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WO2001073278A1 - Radialturbine eines abgasturboladers - Google Patents

Radialturbine eines abgasturboladers Download PDF

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Publication number
WO2001073278A1
WO2001073278A1 PCT/CH2001/000140 CH0100140W WO0173278A1 WO 2001073278 A1 WO2001073278 A1 WO 2001073278A1 CH 0100140 W CH0100140 W CH 0100140W WO 0173278 A1 WO0173278 A1 WO 0173278A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
turbine
opening
radial turbine
radial
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH2001/000140
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominique Bochud
Reto Meier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
Priority to AU2001235308A priority Critical patent/AU2001235308A1/en
Publication of WO2001073278A1 publication Critical patent/WO2001073278A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/007—Preventing corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/30—Preventing corrosion or unwanted deposits in gas-swept spaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to the radial turbine of an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1.
  • exhaust gas turbochargers to increase the performance of internal combustion engines is widespread today.
  • the exhaust gas turbocharger's turbine is acted upon by the exhaust gases of the internal combustion engine and its kinetic energy is used for the intake and compression of air for the internal combustion engine.
  • combustion residues and / or non-combustible particles are deposited in the exhaust gas duct between the internal combustion engine and the turbine. These can clog the flow channels of the turbine, its nozzle ring and the narrow gaps between the rotating turbine wheel and the stationary partition of the bearing housing.
  • sealing air In order to prevent deposits between rotating and static parts, sealing air is often used today ("Turbocharger RR", company brochure of Brown, Boverie & Cie., Baden / Switzerland, classification no. 0107, CH-T 122020) branched directly from the compressor housing of the exhaust gas turbocharger or supplied from an external source, however, these solutions primarily aim at the sealing and cooling function of the sealing air, while the prevention of deposits is only a positive side effect.
  • compressor air is branched off as sealing air, however, the efficiency of the compressor and thus also the efficiency of the internal combustion engine are reduced accordingly. Although this is not the case when the sealing air is supplied externally, a corresponding additional effort in the form of a compressed air tank or a compressor and the necessary supply lines must be made.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of significantly reducing harmful deposits in the radial turbine of an exhaust gas turbocharger resulting from the exhaust gases of an internal combustion engine, with little technical effort and without loss of efficiency.
  • this is achieved in that at least one through opening is arranged in the upstream region of the dividing wall, which through opening connects the flow channel via the cavity to the dividing gap.
  • a partial flow with a first pressure p- ⁇ is branched off from a main flow of the working medium of the radial turbine (exhaust gas from the internal combustion engine) which acts on the flow channel.
  • This partial flow will is introduced into the separating gap formed between the dividing wall and the turbine wheel and is then released into a region of the flow channel with a second pressure p 2 , the pressure pi being greater than the pressure p 2 .
  • the at least one passage opening has an axis which has an angle of attack ⁇ to the turbine axis which is opposite to the main flow direction, with 0 ° ⁇ ⁇ 45 °.
  • the at least one through opening is particularly advantageously equipped with an opening inlet which is formed in the radial region of a surface of the partition wall which delimits the flow channel and is arranged upstream of the separation gap.
  • the passage opening can be arranged far upstream of the turbine wheel, which results in a relatively large usable pressure difference between the area of the flow channel from which the partial flow is branched off and the area of the flow channel into which it is released again.
  • a direct and thus relatively simple connection between the flow channel and the cavity adjacent to the partition can be realized.
  • the opening entry is arranged at a distance from the surface delimiting the flow channel and between this surface and the opening entry there is formed a ramp-shaped slot which is at least approximately aligned in a main flow direction of the working medium.
  • the opening entry is set back relative to the surface of the partition wall delimiting the flow channel, so that the through opening lies in the flow shadow of the radial feed line of the working medium.
  • the slot is arranged with an angle of attack ⁇ to the main flow direction of the working medium, which can be in a range of ⁇ 10 ° to this main flow direction. In this way, an optimal inflow of the partial flow of the working medium used to keep the separation gap clean is achieved in the through openings.
  • the slot advantageously has an entry slope and an exit slope for the exhaust gases, the opening entry of the passage opening being arranged in the area of the entry slope.
  • the exit slope is flatter than the entry slope.
  • the entry bevel and the exit bevel form a common edge in the slot, an imaginary parallel to the turbine axis running through the latter. Between the entry slope and the parallel there is an entry angle ß and between see the exit slope and the parallel an exit angle ⁇ of the slot is formed, the entry angle of 0 ° ⁇ ß ⁇ 45 ° and the exit angle of 45 ° ⁇ ⁇ 90 °.
  • the entry angle it is advantageous to choose the entry angle in such a way that the through openings are set back as much as possible and are thus optimally protected from the main flow passing by.
  • the outlet angle should be chosen so flat that as few particles as possible can accumulate downstream of the through openings. The selection of different angular ranges enables the slots to be adapted accordingly to the operating conditions specified by the internal combustion engine and the exhaust gas turbocharger.
  • an opening angle ⁇ is advantageously formed between the entry slope and the exit slope of the slot, with 45 ° ⁇ ⁇ 135 °.
  • an opening angle ⁇ of 90 ° is relatively easy to implement, while an opening angle ⁇ of> 90 ° tends to be more favorable than an opening angle ⁇ of 45 ° in terms of flow conditions.
  • FIG. 3 shows a section through one of the through openings along the line III-III in FIG. 2, enlarged;
  • FIG. 4 shows a three-dimensional representation of the partition wall, with the through openings designed according to the invention, in a second exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a representation according to FIG. 1, in a further exemplary embodiment. Only the elements essential for understanding the invention are shown. For example, the compressor side of the exhaust gas turbocharger and the internal combustion engine connected to the exhaust gas turbocharger are not shown. The flow directions of the work equipment are indicated by arrows.
  • the exhaust gas turbocharger connected to an internal combustion engine mainly consists of a compressor (also not shown) and an exhaust gas turbine designed as a radial turbine 1.
  • the radial turbine 1 has a turbine housing 2, with a spiral gas inlet housing 3 and a gas outlet housing designed as a gas outlet flange 4.
  • the gas inlet housing 3 and the gas outlet flange 4 are detachably connected to one another by screws 5.
  • a turbine wheel 7 with rotor blades 8 supported by a shaft 6 is rotatably mounted about a turbine axis 9 lying in the longitudinal axis of the exhaust gas turbocharger.
  • a flow channel 10 for the exhaust gases of the internal combustion engine serving as a working medium 11 of the radial turbine 1 is formed in the turbine housing 2.
  • a nozzle ring 12 is arranged upstream of the rotor blades 8 in the flow channel 10.
  • a compressor wheel (not shown) is attached to the end of the shaft 6 on the compressor side.
  • a bearing housing 13 connects to the turbine housing 2, in which a bearing designed as a sliding bearing 14 is arranged.
  • a lubricating oil channel 15 leads through the bearing housing 13 to the slide bearing 14.
  • the turbine housing 2 and the bearing housing 13 are connected to one another via a clamping band 16 arranged in the circumferential direction and are sealed off from one another by means of a sealing ring 17 seated on the shaft 6.
  • a partition wall 18 is arranged, which reaches radially and axially with the formation of a separating gap 19 as far as the turbine wheel 7 and is separated from the bearing housing 13 by a cavity 20 on its side facing away from the turbine wheel 7 ( Fig. 1).
  • the through openings 21 In the upstream area of the partition 18, four identical through openings 21 which are distributed over the circumference of the partition wall 18 and connect the flow channel 10 to the separation gap 19 via the cavity 20 (FIG. 2).
  • the through openings 21 each have an axis 9 ′ running parallel to the turbine axis 9 (FIGS. 1, 2).
  • a partial flow 24 with a first pressure pi is branched off from a main flow 23 of the working medium 11 of the radial turbine 1 which acts on the flow channel 10.
  • This partial flow 24 is introduced via the cavity 20 into the separating gap 19 formed between the dividing wall 18 and the turbine wheel 7 and then discharged into an area of the flow channel 10 adjacent to the separating gap 19, which area has a second pressure p 2 which is less than the pressure pi prevailing in the upstream region of the flow channel 10.
  • the partition wall 18 is equipped with a surface 25 which delimits the flow channel 10 and is arranged upstream of the separation gap 19 (FIG. 2).
  • Each of the Through openings 21 have an opening 26 formed in the radial region of this surface 25. The latter is arranged at a distance from the surface 25 delimiting the flow channel 10.
  • a ramp-shaped slot 28 is formed in each case in a main flow direction 27 of the working medium 11 of the radial turbine 1.
  • a setting angle ⁇ of the slot 28 of 0 ° to the main flow direction 27 is shown in FIG. 2, this setting angle ⁇ can vary in a range of ⁇ 10 ° to the main flow direction 27 (shown in dashed lines).
  • Each slot 28 has an entry slope 29 and an exit slope 30 for the working medium 11, the opening entry 26 being arranged in the region of the entry slope 29. Due to the inclination of the entry bevel 29 with respect to the surface 25, a tripping edge 31 arises for the working medium 11. In addition, the exit bevel 30 is flatter than the entry bevel 29. The entry bevel 29 and the exit bevel 30 form a common edge 32 in the slot 28. An imaginary parallel 33 runs through the edge 32 to the turbine axis 9. Between the entry bevel 29 and the parallel 33 there is an entry angle ⁇ and between the exit bevel 30 and the Parallel 33 an exit angle ⁇ of the slot 28 is formed.
  • the entry angle ß is approximately 30 °, with a possible variation of 0 ° ⁇ ß ⁇ 45 °, while the exit angle ⁇ is approximately 70 ° and can be in a range of 45 ° ⁇ ⁇ 90 °.
  • An opening angle ⁇ of 90 ° is formed between the entry slope 29 and the exit slope 30 (FIG. 3). This opening angle ⁇ can be in a range of 45 ° ⁇ ⁇ 135 °.
  • the opening 26 of the passage opening 21 lies in the flow shadow of the main flow 23 of the working medium 11 of the radial turbine 1. Accordingly, the passage opening 21 is hardly exposed to the particles carried by the working medium 11, so that the partial flow 24 also makes it relative little particles can get into the separation gap 10. Because of the special design of the slots 28, ie because of the ramp shape in combination with the trip edge 31, the particles in the main flow 23 of the working medium 11 can hardly settle in this area, so that access to the opening entrances 26 remains free. The desired bypass flow of the working medium 11 can thus be ensured over a relatively long operating period of the radial turbine 1 of the exhaust gas turbocharger. A combination of different entry angles ⁇ and exit angles ⁇ enables the slots 28 to be adapted to the flow conditions to be expected.
  • the through openings 21 each have an axis 9 ′ running parallel to the turbine axis 9.
  • FIG. 3 which shows a single passage opening 21 which is enlarged compared to FIGS. 1 and 2, the possible angles of attack ⁇ of the axis 9 'of 0 ⁇ ⁇ 45 °, each opposite to the main flow direction 27, are shown in dashed lines. The extreme positions of the through opening 21 which are accordingly possible are also shown.
  • FIG. 4 shows this solution, a three-dimensional representation being chosen to clarify the arrangement and design of the through openings 21.
  • any other number of passage openings 21 is of course also possible.
  • the number of through openings 21 used depends on the required total cross section of the through openings 21 or on the required mass flow of the partial flow 24 used to prevent the main flow 23 from penetrating into the separating gap 19, in principle a larger number of through openings 21 having a larger diameter of the individual through openings 21 is preferable.
  • the radial turbine 1 can be relatively easily modified in terms of internal combustion by appropriately replacing the partition wall 18. machines with different operating conditions (e.g. when using different fuels).
  • a line 34 which penetrates the gas inlet housing 3 and which connects to corresponding bores 35 in the bearing housing 13. Analogously to the through openings 21, the bores 35 open into the cavity 20 (FIG. 4).
  • the gas inlet housing 3 can be provided with a similar device for preventing the penetration of particles, as is already provided in the exemplary embodiments described above.

Landscapes

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Abstract

Zur Reinigung und Vermeidung von schädlichen Ablagerungen in der Radialturbine eines Abgasturboladers ist im stromaufwärtigen Bereich der Trennwand (18) zumindest eine Durchgangsöffnung (21) angeordnet, welche den Strömungskanal (10) über den Hohlraum (20) mit dem Trennspalt (19) verbindet. Dabei wird von einer den Strömungskanal (10) beaufschlagenden Hauptströmung (23) des Arbeitsmediums (11) der Radialturbine (1) eine Teilströmung (24) mit einem ersten Druck pl abgezweigt. Die Teilströmung (24) wird in den zwischen der Trennwand (18) sowie dem Turbinenrad (7) ausgebildeten Trennspalt (19) eingeleitet und anschliessend in einen mit einem zweiten Druck p2 ausgestatteten Bereich des Strömungskanals (810) entlassen, wobei der Druck pl grösser ist als der Druck p2.

Description

Radialturbine eines Abgasturboladers
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Radialturbine eines Abgasturboladers gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Verwendung von Abgasturboladern zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen ist heute weit verbreitet. Dabei wird die Turbine des Abgasturboladers von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. Insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen lagern sich im Abgaskanal zwischen der Brennkraftmaschine und der Turbine Verbrennungsrückstände und/oder nicht brennbare Partikel ab. Diese können die Strömungskanäle der Turbine, deren Düsenring sowie die engen Spalte zwischen dem rotierenden Turbinenrad und der stehenden Trennwand des Lagergehäuses verstopfen.
Derartige Ablagerungen haben einen negativen Einfluss auf den Turbinenwirkungsgrad und führen demzufolge zur Verringerung der Leistung der Brennkraftmaschine. Ausserdem kommt es zu einer Erhöhung der Abgastemperaturen im Brennraum, wodurch sowohl die Brennkraftmaschine als auch der Abgasturbolader thermisch überbeansprucht werden können. Bei grösseren Ablagerungen auf den statischen Turbinenbauteilen kann es auch zu einem Streifen der rotierenden Turbinenbauteile, insbesondere der Welle, und damit zu mechanischen Beschädigungen kommen. Zudem wird durch die Ablagerungen die Dichtfunktion zwischen dem Abgasraum und dem Ölraum der Turbine beeinträchtigt. Diesen Nachteilen kann zum einen durch die Beseitigung von Ablagerungen und zum anderen durch deren Vermeidung begegnet werden. Bekannt sind Reinigungsvorrichtungen, welche durch Einblasen von Wasser oder von Festkörpern die Ablagerungen durch Abrasion oder Thermoschockeffekte beseitigen (DE-A1 35 15 825, DE-A1 195 49 142). Zur Verhinderung von Ablagerungen zwischen rotierenden und statischen Teilen wird heute oftmals Sperrluft eingesetzt („Turbolader RR", Firmenprospekt der Aktiengesellschaft Brown, Boverie & Cie., Baden /Schweiz, Klassifikations-Nr. 0107, CH-T 122020). Dabei kann die Sperrluft direkt vom Verdichtergehäuse des Abgasturboladers abgezweigt oder von einer externen Quelle zugeführt werden. Primär zielen diese Lösungen jedoch zumeist auf die Dicht- und Kühlfunktion der Sperrluft, während die Verhinderung von Ablagerungen lediglich eine positive Nebenwirkung darstellt.
Bei Abzweigung von Verdichterluft als Sperrluft verringert sich jedoch der Wirkungsgrad des Verdichters und damit auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine entsprechend. Zwar ist dies bei externer Zufuhr der Sperrluft nicht der Fall, jedoch muss dazu ein entsprechender Zusatzaufwand in Form eines Druck- luftbehälters oder eines Kompressors und der erforderlichen Zuleitungen getroffen werden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, von den Abgasen einer Brennkraftmaschine herrührende, schädliche Ablagerungen in der Radialturbine eines Abgasturboladers mit geringem technischen Aufwand und ohne Wirkungsgradeinbusse deutlich zu reduzieren.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im stromaufwärtigen Bereich der Trennwand zumindest eine Durchgangsöffnung angeordnet ist, welche Durchgangsöffnung den Strömungskanal über den Hohlraum mit dem Trennspalt verbindet. Dabei wird von einer den Strömungskanal beaufschlagenden Hauptströmung des Arbeitsmediums der Radialturbine (Abgas der Brennkraftmaschine), eine Teilströmung mit einem ersten Druck p-ι abgezweigt. Diese Teilströmung wird in den zwischen der Trennwand sowie dem Turbinenrad ausgebildeten Trennspalt eingeleitet und anschliessend in einen Bereich des Strömungskanals mit einem zweiten Druck p2 entlassen wird, wobei der Druck pi grösser ist als der Druck p2.
Weil der Druck im stromaufwärtigen Bereich des Strömungskanals, d.h. am Eintritt der Durchgangsöffnung, höher ist, als der im stromabwärtigen Bereich des Strömungskanals, d.h. am Trennspalt von Turbinenrad und Trennwand, herrschende Druck, wird eine Bypassströmung des Arbeitsmediums, ausgehend vom Strömungskanal, über die Durchgangsöffnung, den Hohlraum und den Trennspalt bis zurück in den Strömungskanal initiiert. Diese Bypassströmung verhindert ein Eindringen von Partikeln der Hauptströmung des Abgases in den Trennspalt zwischen dem Turbinenrad und der Trennwand. Auf diese Weise können mit einem ohnehin vorhandenen Medium schädliche Ablagerungen in der Radialturbine des Abgasturboladers verhindert werden, ohne eine Verringerung des Wirkungsgrades hinnehmen zu müssen.
Die zumindest eine Durchgangsöffnung weist eine Achse auf, welche einen entgegengesetzt zur Haupt-Strömungsrichtung ausgebildeten Anstellwinkel φ zur Turbinenachse besitzt, mit 0° ≤ φ < 45°. Je grösser der Anstellwinkel φ im vorgegebenen Bereich gewählt wird, desto geringer wird auch die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Partikeln über die Durchgangsöffnung in den Trennspalt.
Besonders vorteilhaft ist die zumindest eine Durchgangsöffnung mit einem Öffnungseintritt ausgestattet, welcher im radialen Bereich einer den Strömungskanal begrenzenden, stromauf des Trennspaltes angeordneten Oberfläche der Trennwand ausgebildet ist. Dadurch kann die Durchgangsöffnung weit stromaufwärts des Turbinenrades angeordnet werden, was eine relativ grosse nutzbare Druckdifferenz zwischen dem Bereich des Strömungskanals, aus dem die Teilströmung abgezweigt wird und dem Bereich des Strömungskanals, in den sie wieder entlassen wird, zur Folge hat. Zudem kann eine direkte und damit relativ einfache Verbindung zwischen dem Strömungskanal und dem der Trennwand benachbarten Hohlraum realisiert werden. Besonders zweckmässig ist es, wenn der Öffnungseintritt beabstandet von der den Strömungskanal begrenzenden Oberfläche angeordnet und zwischen dieser Oberfläche sowie dem Öffnungseintritt ein zumindest annähernd in einer Haupt- Strömungsrichtung des Arbeitsmediums ausgerichteter, rampenförmiger Schlitz ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der Öffnungseintritt gegenüber der den Strömungskanal begrenzenden Oberfläche der Trennwand zurückversetzt, so dass die Durchgangsöffnung im Strömungsschatten der radialen Zuleitung des Arbeitsmediums liegt. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von mit dem Abgas mitgeführten Partikeln in die Durchgangsöffnung deutlich reduziert werden. Zudem ist der Schlitz mit einem Anstellwinkel α zur Haupt-Strömungsrichtung des Arbeitsmediums angeordnet, welcher in einem Bereich von ± 10° zu dieser Haupt-Strömungsrichtung liegen kann. Auf diese Weise wird eine optimale Zu- strömung der zum Reinhalten des Trennspaltes verwendeten Teilströmung des Arbeitsmediums in die Durchgangsöffnungen erreicht.
Vorteilhaft weist der Schlitz eine Eintrittschräge sowie eine Austrittschräge für die Abgase auf, wobei der Öffnungseintritt der Durchgangsöffnung im Bereich der Eintrittschräge angeordnet ist. Zudem ist die Austrittschräge flacher als die Eintrittschräge ausgebildet. Diese Anordnung und Ausbildung der Durchgangsöffnung reduziert die Möglichkeit des Eindringens von mitgeführten Partikeln weiter. Durch ihre grössere Masse ist der Impuls der in den Abgasen mitgeführten Partikel grösser als der Impuls der Abgase selbst. Zwar werden die Partikel aufgrund der abgezweigten Teilströmung in Richtung der Durchgangsöffnungen umgelenkt, gelangen aber infolge ihrer Trägheit nicht mit in diese Öffnungen hinein. Sie werden vielmehr in Richtung der Austrittschräge umgelenkt, wo sie sich aufgrund deren flacher Ausbildung nur schwer absetzen können. Daher wird der Grossteil dieser Partikel gemeinsam mit der Hauptströmung wieder aus dem Schlitz herausgeführt.
Die Eintrittschräge und die Austrittschräge bilden im Schlitz eine gemeinsame Kante, wobei durch letztere eine gedachte Parallele zur Turbinenachse verläuft. Zwischen der Eintrittschräge sowie der Parallele ist ein Eintrittswinkel ß und zwi- sehen der Austrittschräge sowie der Parallele ein Austrittswinkel χ des Schlitzes ausgebildet, wobei der Eintrittswinkel von 0° < ß < 45° und der Austrittswinkel von 45° < χ < 90° beträgt. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, den Eintrittswinkel so zu wählen, dass die Durchgangsöffnungen möglichst stark zurückversetzt und somit vor der vorbeistreifenden Hauptströmung optimal geschützt sind. Demgegenüber soll der Austrittswinkel so flach gewählt werden, dass sich möglichst wenig Partikel stromab der Durchgangsöffnungen ansammeln können. Dabei ermöglicht die Auswahl verschiedener Winkelbereiche eine entsprechende Anpassung der Schlitze an die durch die Brennkraftmaschine und den Abgasturbolader vorgegebenen Einsatzbedingungen.
Schliesslich ist zwischen der Eintrittschräge und der Austrittschräge des Schlitzes mit Vorteil ein Öffnungswinkel δ ausgebildet, mit 45° < δ < 135°. Hierbei ist fertigungstechnisch insbesondere ein Öffnungswinkel δ von 90° relativ leicht zu realisieren, während von den Strömungsverhältnissen her ein Öffnungswinkel δ von > 90° tendenziell günstiger ist, als ein Öffnungswinkel δ von 45°.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Abgasturboladers dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch die Turbinenseite des Abgasturboladers;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Trennwand des Lagergehäuses;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine der Durchgangsöffnungen entlang der Linie III- III in Figur 2, vergrössert dargestellt;
Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung der Trennwand, mit den erfindungs- gemäss ausgebildeten Durchgangsöffnungen, in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine Darstellung gemäss Figur 1 , in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers sowie die mit dem Abgasturbolader verbundene Brennkraftmaschine. Die Strömungsrichtungen der Arbeitsmittel sind mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Der mit einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbundene Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem ebenfalls nicht dargestellten Verdichter und einer als Radialturbine 1 ausgebildeten Abgasturbine. Die Radialturbine 1 besitzt ein Turbinengehäuse 2, mit einem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse 3 und einem als Gasaustrittflansch 4 ausgebildeten Gasaustrittgehäuse. Das Gaseintrittgehäu- se 3 und der Gasaustrittflansch 4 sind durch Schrauben 5 lösbar miteinander verbunden. Im Turbinengehäuse 2 ist ein von einer Welle 6 getragenes Turbinenrad 7 mit Laufschaufeln 8 um eine in der Längsachse des Abgasturboladers liegende Turbinenachse 9 drehbar gelagert. Zudem ist im Turbinengehäuse 2 ein Strömungskanal 10 für die als ein Arbeitsmedium 11 der Radialturbine 1 dienenden Abgase der Brennkraftmaschine ausgebildet. Stromauf der Laufschaufeln 8 ist im Strömungskanal 10 ein Düsenring 12 angeordnet. Am verdichterseitigen Ende der Welle 6 ist ein nicht dargestelltes Verdichterrad befestigt.
An das Turbinengehäuse 2 schliesst verdichterseitig ein Lagergehäuse 13 an, in dem ein als Gleitlager 14 ausgebildetes Lager angeordnet ist. Durch das Lagergehäuse 13 führt ein Schmierölkanal 15 bis hin zum Gleitlager 14. Das Turbinengehäuse 2 und das Lagergehäuse 13 sind über ein in Umfangsrichtung angeordnetes Spannband 16 miteinander verbunden und mittels eines auf der Welle 6 sitzenden Dichtungsringes 17 gegeneinander abgedichtet. Zwischen dem Turbinengehäuse 2 und dem Lagergehäuse 13 des Abgasturboladers ist eine Trennwand 18 angeordnet, welche radial sowie axial unter Bildung eines Trennspaltes 19 bis unmittelbar an das Turbinenrad 7 heranreicht und auf ihrer dem Turbinenrad 7 abgewandten Seite durch einen Hohlraum 20 vom Lagergehäuse 13 getrennt ist (Fig. 1 ). Im stromaufwärtigen Bereich der Trennwand 18 sind vier gleich- massig auf dem Umfang der Trennwand 18 verteilte Durchgangsöffnungen 21 angeordnet, welche den Strömungskanal 10 über den Hohlraum 20 mit dem Trennspalt 19 verbinden (Fig. 2). Die Durchgangsöffnungen 21 besitzen jeweils eine parallel zur Turbinenachse 9 verlaufende Achse 9' (Fig. 1 , Fig. 2).
Beim Betrieb der mit dem Abgasturbolader verbundenen Brennkraftmaschine werden deren heisse Abgase zunächst in das spiralförmige Gaseintrittgehäuse 3 der Radialturbine 1 eingeleitet. Nach einer entsprechenden Beschleunigung im Gaseintrittgehäuse 3 gelangen die Abgase über den Düsenring 12 und den Strömungskanal 10 zum Turbinenrad 7. Dabei hat der Düsenring 12 die Aufgabe, dieses Arbeitsmedium 11 optimal auf die Laufschaufeln 8 zu leiten. Das somit angetriebene Turbinenrad 7 sorgt seinerseits für den Antrieb des mit ihm über die Welle 6 verbundenen Verdichterrades. Die im Verdichter komprimierte Luft wird zur Aufladung, d.h. zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Zur Schmierung des Gleitlagers 8 des Abgasturboladers wird Schmieröl 22 über den Schmierölkanal 15 zugeführt.
Stromab des Düsenrings 12 wird von einer den Strömungskanal 10 beaufschlagenden Hauptströmung 23 des Arbeitsmediums 11 der Radialturbine 1 eine Teilströmung 24 mit einem ersten Druck pi abgezweigt. Diese Teilströmung 24 wird über den Hohlraum 20 in den zwischen der Trennwand 18 sowie dem Turbinenrad 7 ausgebildeten Trennspalt 19 eingeleitet und anschliessend in einen dem Trennspalt 19 benachbarten Bereich des Strömungskanals 10 entlassen, welcher Bereich einen zweiten Druck p2 aufweist, der geringer ist, als der im stromaufwärtigen Bereich des Strömungskanals 10 herrschende Druck pi. Infolge dieser letztlich aus dem Trennspalt 19 in den Strömungskanal 10 austretenden Bypassströmung können keine der sich im Arbeitsmedium 11 befindlichen Partikel aus dem Strömungskanal 10 in den Trennspalt 19 eindringen. Auf diese Weise lassen sich schädliche Ablagerungen solcher Partikel im Bereich des Trennspaltes 19 wirksam verhindern.
Die Trennwand 18 ist mit einer den Strömungskanal 10 begrenzenden, stromauf des Trennspaltes 19 angeordneten Oberfläche 25 ausgestattet (Fig. 2). Jede der Durchgangsöffnungen 21 weist einen im radialen Bereich dieser Oberfläche 25 ausgebildeten Öffnungseintritt 26 auf. Letzterer ist beabstandet von der den Strömungskanal 10 begrenzenden Oberfläche 25 angeordnet. In der Trennwand 18, zwischen der Oberfläche 25 sowie den Öffnungseintritten 26, ist jeweils ein in einer Haupt-Strömungsrichtung 27 des Arbeitsmediums 11 der Radialturbine 1 ausgerichteter, rampenförmiger Schlitz 28 ausgebildet. Obwohl in Figur 2 ein Anstellwinkel α des Schlitzes 28 von 0° zur Haupt-Strömungsrichtung 27 dargestellt ist, kann dieser Anstellwinkel α in einem Bereich von ± 10° zur Haupt-Strömungsrichtung 27 variieren (gestrichelt dargestellt).
Jeder Schlitz 28 besitzt eine Eintrittschräge 29 sowie eine Austrittschräge 30 für das Arbeitsmedium 11 , wobei der Öffnungseintritt 26 im Bereich der Eintrittschräge 29 angeordnet ist. Aufgrund der Neigung der Eintrittschräge 29 gegenüber der Oberfläche 25 entsteht eine Stolperkante 31 für das Arbeitsmedium 11. Zudem ist die Austrittschräge 30 flacher als die Eintrittschräge 29 ausgebildet. Die Eintritt- schräge 29 und die Austrittschräge 30 bilden im Schlitz 28 eine gemeinsame Kante 32. Durch die Kante 32 verläuft eine gedachte Parallele 33 zur Turbinenachse 9. Zwischen der Eintrittschräge 29 sowie der Parallele 33 ist ein Eintrittswinkel ß und zwischen der Austrittschräge 30 sowie der Parallele 33 ein Austrittswinkel χ des Schlitzes 28 ausgebildet. Der Eintrittswinkel ß beträgt etwa 30°, mit einer möglichen Variation von 0° < ß < 45°, während der Austrittswinkel χ etwa 70° beträgt und in einem Bereich von 45° < χ ≤ 90° liegen kann. Zwischen der Eintrittschräge 29 und der Austrittschräge 30 ist ein Öffnungswinkel δ von 90° ausgebildet (Fig. 3). Dieser Öffnungswinkel δ kann in einem Bereich von 45° < δ < 135° liegen.
Aufgrund seiner Anordnung im Bereich der Eintrittschräge 29 liegt der Öffnungseintritt 26 der Durchgangsöffnung 21 im Strömungsschatten der Hauptströmung 23 des Arbeitsmediums 11 der Radialturbine 1. Demzufolge wird die Durchgangsöffnung 21 kaum mit den vom Arbeitsmedium 11 mitgeführten Partikeln beaufschlagt, so dass auch durch die Teilströmung 24 relativ wenig Partikel in den Trennspalt 10 gelangen können. Wegen der besonderen Ausbildung der Schlitze 28, d.h. wegen der Rampenform in Kombination mit der Stolperkante 31 , können sich die in der Hauptströmung 23 des Arbeitsmediums 11 befindlichen Partikel in diesem Bereich kaum absetzen, so dass der Zugang zu den Öffnungseintritten 26 frei bleibt. Damit kann die erwünschte Bypassströmung des Arbeitsmediums 11 über eine relativ lange Betriebsdauer der Radialturbine 1 des Abgasturboladers gewährleistet werden. Durch eine Kombination verschiedener Eintrittswinkel ß und Austrittswinkel χ ist eine Anpassung der Schlitze 28 an die zu erwartenden Strömungsbedingungen möglich.
Wie bereits zu den Figuren 1 und 2 beschrieben, besitzen die Durchgangsöffnun- gen 21 jeweils eine parallel zur Turbinenachse 9 verlaufende Achse 9'. Natürlich kann diese Achse 9' auch einen von 0° verschiedenen Anstellwinkel φ zur Turbinenachse 9 aufweisen. In Figur 3, welche eine einzige, gegenüber den Figuren 1 und 2 vergrösserte Durchgangsöffnung 21 zeigt, sind die möglichen Anstellwinkel φ der Achse 9' von 0 < φ < 45°, jeweils entgegengesetzt zur Haupt-Strömungsrichtung 27, gestrichelt dargestellt. Ebenso dargestellt sind die demnach möglichen Extremstellungen der Durchgangsöffnung 21.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind in der Trennwand 18 zwölf gleichmäs- sig auf deren Umfang verteilte Durchgangsöffnungen 21 angeordnet. Die Figur 4 zeigt diese Lösung, wobei zur Verdeutlichung der Anordnung und Ausbildung der Durchgangsöffnungen 21 eine dreidimensionale Darstellung gewählt wurde.
Natürlich ist auch eine beliebige andere Anzahl von Durchgaπgsöffnungen 21 möglich. Dabei ist die Anzahl der verwendeten Durchgangsöffnungen 21 abhängig vom erforderlichen Gesamtquerschnitt der Durchgangsöffnungen 21 bzw. vom erforderlichen Massenstrom der zur Verhinderung des Eindringens der Hauptströmung 23 in den Trennspalt 19 genutzten Teilströmung 24, wobei prinzipiell eine grössere Anzahl von Durchgangsöffnungen 21 einem grösseren Durchmesser der einzelnen Durchgangsöffnungen 21 vorzuziehen ist. Indem Trennwände 18 mit einer unterschiedlichen Anzahl und/oder unterschiedlichem Gesamtquerschnitt der Durchgangsöffnungen 21 zu Verfügung stehen, kann die Radialturbine 1 durch entsprechenden Austausch der Trennwand 18 relativ einfach an Brennkraft- maschinen mit anderen Betriebsbedingungen (beispielsweise bei Verwendung von anderen Brennstoffen) angepasst werden.
Gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abzweigung der Teilströmung 24 von der Hauptströmung 23 des Arbeitsmediums 11 der Radialturbine 1 bereits innerhalb des Gaseintrittgehäuses 3. Dazu ist am Gaseintrittgehäuse 3 eine dieses durchdringende Leitung 34 befestigt, welche an entsprechende Bohrungen 35 im Lagergehäuse 13 anschliesst. Analog zu den Durchgangsöffnungen 21 münden die Bohrungen 35 in den Hohlraum 20 (Fig. 4). Das Gaseintrittgehäuse 3 kann in dem Bereich, in dem die Leitung 35 angreift mit einer ähnlichen Einrichtung zur Vermeidung des Eindringens von Partikeln versehen werden, wie sie bereits bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste
1 Radialturbine
2 Turbinengehäuse
3 Gaseintrittgehäuse
4 Gasaustrittfiansch
5 Schraube
6 Welle
7 Turbinenrad
8 Laufschaufel
9 Turbinenachse
10 Strömungskanal
11 Arbeitsmedium
12 Düsenring
13 Lagergehäuse
14 Gleitlager
15 Schmierölkanal
16 Spannband
17 Dichtungsring 18 Trennwand
19 Trennspalt
20 Hohlraum
21 Durchgangsöffnung
22 Schmieröl
23 Hauptströmung, von 11
24 Teilströmung, von 11
25 Oberfläche
26 Öffnungseintritt
27 Haupt-Strömungsrichtung
28 Schlitz
29 Eintrittschräge
30 Austrittschräge
31 Stolperkante
32 Kante
33 Parallele
34 Leitung
35 Bohrung
9' Achse, von 21
Pi Druck, stromaufwärts
P2 Druck, stromabwärts α Anstellwinkel ß Eintrittswinkel, von 28
1 Austrittswinkel, von 28 δ Öffnungswinkel
Φ Anstellwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Radialturbine eines Abgasturboladers, mit einem in einem Turbinengehäuse (2) angeordneten, von einer Welle (6) getragenen und um eine Turbinenachse (9) drehbar gelagerten Turbinenrad (7) mit Laufschaufeln (8), mit einem im Turbinengehäuse (2) ausgebildeten Strömungskanal (10) für ein von einer mit dem Abgasturbolader verbundenen Brennkraftmaschine zugeführtes Arbeitsmedium (11 ) der Radialturbine (1) sowie mit einer Trennwand (18) zwischen dem Turbinengehäuse (2) und einem Lagergehäuse (13) des Abgasturboladers, welche Trennwand (18) radial sowie axial unter Bildung eines Trennspaltes (19) bis unmittelbar an das Turbinenrad (7) heranreicht und auf ihrer dem Turbinenrad (7) abgewandten Seite durch einen Hohlraum (20) vom Lagergehäuse (13) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im stromaufwärtigen Bereich der Trennwand (18) zumindest eine Durchgangsöffnung (21 ) angeordnet ist, welche Durchgangsöffnung (21) den Strömungskanal (10) über den Hohlraum (20) mit dem Trennspalt (19) verbindet.
2. Radialturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Durchgangsöffnung (21) eine Achse (9') aufweist, welche einen entgegengesetzt zur Haupt-Strömungsrichtung (27) ausgebildeten Anstellwinkel φ zur Turbinenachse (9) besitzt, mit 0° < φ < 45°.
3. Radialturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (18) mit einer den Strömungskanal (10) begrenzenden Oberfläche (25) ausgestattet und diese Oberfläche (25) stromauf des Trennspaltes (19) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Durchgangsöffnung (21) einen im radialen Bereich dieser Oberfläche (25) ausgebildeten Öffnungseintritt (26) aufweist.
. Radialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungseintritt (26) beabstandet von der den Strömungskanal (10) begrenzenden Oberfläche (25) angeordnet ist, wobei zwischen dieser Oberfläche (25) sowie dem Öffnungseintritt (26) ein zumindest annähernd in einer Haupt-Strömungsrichtung (27) des Arbeitsmediums (11) ausgerichteter, rampenförmiger Schlitz (28) ausgebildet ist.
5. Radialturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (28) mit einem Anstellwinkel α von ± 10° zur Haupt-Strömungsrichtung (27) des Arbeitsmediums (11) der Radialturbine (1) angeordnet ist.
6. Radialturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (28) eine Eintrittschräge (29) sowie eine Austrittschräge (30) für das Arbeitsmedium (11) aufweist und der Öffnungseintritt (26) im Bereich der Eintrittschräge (29) angeordnet ist.
7. Radialturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittschräge (30) flacher als die Eintrittschräge (29) ausgebildet ist.
8. Radialturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittschräge (29) und die Austrittschräge (30) eine gemeinsame Kante (32) im Schlitz (28) bilden, durch welche Kante (32) eine gedachte Parallele (33) zur Turbinenachse (9) verläuft, wobei zwischen der Eintrittschräge (29) sowie der Parallele (33) ein Eintrittswinkel ß des Schlitzes (28), mit 0° < ß < 45°, und zwischen der Austrittschräge (30) sowie der Parallele (33) ein Austrittswinkel χ des Schlitzes (28), mit 45° < χ < 90°, ausgebildet sind.
9. Radialturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Austrittschräge (30) und der Eintrittschräge (29) ein Öffnungswinkel δ, mit 45° < δ < 135° ausgebildet ist.
0. Verfahren zum Betrieb einer Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass von einer den Strömungskanal (10) beaufschlagenden Hauptströmung (23) eines Arbeitsmediums (11) der Radialturbine (1) eine Teilströmung (24) mit einem ersten Druck pi abgezweigt, die Teilströmung (24) in den zwischen der Trennwand (18) sowie dem Turbinenrad (7) ausgebildeten Trennspalt (19) eingeleitet und an- schliessend in einen mit einem zweiten Druck p2 ausgestatteten Bereich des Strömungskanals (10) entlassen wird, wobei der Druck pi grösser ist als der Druck p2.
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