DE4213678A1 - Turbine for exhaust turbocharger - uses compressed air as cooling medium for adjusting elements of guide blades - Google Patents

Abstract

The turbine has a row of individually adjustable guide blades (18). The blades are turned by adjusting shafts (19), which are born in a housing (14) and pass through a blade carrier (13). Each shaft is actuated by a pivot lever (21). A cooling medium flows around all adjusting elements (19,21,22,23). After the cooling process, the medium is introduced into the exhaust flow in the channel (11), upstream of the guide blades. The cooling medium consists of compressed air, which is branched off the charging air duct downstream of the charger compressor. USE/ADVANTAGE - Compressed air cools adjusting mechanism for guide blades of IC engine turbocharger, to increase operational safety.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Abgasturbo­ laderturbine mit einer Reihe einzeln verstellbarer Leit­ schaufeln, welche über je eine in einem Gehäuse gelagerte und einen Schaufelträger durchdringende Verstellwelle verdrehbar sind, wobei jede Verstellwelle über einen Schwenkhebel betätigt wird.The invention relates to an exhaust gas turbo with axial flow turbocharger with a number of individually adjustable guides shovel, each over a stored in a housing and an adjustment shaft penetrating a blade carrier are rotatable, each adjusting shaft via a Swivel lever is operated.

Stand der TechnikState of the art

Derartige Turbinen sind beispielsweise bei Abgasturboladern hinlänglich bekannt. Neben der Leitschaufelverstellung am Verdichter ist als Regeleingriff zur Verbesserung der Beschleunigung und des Drehmomentenverhaltens auch die Leit­ schaufelverstellung an der Turbine eine mögliche Maßnahme. Ein Beispiel hierfür liefert die EP 2 53 234 A1. Mit den ver­ stellbaren Turbinenleitschaufeln soll für einen gegebenen Durchsatz ein größeres Gefälle erzeugt werden. Dadurch erhöht sich die Turbinenleistung, die Turbinendrehzahl und schließlich dem Ladedruck. Damit die Verstellschaufeln während des "heißen" Betriebes nicht klemmen, müssen sie in der Regel mit angemessenem Spiel eingebaut werden. Besonders im zugedrehten Zustand kann sich die Spaltströmung am Kopf und am Fuß der Schaufeln sehr störend auf die Hauptströmung im Kanal auswirken. Da überdies auf die Verstellschaufeln große Fluidkräfte in Axial- und in Umfangsrichtung einwir­ ken, müssen des öfteren die Schaufeln sowohl am Kopf als auch am Fuß eingespannt werden, um die Verstellwelle zu entlasten.Such turbines are, for example, in exhaust gas turbochargers well known. In addition to the guide vane adjustment on Compressor is used as a control measure to improve the Acceleration and the torque behavior also the guide Blade adjustment on the turbine is a possible measure. An example of this is provided by EP 2 53 234 A1. With the ver adjustable turbine guide vanes are designed for a given Throughput a larger gradient can be generated. Thereby increases the turbine power, the turbine speed and  finally the boost pressure. So that the adjustable blades do not jam during "hot" operation, they must be in usually be installed with adequate play. Especially in the closed state, the gap flow at the head and at the foot of the blades very disturbing to the main flow impact in the channel. Since also on the adjustable blades large fluid forces in the axial and circumferential direction the blades often have to be on the head as well can also be clamped on the foot to close the adjustment shaft relieve.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei axial durch­ strömten Turbinen der eingangs genannten Art zwecks Erhöhen der Betriebssicherheit den Verstellmechanismus der Leit­ schaufeln zu kühlen.The invention has for its object at axially flowed turbines of the type mentioned in order to increase operational safety the adjustment mechanism of the control shovel to cool.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Verstell-Elemente von einem Kühlmittel umströmt sind, welches nach Ausüben seiner Kühlfunktion stromaufwärts der Leitschaufeln in die Abgasströmung im durchströmten Kanal eingeleitet wird. Abgesehen von der vorteilhaften Begrenzung der Betriebstemperatur der bewegten Teile bietet diese Lösung, gemäß der das Kühlmittel der Abgasströmung beige­ mischt wird, die nahezu verlustfreie Möglichkeit, den Lade­ druck insbesondere bei Teillast, bei welcher die Verstell­ schaufeln zum Teil zugedreht sind, zu erhöhen.According to the invention this is achieved in that the Adjustment elements are surrounded by a coolant, which after performing its cooling function upstream of the Guide vanes in the exhaust gas flow in the flow channel is initiated. Apart from the advantageous limitation the operating temperature of the moving parts offers this Solution according to which the coolant of the exhaust gas flow beige is mixed, the almost lossless possibility, the drawer pressure especially at partial load, at which the adjustment blades are partially closed to increase.

Diese Möglichkeit ist insbesondere dann gegeben, wenn das Kühlmittel verdichtete Luft ist, welche stromabwärts des Abgasturboladerverdichters aus der Ladeluftleitung abge­ zweigt wird. Mit dieser Maßnahme kann verhindert werden, daß sich beim Zudrehen der Verstellschaufeln der Gasturbine der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld in unzulässiger Weise gegen die Pumpgrenze verschiebt. This option is particularly available if the Coolant is compressed air, which is downstream of the Exhaust gas turbocharger compressor removed from the charge air line is branched. This measure can prevent that when the adjustment blades of the gas turbine are closed the operating point in the compressor map is inadmissible Moved towards the surge limit.  

Zur Kühlung des den heißen Abgasen ausgesetzten Schaufel­ trägers ist es vorteilhaft, wenn das Kühlmittel vor dem Einleiten in den Abgaskanal an der diesem Kanal abgewandten Seite des Schaufelträgers entlang geführt wird.For cooling the blade exposed to the hot exhaust gases carrier it is advantageous if the coolant before Introduce into the exhaust duct on the side facing away from this duct Side of the blade carrier is guided along.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einstufigen Abgasturboladerturbine mit axial/radialem Austritt dargestellt.In the drawing is an embodiment of the invention based on a single-stage turbocharger turbine with axial / radial Exit shown.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 schematisch eine mittels Abgasturbolader auf geladene 4-Zylinder Brennkraftmaschine; Fig. 1 schematically shows a charged by means of the exhaust gas turbocharger on a 4-cylinder internal combustion engine;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch die Turbine. Fig. 2 shows a partial longitudinal section through the turbine.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind in Fig. 2 bei­ spielsweise die Gehäuse mit Zu- und Ableitungen, der Rotor mitsamt Lagerung usw. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit­ tel sind mit Pfeilen bezeichnet.Only the elements essential for understanding the invention are shown. Not shown in Fig. 2 for example, the housing with feed and discharge lines, the rotor together with storage, etc. The direction of flow of the Arbeitsmit tel are indicated by arrows.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine sei ein mittel­ schnellaufender Dieselmotor 1, wie er beispielsweise für Schiffsantriebe Verwendung findet. Die Auspuffgase der einzelnen Zylinder strömen in einen Abgassammelbehälter 2, in dem sich die Druckstöße vergleichmäßigen. Mit nahezu konstantem Druck gelangen die Abgase über die Abgasleitung 3 in die Turbine 4, die nach dem Stauverfahren arbeitet. Der von der Turbine angetriebene Verdichter 5 fördert die atmo­ sphärisch angesaugte und komprimierte Luft über eine Lade­ luftleitung 6 in einen Ladeluftsammelbehälter 7, aus dem die Ladeluft in die einzelnen Zylinder gelangt. Die Turbine ist mit einem variablem Ersatzquerschnitt in Form von verstell­ baren Leitschaufeln 18 (Fig. 2) versehen.The internal combustion engine shown in Fig. 1 is a medium-speed diesel engine 1 , such as is used for example for ship drives. The exhaust gases from the individual cylinders flow into an exhaust gas collector 2 , in which the pressure surges are evened out. With almost constant pressure, the exhaust gases reach the turbine 4 via the exhaust gas line 3 , which works according to the accumulation method. The compressor driven by the turbine 5 promotes the atmospherically aspirated and compressed air via a charge air line 6 into a charge air collection container 7 , from which the charge air reaches the individual cylinders. The turbine is provided with a variable replacement cross section in the form of adjustable guide vanes 18 ( FIG. 2).

In der in Fig. 2 teilweise gezeigten Gasturbine sind die den durchströmten Kanal 11 begrenzenden Wandungen zum einen die innere Nabe 12 und zum andern der äußere Schaufelträger 13. Letzterer ist auf nicht näher dargestellte Art im Gehäuse 14 und in einem stromaufwärts angeordneten Zuströmgehäuse 24 eingehängt. Im Bereich der Laufschaufeln 15 wird der Kanal 11 innen begrenzt durch die Rotorscheibe 16 und außen durch die Abdeckung 17.In the gas turbine partially shown in FIG. 2, the walls delimiting the channel 11 through which flow passes are, on the one hand, the inner hub 12 and, on the other hand, the outer blade carrier 13 . The latter is suspended in a manner not shown in the housing 14 and in an upstream inflow housing 24 . In the region of the rotor blades 15 , the channel 11 is delimited on the inside by the rotor disk 16 and on the outside by the cover 17 .

Die verstellbaren Leitschaufeln 18 sind mit ihrer jeweiligen Verstellwelle 19 vorzugsweise einteilig ausgeführt, wobei ein Bund 25 die Welle 19 mit dem Schaufelblatt verbindet. Die Welle 19 ist in einer Buchse 20 gelagert, welche das Gehäuse 14 und teilweise den Schaufelträger 13 durchdringt. An ihrem aus der Buchse 20 herausragenden Ende ist die Welle mit einem Schwenkhebel 21 verbunden. Dieser Hebel ist über einen Bolzen 22 mit einem Verstellring 23 verbunden.The adjustable guide vanes 18 are preferably designed in one piece with their respective adjusting shaft 19, a collar 25 connects the shaft 19 with the airfoil. The shaft 19 is mounted in a bushing 20 which penetrates the housing 14 and partially the blade carrier 13 . At its end protruding from the socket 20 , the shaft is connected to a pivot lever 21 . This lever is connected to an adjusting ring 23 via a pin 22 .

Die eigentliche Verstellung der Leitschaufeln 18 im Gitter erfolgt über das Hebelgestänge 19, 21, 22, 23 durch nicht dargestellte Betätigungsmittel, wie sie beispielsweise aus dem Verdichterbau bekannt sind. Die Verstellung erfolgt vor­ zugsweise automatisch in Funktion der Betriebsparameter wie Ladedruck, Drehzahl usw.The actual adjustment of the guide vanes 18 in the grating takes place via the lever linkage 19 , 21 , 22 , 23 by actuating means, not shown, as are known, for example, from compressor construction. The adjustment is preferably made automatically in function of the operating parameters such as boost pressure, speed, etc.

Der Schwenkhebel 21 ist in seinem mittleren Teil 21a als Blattfeder ausgebildet. Nach der Montage ist diese Blattfe­ der vorgespannt und wirkt in Längsrichtung auf die Verstell­ welle 19. Diese wird dabei durch die Buchse 20 radial ein­ wärts bewegt, bis die Schaufelspitze der Leitschaufel am Anschlag mit der Nabe ist.The pivot lever 21 is formed in its central part 21 a as a leaf spring. After assembly, this Blattfe is the biased and acts in the longitudinal direction on the adjusting shaft 19th This is moved radially upward through the bushing 20 until the blade tip of the guide blade is at the stop with the hub.

Zur Kühlung des Verstellmechanismus ist nunmehr die Umspü­ lung der beteiligten Elemente mit verdichteter Luft vorgese­ hen. Hierzu ist gemäß Fig. 1 stromabwärts des Verdichters eine Bypassleitung 8 mit einem darin angeordneten Regelorgan 9 vorgesehen. Diese Bypassleitung 8 mündet in das in Fig. 2 nicht dargestellte Außengehäuse der Gasturbine 4. Das Kühl­ mittel gelangt in den von der Abdeckung 17 und dem Gehäuse 14 begrenzten Innenraum und umströmt hier den Verstellring 23, die Bolzen 22, die Schwenkhebel 21 und die zugänglichen Partien der Verstellwellen 19. Das Kühlmittel wird um die Stirnseite des Gehäuses 14 herumgelenkt und gelangt in den axial verlaufenden Spalt zwischen Gehäuse 14 und Schaufel­ träger 13, wobei auch letzterer gekühlt wird. Im dargestell­ ten Fall wird die Kühlluft am einlaßseitigen Ende des Schaufelträgers der Hauptströmung möglichst stoßfrei zuge­ mischt. Hierzu sind die entsprechenden Teile des Schaufel­ trägers und des daran angrenzenden Zuströmgehäuses 24 strö­ mungsgünstig ausgebildet. Zum einen beeinträchtigt diese verlustarme Art des Einströmens nicht die Hauptströmung, zum andern wird auch noch eine teilweise Abschirmung des Schau­ felträgers von den heißen Abgasen der Hauptströmung erzielt.To cool the adjustment mechanism, the flushing of the elements involved is now hen with compressed air. For this purpose, according to FIG. 1, a bypass line 8 with a control element 9 arranged therein is provided downstream of the compressor. This bypass line 8 opens into the outer casing of the gas turbine 4, which is not shown in FIG. 2. The coolant enters the interior delimited by the cover 17 and the housing 14 and flows around the adjusting ring 23 , the bolts 22 , the pivot levers 21 and the accessible parts of the adjusting shafts 19 . The coolant is directed around the end face of the housing 14 and passes into the axially extending gap between the housing 14 and the blade carrier 13 , the latter also being cooled. In the illustrated case, the cooling air is mixed as smoothly as possible at the inlet-side end of the blade carrier of the main flow. For this purpose, the corresponding parts of the blade carrier and the adjoining inflow housing 24 are streamlined. On the one hand, this low-loss type of inflow does not affect the main flow, on the other hand, partial shielding of the rocker carrier from the hot exhaust gases of the main flow is also achieved.

BezugszeichenlisteReference list

 1 Dieselmotor
 2 Abgassammelbehälter
 3 Abgasleitung
 4 Turbine
 5 Verdichter
 6 Ladeluftleitung 6
 7 Ladeluftsammelbehälter
 8 Bypassleitung
 9 Regelorgan
11 Kanal
12 Nabe
13 Schaufelträger
14 Gehäuse
15 Laufschaufel
16 Rotorscheibe
17 Abdeckung
18 verstellbare Leitschaufel
19 Welle
20 Buchse
21 Schwenkhebel
21a Federmittel
22 Bolzen
23 Verstellring
24 Zuströmgehäuse
25 Bund 1 diesel engine
2 flue gas canisters
3 exhaust pipe
4 turbine
5 compressors
6 Charge air line 6
7 charge air collection container
8 bypass line
9 regulatory body
11 channel
12 hub
13 blade carriers
14 housing
15 moving blade
16 rotor disk
17 cover
18 adjustable guide vanes
19 wave
20 socket
21 swivel levers
21 a spring means
22 bolts
23 adjusting ring
24 inflow housing
25 bunch

Claims (3)

1. Axialdurchströmte Abgasturboladerturbine mit einer Reihe einzeln verstellbarer Leitschaufeln (18), welche über je eine in einem Gehäuse (14) gelagerte und einen Schaufelträger (13) durchdringende Verstellwelle (19) verdrehbar sind, wobei jede Verstellwelle (19) über einen Schwenkhebel (21) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstell-Elemente (19, 21, 22, 23) von einem Kühlmittel umströmt sind, welches nach Ausüben seiner Kühlfunktion stromaufwärts der Leitschaufeln (18) in die Abgasströmung im durchströmten Kanal (11) eingelei­ tet wird.1. Axial-flow exhaust-gas turbocharger turbine with a series of individually adjustable guide vanes ( 18 ), which can be rotated via an adjusting shaft ( 19 ) mounted in a housing ( 14 ) and penetrating a blade carrier ( 13 ), each adjusting shaft ( 19 ) using a swivel lever ( 21 ) is actuated, characterized in that the adjusting elements ( 19 , 21 , 22 , 23 ) are flowed around by a coolant which, after performing its cooling function upstream of the guide vanes ( 18 ), is introduced into the exhaust gas flow in the flow-through channel ( 11 ) . 2. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlmittel verdichtete Luft ist, welche stromabwärts des Abgasturboladerverdichters (5) aus der Ladeluftleitung (6) abgezweigt wird.2. Exhaust gas turbocharger turbine according to claim 1, characterized in that the coolant is compressed air, which is branched downstream of the exhaust gas turbocharger compressor ( 5 ) from the charge air line ( 6 ). 3. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlmittel vor dem Einleiten in den Kanal (11) an der dem Kanal (11) abgewandten Seite des Schaufelträgers (13) entlang geführt wird.3. Exhaust gas turbocharger turbine according to claim 1, characterized in that the coolant is guided along the side of the blade carrier ( 13 ) facing away from the channel ( 11 ) before being introduced into the channel ( 11 ).