DE2840201A1

DE2840201A1 - Vorrichtung zur veraenderung der zustroemquerschnittsflaeche der turbine eines abgasturboladers

Info

Publication number: DE2840201A1
Application number: DE19782840201
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing Bandel; Dieter Dr Goerlich; Albrecht Dipl Ing Mann; Dieter Weise
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1980-03-27
Also published as: GB2031069B; GB2031069A; JPS5543289A

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft Stadtbachstraße 1, 8900 Augsburg

PB 2945/1357 12.09.78

Vorrichtung zur Veränderung

der Zuströmquerschnittsflache der Turbine eines Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der Zuströmquerschnittsflache der Turbine eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine mit einem eine ringförmige Zwischenwand aufweisenden festen Ringelement, das den Zuströmkanal in Teilkanäle aufteilt, die entsprechend der anfallenden Abgasmenge mittels eines Verschlußelementes auf- und zusteuerbar sind.

Aus der britischen Patentschrift 9 25 984 ist bereits ein Abgasturbolader dieser Art bekannt, bei dem der zur Abgasturbine führende Abgaskanal in zwei Teilkanäle aufgeteilt ist. Von diesen ist der eine bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. bei Teillast geschlossen, so daß das Abgas mit hoher Geschwindigkeit der Turbine zugeführt wird, wodurch in diesem Leistungsbereich eine optimale Anströmung der Turbine mit gutem Beschleunigungsverhalten erzielt wird. Bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. bei Vollast hingegen, bei der eine größere Abgasmenge mit höherer Strömungsgeschwindigkeit anfällt.

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würde die Beaufschlagung der Turbine mit lediglich über einen Teilzuströmkanal zugeführtent Abgas zue£ einen, vor der Turbine einen zu hohen Druck ergeben,, mit der Folge ?on Berstgefahr und zu hoher Drehzahlbelastung der Turbinenteile , und zum anderen einen unerwünscht hohen !Ladedruck bzw. Verdichterenddruck- Zur Vermeidung dieser Machteile wird in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine das den zweiten Teilzuströmkanal verschließende Verschlußelement geöffnet, wodurch sich das Abgas entspannen kann und an der Turbine weniger kritische Drehzahlbelastungen hervorruft und der für den Motor bei Vollast erforderliche Ladedruck erzielt wird.

Das Zuschalten erfolgt nach der bekannten Ausfuhrungsform durch öffnen eines den zweiten Teilzuströmkanal verschließenden Deckels. Diese Art der Veränderung des Zuströmquerschnitts stellt jedoch im Abgaskanal einen starken Strömungswiderstand dar, der die Anwendung dieser Vorrichtung auf Abgasturbolader beschränkt, die keinen großen Wirkungsgrad erfordern. Insbesondere stellt diese Verschlußanordnung des Teilzuströmkanals bei Verwendung von Axialturbinen eine strömungstechnisch ungünstige Maßnahme dar, da hierbei in jeder Öffnungsstellung immer eine über den gesamten Umfang des Turbineneinlaufs verlaufende Strömung gegeben sein sollte. Bei der Radialturbine besteht zudem der Nachteil, daß mit dem Turbinenrad und dem nicht beaufschlagten Teilkanal ein heftiger Impulsaustausch erfolgt, der zu hohen Leistungsverlusten führt.

Demgegenüber besteht die Erfindungsaufgabe in der Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die bei geringem Herstellungs- und Wartungsaufwand in jeder Betriebs-

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stellung einen strömungsgünstig gestalteten Zuströmkanal ergibt,

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verschluß mindestens einen in Richtung der Turbinenachse verschiebbaren Ringschieber zum Verschließen der Ringquerschnittsfläche zwischen Außenfläche und Zwischenwand des Zuströmkanals umfaßt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mindestens zwei Zwischenwände angeordnet sein, womit sich eine besonders große Vielfalt der Beaufschlagungsmöglichkeiten der Turbine ergibt. Beispielsweise können die radial innenliegenden Teilzuströmkanäle abgedeckt werden, wodurch bei geringer Abgasmenge mit hoher Strömungsgeschwindigkeit die optimale Turbinenbeaufschlagung erzielt werden kann. Mit zunehmender Abgasmenge können dann schrittweise die weiteren radial innen gelegenen Teilkanäle zugeschaltet werden. Man ist somit in der Lage, die Anströmung der Turbine in vielfältiger Weise zu beeinflussen und somit, je nach anfallender Abgasmenge, die erwünschte Beaufschlagung der Turbine zu erzielen.

Auch kann bei Verwendung eines zweistufigen Abgasturboladers ein Teilkanal unter Umgehung einer ersten Turbine zu einer nachgeordneten zweiten Turbine geführt werden, wodurch der radial äußere Bereich der zweiten Turbine mit bestmöglichem Wirkungsgrad genutzt werden kann.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist der Ringschieber über ein Schraubgewinde in Richtung der Turbinenachse verschiebbar.

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Die axialen Turbinenschaufel können in radialer Höhe des festen Ringelementes jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Trennfläche aufweisen, wodurch sich in Fortsetzung des festen Ringelementes eine weitere Ringfläche ergibt. Damit lassen sich im Laufrad Impulsverluste durch radial verlaufende Strömungskomponenten weitgehend vermeiden.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Ansprüchen.

Es zeigen

Fig. 1 im Halbschnitt eine Turbine

mit unterteiltem Zuströmgehäuse und zwei Ringschiebern/

Fig. 2 im Halbschnitt zwei Turbinen

stufen mit jeweiligem Zuströmgehäuse und zwei verschiedenen Ausführungsformen von Ringschiebern und

Fig. 3 im Halbschnitt zwei Turbinen

stufen mit im wesentlichen gemeinsamem Zuströmgehäuse.

In Fig. 1 ist eine Turbine 1 eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine gezeigt, der ein an eine nicht dargestellte Abgassammelleitung angeschlossenes Zuströmgehäuse vorgeordnet ist. Dieses Zuströmgehäuse 2 enthält den Zuströmkanal 3, der im Bereich vor der Turbine 1 durch Zwischenwände 4 in Teilkanäle 5 unterteilt ist. Turbinen-

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seitig gehen die Zwischenwände 4 in feste Ringelemente 6 über, an die sich in Umfangsrichtung verlaufende Trennflächen 7 anschließen, die auf Turbinenschaufeln 8 ausgebildet sind. Der Zuströmkanal 3 weist Außenwände 9 und auf, in denen in Richtung der Turbinenachse verschiebbare Ringschieber 11 und 12 angeordnet sind. In der Außenwand ist z. B. ein Schraubgewinde 12a vorgesehen, über das der Ringschieber 12 durch Drehung in Umfangsrichtung axial verschiebbar ist. Die Drehung kann dabei von Hand über ein Handrad 12b erfolgen oder über eine am Umfang des Ringschiebers angeordnete Getriebevorrichtung mit automatisch gesteuertem Stellmotor. Die Verstellung kann auch elektrisch oder durch ein Druckmedium erfolgen, wie dies bei dem Ringschieber 11 angedeutet ist, der über einen in der Außenwandung 10 ausgebildeten Ringzylinder 10 a und einen Ringkolben 11 a bewegt werden kann.

Im Betrieb können bei Teillast der Brennkraftmaschine einer oder mehrere der Teilkanäle 5 mit einem der beiden Ringschieber 11 oder 12 verschlossen werden, so daß in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Abgas der Turbine 1 mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. Wird die Leistung der Brennkraftmaschine gesteigert und erhöht sich dementsprechend die anfallende Abgasmenge, so kann diese durch schrittweises Öffnen weiterer Teilkanäle 5 durch die Turbine geführt werden, ohne daß aufgrund überhöhter Strömungsgeschwindigkeiten ein unerwünscht hoher Verdichterenddruck erreicht würde. Die beiden Ringschieber 11 und 12 können jedoch auch gleichzeitig oder nacheinander betätigt werden, je nachdem, welcher Teilkanal 5 für die Beaufschlagung der Turbine 1 bei jeweilig anfallender Abgasmenge und jeweiligem Leistungsbedarf der Turbine am vorteilhaftesten ist.

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Fig. 2 zeigt eine Hochdruckturbine 13 und eine ETiederdruckturbine 14 eines zweistufigen Abgasturboladers mit zwei verschiedenen Ausführungsformen von Ringschiebern 18 bzw. 22.

Der der Hochdruckturbine 13 zugeordnete Zuströmkanal 15 wird von einer Zwischenwand 16 in Teilkanäle 17 aufgeteilt. An diese Zwischenwand 16 schließt sich ein Ringschieber 18 an, der in Öffnungsstellung (Darstellung in unterbrochenen Linien) mit der Zwischenwand 16 ein strömungsgünstig geformtes Profil bildet und bei axialer Verschiebung den radial innen gelegenen Teilkanal 17 verschließt.

Der der Hochdruckturbine 13 nachgeordnete Zuströmkanal 19 der Niederdruckturbine 14 weist ebenfalls eine Zwischenwand 20 auf, durch die zwei Teilkanäle 21 gebildet werden. Der Ringschieber 22 ist auf der im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Innenwandung 23 des Zuströmkanals 19 angeordnet.

Die Verkleinerung der Turbinenzuströmquerschnittsflache bzw. das Absperren eines Teilkanals 21 erfolgt durch Verschieben des Ringschiebers 22 auf der zylindrischen Innenwandung 23 in Richtung der Hochdruckturbine 13. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades können die Turbinen 13 und jeweils auch noch in Fortsetzung der Zwischenwände 16 und Trennflächen (nicht dargestellt) ausgebildet haben.

Fig. 3 zeigt eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veränderung der Zuströmquerschnittsflache der Turbine eines zweistufigen Abgasturboladers, bei der ein Zuströmkanal 24 durch Zwischenwände 25 in Teilkanäle 26,

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-a-

27 und 28 aufgeteilt wird/ von denen zwei Teilkanäle 26 und 27 zu einer Hochdruckturbine 29 und ein Teilkanal 28 unter Umgehung des Hochdruckteils der Abgasturbine dem radial äußeren Bereich einer nachgeordneten Niederdruckturbine 30 zugeführt wird. Dabei sind der Teilkanal 28 durch einen Ringschieber 31 und die Teilkanäle 26 und 27 durch einen Ringschieber 32 auf- und zusteuerbar.

Da die Strömung infolge Zentrifugalwirkung nach außen drängt, werden vorzugsweise die radial innenliegenden Ringkanäle abgedeckt, so daß bei Teilbeaufschlagung der Turbine mit der vorhandenen Abgasmenge eine optimale Reaktionswirkung der Turbine erzielt wird.

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Claims

PB 2945/1357

Patentansprüche:

Vorrichtung zur Veränderung der Zuströmquerschnittsflache der Turbine eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine mit einem eine ringförmige Zwischenwand aufweisenden festen Ringelement, das den Zuströmkanal in Teilkanäle aufteilt, die entsprechend der anfallenden Abgasmenge mittels eines Verschlußelementes auf- und zusteuerbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß mindestens einen in Richtung der Turbinenachse verschiebbaren Ringschieber (11, 12, 18, 22, 31, 32) zum Verschließen der Ringquerschnittsfläche zwischen Außenfläche (9, 1O) und Zwischenwand (4, 16, 20, 25) des Zuströmkanals (3, 15, 19, 24) umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zwischenwände (4, 25) im Zuströmkanal (3, 24) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilkanal (28) unter Umgehung einer ersten Turbine (29) zu einer nachgeordneten Turbine (30) geführt ist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschieber (12) über ein Schraubgewinde (12a) in Richtung der Turbinenachse verschiebbar ist.

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NÄ INSPECTED
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln (8) in radialer Höhe des festen Ringelementes (6) jeweils eine in ümfangsrichtung verlaufende Trennfläche (7) aufweisen.
6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise die innenliegenden Ringkanäle abgedeckt werden.
7. Vorrichtung und Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ringschieber (11, 12, 18, 22, 31, 32) mittels einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine und/oder der Abgasturboladerdrehzahl bzw. dem Ladedruck gesteuert werden.

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