DE3831687A1 - Radialturbine mit im stroemungsquerschnitt veraenderbarem spiralgehaeuse - Google Patents
Radialturbine mit im stroemungsquerschnitt veraenderbarem spiralgehaeuseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Radialturbine mit im
Strömungsquerschnitt veränderbarem Spiralgehäuse nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der
EP-PA 00 81 255 als bekannt hervorgeht.
In der EP-PA 00 81 255 ist ein Abgasturbolader aufgezeigt, in
dessen Turbinengehäuse ein mit einem Regelkolben gekoppelter,
axial - in Richtung der Laufradachse - verstellbarer
Spiralkörper zur Änderung der Querschnittsfläche des
Spiralkanals angeordnet ist. Der eine seitliche Strömungswand
des Spiralkanals beinhaltende Spiralkörper hat im wesentlichen
die gleiche Querschnittsausbildung wie der Spiralkanal. Durch
stufenlose Anpassung des Strömungsquerschnitts des Spiralkanals
an die jeweils angebotene Abgasmenge der Brennkraftmaschine wird
die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms für eine optimale
Leistung der Abgasturbine entsprechend dem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine angepaßt. An diesem Stand der Technik wird
als nachteilig empfunden, daß die den Spiralkanal auf seinem
inneren und äußeren Umfang begrenzenden Wandungen des
Spiralgehäuses mit parallel zueinander verlaufenden Flächen
ausgebildet sein müssen, damit der Spiralkörper überhaupt in der
angegebenen Weise stufenlos axial verschieblich ist. Eine solche
Querschnittsausbildung ist jedoch hinsichtlich des
Wirkungsgrades aufgrund länglicher, im wesentlichen rechteckiger
Strömungsräume mit üblicherweise über dem Umfang der Spirale
konstanter Breite wegen starker Strömungsumlenkungen mit
daraus resultierenden Sekundärströmungen und erhöhter
Wandreibung durch große Wandflächen ungünstig. Besonders
ungünstig wird das Höhen-Breiten-Verhältnis des Strömungsraums
zum Spiralende hin, und insbesondere bei großen Abgasturboladern
mit zunehmenden Spiralengrößen. Nachteilig ist ferner, daß die
Dichtungen in den Gleitflächen des Regelkolbens anzuordnen sind,
was infolge Reibungseinflüssen eine ungenaue Einstellung des
Regelkolbens und damit des Spiralkörpers bewirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Verstellung des Strömungsquerschnitts des Spiralkanals einer
Radialturbine aufzuzeigen, die für zwei Leistungsbereiche
hinsichtlich des Wirkungsgrads optimal ausgelegt ist, mit dem
Vorteil einer besonders einfachen Regelmöglichkeit, der
Möglichkeit zur leichtgängigen Führung des Stellglieds, sowie
eines geringen axialen Bauraumbedarfs der Turbine.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Ausbildung durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Aufgrund
der Beschränkung auf nur zwei mögliche Verschiebestellungen des
verschiebbaren Spiralgehäuses besteht keine Beschränkung
hinsichtlich der Formgebung für die Spiralgehäuse. Somit ist
aber eine strömungsoptimale Ausbildung der Spiralkanäle mit
beispielsweise kreisförmigem Querschnitt möglich. Zwar sind dann
nur zwei Betriebspunkte mit optimaler Turbinenleistung möglich.
Jedoch ist hier der Wirkungsgrad jeweils optimal, was
vorteilhafter sein kann, als eine Vielzahl von einstellbaren
Strömungsquerschnitten mit ungünstigen verlustbehafteten
Strömungsverhältnissen. Vorteilhaft ist weiter auch, daß
aufgrund der Einschränkung auf nur zwei mögliche
Verschiebestellungen die Abdichtung der durch die Spiralgehäuse
gebildeten Strömungsräume mittels axial wirkender Dichtflächen
vorgenommen werden kann, die zugleich als Anschläge zur
Begrenzung der Verschiebebewegung dienen. Dadurch lassen sich
die Gleitflächen an der Führung des verstellbaren Spiralgehäuses
dichtungsfrei und damit leichtgängig ausbilden. Von Vorteil ist
auch, daß die Regeleinrichtung bei nur zwei verschiebbaren
Verschiebestellungen sehr einfach gestaltet werden kann. Von
Vorteil ist ferner der geringe Bauraumbedarf, da die
Verschiebebewegungen des verstellbaren Spiralgehäuses zwischen
den zwei Schaltstellungen gering sind. Der dem Verstellweg
entsprechende Spalt zwischen dem freien Rand des verstellbaren
Spiralgehäuses und dem äußeren Spiralgehäuse muß gerade so groß
sein, daß das zwischen äußerem und innerem Spiralgehäuse
zuströmende Abgas ungehindert zum Laufradeintritt gelangt.
Entsprechend ist der Stellweg abhängig vom Flächenverhältnis der
beiden durch die Spiralgehäuse gebildeten
Spiralkanalquerschnitte.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Turbine eines
Abgasturboladers mit bei Teillast eingenommener
Stellung des verschiebbaren Spiralgehäuses,
Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende fragmentarische
Querschnittsansicht durch die Turbine eines Turboladers
im Bereich der Spiralkanäle mit bei Vollast
eingenommener Stellung des verschiebbaren
Spiralgehäuses,
Fig. 3 eine Schnittansicht der Turbine entlang der in der
Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie III-III.
Von einem Abgasturbolader ist in Fig. 1 in einem Längsschnitt
die Turbine 1, mit einem Teil des Lagergehäuses 2, dem darin
gelagerten Laufrad 3 sowie dem an das Lagergehäuse angebauten
Turbinengehäuse dargestellt. Das Turbinengehäuse ist mit einem
ersten äußeren feststehenden Spiralgehäuse 4 ausgebildet, das
einen Spiralkanal formt. Im Bereich des Strömungsauslasses des
Turbinengehäuses ist die axiale Führung eines zweiten inneren
Spiralgehäuses 5 angeordnet. Das axial verschiebbare
Spiralgehäuse 5 erstreckt sich im Strömungsquerschnitt des
ersten Spiralgehäuses 4. Die Führung erfolgt an einem
Führungsflansch 8, mit dem das Spiralgehäuse 5 im Bereich eines
Randes verbunden ist. Der Führungsflansch 8 erstreckt sich in
einen Ringraum 12 des Turbinengehäuses, der über eine Bohrung
13, eine Leitung 16 und ein Ventil 9 mit dem nicht dargestellten
Verdichter des Abgasturboladers verbunden ist. Parallel zum
Ventil 9 ist ein Drosselventil 11 angeordnet. Am Umfang des
Führungsflansches 8 sind mehrere Druckfedern 10 angeordnet, die
in von Hülsen 14 gebildeten Hohlräumen liegen. Die Druckfedern
10 wirken in axialer Richtung. Die Hülsen 14 können als
Hülsenfedern ausgebildet sein, die die Aufgabe haben, das innere
Spiralgehäuse 5 gegenüber dem äußeren Spiralgehäuse 4 zu
zentrieren und tangentiale Kräfte und Beschleunigungen
aufzunehmen. Vom Ringraum 12 führt eine Drosselbohrung 15 zum
Strömungsauslaß des Turbinengehäuses. Durch die Drosselbohrung
15 und das Drosselventil 11 wird, auch bei geschlossenem Ventil
9, ein ständiger Ladeluftstrom zur Kühlung der im Bereich des
Ringraums 12 angeordneten Federn aufrechterhalten.
In Fig. 2 ist das verstellbare Spiralgehäuse 5 in
zurückgezogener Stellung dargestellt. Zwischen dem freien Rand
des Spiralgehäuses 5 und der Innenwand des Spiralgehäuses 4
besteht ein Spalt, über den das zwischen den Spiralgehäusen 4, 5
strömende Abgas zum Abgaseintritt am Laufrad gelangt. Dabei ist
durch das Ventil 9 die mit dem Verdichter verbundene Leitung 16
abgesperrt. Die Abdichtung der Spiralenräume erfolgt an
Dichtflächen 18 und 19, die zugleich als Anschlag wirken. In der
Stellung des Spiralgehäuses 5 nach Fig. 1 dient die Anlagefläche
des freien Randes im Spiralgehäuse 4 als Dichtfläche 20. Die
Abdichtung der Führungsflächen des Führungsflanschs 8 erfolgt,
da die Dichtflächen 18, 19 nunmehr wirkungslos sind, aber das
Ventil 9 geöffnet ist, durch Ladeluft, die ins Turbinengehäuse
strömt, weil die Ladeluft einen höheren Druck als das Abgas
aufweist.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Turbine 1 entlang der in
Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie III-III. Es ist die
Anordnung des inneren Spiralgehäuses 5 im äußeren Spiralgehäuse
4 dargestellt.
Bei wechselndem Abgasangebot, wie es bei Abgasturboladern von
Kraftfahrzeugmotoren auftritt, sollen durch veränderbare
Spiralkanalquerschnitte günstige
Beaufschlagungsgeschwindigkeiten für die Turbinenschaufeln
aufrechterhalten werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung
mit einem axial verstellbaren Spiralgehäuse 5 für zwei
Regelstellungen ergeben sich bei Vollast und einem
Teillastbetriebspunkt optimale Turbinenwirkungsgrade, da die
Form der Spiralgehäuse 4, 5 beliebig, also auch strömungsgünstig
kreisförmig gewählt werden kann. Bei Teillast liegt der freie
Rand des inneren Spiralgehäuses 5 am äußeren Spiralgehäuse 4 an
der Dichtfläche 20 an. Das gesamte vom Motor angebotene Abgas
gelangt daher über den Strömungsquerschnitt des inneren
Spiralgehäuses 5 zum Abgaseintritt am Laufrad 3. Das zwischen
den Spiralgehäusen 4 und 5 einströmende Abgas staut sich auf, da
kein Abfluß vorhanden ist. Die Verstellung des Spiralgehäuses 5
in seine Teilastposition erfolgt durch Öffnen des Ventils 9, so
daß der Ringraum 12 und damit die radialen Flächen des
Führungsflansches 8 mit dem Ladeluftdruck beaufschlagt sind. Dem
Ladeluftdruck entgegen wirkt der am inneren Spiralgehäuse 5
angreifende Abgasdruck. Da der Abgasdruck im gesamten
Betriebsbereich jedoch kleiner als der Ladeluftdruck ist,
erfolgt die Verstellung des Spiralgehäuses 5 in die in Fig. 1
gezeichnete Position. Um möglichst hohe Verschiebekräfte zu
erreichen, kann der Staudruck der Ladeluft entnommen werden. Die
axialen Druckfedern 10 wirken gleichgerichtet mit dem
Ladeluftdruck. Sie unterstützen deshalb die Stellbewegung und
sorgen für hohe Anlagekräfte des Spiralgehäuserandes am äußeren
Spiralgehäuse 4 auch bei Druckschwankungen. Die Steifigkeit der
Druckfedern ist so bemessen, daß bei durch das Ventil 9
abgesperrter Leitung 16 der Abgasdruck eine Verschiebung des
inneren Spiralgehäuses 5 in Vollaststellung entsprechend Fig. 2
bewirkt. In dieser Stellung gelangt das aus dem äußeren
Spiralgehäuse zuströmende Abgas über den Spalt zwischen dem
freien Rand des inneren Spiralgehäuses 5 und den Wandungen des
Spiralgehäuses 4 und vom Spiralgehäuse 5 aufgenommenes Abgas zum
Abgaseintritt am Laufrad 3. Die Einstellung der
Spiralgehäuselage erfolgt in einfacher Weise durch Betätigung
des Ventils 9. Das Ventil 9 wird beispielsweise in Abhängigkeit
vom Ladeluftdruck oder anderen Motorbetriebskennwerten
geschaltet.
Der axiale Bauraumbedarf der Verstellturbine ist niedrig, weil
nur geringe Verschiebebewegungen des Spiralgehäuses genügen,
damit ein ausreichender Spalt für ungehinderten Zutritt von
Abgas aus dem Spiralgehäuse 4 entsteht. Der Verstellweg ist
abhängig vom Flächenverhältnis der durch die Spiralgehäuse 4, 5
umfaßten Strömungskanäle.
Bei der Optimierung des Spiralenverlaufs kann in vorteilhafter
Weise berücksichtigt werden, daß sich eine Verlagerung des
Strömungsflächenschwerpunkts nach innen ergibt bei der Schaltung
von Vollast auf Teillast.
Zur Gewichtseinsparung kann das innere Spiralgehäuse, da das
innere Spiralgehäuse im Gegensatz zum äußeren Spiralgehäuse nur
geringen Kräften ausgesetzt ist, zum Teil mit einem Formblech
ausgeführt werden. Die in Formblech ausgeführte
Spiralgehäusehälfte wird mit der die Führung beinhaltenden
Spiralgehäusehälfte durch Schweißen verbunden. Es wird
dadurch insbesondere auch die Fertigung durch Einsparung eines
aufwendigen Spiralenkerns vereinfacht und verbilligt.
Claims (8)
1. Radialturbine mit im Strömungsquerschnitt durch axial - in
Richtung der Laufradachse - verschiebbare Wandteile
veränderbarem Spiralgehäuse, wobei die Wandteile mit einer
axialen Führung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschiebbaren Wandteile die Form eines im Strömungsquerschnitt
gegenüber einem ersten, feststehend angeordneten Spiralgehäuse
(4) kleineren, verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5)
besitzen, das sich im Strömungsraum des ersten Spiralgehäuses
(4) erstreckt und auf einer Seite mit der Führung verbunden ist,
und daß eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts
entsprechend dem Strömungsquerschnitt des zweiten verschiebbaren
Spiralgehäuses (5) erfolgt, wenn das zweite verschiebbare
Spiralgehäuse (5) unter Anlage seines der geführten Seite
gegenüberliegenden - freien - Randes im ersten Spiralgehäuse (4)
über dem Strömungseintritt zum Laufrad (3) liegt, und daß eine
Vergrößerung des Strömungsquerschnitts erfolgt, wenn der freie
Rand des verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) von seiner
Anlage im ersten Spiralgehäuse (4) zurückgezogen ist.
2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das axial verschiebbare zweite Spiralgehäuse (5) mit im
wesentlichen kreisfömigem Querschnitt ausgebildet ist.
3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der freie Rand des axial verschiebbaren
zweiten Spiralgehäuses (5) radial in Strömungsrichtung des zum
Laufradeintritt strömenden Fluids auslaufend ausgebildet ist.
4. Radialturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abdichtung der durch die Spiralgehäuse
(4, 5) gebildeten Strömungsräume an die Axialbewegung des
verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) begrenzenden
Dichtflächen (18, 19, 20) erfolgt.
5. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Radialturbine als Abgasturbine eines
Abgasturboladers ausgebildet ist, und eine Fläche der Führung
des verschiebbaren zweiten Spiralgehäuses (5) mit dem
Ladeluftdruck beaufschlagt ist, der dem am zweiten
verschiebbaren Spiralgehäuse (5) wirkenden Abgasdruck
entgegengerichtet ist, und daß die Beaufschlagung durch den
Ladeluftdruck abhängig vom Abgasangebot der Brennkraftmaschine
mittels eines Ventils (9) aufhebbar ist.
6. Radialturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß am verschiebbaren zweiten Spiralgehäuse (5)
entgegengerichtet zum Abgasdruck Druckfedern (10) wirken.
7. Radialturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zu den Räumen, in denen die Druckfedern (10) angeordnet
sind, ein Kühlluftstrom geführt wird.
8. Radialturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß als Kühlluft Ladeluft dient, die über ein Drosselventil (11)
zu den Räumen der Druckfedern (10) gelangt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883831687 DE3831687A1 (de) | 1988-09-17 | 1988-09-17 | Radialturbine mit im stroemungsquerschnitt veraenderbarem spiralgehaeuse |
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DE19883831687 DE3831687A1 (de) | 1988-09-17 | 1988-09-17 | Radialturbine mit im stroemungsquerschnitt veraenderbarem spiralgehaeuse |
Publications (2)
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DE3831687A1 true DE3831687A1 (de) | 1990-03-29 |
DE3831687C2 DE3831687C2 (de) | 1992-02-13 |
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ID=6363179
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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Ipc: F01D 9/06 |
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