DE4303521C1

DE4303521C1 - Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine

Info

Publication number: DE4303521C1
Application number: DE19934303521
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Stute; Klaus Dipl Ing Wunderlich; Siegfried Dipl Ing Sumser; Erwin Schmidt; Siegfried Lamsbach
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1993-02-06
Filing date: 1993-02-06
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2013-02-07

Description

Die Erfindung betrifft einen verstallbaren Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 10 34 192 ist bereits ein verstellbarer Strömungsleitapparat der gattungsgemäßen Art für im wesentlichen radial durchströmte Turbomaschinen mittels einer axial verschieblichen Wand bekannt. Die Turbomaschine umfaßt ein Laufrad und ein Spiralgehäuse mit einem radialen Strömungsleitkanal, der einen an das Laufrad mündenden Zuströmquerschnitt aufweist, wobei zwischen dem Spiralgehäuse und dem Laufrad ein parallel zur Laufradlängsachse verschieblicher Strömungsleitapparat mit einer Trennwand angeordnet und der Durchflußquerschnitt des spiral förmigen Strömungsleitkanales durch die Trennwand einstellbar ist.

Ferner ist aus dem DE-B Aufladung von Verbrennungsmotoren, 3. Aufl., Springer Vlg. 1985, S. 256 ein radialer Spiralkanal einer Turbinenstufe bekannt, dessen Querschnitt durch einen Schieber beeinflußbar ist.

Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE 26 33 587 C2, DE 32 33 756 A1, DE 37 34 386 A1 und CH-PS 643 631 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Strömungsleitapparat so aus zubilden, daß Drosselverluste und durch Falschanströmung des Laufradgitters induzierte Gitter verluste minimiert werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des verstellbaren Strömungsleitapparates liegt darin, daß durch die mit der axi alverschieblichen Hülse verbundene und von dieser abragende Trennwand das Volumen des spiralförmigen Strömungsleitkanales steuerbar ist.

Bei teilweiser Abriegelung des Zuströmquerschnittes am Lauf radeintritt kommt es durch die gleichzeitige Verringerung des Durchflußquerschnittes des spiralförmigen Strömungsleitkanales zu einem wesentlich geringeren Querschnittssprung zwischen Strömungsleitkanal und Zuströmquerschnitt. Hierdurch werden sowohl die Drosselverluste an der Umlaufkante des dem Zuström querschnitt zugewandten Hülsenendes als auch die durch Falsch anströmung entstehenden Gitterverluste des Laufradgitters we sentlich reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Volumenregelung des spiralförmigen Strömungsleitkanales besteht in einer Verbesserung des Instationärverhaltens der Turbine. So entsteht bei Öffnung des Zuströmquerschnittes des Laufrades durch die Hülse und bei gleichzeitiger Vergrößerung des Durchflußquerschnittes des spiralförmigen Strömungsleitkanales durch die sich mit der Hülse bewegende Trennwand eine wesentlich kontinuierlichere Leistungsentfaltung als bei bisher bekannten Strömungsleitap paraten.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine Spaltströmung zwischen Trennwand und Spiralgehäuseinnenseite und damit eine Störung der Strömung im spiralförmigen Strömungs leitkanal vermieden.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Strömungsleitapparates nach Anspruch 3 bringt eine weitere Erhöhung der Flexibilität bei der Leistungsregelung. So wird beispielsweise bei gleichem Volumenstrom der Abgase durch eine Verringerung des Durchfluß querschnittes des spiralförmigen Strömungsleitkanales bei gleichbleibendem Zuströmquerschnitt des Laufrades die Umfangs geschwindigkeit der Abgase erhöht, wodurch die an das Laufrad abgegebene spezifische Leistung und damit der Turbinenwirkungs grad gesteigert wird.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 bringt eine noch größere Flexibilität der Leistungsregelung im Instationär betrieb der Abgasturbine.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist es möglich, einen Bremsspaltquerschnitt für eine Motor bremse darzustellen. Dadurch kann eine separate Ausbildung ei ner Bremsklappe entfallen.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand zweier Ausführungs beispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Meridianteilschnitt einer Turbinenstufe eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleitapparat bei vollständig versperrtem Zuströmquerschnitt des radialen, spiralförmigen Strömungsleitkana les,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Laufrades von Fig. 1 mit zugehörigem Geschwindigkeitsdreieck für die dia gonale Flut,

Fig. 3 eine Darstellung analog Fig. 1 mit teilweise ge öffnetem Zuströmquerschnitt des radialen, spiral förmigen Strömungsleitkanales,

Fig. 4 eine Vorderansicht des Laufrades von Fig. 3 mit zugehörigem Geschwindigkeitsdreieck für die ra diale Flut,

Fig. 5 eine Darstellung analog Fig. 1 mit vollständig geöffnetem Zuströmquerschnitt des radialen, spi ralförmigen Strömungsleitkanales,

Fig. 6 eine Vorderansicht des Laufrades von Fig. 5 mit zugehörigem Geschwindigkeitsdreieck für die ra diale Flut,

Fig. 7 eine Darstellung analog Fig. 5 mit einem maxi malen Durchflußquerschnitt des radialen, spiral förmigen Strömungsleitkanales,

Fig. 8 eine Vorderansicht des Laufrades von Fig. 7 mit zugehörigem Geschwindigkeitsdreieck für die ra diale Flut,

Fig. 9 einen Meridianteilschnitt einer Turbinenstufe eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Strömungsleitapparat, durch den der Durchflußquerschnitt sowohl des radialen Strömungsleitkanals als auch der diagonalen Flut regelbar ist und wobei der radiale Strömungsleit kanal vollständig versperrt und die diagonale Flut bis auf einen Bremsspalt für den Motorbrems betrieb verriegelt ist,

Fig. 10 eine Darstellung analog zu Fig. 9 mit geöffnetem radialen Strömungsleitkanal und geöffneter dia gonaler Flut und

Fig. 11 einen Radialteilschnitt von Fig. 10.

Die Fig. 1, 3, 5 und 7 zeigen einen Meridianteilschnitt einer Turbinenstufe 1 eines Abgasturboladers für vier verschiedene Stellungen eines erfindungsgemäßen Strömungsleitapparates, wo bei die Turbinenstufe 1 ein zweiflutiges Spiralgehäuse 2 und ein Laufrad 3 in prinzipiell bekannter Weise umfaßt.

Das in zwei Hälften geteilte Spiralgehäuse 2, dessen Teilung nicht dargestellt ist, ist an einem Lagergehäuse 4 des Abgas turboladers mit Schrauben 5 angeflanscht. Das Laufrad 3 sitzt auf einer Welle 6, die mit einem nicht dargestellten Laufrad einer Verdichterstufe verbunden ist. Eine Wellendichtung 7 dichtet das Lagergehäuse 4 zur Gasseite ab.

An das Laufrad 3 mündet eine diagonale Flut 8 und ein radialer Spiralkanal 9 des zweiflutigen Spiralgehäuses 2. Zwischen Flut 8 und Spiralkanal 9 befindet sich eine Gehäusewand 56. Der Zu strömquerschnitt 10 des radialen Spiralkanales 9 zum Laufrad 3 ist über eine parallel zur Laufradlängsachse 11 verschiebliche Hülse 12 regelbar, die in einer Ringführung 13 nebst Konturring 14 in bekannter Weise geführt und über ein nicht dargestelltes Stellglied in ebenfalls bekannter Weise in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine verschiebbar ist.

Der Strömungsleitapparat besteht aus der Hülse 12 und einer spiralförmigen Trennwand 15, die etwas rechts des dem Zuström querschnitt 10 zugewandten Endes der Hülse 12 von deren Man telfläche schräg nach außen zur Spiralgehäuseinnenseite 16 ab ragt und den Spiralkanal 9 in eine spiralförmige Kammer 17 und einen spiralförmigen Strömungsleitkanal 18 teilt.

Der spiralförmige Strömungsleitkanal 18 ist zwischen der Trenn wand 15 und der Spiralgehäuseinnenseite 16 mit einer Dichtung 19 abgedichtet. Der Druckausgleich zwischen Kammer 17 und Strö mungsleitkanal 18 erfolgt im Einströmstutzenbereich der Turbi nenstufe.

In Fig. 1 ist der Zuströmquerschnitt 10 des radialen Spiralka nales 9 durch die Hülse 12 vollständig versperrt. Der Abgas strom geht zur Gänze über die diagonale Flut 8 des Spiralge häuses 2. Diese Stellung des Strömungsleitapparates ist typisch bei gewünschter schneller Beschleunigung des Laufrades 3.

Die Fig. 2, 4, 6 und 8 zeigen jeweils eine Vorderansicht des Laufrades 3 der zugehörigen Meridianteilschnitte der Turbinen stufe gemäß den Fig. 1, 3, 5 und 7. An jeweils einer Schaufel spitze einer Schaufel 20 des Laufrades 3 ist für jede Laufrad vorderansicht ein zugehöriges Geschwindigkeitsdreieck 21, 22, 23 und 24 für den Laufradeintritt gezeichnet. Bei der Bezeich nung der Vektoren des Geschwindigkeitsdreieckes 21 werden mit

u = Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades
c = Absolutgeschwindigkeit des Abgases
c_m = Meridiangeschwindigkeitskomponente von c
c_u = Umfangsgeschwindigkeitskomponente von c
w = Relativgeschwindigkeit zwischen Abgas und Laufradschaufel
β = Winkel zwischen u und w

die in der Strömungsmechanik üblichen Abkürzungen verwendet.

Das Geschwindigkeitsdreieck 21 für die in Fig. 1 gezeigte Stellung des Strömungsleitapparates ist für einen geschlos senen Zuströmquerschnitt 10 gezeichnet. Das Laufrad 3 wird also nur diagonal angeströmt, wie dies beispielsweise beim schnellen Beschleunigen des Laufrades oder bei geringen Abgasmengen im stationären Betrieb vorteilhaft ist. Für letzteren Fall erkennt man im Geschwindigkeitsdreieck 21 die verhältnismäßig geringe Umfangsgeschwindigkeit u des Laufrades für niedere Teillast und auch die zugehörigen kleinen Komponenten c_m und c_u der Abso lutgeschwindigkeit des Abgases.

Die drei Geschwindigkeitsdreiecke 22, 23 und 24 sind für den Zuströmquerschnitt 10 des radialen Strömungsleitkanals 18 je weils für ein im Leistungsgleichgewicht stehendes Laufrad 3 für gleiche Wellendrehzahl und somit gleiche Umfangsgeschwindig keiten u des Laufrades 3, jedoch für unterschiedliches Schluck vermögen des spiralförmigen Strömungsleitkanales 18 gemäß den Fig. 3, 5 und 7 gezeichnet.

Bei teilweiser Öffnung des Zuströmquerschnittes 10 durch den Strömungsleitapparat und gleichzeitig verhältnismäßig geringem Schluckvermögen des Strömungsleitkanales 18 wird gemäß Fig. 3 und Geschwindigkeitsdreieck 22 gemäß Fig. 4 das Abgas relativ hoch beschleunigt. Nach der Beschleunigung wird durch die große Umfangsgeschwindigkeitskomponente c_u des Abgases ein hoher Lauf radeintrittsdrall erzielt, was den Wirkungsgrad der Turbinen stufe erhöht.

Wird der Zuströmquerschnitt 10 vollständig geöffnet und damit auch der Durchflußquerschnitt des spiralförmigen Strömungsleit kanals 18 gemäß Fig. 5 für mittlere und größere Abgasmengen weiter freigegeben, wird das Schluckvermögen des spiralförmigen Strömungsleitkanales 18 entsprechend gesteigert. Gemäß Geschwin digkeitsdreieck 23 aus Fig. 6 nimmt die Meridiangeschwindig keitskomponente des Abgases c_m gegenüber dem teilweise geöff neten Zuströmquerschnitt 10 aus Fig. 3 ebenso wie die Umfangs komponente c_u des Abgases leicht ab.

Solange der Zuströmquerschnitt 10 für das Laufrad 3 und der Durchflußquerschnitt des spiralförmigen Strömungsleitkanales 18 gleichzeitig verändert werden, ändert sich für ein im Leistungs gleichgewicht befindliches Laufrad 3 mit vorgegebener Umfangs geschwindigkeit u der Winkel β zwischen u und w nur verhältnis mäßig gering, da sich die Meridiangeschwindigkeitskomponente c_m und die Umfangsgeschwindigkeitskomponente c_u in etwa propor tional ändern, wodurch der Vektor der Absolutgeschwindigkeit c des Abgases ungefähr gleich bleibt. Somit ändert sich der Vek tor der Relativgeschwindigkeit w zwischen Abgas und Schaufel 20 nur geringfügig.

Die in Fig. 5 gezeigte Position des Strömungsleitapparates ist kennzeichnend für relativ großen Massendurchsatz an Abgas, also etwa im hohen Teillastbereich der Brennkraftmaschine.

In Fig. 7 ist die Stellung des Strömungsleitapparates für Vollast gezeigt. Wie im Geschwindigkeitsdreieck 24 aus Fig. 8 ersichtlich ist, bleibt die Meridiangeschwindigkeitskomponente c_m des Abgases in etwa konstant, da der Zuströmquerschnitt 10 bei der Verschiebung des Strömungsleitapparates von der in Fig. 5 gezeigten Stellung zu der in Fig. 7 abgebildeten Position nicht mehr verändert wird.

Man erkennt aus den drei Geschwindigkeitsdreiecken 22, 23 und 24, daß der Winkel β zwischen Umfangsgeschwindigkeit u des Lauf rades und Relativgeschwindigkeit w zwischen Abgas und Schaufel 20, der für die Falschanströmung der Schaufel 20 und damit des Laufrades 3 maßgeblich ist, sich aufgrund der oben beschrie benen Einstellung der Absolutgeschwindigkeit c des Abgases durch den verstellbaren Durchflußquerschnitt des spiralförmigen Strömungsleitkanales 18 nur wenig ändert. Somit ist eine nahezu optimale Anströmung des Laufrades über einen weiten Betriebs bereich der Turbine erreichbar.

Fig. 9 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Meri dianteilschnitt einer Turbinenstufe 30 eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Strömungsleitapparat, durch den der Durchflußquerschnitt sowohl eines radialen Strö mungsleitkanals 31 als auch einer diagonalen Flut 32 regelbar ist und wobei der radiale Strömungsleitkanal 31 vollständig versperrt und die diagonale Flut 32 bis auf einen Bremsspalt B für den Motorbremsbetrieb verriegelt ist.

Die zweiflutige Turbinenstufe 30 besteht aus einem Spiralge häuse 33 mit zwei zusammengeflanschten Spiralgehäuseteilen 34 und 35 und einem Laufrad 36, das auf einer Welle 37 befestigt ist, die mit einem Laufrad einer nicht dargestellten Verdich terstufe verbunden ist.

Im Mündungsbereich 38 der diagonalen Flut 32 befinden sich Leit schaufeln 39, die mit dem Spiralgehäuseteil 34 verbunden sind und einen Innenring 47 tragen.

Der Zuströmquerschnitt 40 des radialen Strömungsleitkanales 31 zum Laufrad 36 ist über eine parallel zur Laufradlängsachse 41 verschiebliche und im Spiralgehäuseteil 35 geführte Hülse 42 regelbar.

Eine ebenfalls parallel zur Laufradlängsachse 41 verschiebbare Büchse 43, die zwischen Hülse 42 und Konturring 44 geführt wird und durch einen Ringspalt 48 zwischen Innenring 47 und Spiral gehäuseteil 34 führbar ist, dient der Einstellung des Zuström querschnittes 49 der diagonalen Flut 32.

Der Strömungsleitapparat besteht aus der Büchse 43, der Hülse 42 und einer spiralförmigen Trennwand 50, die etwas rechts des dem Zuströmquerschnitt 40 zugewandten Endes der Hülse 42 von deren Mantelfläche radial nach außen zur Spiralgehäuseinnen seite 51 abragt und den radialen Spiralkanal in den Strömungs leitkanal 31 und in eine Kammer 52 teilt.

Eine Dichtung 55 dichtet den spiralförmigen Strömungsleitkanal 31 an der Spiralgehäuseinnenseite 51 gegen die Kammer 52 ab.

Hülse 42 und Büchse 43 sind an ihren den Zuströmquerschnitten 40 und 49 abgewandten Enden mit Gleitzapfen 53 und 54 verbun den, die in Kulissen 45 und 46 geführt sind. An den Gleitzapfen 53 und 54 wird jeweils ein nicht dargestelltes Gestänge ange lenkt, das mit einem ebenfalls nicht dargestellten hydrauli schen oder pneumatischen Steller verbunden ist, der in Abhän gigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine betätigt wird.

In Fig. 10 ist der Meridianteilschnitt der Turbinenstufe 30 analog zu Fig. 9 dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. In dieser Darstellung ist der Strömungsleitapparat mit vollständig geöffnetem radialen Strömungsleitkanal 31 und geöffneter diagonaler Flut 32 sowie geöffneten Zuströmquerschnitten 40 und 49 dargestellt.

Fig. 11 zeigt in einem Schnitt XI-XI von Fig. 10 eine mög liche Ausführungsform der Gleitzapfen 53 und 54, die in den azimutal versetzt angeordneten Kulissen 45 und 46 geführt sind.

Bei der Darstellung der Motorbremse kann alternativ zu der in Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführung auch nur eine verschiebliche Hülse analog zu Fig. 3 verwendet werden, wobei die Gehäusewand 56 in eine strichliert dargestellte Position 57 parallel zur Laufradlängsachse 11 derart verschieblich ist, daß durch die Gehäusewand 56 die diagonale Flut 8 bis auf einen Bremsspalt querschnitt abriegelbar ist. Die verschiebliche Hülse 12, die die radiale Flut 8 abriegelt, ist bei dieser Ausführung derart verschiebbar, daß in einer Stellung für den Motorbremsbetrieb der radiale Spiralkanal 9 vollständig abgeriegelt ist.

Selbstverständlich kann der Gleitzapfen der Büchse auch in ei ner derart schräg am Umfang des Gehäuses angebrachten Kulisse geführt werden, daß die Büchse bei deren Verstellung gleich zeitig sowohl eine axiale als auch eine azimutale Bewegung ausführt.

Der Übergang vom spiralförmigen Strömungsleitkanal zum Laufrad ist zur Erzielung eines optimalen Turbinenwirkungsgrades mög lichst strömungsgünstig zu gestalten.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Hülse und die Büchse gemeinsam über einen einzelnen Gleitzapfen axial verstellt werden, wobei der Gleitzapfen in der Hülse drehbar ist und eine an dem Gleitzapfen drehfest angebrachte Exzenter nocke derart in einer Kulisse der Büchse geführt ist, daß bei einer Verdrehung des Gleitzapfens eine axiale Bewegung der Büchse ausgeführt wird.

Die Teilung des Spiralgehäuses kann selbstverständlich sowohl durch eine radiale als auch durch eine meridian verlaufende Teilungsebene erfolgen. Bei radial verlaufender Teilungsebene ist darauf zu achten, daß sie den radialen Spiralkanal trifft, um den Ein-und Ausbau der Hülse mit spiralförmiger Trennwand zu gewährleisten.

Claims

1. Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine einer Brennkraftmaschine, wobei das Laufrad der Abgasturbine von einem Spiralgehäuse mit mindestens einem radialen Strömungsleit kanal umgeben ist, der einen an das Laufrad mündenden Zuströmquerschnitt aufweist, wobei zwi schen dem Spiralgehäuse und dem Laufrad mindestens eine parallel zur Laufradlängsachse ver schiebliche Hülse angeordnet ist, über die der Zuströmquerschnitt regelbar ist und wobei die Hülse mit einer von deren Mantelfläche zur Spiralgehäuseinnenseite abragenden Trennwand verbunden ist, durch die der Durchflußquerschnitt des spiralförmigen Strömungsleitkanales einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zweiten, diagonal an das Laufrad (3, 36) mündenden Flut (8, 32) zusätzlich zur Hülse (12, 42) eine parallel zur Laufradlängsachse (11, 41) und unabhängig von der Hülse (12, 42) ver schiebbare Büchse (43) zwischen Laufrad (3, 36) und Hülse (12, 42) angeordnet ist, durch die der Durchflußquerschnitt der diagonal an das Laufrad (3, 36) mündenden Flut (8, 32) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine einstellbar ist.

2. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Hülse (12, 42) und die Büchse (43) ein Bremsspaltquerschnitt (B) für eine Motor bremse darstellbar ist.

3. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Flut (8) und den Spiralkanal (9) trennende Gehäusewand (56) parallel zur Laufrad längsachse (11) derart verschiebbar ist, daß durch die Gehäusewand (56) die diagonale Flut (8) bis auf einen Bremsspaltquerschnitt abriegelbar ist, wobei gleichzeitig der radiale Spiralkanal (9) durch die Hülse (12) vollständig geschlossen ist.