FI122036B

FI122036B - Mäntämoottorin turboahdinjärjestely

Info

Publication number: FI122036B
Application number: FI20085019A
Authority: FI
Inventors: Jaakko Larjola; Antero Arkkio
Original assignee: Waertsilae Finland Oy
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2011-07-29
Also published as: FI20085019A0; JP2011509374A; KR101536795B1; EP2229515A2; WO2009087273A2; WO2009087273A3; EP2229515B1; CN101910580A; JP5425097B2; FI20085019A; KR20100102687A

Description

Mäntämoottorin turboahdinjärjestely [001] Keksintö liittyy patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen 5 mäntämoottorin turboahdinjärjestelyyn.

[002] Mäntämoottorin ahtaminen on sinänsä tunnettua tekniikan tasosta ja sillä saavutetaan monia etuja. Erityisesti pakokaasuahtaminen eli turbo-ahtaminen on sinänsä hyvin edullinen tapa ahtamisen suorittamiseksi, kos- 10 ka se hyödyntää muutoin mahdollisesti hukkaan menevää pakokaasun sisältämää energiaa. Turboahtimessa moottorin pakokaasuvirtaan sovitettu turbiiniosa on järjestetty käyttämään moottorin syöttöilmavirtaan sovitettua kompressoriosaa. Turbiiniosa ja kompressoriosa on tyypillisesti sovitettu niille yhteisen akselin päihin, joka akseli on aksiaalisesti ja radiaalisesti laa-15 keroitu turboahtimen runkoon.

[003] Turboahtimen laakerointisysteemille asetetaan suuria vaatimuksia. Ahtimen roottori pyörii käytössä useita kymmeniä tuhansia kierroksia minuutissa ja laakerit altistuvat korkeille lämpötiloille. Pakokaasuvirta aiheut- 20 taa turbiiniosan turbiinipyörän välityksellä aksiaalisia voimia akseliin, jotka aksiaalisen laakeroinnin tulee kompensoida. Toisaalta radiaaliset välykset turbiini- ja kompressoripyörien ja niiden pesien välillä ovat hyvin pienet, mi-kä asettaa suuria vaatimuksia radiaalilaakereille. δ

(M

g 25 [004] Julkaisussa US 2005/0198956 A1 on esitetty turboahtimen lääke- i g rointi magneettilaakereiden avulla, jossa radiaalinen laakerointi on hoidettu g passiivisilla kestomagneeteilla ja aksiaalinen laakerointi aktiivisella mag-

CL

neettilaakerilla. Akselin aksiaalinen asema määritetään anturin avulla, jonka g antama signaali ohjaa aktiivisen laakerin sähkömagneettia ja näin aksiaali- 00 § 30 set vaihtelut saadaan kompensoitua.

(M

2 [005] Turboahtimen toimintaperiaatteen vuoksi moottorin ajotilanteissa, joissa pakokaasun lämpötila ja massavirta on alhainen, kuten pienillä kuorimilla ja kierrosnopeuksilla, ei turboahtimen kompressorilla kyetä useinkaan tuottamaan haluttua paineen korotusta moottorin syöttöilmajärjestel- 5 mään. Toisaalta turboahtimen toimintaan vaikuttaa myös sen massa. Turboahtimen toiminta moottorin kuormituksen transienttitilanteissa ei aina kykene seuraamaan moottorin kuormanmuutoksia riittävällä nopeudella, vaan turboahtimen reagointi käsittää tietyn viiveen, ja tämä hidastaa myös moottorin reagointikykyä vastaavasti.

10 [006] Edellä mainittuja turboahtimien toimintaan liittyviä ongelmia on esitetty ratkaistavaksi mm. liittämällä turboahtimen kompressorin kanssa sarjaan erillinen sähkökäyttöinen lisäkompressori sekä turboahtimen akselille liitettävän sähkötoimisen apumoottorin avulla.

15 [007] Julkaisussa US 6,390,789 B1 on esitetty sähkömoottorikäyttöinen turbokompressorilaitteisto, jossa sähkömoottori ja sen laakerointi on jäähdytetty kaasuvirtauksella, joka johdetaan kompressorivaiheen painepuolelta sähkömoottorille ja edelleen takaisin kompressorivaiheen imupuolelle. Tällä 20 aikaansaatu jäähdytys on riittämätön.

[008] Julkaisussa DE 10 2005 056 797 A1 on esitetty kaksivaiheinen tur-boahdinjärjestely, jossa on sekä kaksivaiheinen kompressori, että turbiini.

o Kumpikin turbiini-kompressoripari kytketty omalle akselille, ja jossa akselit g 25 ovat toistensa kanssa sisäkkäin järjestettyinä. Turbiinit on järjestetty sisäk- i g käisten akselien toiseen päähän ja kompressorit toiseen päähän. Tällainen x ratkaisu on suhteellisen monimutkainen erityisesti kahden erillisen turbiini-

CL

kompressoriparin laakeroinnin osalta, δ

LO

CO

g 30 [009] Julkaisu esittää yleisesti, että akseleiden yhteyteen voidaan sovittaa

(M

yhdistetty moottori-generaattori joko tuomaan energiaa akselille tai otta- 3 maan energiaa akselista. Erityisesti sisäpuolisen turbiini-kompressoriparin varustaminen tällaisella moottori-generaattorilla on teknisesti hyvin vaikeaa. Ratkaisu on myös monimutkainen, sekä rakenteellisesti, että käytön kannalta.

5

[0010] Julkaisussa Modern Engine Technology from A to Z 2007, SÄE, s. 956-957, on esitetty turboahdin, jossa kompressorin ja turbiinin yhdistävälle akselille on järjestetty sähkömoottori. Tässä esitetyllä ratkaisulla riittävän kompressorin painesuhteen järjestäminen johtaa heikkenevään hyötysuh- 10 teeseen ja on siten ongelmallinen.

[0011] Vaikka edellä esitetyt ratkaisut sinänsä ovat edullisia, on nyttemmin ilmennyt tarpeita turboahtimen ja myös moottorin toiminnan parantamiseen. Sähkömoottorin käyttöjä sen sovittaminen turboahtimeen, on hyvin haasta- 15 vaa mm. vaadittavan suhteellisen suuren pyörimisnopeuden vuoksi. Toimiakseen luotettavasti koko muun laitteiston elinkaaren ajan, on tällaisen sähkömoottorin rakenne ja toiminta oltava sellainen, että se ratkaisee mm. turboahtimen toiminnan ja rakenteen sähkömoottorille asettamat vaatimukset.

20

[0012] Niinpä tämän keksinnön tarkoituksena on erityisesti kohottaa alalla vallitsevaa tekniikan tasoa esittämällä sellainen turboahdinjärjestely, joka käsittää kompressoriosan, turbiiniosan ja sähkökoneen, ja joka kompresso- 0 riosa käsittää ensimmäisen kompressorivaiheen ja toisen kompressorivai- g 25 heen kytkettynä samalle akselille, ja jonka toiminta moottoriin kytkettynä eri i g käyttötilanteissa aikaansaa paremman moottorin kokonaistoiminnan.

CC

CL

[0013] Keksinnön mukaiselle turboahdinjärjestelylle on pääasiassa tunnus- g omaista se, että kompressoriosa, turbiiniosa ja sähkökone ovat kytkettynä 00 g 30 samalle akselille.

(M

4

[0014] Tällä tavoin kompressoriosa toimii hyvällä hyötysuhteella ja moottorin ja ahdinjärjestelyn toiminta on eri käyttötilanteissa paremmin hallittavissa. Toteuttamalla ahtaminen kaksivaiheisella kompressorilla voidaan myös saavuttaa merkittävästi korkeampi ahtopaine kuin yksivaiheisella. Kaksivai-5 heisella ahtamisella voidaan myös ahtimen hyötysuhdetta nostaa merkittävästi ja edelleen sähkökoneen avulla saadaan nimenomaisesti kaksivaiheisen kompressoriosan toiminta nopeasti reagoivaksi mm. moottorin tran-sienttitilanteissa.

10 [0015] Edullisesti kompressoriosa, turbiiniosa ja sähkökone on järjestetty akselille siten, että kompressoriosa on sovitettu aksiaalisesti sähkökoneen ja turbiiniosan väliin. Tällä tavoin kompressorin kautta tapahtuvan kaasun virtaus ja sähkömoottorin jäähdytys saadaan tehokkaasti ja kompaktisti järjestettyä siten, että sähkökone on varustettu ainakin yhdellä kaasuvirtaus- 15 kanavalla ja kompressoriosan imuyhde on järjestetty virtausyhteyteen sähkökoneen kaasuvirtauskanavan kanssa siten, että kompressoriosan imuil-maa on järjestetty kulkemaan sähkökoneen mainitun ainakin yhden kaasuvirtauskanavan kautta.

20 [0016] Sähkökone on järjestetty jarruttamaan turbiiniosan toimintaa tuotta malla sähköenergiaa moottorin normaalissa ajotilanteessa. Sähkökone on lisäksi järjestetty avustamaan kompressoriosan toimintaa moottorin ajotilan-teissä, joissa pakokaasun määrä ei riitä turbiinille siihen, että se kykenisi o tuottamaan kompressoriosalle riittävästi tehoa.

S 25

[0017] Edullisesti ensimmäisen kompressorivaiheen ja toisen kompressori- g vaiheen väliin kaasun virtauskanavaan on järjestetty välijäähdytin, jolloin

CL

molempien kompressorivaiheiden toiminta on tehokasta ja kompressorin g tehon tarve pienenee merkittävästi.

00 g 30

(M

5

[0018] Sähkökone on varustettu kestomagneettiroottorilla, jolloin sen toiminta on tehokasta suhteessa kokoon eikä johdotusta roottorille tarvita. Kestomagneettiroottorilla myös roottorin lämpöhäviöt ovat pieniä, jolloin ilmavälin kautta johdettava ilmamäärä saadaan pieneksi, mikä puolestaan pienentää 5 painehäviötä jäähdytyksessä.

[0019] Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti turboahdinjärjestelyn kompressorivaiheiden kompressoripyörien kaasutiivistykset on järjestetty siten, että kompressorivaiheiden aksiaalinen kokonaisvoimavaikutus on 90 10 - 110 % turbiiniosan akseliin kohdistamasta aksiaalivoimasta. Tällä tavoin kompressoriosan, turbiiniosan ja sähkökoneen muodostama koneikkokoko-naisuus tasapainotetaan aksiaalivoimien suhteen prosessiteknisillä keinoilla ja siten aksiaalilaakerin rasitus ja kuluminen on käytössä minimoitu.

15 [0020] Kaasutiivistys voidaan erään suoritusmuodon mukaisesti toteuttaa siten, että ensimmäinen kompressorivaihe ja toinen kompressorivaihe käsittävät kompressoripyörän, joka on sovitettu yhteiselle akselille, ja että ensimmäisen kompressoripyörän tiivistys on järjestetty akselin ja runko-osan välille ja toisen kompressoripyörän tiivistys on järjestetty kompressoripyörän 20 ja runko-osan välille.

[0021] Muut keksinnölle ominaiset lisätunnuspiirteet käyvät ilmi oheisista patenttivaatimuksista, δ

(M

g 25 [0022] Keksinnön mukaisella turboahdin järjestelyllä saadaan aikaiseksi lu- i g kuisia etuja. Järjestelyllä voidaan mm. parantaa moottorin kuormanottoky- g kyä, toimintaa osakuormilla/alhaisella pyörimisnopeudella ja myös hyö-

CL

tysuhdetta. Keksinnön avulla voidaan myös merkittävästi alentaa päästöjä.

g Lisäksi keksinnön mukainen järjestely mahdollistaa moottorin paremman 00 g 30 käynnistyvyyden.

(M

6

[0023] Seuraavassa keksintöä ja sen toimintaa selostetaan viittaamalla oheisiin kaaviomaisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen turboahdinjär-jestelyn kytkettynä polttomoottoriin, 5 kuvio 2 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen turboahdinjär- jestelyn, kuvio 3 esittää kuvion 2 poikkileikkausta III - III, kuvio 4 esittää periaatteen turboahdinjärjestelyn aksiaalivoimien kompensoimisesta, ja 10 kuvio 5 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen kestomagneetti-roottorin rakenteen.

[0024] Kuviossa 1 on esitetty turboahdettu mäntämoottori 10. Moottori käsittä joukon sylintereitä 15, jotka ovat esimerkiksi 4-tahtimoottorin kyseellä oils lessa venttiilien (ei esitetty) ohjaamina virtausyhteydessä palamiskaasu- ja pakokaasukokoojiin 20, 25. Moottori käsittää mäntämoottorin turboahdinjärjestelyn 50, joka käsittää kaksivaiheisen kompressoriosan 55, turbiiniosan 60 ja sähkökoneen 65 kytkettynä samalle akselille 70. Akseli voi olla rakennettu osista tai se voi olla yhdestä kappaleesta valmistettu. Moottorin käy-20 dessä sylintereistä virtaa pakokaasua pakokaasu kokoojan kautta turboahdinjärjestelyn 50 turbiiniosaan 60, jossa pakokaasu tekee työtä. Tämä työ hyödynnetään keksinnön mukaisesti kompressoriosalla 55 ja/tai sähkökoneella 65. Kompressoriosa 55 ja sähkökone 65 ovat myös sillä tavoin integer roituina, että kompressoriosan imuyhde 75 on järjestetty virtausyhteyteen g 25 sähkökoneen 65 jäähdytyskanaviston 80 kanssa ja että kompressoriosan i g 55 imuilmaa on järjestetty kulkemaan sähkökoneen 65 kanaviston 80 kaut- x ta. Tällä tavoin moottorin palamiseen osallistuva kaasu, tyypillisesti pala-

CL

misilma, johdetaan ensin sähkökoneen kanaviston 80 kautta ja sieltä edel- o leen kompressoriosalle 55, jossa palamiskaasun painetta nostetaan.

00 § 30

(M

7

[0025] Keksinnön mukaisella ahdinjärjestelyllä 50, josta kuviossa 1 on esitetty eräs suoritusmuoto, saadaan moottorin 10 erilaisissa käyttötilanteissa selkeitä etuja. Sähkökone käy sekä generaattorina että moottorina riippuen turboahdinjärjestelyn tehotasapainosta. Ajotilanteissa, jossa pakokaasujen 5 määrä on pienehkö, voidaan sähkökoneella 65 tehdä työtä kompresso-riosalle 55 ja näin ylläpitää korkeampi ahtopaine kuin turbiiniosalta tässä tilanteessa saatavalla teholla olisi mahdollista. Tällöin sähkökone toimii sähkömoottorina avustaen kompressoriosan pyörittämistä.

10 [0026] Tilanteissa, jossa moottorin pakokaasumäärä ja sen sisältämä ener gia on suurempi kuin kompressoriosalla voidaan käyttää tai tarvitaan pala-misilman ahtamiseen, voidaan sähkökoneella 65 jarruttaa turbiinia (ja samalla myös kompressoria, koska nämä ovat samalla akselilla) ja samalla tuottaa sähköenergiaa. Tällöin sähkökone toimii generaattorina. Tämä 15 mahdollistaa sen, että kaikki moottorin pakokaasut ts. koko pakokaasuvir-taus voidaan johtaa aina turbiiniosan 60 läpi eikä järjestelyssä näin tarvita hukkaporttia tai muuta turbiinin tehoa rajoittavaa laitteistoa kuten säädettäviä johtosiipiä. Tällä tavoin keksinnön mukainen järjestely mahdollistaa turbiiniosan mitoittamisen hyvinkin tehokkaaksi ilman riskiä ahtopaineen tai 20 ahdinjärjestelyn pyörimisnopeuden noususta liialliseksi, koska koneikon pyörimisnopeutta voidaan säätää sähkökoneen jarrutusvaikutusta säätämällä. Edullisesti turbiiniosan 60 mitoitusteho on 10 - 30 % suurempi kuin ___ kompressoriosan mitoitusteho, jolloin sähkökoneen teho, sekä tehonsyöttö- o tilanteissa että tehonottotilanteissa tulee tehokkaasti hyödynnetyksi, g 25

[0027] Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti menetelmään mootto-rin käynnistämiseksi kuulu vaihe, jossa ennen moottorin käynnistymistä

CL

^ käynnistetään ahdinjärjestelyn 50 sähkökone 65, jolloin ahdinjärjestelyn g kompressoriosa tuottaa korotetun painetason moottorin sylintereihin oleelli- 00 § 30 sesti jo käynnistyshetkellä. Tällä tavoin moottori käynnistyy nopeammin ja

(M

8 saavuttaa normaalin käyntinsä nopeammin ja pienemmillä käynnistyksen aikaisilla häiriöillä palamistapahtumassa.

[0028] Järjestelyyn kuuluu myös ohjausyksikkö 85, joka voi olla joko turbo-5 ahdinjärjestelylle dedikoitu yksikkö tai osa moottorin keskitettyä ohjausjärjestelmää. Ohjausyksikkö on järjestetty ohjaamaan ainakin sähkökoneen 65 toimintaa.

[0029] Keksintöön kuuluu myös eräänä suoritusmuotona menetelmä turbo-10 ahdetun moottorin käyttämiseksi suurilla kuormituksilla (>60% maksimitehosta) turboahdinjärjestelyssä 50, joka käsittää kompressoriosan 55, tur-biiniosan 60 ja sähkökoneen 65 kytkettynä samalle akselille 70, jossa menetelmässä oleellisesti koko moottorin pakokaasuvirta johdetaan turboah-dinjärjestelyn turbiiniosaan, jossa pakokaasun energiaa muunnetaan me- 15 kaaniseksi työksi, joka käytetään turboahdinjärjestelyn kompressoriosan käyttämiseen sekä sähköntuotantoon sähkökoneella. Edelleen menetelmässä moottorin palamisilmaa lämmitetään siirtämällä lämpöä sähkökoneesta 65 palamisilmaan ennen palamisilman johtamista kompressoriosaan 55.

20

[0030] Turboahdinjärjestely käsittää erään suoritusmuodon mukaan myös akselin kierrosnopeuden mittauslaitteiston 127. Tällöin turboahdinjärjestelyä käytetään edullisesti siten, että sähkökoneen toimintaa ohjataan kierrosno- O peusmittauksen perusteella siten, että sähkökoneeseen joko tuodaan ener- g 25 giaa tai sähkökoneesta otetaan energiaa siten, että turboahdinjärjestelyn i g kierrosnopeus ylläpidetään ennalta määrättyjen minimi- ja maksimipyöri- = misnopeuksien välisellä alueella.

□_ O) g [0031] Turboahdinjärjestely käsittää erään suoritusmuodon mukaan myös 00 g 30 kompressoriosan 55 tuottaman paineen mittalaitteiston 90. Tällöin turboah-

(M

dinjärjestelyä käytetään edullisesti siten, että sähkökoneen 65 toimintaa oh- 9 jataan painemittauksen perusteella siten, että sähkökoneeseen joko tuodaan energiaa tai sähkökoneesta otetaan energiaa siten, että turboahdin-järjestelyn tuottama paine ylläpidetään ennalta määrättyjen minimi- ja mak-simipaineiden välisellä alueella.

5

[0032] Kuviossa 2 on esitetty yksityiskohtaisemmin eräs suoritusmuoto keksinnön mukaisesta turboahdinjärjestelystä 50, joka on kytkettävissä polttomoottorin yhteyteen kuvion 1 esittämällä periaatteella. Näin saadaan aikaiseksi hyvin kompakti kokonaisuus, jolla moottorin toimintaa voidaan paran- 10 taa. Turboahdinjärjestely toimii hyvin joustavasti moottorin käyttöolosuhteiden määräämän tarpeen mukaan, mikä esimerkiksi muuttaa eduksi aiemmin ongelmallisen turboahtimen ylimitoitustarpeen moottorin pieniä kierros-nopeusalueita varten. Kuvion 3 esittämä turboahdinjärjestely 50 käsittää rungon 100, joka koostuu toisiinsa liitetyistä sähkökoneen runko-osasta 15 165, kompressoriosan runko-osasta 155 ja turbiiniosan runko-osasta 160, ja jossa kompressoriosan runko-osa 155 on sovitettu sähkökoneen ja turbiiniosan runko-osien väliin.

[0033] Turbiiniosa on tässä aksiaaliturbiini ja se käsittää turbiinipyörän 135 20 ja sitä kaasun virtaussuunnassa edeltävän johtosiivistön 131. Turbiiniosan jättöpuolelle on kuvion 3 suoritusmuodossa järjestetty diffuusori 132, jonka laippaan moottorin savukaasukanava voidaan kiinnittää. Kaasun virtausta ^ turbiiniosassa on havainnollistettu nuolilla, δ

<M

g 25 [0034] Kompressoriosa käsittää kaksivaiheisen radiaalikompressorin, ts.

g ensimmäisen vaiheen 56 ja toisen vaiheen 57 kytkettynä toistensa kanssa g siten, että ensimmäisen vaiheen painepuolelta on järjestetty virtauskanava

CL

^ 140 toisen vaiheen imupuolelle. Virtauskanava 140 on varustettu välijääh- g dyttimellä 145, jonka avulla ensimmäisestä vaiheesta toiseen vaiheeseen 00 § 30 viilaavaa palamisilmaa voidaan jäähdyttää ennen sen syöttämistä toiseen

(M

vaiheeseen 57. Molemmat kompressorivaiheet käsittävät kompressoripyö- 10 ran 170, 175, joka on sovitettu yhteiselle akselille 70 ja runkoon järjestettyihin ensimmäisen ja toisen vaiheen kompressorikoteloihin 180, 185. Kaasun virtausta kompressoriosalla on havainnollistettu nuolilla.

5 [0035] Kuvioon 2 ja 3 viitaten turboahdinjärjestelyn 50 sähkökone 65 käsit tää akselin 70 yhteyteen järjestetyn kestomagneettiroottorin 190 ja sitä ympäröivän staattoriosan 200. Staattoriosa on tuettu sähkökoneen runko-osaan 165, ja se käsittää sähkökytkennän 202 sähköenergian siirtämiseksi sähkökoneeseen tai sähkökoneesta verkkoon. Staattoriosa 200 käsittää 10 sen aksiaalisessa suunnassa ensimmäisestä päästä 205 toiseen päähän 210 ulottuvia kaasuvirtauskanavia 215, jotka toimivat myös sähkökoneen jäähdytyskanavina. Tässä suoritusmuodossa staattoriosan ensimmäiset kaasuvirtauskanavat 215 on järjestetty radiaalisesti staattoriosan käämi-tysosan 201 ulkopuolelle oleellisesti rengasmaiseksi virtauskanavaksi, jol-15 loin sähkökoneen staattoriosan 200 käämitysosan 201 on järjestetty radiaalisesti staattoriosan ja/tai sen runko-osan kaasunvirtauskanavien 215 sisäpuolelle.

[0036] Staattoriosa on tuettuna ulko-osaan 202 radiaalisesti ulottuvien tu-20 kiosien 203 avulla. Toisena kaasuvirtauskanavana toimii staattorin ja roottorin väliin järjestetty ilmaväli 216. Virtauskanavat muodostavat samanaikaisesti sekä sähkökoneen 65 jäähdytyskanaviston että kompressoriosan imukanaviston. Edullisesti oleellisesti kaikki, tai ainakin pääosa kompresso- 0 riosan imuilma on järjestetty kulkemaan sähkökoneen kaasuvirtauskanavi- g 25 en 215, 216 kautta. Tällä tavoin kaasuvirtauksen, joka käytännössä on g moottorin palamisilmaa, määrä on aina riittävä sähkökoneen jäähdyttämi- i seksi ja toisaalta myös sopivassa lämpötilassa jäähdytystä varten. Sähkö-

CL

koneen 65 staattoriosan ja/tai sen runko-osan kaasunvirtauskanavat 215 on o mitoitettu suhteessa sähkökoneen roottorin ja staattoriosan ilmaväliin niin, 00 g 30 että jäähdytyksen kannalta juuri riittävä ilmamäärä kulkee sanotun ilmavälin

CM

kautta, jolloin painehäviö jäähdytyksessä saadaan minimoitua.

11

[0037] Staattoriosaan 200 järjestettyjen staattoriosan ja/tai sen runko-osan kaasuvirtaus-kanavien 215 virtauspoikkipinta-ala on yli 90% sähkökoneen 65 kaasuvirtauskanavien kokonaispoikkipinta-alasta ja staattoriosan 200 ja 5 roottorin 190 ilmavälin 216 virtauspoikkipinta-ala on < 10% sähkökoneen 65 kaasuvirtauskanavien kokonaispoikkipinta-alasta. Näin staattoriosan 200 ja roottorin 190 ilmavälin 216 kautta järjestetään kulkemaan < 10 % koko-naiskaasuvirtauksen määrästä. Staattoriosan kaasuvirtauskanavien poikkipinta-ala määräytyy tämän perusteella. Edullisesti se on 95-98% sähköko-10 neen (65) kaasuvirtauskanavien kokonaispoikkipinta-alasta, jolloin staattoriosan 200 ja roottorin 190 ilmavälin 216 kautta voi kulkea aina laitteiston käydessä kaasuvirtaus. Tällä varmistetaan roottorin 190 jäähdytys kuitenkin siten, että ilmaväli ei aiheuta liiallisia häviöitä sähkökoneen magneettiseen toimintaan. Kaasun virtausta sähkökoneessa on havainnollistettu nuolilla.

15

[0038] Kuvion 2 turboahdinjärjestelyn akseli 70 on pyöritettävästi tuettu runkoon akselin ensimmäiseen päähän järjestetyn laakeroinnin 125 ja toiseen päähän järjestetyn laakeroinnin 130 välityksellä. Akseli 70 voi olla osista oleellisesti jäykäksi rakennettu akseli tai yksiosainen kappale. Ensimmäisen 20 pään laakerointi 125 on tuettuna sähkökoneen 65 runko-osaan 165 ja toisen pään laakerointi 130 on tuettuna turbiiniosan runko-osaan 160. Sähkökoneen runko-osa 165 käsittää runko-osan vaipalle tai päähän järjestettyjä ___ aukkoja 220 kompressoriosan imuilman virtauksen mahdollistamiseksi säiliö kökoneen staattoriosan ensimmäisen pään 205 puolelle. Tässä suoritus- g 25 muodossa aukot ovat radiaalisesti avautuvia, mutta myös muun tyyppinen i g ratkaisu voi tulla kyseeseen. Kuvion 2 esittämässä suoritusmuodossa en- £ simmäisen pään laakerointi käsittää sekä radiaalisen laakeroinnin 125.1

CL

että aksiaalisen laakeroinnin 125.2. Näille on järjestetty voiteluöljyn tulo ja g poisto 225. Ensimmäisen pään laakeroinnin pesärakenne rajoittuu sähkö- 00 g 30 koneen staattoriosan ensimmäisen pään 205 puoleiseen kaasuvirtausti-

(M

laan, jolloin kompressoriosan imuilma toimii myös ensimmäisen pään laa- 12 keroinnin pesärakennetta jäähdyttävänä väliaineena. Käytännössä radiaali-laakerointi on edullisesti liukulaakerointi.

[0039] Akselin 70 toisen pään (tässä turbiiniosan puoleinen pää) laakerointi 5 130 käsittää tässä suoritusmuodossa vain radiaalisen laakeroinnin. Toisen pään laakerointi 130 käsittää laakeripesän, joka on sovitettu tässä suoritusmuodossa turbiiniosan 60 runkorakenteeseen 160, mutta toisen pään laakeroinnin sijoitus akselilla voi olla joissakin sovelluksissa myös turbiiniosan 60 sisäpuolella, jolloin pakokaasujen vaikutus laakerin lämpötilaan 10 on kuviossa esitettyä tilannetta pienempi. Laakeroinnille on järjestetty runkorakenteen yhteyteen voiteluöljyn tuloja poisto 230. Turbiiniosan lämpötila on sen lävitse virtaavien kuumien pakokaasujen lämpötilan vuoksi suhteellisen korkea, joten akselin toisen pään laakeroinnin yhteyteen on järjestetty jäähdytys. Jäähdytysjärjestely käsittää akseliin sijoitetun ainakin yhden ak-15 siaalisuuntaisen kanavan 242, joka ulottuu toisen pään laakeroinnin ohi akselin 70 päästä, ja jonka kanavan toisessa päässä on ainakin yksi radiaa-lisuuntainen kanava 240, joka ulottuu akselin 70 pinnalta aksiaalisuuntai-seen kanavaan 242. Aksiaalisuuntainen kanava 242 ulottuu edullisesti toisen turbiinivaiheen 57 imupuolelle kaasun virtauksessa välijäähdyttimen 20 145 jälkeiseen kohtaan. Tässä suoritusmuodossa radiaalisuuntaiset kana vat 240 on järjestetty akseliin 70 ensimmäisen 56 ja toisen 57 kompressori-vaiheen kompressoripyörien 170,175 väliselle alueelle. Käytön aikana en-___ simmäisen kompressorivaiheen 56 jälkeen jo korotetussa paineessa ole- O vaa, ja välijäähdyttimen jäähdyttämää kaasua (ilmaa) virtaa kanavistoa 240, g 25 242 pitkin akselin toisen pään laakeroinnin 130 ohi akselin sisällä pitäen g laakerin lämpötilan sopivan alhaisena. Kanavasta 242 kaasu purkautuu tur- g biiniosan diffuusorin sisään ja sieltä pakokaasukanavaan turbiinipyörän 135

CL

välyksien kautta, δ

LO

00 § 30 [0040] Kanavia 240, 242 voidaan hyödyntää myös turbiinipyörän ja toisen

CM

kompressorivaiheen kompressoripyörän irrottamisen yhteydessä akseliin 13 70 johtamalla matalassa lämpötilassa olevaa väliainetta kanavan kautta akselin lämpötilan laskemiseksi ja sen halkaisijan pienentämiseksi samalla kun akselin ja turbiinipyörän tai toisen kompressorivaiheen kompressoripyö-rän välistä ahdistussovitetta puretaan sanottua turbiinipyörää tai kompres-5 soripyörää kuumentamalla.

[0041] Painelaakeri- ts. aksiaalilaakeroinnin kuormien vähentämiseksi kompressoripyörien ja turbiinin normaalissa käyttötilanteessa synnyttämät aksiaalivoimat on keksinnön erään suoritusmuodon mukaan kompensoitu 10 tai ainakin minimoitu. Tiivistysten järjestämisen menetelmä on esitetty kuviossa 4. Tämä saadaan aikaiseksi kaksivaiheisen kompressoriosan 55 kompressoripyörien 170, 175 akselitiivistyksillä seuraavasti. Kompressoripyörien taakse, siis radiaalikompressorissa siipiin nähden pyörän vastakkaiselle puolelle on järjestetty tiivistykset 250 tietyllä tavalla. Tiivistykset 15 koostuvat labyrinttitiivisteistä. Kuviossa 4 kiinteäviivaiset nuolet 401, 402 kuvaavat painelaakeria työntäviä voimia ja katkoviivaiset nuolet 403, 404, 405 painelaakeria vetäviä voimia. Voimat 401, 402, 403 ja 404 aiheutuvat kompressoriosalta ja voima 405 turbiiniosalta. Pistekatkoviivalla esitetty nuoli 406 kuvaa normaalissa käyttötilanteessa painelaakerille tulevaa 20 kuormitusta. Kompressorivaiheiden kokonaisvoimavaikutus on keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti sovitettu sellaiseksi, että se vastaa +/-10% tarkkuudella turbiiniosan 60 akseliin 70 kohdistamaa aksiaalivoimaa 405, jolloin normaalissa käyttötilanteessa painelaakerille tuleva rasitus on o noin +/- 10% turbiinin akseliin kohdistamasta aksiaalivoimasta ja siten g 25 kompressorivaiheiden kokonaisvoimavaikutus on 90-110% turbiiniosan 60 i g akseliin 70 kohdistamasta aksiaalivoimasta 405. Tämän avulla normaaliti- g lanteissa aksiaalivoimat ovat suhteellisen pieniä, minkä johdosta painelaa-

CL

kerin rasitus on suhteellisen pieni ja sitä kautta käyttöikä pitkä. Tämän kal- g täinen lähes tasapainotilanne saadaan aikaiseksi siten, että toisen komp- 00 g 30 ressoriosan vaiheen tiivistys 250 on järjestetty akselin 70 ja runko-osan 155

(M

välille ja toisen kompressoripyörän 175 ja runko-osan 155 välille. Tällä saa- 14 daan kompressoripyörien taakse siellä vallitseviin, ja muihin turboahdinjär-jestelyn osiin kohdistuviin paineisiin ja/tai voimiin nähden sellaiset pinta-alat, että mainittu voimatasapaino voidaan saavuttaa.

5 [0042] Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisen turboahdinjärjestelyn sähkökoneen roottorin 190 edullinen rakenne. Sähkökone on kestomag-neettikone, jolloin roottori käsittää joukon kestomagneetteja 192. Roottori 190 käsittää sylinterimäisen häkin 191, Häkkiin 191 on järjestetty sen pituussuuntaisia uria 193, sen kehälle, joihin uriin kestomagneetit 194 on jär-10 jestetty. Häkin materiaali on edullisesti alumiinia, mikä suojaa kestomagneetit vaihtelevasta magneettikentästä ja näin olleen indusoituvista pyörre-virroista. Tällä tavalla saadaan tehohäviöt roottorissa pienemmäksi. Häkki on myös se osa, jolla sähkökoneen roottori 190 liitetään turboahdinjärjestelyn akseliin 70. Häkin liitos on edullisesti kutistusliitostekniikkaa hyödyntäen 15 järjestetty akselin 70 ympärille.

[0043] Suurilla pyörimisnopeuksilla kestomagneetit 194 ja häkki 191 pyrkivät pois paikoiltaan keskipakkovoimien vaikutuksesta. Näiden osien paikoilleen pitämiseksi häkkiä 191 ja kestomagneetteja 194 ympäröimään on jär- 20 jestetty ainakin yksi panta 195. Panta voi olla yksiosainen tai se voi koostua useasta erillisestä pannasta.

[0044] On huomattava, että edellä on esitetty vain muutamia keksinnön ^ edullisimpia suoritusmuotoja. Siten on selvää, että keksintö ei ole rajoitettu g 25 edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan soveltaa monin ta- i g voin oheisten vaatimusten määrittämissä puitteissa erilaisten mäntämootto- rien yhteydessä. Keksintö on sovellettavissa niin 4- kuin 2-tahtimoottoreille,

CL

^ joita käytetään neste- ja/tai kaasumaisella polttoaineella. Eri suoritusmuo- g tojen yhteydessä esitettyjä piirteitä voidaan keksinnön perusajatuksen puit- 00 § 30 teissä niin ikään käyttää muiden suoritusmuotojen yhteydessä ja/tai yhdis-

CM

15 teliä esitetyistä piirteistä erilaisia kokonaisuuksia, mikäli niin halutaan ja tekniset mahdollisuudet tähän ovat olemassa.

δ

(M

i tn o i

CD

(M

X

en

CL

O) δ m oo o o

(M

Claims

1. Turboahdinjärjestely (50), joka käsittää kompressoriosan (55), turbiiniosan (60) ja sähkökoneen (65), ja joka kompressoriosa (55) käsit-5 tää ensimmäisen kompressorivaiheen (56) ja toisen kompressorivaiheen (57) kytkettynä samalle akselille (70), tunnettu siitä, että kompresso-riosa (55), turbiiniosa (60) ja sähkökone (65) ovat kytkettynä samalle akselille (70).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdinjärjestely, tunnet tu siitä, että kompressoriosa (55), turbiiniosa (60) ja sähkökone (65) on järjestetty akselille (70) siten, että kompressoriosa on sovitettu aksiaali-sesti sähkökoneen ja turbiiniosan väliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdinjärjestely, tunnet tu siitä, että sähkökone (65) on järjestetty jarruttamaan turbiiniosan (60) toimintaa tuottamalla sähköenergiaa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdinjärjestely, tunnet-20 tu siitä, että sähkökone (65) on järjestetty avustamaan kompressoriosan (55) toimintaa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdinjärjestely, tunneled tu siitä, että ensimmäisen kompressorivaiheen (56) ja toisen kompresso- g 25 rivaiheen (57) väliin kaasun virtauskanavaan on järjestetty välijäähdytin ® (145). X tr CL

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdinjärjestely, tunnet- o tu siitä, sähkökone on varustettu kestomagneettiroottorilla (190). 00 § 30 C\l

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turboahdinjärjestely, tunnettu siitä, että ensimmäinen kompressorivaihe (56) ja toinen kompressori-vaihe (57) käsittävät kompressoripyörän (170, 175), joka on sovitettu yhteiselle akselille (70), ja että ensimmäisen kompressoripyörän (170) tii- 5 vistys (205) on järjestetty akselin (70) ja runko-osan (155) välille ja toisen kompressoripyörän (175) tiivistys on järjestetty kompressoripyörän (175) ja runko-osan (155) välille.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen turboahdinjärjestely, tunnet-10 tu siitä, että akseli (70) käsittää aksiaalisen virtauskanavan (242), joka ulottuu kompressoriosalta akselin (70) toisen pään laakeroinnille komp-ressoriosan paineistaman kaasun johtamiseksi laakerille (130) sen jäähdyttämistä varten.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen turboahdinjärjestely, tunnet tu siitä, että akselin (70) radiaalinen laakerointi (125.1,130) on tuettu ensimmäisessä päässä sähkökoneen (65) runkorakenteeseen (165) ja toisessa päässä turbiiniosan (60) runkorakenteeseen (160).

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen turboahdinjär jestely, tunnettu siitä, että sähkökone on varustettu ainakin yhdellä kaa-suvirtauskanavalla (215,216) ja että kompressoriosan imuyhde on järjestetty virtausyhteyteen sähkökoneen (65) kaasuvirtauskanavan (215, 216) o kanssa siten, että kompressoriosan imuilmaa on järjestetty kulkemaan g 25 sähkökoneen mainitun ainakin yhden kaasuvirtauskanavan kautta. <o CM

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen turboahdinjärjestely, tun- CL _ nettu siitä, että sähkökoneen (65) kaasuvirtauskanavat käsittävät säh- o kökoneen roottorin ja staattoriosan ilmavälin (216) sekä staattoriosaan 00 g 30 (200) järjestettyjä staattoriosan ja/tai sen runko-osan kaasunvirtaus- CM kanavia (215).

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen turboahdinjärjestely, tunnettu siitä, että sähkökoneen (65) staattoriosan ja/tai sen runko-osan kaasunvirtauskanavat (215) on mitoitettu suhteessa sähkökoneen roottorin ja staattoriosan ilmaväliin (216) niin, että jäähdytyksen kannalta juuri 5 riittävä ilmamäärä kulkee sanotun ilmavälin kautta, jolloin painehäviö jäähdytyksessä saadaan minimoitua.

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen turboahdinjärjestely, tunnettu siitä, että staattoriosan kaasuvirtauskanavien poikkipinta-ala on 10 95-98% sähkökoneen (65) kaasuvirtauskanavien kokonaispoikkipinta- a lasta. δ (M LO o CO (M X cc CL 05 δ LO co o o (M