DE833879C - Abgas-Turbolader fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Abgas-Turbolader für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader für 13rennkraftmaschinen, bei denen eine von den Abgasen dex Bremskraftmaschine beaufschlagte Turbine einen Verdichter zur Aufladung der 15rennkraftmaschine antreibt.
• Die bisher Übliche Bauweise bestand darin, daß eine axial beaufschlagte Turbine über eine Welle mit einem Schleuderverdichter gekuppelt war. Radialturbinen wurden in gleicher Weise verwandt wie Axialturbinen. Das Gemeinsame der bisher üblichen Konstruktionen ist gegenüber vorliegender Erfindung darin zu erblicken, daß die Ver-<lichtergruppe und die Turbinengruppe als getrennte Hauelemente anzusprechen waren, die durch eine Welle und gegebenenfalls ein Getriebe miteinander verbunden wären. Derartige Konstruktionen zeigen zum Teil einen hohen inneren Leistungsverlust, der durch vorliegende Erfindung durch eine gänzlich nette Konstruktionsidee b-es , ## i ti-t , wcrdcn soll. Erfindungsgemäß werden auf einer feststehenden Welle eine oder mehrere getrennt gelagerte Scheiben angeordnet, die je einen axial durchströmten Verdichter- und Turbinenkranz tragen, und zwischen denen ein mit ihnen fest verbundener Ringkörper angeordnet ist. Zweckmäßig wird der innere Schaufelkranz als Verdichter ausgebildet, um die \ abenkörper, die auf der feststehenden Welle angeordnet sind, nicht den heißen Abgasen auszusetzen. Dabei kann die Durchströmung im Verdichterkranz vorzugsweise entgegen der im Turbinenkranz erfolgen. Es können aber auch .Gründe dafür sprechen, die Durchströmung im Verdichter- und Turbinenkranz gleichsinnig zu wählen.. Bei gleichsinnig umlaufenden Scheiben werden zwischen ihnen oder zwischen zu Gruppen zusammengefaßten Scheiben Leibgitter artgeordnet. Um auf die Leitgitter verzichten zu können, können je zwei aufeinanderfolgende Scheiben gegenläufig ausgebildet werden. Durch diese Bauart wird das Prinzip der Gegenläufigkeit mit seinen Vorteilen, gute Wirkungsgrade und geringe mechanische Beanspruchung, verwirklicht, ohne daß ein Getriebe der bekannten gegenläufigen Strömungsmaschinen erforderlich ist.
• Die größte Einfachheit in fertigungstechnischer Hinsicht wird erreicht, wenn alle Scheiben gleichen Durchmesser und gleiche Gestaltung aufweisen und sich nur die Schaufelstellungen voneinander unterscheiden. Eine besonders günstige Anordnung wird erreicht, wenn die Durchmesser aller Scheiben gleich, die Gestaltung ebenfalls gleich und die Profilstellung der Schaufeln spiegelbildlich ausgebildet sind. Entsprechend der Abnahme des Volumens der Luft, die durch die Verdichtung und den Übertritt von Luft zum Abgas bedingt ist, läuft die erste Scheibe am schnellsten und die letzte Scheibe am langsamsten, die die höchste Temperatur annimmt. Läßt man die Durchmesser gleich und ändert nur die Profilstellung so, daß alle Scheiben mit gleicher Drehzahl umlaufen und gleichmäßig belastet sind, so ergibt sich der Vorteil, daß für die gleiche Verdichterleistung weniger Stufen erforderlich sind als bei der ersten Möglichkeit mit derselben Belastung der ersten Stufe. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Durchmesser der Scheiben entsprechend der Volumänderung abnehmen und die Profile die Stellung haben, die den besten Wirkungsgrad ergibt. Es kann sich auch als zweckmäßig erweisen, die genannten Möglichkeiten miteinander zu kombinieren. Die Verwendung gleicher Profile für die Verdichter- und Turbinenschaufeln bringt eine weitere Vereinfachung.
• Die einzelnen Scheiben haben am Durchmesser der Zwischenringe eine Undichtigkeitsstelle. Eine Abdichtung mit mechanischen Reibungsmitteln kann an dieser Stelle wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit nicht angewandt werden. Es muß daher eine Spaltabdichtung vorgesehen werden, über die ein Druckausgleich von Luft- und Gasstrom erfolgen kann. Im Beharrungszustand von Brennkraftmaschine und Abgas-Turbolader überwiegt der Luftdruck den des Gases. Erfindungsgemäß wird daher eine Spaltabdichtung vorgeschlagen, bei der eine oder mehrere Spitzen des einen Zwischenringes in eine oder mehrere Rillen des nächsten Ringces eingreifen. Der Winkel der Spitze wird möglichst klein gewählt, um eine möglichst große Überdeckung zu erreichen. Außerdem soll sich der durch den Spalt tretende Luftstrom möglichst eng an den Innendurchmesser der Turbinenschaufeln anlegen und so einen Kühlluftschleier bilden, der die Schaufeln und den Zwischenring kühlt und dadurch den Wärmeübergang von den heißen Abgasen zur Luft herabsetzt. Am Außendurchmesser der Verdichterschaufeln wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Abdichtung zugleich die Grenzschicht abgesaugt, die die Wärme vom Zwischenring aufgenommen hat, wodurch der Wärmeübergang von den Abgasen zur Luft ebenfalls herabgesetzt wird. Mit dieser Abdichtung ist der weitere Vorteil verbunden, daß an der Spitze der Verdichterschaufeln kein Druckausgleich erfolgt, wie das der Fall hei normalen Verdichtern zwischen Schaufeln und Gehäuse ist. Die Abmessungen des Spaltes werden entweder möglichst klein für geringsten Mengenverlust oder so groß gewählt, daß die günstigste Kühlwirkung erreicht wird. Bei Beschleunigung der Brennkraftmaschine und besonders w-äl@rrnd des Anfahrens überwiegt der Gasdruck den Luftdruck. Zeigt die Spitze der Abdichtung gegen die Strömungsrichtung der Abgase, so ist der Strömungswiderstand im Spalt durch die dreifache bzw. mehrfache Umlenkung des Gasstromes sehr groß, so'daß nur eine kleine Gasmenge zur Luftseite überströmen kann.
• Unter besonderen Umständen kann die Spitze der Abdichtung gegen die Luftführung zeigen. Eine einfache, fertigungstechnisch besonders günstige Bauweise der Abdichtung besteht darin, daß die Stirnseiten der Scheiben lediglich derart abgeschrägt sind, daß die Stirnseiten zweier aufeinanderfol.gender Scheiben sich überdecken.
• An die letzte Turbinenstufe schließt sich ein Diffusor an, damit der statische Gasdruck an dieser Stelle um so viel kleiner als der Außendruck ist, daß der Staudruck der Luft im Spalt den statischen Gasdruck überwiegt, so daß auch hier kein Abgas zur Luft strömen kann.
• Die Befestigung der Schaufeln erfolgt in der Weise, daß der Ringkörper in zwei konzentrische Ringe aufgeteilt wird, aus denen dem Schaufelprofil entsprechende Ausnehmungen ausgestanzt werden, in die die Enden der @"erdichterschaufeln und die Fußteile der Turbinenschaufeln eingeführt werden und mit den entsprechenden Ringen vorzugsweise hart verlötet werden.
• Das Fußende der Verdichterschaufeln greift in entsprechende Ausnehmungen eines Ringes ein, der auf dem Scheibenumfang befestigt wird. Die den Zwischenkörper bildenden Ringe werden ebenfalls nach Einsetzen der Schaufeln miteinander fest verbunden. Zur Festlegung der freien Enden der Turbinenschaufeln kann ein dem Schaufelprofil angepaßter Ringkörper dienen, der nach erfolgter Befestigung wieder beseitigt wird. Die Voll-und/oder Hohlschaufeln für Verdichter- und Turbinenkranz können auch gegebenenfalls von einem laufenden Profil abgeschnitten und verwunden werden.
• Bei Verwendung hoher Abgastemperaturen werden die Turbinenschaufeln und die im Abgasstrom liegenden Leitgitter als Hohlschaufeln ausgebildet. Sie sind zweckmäßig aus einer Hülse geprägt, die ebenso wie die Vollschaufeln in dem ausgestanzten Zwischenring befestigt werden. Die Kühlluft wird aus dem Verdichterluftstrom zugeführt. Durch die Schleuderwirkung der Turbinenschaufeln wird der Überdruck Gier Luft verstärkt bzw. ist der Überdruck der Luft nicht Bedingung für eine wirksame Kühlung. Bei der Anwendung der Hohlschaufel wird der Kraftfluß im äußeren Zwischenring unterbrochen, da das ausgestanzte Stück nicht wieder durch das volle Profil ersetzt wird. Um diesen Festigkeitsverlust zu mildern, kann das Profil 111 zwei Teilen ausgestanzt werden und die Schaufel mit einem entsprechenden Einschnitt versehen werden, so daß in der Mitte eine Verbindung des Ringes erhalten bleibt. Dasselbe kann erreicht werden, wenn in die Hoblschaufel ein Blech eingesetzt wird, das beim Befestigen der Schaufel im Ring mit dieser befestigt wird und damit bzw. nach (lern Hartlöten die Verbindung des Zwischenringes wieder zum Teil herstellt. Zugleich können durch dieses Blech Kühlluftkanäle gebildet werden, um mit möglichst wenig Kühlluft auszukommen. Ferner wird durch derartige Bleche das Profil verstärkt. Die Leitschaufeln können auf die gleiche Weise ats Hohlschaufeln ausgebildet werden. Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von Hohlschaufeln liegt darin, daß die aus den Schaufeln austretende Kühlluft zugleich das Gehäuse kühlt.
• Das ein- und austrittseitige Ende des Abgas-Turboladers ist mit Leiträdern versehen, deren Nabenkörper die feststehende Welle tragen, während am äußeren Durchmesser der Leiträder das im wesentlichen aus einem glatten Rohr bestehende Gehäuse befestigt ist, an dessen Stirnseiten die Aufnahmegehäuse und Anschlußflansche für Luft und Abgas sich befinden. Im allgemeinen sind für (las Abgas Aufnahmegehäuse mit Anschlußfllanschen erforderlich, während die Luft an der einen Stirnseite frei eintritt und an der anderen der Anschlußflansch zur Weiterleitung der verdichteten Luft angeschlossen wird. Am zweckmäßigsten ist es, die Leiträder zusammen mit den Lagern der Laufräder durch die Welle zu verspannen, da sich dann die Wärmedehnungen der einzelnen Scheiben nicht addieren und das axiale Spiel praktisch unverändert bleibt. Erforderlichenfalls wird den Leiträdern außen eine Dehnmöglichkeit gegenüber dem Gehäuse gegeben, da dieses eine wesentlich höhere Temperatur als die Welle besitzt. Am Austritt der Luft können Einrichtungen zur Stawbabscheidung eingebaut werden. An sich erfolgt durch das Gerät selbst eine Staubabscheidung, da der Staub im Verdichter nach außen strebt und dort zwischen den Seheiben in den Abgasstrom übertreten kann. Bei nicht zu starker Verstaubung i-st daher ein besonderer Staubabscheider nicht erforderlich.
• Der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, und zwar zeigt Abb. i a und i:b schematisch den Aufbau eines Abgas-Turboladers, Abb.2a und 2b Teillängsschnitte durch den Verdichter- und Turbinenlkreis, Abb. 3 einen Längsschnitt durch das Gerät, AU). 4, 5 und 6 verschiedene Schaufelbefestigungen.
• Auf der feststehenden Welle i sind die Scheiben 2 getrennt gelagert. Die Scheiben 2 tragen die Verdichterschaufelkränze 3 und die Turbinenschaufelkränze 4, zwischen :denen die mit diesen fest verbundenen Ringe 5' und 5" angeordnet sind, die zu einem einzigen Ringkörper 5 auch vereinigt sein können. Die Scheiben 2 können gleichen Durchmesser aufweisen, wie als Abb. i a ersichtlich, sie können auch, wie .1b1. 11) zeigt, einen konischen Verlauf nehmen. Gemäß Abb. 2 besteht der Ringkörper aus einem einzigen Ring, der die Füße der Turbinenschaufeln 6 und die Spitzen der Verdichterschaufeln 7 aufnimmt. Die gegenseitige Abdichtung der Ringkörper erfolgt durch die spitzwinklige Ausbildung 8 einer Stirnseite des Ringkörpers, die in eine entsprechende Ausnehmung 9 der folgenden Scheibe eingreift. Der Abb. 2 a ist die Absaugung der Grenzschicht des Verdichterstromes und deren Heranziehung zur Kühlung des Turbinenfußes zu entnehmen. Herrscht im Abgasstrom ein größerer Druck als im Verdichterstrom, so wird durch die dreimalige Umlenkung des Abgasstromes, gemäß Abb.2b, das Übertreten des Gasstromes wesentlich verringert.
• Der Abb. 3 ist der Aufbau des Gerätes zu entnehmen. Durch die Leiträder io und ii wird die Welle i am Gehäuse 12 befestigt, das im wesentlichen aus dem glatten Rohr 13 besteht. An dieses schließen sich die Aufnahmegehäuse 14 und 15 für das Abgas an, die mit Anschlußflanscben 16 und 17 versehen sind. Der Zutritt der Frischluft erfolgt an der Stirnseite 18. Der Anschlußflansch zur Abführung der verdichteten Luft ist 2o.
• Nach Abb. 4 besteht der Ringkörper 5 aus den konzentrischen Ringen 5' und 5", aus denen dem Profil der Schaufeln 6 und 7 entsprechende Ausnehinungen ausgestanzt sind. Der Ring 5" ist außerdem mit Öffnungen i9 versehen, durch die Verdichterluft zur Kühlung der Hohlschaufeln 6 der Turbine treten kann. Dies kann sich infolge der großen Fliehkräfte, die durch die hohen Drehzahlen bedingt sind, mit denen ein Abgas-Turbolader arbeiten muß, nachteilig auswirken. Um diese Festigkeitsverluste zu vermeiden, kann das Profil in zwei Teilen ausgestanzt werden, wie aus Abb. 5 ersichtlich, und die Schaufeln mit entsprechenden Einschnitten versehen werden, so daß in der Mitte des Ringes 5' die Verbindung 5"' stehenbleibt. Den ,gleichen Zweck verfolgt ein, gemäß Abb.6, in die Hohlschaufel 6 eingesetztes Blech 6', das beim Hartlöten die Verbindung zum Teil wiederherstellt. Durch das Blech 6' werden im Innern der Hohlschaufeln Kanäle gebildet, die den Durchsatz der Kühlluft verringern und diese den Stellen der Hohlschaufeln zuführen, die eine besonders gute Kühlung benötigen.
• Die. Luftströmung wird durch die mit I bezeichneten Pfeile angedeutet, der Abgasstrom durch die mit 1I gekennzeichneten Pfeile.
• Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Abgas-Turbolader ist nicht auf den bevorzugt genannten Verwendungszweck beschränkt. Insbesondere kann er auch für stehende Anlagen Verwendung finden.

Claims (1)

1. PATEN TANSPRÜ CIIE: i. Abgas-Turbolader fürBrennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der aus einer von den Abgasen beaufschlagten Turbine und einem von dieser angetriebenen Verdichter besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere auf einer feststehenden Welle getrennt gelagerte Scheiben je einen axial dtirclisti-öniteti \'er<iicliter- und Turbinenkranz tragen, zwi- schen denen ein mit ihnen fest verbundener Ringkörper angeordnet ist. 2. Al>gas-Turbolader nach Anspruch i, da- durch gekennzeichnet, daß der innere Schaufel- kran7 der einzelnen Scheiben als Verdichter und der äußere Schaufelkranz als Turbine ausge- bildet sind. 3. .\li"as-"I'tirbolader nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch- striimung im Verdichterkranz entgegen der im Turbinenkranz erfolgt. ..1. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch- :triiinung im Verdichter- und Turbinenkranz gleichsinnig erfolgt. 5. :@bgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei auf- einanderfolgende Scheiben gegenläufig ausge- bildet sind. 6. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis .4, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleich- sinnigem Umlauf der Scheiben zwischen ihnen oder zwischen zu Gruppen zusammengefaßten gegenläufigen Scheiben Leitgitter angeordnet sind. . .\ligas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Scheiben gleichen Durchmesser und gleiche Gestaltung aufweisen und sich nur in der Schaufelanstellung unterscheiden. B. .\l;gas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis dadurch gekennzeichnet, daß alle Scheiben gleichen Durchmesser und gleiche Gestaltung aufweisen und die Profilstellung der Schaufeln spiegelbildlich ausgebildet ist. o. :11>gas-Turllolader nach den Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch- inesser der Scheiben entsprechend der Volttm- änderung der geförderten Luft abnimmt, wobei die Schaufelstellung dein .günstigsten Wirkniigs- Ilrad entspricht. i o. =\l>gas-Ttirl>olader nach deal Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß VerdIchter- tind Turbinenschaufeln gleiches Profil auf- Weisen. i i. .Xbgas-Turbolader nach den Ansprüchen t bis to, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver- nreidung eines Druckausgleiches zwischen Luft- und Gasführung eine Stirnseite des Ringkörpers spitzwinklig, die Stirnseite der nächsten Scheibe eine dieser spitzwinkligen Form entsprechende \tisliehmung aufweist. 12. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirn- seite mehrere Spitzen und die nächste Scheibe eutsprechen-de Ausnehmungen aufweisen. 13. Al>gas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn- seiten des Ringkörpers derart abgeschrägt sind, (laß sie finit denselben der folgendcil @cheiireil sich überdecken. 1-4. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 13, dadurch gekennzeichnet, (laß die Ab- inessungen der Spaltdichtung unter Berück- sichtigung der Mengenverluste des Strömungs- mittels und/oder der günstigsten Kühlwirkung gewählt werden. 15. Abgas-Turholader nach den :\tisprücheti i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Erhebungen in Strömungsrichtung der Luft zeigen. 16. Abgas-Turlsolader nach den .-lnsprüchen t bis 13, dadurch gel<eni.zeiclinet. daß die Spitzen der Erhebungen geen Striimungsrichtung der Luft zeigen. 17. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 16, dadurch gekennzeiclitiet, daß in Strömungsrichtung der _@l>gase hiliter der letzten Turbinenstufe ein Difftisor ange- ordnet ist. 18. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 17, dadurch gekenilzciclinet, daß der zwi- schen Verdichter- und Turbinenschaufeln ange- ordnete Ringkörper atis zwei konzentrischen, miteinander verbundenen Ringen besteht, aus denen dem Schaufelprofil entsprechende Aus- nehmungen ausgestanzt sind, in die die Enden der Verdichterschatifelti und die Fußteile der Turbinenschaufeln eingeführt Lind mit den ent- sprechenden Ringen @-c)rztigsweise hart verlötet werden. ig. :lbgas-Turllolader nach den Ansprüchen i bis 18, dadurch gel<ennzeiclinet, daß das Fuß- ende der Verdichterschaufebi in denn Schaufel- profil angepaßte .@usnehmungen eines Ringes eingreift. der auf denn Scheibenutnfan,; lx- festigt ist. 20. Aligas-Turl>olacier nach den _1nprüchen i bis 17, dadurch gekennzeichnet, (laß der Ring- körper au: einem einzigen l@illg bestellt, in deal die Verdichter- und Turbinelischaufeln be- festigt sind. 21. :'11,gas-T ui-llolader nach den Ansllriichen i bis 2o, dadurch gelcennzeiclinet, (laß bei Ver- wendung hoher Abgasteinperattiren die Tur- binenschaufeln und die iin Abgasstrom liegenden Leitgitter als Ilolilscliatifelli ausgebildet sind und in die zugeordneten, mit dem Profil ent- sprechende Ausnehniungen versehenen Ringeis eingesetzt werden. wobei die Kühlluft aus dein Verdichterltiftstroin das Schaufelinnere durch- strömt. 22. Abgas-Turholader nach den i bis 21, dadurch gel;enizeicliiiet, daß zur Ver- meidung von Festigkeitsverlusten in deli Zwischenringen das Profil in zwei Teilen aus- gestanzt und die Schaufeln finit entsprechenden Einschnitten versebnen sind, so daß in der Mittee eine Verhindung des Ringes erhalten bleibt. 23. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 21, dadurch gekenlizeiclinet, daß zur Ver- ineidung von Festi,#keitsverhisten in (1°n Zwischeilringen in slic 1lolllschaufeln eilt- sprechen([ geformte Hlcche eiiilcsetzt @@-erden, die mit dem Mantel der Hohlschaufeln in dem entsprechenden Ring befestigt werden, so daß der Kraftfluß im Ring zum Teil wiederhergestellt ist. 24. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das ein-und austrittseitige Ende mit Leiträdern versehen ist, deren Nabenkörper die feststehende Welle tragen, während am äußeren Durchmesser das im wesentlichen aus einem glatten Rohr bestehende Gehäuse befestigt ist, an dessen Stirnseiten die Aufnahmegehäuse und Ansc'hlußflansche für Luft und Abgas sich befinden. 25. Abgas-Turbolader nach den Ansprüchen i bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß denn oder den austrittseiti,gen Leitgittern durch entsprechende Ausbildung des Gehäuses eine Dehnmöglichkeit gegenüber diesem gegeben wird.