CH643631A5

CH643631A5 - Gehaeuse mit einem von ihm umschlossenen turbinenrad.

Info

Publication number: CH643631A5
Application number: CH938279A
Authority: CH
Inventors: Paul M Chapple
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1984-06-15
Also published as: GB2035467A; CA1149749A; DE2942143A1; IT1124634B; MX149575A; ES485183A0; GB2035467B; AU535976B2; ES8101207A1; KR840001097B1; SE7908667L; JPS5918525B2; JPS5591707A; US4381171A; IT7926672A0; IN152940B; FR2439299A1; AU5197579A; KR830001499A; BR7906772A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse mit einem Turbinenrad, insbesondere für einen Turbolader, mit einem aussen liegenden Einlass, mindestens einem spiralförmig verlaufenden Strömungskanal und einem innen liegenden Auslass, welcher das Turbinenrad längs seines Umfangs umschliesst.

Der Wirkungsgrad eines Turboladers für eine Diesel-Brenn-kraftmaschine ist seit vielen Jahren von grossem Interesse bei der Konstruktion derartiger Einrichtungen, insbesondere im Hinblick auf die Tendenz, Dieselantriebe mit einer steileren Drehmomentenkurve und mit niedrigerer Drehzahl beim höchsten Drehmoment zu entwickeln. Bisher wurde nur bei der Entwicklung von Turbinengehäusen stets von der Analyse der Abnahme der Querschnittfläche des Strömungskanals bzw. von der Abnahme des Verhältnisses F : R (Fläche : Radius) in Umfangsrichtung des Gehäuses ausgegangen. Bei Anwendung dieser üblichen Methode nimmt entweder die Querschnittsfläche des spiralförmigen Strömungskanals oder der F : R-Wert für jeden Umfangpunkt gleichmässig über einen Winkel von 360° ab. Die bekannten Berechnungsverfahren sind in der Fachliteratur ausführlich beschrieben und den Fachleuten auf dem Gebiet der Turbinen-entwicklune wohl bekannt.

Zur Erzielung des gewünschten Wirkungsgrades und zur Einhaltung der geforderten Betriebsparameter wurden bereits verschiedene Arten von Turbinengehäusen entwickelt, und zwar sowohl solche mit festen Abmessungen des Strömungskanals als 5 auch solche mit variablen Abmessungen desselben. Die bekannten Turbinengehäuse hatten aber alle einen oder mehrere der nachstehend aufgeführten Nachteile:

a) das Gehäuse war zu kompliziert, zu teuer und zu voluminös;

b) der Wirbel im Strömungskanal verlief nicht konzentrisch zur Turbinenachse, was dazu führte, dass der Zustand des zu fördernden Mediums auf der Einlassseite und der Auslassseite des Turbinenrades in Umfangsrichtung Schwankungen unterworfen war;

c) das Verhältnis des Drucks am Turbinenrad zur Massen-

15 stromcharakteristik war nicht so angepasst, dass die Auslassverluste auf ein Minimum reduziert wurden;

d) es ergaben sich übermässige Schwingungen der Schaufeln des Turbinenrades, welche letzlich zu einer mechanischen Beschädigung bzw. Zerstörung des Turbinenrades führten und

20 e) die prozentuale Änderung der Breite des Strömungskanals blieb über die Länge desselben nicht im wesentlichen konstant.

Zusätzlich ergaben sich Probleme hinsichtlich der Fluidmi-schung in der Nähe der Zunge des Gehäuses und hinsichtlich der 25 winkelmässigen Drehmomentverluste im Gehäuse und in der Turbine bzw. am Turbinenrad.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Turbinenradgehäuse anzugeben, welche die Nachteile der vorbekannten Turbinenradgehäuse vermeiden und 3U insbesondere zu stabilen Strömungsverhältnissen auf der Einlassseite des Turbinenrades führen.

Diese Aufgabe wird bei einem Gehäuse der eingangs beschriebenen Art auf die im Patentanspruch 1 angegebene Art und Weise gelöst.

35 Es ist ein wesentlicher Vorteil des Gehäuses gemäss der Erfindung, dass nur eine minimale Wartung erforderlich ist, während andererseits ein nahezu optimaler Wirkungsgrad und ein sehr geringer Pegel von aerodynamischen, zu Vibrationen der Turbinenflügel führenden Effekten erreicht werden. 40 Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umgibt das Turbinengehäuse den Umfang eines eine Drehachse aufweisenden Turbinenrades. Das Gehäuse weist dabei mindestens einen, im wesentlichen spiralförmig verlaufenden Fluid-Strö-mungskanal mit einem aussen liegenden Einlass und einem innen 43 liegenden Auslass auf, wobei letzterer das Turbinenrad auf dessen Umfang umgibt. Jeder der Strömungskanäle ist dabei durch zwei einander gegenüberliegende achssymmetrische Seitenwände begrenzt, deren Innendurchmesser annähernd dem Umfang des Turbinenrades entspricht. Ausserdem ist eine äusse-50 re, in Umfangsrichtung zwischen den Seitenwänden verlaufende Wand vorgesehen. Diese Wand erstreckt sich in Umfangsrichtung über mindestens 360°, bezogen auf die Turbinenradachse. Ausserdem ist die Lage der in Umfangsrichtung verlaufende Wand durch die Richtung der Fluidströmung in einem freien, 55 durch die Seitenwände begrenzten Wirbel vorgegeben.

Bei einem anderen, abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist innerhalb des Fluid-Strömungskanals eine selektiv quer zur Richtung der Längsachse des Strömungskanals verstellbare Trennwand vorgesehen.

60 Weitere Einzelheiten und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil-Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Gehäuses gemäss der Erfindung, wobei die 65 Schnittlinie senkrecht zur Drehachse des Turbinenrades und längs der Linie 10 - 10 in Fig. 14 verläuft;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse gemäss Fig. 1 längs der Linie 2 - 2 in dieser Figur;

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Fig. 2a ein Vektordiagramm zur Erläuterung des Strömungsverlaufs in einer Fluidströmung, die unter Begrenzung durch Seitenwände mit einem Abstand b; in Form eines freien Wirbels verläuft, und zwar für einen Radius rj;

Fig. 3,4und 5 schematische Querschnitte durch das Gehäuse gemäss Fig. 1 längs der Linien 3-3,4-4 bzw. 5-5;

Fig. 6 bis 9 schematische Querschnitte durch abgewandelte Ausführungsformen von Gehäusen gemäss der Erfindung, wobei die Schnittlinie der Schnittlinie 3A - 3A in Fig. 1 entspricht;

Fig. 10 einen Teilquerschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Gehäuses gemäss der Erfindung, wobei die Schnittlinie längs der Linie 10 - 10 in Fig. 14 verläuft;

Fig. 11 einen Querschnitt durch das Gehäuse gemäss Fig. 10 längs der Linie 11 - 11 in dieser Figur;

Fig. 12 und 13 Teilquerschnitte durch das Gehäuse gemäss Fig. 10 längs der Linien 12 -12 bzw. 13-13;

Fig. 14 einen Teilquerschnitt durch das Gehäuse gemäss Fig.

10 längs der Linie 14 - 14 in dieser Figur und;

Fig. 15 einen schematischen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Gehäuses gemäss der Erfindung längs einer Schnittlinie, die der Linie 13 -13 in Fig. 10 entspricht.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 der Zeichnung eine Turbine 10, die teilweise im Schnitt dargestellt ist und ein übliches Turbinenrad

11 aufweist, welches bezüglich einer Drehachse 9 drehbar in einem erfindungsgemäss verbesserten Turbinengehäuse 12 gelagert ist.

Das Gehäuse 12 besitzt einen im wesentlichen spiralförmig verlaufenden Strömungskanal P, durch welchen das Medium, beispielsweise das Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine fliesst. Der Strömungskanal P weist an seinem äusseren Ende einen Fluideinlass 13 und an seinem inneren Ende einen Fluid-auslass 14 auf, wobei letzterer sich im wesentlichen über den ganzen Umfang des Turbinenrades 11 erstreckt. Der Fluideinlass 13 ist mit einer Fluidquelle, beispielsweise mit einer Abgassammelleitung (nicht dargestellt) oder mit einer üblichen Dieselmaschine mittels geeigneter Befestigungseinrichtungen verbunden.

Das Gehäuse 12 besitzt eine in Umfangsrichtung verlaufende Wand 12A, deren inneres Ende eine Zunge 13 A bildet. Die 5 Wand erstreckt sich über einen Winkel von mehr als 360°.

Wie aus den Fig. 2 bis 5 deutlich wird, ist der Strömungskanal P seitlich durch einander gegenüberliegende Seitenwände 19A und 19B begrenzt. Diese Seitenwände haben voneinander einen Abstand, der nur in Funktion des Radius variiert, d.h., dass io dieser Abstand für einen bestimmten Radius längs des Umfangs konstant ist. Die in Umfangsrichtung verlaufende Wand 12A verläuft zwischen den Seitenwänden 19A, 19B im wesentlichen parallel zur Drehachse 9 des Turbinenrades 11 und erstreckt sich in Umfangsrichtung, ausgehend vom Einlass 13 über einen 15 Winkel von mindestens 360°. In radialer Richtung wird die Lage der Wand 12A bezüglich der Drehachse 9 so gewählt, dass die dem Verlauf eines freien Wirbels des zu verdichtenden Mediums längs eines allein durch die Seitenwände 19 A und 19B beschränkten Strömungskanals P entspricht.

20 Beim Entwurf eines verbesserten Gehäuses gemäss der Erfindung wird davon ausgegangen, dass es wünschenswert ist, dass das Turbinenrad 11 von einer Fluidströmung umgeben ist, welche dort, wo sie an das Turbinenrad angrenzt, die Eigenschaften eines nicht-drehenden freien Wirbels hat, der bezüglich der 25 Drehachse 9 des Turbinenrades 11 zentriert ist. Ausgehend von Fig. 1 bis 5, insbesondere von Fig. 2, ergeben sich, wenn man die Reibung zunächst einmal vernachlässigt, die weiter unten angegebenen Gleichungen, die sich hinsichtlich der Dimensionie-rungsangaben auf Fig. 2 beziehen und eine mathematische Beschreibung der Annahmen und Voraussetzungen darstellen, die benutzt werden, um die Form eines freien Wirbels um das Turbinenrad 11 zu beschreiben.

Im einzelnen ergeben sich folgende Gleichungen:

30

35

V,

Ì

*•1 V

(r*- 1) 'T

- 1

• X

'2y,qcRT^

(1)

t

-1

V

m R T

2^ribi Ps

(2)

V,

V

(3)

V

-0-o

(4)

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4

V,

r,

arctan

V.

(5)

*L

90 -

fi

(6)

wobei:

b; achsiale Breite des Gehäuses bei dem Radius r; (m) gc Gravitationskonstante (m-sek-2)

Hd hydraulischer Durchmesser (m) m Massenstromgeschwindigkeit (kg/min)

PT Gesamtdruck (N/m2)

Ps statischer Druck, (N/m2)

R Gaskonstante, (J-grad-1)

r0 Turbinenrad-Einlassradius, (m)

Tj vom Mittelpunkt des Gehäuses gemessener Radius, (m) Ts statische Temperatur, °C VT Gesamtgeschwindigkeit, (m/sek)

Vr Radialkomponente der Geschwindigkeit, (m/sek) Vrj Radialkomponente der Geschwindigkeit beim Radius ri; (m/sek)

V0 Tangentialkomponente der Geschwindigkeit, (m/sek) V0. Tangentialkomponente der Geschwindigkeit beim Radius ri; (m/sek)

V0o Tangentialkomponente der Geschwindigkeit für Turbinenrad-Einlassradius, (m/sek)

v Verhältnis der spezifischen Wärmen CJQ,

ij) Winkel zwischen Radius und Gesamtgeschwindigkeitsvek-tor VTR

a Winkel zwischen Tangentialkomponente und Gesamtge-schwindigkeitsvektor Vtr

Die Gleichung (1) stellt eine mathematische Beziehung dar, welche die an einem bestimmten Punkt bestehende Gesamtgeschwindigkeit mit dem Verhältnis zwischen Gesamtdruck und statischem Druck zwischen den örtlichen Bedingungen und einer Stagnation am Eingang verknüpft und welche eine Bedingung für die Energieerhaltung innerhalb des Systems darstellt. Die Gleichung (2) gilt für die Radialgeschwindigkeit als Funktion der örtlichen Dichten in den interessierenden Bereichen und bedingt die Kontinuität des Massenstroms. Die Gleichung (3) stellt die erforderliche geometrische Verknüpfung zwischen den bestehenden Tangential- und Radialgeschwindigkeiten dar. Die Gleichung (4) beschreibt den Zusammenhang zwischen der Tangen-tialgeschwindigkeit für einen vorgegebenen Radius des freien Wirbels und der Tangentialgeschwindigkeit, die sich für den an das Turbinenrad angrenzenden Radius ergibt und bedingt die Erhaltung des Drehmoments in dem freien Wirbel, der das Turbinenrad umgibt.

Für die Berechnung ist es erforderlich, den erwünschten Gaszustand am äusseren Umfang 14A des Turbinenrades 11 festzulegen. Für die Berechnung der Gehäuseform werden ferner Annahmen über die Gesamttemperatur, den Gesamtdruck und die gewünschte Tangentialgeschwindigkeit getroffen, die alle auf den äusseren Radius bzw. auf den Umfang 14A des Turbinenrades bezogen sind. Wenn diese Annahmen in Kenntnis der gewünschten Massenstromgeschwindigkeit und der Breite des Gehäuses am äusseren Umfang des Turbinenrades getroffen werden, dann ist damit der erwünschte Zustand definiert, in dem das Medium auf das Turbinenrad übergeht. Mit dieser Informa- f'5 tion und mit einer willkürlich angenommenen Tabelle von Gehäusebreiten b| in Funktion des Radius r, kann nunmehr eine Reihe von Berechnungen durchgeführt werden, um die tangen-

15

20

25

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35

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50

tialen und radialen Komponenten der Gasgeschwindigkeit zu bestimmen, die für jeden gegebenen Gehäuseradius benötigt werden.

Eines der Erfordernisse dafür, dass diese Analyse zu vernünftigen Ergebnissen führt, besteht darin, dass die Seitenwände 19A, 19B des Gehäuses so ausgebildet und angeordnet sind, dass-wie oben dargelegt - ihr Abstand nur eine Funktion des Radius ist, dass sie also so ausgerichtet sind, dass sie auf einer Drehbank durch Drehung um die Drehachse 9 des Turbinenrades hergestellt werden könnten. Sieht man von Reibungseffekten ab, dann würden sich bei Erfüllung dieser Voraussetzung keine auf die Seitenwände gerichteten Druckkomponenten ergeben, welche in Wechselwirkung mit der Tangentialgeschwindigkeit des Mediums treten könnten, während sich das Gas nach innen in Richtung auf kleinere Radien des Strömungskanals P bewegt.

Bei der Berechnung werden die geeigneten Geschwindigkeitskomponenten für eine Anzahl von von der Turbinenachse 9 ausgehende Radien r; bestimmt. Aus einer solchen Serie von Berechnungen kann dann ein Partikelpfad innerhalb dieses Wirbelströmungsfeldes bestimmt werden. Durch geeignetes Variieren der Breitenabmessungen b; des Gehäuses kann dann der Partikelpfad so bestimmt werden, dass er längs verschiedener spiralförmiger Wege verläuft, wobei die einzelnen Spiralformen ein direktes Ergebnis einer vorgegebenen Tabelle von Gehäusebreiten bj für zunehmende Radien r, sind. Durch Experimentieren mit einer Anzahl von auf den Radius bezogenen Gehäusebreitentabellen ist es möglich, einen spiralförmigen Weg zu entwickeln, der innerhalb eines erwünschten, vorgegebenen äusseren Radius liegt und das Turbinenrad einmal voll umschlingt. Für die Konstruktion eines Turbinengehäuses mit Strömungspfaden, die dem gewünschten Verlauf der Strömung in Form eines freien Wirbels sehr ähnlich sind, muss man lediglich eine äussere umlaufende Gehäusewand 12A einsetzen, welche die Seitenwände 19A und 19B des Gehäuses 12 miteinander verbindet und im übrigen spiralförmig längs eines Weges verläuft, der dem gewünschten Partikelpfad in einem durch die Seitenwände begrenzten freien Wirbel entspricht.

Der Winkel ip, welchen die Aussenwand 12A mit einem von der Turbinenachse 9 ausgehenden Radius R; in einer zur Turbinenachse 9 senkrechten Ebene einschliesst, ergibt sich aus dem Strömungsverlauf gemäss folgender Gleichung:

55

V'

y

= arctan

V

60

Da bei dieser Analyse die Tabelle der Gehäusebreiten b;, bezogen auf die Radien r; unter der Voraussetzung, dass die Seitenwände der oben erwähnten Bedingung genügen, frei gewählt werden kann, kann eine Vielzahl von Gehäuseformen entwickelt werden, und zwar unabhängig davon, welche Gesamt-envelope und welche konstruktiven Beschränkungen beispielsweise hinsichtlich der äusseren Gehäusegrösse oder hinsichtlich der Massenstromgeschwindigkeiten im Einzelfall vorgegeben

sind. Dies wird aus Fig. 6 bis 9 deutlich, wo verschiedene Ausführungsformen von Einfach- und Mehrfachkanälen dargestellt sind. Gemäss Fig. 6 und 7 hat beispielsweise jeder Unterkanal P' achssymmetrische Seitenwände 19A und 19B, die von dem anderen Unterkanal unabhängig sind. Folglich kann auch jeder Unterkanal eine in Umfangsrichtung verlaufende Wand 12A aufweisen, die unabhängig von der entsprechenden Wand des anderen Kanals ist. Weiterhin erkennt man, dass die Ecken der Kanäle abgerundet bzw. gebrochen sein können, um das Giessen oder andere Herstellungsschritte zu erleichtern.

Während die oben angegebenen Gleichungen und die Erläuterungen zu ihrer Anwendung dem Fachmann die praktische Verwirklichung der Erfindung ermöglichen, können in Ausgestaltung der Erfindung noch weitere Feinheiten berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Kompensation zur Berücksichtigung von Reibungsverlusten durchgeführt werden, welche gemäss der üblichen Berechnung der Reibung in einem gewöhnlichen Rohr bei turbulenter Strömung berechnet werden, wobei diese Art der Berechnung in der Fachliteratur ausführlich beschrieben ist.

Wie oben ausgeführt, ist für das auf das Turbinenrad übergehende Medium ein Strömungszustand erwünscht, bei dem sich eine gleichmässige Verteilung des Drehmomentes ergibt. Für den Übergang von dem ungleichförmigen Strömungszustand des Mediums am Einlass zu dem gewünschten Zustand am Turbinen-radumfang ist die Länge und der Verlauf der Krümmung des FIuideinlass-Kanals 13 von entscheidender Bedeutung. Als Fluideinlass-Kanal ist der Bereich vor dem Eintreten des Gases in dem einen freien Wirbel bildenden Strömungskanal P zu verstehen. Die Krümmung des Einlasskanals kann verschiedene Formen haben, vorausgesetzt, dass sie im wesentlichen einen stetigen Übergang der Strömung in den Strömungskanal P gewährleistet. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass der Verlauf des Einlass-Kanals der für den freien Wirbel geltenden Gleichungen genügt oder spiralförmig verläuft. Eine Ausdehnung des Einlass-Kanals zwischen 30 und 120° in Umfangsrichtung führte zu einem optimalen Wirkungsgrad der Turbine. Es ist unter Bezugnahme auf Fig. 1 also erwünscht, dass das Gehäuse eine den Einlass-Kanal innen begrenzende Zunge 13a aufweist, welche sich über einen Winkel von 30 bis 120° erstreckt. Bei kürzeren Einlass-Kanälen wird der Wirkungsgrad der Turbine absinken, da sich am Umfang des Turbinenrades aufgrund des sog. Einlasseffektes Schwankungen des Zustands des Mediums ergeben. Andererseits ergibt sich bei Gehäusen mit längerem Einlass-Kanal ein messbares Absinken des Wirkungsgrades, was offensichtlich auf die Reibungsverluste an den zusätzlichen Wandflächen des Gehäuses 12 zurückzuführen ist.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich aufgrund einer verringerten Anregung von Schwingungen des Turbinenrades. Da nämlich durch das verbesserte Gehäuse Schwankungen des Zustandes der Strömung in dem Bereich, in dem sie auf das Turbinenrad übergeht, verringert sind, wird auch der Pegel der eingangsseitigen Kräfte, welche Vibrationen des Turbinenrades anregen können, beträchtlich verringert.

Während bei dem vorstehend betrachteten Ausführungsbeispiel Gehäuse mit festen Abmessungen vorgesehen sind, lassen sich die Lehren der Erfindung auch gleichermassen auf Gehäuse mit veränderlichen Strömungskanälen anwenden, wie sie in Fig. 10 bis 15 gezeichnet sind, auf die nachstehend eingegangen wird, wobei vorausgeschickt sei, dass entsprechende Elemente in diesen Figuren entsprechende Bezugzeichen tragen, die jedoch durchwegs um 100 erhöht sind.

Um in Gehäusen mit veränderbaren Strömungskanälen angemessene Wandkräfte zu erhalten, ist es erforderlich, eine Trennwand 117 vorzusehen, die bei einem kleineren Radius endet als die einlassseitige Zunge 113 A des Turbinengehäuses. Im einzelnen weist die Trennwand 117 einen kreisförmigen inneren Umfang 117A auf, der rund um das Turbinenrad 111 verläuft. Die

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axiale Breite des Gehäuses ist für die Radien, die grösser sind als der dem inneren Umfang 117A entsprechende Radius der Trennwand, konstant. Dies gestattet eine konstante prozentuale Änderung der Gehäusebreite für alle Radien, so dass sich bei jeder 5 gewünschten Massenstromgeschwindigkeit eine geeignete Ge-schwindigkeitsverteilung einstellen lässt.

Wie Fig. 11 zeigt, kann das Gehäuse 112 aus zwei aufeinander abgestimmten Teilen 112B, 112C bestehen, die bei zusammengebautem Gehäuse durch mehrere symmetrisch angeordnete Mut-io ter/Schrauben-Anordnungen 115 in ihrer gegenseitigen Lage gehalten werden, welche umlaufende Flansche 116 durchgreifen. Die Gehäuseteile können dabei einstückig gegossen, geschweisst oder auf andere Weise hergestellt sein.

Innerhalb des Strömungskanals P und im wesentlichen längs 15 der gesamten Länge desselben ist eine im wesentlichen spiralförmige Trennwand 117 vorgesehen. Die Trennwand ist in dem Kanal P montiert und kann quer zum Kanal selektiv verstellt werden. Die Trennwand kann also im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kanals P verstellt werden. Wie die Fig. 11 und 14 20 zeigen, kann die Trennwand 117 von Hand oder automatisch mittels mehrerer Maschinenschrauben 118 verstellt werden, die unabhängig von einander verdreht werden können. Ausser den Maschinenschrauben 118 ist ferner eine Anzahl von Schraubenfedern 120 vorgesehen, wobei diese Federn dafür sorgen, dass die 25 Trennwand 117 mit ihrer der Strömung abgewandten Aussensei-te ständig gegen die inneren Enden der Maschinenschrauben 118 gezogen wird. Ausserdem sind in dem Gehäuseteil 112B geeignete Gewindebohrungen 121 vorgesehen, welche die mit einem Gewinde versehenen Schäfte der Maschinenschrauben 118 auf-30 nehmen. Der Kopf 118B der Maschinenschrauben ist auf der Aussenseite des Gehäuses frei zugänglich und kann zum Verstellen der Trennwand 117 mittels eines Schraubenschlüssels oder dergleichen verdreht werden.

Es können auch verschiedene andere pneumatisch oder elek-35 trisch betätigte Einrichtungen verwendet werden um eine selektive Verstellung der Trennwand zu bewirken. Derartige Einrichtungen sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Turbomaschinen mit variablen Abmessungen oder variablen Düsen bekannt.

Die den inneren Schraubenenden abgewandte Seite der 40 Trennwand 117 begrenzt gemeinsam mit einer stationären Seitenwand 122 des Gehäuseteils 112C einen Strömungskanal P der gewünschten Breite. Während die Trennwand 117 beim Ausführungsbeispiel von Hand verstellbar ist, kann sie, wenn dies erwünscht ist, auch automatisch verstellbar sein. IndiesemFall 45 kann die automatische Verstellung in Abhängigkeit von dem gewünschten Druckverhältnis zwischen Drücken am Fluideinlass und am Fluidauslass erfolgen oder in Abhängigkeit von der Massenstromgeschwindigkeit zu einem gegebenen Zeitpunkt. Die automatische Verstellung kann ferner in Abhängigkeit von 50 anderen Betriebsparametern der Turbine oder einer damit verbundenen Maschine erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur, der Drehzahl, der Belastung usw.

In Fig. 11 bis 13 und 15 ist die Trennwand 117 in ihrer Lage bezüglich der feststehenden Seitenwand 122 jeweils in einer Lage 55 in ausgezogenen Linien gezeichnet, in der die Breite des Strömungskanals P für einen gegebenen Massenstrom w ist. Wenn jedoch die Massenstromgeschwindigkeit beträchtlich geringer sein soll, dann wird die Trennwand 117 in Richtung auf die Seitenwand 122 eingestellt, wobei die Breite des Strömungska-60 nals auf den Wert w' verringert wird. Dabei kann w' etwa halb so gross sein wie w oder jeden anderen Bruchteil von w betragen.

Wie Fig. 10 und 14 zeigen, ist das dem Fluideinlass 113 zugewandte Ende 123 der Trennwand 117 an dieser angelenkt und bildet ein Prallblech, welches in Kontakt mit der zugeordne-65 ten Seitenwand 125 B bleibt, und zwar unabhängig davon, welche Lage die Trennwand 117 zwischen den feststehenden Seitenwänden einnimmt. Das Prallblech dient dazu, zu verhindern, dass das am Einlass eintretende Medium zwischen der Zwischenwand 117

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und der feststehenden Seitenwand 125 gefangen wird. Während wodurch eine zusätzliche Flexibilität in der Gestaltung der das einlassseitige Ende 123 der Trennwand beim Ausführungs- Abmessungen des Turbinengehäuses erzielt wird.

beispiel in Querrichtung abgewinkelt ist um ein Prallblech zu Wie aus Fig. 11 bis 13 und 15 deutlich wird, verringert sich bei bilden, können in Ausgestaltung der Erfindung auch andere einem zentrierten Spiralgehäuse mit beweglicher Trennwand die

Einrichtungen verwendet werden, um das Eintreten des Me- 5 Höhe h des Strömungskanals, welche linear mit dem Radius ^

diums in die Kammer hinter der Trennwand zu verhindern. verknüpft ist, in Richtung auf den Auslass 114 gemäss den oben

Weiterhin ist zu beachten, dass zwischen den Rändern der angegebenen Gleichungen.

Trennwand 117 und den angrenzenden Oberflächen des Gehäu- Bei einem typischen Gehäuse mit festen Abmessungen hat ses ein ausreichendes Spiel vorhanden ist, um die Trennwand eme Änderung der Massenstromgeschwindigkeit bei konstanter problemlos einstellen zu können. Wenn die Trennwand in Quer- 10 Drehzahl des Turbinenrades eine Änderung des Turbinengerichtung zwischen den feststehenden Seitenwänden 122 und 125 samtdruckverhältmsses zur Folge. Bei einem erfindungsgemäss verstellt wird, dann ändert sich ferner der Querschnitt des verbesserten Gehäuse kann nun die Breite w des Strömungska-Strömungskanals P, so dass ein gewünschtes Druckverhältnis nals so geändert werden, dass Änderungen der Massenstromge-zwischen dem Druck am Einlass 113 und dem Druck am Auslass schwindigkeit kompensiert werden, so dass das Druckverhältnis 114 eingestellt werden kann 15 *m wesentlichen unverändert bleibt. Andererseits kann die Brei-^ „ , .. . ,, . . te w auch so eingestellt werden, dass die Massenstromgeschwin-• l^fs vorstehend beschriebene Gehäuse variabler Geometrie ist digkeit im wesentlichen konstant bleibt, wenn eine Änderung des em Gehäuse mit geschlossener Gehausewand, m dem die Trenn- Druckverhältnisses eintritt. Ausserdem kann durch eine Ände-wandll7imallgememenfluiddichtgegendasGehausebzw.die rang des Querschnitts des Strömungskanals eine Änderung em® Seite des Stromungskanals und die m Umfangsrichtung 20 beider Variablen herbeigeführt werden. Das Turbinenrad 11 verlaufende Wand abgedichtet ist. Bei emenm wesentlichen kann, wie oben erwähnt, in üblicher Weise ausgebildet sein und fluddichten Abdichtung kann auf ein Prallblech oder dergleichen eineWelleS(Fig.ll)aufweisen,dieinaxialerRichtungausge-verzichtet .werden, so dass sich eme im wesentlichen spiriformi- hendvoneinerSeite des Turbinenrades bis zu einem Kompres-ger «Totraum» fur das Medium ergibt, wobei dieser Totraum nur sorrad rnicht dar2estellti reicht an einem Ende offen ist und allenfalls das Fliessen von Leckströ- 25 Die Erfindung ermöglicht eine Aufteilung der Turbinengehäu-

men gestattet, die jedoch ohne Wirkung bleiben. sebereiche bei Aufrechterhaltung einer optimalen Geometrie

Bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in Fig. 15 gezeigt des Turbinengehäuses für einen gegebenen Satz von Grenzwer-

ist, ist das Gehäuse ein sog. offenwandiges Gehäuse, bei dem ten, wie z. B. die Gesamtgrösse während dennoch ein im wesent-

eine Kante der Trennwand im wesentlichen fluiddicht an der in liehen gleichmässiger Turbineneinlasszustand aufrecht erhalten

Umfangsrichtung verlaufenden Wand 112A anliegt, während die 30 wird. Die verbesserte Gleichmässigkeit des Turbineneinlasszu-andere Kante frei in den Gehäusehohlraum hineinragt. In diesem Standes führt aber zu einem beträchtlich verbesserten Turbinen-

Fall ist einlassseitig ein Prallblech oder dergleichen erforderlich, Wirkungsgrad.

damit die gewünschte Wirkung erzielt werden kann. Während vorstehend bevorzugte Ausführungsbeispiele der

Gemäss einerweiteren abgewandelten Ausführungsform kann Erfindung näher erläutert wurden, versteht es sich, dass die eine Trennwandanordnung aus mehreren aneinander angrenzen-35 Erfindung keineswegs auf die Ausführungsbeispiele beschränkt den beweglichen Trennwandelementen vorgesehen sein, die ist. Dem Fachmann stehen vielmehr, ausgehend von den Ausfüh-

unabhängig voneinander eingestellt werden können. Bei einer rungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/

solchen Ausgestaltung ist es möglich, dass die Seitenwände eine oder Ergänzungen zu Gebote, ohne dass er dabei den Grundge-

von der achssymmetrischen Form abweichende Form haben, danken der Erfindung verlassen müsste.

M

4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Gehäuse mit einem von ihm umschlossenen Turbinenrad, insbesondere für einen Turbolader, mit einem aussen liegenden Einlass, mindestens einem spiralförmig verlaufenden Strömungskanal und einem innen liegenden Auslass, welcher das Turbinenrad längs seines Umfanges umschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (P) zwei einander gegenüberliegende, sich über mindestens 360° in Umfangsrichtung erstreckende Seitenwände (19A, 19B) aufweist, deren parallel zur Turbinenachse (9) gemessener Abstand voneinander für einen bestimmten Radius von der Turbinenachse aus konstant ist, so dass dieser Abstand nur in Funktion des radialen Abstan-des von der Turbinenachse variiert, und der Durchmesser des Innenrandes (14A) derselben etwa dem Aussendurchmesser des Turbinenrades (11) entspricht, dass der Strömungskanal (P) zwischen den Seitenwänden (19A, 19B) eine in Umfangsrichtung und im wesentlichen parallel zur Turbinenachse (9) verlaufende Wand (12A) aufweist, die sich bezüglich der Turbinenachse (9) über einen Winkel von mindestens 360° erstreckt.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (P) sich über einen Winkel von mehr als 360° erstreckt, so dass sich ein einenTeil des Strömungskanals (P) überlappender Einlassbereich ergibt.
3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung des Einlassbereiches zwischen 30 und 120° beträgt.
4. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse derart geteilt ist, dass mehrere Ünterkanäle (P') gebildet sind.
5. Gehäusenach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Unterkanäle (P') Seitenwände (19A, 19B) aufweist, die an radial gleich weit von der Achse entfernten Stellen unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen (Fig. 7).
6. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innen liegende Auslass (14) durch die inneren Ränder der Seitenwände (19A, 19B) definiert ist.
7. Gehäusenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innen liegende Auslass (14) im wesentlichen kreisförmig ist, d.h. sich praktisch über dem ganzen Umfang des Turbinenrades erstreckt.
8. Gehäusenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Strömungskanals (p) zwischen dem Einlass (13) und dem Auslass (14) abnimmt.

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