DE102006048514B3

DE102006048514B3 - Leiteinrichtung für einen VTG-Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102006048514B3
Application number: DE102006048514A
Authority: DE
Inventors: Ronald Hegner; Josef Hausknecht; Johannes M. Dr. Kech
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2026-10-14

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Leiteinrichtung (1) für einen VTG-Abgasturbolader mit Leitschaufeln zur Bestimmung des Impulses mit dem Abgas die Turbine des VTG-Abgasturboladers beaufschlagt, mit Schaufelhebeln (3), welche drehfest mit der jeweils zugeordneten Leitschaufel verbunden sind, und mit einem Stellring (4) zum Verdrehen der Schaufelhebel (3), wobei jeder Schaufelhebel (3) über ein Federelement (5) und über ein Festelement (6) im Stellring (4) gelagert ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Festelement (6) auf derjenigen Seite, welche dem Schaufelhebel (3) abgewandt ist, als Anschlag für das folgende Federelement in der Art ausgebildet ist, dass das folgende Federelement bei einer Drehung des Stellrings (4) im elastischen Bereich verbleibt. Ergänzend sind drei starre Abstandsleitschaufeln vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung für einen VTG-Abgasturbolader mit Leitschaufeln zur Bestimmung des Impulses mit dem Abgas die Turbine des VTG-Abgasturboladers beaufschlagt nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Unter einem VTG-Abgasturbolader ist ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie zu verstehen, bei dem die Winkellage der Leitschaufeln kontinuierlich von einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung veränderbar ist. Während des Betriebs sind VTG-Abgasturbolader hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese bewirken eine thermische Ausdehnung der Bauteile. Kritisch sind daher die Spaltmaße der Bauteile zueinander. Zum Beispiel verursacht ein zu geringes Spaltmaß zwischen dem Turbinengehäuse und den Leitschaufeln eine Berührung der beiden Bauteile. Dies bewirkt, dass zur Verstellung der Leitschaufeln ein sehr hohes Verstellmoment erforderlich ist oder die Leiteinrichtung vollständig blockiert. In der Praxis wird dieses Problem entschärft indem stiftförmige oder buchsenförmige Abstandshalter im Strömungsweg in der Nähe der verstellbaren Leitschaufel positioniert werden. Eine derartige Lösung ist beispielsweise aus der US 4,804,316 bekannt. Eine Fehlanströmung der Leitschaufeln und eine Wirkungsgrad-Verschlechterung muss dabei in Kauf genommen werden.

Aus der DE 103 16 389 B3 ist ebenfalls ein VTG-Abgasturbolader bekannt, bei dem ein Schaufelhebel sich an beiden Seiten über ein Federelement abstützt, wodurch diese Anordnung spielfrei gestellt wird. Die Verbindungsstelle Federelement und Schaufelhebel ist kritisch, da die Bauteile miteinander thermisch verschweißen können. Eine festsitzende Leitschaufel bewirkt beim Verstellen der Leiteinrichtung, dass das Federelement überdehnt wird und dauerhaft geschädigt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Betriebssicherheit der Leiteinrichtung zu erhöhen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, dass das Festelement auf derjenigen Seite, welche dem Schaufelhebel abgewandt ist, als Anschlag für das folgende Federelement dient. Der Anschlag ist in der Art ausgebildet ist, dass das folgende Federelement beim Verdrehen des Stellrings im elastischen Bereich verbleibt. Der Anschlag ist beispielsweise als Nase ausgebildet. Das Federelement wird also wirkungsvoll vor einer Überdehnung geschützt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Stellring und ein Trägerring, welcher die Leitschaufeln trägt, über Kugeln gegeneinander gelagert sind. Durch die Lagerung wird ein thermisches Festsetzen der Anlagefläche des Stellrings zur gegenüberliegenden Anlagefläche des Trägerrings verhindert.

Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Betriebssicherheit besteht darin, dass zumindest drei Schaufelhebel als nicht verschwenkbare Haltestücke ausgebildet sind. Ergänzend sind die Haltestücke über einen Ring untereinander verbunden. Jedes Haltestück ist drehfest mit einer Abstandsleitschaufel verbunden, welche eine größere Höhe aufweist als die Leitschaufeln. Diese Abstandsleitschaufeln dienen als Abstandshalter gegenüber dem Turbinengehäuse, wodurch ein Festsitzen der Leitschaufeln bei sich ausdehnendem Turbinengehäuse verhindert wird.

Diese Abstandsleitschaufeln sind in ihrer Winkellage so positioniert, dass im Volllastpunkt keine Fehlanströmung auftritt, d.h. es entstehen keine Strömungsverluste. Bei geschlossener Leiteinrichtung kann eine Fehlanströmung im Bereich der Abstandsleitschaufeln durch eine Verkleinerung der Durchströmbreite ausgeglichen werden.

In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei zeigen:

1 eine dreidimensionale Ansicht der Leiteinrichtung;

2 ein Draufsicht auf den Stellring;

3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2;

4 einen vergrößerten Ausschnitt der 2;

5 ein Schnittbild Linie V-V aus 2.

Die 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Leiteinrichtung 1 eines VTG-Abgasturboladers. Dessen Funktion und prinzipieller Aufbau ist beispielsweise aus der DE 103 16 389 B3 bekannt. Bei der in 1 dargestellten Leiteinrichtung 1 sind folgende Bauteile ersichtlich: Leitschaufeln 2 mit einer Höhe h1, Abstandsleitschaufeln 12 mit einer Höhe h2, ein Trägerring 9 und ein Stellring 4.
Dargestellt sind zwölf Leitschaufeln 2 und drei Abstandsleitschaufeln 12, welche um 120 Grad gegeneinander versetzt sind. Die Abstandsleitschaufeln 12 sind höher als die Leitschaufeln 2, es gilt also h2 > h1. Die Abstandsleitschaufeln 12 sind in ihrer Winkellage nicht veränderbar und dienen als Abstandshalter gegenüber einem Turbinengehäuse des VTG-Abgasturboladers. Diese bewirken, dass eine thermische Ausdehnung des Turbinengehäuses in Richtung der Oberseite der Leitschaufeln 2, Bezugszeichen 13, begrenzt wird. Ein Klemmen der Leitschaufeln 2 wird dadurch verhindert. Die Leitschaufeln 2 sind in der Winkellage veränderlich, zum Beispiel um 14 Grad zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position.
Die 2 zeigt in einer Draufsicht den Stellring 4. Dieser umfasst Federelemente 5 und Festelemente 6. Ein Federelement 5 und das zugehörige Festelement 6 sind beabstandet, das heißt, sie bilden eine Tasche 14. Innerhalb dieser Tasche 14 ist ein Schaufelhebel 3 oder ein Haltestück 11 angeordnet. In 2 ist ein erster ovaler Bereiche markiert, welche in 3 als vergrößerten Ausschnitt dargestellt ist. Ein zweiter ovaler Bereich ist als vergrößerten Ausschnitt in der 4 abgebildet. Ein Schnitt entlang der Linie V-V ist in der 5 dargestellt.
In der 3 ist der erste Ausschnitt dargestellt. Der Schaufelhebel 3 ist drehfest mit der zugeordneten Leitschaufel 2, siehe 1, verbunden. Im Stellring 4 ist jeder Schaufelhebel 3 über das Federelement 5 und über das Festelement 6 gelagert. Das Federelement 5 hält den Schaufelhebel 3 in Kraftschluss mit dem Festelement 6. Die Erfindung sieht nun vor, dass das Festelement 6 auf derjenigen Seite, welche dem Schaufelhebel 3 abgewandt ist, als Anschlag 7 für das folgende Federelement 5.1 dient. In 3 ist dieser Anschlag 7 als eine Nase 8 ausgebildet.
Beim Übergang der Leiteinrichtung 1 vom geschlossenen in den geöffneten Betriebszustand wird der Stellring 4 entgegen dem Uhrzeigersinn betätigt. Über die Drehung des Stellrings 4 wird das Federelement 5 in die gleiche Richtung gedreht. Bei einer freigängigen Leitschaufel 2 wird dann der Schaufelhebel 3 um seine Drehachse A im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch die Leitschaufel 2 ihre Winkellage entsprechend ändert.
Zwischen dem Trägerring 9 und einer Leitschaufel 2 ablagerte Abgas-Partikel sowie thermische Ausdehnung können eine festsitzende Leitschaufel 2 bewirken. In diesem Fall dreht sich beispielsweise der Schaufelhebel 3.1 nicht um seine Drehachse B. Beim Verdrehen des Stellrings 4 entgegen dem Uhrzeigersinn wird dann das folgende Federelement 5.1 auf die Nase 8 des Festelements 6 gedrückt. Der Weg des folgenden Federelements 5.1 wird hierdurch begrenzt, z. B. auf 0.7 mm. Die Verformung des Federelements bleibt im elastischen Bereich.
In der 4 ist der zweite Ausschnitt aus der 2 dargestellt. Hieraus ist das Haltestück 11 ersichtlich, welches radial kürzer als ein Schaufelhebel 3 ist. Ergänzend sind die drei Haltestücke 11 über einen Ring 15 fest miteinander verbunden. Bim Verdrehen der Stellrings 4 verändern die Haltestücke 11 ihre Winkellage nicht. Da jedes Haltestück 11 drehfest mit der zugeordneten Abstandsleitschaufel 12, Höhe h2, verbunden ist, verändern auch die Abstandsleitschaufeln 12 ihre Winkellage nicht. Diese sind also starr.
In der 5 ist ein Schnittbild entlang der Linie V-V aus der 2 ersichtlich. Der Trägerring 9 und der Stellring 4 sind über Kugeln 10 gegeneinander gelagert. Durch die Kugeln 10 wird sichergestellt, dass die beiden Bauteile auch bei hohen Betriebstemperaturen gegeneinander drehbar bleiben. Ein punktuelles thermisches Verschweißen der Anlagefläche gegeneinander wird verhindert.
Die Erfindung bietet folgende Vorteile:

– über das Federelement ist die Leiteinrichtung nahezu spielfrei;
– über das Festelement wird der Weg des folgenden Federelements begrenzt, wodurch ein plastische Verformung des Federelements bei festsitzender Leitschaufel verhindert wird;
– über mindestens drei starre Abstandsleitschaufeln größerer Höhe bleiben die Leitschaufeln auch dann gängig, wenn das Turbinengehäuses sich ausdehnt, wodurch das Spaltmaß verringert werden kann;
– über die Kugeln wird ein Festsitzen des Trägerrings am Stellring verhindert.

1: Leiteinrichtung
2: Leitschaufel, Höhe h1
3: Schaufelhebel
4: Stellring
5: Federelement
5.1: Federelement, folgendes
6: Festelement
7: Anschlag
8: Nase
9: Trägerring
10: Kugel
11: Haltestück
12: Abstandsleitschaufel, Höhe h2
13: Oberseite
14: Tasche
15: Ring

Claims

Leiteinrichtung (1) für einen VTG-Abgasturbolader mit Leitschaufeln (2) zur Bestimmung des Impulses mit dem Abgas die Turbine des VTG-Abgasturboladers beaufschlagt, mit Schaufelhebeln (3), welche drehfest mit der jeweils zugeordneten Leitschaufel (2) verbunden sind, und mit einem Stellring (4) zum Verdrehen der Schaufelhebel (3), wobei jeder Schaufelhebel (3) über ein Federelement (5) und über ein Festelement (6) im Stellring (4) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Festelement (6) auf derjenigen Seite, welche dem Schaufelhebel (3) abgewandt ist, als Anschlag (7) für das folgende Federelement (5.1) in der Art ausgebildet ist, dass das folgende Federelement (5.1) beim Verdrehen des Stellrings (4) im elastischen Bereich verbleibt.
Leiteinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (7) als Nase (8) ausgebildet ist.
Leiteinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stellring (4) und ein Trägerring (9), welcher die Leitschaufeln (2) trägt, über Kugeln (10) gegeneinander gelagert sind.
Leiteinrichtung (1) nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Schaufelhebel (3) als nicht verschwenkbare Haltestücke (11) ausgebildet sind und jedes Haltestück (11) drehfest mit einer Abstandsleitschaufel (12) verbunden ist, wobei die Abstandsleitschaufel (12) eine größere Höhe (h2) aufweist als die Leitschaufel (2).
Leiteinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestücke (11) über einen Ring (15) miteinander verbunden sind.
Leiteinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsleitschaufeln (12) in der Art positioniert sind, dass in einem Volllastpunkt diese dieselbe Winkellage wie die Leitschaufeln (2) aufweisen.