DE10029807C1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist eine Turbine im Abgasstrang und einen von der Turbine angetriebenen Verdichter im Ansaugtrakt auf. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad mit einer Turbinennabe und einer Mehrzahl sich radial zur Turbinennabe erstreckenden Turbinenschaufeln. DOLLAR A In einer zweickmäßigen Ausführung weist die Turbinennabe eine Basisnabe und eine die Basisnabe einschließende Hüllnabe größeren Durchmessers auf, wobei zwischen dem Außenmantel der Basisnabe und dem Innenmantel der Hüllnabe ein Hohlraum gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Abgasturbolader werden in Brennkraftmaschinen zur Er­ zeugung eines erhöhten Ladedrucks zur Steigerung der Motorleis­ tung eingesetzt, indem eine Turbine des Laders vom Abgasge­ gendruck der Brennkraftmaschine angetrieben wird und über eine Welle einen Verdichter antreibt, der die angesaugte Verbren­ nungsluft auf den erhöhten Ladedruck komprimiert. Die Turbine des Abgasturboladers kann mit variabel einstellbarer Turbinen­ geometrie ausgestattet sein, was den Vorteil eines in Abhängig­ keit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine variabel ein­ stellbaren Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad bie­ tet. Derartige, mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete Abgasturbolader werden insbesondere auch im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt. Hierbei wird der Strömungsein­ trittsquerschnitt verringert, um einen erhöhten Abgasgegendruck zu erzielen, welcher bewirkt, dass zum einen das Abgas durch die Spalte zwischen benachbarten Leitschaufeln des Leitgitters mit hoher Geschwindigkeit auf das Turbinenrad trifft und dieses mit hohem Impuls beaufschlagt, zum andern muss die im Zylinder der Brennkraftmaschine im Bremsbetrieb verdichtete Luft gegen den erhöhten Abgasgegendruck ausgeschoben werden.

Ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie ist bei­ spielsweise aus der Druckschrift DE 196 15 237 C2 bekannt. Die Turbine ist als Kombinationsturbine mit einem halbaxialen und einem radialen Strömungseintrittsquerschnitt ausgerüstet. In jedem Eintrittquerschnitt befindet sich ein Leitgitter, wobei das Radialleitgitter verstellbare Leitschaufeln aufweist. In Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine wer­ den die Leitschaufeln des Radialleitgitters verstellt.

Um die Entwicklungs- und Produktionskosten für eine Vielzahl unterschiedlicher Motortypen, die mit einem derartigen Abgas­ turbolader ausgestattet sind, möglichst gering zu halten, ist man bestrebt, auch die Anzahl einzusetzender Turbinen so klein wie möglich zu halten. Um in Abhängigkeit der Motorgröße unter­ schiedliche Motordurchsätze realisieren zu können, müssen ein­ gesetzte Standardturbinen einer auf den jeweiligen Typ ange­ passten Modifikation unterzogen werden, indem beispielsweise die Radaußenkontur des Turbinenrades auf kleinere Radien herab­ geschliffen wird. Um jedoch den Spalt zwischen der Radaußenkon­ tur und der das Turbinenrad einschließenden Konturhülse kon­ stant halten zu können, muss auch die Konturhülse eine entspre­ chende Anpassung erfahren. Derartige Maßnahmen zur Anpassung der Bauteile eines Abgasturboladers an einen unterschiedlichen Motormassenstrombedarf können jedoch dadurch noch weiter er­ schwert werden, dass bei Verwendung eines variabel einstellba­ ren Radialleitgitters die Konturhülse auch die Aufgabe eines die Schaufeln des Radialleitgitters verstellenden Stellgliedes übernimmt. In diesem Fall sind bei einer Änderung des Turbinen­ raddurchmessers zusätzliche Änderungsmaßnahmen im Hinblick auf das Radialleitgitter erforderlich.

Schließlich muss auch die Geometrie des Strömungskanals für die Zufuhr von Abgas an das geänderte Turbinenrad angepasst werden, da mit kleinerem Turbinenrad auch der halbaxiale Zuströmbereich einschließlich des dort angeordneten halbaxialen Leitgitters eine Änderung erfährt.

Aus der JP 03-081 502 A ist es bekannt, in die Turbinennabe ei­ nes Turbinenrades einen Hohlraum einzubringen, welcher für Kühlzwecke von Kühlluft durchströmt wird, um die Wärme des das Turbinenrad anströmenden Mediums abzuleiten. Der Hohlraum be­ sitzt auf der dem Strömungseintrittsquerschnitt benachbarten Seite ein große Radialerstreckung, die in Achsrichtung konkav abnimmt. Zur radial innen liegenden Seite hin ist der Hohlraum von einem zylindrischen Abschnitt konstanter Wandstärke der Turbinennabe begrenzt. Die Wandstärke im konkav geformten Ab­ schnitt ist ebenfalls konstant.

Bei der Turbine dieser Druckschrift besteht die Gefahr einer Materialschädigung insbesondere in der den Hohlraum einschlie­ ßenden Wandung im radial außen liegenden Bereich nahe des Strö­ mungseintrittsquerschnitts, hervorgerufen durch die in diesem Abschnitt auftretenden hohen radialen Fliehkräfte.

Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen Abgasturbola­ der für eine Brennkraftmaschine anzugeben, der mit einfachen Maßnahmen an einen unterschiedlichen Bedarf des Motormassen­ stroms angepasst werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Die Turbinennabe des neuartigen Abgasturboladers besteht aus einer Basisnabe und eine die Basisnabe einschließende Hüllnabe, die einen größeren Durchmesser als die Basisnabe aufweist, wo­ bei zwischen Basisnabe und Hüllnabe ein Hohlraum gebildet ist. Hierdurch ist es möglich, den wirksamen Strömungsquerschnitt im Bereich des Turbinenrades an die jeweiligen Anforderungen des betreffenden Motortyps anzupassen und zugleich die träge Masse des Turbinenrades so gering wie möglich zu halten. Die zweckmä­ ßig massiv ausgeführte Basisnabe übernimmt eine tragende Funktion, über die Hüllnabe wird hingegen hauptsächlich der wirksa­ me Strömungsquerschnitt beeinflusst, wobei die Wandstärke der Hüllnabe gering gehalten werden kann, so dass auch die im Be­ trieb auftretenden und auf das Turbinenrad wirkenden Flieh­ kraftbeanspruchungen auf ein Minimum reduziert werden. Zusätz­ lich zur veränderlichen Einstellung des Strömungsquerschnitts kommt der Hüllnabe eine Stützfunktion zu, insbesondere in der Ausführung, dass sich die Turbinenschaufeln radial bis zur Ba­ sisnabe erstrecken und somit die Hüllnabe radial durchdringen.

Die Hüllnabe ermöglicht es, eine einheitliche Grundversion ei­ nes Turbinerades vorzusehen und von dieser Grundversion ausge­ hend mit geringem zusätzlichen Fertigungsaufwand individuelle Anpassungen an unterschiedliche Motortypen vorzunehmen. Insbe­ sondere der Außendurchmesser des Turbinenrades bleibt hierbei unverändert, so dass auch der Durchmesser des das Turbinenrad aufnehmenden Kanals im Abgasturbolader sowie die darin aufgenommenen Bauteile, beispielsweise Stellelemente für die variab­ le Turbinengeometrie, aber auch die Strömungseintrittsquer­ schnitte im Zuströmkanal des Laders, unverändert beibehalten werden können.

Der Hohlraum zwischen Basisnabe und Hüllnabe kann in einer vor­ teilhaften Weiterbildung zur Kühlung des Turbinenrades von Kühlluft durchströmt werden, insbesondere von einem Ladeluft- Teilmassenstram, der vom Ansaugtrakt bzw. von der Verdichter­ seite des Abgasturboladers abgezweigt und über Strömungsöffnun­ gen in der Wandung der Hüllnabe in den Hohlraum gleitet wird. Die Abgasturbine kann als Kombinationsturbine ausgebildet sein, welche eine radiale und eine halbaxiale Anströmung aufweist, wobei zweckmäßig sowohl im halbaxialen als auch im radialen Strömungseintrittsquerschnitt jeweils ein Leitgitter angeordnet sein kann, von denen zumindest ein Leitgitter in der Ausführung des Laders mit variabler Turbinengeometrie veränderlich ein­ stellbar ausgebildet sein kann. In Abhängigkeit des Durchmes­ sers der Hüllnabe kann bei ansonsten unveränderter Quer­ schnittsgeometrie der Turbine die Kombinationsturbine zwischen einer nahezu ausschließlichen Radialturbine und einer nahezu ausschließlichen Axialturbine variiert werden. Bei einem großen Hüllnabendurchmesser reduziert sich der axiale Strömungsein­ trittsquerschnitt, bei einem kleinen Hüllnabendurchmesser nimmt dagegen der axiale Strömungseintrittsquerschnitt zu, so dass ein entsprechend größerer Teilstrom axial zugeführt wird.

Zweckmäßig sind in der Hüllnabe zusätzliche Öffnungen vorgese­ hen, welche die Funktion von Material-Entfernungsöffnungen zur Entfernung von Kernmaterial haben, welches während des Gießpro­ zesses für die Ausbildung des Hohlraumes in das Turbinenrad eingesetzt wird und nach Beendigung des Gießens über die Ent­ fernungsöffnungen wieder herausgenommen wird. Diese Öffnungen sind vorzugsweise im Radaustrittsbereich angeordnet, um den Strömungsverlauf des die Turbine beaufschlagenden Abgasstromes sowenig wie möglich zu beeinflussen.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Abgasturbine eines Abgastur­ boladers, die als Kombinationsturbine mit halbaxialer und radialer Einströmung ausgebildet ist und im radi­ alen Strömungseintrittsquerschnitt ein axial ver­ schiebliches Radialleitgitter aufweist,

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung, jedoch mit verschobenem Radialleitgitter,

Fig. 3 das Turbinenrad der Kombinationsturbine in einer ver­ größerten Darstellung,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Turbinenrad gemäß Schnittli­ nie IV-IV aus Fig. 3.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Abgasturbine 1 ist Teil eines Abgastur­ boladers für eine Brennkraftmaschine. Die Abgasturbine 1 ist im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet und wird von den unter Überdruck stehenden Abgasen angetrieben. Die Abgasturbine 1 ist über eine Welle 2 mit einem nicht dargestellten Verdich­ ter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden; der Ver­ dichter komprimiert angesaugte Verbrennungsluft auf einen er­ höhten Ladedruck, welcher den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Die Abgasturbine 1 ist als Kombinationsturbine ausgeführt und weist in einem Abgas-Zuströmkanal 3 einen halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt 4 sowie einen radialen Strömungsein­ trittsquerschnitt 5 auf. Über die Strömungseintrittsquerschnit­ te 4 und 5 wird das in den Zuströmkanal 3 eingeleitete Abgas einem Turbinenrad 6 zugeführt, welches von den unter Überdruck stehenden Abgasen angetrieben wird. Sowohl im halbaxialen als auch im radialen Strömungseintrittsquerschnitt 4 bzw. 5 befin­ det sich jeweils ein Leitgitter 7 bzw. 8, wobei das radiale Leitgitter 8 mit verstellbarer Geometrie ausgestattet ist, wo­ durch eine variable Turbinengeometrie gebildet wird. In einem Abströmkanal 9, über den das entspannte Abgas die Turbine 1 verlässt und in dem das Turbinenrad 6 aufgenommen ist, befindet sich eine axial verstellbare Ringhülse 10, an deren dem Radial­ leitgitter 8 zugewandten Stirnseite Leitschaufelelemente 11 be­ festigt sind, die axial in den radialen Strömungseintrittsquer­ schnitt 5 zur Veränderung der Schaufelgeometrie des Radialleit­ gitters 8 eingeschoben werden können.

Das Turbinenrad 6 umfasst eine zweiteilige Turbinennabe, beste­ hend aus einer Basisnabe 12 und einer die Basisnabe 12 radial einschließenden Hüllnabe 13, sowie radial sich erstreckenden Turbinenschaufeln 14.

Fig. 2 zeigt die Abgasturbine 1 mit einem axial verstellten Ra­ dialleitgitter 8 im radialen Strömungseintrittsquerschnitt 5. Die Ringhülse 10 im Abströmkanal 9 ist axial in den radialen Strömungseintrittsquerschnitt 5 verschoben worden, so dass nun­ mehr die stirnseitig an der Ringhülse 10 angeordneten Leit­ schaufelelemente 11 in den Strömungseintrittsquerschnitt 5 ein­ ragen und die Geometrie dieses Querschnitts bestimmen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen das Turbinenrad 6 der Abgasturbine in einer vergrößerten Darstellung. Zwischen der zweiteiligen Tur­ binennabe, bestehend aus der massiv ausgeführten Basisnabe 12 sowie der dünnwandigen, die Basisnabe umschließenden Hüllnabe 13, sind Hohlräume 15 gebildet, die sich im Wesentlichen über die axiale Länge des Turbinenrades erstrecken, wobei benachbar­ te Hohlräume vom Sockel 16 einzelner Turbinenschaufeln 14 sepa­ riert sind. Jede Turbinenschaufel 14 erstreckt sich radial bis zur Basisnabe 12. Der radiale Abstand der Hüllnabe 13 zur Ba­ sisnabe 12 sowie die Wandstärke der Hüllnabe 13 bestimmen den wirksamen Strömungsquerschnitt des Turbinenrades 6.

Im Bereich des Radaustrittes des Turbinenrads 6 befinden sich in der Wandung der Hüllnabe 13 Material-Entfernungsöffnungen 17 zu jedem Hohlraum 15, welche während des Gießprozesses des Tur­ binenrads 6 zur Entfernung des Kerns erforderlich sind.

Im axialen Verlauf eines Hohlraumes 15 zwischen Basisnabe 12 und Hüllnabe 13 nimmt der Querschnitt, insbesondere die radiale Erstreckung jedes Hohlraumes 15, vom halbaxialen Strömungsein­ trittsquerschnitt 4 ausgehend vorteilhaft ab, vorzugsweise auch die Wandstärke der Hüllnabe 13, welche im Bereich des halbaxia­ len Strömungseintrittsquerschnitt 4 am größten ist.

Claims (10)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Tur­ bine (1) im Abgasstrang und einem von der Turbine (1) angetrie­ benen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, wobei die Turbine (1) ein Turbinenrad (6) mit einer Turbinennabe und einer Mehrzahl sich radial zur Turbinennabe erstreckender Tur­ binenschaufeln (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinennabe eine Basisnabe (12) und eine die Basisna­ be (12) einschließende Hüllnabe (13) größeren Durchmessers auf­ weist, wobei zwischen dem Außenmantel der Basisnabe (12) und dem Innenmantel der Hüllnabe (13) ein Hohlraum (15) gebildet ist, der sich im Wesentlichen über die axiale Länge des Turbi­ nenrades (6) erstreckt, und dass die Wandstärke der Hüllnabe (13) vom Strömungseintrittsquerschnitt ausgehend über den axia­ len Verlauf der Hüllnabe (13) abnimmt.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln (14) die Hüllnabe (13) radial durch­ dringen und sich bis zur Basisnabe (12) erstrecken.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (15) über zumindest eine Strömungsöffnung mit Kühlluft zu versorgen ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Ladeluft als Kühlluft zuführbar ist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllnabe (13) Material-Entfernungsöffnungen (17) zur Entfernung von den Hohlraum (15) bildenden Kernmaterials wäh­ rend des Produktionsprozesses des Turbinenrades (6) aufweist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Material-Entfernungsöffnungen (17) im Radaustrittsbe­ reich angeordnet sind.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) als Kombinationsturbine mit radialer und mit halbaxialer Anströmung ausgebildet ist.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im halbaxialen als auch im radialen Strömungsein­ trittsquerschnitt (4, 5) ein Leitgitter (7 bzw. 8) angeordnet ist.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) mit variabler Turbinengeometrie zur verän­ derlichen Einstellung des Strömungseintrittsquerschnitts (4, 5) ausgestattet ist.

10. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine axial verstellbare Ringhülse (10) im Radaustrittsbe­ reich zur veränderlichen Einstellung eines Leitgitters (8) der variablen Turbinengeometrie vorgesehen ist.