DE19758642C2 - Turbine - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Turbine, welche einen Verdichter oder eine Pumpe oder einen Generator antreibt, wobei die Drosselung des flüssigen oder gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine, welche einen Verdichter, eine Pumpe oder einen Generator antreibt.

Aus der DE 32 05 722 A1 ist eine Drossel für gasförmige Medien, nämlich für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die bei der Lastregelung oder Steuerung an der Lastverstellvorrichtung auftretende Verringerung der kinetischen Energie der Strömung im Saugrohr umgewandelt wird in eine andere Energieform. Damit soll sowohl der in einem Energieverlust für die Brennkraftmaschine bestehende Nachteile der bekannten Drosselklappe als auch der in einem großen baulichen Aufwand bestehende Nachteil der bekannten drosselfreien Laststeuerung oder Regelung vermieden werden.

Auch ist aus der DE 32 05 722 A1 eine Lastverstellvorrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese Lastverstellvorrichtung ist eine Arbeitsmaschine mit Mitteln zum Austausch von kinetischer Energie zwischen ihr und der Strömung im Saugrohr, wobei die Arbeitsmaschine zumindest im Teillastbereich der Brennkraftmaschine von der Strömung angetrieben wird. Die Arbeitsmaschine kann unter bestimmten Bedingungen auch als Lader arbeiten.

Ein Nachteil dieser Einrichtung ist darin zu sehen, daß eine Bypassleitung erforderlich ist. In dieser Bypassleitung ist die Arbeitsmaschine angeordnet. Sowohl in der Bypassleitung als auch in der Hauptleitung sind jeweils Drosselklappen vorgesehen zur Steuerung der Luftverteilung. Damit wird dieses System aufwendig und aufgrund der zusätzlich benötigten mechanischen Komponenten störanfällig.

Ein Nachteil der veröffentlichten Ausführung ist ferner darin zu sehen, daß die Drosselung der Brennkraftmaschine sehr träge erfolgt.

Es ist ferner aus der DE 36 28 687 A1 eine Turbine bekannt, welche einen Verdichter antreibt wobei die Drosselung des gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine erfolgt und wobei die Rotorlagerung elastisch ausgebildet ist. Der gesamt Aufbau zeigt Metallteile, welche die bei einen Abgasturbolader auftretenden thermischen Belastungen aushalten. Diese Anordnung weist ein sehr hohes Gewicht auf und ist bezüglich der Herstellung kostenintensiv.

Aus der DE 37 34 386 A1 ist ebenfalls ein Abgasturbolader bekannt, dieser weist eine zweischalige Bauweise auf. Auch dieser Turbolader ist aufwendig in der Herstellung und besteht vollständig aus metallischen Komponenten.

Eine variable Strömungsmaschine ist aus der DE 42 00 507 C2 bekannt. Dort wird durch die Verwendung einer Verstelleinrichtung der Strömungsquerschnitt verändert. Die Verstelleinrichtung weist eine Blattfeder auf, welche den rechteckig ausgebildeten Strömungsquerschnitt im Gehäuse in radialer Richtung verändert. Bei einer solchen Einrichtung besteht die Gefahr, dass die, Blattfeder in Schwingung gerät und damit die Kontrolle der Verstellung erschwert.

Die DE 27 06 110 A1 beschreibt ein Verdichtergehäuse für einen Abgasturbolader, wobei ein Teil der Wand des Verdichtergehäuses mit einer eingegossenen oder übergeschobenen Verstärkung versehen ist. Die Verstärkung besteht vorzugsweise aus einem gelochten Stahlband, einem Gitternetz oder Ähnlichem. Diese Verstärkung erfordert eine aufwendige Herstellung außerdem erschwert die Anwendung von Verstärkungen die sortenreine Trennung bei der Entsorgung dieser Einrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und für eine Vielzahl von Anwendungszwecken geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Drosselung des flüssigen oder gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine erfolgt.

Durch die Erfindung wird damit die Energie, welche üblicherweise an Drosselstellen vernichtet wird, genutzt, und zwar durch eine Einrichtung wie z. B. einen Verdichter oder eine Pumpe, welche die Energie umwandelt. Mit einer Pumpe kann beispielsweise ein Druckspeicher mit Luft gespeist werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die von der Turbine zur Verfügung gestellte Energie zum Antrieb einer Pumpe zu nutzen, welche Wasser, Öle oder andere Flüssigkeiten fördert.

Die Erfindung sieht vor, die Rotorlagerung der Turbine elastisch auszubilden. Damit kann der Rotor um die Achse seines größten Trägheitsmomentes rotieren, es lassen sich geringe Unwuchten ausgleichen. Außerdem verringert eine elastische Lagerung den Lagerverschleiß.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß beispielsweise die von der Turbine erzeugte Energie in verschiedene Energieformen umgewandelt werden kann. So besteht auch die Möglichkeit, die Energie in thermische Energie umzuwandeln und zur Heizung bzw. zur Erwärmung eines Systems zu nutzen.

Eine Ausgestaltung der Turbine sieht vor, diese in Zwei- oder Mehrschalenbauweise herzustellen. Dies ist besonders bei der Verwendung von Kunststoff für das Gehäuse vorteilhaft, die Einzelteile können im Spritzgießverfahren hergestellt werden und sind deshalb besonders kostengünstig zu produzieren.

Die Turbine kann Kunststoff- oder Metallschaufelräder aufweisen, auch hier lassen sich bei der Verwendung von thermoplastischem Kunststoff die Schaufelräder wirtschaftlich herstellen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Turbine liegt darin, daß ungemantelte Laufräder angewendet werden und in einem Kunststoffgehäuse eine metallische Gegenschale zu den Laufrädern vorhanden ist. Die Spaltbreite zwischen dem jeweiligen Laufrad und der Gegenschale kann im Fertigungsprozeß oder bereits bei der konstruktiven Erarbeitung der Lösung optimiert werden.

Eine alternative Ausgestaltung der Turbine sieht vor, diese mit gemantelten Laufrädern zu versehen, zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse bieten sich beispielsweise Labyrinthdichtungen an.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.

Die Erfindung wir nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Turbine mit elastischer Rotorlagerung

Fig. 2 eine Detaildarstellung eines Laufrades

Fig. 3 ein Kunststoffgehäuse in Zweischaltentechnik

Fig. 4 eine Variante eines Kunststoffgehäuses

Fig. 5 ein Ansaugsystem mit Turbine

In der Detaildarstellung gemäß Fig. 1 ist eine Turbine mit elastischer Lagerung des Rotors und angekuppelter Pumpe gezeigt. Die gemeinsame Welle 10 ist in üblicher Weise mit zwei Kugellagern 11, 12 in einer Lagerbuchse 13 rotierend befestigt. Die Lagerbuchse weist an ihren beiden Enden elastische Ringe 14, 15 auf, diese sind in entsprechenden Nuten eines Trägers 16 fixiert.

Die elastische Bettung des Lagers hat den Vorteil, daß der Rotor auch bei geringen Unwuchten um ihre Trägheitsachse rotiert.

Sowohl auf der Turbinenseite 17 als auch auf der Pumpenseite 18 ist jeweils eine eingespritzte, eingesenkte oder eingeschnappte metallische Gegenschale 19, 20 vorgesehen. Die Spaltbreite zu den ungemantelten Laufrädern 21, 22 kann über Abstandshalter zwischen der Schale 19, 20 und dem Gehäuse 23 eingestellt werden.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, gemantelte Laufräder zu verwenden. In einer Detaildarstellung gemäß Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines gemantelten Laufrades gezeigt. Dieses weist in Verbindung mit dem Gehäuse mehrere Labyrinthdichtungsbereiche 24, 25 auf, die Labyrinthdichtung ist damit zum Teil in das Laufrad 11 integriert.

Das Laufrad 21 ist zu dem Gehäuse auf der Turbinenseite 17 hin, wie bereits erwähnt geschlossen, die jeweiligen Turbinenöffnungen 37 sind gestrichelt dargestellt. Der Spalt zwischen dem Laufrad 21 und der Turbinenseite 17 läßt sich selbstverständlich durch eine beliebige Variation der Labyrinthdichtungsbereiche vergrößern und damit die Abdichtung verbessern.

Fig. 3 zeigt ein Kunststoffgehäuse für eine Turbine in Zweischalentechnik. Die beiden Schalen 26, 27 weisen eine Trennung längs der Turbinenachse auf, das Laufrad ist hier nicht dargestellt, es wird nach dem Herstellen der beiden Kunststoffteile mit der gesamten Lagerung eingelegt und die Kunststoffteile miteinander im Ultraschallverfahren verschweißt.

Fig. 4 zeigt ebenfalls schematisch ein Kunststoffgehäuse für eine Turbine, hierbei sind zwei Trennebenen vorgesehen, diese Trennebenen liegen jeweils im Bereich der Laufräder. Die Kunststoffteile 28, 29, 30 werden ebenfalls miteinander im Ultraschallverfahren verschweißt, nachdem die Laufräder und die Lagerung in das mittlere Bauteil 28 eingefügt worden sind.

Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Drossel bzw. einer Turbine an einem Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine. Das Ansaugsystem besteht aus einem Sammler 33, von dem aus ein oder mehrere Ansaugrohre 34 zu einer Anschlußflansch 35 führen. Dieser Anschlußflansch 35 wird an einer Brennkraftmaschine befestigt. Anstelle oder in einer Ergänzung der Drosselklappe für die Steuerung der Luftzufuhr zu der Brennkraftmaschine ist die Drossel in Form einer Turbine 30, 31, 32 vorgesehen. Dieser Turbine wird auf der Anströmseite 36 die Ansaugluft der Brennkraftmaschine zugeführt, diese Ansaugluft treibt aufgrund des Druckgefälles zwischen Umgebungsdruck und Ansaugunterdruck die Turbine an. Auf der Verdichterseite 37 wird Druckluft erzeugt die dem Fahrzeugsystem zur Verfügung gestellt werden kann. Der Aufbau der Turbine ist ähnlich der in Fig. 3 gezeigten Darstellung, wobei eine Gehäuseseite 32 bereits durch die Stirnseite 31 des Ansaugsystems gebildet wird. Die zweite Halbschale 30 wird nach dem Einlegen der Laufräder und der Lagerung an der Stirnseite 31 verschraubt oder verschweißt. Auch hier bietet sich bei der Verwendung von thermoplastischem Kunststoff das Ultraschallschweißverfahren an.

Claims (4)

1. Turbine, welche einen Verdichter oder eine Pumpe oder einen Generator antreibt, wobei die Drosselung des flüssigen oder gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine (36) erfolgt, wobei die Rotorlagerung (14, 15) elastisch ausgebildet ist und die Turbine (36) mit Verdichter oder Pumpe in Zwei- oder Mehrschalenbauweise aufgebaut ist und ein äußeres Kunststoff- und ein inneres Metallgehäuse (17, 18) aufweist mit Kunststoff- oder Metallschaufelräder (21, 22).

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (36) ein gemanteltes Laufrad (21) aufweist, welche über eine oder mehrere Labyrinthdichtungen (24, 25) gegen das Gehäuse (17) abgedichtet ist.

3. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anströmseitig oder abströmseitig ein Filter für das flüssige oder gasförmige Medium vorgesehen ist.

4. Turbine, welche einen Verdichter oder eine Pumpe oder einen Generator antreibt, wobei die Drosselung des flüssigen oder gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine (36) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine mit Verdichter oder Pumpe ungemantelte Laufräder aufweist mit einem äußeren Kunststoffgehäuse und einer inneren metallischen Gegenschale zu den Laufrädern, wobei mindestens eine Spaltbreite zwischen Laufrad und Gegenschale einstellbar ist.