DE4303521C1 - Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine - Google Patents
Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine AbgasturbineInfo
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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
cm = Meridiangeschwindigkeitskomponente von c
cu = Umfangsgeschwindigkeitskomponente von c
w = Relativgeschwindigkeit zwischen Abgas und Laufradschaufel
β = Winkel zwischen u und w
c = Absolutgeschwindigkeit des Abgases
cm = Meridiangeschwindigkeitskomponente von c
cu = 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 cm und cu 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 cu 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 cm gegenüber dem teilweise geöff
neten Zuströmquerschnitt 10 aus Fig. 3 ebenso wie die Umfangs
komponente cu 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 cm
und die Umfangsgeschwindigkeitskomponente cu 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
cm 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 (3)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934303521 DE4303521C1 (de) | 1993-02-06 | 1993-02-06 | Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4303521C1 true DE4303521C1 (de) | 1994-01-05 |
Family
ID=6479831
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DE19934303521 Expired - Fee Related DE4303521C1 (de) | 1993-02-06 | 1993-02-06 | Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine |
Country Status (1)
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DE (1) | DE4303521C1 (de) |
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