Axialturbine für Abgasturbolader

Abstract

 Bei einer Axialturbine für Abgasturbolader ist die innere Wand des rotationssymmetrischen Abgasumlenkkaneis (7b) als ein mit der Turbolsderwelle (2) starr verbundener und mit ihr rotierender Umlenkkragen (6) ausgeführt. Der Aussendurchmesser des Umlenkkragens (6) ist grösser als der Durchmesser der Turbinenscheibe (3) und höchstens dem Aussendurchmesser des Turbinenrotors gleich. Zwischen dem rotierenden Umlenkkragen (6) und dem Gehäuse (7) ist ein Element zum berührungslosen Abdichten des Abgasumlenkkanals (7b) vorgesehen. Vorzugsweise besteht das Element zum berührungslosen Abdichten des Umlenkkanals (7b) aus zwei an einer zylindrischen nach innen offenen Fläche angeordneten Labyrinthdichtungen (11), zwischen denen von radial innen durch ein Sperrluftkanal (8) die Sperrluft zugeführt wird.
Ein wichtiger Vorteil dieser Axialturbine für Abgasturbolader besteht darin, dass die Strömungsverluste im Abgasumlenkkanal (7b) reduziert sind und somit eine Vergrösserung des Turbinenwirkungsgrades erreicht ist, zudem wird die Axialkraft auf die Turboladerwelle reduziert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialturbine für Abgasturbolader gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei Turboladern für Verbrennungsmotoren ist es strömungstechnisch vorteilhaft, das Motorabgas unter Erteilung eines nötigen Dralls durch eine Eintrittsspirale oder durch Leitschaufeln vorerst über den ganzen Umfang nach innen und danach, nach einer Umlenkung, durch die Axialturbine strömen zu lassen.

[0003] Eine Axialturbine mit einem radial durchströmten Turbinenleitapparat der eingangs genannten Art ist in der CH-Patentanmeldung Nr. 2609/82 vom 29.4.82 (Fig. 2) gezeigt.

[0004] Bei dieser Lösung ist die Innenwand des zwischen dem Turbinenleitapparat und den Turbinenlaufschaufeln angeordneten Gasumlenkkanals starr und unbeweglich. Wegen der Gasreibung an dieser Wand entsteht ein Drallverlust. Durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit des Gases, die radial nach innen zunimmt, verursacht diese Innenwand des Gasumlenkkanals relativ hohe Reibungsverluste. Der isentrope Wirkungsgrad der Turbine sinkt dadurch um etwa 2 % bis 5 % additiv ab.

[0005] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Axialturbine zu schaffen, bei welcher der Drallverlust im Gasumlenkkanal auf ein Minimum reduziert und dadurch ein guter Wirkungsgrad erreicht wird.

[0006] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0007] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass das an der Eintrittsspirale oder an den Turbinenleitschaufeln mit einer Umfangskomponente beschleunigte Motorabgas durch den Abgasumlenkkanal den Turbinenlaufschaufeln zugeführt wird, wodurch eine Wirkungsgradverbesserung erreicht ist.

[0008] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.

[0009] Es zeigen:

Fig. 1 die Axialturbine eines Abgasturboladers in einem Teillängsschnitt;

Fig. 2 eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 1.

[0010] Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszahlen versehen. Die Strömungsrichtungen des Arbeitsmittels sind mit Pfeilen bezeichnet. Erfindungsunwesentliche Teile der Axialturbine, wie beispielsweise Turbinenabgaskanal, Konsolen und Befestigungselemente, sind weggelassen.

[0011] In Fig. 1 ist mit 1 die Turboladerachse bezeichnet. Die dargestellte Axialturbine mit radialer Gaszuströmung ist über das Turbinengehäuse 7 an eine nicht dargestellte Auspuffleitung eines aufgeladenen Dieselmotors angeschlossen. Die Turboladerwelle 2 ist im Turbinengehäuse 7 mittels Wellen,lager 10 gelagert und trägt eine mit den Turbinenlaufschaufeln 4 versehenen Turbinenscheibe 3. Gasstromaufwärts der axialdurchströmten Turbinenlaufschaufeln 4 sind im ringförmigen Umlenkkanal 7a radialdurchströmte Turbinenleitschaufeln 5 angeordnet. Im Turbinengehäuse 7 sind ausserdem ein Sperrluftkanal 8 und ein Luftableitungskanal 9 angeordnet.

[0012] Gemäss der Erfindung ist die innere Wand des rotationssymmetrischen Abgasumlenkkanals 7b als ein mit der Turboladerwelle 2 rotierender Umlenkkragen 6 ausgeführt. Dieser Umlenkkragen 6 ist mittels Schrauben 12 mit der Turboladerwelle 2 starr verbunden. Der Aussendurchmesser des rotierenden Umlenkkragens 6 ist grösser als der Durchmesser der Turbinenscheibe 3 und kann höchstens dem Aussendurchmesser des Turbinenrotors gleich sein. Zwischen dem rotierenden Umlenkkragen 6 und dem Gehäuse 7 ist ein Element zum berührungslosen Abdichten des Abgasumlenkkanals vorgesehen. Dieses Element besteht aus zwei Labyrinthdichtungen 11, 11', die an einer zylindrischen, konzentrischen, nach innen offenen Fläche des Umlenkkragens 6 angeordnet sind. Ein im Turbinengehäuse 7 angeordneter Sperrluftkanal 8 ist mit einem zwischen der der Turbine zugekehrten Labyrinthdichtung 11 und der der Turbine abgekehrten Labyrinthdichtung 11' angeordneten Radialspalt 15 verbunden. Ein im Turbinengehäuse 7 angeordneter Luftableitungskanal 9 ist mit einem Luftraum 13 verbunden.

[0013] Die Wirkungsweise der Axialturbine für Abgasturbolader geht aus folgendem hervor:

Das Motorabgas strömt durch den Abgaskanal 7a, durch den Kranz der Leitschaufeln 5 und den Abgasumlenkkanal 7b zu den Turbinenlaufschaufeln 4, in welchen es sich unter Abgabe von Leistung entspannt und anschliessend durch eine nicht gezeigte Auspuffleitung in die Atmosphäre ausgestossen wird. Auf den Turbinenleitschaufeln 5 wird das überwiegend radial zuströmende Motorabgas tangential beschleunigt. Dabei entsteht ein zur Drehrichtung der Turbine wirkender Drall.

[0014] Da die Innenwand des Abgasumlenkkanals 7b mit der Turboladerwelle 2 rotiert, wird die relative Geschwindigkeit zwischen der tangentialen Gasgeschwindigkeit und der rotierenden Wand in dieser Zone wesentlich geringer als bei den Axialturbinen ohne rotierenden Umlenkkragen. Der resultierende Gewinn an Turbinenwirkungsgrad auf Grund der verkleinerten Reibung beträgt ca. 1,5 bis 3 % additiv.

[0015] Die Sperrluftzufuhr durch den Sperrluftkanal 8 dient zur Kühlung der Turboladerwelle 2 und der Turbinenscheibe 3 und verhindert das Abströmen des Abgases aus dem Abgasumlenkkanal 7b durch den Luftraum 13 zum Wellenlager 10 und an die Umgebung.

[0016] Auf der der Gasströmung abgewandten Seite des Umlenkkragens 6 entsteht im Luftraum 13 eine bremsende Reibkraft, die aber relativ gering ist. Die resultierende,auf die Turboladerwelle 2 wirkende Axialkraft ist unter anderem eine Funktion der Druckverteilung an den beiden Seiten des Umlenkkragens 6. Da die Labyrinthdichtungen 11 radial weit aussen liegen, wird diese resultierende Axialkraft stark vermindert und entspricht etwa derjenigen einer Radialturbine. Durch die Strömungsverluste in der Labyrinthdichtung 11 wird der Luftdruck im Luftraum 13 hinter dem Umlenkkragen 6 annähernd auf den Umgebungsdruck abgesenkt. Dadurch wird die Axialkraft auf die Turboladerwelle klein. Der Sperrluftverbrauch wird bei dieser Ausführung etwas grösser als bei den Ausführungen ohne rotierenden Umlenkkragen 6.

[0017] Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung besteht das Element zum berührungslosen Abdichten des Umlenkkanals 7b aus einer in einer achsnormalen Ebene konzentrisch angeordneten Labyrinthdichtung 11. Die Labyrinthdichtung 11 ist auf dem Aussendurchmesser des rotierenden Umlenkkragens 6 angeordnet. Die vom Abgasumlenkkanal 7b durch die Labyrinthdichtung 11 nach innen strömende geringe Abgasmenge wird mit der radial von innen nach aussen kommenden Sperrluft in den Ableitungskanal 9 abgeführt. Der Sperrluftverbrauch ist bei dieser Ausführung kleiner als derjenige bei den Ausführungen ohne rotierenden Umlenkkragen 6. Hauptsächlich ist dieser Sperrluftverbrauch durch die notwendige Kühlung des Umlenkkragens bestimmt. Eine sehr geringe Menge des Motorabgases geht hier durch die Labyrinthdichtung 11 verloren. Dieser Mengenverlust ist auch wegen der geringen Gasdichte vernachlässigbar. Ein Hauptvorteil dieser Ausführung ist, dass die Axialkraft auf die Turboladerwelle praktisch wegfällt.

Ansprüche

1. Axialturbine für Abgasturbolader, im wesentlichen bestehend aus einer auf der Turboladerwelle (2) an^geord- neten, mit axialdurchströmten Turbinenlaufschaufeln (4) versehenen Turbinenscheibe (3) und einem Turbinengehäuse (7), in welchem die Turbinenwelle (2) gelagert ist, wobei ein Kranz der radialdurchströmten Turbinenleitschaufeln (5) im Turbinengehäuse (7) stromaufwärts der Laufschaufeln (4) angeordnet ist und wobei zwischen den Turbinenleitschaufeln (5) und den Turbinenlaufschaufeln (4) ein rotationssymmetrischer Abgasumlenkkanal (7b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand des rotationssymmetrischen Abgasumlenkkanals (7b) ein mit der Turboladerwelle (2) starr verbundener und mit ihr rotierender Umlenkkragen (6) ist.

2. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser des Umlenkkragen (6) grösser als der Durchmesser der Turbinenscheibe (3) und höchstens gleich dem Aussendurchmesser des Turbinenrotors ist.

3. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem rotierenden Umlenkkragen (6) und dem Turbinengehäuse (7) ein Element zum berührungslosen Abdichten des Abgasumlenkkanals (7b) vorgesehen ist.

4. Axialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zum berührungslosen Abdichten des Umlenkkanals (7b) aus zwei an einer zylindrischen, konzentrischen, nach innen offenen Fläche des Umlenkkragens (6) angeordneten Labyrinthdichtungen (11, 11') besteht, dass ein im Turbinengehäuse (7) angeordneter Sperrluftkanal (8) mit einem zwischen der der Turbine zugekehrten Labyrinthdichtung (11) und der der Turbine abgekehrten Labyrinthdichtung (11') angeordneten Radialspalt (15) verbunden ist, wobei die Sperrluft von radial innen durch den Radialspalt (15) zugeführt und durch die Labyrinthdichtung (11') zum Aussenradius des Umlenkkragens (6) in den Gaskanal (7b) vor der Turbine und durch die Labyrinthdichtung (11) an die Umgebung oder in die Abgasleitung abgeführt werden kann.

5. Axialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zum berührungslosen Abdichten des Umlenkkanals (7b) eine in einer achsnormalen Ebene konzentrisch angeordnete Labyrinthdichtung (11) ist, wobei das Motorabgas aus dem Abgasumlenkkanal (7b) zusammen mit radial von innen kommender Sperrluft in einen Ableitungskanal (9) abgeführt werden kann.

Zeichnung