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EP0131736A1 - Axialturbine für Abgasturbolader - Google Patents

Axialturbine für Abgasturbolader Download PDF

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Publication number
EP0131736A1
EP0131736A1 EP84106485A EP84106485A EP0131736A1 EP 0131736 A1 EP0131736 A1 EP 0131736A1 EP 84106485 A EP84106485 A EP 84106485A EP 84106485 A EP84106485 A EP 84106485A EP 0131736 A1 EP0131736 A1 EP 0131736A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
exhaust gas
axial
deflecting
collar
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.)
Granted
Application number
EP84106485A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0131736B1 (de
Inventor
Hansulrich Dr. Dipl. Ing. Hörler
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.)
BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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 BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of EP0131736A1 publication Critical patent/EP0131736A1/de
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    • 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
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/045—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type the wheel comprising two adjacent bladed wheel portions, e.g. with interengaging blades for damping vibrations
    • 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 an axial turbine for exhaust gas turbochargers according to the preamble of patent claim 1.
  • the inner wall of the gas deflection channel arranged between the turbine guide apparatus and the turbine blades is rigid and immovable.
  • a swirl loss occurs due to the gas friction on this wall. Due to the high peripheral speed of the gas, which increases radially inwards, this inner wall of the gas deflection channel causes relatively high friction losses.
  • the isentropic we The degree of efficiency of the turbine drops additively by about 2% to 5%.
  • the invention is therefore based on the object of creating an axial turbine in which the swirl loss in the gas deflecting duct is reduced to a minimum, and good efficiency is thereby achieved.
  • Fig. 1, 1 denotes the turbocharger axis.
  • the axial turbine shown with radial gas inflow is connected via the turbine housing 7 to an exhaust line, not shown, of a supercharged diesel engine.
  • the turbocharger shaft 2 is supported in the turbine housing 7 by means of shafts, bearings 10 and carries a turbine disk 3 provided with the turbine blades 4. Gas flow upstream of the turbine blades 4 through which axial flow flows are arranged in the annular deflection channel 7a of radial turbine blades 5.
  • a sealing air channel 8 and an air discharge channel 9 are arranged in the turbine housing 7.
  • the inner wall of the rotationally symmetrical exhaust gas deflecting duct 7b is designed as a deflecting collar 6 rotating with the turbocharger shaft 2.
  • This deflecting collar 6 is rigidly connected to the turbocharger shaft 2 by means of screws 12.
  • the outside diameter of the rotating deflection collar 6 is larger than the diameter of the turbine disk 3 and can at most be the same as the outside diameter of the turbine rotor.
  • An element for contactless sealing of the exhaust gas deflection channel is provided between the rotating deflection collar 6 and the housing 7. This element consists of two labyrinth seals 11, 11 ', which are arranged on a cylindrical, concentric, inwardly open surface of the deflecting collar 6.
  • a sealing air duct 8 arranged in the turbine housing 7 is connected to a radial gap 15 arranged between the labyrinth seal 11 facing the turbine and the labyrinth seal 11 'facing away from the turbine.
  • An air discharge duct 9 arranged in the turbine housing 7 is connected to an air space 13.
  • the sealing air supply through the sealing air duct 8 serves to cool the turbocharger shaft 2 and the turbine disk 3 and prevents the exhaust gas from flowing out of the exhaust gas deflection duct 7b through the air space 13 to the shaft bearing 10 and to the environment.
  • the resulting axial force acting on the turbocharger shaft 2 is, among other things, a function of the pressure distribution on the two sides of the deflecting collar 6. Since the labyrinth seals 11 are located radially far outside, this resulting axial force is greatly reduced and corresponds approximately to that of a radial turbine. Due to the flow losses in the labyrinth seal 11, the air pressure in the air space 13 behind the deflecting collar 6 is approximately reduced to the ambient pressure. As a result, the axial force on the turbocharger shaft is small.
  • the sealing air consumption in this version is somewhat larger than in the versions without a rotating deflection collar 6.
  • the element for contactless sealing of the deflection channel 7b consists of a labyrinth seal 11 concentrically arranged in a plane normal to the axis.
  • the labyrinth seal 11 is arranged on the outside diameter of the rotating deflection collar 6.
  • the small amount of exhaust gas flowing inwards from the exhaust gas deflection duct 7b through the labyrinth seal 11 is discharged into the discharge duct 9 with the sealing air coming radially from the inside out.
  • the sealing air consumption in this version is smaller than that in the versions without a rotating deflecting collar 6. This sealing air consumption is mainly determined by the necessary cooling of the deflecting collar.
  • a very small amount of engine exhaust gas is lost here through the labyrinth seal 11. This loss of volume is also negligible due to the low gas density.
  • a main advantage of this design is that the axial force on the turbocharger shaft is practically eliminated.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Bei einer Axialturbine für Abgasturbolader ist die innere Wand des rotationssymmetrischen Abgasumlenkkanels (7b) als ein mit der Turboladerwelle (2) starr verbundener und mit ihr rotierender Umlenkkragen (6) ausgeführt. Der Aussendurchmesser des Umlenkkragens (6) ist grösser als der Durchmesser des 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.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialturbine für Abgasturbolader gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 die Axialturbine eines Abgasturboladers in einem Teillängsschnitt;
    • Fig. 2 eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

1. Axialturbine für Abgasturbolader, im wesentlichen bestehend aus einer auf der Turboladerwelle (2) angeord- 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.
EP84106485A 1983-06-29 1984-06-06 Axialturbine für Abgasturbolader Expired EP0131736B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH355983 1983-06-29
CH3559/83 1983-06-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0131736A1 true EP0131736A1 (de) 1985-01-23
EP0131736B1 EP0131736B1 (de) 1987-01-21

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ID=4258600

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EP84106485A Expired EP0131736B1 (de) 1983-06-29 1984-06-06 Axialturbine für Abgasturbolader

Country Status (6)

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US (1) US4648790A (de)
EP (1) EP0131736B1 (de)
JP (1) JPS6013926A (de)
KR (1) KR910003258B1 (de)
DE (1) DE3462169D1 (de)
DK (1) DK314684A (de)

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