CH712811B1 - Axialturbine für einen Turbolader und Turbolader. - Google Patents

Abstract

Axialturbine für einen Turbolader zur Entspannung eines Mediums, mit einem Laufschaufeln (7) aufweisenden Turbinenrotor; mit einem in Strömungsrichtung des zu entspannenden Mediums gesehen stromaufwärts der Laufschaufeln (7) positionierten, verstellbare Leitschaufeln (11) aufweisenden Leitapparat (6), wobei jede Leitschaufel (11) ein Leitschaufelblatt (12), einen Leitschaufeldrehteller (14) und einen in einem Leitring (15) gelagerten Leitschaufelzapfen (13) aufweist; mit einem in Strömungsrichtung des zu entspannenden Mediums gesehen stromaufwärts des Leitapparats (6) positionierten Zuströmgehäuse (3), über welches das zu entspannende Medium den Leitschaufeln (11) des Leitapparats (6) zuführbar ist. In das Zuströmgehäuse (3) ist mindestens eine Sperrluftbohrung (18) eingebracht. In den Leitring (15) ist eine umlaufende Sperrluftnut (19) eingebracht. Die oder jede in das Zuströmgehäuse (3) eingebrachte Sperrluftbohrung (18) erstreckt sich durch das Zuströmgehäuse (3) hindurch und mündet in die in den Leitring (15) eingebrachte Sperrluftnut (19), wobei im Betrieb ein Sperrluftdruck im Bereich einer von der Sperrluftnut (19) aus mit Sperrluft beaufschlagbaren Trennfuge zwischen dem Leitschaufeldrehteller (14) der jeweiligen Leitschaufel (11) und dem Leitring (15) größer als ein Abgasdruck im Bereich dieser Trennfuge ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Axialturbine eines Turboladers und einen Turbolader.

[0002] Aus der DE 4426522A1ist eine Strömungsmaschine, nämlich ein Abgasturbolader, mit einer Turbine und einem Verdichter bekannt. Die Turbine des Abgasturboladers, die der Entspannung von Abgas dient, verfügt über ein Turbinenzuströmgehäuse, über welches Abgas einem Turbinenrotor der Turbine zugeführt wird, wobei der Turbinenrotor mehrere Laufschaufeln aufweist. Stromabwärts der Laufschaufeln der Turbine schließt sich ein Turbinenabströmgehäuse mit einem Diffusor an. Bei der Entspannung des Abgases im Bereich der Turbine des Abgasturboladers gewonnene Energie wird im Bereich des Verdichters des Abgasturbolader genutzt, um Ladeluft zu verdichten.

[0003] Die DE 10016745B4offenbart eine Axialturbine eines Turboladers, bei welcher in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts der Laufschaufeln des Turbinenrotors ein Leitapparat mit verstellbaren Leitschaufeln angeordnet ist. Die Leitschaufeln des Leitapparats verfügen über ein Leitschaufelblatt, einen Leitschaufeldrehteller und einen Leitschaufelzapfen. Die Leitschaufeln sind über eine Verstelleinrichtung verstellbar und in einem Leitring, der auch als Leitschaufelträger bezeichnet wird, verstellbar gelagert. Lagerstellen für die Leitschaufeln sind zwischen dem Leitschaufelzapfen der jeweiligen Leitschaufel und dem Leitring ausgebildet. Über eine Trennfuge zwischen dem Leitschaufeldrehteller der jeweiligen Leitschaufel und dem Leitring kann eine Abgasleckage in den Bereich der Lagerstellen der Leitschaufeln strömen, die zu unerwünschten Ablagerungen im Bereich der Lagerstellen der Leitschaufeln führen und so einen Ausfall der Verstellvorrichtung des Leitapparats verursachen kann.

[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Axialturbine eines Turboladers zu schaffen, bei der eine Leckage des Abgases von Lagerstellen der verstellbaren Leitschaufeln des Leitapparats ferngehalten werden kann.

[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Axialturbine für einen Turbolader nach Anspruch 1gelöst. In das Zuströmghäuse der Turbine ist mindestens eine Sperrluftbohrung eingebracht. In den Leitring ist eine umlaufende Sperrluftnut eingebracht. Die oder jede in das Zuströmgehäuse eingebrachte Sperrluftbohrung erstreckt sich durch das Zuströmgehäuse hindurch und mündet in die in den Leitring eingebrachte Sperrluftnut, wobei ein Sperrluftdruck im Bereich einer von der Sperrluftnut aus mit Sperrluft beaufschlagbaren Trennfuge zwischen dem Leitschaufeldrehteller der jeweiligen Leitschaufel und dem Leitring größer als ein Abgasdruck im Bereich dieser Trennfuge ist. Über die Sperrluft, die über die oder jede Sperrluftbohrung in den Bereich der Sperrluftnut des Leitrings eingebracht werden kann, kann eine Abgasleckage über die Trennfuge zwischen dem Leitschaufeldrehteller der jeweiligen Leitschaufel und dem Leitring unterbunden werden, sodass eine Abgasleckage von den Lagerstellen der Leitschaufeln ferngehalten werden kann. So kann verhindert werden, dass sich im Bereich der Lagerstellen der Leitschaufeln unerwünschte Ablagerungen ausbilden. Die Gefahr eines Ausfalls der Verstellvorrichtung des Leitapparats wird hierdurch reduziert.

[0006] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zwischen dem Leitring und dem Leitschaufelzapfen einer jeden Leitschaufel ausgebildete Lagerfläche der jeweiligen Leitschaufel von der Sperrluftnut aus mit Sperrluft beaufschlagbar. Das Beaufschlagen der Lagerstellen mit Sperrluft ist ebenfalls von Vorteil, insbesondere zur Kühlung der Lagerstellen der Leitschaufeln. Die Sperrluftnut beaufschlagt vorzugsweise über Durchbrüche im Leitring die Trennfugen und die Lagerstellen mit Sperrluft.

[0007] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwischen dem Leitring und dem Zuströmgehäuse Dichtungselemente zur Abdichtung der Sperrluftnut angeordnet. Hiermit kann ein ausreichend hoher Sperrluftdruck im Bereich der Sperrluftnut aufrechterhalten werden.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Sperrluftbohrungen gegenüber der Axialrichtung der Axialturbine und gegenüber der Radialrichtung der Axialturbine schräggestellt. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausführung des Turbinenzuströmgehäuses.

[0009] Der erfindungsgemäße Turbolader ist in Anspruch 8definiert.

[0010] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1: einen Ausschnitt aus einem Turbolader im Bereich einer Axialturbine desselben; Fig. 2 das Detail II der Fig. 1; Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Detail der Fig. 2; Fig. 4 den Ausschnitt der Fig. 3in einer anderen perspektivischen Ansicht; Fig. 5 den Ausschnitt der Fig. 3, 4in einer weiteren perspektivischen Ansicht; und Fig. 6 das Detail VI der Fig. 5,

[0011] Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Axialturbine für einen Turbolader und einen Turbolader.

[0012] Fig. 1zeigt einen Ausschnitt aus einem Turbolader 1im Bereich einer Axialturbine 2des Turboladers. Von der Axialturbine 2sind ein Turbinenzuströmgehäuse 3, ein Turbinenabströmgehäuse 4mit einem Diffusor 22, ein Turbinenrotor 5sowie ein Leitapparat 6gezeigt. Abgas, welches in der Axialturbine 2des Turboladers 1entspannt werden soll, wird über das Turbinenzuströmgehäuse 3der Axialturbine 2, nämlich dem Turbinenrotor 5, zugeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromaufwärts des Turbinenrotors 5sowie stromabwärts des Zuströmgehäuses 3der Leitapparat 6angeordnet ist.

[0013] Der Turbinenrotor 5umfasst mehrere Laufschaufeln 7, die zusammen mit dem Turbinenrotor 5rotieren. Abgas, welches über die Axialturbine 2, nämlich den Turbinenrotor 5, strömt, wird im Bereich des Turbinenrotors 5entspannt, wobei hierbei gewonnene Energie genutzt wird, um einen nicht gezeigten Verdichterrotor eines nicht gezeigten Verdichters des Abgasturboladers 1anzutreiben, der über eine Welle 8mit dem Turbinenrotor 5gekoppelt ist. An die Laufschaufeln 7des Turbinenrotors 5schließt sich radial außen ein Deckring 9an, der mit dem Turbinenabströmgehäuse 4über Befestigungselemente 10verbunden ist.

[0014] Wie bereits ausgeführt, ist stromaufwärts des Turbinenrotors 5und damit stromaufwärts der Laufschaufeln 7des Turbinenrotors 5der Leitapparat 6positioniert, sodass Abgas, welches über das Turbinenzuströmgehäuse 3in Richtung auf den Turbinenrotor 5geführt wird, zunächst über den Leitapparat 6strömt, bevor dasselbe anschließend über die Laufschaufeln 7des Turbinenrotors 5geführt wird. Der Leitapparat 6verfügt über Leitschaufeln 11, wobei jede Leitschaufel 11ein Leitschaufelblatt 12, einen Leitschaufelzapfen 13sowie einen Leitschaufeldrehteller 14umfasst.

[0015] Die Leitschaufeln 11sind über ihre Leitschaufelzapfen 13in einem Leitring 15, der als Leitschaufelträger bezeichnet wird, drehbar gelagert, um über die Drehung der Leitschaufeln 11den Leitapparat 6zu verstellen.

[0016] Über eine im Detail nicht gezeigte Verstelleinrichtung für den Leitapparat 6, der typischerweise über eine Verstellmechanik und einen Verstellantrieb verfügt, können die Leitschaufeln 11des Leitapparats 6im Leitring 15verdreht werden.

[0017] Zwischen den Leitschaufelzapfen 13der Leitschaufeln 11und dem Leitring 15sind demnach Lagerstellen 16für die Leitschaufeln 11des verstellbaren Leitapparats 6ausgebildet.

[0018] Zwischen dem Leitschaufeldrehteller 14der Leitschaufeln 11des Leitapparats 6und dem Leitring 15sind Trennfugen 17ausgebildet. Über diese Trennfugen 17kann nach dem Stand der Technik eine Abgasleckage strömen. Diese Abgasleckage kann bei bekannten Axialturbinen in den Bereich der Lagerstellen 16der Leitschaufeln 11, die zwischen dem Leitring 15und den Leitschaufelzapfen 13der Leitschaufeln 11ausgebildet sind, gelangen und so Ablagerungen im Bereich der Lagerstellen 16verursachen. Dies ist von Nachteil.

[0019] Um derartige Ablagerungen im Bereich der Lagerstellen 16der Leitschaufeln 11zu vermeiden, ist in das Zuströmgehäuse 3mindestens eine Sperrluftbohrung 18eingebracht. Vorzugsweise sind über den Umfang mehrere derartige Sperrluftbohrungen 18in das Turbinenzuströmgehäuse 3eingebracht. In den Leitring 15ist eine umlaufende Sperrluftnut 19eingebracht. Die oder jede in das Zuströmgehäuse 3eingebrachte Sperrluftbohrung 18erstreckt sich durch das Zuströmgehäuse 3hindurch und mündet in die in den Leitring 15eingebrachte Sperrluftnut 19. Dabei kommuniziert die Sperrluftnut 19über Durchbrüche 21im Leitring 15mit der Trennfuge 17zwischen dem Leitring 15und dem Leitschaufeldrehteller 14der jeweiligen Leitschaufel 11, sodass über den in der Sperrluftnut 19herrschenden Sperrluftdruck die Trennfuge 17zwischen dem Leitschaufeldrehteller 14der jeweiligen Leitschaufel 11und dem Leitring 15mit Sperrluft beaufschlagt werden kann, wobei der Sperrluftdruck in der Sperrluftnut 19und im Bereich der jeweiligen Trennfuge 17größer ist als ein Abgasdruck im Bereich der Trennfugen 17.

[0020] Eine Abgasleckage, die nach dem Stand der Technik demnach über die Trennfugen 17zwischen den Leitschaufeldrehtellern 14der Leitschaufeln 11und dem Leitring 15strömen kann, wird durch Beaufschlagung der Trennfugen 17mit Sperrluft unterbunden. Demnach kann kein Abgas in den Bereich der Lagerstellen 16zwischen dem Leitring 15und den Leitschaufelzapfen 13der Leitschaufeln 11gelangen.

[0021] Ausgehend von der Sperrluftnut 19können auch die Lagerstellen 16zwischen den Leitschaufelzapfen 13der Leitschaufeln 11und dem Leitring 15mit Sperrluft beaufschlagt werden, wodurch dieselben gekühlt werden können.

[0022] Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, dass in das Turbinenzuströmgehäuse 3mindestens eine Sperrluftbohrung 18, vorzugsweise mehrere Sperrluftbohrungen 18, eingebracht sind. Die oder jede Sperrluftbohrung 18kommuniziert mit einer umlaufenden, in den Leitring 15eingebrachten Sperrluftnut 19, von der aus einerseits die Trennfugen 17zwischen den Leitschaufeldrehtellern 14der Leitschaufeln 11und dem Leitring 17sowie andererseits die Lagerstellen 16zwischen den Leitschaufelzapfen 13der Leitschaufeln 11und dem Leitring 15mit Sperrluft beaufschlagt werden können.

[0023] Dies erfolgt über die Durchbrüche 21im Leitring 15, welche die Sperrluftnut 19druckseitig an die Trennfugen 17zwischen den Leitschaufeldrehtellern 14der Leitschaufeln 11und dem Leitring 15sowie an die Lagerstellen 16zwischen den Leitschaufelzapfen 13der Leitschaufeln 11und dem Leitring 15koppeln. Hierdurch kann einerseits verhindert werden, dass Abgasleckage in den Bereich der Lagerstellen 16gelangt, andererseits können die Lagerstellen 16gekühlt werden. Einem Versagen der Lagerung der verstellbaren Leitschaufeln 11im Leitring 15kann so entgegengewirkt werden.

[0024] Wie am besten Fig. 6entnommen werden kann, sind in den Leitring 15benachbart zur Sperrluftnut 19an eine dem Turbinenzuströmgehäuse 3zugewandten Seite Aufnahmenuten 20für nicht gezeigte Dichtungselemente eingebracht. Über diese Dichtungselemente, die in die Aufnahmenuten 20positioniert sind, kann die Sperrluftnut 19abgedichtet werden, um eine Sperrluftleckage über einen Trennfuge zwischen dem Zuströmgehäuse 3und dem Leitring 15zu unterbinden.

[0025] Die oder jede Sperrluftbohrung 18ist vorzugsweise sowohl gegenüber der Axialrichtung der Axialturbine 2als auch gegenüber der Radialrichtung der Axialturbine 2schräggestellt. Vorzugsweise schließt die jeweilige Sperrluftbohrung 18mit der Axialrichtung der Axialturbine 2einen Winkel zwischen 15° und 75°, bevorzugt einen Winkel zwischen 30° und 60° ein. Hiermit können die Sperrluftbohrungen 18besonders bevorzugt im Zuströmgehäuse 3bis in den Bereich der Sperrluftnut 19des Leitrings 15geführt werden.

[0026] Bei der Sperrluft kann es sich um Ladeluft eines ohnehin vorhandenen Ladeluftsystems oder um Druckluft eines separaten Druckluftsystems handeln.

Bezugszeichenliste

[0027] 1 Turbolader 2 Axialturbine 3 Zuströmgehäuse 4 Abströmgehäuse 5 Turbinenrotor 6 Leitapparat 7 Laufschaufel 8 Welle 9 Deckring 10 Befestigungselement 11 Leitschaufel 12 Leitschaufelblatt 13 Leitschaufelzapfen 14 Leitschaufeldrehteller 15 Leitring 16 Lagerstelle 17 Trennfüge 18 Sperrluftbohrung 19 Sperrluftnut 20 Aufnahmenut 21 Durchbruch 22 Diffusor

Claims (8)

1. Axialturbine (2) für einen Turbolader zur Entspannung eines Mediums, mit einem Laufschaufeln (7) aufweisenden Turbinenrotor (5); einem in Strömungsrichtung des zu entspannenden Mediums gesehen stromaufwärts der Laufschaufeln (7) positionierten, verstellbare Leitschaufeln (11) aufweisenden Leitapparat (6), wobei jede Leitschaufel (11) ein Leitschaufelblatt (12), einen Leitschaufeldrehteller (14) und einen in einem Leitring (15) gelagerten Leitschaufelzapfen (13) aufweist; einem in Strömungsrichtung des zu entspannenden Mediums gesehen stromaufwärts des Leitapparats (6) positionierten Zuströmgehäuse (3), über welches das zu entspannende Medium den Leitschaufeln (11) des Leitapparats (6) zuführbar ist; dadurch gekennzeichnet,dass in das Zuströmgehäuse (3) mindestens eine Sperrluftbohrung (18) eingebracht ist; in den Leitring (15) eine umlaufende Sperrluftnut (19) eingebracht ist; die oder jede in das Zuströmgehäuse (3) eingebrachte Sperrluftbohrung (18) sich durch das Zuströmgehäuse (3) hindurch erstreckt und in die in den Leitring (15) eingebrachte Sperrluftnut (19) mündet, wobei im Betrieb ein Sperrluftdruck im Bereich einer von der Sperrluftnut (19) aus mit Sperrluft beaufschlagbaren Trennfuge (17) zwischen dem Leitschaufeldrehteller (14) der jeweiligen Leitschaufel (11) und dem Leitring (15) größer als ein Abgasdruck im Bereich dieser Trennfuge (17) ist.

2. Axialturbine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dasszwischen dem Leitring (15) und dem Leitschaufelzapfen (13) der jeweiligen Leitschaufel (11) eine jeweilige Lagerstelle (16) ausgebildet ist, die von der Sperrluftnut (19) aus mit Sperrluft beaufschlagbar ist.

3. Axialturbine nach Anspruch 1oder 2,dadurch gekennzeichnet,dassdie Sperrluftnut(19) über Durchbrüche (21) im Leitring (15) mit der Trennfuge (17) und den Lagerstellen(16) kommuniziert und im Betriebe dieselben mit Sperrluft beaufschlagt.

4. Axialturbine nach einem der Ansprüche 1bis 3,dadurch gekennzeichnet,dasszwischen dem Leitring (15) und dem Zuströmgehäuse (3) Dichtungselemente zur Abdichtung der Sperrluftnut (19) angeordnet sind.

5. Axialturbine nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,dassder Leitring (15) benachbart zur Sperrluftnut (19) Aufnahmenuten (20) für die Dichtungselemente aufweist.

6. Axialturbine nach einem der Ansprüche 1bis 5,dadurch gekennzeichnet,dassdie oder jede Sperrluftbohrung (18) gegenüber der Axialrichtung der Axialturbine und gegenüber der Radialrichtung der Axialturbine schräggestellt ist.

7. Axialturbine nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet,dassdie oder jede Sperrluftbohrung (18) mit der Axialrichtung der Axialturbine einen Winkel zwischen 15° und 75°, insbesondere zwischen 30° und 60°, einschließt.

8. Turbolader (1), mit einer Axialturbine (2) zur Entspannung von Abgas und zur Gewinnung von Energie bei der Entspannung von Abgas, und mit einem Verdichter zur Verdichtung von Ladeluft unter Nutzung der in der Axialturbine (2) gewonnenen Energie,dadurch gekennzeichnet,dassdie Axialturbine (2) nach einem der Ansprüche 1bis 7ausgebildet ist.