DE69827504T2

DE69827504T2 - Turbolader mit zweiachsigen verstellbaren leitschaufeln mit druckausgleich

Info

Publication number: DE69827504T2
Application number: DE69827504T
Authority: DE
Inventors: Garrett Keith ROCHFORD
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JP2001516417A; DE69827504D1; ES2229482T3; EP1009918A1; AU6703598A; WO1998041737A1; JP3992750B2; EP1009918B1; US5947681A

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 17. März 1997 angemeldeten Provisional Application 60/041,256 mit dem Titel „Pressure Balanced Dual Axle Variable Nozzle Turbocharger" (Druckausgeglichener zweiachsiger Turbolader mit variabler Geometrie).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbolader mit variabler Geometrie. Insbesondere stellt die Erfindung eine doppelachsige Befestigung für die variablen Leitschaufeln eines Turboladers bereit und umfasst weiterhin Druckausgleich der Achsen zur Minimierung von axialen Kräften, die dazu neigen, auf die Leitschaufelanordnung zu wirken.
Beschreibung des Stands der Technik
Bei einem Turbolader ist es oftmals wünschenswert, den Abgasstrom in die Turbine zu steuern, um den Wirkungsgrad oder Betriebsbereich zu verbessern. Es sind verschiedene Konfigurationen von variablen Düsen zur Steuerung des Abgasstroms eingesetzt worden. Ein bei vorbekannten Turboladern erfolgreich verwendeter Lösungsansatz sind mehrere um den Turbineneinlass ringförmig angeordnete Schwenkleitschaufeln, die zur Änderung des Halsbereichs der Durchgänge zwischen den Leitschaufeln gemeinsam gesteuert werden. In den US-PS 4,679,984 von Swihart et al. mit dem Titel „Actuation System for Variable Nozzle Turbine" (Betätigungssystem für Turbine mit variabler Geometrie) und 4,804,316 von Fleury mit dem Titel „Suspension for the Pivoting Vane Actuation Mechanism of a Variable Nozzle Turbocharger" (Aufhängung für den Schwenkleitschaufel-Betätigungsmechanismus eines Turboladers mit variabler Geometrie), die den gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Anmeldung haben, werden verschiedene Lösungsansätze für dieses Verfahren zur Umsetzung einer variablen Geometrie offenbart.
Die Verwendung von an einer Achse angebrachten freitragenden Leitschaufeln, wie zum Beispiel die in der US-PS 4,804,316 offenbarte, sind in verschiedenen Turboladern für Lastwagen- und Kraftfahrzeuganwendungen erfolgreich eingesetzt worden. Unter gewissen Betriebsbedingungen, die zu einer Kombination aus einem verringerten Düsenströmungsquerschnitt und einem erhöhten Turbineneinlassdruck führen, arbeitet die Turbine des Turboladers effektiv als Gleichdruckturbine, wobei der Großteil des Stufendruckabfalls in der Düse auftritt und der Turbinenrotor dabei mit im Wesentlichen atmosphärischem statischem Druck arbeitet. Die an den Düsenleitschaufeln wirkende große Druckdifferenz bei den herkömmlichen, schwenkbaren, freitragenden Düsenleitschaufeln erzeugt ein Reaktionsmoment, das aufgrund der endlichen Spannweite der Leitschaufelachse zu hohen Reaktionsseitenkräften und Reibung führt. Gleichzeitig erzeugt ein Lecken von Abgas aus dem Einlass in die Düse durch die Betätigungsschwinge und den die Leitschaufeln stützenden Düsenring eine axiale Kraftkomponente auf die Leitschaufelbefestigungsachsen, die die Enden der Leitschaufeln in die Turbinengehäuseabdeckungswand drückt, wodurch zusätzliche Reibung entsteht. Die Länge der Leitschaufel verstärkt das erzeugte Reibungsmoment durch den langen Momentarm bezüglich des Achswellenradius. Eine Bewegung und Steuerung der Leitschaufelposition ist nur durch Anlegen von hochnichtlinearen Betätigungskräften möglich, und eine Steuerhysterese ist aufgrund einer Kombination aus Reibung und „Haftreibung" zu groß.
Die US-PS 5,564,895 zeigt einen alternativen Lösungsansatz zur Aufrechterhaltung einer Leitschaufelpositionssteuerung für eine Turbine mit variabler Geometrie in einem Turbolader auf. Die Trennung von die Leitschaufeln stützenden Ringen ist zur Regulierung der Spannkräfte gegen die Einlassleitschaufeln axial einstellbar. Dieser Lösungsansatz gestattet es, übermäßigen Blow-By zu vermeiden, jedoch sind eine komplexe Steueranordnung zur Erfassung des Aufkommens übermäßiger Spannkraft und ein Drucksteuersystem zur Einstellung der Spannkraft der Ringe erforderlich.
Deshalb ist es wünschenswert, eine Turboladerausführung mit variabler Geometrie bereitzustellen, die mehrere Schwenkleitschaufeln einsetzt und das Reaktionsmoment an der Leitschaufelstütze verringert und weiterhin eine axiale Belastung der Leitschaufelstützachsen ohne die zusätzliche Komplexität eines getrennten Steuersystems und von beweglichen Stützringen beseitigt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert die gegenüber dem Stand der Technik wünschenswerten Merkmale für eine variable Geometrie der Turbine eines Turboladers. Es wird ein Turbinengehäuse mit einem Abgas von einer Brennkraftmaschine empfangenden Diffusor und einem Düseneinlass bereitgestellt. Die im Turbinengehäuse aufgenommene Turbine wird durch das Abgas von einem Düsenauslass angetrieben. Die Düse enthält mehrere Leitschaufeln, die jeweils eine sich von einer Seite der Leitschaufel erstreckende erste Achse und eine sich von einer gegenüberliegenden Seite der Leitschaufel, koaxial zur ersten Achse verlaufende zweite Achse aufweisen. Ein Düsenring weist mehrere Öffnungen auf, die die ersten Achsen der mehreren Leitschaufeln eng aufnehmen, während ein Einsatzring mehrere Öffnungen aufweist, die die zweiten Achsen der mehreren Leitschaufeln eng aufnehmen, wobei der Düsenring und der Einsatzring die Nabe und das Deckband der Düse bilden.
Der Düsenring und der Einsatzring sind durch eine Reihe von Hohlabstandsstücken und Schrauben in im Wesentlichen starrer, beabstandeter Beziehung befestigt, um die Leitschaufeln zwischen dem Düseneinlass vom Diffusor und dem Düsenauslass neben der Turbine zu positionieren. Eine Kammer zwischen dem Turbinengehäuse und dem mittleren Gehäuse des Turboladers nimmt den Betätigungsmechanismus für die Düsenleitschaufeln auf und überträgt durch Verbindung mit dem Düseneinlass vom Diffusor mittels der Toleranzen zwischen dem Düsenring und verschiedenen Elementen der Betätigungsschwinge Abgasdruck zum Aufprall auf ein Ende der ersten Achse für jede Leitschaufel. Ausgleichsabgasdruck wird durch Kanäle zwischen dem Turbinengehäuse und dem Einsatzring übertragen, die sich von dem Düseneinlass zu den die zweiten Achsen aufnehmenden Öffnungen erstrecken, um auf ein Ende der zweiten Achse für jede Leitschaufel aufzuprallen. Es wird ein sich senkrecht von den ersten Achsen erstreckende Leitschaufelarme aufnehmender Betätigungsring zum Drehen der Leitschaufeln eingesetzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen deutlicher hervor; es zeigen darin:
1 eine Seiten-Schnittansicht einer Turbine mit variabler Geometrie nach dem Stand der Technik, die mehrere Schwenkleitschaufeln verwendet;
2 eine Seiten-Teilschnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den Abgasdiffusor, die Turbinendüse mit zweiachsigen, druckausgeglichenen Leitschaufeln und den zugehörigen Betätigungsmechanismus zeigt;
3 eine End-Schnittansicht des Turbinengehäuses, die die Düsenringstege und die Gasdruckübertragungskanäle für den Achsendruckausgleich bei der gezeigten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 eine graphische Darstellung der Betätigungshysterese für eine freitragende Leitschaufel und eine doppelachsige Vergleichsleitschaufel; und
5 eine graphische Darstellung der Betätigungshysterese, die die durch den Druckausgleich der doppelachsigen Leitschaufel gebotene zusätzliche Verbesserung vergleicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigt 1 einen Turbolader mit variabler Geometrie, der mehrere Schwenkleitschaufeln in der Düse einsetzt. Der Turbolader enthält ein Turbinengehäuse 2, das unter Verwendung einer V-Bandkupplung 6 an einem Turbinenflansch 4 angebracht ist. Der Turbinenflansch ist unter Verwendung von Schrauben 10 an einem mittleren Gehäuse 8 befestigt. Eine Verdichterrückplatte 12 ist unter Verwendung von Schrauben 14 gegenüber dem Turbinenflansch am mittleren Gehäuse angebracht, und ein Verdichtergehäuse 16 ist mit einer V-Bandkupplung an der Rückplatte angebracht.
Das Ladeluftverdichterrad 18 des Turboladers ist an der Welle einer Turbinenradanordnung 20 angebracht. Die Welle wird durch eine Lageranordnung im mittleren Gehäuse gestützt, die bei der in den Zeichnungen offenbarten Ausführungsform ein Paar Zapfenlager 22, die durch ein Abstandsstück 24 getrennt sind, und einen ein Axiallager 28 aufnehmenden Druckring 26 enthält. In dem mittleren Gehäuse sind für die Lager und die Welle geeignete Schmierkanäle vorgesehen. Ein Kolbenring 30 stellt eine Dichtung für die Welle am Turbinenende bereit, während eine Kohledichtung oder eine äquivalente Labyrinthdichtung 32 eine Dichtung für das Verdichterende der Welle bereitstellt. Ein Dichtungsring 33 und Dichtungsscheiben 31 sorgen für zusätzliche Abdichtung zwischen dem mittleren Gehäuse und der Verdichterrückplatte. Ein Scheibendeckband 21 wird als thermische Abschirmfläche verwendet.
Die Leitschaufeln 34 der variablen Düse werden durch (nicht gezeigte) Achsen gestützt, die sich in den Düsenring 36 erstrecken, welcher bei der gezeigten Ausführungsform durch mehrere Abstandsstifte 38 in beabstandeter Beziehung zu dem Turbinengehäuse gestützt wird und durch eine Tellerfeder 40 befestigt ist. Ein drehbar auf durch Führungszapfen 46 gestützten Rollen 44 angebrachter Betätigungsring 42 sorgt für Betätigung der mehreren Leitschaufeln. Die Einzelheiten der Betätigung und der Stützkonstruktion für die Leitschaufeln werden in der oben erwähnten US-PS 4,804,316 im Wesentlichen offenbart.
Die Einzelheiten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in 2 gezeigt, wobei mit dem Turbolader nach 1 gemeine Komponenten die gleiche Bezugszahl aufweisen. Jede der Leitschaufeln 34 wird teilweise durch eine erste Achse 50 gestützt, die sich in enger Beziehung in Öffnungen 35 im Düsenring 36 erstreckt und durch sie drehbar gestützt wird. Die erste Achse erstreckt sich durch den Düsenring und ist an einem Leitschaufelarm 52 befestigt, der in Schlitzen im Betätigungsring 42 zur Betätigung der Leitschaufeln aufgenommen wird. Die Drehung des Betätigungsrings erfolgt durch eine externe Kurbelbetätigungsschwinge 54.
Eine zweite Achse 56 erstreckt sich von jeder der Leitschaufeln gegenüber und koaxial zu der ersten Achse. Die zweite Achse erstreckt sich in enger Beziehung in Gegenöffnungen 57 in einem Einsatzring 58 und wird durch sie drehbar gestützt, wobei der Einsatzring 58 in das Turbinengehäuse eingelassen ist und von einer maschinell herausgearbeiteten Ausnehmung 59 getragen wird. Der Düsenring und der Einsatzring bilden die Begrenzungsnaben- und -deckbandflächen der Düse. Drei kreisförmige Hohlpräzisionsabstandsstücke 60 und Halteschrauben 62 werden dazu verwendet, die beiden Ringe zu positionieren und zu beabstanden und die Düsenringanordnung zwischen dem Düseneinlass und dem Düsenauslass neben der Turbine zu befestigen. Während der Montage des Turboladers kann sich der Einsatzring frei leicht drehen, um jegliche Dreh-Fehlanpasung der beiden Lochmuster in den Ringen auszuschließen.
Für die doppelachsige Leitschaufelabstützung der vorliegenden Erfindung, wenn sich die Düsenleitschaufeln dem Schließen nähern, kann die Druckdifferenz an den Leitschaufeln in eine im Wesentlichen senkrecht auf die Druckmitte wirkende Kraft zerlegt werden, die sich auf der halben Spannweite der Leitschaufeln befindet. Die beiden gleichen Reaktionskräfte, die durch die beiden Achsen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leitschaufel bereitgestellt werden, gleichen die aerodynamische Belastung aus. Diese Reaktionskräfte stehen gleichmäßig im Gleichgewicht, und die Spitzenreaktionskraft ist bezüglich der in einer identischen Kaskade von freitragenden Leitschaufeln auftretenden Kräfte um 66% reduziert. Die Achsenbelastung und der Achsenverschleiß sind viel gleichmäßiger als bei der freitragenden Ausführung, wodurch der Achsendurchmesser verkleinert werden kann und wiederum eine weitere Verringerung des Reibmomentarms erreicht wird. Die Achsen befinden sich bei ca. 25% der Sehnenlänge der Leitschaufeln zum Erhalt eines aerodynamischen Moments von im Wesentlichen Null an den Leitschaufeln bezüglich der Achsen.
Des Weiteren befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Beseitigung von Axialbelastung der Leitschaufeln durch Druckausgleich der beiden Stützachsen für jede der Leitschaufeln. Eine Gasleckage vom Düseneinlass vom Turbinendiffusor durch die verschiedenen Verbindungs- und Stützelemente, die dem Düsenring zugeordnet sind, führt letztendlich zu einem Druck in der Kammer 64, der auf das Ende der ersten Achse wirkt. Zum Ausgleich der durch diesen Druck erzeugten Kraft wird Abgasdruck vom Düseneinlass durch radiale Kanäle 66 übertragen, die maschinell in der Einsatzringausnehmung im Turbinengehäuse herausgearbeitet sind. Ein ringförmiger Kanal 68 erstreckt sich um die Ausnehmung herum neben den Achsenöffnungen im Einsatzring und an den radialen Kanälen angrenzend zwecks Übertragung des Gasdrucks auf den Kopf der zweiten Achse. Zwischen dem Innenumfang des Düsenrings und einer Gegenfläche am mittleren Gehäuse ist eine Dichtung 69 vorgesehen, um den Druckausgleich zwischen den beiden Achsen zu verbessern. Die ringförmigen und radialen Kanäle sind am besten in 3 zu sehen, die auch die maschinell herausgearbeiteten Präzisionsflächen 70 der Ausnehmung im Turbinengehäuse zeigt, die den Einsatzring stützen. Gewindelöcher 72 nehmen die die Düsenringanordnung am Turbinengehäuse befestigenden Schrauben 62 auf.
Bei alternativen Ausführungsformen sind die radialen und/oder ringförmigen Kanäle anstatt im Turbinengehäuse im Einsatzring maschinell herausgearbeitet. Bei zusätzlichen Ausführungsformen sind getrennte radiale Kanäle, die jeder Öffnung im Einsatzring entsprechen und sie schneiden, im Einsatzring oder im Turbinengehäuse maschinell herausgearbeitet.
Der ausgeglichene Druck an den Köpfen der ersten und der zweiten Achse, die die gleiche Fläche aufweisen, beseitigt im Wesentlichen die axiale Belastung der Leitschaufeln und jegliche damit verbundenen Reibungskräfte, die auf die Steuerbetätigung der mehreren Leitschaufeln in der Düse einwirken. 4 und 5 zeigen Kraftdiagramme, die die die Leitschaufeln steuernde Hysterese darstellen. In 4 zeigt die Kurve 74 die Hysterese bei einer herkömmlichen Düsenanordnung mit freitragenden Leitschaufeln. Die Kurve 76 zeigt die Verbesserung mit der doppelachsigen Abstützung für die Leitschaufeln. In 5 zeigt die Kurve 78 die herkömmliche Düsenanordnung mit freitragenden Leitschaufeln, während die Kurve 80 die Gesamtverbesserung zeigt, die durch die doppelachsige Abstützung und den Druckausgleich der vorliegenden Erfindung geboten wird.
Nachdem nun die Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, wie von den Patentbestimmungen erfordert, sind für Fachleute Modifikationen an und der Einsatz von Äquivalenten in den hier offenbarten bestimmten Ausführungsformen offensichtlich. Solche Modifikationen und Äquivalente liegen im Schutzbereich und in der Absicht der vorliegenden Erfindung nach der Definition in den folgenden Ansprüchen.

Claims

Turbine für einen Turbolader mit variabler Geometrie, die Folgendes umfasst: ein Turbinengehäuse (2) mit einem Abgas von einer Brennkraftmaschine empfangenden Diffusor und einem Düseneinlass; eine im Turbinengehäuse aufgenommene Turbine (20) zum Aufprall des Abgases von einem Düsenauslass zum Antrieb der Turbine; mehrere Leitschaufeln (34), die jeweils eine sich von einer Seite der Leitschaufel erstreckende erste Achse (50) und eine sich von einer gegenüberliegenden Seite der Leitschaufel, koaxial zur ersten Achse verlaufende zweite Achse (56) aufweisen; einen Düsenring (36) mit mehreren Öffnungen, die die ersten Achsen der mehreren Leitschaufeln eng aufnehmen; einen Einsatzring (58) mit mehreren Öffnungen, die die zweiten Achsen der mehreren Leitschaufeln eng aufnehmen; ein Mittel zur Befestigung des Düsenrings und des Einsatzrings in im Wesentlichen starrer, beabstandeter Beziehung zur Positionierung der Leitschaufeln zwischen dem Düseneinlass vom Diffusor und dem Düsenauslass neben der Turbine; ein Mittel zur Drehung der Leitschaufeln; dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten mehreren Öffnungen im Düsenring vollständig durch den Düsenring und die mehreren Öffnungen im Einsatzring vollständig durch den Einsatzring erstrecken, und weiterhin mit: einem ersten Mittel zur Übertragung von Abgasdruck zum Aufprall auf ein Ende der ersten Achse für jede Leitschaufel distal von der Leitschaufel; einem zweiten Mittel zur Übertragung von Abgasdruck zum Aufprall auf ein Ende der zweiten Achse für jede Leitschaufel distal von der Leitschaufel; und
Turbine nach Anspruch 1, bei der das erste Mittel zur Übertragung von Abgasdruck eine Kammer (64) neben dem Düsenring distal von den Leitschaufeln umfasst, wobei die Kammer in Druckverbindung mit dem Düseneinlass steht.
Turbine nach Anspruch 1, bei der das zweite Mittel zur Übertragung von Abgasdruck sich von dem Düseneinlass zu den Öffnungen im Einsatzring erstreckende Kanäle (66) umfasst, welche die Öffnungen distal der Leitschaufeln in der Nähe des Endes der zweiten Achse schneiden.
Turbine nach Anspruch 2, bei der die Kammer das Betätigungsmittel für die Leitschaufeln aufnimmt.
Turbine nach Anspruch 3, bei der die Kanäle mindestens einen radialen Kanal (66) im Turbinengehäuse umfassen, der sich zwischen dem Düseneinlass und einem ringförmigen Kanal (68) in dem Turbinengehäuse neben dem Einsatzring erstreckt und die Öffnungen im Einsatzring schneidet.
Turbine nach Anspruch 4, bei der sich die ersten Achsen durch die Öffnungen im Düsenring erstrecken und das Betätigungsmittel Folgendes umfasst: an den ersten Achsen befestigte und sich senkrecht zu ihnen erstreckende Leitschaufelarme (52), die in Schlitzen in einem Betätigungsring (42) aufgenommen sind; und eine Kurbelschwinge (54) zum Drehen des Betätigungsrings.
Turbine nach Anspruch 4, bei der die Kammer (64) zwischen dem Turbinengehäuse und einem mittleren Gehäuse (8) für den am Turbinengehäuse befestigten Turbolader angeordnet ist.
Turbine nach Anspruch 7, weiterhin mit einer Dichtung (69), die zwischen und Innenumfang des Düsenrings und einer Gegenfläche an dem mittleren Gehäuse angeordnet ist.
Turbine nach Anspruch 1, bei der das Mittel zur Befestigung des Düsenrings und des Einsatzrings Folgendes umfasst: mehrere starre Hohlabstandsstücke (60), die zwischen dem Düsenring und dem Einsatzring angeordnet sind; und mehrere sich durch den Düsenring, die Abstandsstücke und den Einsatzring erstreckende Schrauben (62), die mit Gegenlöchern im Turbinengehäuse verschraubt sind.
Turbine nach Anspruch 9, bei der der Einsatzring in einer maschinell herausgearbeiteten ringförmigen Aussparung im Turbinengehäuse aufgenommen ist.