dadurch gekennzeichnet , daß der •Kompressor mit einem mit der Wellenachse fluchtenden Einlaßkanal (62) versehen ist, daß das Kompressorrad mit radial verlaufenden Flugein (47, 48) versehen ist, die die Luft in Axialrichtung durch den Einlaßkanal und radial nach außen, quer zur Wellenachse antreiben, wobei ein vorderer Teil (47, 47a) der Flügel radial über den daran anstoßenden Flügelteil (48) hinausragt, daß in dem Gehäuse eine Wand (39) vorgesehen ist, die zwei getrennte, konzentrische, das Rad umgebende Sammelkammern (41, 42) bildet, wobei die Wand (39c) eine gemeinsame, kreisförmige Grenze zwischen den beiden Kammern nahe angrenzend an die Verbindungsstelle des radial nach außen ragenden vorderen Teils und den daran anstoßenden Teil der Flügel bildet, daß der Einlaßkanal durch ein Kompressor-Eingangsgehäuse (61) gebildet wird, das einen ersten rohrförmigen Kanal (62) aufweist, der eng angrenzend .an der Verbindungsstelle des radial nach außen ragenden vorderen Teils und des daran anstoßenden Teils der Flügel endet und auf die gemeinsame kreisförmige Grenze des Kompressorradgehäuses ausgerichtet ist, und das einen zweiten rohrförmigen Kanal (72) enthält, deesen Durchmesser wenigstens gleich ist dem Spitzendurchmesser der vorderen Flügelteile (47, 47a) und daß die Kanäle getrennte Einlaßöffnungen aufweisen, so daß sich getrennte Luft—

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zufuhrkanäle zu dem Kompressorrad bilden und der radial nach außen ragende vordere Teil der Flügel die Luft durch den zweiten Kanal ansaugt und sie in eine der Sammelkammern führt, und die daran anstoßenden Teile der Flügel die Luft durch den ersten rohrförmigen Kanal saugen und sie durch die andere Sammelkammer bewegen.
2. Turbolader-Kompressor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der erste und zweite rohrförmige Kanal (62, 72) konzentrisch zueinander angeordnet sind, und daß der erste rohrförmige Kanal innerhalb des zweiten angeordnet ist.
3. Turbolader-Kompressor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der erste rohrförmige Kanal mit einer konvergenten Düsenausbildung innerhalb des zweiten rohrförmigen Kanals versehen ist.
4. Turbolader-Kompressor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Eintrittsöffnung (63a) des ersten rohrförmigen Kanals (62) auf die Drehachse des Kompressorrades ausgerichtet ist, und daß die Eintrittsoffnung (66) für den zweiten rohrförmigen Kanal (72) quer zur Drehachse des Kompressorrades verläuft.

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23U023
5. Turbolader-Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einer Verbrennungsmaschine verbunden ist, so daß dem Luftinduktionssystem der Maschine Ladeluft zugeführt wird, daß ein Wärmetauscher (84) vorgesehen ist, der wenigstens zwei Strömungswege enthält, die ihre Wärme gegenseitig austauschen, und daß der Kompressor getrennte zweifache Lufteinlaß- und -auslaßkanäle und Einrichtungen aufweist, die einen Strömungsweg des Wärmetauschers mit der Atmosphäre und einem Einlaß der Kompressorstufe verbinden, die den entsprechenden Auslaßkanal des Kompressors mit der Atmosphäre verbinden, die den Einlaßkanal der anderen Kompressorstufe mit der Atmosphäre und den Auslaßkanal der entsprechenden Kompressorstufe über den anderen Strömungsweg des Wärmetauschers mit dem Luftinduktionssystem der Maschine verbinden, so daß der Turbolader-Kompressor die Kühlluft durch den Wärmetauscher ansaugt und Ladeluft durch den Wärmetauscher drückt, so daß die Temperatur der dem Luftinduktionssystem der Maschine zugeführten Ladeluft verringert wird.
6. . Turbolader-Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einer Turbinenstufe zum Antrieb der Kompressorstufe versehen ist, und daß Einrichtungen zur Verbindung des Maschinen-Auspuffsammelrohrs mit dem Einlaß der Turbinenstufe vorgesehen sind.«

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