DE102005027080A1

DE102005027080A1 - Abgasturbine in einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102005027080A1
Application number: DE102005027080A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Torsten Dipl.-Ing. Hirth; Hans-Georg Dipl.-Ing. Lehmann (FH); Volker Dipl.-Ing. Siedle; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Fledersbacher Peter De
Priority date: 2005-06-11
Filing date: 2005-06-11
Publication date: 2006-12-14
Also published as: US20080152484A1; US8186943B2; WO2006133838A1; JP4612719B2; JP2008544126A; CN101218415A; CN101218415B

Abstract

Eine Abgasturbine in einem Abgasturbolader ist mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Turbinenrad versehen, dem über eine Einlassflut Abgas zuführbar ist, welches über einen Austrittskanal aus der Abgasturbine abführbar ist. Im Turbineneintrittsquerschnitt im Übergang von der Einlassflut zu dem Turbinenrad ist ein Leitgitter und ein damit zusammenwirkender Axialschieber angeordnet. Das Leitgitter ist gehäusefest montiert, der Axialschieber ist auf der dem Austrittskanal zugewandten Seite angeordnet. Die dem Austrittskanal abgewandte, gehäusefeste Begrenzungswand des Turbineneintrittsquerschnitts schließt axial bündig mit den Turbinenradschaufeln ab.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasturbine in einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der Druckschrift EP 0 654 587 B1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine und dessen Verdichter im Ansaugtrakt angeordnet ist, wobei das Turbinenrad der Abgasturbine von den unter Druck stehenden Abgasen angetrieben wird und diese Drehbewegung über eine Welle auf das Verdichterrad im Verdichter übertragen wird, woraufhin unter Umgebungsdruck stehende Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird. Die Abgasturbine ist mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet, bestehend aus einem axial verschieblichen Leitgitter im Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer Einlassflut und dem Turbinenrad, mit deren Hilfe der Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist. Die variable Turbinengeometrie erlaubt es, den Abgasgegendruck in Abhängigkeit des aktuellen Motor- und Betriebszustandes veränderlich einzustellen.

Das Leitgitter im Turbineneintrittsquerschnitt ist an einem Axialschieber gehalten, der in einer gehäuseseitigen Ausnehmung verschieblich gelagert ist. Eine Wandung des Axialschie bers bildet eine der beiden seitlichen Begrenzungswände des Turbineneintrittsquerschnittes. Bei einer Verschiebung des Axialschiebers fährt die freie Stirnseite des Leitgitters in gegenüberliegende Ausnehmungen im Turbinengehäuse ein. Je nach axialer Position des Axialschiebers wird ein größerer oder kleinerer wirksamer Turbineneintrittsquerschnitt eingestellt.

Die verstellbare, am Axialschieber ausgebildete Begrenzungswand des Turbineneintrittsquerschnittes befindet sich auf der dem Austrittskanal der Abgasturbine abgewandten Lagerseite der Turbine. Bei voll geöffnetem Turbineneintrittsquerschnitt liegt die Begrenzungswand am Axialschieber in einer Flucht mit der axialen Stirnseite der Turbinenradschaufeln. Bei reduziertem Turbineneintrittsquerschnitt ist dagegen die Begrenzungswand am Axialschieber gegenüber der Stirnseite der Turbinenradschaufeln axial eingerückt, wodurch sich die Strömungsverhältnisse zwischen der Eintrittsflut und dem Turbinenrad signifikant verändern.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Abgasturbine in einem Abgasturbolader anzugeben, die über eine variable Turbinengeometrie in Form eines Leitgitters mit Axialschieber verfügt und sich in einem weiten Betriebsbereich durch günstige Strömungsverhältnisse auszeichnet. Es soll zweckmäßig auch eine Möglichkeit angegeben werden, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Abblasefunktion der Abgasturbine zu realisieren.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei der erfindungsgemäßen Abgasturbine ist das Leitgitter, welches sich in den Turbineneintrittsquerschnitt hinein erstreckt, gehäusefest montiert, wobei eine Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes mithilfe der Verschiebung des Axialschiebers erfolgt. Der Axialschieber ist auf der dem Austrittskanal, über den die Abgase abgeleitet werden, zugewandten Seite angeordnet, dementsprechend befindet sich das Leitgitter auf der dem Austrittskanal abgewandten Seite im Turbinengehäuse. Des Weiteren ist vorgesehen, dass die dem Austrittskanal abgewandte, gehäusefeste Begrenzungswand des Turbineneintrittsquerschnitts axial bündig mit den Turbinenradschaufeln des Turbinenrades abschließt. Dadurch verbleibt beim Schließen des Axialschiebers in Richtung Stauposition ein wirksamer Turbineneintrittsquerschnitt, der über dem der Lagerseite der Turbine zugewandten Teil des Turbinenradeintritts zu liegen kommt. Dieses Merkmal unterscheidet die vorgeschlagene Erfindung von aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen, bei denen die der Lagerseite zugewandte Begrenzungsfläche des Strömungskanals axial verschieblich ist und die dem Austrittskanal zugewandte Begrenzungsfläche feststeht.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung kann sehr einfach eine Abblasefunktion dargestellt werden, welche beispielsweise dadurch erreicht wird, dass bei zurückgezogenem Axialschieber – also bei vergrößertem Turbineneintrittsquerschnitt – ein Abblaseweg unmittelbar zwischen der Einlassflut und dem Austrittskanal in der Abgasturbine freigegeben ist, über den das Abgas im Wesentlichen unter Umgehung der Turbinenradschaufeln abströmen kann. Auf diese Weise wird eine sogenannte innere Abblasung realisiert, die beispielsweise bei hohen Motor-Drehzahlen zum Abbau des Abgasgegendruckes aktiviert werden kann. Über die axiale Position des Axialschiebers kann die Abblasemenge stufenlos eingestellt werden.

Der Axialschieber ist zweckmäßig als Matrize ausgebildet, die im Bereich einer Stirnseite Aufnahmeöffnungen für die Aufnahme des gehäusefesten Leitgitters aufweist. Die Tiefe dieser Aufnahmeöffnungen sowie die Relativposition des Axialschiebers in Bezug auf das Leitgitter sind vorteilhaft in der Weise ausgeführt, dass die Leitschaufeln am Leitgitter auch bei maximal zurückgezogenem Axialschieber noch in den Aufnahmeöffnungen geführt sind.

In einer bevorzugten Ausführung sitzt der Axialschieber auf einer das Turbinenrad einschließenden Konturhülse auf und ist auf dieser verschieblich gelagert. Diese Konturhülse kann, da sie fest und unbeweglich im Turbinengehäuse montiert ist, in bestmöglicher Weise an die Kontur des Turbinenrades angepasst werden, so dass Spalte zwischen den Turbinenradschaufeln und der Innenseite der Konturhülse minimiert und Fehlluftströme weitgehend vermieden werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Konturhülse zumindest eine Abblaseöffnung auf, die zumindest bei maximaler Öffnungsposition des Axialschiebers freigelegt ist, so dass aus der Einlassflut unmittelbar Abgas in den Austrittskanal übertreten kann. Das Leitgitter erstreckt sich vorteilhaft axial bis über die Abblaseöffnung in der Konturhülse, so dass auch bei zurückgezogenem Axialschieber und freigelegter Abblaseöffnung das abströmende Abgas zunächst das Leitgitter passieren muss und von diesem einen Drall aufgeprägt bekommt, der die Strömungsverhältnisse am Turbinenaustrittsquerschnitt verbessert, wodurch auch im Abblasebetrieb eine Wirkungsgradsteigerung erzielt wird.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, deren Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet ist,
2 einen Schnitt durch die Abgasturbine des Abgasturboladers, mit feststehendem Leitgitter im Turbineneintrittsquerschnitt, das mit einem verschieblichen Axialschieber zusammenwirkt, dargestellt in einer den Turbineneintrittsquerschnitt minimierenden Stauposition,
3 eine Ausschnittvergrößerung der Abgasturbine mit maximal zurückgezogenem Axialschieber, wodurch der Turbineneintrittsquerschnitt ein Maximum einnimmt,
4 eine Ansicht auf die Konturhülse in der Abgasturbine, in die Abblaseöffnungen eingebracht sind, und auf das feststehende Leitgitter mit den Leitschaufeln,
4a eine Ansicht auf die Stirnseite des Leitgitters,
4b das Leitgitter im Schnitt gemäß Schnittlinie A-A aus 4a.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, bei der es sich insbesondere um einen Ottomotor handelt, gegebenenfalls aber auch um eine Diesel-Brennkraftmaschine, ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst. In der Abgasturbine 3 ist ein Turbinenrad drehbar gelagert, das von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Diese Drehbewegung wird über eine Welle 7 auf das Verdichterrad im Verdichter 5 übertragen, woraufhin unter Umgebungsdruck stehende Verbrennungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird.
Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 8 ausgestattet, die insbesondere als ein in den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt einragendes Leitgitter mit einem zusammenwirkenden Axialschieber ausgebildet ist, wobei eine axiale Verstellung des Axialschiebers eine Veränderung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition auslöst.
Stromab des Verdichters 5 ist im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 9 angeordnet, in dem die zugeführte Verbrennungsluft gekühlt wird. Anschließend wird die gekühlte Ladeluft den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Des Weiteren ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführeinrichtung 10 versehen, die eine Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und dem Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 9 umfasst. In der Rückführleitung befindet sich ein Abgaskühler sowie ein einstellbares Regelventil.
Über eine Regel- und Steuereinheit 11 werden in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine verstellt, insbesondere die variable Turbinengeometrie 8 und das Regelventil in der Abgasrückführeinrichtung 10.
In 2 ist die Abgasturbine 3 im Schnitt dargestellt. Das in einem Gehäuse drehbar gelagerte Turbinenrad 14 ist über die Welle 7 mit dem Verdichterrad drehfest gekoppelt. Das Abgas wird der Abgasturbine 3 über eine im Turbinengehäuse 12 ausgebildete, spiralförmige Einlassflut 16 zugeführt, die einflutig ausgebildet ist. Zwischen der Einlassflut 16, die radial das Turbinenrad 14 umschließt, und dem Turbinenrad 14 liegt ein Turbineneintrittsquerschnitt 15, in den Leitschaufeln 18 eines Leitgitters 17 einragen. Dieses Leitgitter 17 ist gehäusefest angeordnet. Die Leitschaufeln 18 sind in Aufnahmeöffnungen eines Axialschiebers 19 aufgenommen, der auf einer Konturhülse 20 aufsitzt und axial auf der Konturhülse verschieblich ist. Der Axialschieber 19 wird über ein Stellglied 21 axial verstellt. Die Konturhülse 20 umgreift bzw. umschließt die Turbinenradschaufeln des Turbinenrades 14 und ist an die Kontur der Turbinenradschaufeln angepasst. In die Wandung der Konturhülse 20 sind über den Umfang verteilt Abblaseöffnungen 22 eingebracht, die bei axial zurückgezogener Position des Axialschiebers 19 – diese axial zurückgezogene Position entspricht der maximalen Öffnungsstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes 15 – freigelegt sind, so dass ein Abblaseweg unmittelbar von der Einlassflut 16 über die Leitschaufeln 18 zum Austrittskanal 13 unter Umgehung der Turbinenradschaufeln freigegeben ist.
In der Darstellung gemäß 2 sind die Abblaseöffnungen 22 jedoch von dem Axialschieber 19 überdeckt, der sich in einer den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt 15 minimierenden Stauposition befindet; eine Abblasung über die Abblaseöffnungen 22 ist in dieser Position nicht möglich, vielmehr muss das Abgas, welches sich in der Einlassflut 16 befindet, den Strömungsweg über den Turbineneintrittsquerschnitt 15 unmit telbar auf die Turbinenradschaufeln des Turbinenrades 14 nehmen.
In der vergrößerten Darstellung der Abgasturbine 3 gemäß 3 befindet sich der Axialschieber 19 in seiner maximal zurückgezogenen Position, in welcher der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt 15 einen Maximalwert einnimmt. Der Turbineneintrittsquerschnitt 15 ist von zwei seitlichen Begrenzungswänden 24 und 25 begrenzt, von denen die erste Begrenzungswand 24 Bestandteil des Leitgitters 17 ist und die zweite, gegenüberliegende Begrenzungswand 25 von der Stirnseite des Axialschiebers 19 gebildet wird. In dieser zurückgezogenen Position des Axialschiebers 19 befinden sich zwar die stirnseitigen Enden der Leitschaufeln 18 noch in den Aufnahmeöffnungen 23 im Axialschieber, zugleich ist aber gemäß Pfeil 26 ein Strömungsweg über die Abblaseöffnung 22 freigegeben, so dass Abgas aus der Einlassflut 16 über die Abblaseöffnung 22 in der Konturhülse 20 unter Umgehung der Turbinenradschaufeln unmittelbar in den Austrittskanal 13 überströmen kann.
Des Weiteren ist 3 zu entnehmen, dass die fest stehenden Leitschaufeln am Leitgitter 17 sich axial bis in den Bereich der Abblaseöffnung 22 erstrecken, so dass das überströmende Abgas gezwungen ist, den Strömungsweg über die Leitschaufeln 18 zu nehmen, wodurch auch dem abgeblasenen Abgas ein Drall aufgeprägt wird, der die Strömungsverhältnisse insbesondere im Bereich des Austrittes aus der Abgasturbine verbessert.
Die gehäusefeste Begrenzungswand 24 des Turbineneintrittsquerschnittes 15, die fester Bestandteil des Leitgitters 17 ist, liegt auf der dem Austrittskanal 13 abgewandten Seite, wohingegen der Axialschieber 19 einschließlich der stirnseitigen Begrenzungswand 25 auf der dem Austrittskanal 13 zuge wandten Seite des Turbineneintrittsquerschnittes angeordnet ist. Die Begrenzungswand 24 schließt axial bündig mit der axialen Stirnseite der Turbinenradschaufeln ab. Die Begrenzungswand 24 ist geringfügig gegenüber einer Radialebene senkrecht zur Drehachse des Turbinenlaufzeugs geneigt, der Neigungswinkel liegt in einem Bereich zwischen 0° und etwa 30°.
Wie 4, 4a und 4b zu entnehmen, sind die äußeren, stirnseitigen Abschnitte 27 der Leitschaufeln 18 mit einer im Vergleich zu den sonstigen Abschnitten veränderten Kontur versehen und sind insbesondere gegenüber den sonstigen Abschnitten radial zurückgesetzt. Diese äußeren Abschnitte 27 der Leitschaufeln 18 erstrecken sich axial bis in Höhe der Abblaseöffnungen 22. Bei zurückgezogenem Axialschieber 19 sind die Abblaseöffnungen 22 freigelegt, Abgas kann über die Abblaseöffnungen abströmen. Beim Passieren der Leitschaufeln 18 wird dem Abgas ein Mitdrall aufgeprägt, der bezogen auf die Strömungsverhältnisse am Turbinenaustritt Vorteile bringt und so zu einer Verbesserung der Turbinenwirkungsgrade im Abblasebetrieb führt.
Der Verlauf des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts 15 über den axialen Weg des Axialschiebers 19 kann durch das radiale Zurücksetzen der Leitschaufeln in den äußeren Abschnitten 27 den Erfordernissen des Motors hinsichtlich seines Durchsatzverhaltens angepasst werden.
Weiterhin ist es durch die Verwendung einer Konturhülse 20 vorteilhafterweise möglich, die radiale Außenkontur der Turbinenradschaufeln über die axiale Länge gesehen veränderlich auszubilden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Verhältnis TRIM des Austrittsdurchmessers der Turbinenradschaufeln zum Eintrittsdurchmesser in einem Werte bereich zwischen 0.6 und 0.85 liegt. Bei diesem Verhältnis ist der Austrittsdurchmesser der Turbinenradschaufeln kleiner als der Eintrittsdurchmesser, was zu einer verbesserten Impulsübertragung auf das Turbinenrad beiträgt.

Claims

Abgasturbine in einem Abgasturbolader (2), mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Turbinenrad (14), dem über eine Einlassflut (16) Abgas zuführbar ist, welches über einen Austrittskanal (13) aus der Abgasturbine (3) abführbar ist, mit einem Turbineneintrittsquerschnitt (15), der im Übergang von der Einlassflut (16) zu dem Turbinenrad (14) zwischen zwei seitlichen Begrenzungswänden (24, 25) gebildet ist und in dem ein Leitgitter (17) und ein mit dem Leitgitter (17) zusammenwirkender, in Achsrichtung verstellbarer Axialschieber (19) angeordnet sind, wobei eine der Begrenzungswände (24, 25) des Turbineneintrittsquerschnitts (15) verschieblich ausgeführt und von dem Axialschieber (19) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (17) im Turbineneintrittsquerschnitt (15) gehäusefest montiert ist, dass der Axialschieber (19) auf der dem Austrittskanal (13) zugewandten Seite angeordnet ist und dass die dem Austrittskanal (13) abgewandte, gehäusefeste Begrenzungswand (24) des Turbineneintrittsquerschnitts 15) axial bündig mit den Turbinenradschaufeln des Turbinenrades (14) abschließt.
Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei zurückgezogener Position des Axialschiebers (19) ein Abblaseweg (26) zwischen dem Turbineneintrittsquerschnitt (15) und Austrittskanal (13) freigegeben ist.
Abgasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (19) auf einer das Turbinenrad (14) umhüllenden Konturhülse (20) aufsitzt und auf dieser verschieblich gelagert ist.
Abgasturbine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Konturhülse (20) mindestens eine Abblaseöffnung (22) eingebracht ist, die bei maximaler Öffnungsposition des Axialschiebers (19) freiliegt und in einer den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt (15) minimierenden Stauposition verschlossen ist.
Abgasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (17) sich axial bis in Höhe der Abblaseöffnung (22) erstreckt und bei maximaler Öffnungsposition des Axialschiebers (19) noch eine Überdeckung der Abblaseöffnungen (22) gegeben ist.
Abgasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der über den Abblaseöffnungen (22) liegende Teil der Leitschaufeln (18) einen Konturabschnitt (27) aufweist, durch die Sehnenlänge des Leitschaufelprofils um bis zu 30% verkürzt wird.
Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäusefeste, axial mit den Turbinenradschaufeln abschließende Begrenzungswand (24) des Turbineneintrittsquerschnitts (5) gegenüber einer Radialebene senkrecht zur Drehachse des Turbinenlaufzeugs einen Winkel kleiner als 30° einschließt.
Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (TRIM) des Austrittsdurchmessers der Turbinenradschaufeln zum Eintrittsdurchmesser im Bereich zwischen 0.6 und 0.85 liegt: 6 < TRIM < 0.85.