DE2831519A1 - Abgasturbine fuer auflader - Google Patents

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Abgasturbine für Auflader

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasturbine für Auflader, die von den aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgasen getrieben wird, insbesondere ein verbessertes Turbinengehäuse für eine Abgasturbine.

Bisher werden bei bestehenden Abgasturbinen für Auflader die zu verschiedenen Zeitpunkten aus mehreren Zylindern ausgestoßenen Abgase gesammelt und in das Turbinengehäuse geleitet, In der US-PS 3 292 364- ist z. B. ein Turbinengehäuse vorgeschlagen, das zwei Spiralkammern aufweist, die durch eine Trennwand voneinander getrennt sind, so daß für die Spiralkammern Drosselabschnitte gebildet sind; dadurch wird verhindert, daß der Abgasstrom aus den einen Zylindern den Betrieb der anderen Zylinder stört. Bei einem solchen Turbinengehäuse liegt der Randabschnitt der Trennwand konzentrisch zur Achse

80S885/0927

des Turbinen-Laufrads und nahe "bei den Enden der Turbinenschaufeln, so daß der in die eine Spiralkammer geleitete Abgasstrom wirksam daran gehindert wird, die mit der anderen Spiralkammer verbundenen Zylinder zu stören.

Bei solchen Turbinengehäusen ändern sich jedoch die Druckverteilungs-Charakteristiken in den Spiralkammern und die Strömungsgeschwindigkeit des in das Laufrad eintretenden Abgasstroms in Abhängigkeit von verschiedenen Bereichen in den Spiralkammern bzw. von dem Spiralwinkel. Insbesondere erhöhen sich der Druck des Abgasstroms in den Spiralkammern und die Strömungsgeschwindigkeit der aus den Spiral kammern in das Laufrad eintretenden Abgase mit zunehmendem Spiralwinkel des Turbinengehäuses. Daher werden die Abgase nicht gleichmäßig um den Gesamtumfang des Laufrads eingeleitet, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine verringert wird. Insbesondere beim Betrieb des Motors mit hoher Last und hoher Drehzahl erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms an den Drosselabschnitten des Turbinengehäuses am Spiralenende (dem Abschnitt mit größerem Spiralwinkel) des Turbinengehäuses, und die Gefahr einer Verringerung des Turbinen-Wirkungsgrads ist sehr groß.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Turbinengehäuses einer Abgasturbine für Auflader, wobei die Energie der Abgase einer Brennkraftmaschine wirksam nutzbar ist, ohne daß der Spülwirkungsgrad des Motors verschlechtert wird.

Das Turbinengehäuse nach der Erfindung ist so aufgebaut, daß die Dimension jedes sich zum Laufrad öffnenden Drosselabschnitts der Spiralkammern mit der Größe des Spiralwinkels, also zum Spiralenende hin, zunimmt. Bei einer solchen An-

809885/0927

Ordnung werden die Abgase aus den Spiralkammern in das laufrad mit gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit um den Gesamtumfang des Laufrads eingeleitet, und die Spüleigenschaften des Motors werden nicht durch die Pulsdruckwelle des Abgasstroms beeinträchtigt, da die Dimensionen der Drosselabschnitte an dem Spiralenanfang (dem Abschnitt mit kleinerem Spiralwinkel) des Turbinengehäuses abnehmen.

Durch die Erfindung wird also eine Abgasturbine für Auflader angegeben, mit einem Turbinengehäuse, das mit mehreren Abgasleitungen verbunden ist, die Abgase aus den Motorzylindern führen, mit einem im Turbinengehäuse um die Mitte der Turbinengehäuse-Spirale drehbaren Laufrad, wobei das Turbinengehäuse zwei oder mehr Spiralkammern aufweist, die die Abgase aus den Abgasleitungen dem Gesamtumfang des Laufrads zuführen, während die Abgase voneinander getrennt gehalten werden, mit einer an einer Innenwand des Turbinengehäuses angeordneten Trennwand, die um das Laufrad verläuft und das Innere des Turbinengehäuses in die Spiralkammern unterteilt, und mit zwischen einem radial inneren Endabschnitt der Trennwand und den Seitenwänden der Spiralkammern definierten Drosselabschnitten zum Leiten der Abgase aus den Spiralkammern zum Laufradumfang, wobei die Größe der Drosselabschnitte so bemessen ist, daß sie in Richtung zum Spiralenende der Spiralkammern stetig größer werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine teilweise weggebrochene Vorderansicht einer herkömmlichen Abgasturbine für Auflader;

8G988S/0927

Fig. 2 eine Unteransicht der Abgasturbine nach Fig. 1;

Fig. 3 A einen Spiralenwinkel im Turbinengehäuse;

Fig. 3B die Beziehung zwischen dem Spiralenwinkel und den Abmessungen des Drosselteils im herkömmlichen Turbinengehäuse (Strichlinie) und in dem Turbinengehäuse nach der Erfindung (Vollinie);

Fig. 3C die Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms an den Drosseln und dem Spiralwinkel in dem herkömmlichen Turbinengehäuse (Strichlinie) bzw. in dem Turbinengehäuse nach der Erfindung (Vollinie);

Fig. 4A die Druckwelle des Abgasstroms im Spiralenanfang jeder Spiralkammer des herkömmlichen Turbinengehäuses;

Fig. 4B die Druckwelle des Abgasstroms im Spiralenende jeder Spiralkammer des herkömmlichen Turbinengehäuses;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Abgasturbine für Auflader nach der Erfindung;

Fig. Sk die Druckwelle des Abgasstroms im

Spiralenanfang jeder Spiralkammer des Turbinengehäuses nach der Erfindung;

809885/0927

]pig. 6B die Druckwelle des Abgasstroms im

Spiralenende jeder Spiralkammer des Turbinengehäuses nach der Erfindung;

Pig. 7 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Abgasturbine nach der Erfindung; und

Pig. 8 eine Schnittansicht VIII-VIII nach Pig. 7c

Die Pig. 1 und 2 zeigen eine herkömmliche Abgasturbine 10 für Auflader. Abgase eines Motors mit sechs Zylindern 1 werden der Turbine 10 durch ein Paar Abgasleitungen 2, 3 zugeführt, deren jede an einem Ende mit drei Zylindern mit dem gleichen Auspufftakt und am anderen Ende mit einer Spiralkammer 16, 17 der Turbine verbunden ist.

Die Turbine 10 umfaßt ein Turbinengehäuse 14, in dem ein Laufrad 20 um eine Rotationsachse 23 drehbar angeordnet ist. Das Laufrad 20 weist mehrere Turbinenschaufeln (nicht gezeigt) auf, die mit dem Schub des eingeleiteten Abgasstroms beaufschlagt werden, so daß das Laufrad umläuft„

Das Turbinengehäuse 14 umfaßt zwei Spiralkammern 16, 17, die die eingeleiteten Abgase auf einer spiralförmigen Bahn leiten. Die beiden Spiralkammern 16, 17 sind voneinander durch eine Trennwand 21 getrennt, die sich von einem Einlaßflansch 15 erstreckt. Die Trennwand liegt in einer radialen Ebene senkrecht zur Rotationsachse 23 des Laufrads und unterteilt das Innere des Turbinengehäuses 14 in die beiden Spiralkammern, die im wesentlichen gleichen Querschnittsbereich

809885/0927

haben. Ein radial inneres Ende 22 der Trennwand 21 erstreckt sich konzentrisch mit der Rotationsachse 23 des Laufrads und liegt im Umfang eines Radius *t\

Bei einer solchen herkömmlichen Abgasturbine für Auflader besteht die Wellenform des Abgasdrucks der vom Motor abgegebenen Abgase am Einlaßbereich (Spiralenanfang) des Turbinengehäuses 14 hauptsächlich aus einer pulsierenden Wellenform. Jede Stördruckwelle, die in der anderen Abgasleitung durch den pulsförmigen Abgasdruck auftreten kann, wird am Auftreten durch die die Spiralkammern 16, 17 voneinander trennende Trennwand 21 gehindert. Die Wellenform des Abgasdrucks am Spiralenende umfaßt jedoch eine pulsierende Wellenform in einem kleineren Teil und eine gleichmäßige Wellenform in einem größeren Teil.

Beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb ändern sich jedoch der Druck der Abgase im Turbinengehäuse und die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Düsenteil in das Laufrad eintretenden Abgase beträchtlich zwischen dem Spiralenanfang und dem Spiralenende. Insbesondere (vgl. Kurve 43 in Fig. 3C) erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase am Spiralenende mit zunehmender Motordrehzahl, und daher ergibt sich kein gleichmäßiges Eintreten der Abgase in das Laufrad 20. Dies ist ein Problem, durch das der Wirkungsgrad des Laufrads 20 vermindert wird.

Die Pig. 4A und 4B veranschaulichen ein Beispiel der Druckwellenform am Spiraleneinlaß A und am Spiralenende B nach Pig. 1, die als der vorgenannte Einlaßbereich des Turbinengehäuses und das genannte Spiralenende gewählt wurden. Die Ordinate repräsentiert den Druck im Turbinengehäuse in kg/cm und die Abszisse die Zeit. Die obere Hälfte von Fig. 4A zeigt die Druckwellenform in der Spiralkammer 16

809885/0927

und die untere Hälfte diejenige in der Spiralkammer 17. Der Druck der von den Motorzylindern 1 durch die Abgasleitung 2 zur Spiralkammer 16 geleiteten Abgase erzeugt zyklisch Hauptdruckwellen 51, und eine Hauptdruckwelle 32 der Abgase in der Spiralkammer 17 wird zeitlich jeweils genau zwischen den Hauptdruckwellen 31 erzeugt. Die zwischen benachbarten Hauptdruckwellen 31 bzw. 33 auftretenden niedrigen Wellen 32 und 34 sind Stördruckwellen, die durch den Leck-Abgasstrom (Hauptdruckwellen 31, 33) hervorgerufen sind, der aus der anderen Spiralkammer durch den Drosselabschnitt ausgetreten ist.

Fig. 4-B zeigt die Wellenform des Abgasdrucks im Spiralenende B, wobei die obere bzw. die untere Hälfte die Wellenform der Abgase in den Spiralkammern 16 bzw. 17 zeigt. Im Vergleich mit der Wellenform am Einlaßbereich A weist die Wellenform am Abschnitt B in beiden Kammern als Grundanteil Konstantdruckkomponenten mit höherem Pegel auf, die Spitzen der Hauptdruckwellen 35, 37 sowie der Stördruckwellen 36, 38 liegen nahe beieinander, und die Pulswellenkomponenten sind vermindert.

Wie bereits erläutert, weist die Wellenform des Abgasdrucks am Einlaßbereich A des Turbinengehäuses als größeren Teil die Pulswellenkomponente auf, und es ist daher erforderlich, die Erzeugung der vorgenannten Stordruckwellen in Anbetracht der Spülwirkung für den Motor kleinzuhalten. Die die Spiralkammern 16, 17 trennende Trennwand dient dazu, ein Stören zwischen den Druckwellen zu verhindern, aber die Pulskomponenten der Druckwelle werden verringert, wenn sich der Abgasstrom zu dem Spiralenendabschnitt B bewegt. Das Turbinengehäuse der herkömmlichen Abgasturbine für Auflader ist jedoch so aufgebaut, daß das Ende 22 der Trennwand 21 (vgl.

809885/0927

- ίο -

Pig. 1) mit gleichem Abstand (^ = konstant) von der Rotationsachse 23 des Laufrads 20 vorgesehen ist und die von den Spiralkammern 16, 17 zum Laufrad 20 verlaufenden kleinsten Drosselabschnitte an jedem Punkt um den Gesamtumfang des Laufrads gleichbleibende Abmessung haben, wie die Gerade 42 in Fig. 3B zeigt. Infolgedessen nehmen der Druck der Abgase in den Spiralkammern und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms aus den Spiralkammern zum Laufrad gegen das Spiralenende zu. Insbesondere beim Betrieb mit hoher Last und hoher Drehzahl erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase am Drosselabschnitt (vgl. die Kurve 43 in Fig. 3C) gegen das Spiralenende, und es wird ein Hochdruck-Drosselzustand erzeugt (ein Teil des Abgasstroms wird zum Spiralenanfang zurückgeleitet), der den gleichmäßigen Eintritt des Abgasstroms in das Laufrad stört, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine vermindert wird.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Abgasturbine nach der Erfindung erläutert, wobei gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichen haben. Die Turbine nach Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß die Abmessungen der Drosselabschnitte, die durch die Seitenwände der Spiralkammern 16, 17 und den Endabschnitt 22 der die Kammern voneinander trennenden Trennwand 21 definiert sind, mit zunehmendem Spiralwinkel θ größer werden (vgl. Fig. 3B).

Nach Fig. 5 liegt der Endabschnitt 22 der die Spiralkaannern 16, 17 trennenden Trennwand 21 auf dem Umfang mit einem gleichen Abstand A von der Rotationsachse 23 des Laufrads 20, aber die Drosselabschnitte 19, 19' sind so ausgebildet,

809835/0927

daß ihre Größe in Richtung zum Spiralenende zunimmt (S" T^ S¹)· Daher kann der Widerstand gegen die in das Laufrad 20 eingelassenen Abgase verringert werden, so daß das Auftreten der vorgenannten Drosselerscheinung verhindert wird. Wie durch die Vollinie in Fig. 3C angedeutet ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase an dem Drosselabschnitt auf einem im Vergleich mit demjenigen des herkömmlichen Turbinengehäuses im wesentlichen gleichbleibenden Wert gehalten werden, und zwar unabhängig von dem Spiralwinkel θ im Turbinengehäuse, und dadurch ist die Rotationsenergie um den Gesamtumfang des Laufrads 20 gleichmäßig.

Die Fig. 6A und 6B zeigen Wellenformen des Abgasdrucks an Stellen im Turbinengehäuse des ersten Ausführungsbeispiels, wobei diese Stellen den Stellen A und B in den Spiralkammern 16, 17 nach Fig. 1 entsprechen. Die Wellenform des Abgasdrucks am Einlaßabschnitt A in Fig. 6A weist Pulskomponeiiten ähnlich denjenigen nach Fig. 4A auf, wodurch Stördruckwellen 32, 34 kleingehalten werden. In der Wellenform des Abgasdrucks am Spiralenendabschnitt B in Fig. 6B haben die Pulskomponenten 35, 37 Durchschnittswerte und haben keinen so starken Einfluß auf die Spülwirkung des Motors.

Bei dem vorstehend erläuterten Turbinengehäuse ist der Einlaßteil mit Drosselabschnitten ausgebildet, die im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie diejenigen des herkömmlichen Turbinengehäuses haben, so daß die Spülwirkung für den Motor nicht verringert werden kann; die Abmessungen der Drosselabschnitte am Spiralenendabschnitt sind vergrößert, so daß die üblicherweise auftretende Drosselerscheinung beseitigt ist. Es ist daher möglich, eine Abgasturbine für Auflader zu schaffen, bei der eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit um den Gesamtumfang des Laufrads erzielbar ist.

809885/0927

Dabei ist der Abstand £. von der Rotationsachse 23 zum Rand 22 der Trennwand 21 im wesentlichen um den Gesamtumfang des Laufrads gleichbleibend, und die Dimension S der durch die Seitenwände der Spiralkammern und den Randabschnitt 22 der Trennwand definierten Drosselabschnitte ist unterschiedlich.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Abgasturbine für Auflader nach den Fig. 7 und 8 sind gleiche Teile wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Abgasturbine unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß der Abstand <<£ von der Rotationsachse 23 zum Randabschnitt 22 der Trennwand 21, die die Spiralkammern 16, 17 voneinander trennt, in Richtung zum Spiralenende zunimmt (^" y ^ in Fig. 8). Daher ist der Querschnittsbereich der Drosselabschnitte 19, 19' zum Einführen der Abgase in das Laufrad 20 größer, und zwar aufgrund der Tatsache, daß der Randabschnitt 22 der Trennwand in Richtung zum Spiralenende B des Turbinengehäuses weiter von der Rotationsachse des Laufrads entfernt ist, wodurch ein gleichmäßiger Durchtritt der Abgase erzielt wird, die dazu tendieren, gegen das Spiralenende B verdichtet zu werden. Damit wird der Strömungswiderstand in der Nähe des Spiralenendes B des Turbinengehäuses 14 verringert, so daß das Auftreten der Drosselerscheinung verhindert und eine gleichmäßige Rotationsenergie um den Gesamtumfang des Laufrads 20 erhalten wird.

Bei dem herkömmlichen Turbinengehäuse 14 nach Fig. 1 ist der Abstand zwischen dem Randabschnitt 22 der Trennwand 21 und dem Außenumfang des Laufrads 20 gleichbleibend, und der Querschnittsbereich der Spiralkammern 16, 17 wird gegen das Spiralenende sowie die Drosselabsehnitte kleiner. Daher ist

809885/0927

die Strömungsgeschwindigkeit der aus den Spiralkammern in das Laufrad eintretenden Abgase am Spiralenende B hoch (vgl. die Kurve 43 in Fig. 3C), so daß die eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Abgase die Rotation des Laufrads nicht unterstützen. Bei der Turbine nach den Pig. 7 und 8 nehmen die Abmessungen der Drosselabschnitte mit dem Spiralwinkel zu (vgl. die Kurve 41 in Fig. 3B), und es wird daher die gleiche Auswirkung wie bei dem vorher erläuterten Ausführungsbeispiel erhalten.

Bei dem Turbinengehäuse der Abgasturbine für Auflader ist die Energie des Abgasstroms einer Brennkraftmaschine im Laufrad der Turbine mit hohem Wirkungsgrad nutzbar, ohne daß die Spülwirkung verringert wird.

80988S/0927

Claims (1)

1. Ansprüche

   \\J Abgasturbine für Auflader, mit einem Turbinengehäuse, einem darin um die Mitte der Turbinengehäuse-Spirale umlaufenden Laufrad, wobei das Turbinengehäuse wenigstens zwei Spiralkammern zum Leiten von Abgasen von einer Brennkraftmaschine zum Gesamtumfang des Laufrads aufweist und die Abgase voneinander getrennt gehalten werden, mit einer an einer Innenwand des Turbinengehäuses befestigten Trennwand, die das Gehäuseinnere in die Spiralkammern unterteilt, und mit durch Seitenwände der Spiralkammern und einen radial inneren Endabschnitt der Trennwand gebildete Drosselabschnitte, die sich von den Spiralkammern im wesentlichen zum Gesamtumfang des Laufrads öffnen,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Drosselabschnitte (19_f 19') in Richtung zu dem Spiralenende (B) der Spiralkammern (16, 17) allmählich größer werden.

   2. Abgasturbine nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Abstand (j£) zwischen der Rotationsachse (23) des Laufrads (20) und dem inneren Endabschnitt (22) der Trennwand (21) in Richtung zum Spiralenende (B) der Spiralkammern (16, 17) zunimmt.

   81-(A 296i-03)-schö

   809885/0927

   ORIGINAL INSPECTED

   3. Abgasturbine nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Abstand (-/?) zwischen der Rotationsachse (23) des Laufrads (20) und dem inneren Endabschnitt (22) der Trennwand (21) im wesentlichen über den Gesamtumfang des Laufrads (20) gleichbleibend ist und der Abstand zwischen dem inneren Endabschnitt (22) der Trennwand (21) und den Seitenwänden der Spiralkammern (16, 17) in Richtung zum Spiralenende (B) der Spiralkammern (16, 17) zunimmt.

   4. Abgasturbine nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Abstand zwischen dem inneren Endabschnitt (22) der Trennwand (21) und den Seitenwänden der Spiralkammern (16,

   17) in Richtung zum Spiralenende (B) der Spiralkammern (16,

   17) zunimmt.

   809885/0927