DE1228857B

DE1228857B - Abgasturbine fuer Kolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1228857B
Application number: DEM64671A
Authority: DE
Inventors: Alexander Garve
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1965-03-27
Filing date: 1965-03-27
Publication date: 1966-11-17
Also published as: CH432130A; DK111189B

Description

Abgasturbine für Kolbenbrennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine für die Verwertung der aus einer Kolbenbrennkraftmaschine kommenden Abgasströme mit einer konzentrischen, um den oder seitlich vor dem Turbinenläufer angeordneten Ausgleichskammer, in welche die einzelnen Abgasströme zur Erzielung einer Umlaufströmung durch in einer achsnormalen Ebene liegende Stutzen tangential eingeführt und dadurch deren Druckschwankungen weitgehend ausgeglichen werden.
Derartige Ausgleichskammern sind an sich bekannt. In ihnen sollen die infolge stoßweise anfallender Abgasmengen sich einstellenden Druckpulsationen weitgehend ausgeglichen und damit die Voraussetzungen erfüllt werden, daß die für kontinuierliche Beaufschlagung mit konstantem Druck ausgelegte Turbine die ihr zugeführte Abgasmenge mit bestem Wirkungsgrad verarbeitet. Gegen solche Druckschwankungen ist besonders die Zentripetal-Turbine empfindlich, was der Grund dafür sein mag, daß die bekannten Anordnungen vornehmlich für in zentripetaler Richtung durchströmte Turbinen vorgesehen waren.
Die bekannten Ausgleichskammern bestehen entweder aus einem Ringkanal mit im Grundriß etwa elliptischem Kanalverlauf oder aus einem den Turbinenrotor konzentrisch umschließenden Ringkanal mit einem äußeren Durchmesser, der etwa doppelt so groß ist wie der des Rotors. Bei der kanalartigen Ausgleichskammer ergeben sich von vornherein große Wandoberflächen und dementsprechend große Abstrahlungs- und Reibungsverluste. Aber auch bei der bekannten Ringkammer ergeben sich beträchtliche Strömungswege und dementsprechend ein großer Wärmeübergang vom heißen Treibgas auf die Kammerwand, weil jenes auf Spiralbahnen mit mehreren Rundläufen den Ringkanal durchströmen muß, bis es in die Schaufelkanäle des Rotors eintritt. In beiden Anordnungen kann somit leicht der Fall eintreten, daß die großen Wärme- und Reibungsverluste den durch Beaufschlagung des Rotors mit konstantem Druck erreichbaren Gewinn wieder aufheben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, : die durch lange Strömungswege bedingten Nachteile der bekannten Abgasturbinen zu beheben, um dadurch eine bessere Ausnutzung der in Abgasen von Kolbenbrennkraftmaschinen enthaltenen Energie sicherzustellen.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß Druckschwankungen in pulsierenden Strömungen auch ohne lange Strömungswege ausgeglichen werden können, wenn nur ein Aufnehmer oder Kompensationsraum in geeigneter Anordnung zur Verfügung steht.
Die Erfindung besteht demzufolge darin, daß die tangentialen Einströmstutzen in nächster Nähe der Turbinenschaufeln angeordnet sind, wodurch die Ausgleichskammer in einen Raum für die Hauptströmung und in einen Nebenraum für eine induzierte Strömung unterteilt wird. In dem Ausgleichsraum der Abgasturbine nach der Erfindung können also zwei Wirbelströmungen unterschieden werden, nämlich die von den Abgasstößen periodisch angefachte Hauptströmung in nächster Nähe der Turbinenbeschaufelung und die von der Hauptströmung in dem axial oder radial benachbarten Raum induzierte Nebenströmung, wobei zwischen beiden Strömungen eine mehr oder weniger starke Trennschicht gebildet sein kann. Zwischen beiden Strömungen erfolgt ständig ein Energieaustausch im Sinne einer weitgehenden Egalisierung des Gesamtdruckes. Die Nebenströmung enthält Gas niederer Temperatur und stellt dadurch auch eine vorzügliche Isolierung der Hauptströmung gegen Wärmeverluste dar.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 einen Abgasturbolader mit einer Axialturbine ini Axialschnitt, F i g. 2 einen Schnitt durch die Ausgleichskammer der in F i g. 1 gezeigten Turbine längs der Linie II-11, F i g. 3 Läufer und Ausgleichskammer einer Radialturbine im Axialschnitt, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig.3.
In. F i g. 1 und 2 bezeichnet 1 die Abgasturbine, deren Läufer 2 mit axial beaufschlagten Schaufeln 3 bestückt ist und der den Läufer des Radialgebläses 4 antreibt. Das durch die Leitungen 5, 6, 7 zugeführte heiße Abgas strömt durch die tangential mündenden, düsenartig ausgebildeten Einströmstutzen 8, 9, 10 in das als Ausgleichskammer 11 ausgebildete Einströmgehäuse 12. Diese weist eine zylindrische Verlängerung 12a auf, an deren äußerem Ende der Bügel 13 befestigt ist, von welchem die axial verstellbare Kammerwand 14 mittels Stange 15 und Muttern 16 gehalten wird. Der Faltenbalg 17 dient zur Abdichtung der Ausgleichskammer.
Wie aus F i g. 1 ersichtlich, sind die Einströmstutzen 8, 9, 10 in nächster Nähe der Turbinenschaufeln 3 angeordnet, so daß in der Ausgleichskammer 11 zwei Räume unterschieden werden können, nämlich der Raum 11a für die Hauptströmung und der Raum 11 b für die von der Hauptströmung induzierte Nebenströmung. Beide Strömungen stellen sich als Wirbel mit der Turbinenachse als Wirbelachse dar. -Bei der Aufladung von Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere von Zweitakt-Motoren, kann es nun vorkommen, daß z. B. im Teillastbetrieb die von der Brennkraftmaschine dargebotenen Abgasmengen zu gering sind, um den vom Ladegebläse zu liefernden Luftbedarf des Motors zu decken. Für solche Fälle ist es bereits bekannt, die Abgasturbine mit einem besonderen Düsensegment für die Beaufschlagung mit Druckluft auszustatten, die von einem anderen Gebläse, z. B. einem mechanisch vom Motor oder elektrisch angetriebenen Hilfsgebläse oder von den Kolbenunterseiten geliefert wird. Um dieses Hilfstreibmittel mit gleichem Wirkungsgrad verarbeiten zu können, ist es erforderlich, daß der Wert u/co der Hilfsdüse gleich demjenigen der Abgasdüsen ist, d. h., bei Verwendung von kalter Luft als Hilfstreibmittel muß der Druck entsprechend höher bemessen werden. Das hat jedoch zur Folge; daß die Laufschaufeln bei jedem Umlauf im Bereich der Hilfsdüse finit höherem Druck beaufschlagt werden und dadurch zu Schwingungen erregt werden können, die leicht zu Dauerbrüchen führen.
Die Ausgleichskammer gemäß vorliegender Erfmdung erweist sich nun auch in diesem Falle als vorteilhaft für die Einbringung bzw. Verwendung eines Hilfstreibmittels. F i g. 2 zeigt die Hilfsdüse 18, durch die von dem Hilfsverdichter 19, z. B. den Kolbenunterseiten des Motors 20 gelieferte Luft tangential eingeführt wird. Da diese Luft sich in der Hauptströmung mit den Abgasen vermischt, ist der Ausgleich von Druck und Temperatur mit den heißeren Abgasen weitgehend sichergestellt.
In der Darstellung der F i g. 2 liegen die düsenartigen Einströmstutzen 8, 9, 10 verhältnismäßig dicht beieinander. Sie können jedoch auch in punktsymmetrischer Verteilung, d. h. also mit gleichen Abständen über dem Umfang verteilt, angeordnet sein. In beiden Anordnungen werden - infolge der tangentialen Einströmung - die einzelnen Auspuffstöße sich gegenseitig fördern, wobei im Fall der F i g. 2 auch von dem Kaltluftstrom eine Förderwirkung auf den.- aus dem Stutzen 8 kommenden Abgasstrom erzielt wird.
Die F i g. 3 und 4 zeigen die Erfindung in Anwendung bei einer Zentripetalturbine 21 mit dem Rotor 22 und den Schaufeln 23. Der Rotor 22 ist von der ringförmigen Ausgleichskammer 24 umschlossen, die zugleich das Einströmgehäuse mit den tangential mündenden Einströmstutzen 25 darstellt, von denen wiederum mehrere nebeneinander oder über den Umfang in gleichen Abständen verteilt angeordnet sein können. Wie die Zeichnung erkennen läßt, liegen auch diese in nächster Nähe der Turbinenschaufeln 23, so daß der Nebenraum 24 b den Raum 24 a für die Hauptströmung umschließt. Um zu verhindern, daß die eintretenden Gasstrahlen bis in den Nebenraum 24 b vordringen, sind die Leitflächen 26 vorgesehen, die sich entweder nur über den Bereich der Einströmung oder über den ganzen Umfang erstrecken. Es ist ohne weiteres verständlich, daß auch bei einer solchen Zentripetalturbine neben den Heißgasstutzen zusätzlich Hilfsdüsen für die Einspeisung eines zusätzlichen Treibmittels vorgesehen sein können. Abschließend sei noch erwähnt, daß die gezeigten Ausführungsbeispiele keine Leitschaufeln vor den Laufschaufeln verwenden, da die in deren Kanäle eintretende Strömung bereits eine geeignete Umfangskomponente aufweist. Trotzdem könnte aber auch zur etwaigen Korrektur von Strömungsrichtungen ein besonderer Leitapparat vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Abgasturbine für die Verwertung der aus einer Kolbenbrennkraftmaschine kommenden Abgasströme mit einer konzentrisch um den oder seitlich vor dem Turbinenläufer angeordneten Ausgleichskammer, in welche die einzelnen Abgasströme zur Erzielung einer Umlaufströmung durch in einer achsnormalen Ebene liegende Stutzen tangential eingeführt und dadurch deren Druckschwankungen weitgehend ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die tangential mündenden Einströmstutzen (8, 9, 10) in nächster Nähe der Turbinenschaufeln (3) angeordnet sind, wodurch die Ausgleichskammer (11) in einen Raum (11 a) für die Hauptströmung und in einen Nebenraum (11 b) für eine induzierte Strömung unterteilt wird.
2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammer (11) als zylindrischer Hohlraum ausgebildet ist.
3. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Ausgleichskammer (11) durch einen beweglichen Wandteil (14) einstellbar ist.
4. Abgasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammer (11) mit mindestens einer Hilfsdüse (18) für das Einbringen eines Hilfstreibmittels (z. B. Luft) versehen ist.
5. Abgasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Hilfsdüse (18) tangential in die Ausgleichskammer (11) mündet.
6. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens über den Bereich der Einströmung sich erstreckende Führungsflächen (26). In Betracht gezogene Druckschriften: -Deutsche Auslegeschriften Nr. 1068 513, 1061132.