DE102007023681B4

DE102007023681B4 - Turbolader

Info

Publication number: DE102007023681B4
Application number: DE102007023681.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Böning
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: DE102007023681A1

Abstract

Turbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Abgaseintrittsöffnung (3) und eine Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist;mit einem Turbinenrad (5), das auf einer Welle (6) befestigt und im Turbinengehäuse (2) angeordnet ist;mit einer Mehrzahl von Schaufeln (7), die im Turbinengehäuse (2) zwischen der Abgaseintrittsöffnung (3) und dem Turbinenrad (5) angeordnet sind, wobei jede Schaufel (7) folgendes aufweist:• eine Schaufelunterseite (8) und eine Schaufeloberseite (9), die die Schaufeldicke bestimmen,• eine Schaufelvorderkante (10) an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9),• eine Schaufelhinterkante (11) an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9),• eine Profilmittellinie (12), die von der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9) definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante (10) zur Schaufelhinterkante (11) verläuft,dadurch gekennzeichnet,• dass die Profilmittellinie (12), aufgetragen in einem X-Y-Koordinatensystem einen gewölbten Bereich (14A) mit positiven Y-Werten aufweist, der zwischen der Schaufelhinterkante (11) und einem ersten Übergangspunkt (Pi) der Profilmittellinie (12) liegt, wobei ein Ursprung des X-Y-Koordinatensystems in der Schaufelhinterkante (11) angeordnet ist und, wobei sich eine X-Achse des X-Y-Koordinatensystems von der Schaufelhinterkante (11) zur Schaufelvorderkante (10) erstreckt,• dass die Profilmittellinie (12) ab dem ersten Übergangspunkt (Pi) zu einem zweiten Übergangspunkt (P2) einen geradlinig verlaufenden Bereich (14B) mit Werten von Y > 0 aufweist,• dass die Profilmittellinie (12) ab dem zweiten Übergangspunkt (P2) einen weiteren gewölbten Bereich (14C) mit positiven Y-Werten bis zur Schaufelvorderkante (10) aufweist,• dass der erste Übergangspunkt (Pi) in einem Schaufellängenbereich zwischen 50% und 70% und der zweite Übergangspunkt (P2) in einem Schaufellängenbereich zwischen 90% und 95% liegen, und• dass der geradlinig verlaufende Bereich (14B) der Profilmittellinie (12) in einem Schaufellängenbereich zwischen 50% und 95% liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere einen VTG-Abgasturbolader, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Schaufel eines Turboladers nach dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Ein derartiger Turbolader ist aus der US 6,709,232 B1 (entsprechend EP 1 534 933 A1 ) oder der US 2004/0170495 A1 bekannt.
Eine weitere bekannte Schaufel, die in der US 5 299 909 A beschrieben ist, weist eine Profilmittellinie auf, die wellenförmig gestaltet ist und die gemäß der Beschreibung auch einen geradlinigen Bereich aufweisen kann, jedoch ist in dieser Druckschrift nicht gesagt, wie die jeweiligen Bereiche zueinander angeordnet sind. Schließlich ist aus der WO 2005/064121 A1 eine Schaufel eines Turboladers bekannt, deren Profilmittellinie bauchig gestaltet ist.
Die Vorteile und der Erfolg direkt einspritzender Dieselmotoren bezüglich Fahrbarkeit und geringem Verbrauch sind durch den Einsatz von Turboladern mit leitschaufelgeregelter Turbine wesentlich unterstützt worden. Hiermit kann der mögliche Betriebsbereich der Turbine bei gutem Wirkungsgrad im Vergleich zu bypassgeregelten Turbinen wesentlich vergrößert werden.
Bei Einsatz eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ist es bekannt, dass die Effizienz bei Verwendung von geraden Schaufeln (d.h., Schaufeln mit gerader Skelett- bzw. Profilmittellinie und einer symmetrischen Dickenverteilung) bei hohen Aufladegraden an ihre Grenzen stößt. Dies gilt insbesondere für den Anfahrbereich des Motors (geringe Motordrehzahl bei Volllast). Die Eigenschaften der geraden Schaufeln bezüglich deren Regelbarkeit können jedoch als gut bezeichnet werden.
Um die genannten thermodynamischen Defizite der geraden Schaufeln auszugleichen, schlägt die zuvor genannte US 6,709,232 B1 den Einsatz gebogener bzw. profilierter Schaufeln vor. Im geschlossenen Zustand dieser Schaufeln, d.h., wenn die Schaufeln sehr eng beieinanderstehen, kommt es bei der aus der gattungsgemäßen Druckschrift bekannten Anordnung zu Fehlanströmungen, die zu Verstellmomenten führen, die entweder in die Richtung des Öffnens der Schaufeln oder des Schließens der Schaufeln wirken. Dies hat insgesamt eine Verschlechterung des Wirkungsgrades zur Folge. Ferner kann dieser Effekt zu einer Vergrößerung der Hysterese beim Regelungsvorgang führen, was bis zum Verlust der Verstellfähigkeit führen kann, falls die auftretenden Kräfte die Kräfte der Verstelleinrichtung überschreiten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. eine Schaufel eines Turboladers der im Oberbegriff des Anspruches 4 angegebenen Art zu schaffen, der gute thermische Eigenschaften seiner Schaufeln der verstellbaren Turbinengeometrie mit einer verbesserten Regelungseigenschaft ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die
Durch den Einsatz eines Turboladers mit der erfindungsgemäßen Schaufelform kann neben einer Verbesserung der Thermodynamik durch Verringerung der Totaldruckverluste im Leitapparat das auftretende Schließmoment deutlich reduziert werden. Somit kann unter Beibehaltung der Drehachse der Schaufel das Regelungsverhalten verbessert werden.
Sollen Öffnungsmomente erzielt werden, muss eine Verschiebung der Drehachse zur Schaufelvorderkante hin erfolgen. Hierfür bietet die erfindungsgemäße Schaufelgeometrie den Vorteil, dass die Verschiebung der Drehachse im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schaufeln nur um einen geringeren Betrag erfolgen muss. Somit ist ein geringerer radialer Bauraum im Vergleich zu bekannten Lösungen erforderlich.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Die Profilmittellinie der erfindungsgemäßen Schaufel besteht aus 3 verschiedenen Bereichen. Sowohl von der Schaufelhinterkante wie auch von der Schaufelvorderkante aus erstreckt sich jeweils ein gewölbter Bereich der Profilmittellinie. Zwischen diesen beiden gewölbten Bereichen liegt der lineare Bereich.
Wird diese Profilmittelachsenform in ein X-Y-Koordinatensystem mit horizontaler X-Achse und vertikaler Y-Achse eingetragen, ergeben sich Y-Werte, die bis auf Null-Werte für die Schaufelvorderkante und Schaufelhinterkante stets positive Werte annehmen.
Der geradlinige Bereich der Profilmittellinie kann sich erfindungsgemäß vom ersten Übergangspunkt bis zu einem zweiten Übergangspunkt erstrecken, ab dem die Profilmittellinie dann bei dieser Ausführungsform wieder einen gewölbten Bereich bis zur Schaufelvorderkante aufweist.
Hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften ergibt sich eine geänderte Ausrichtung der Schaufelvorderkante, was die Stoßverluste aufgrund einer flacheren Anströmung der Schaufelvorderkante verringert.
Ferner ergeben sich in den Kanälen zwischen den Schaufeln geringere Geschwindigkeiten, was geringere Strömungsverluste ergibt, wobei jedoch eine annähernd gleich bleibende Umlenkung in Umfangsrichtung aufrecht erhalten werden kann.
Ferner werden die auftretenden Momente in Richtung „Öffnen“ geändert, was durch geringere Geschwindigkeiten im Kanal erreicht wird, wobei der statische Druck ansteigt und dadurch in Verbindung mit dem Drehpunkt ein Moment in Richtung „Öffnen“ entsteht. Dies gilt für die Schaufeloberseiten-Hinterkante und für die Schaufelunterseiten-Vorderkante.
Die Hinterkanten-Oberseite kann gewölbt oder geradlinig ausgebildet sein.
Wird die Hinterkanten-Oberseite der Schaufel geradlinig ausgeführt, ergibt sich eine Vergrößerung des wirksamen Kanalquerschnitts.
Dies ergibt wiederum geringere Verluste durch niedrige Geschwindigkeiten im Kanal bei gleich bleibender Umlenkung in Umfangsrichtung.
Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine Änderung der auftretenden Momente in Richtung „Öffnen“ durch geringere Geschwindigkeiten im Kanal, was wiederum den statischen Druck ansteigen lässt, der in Verbindung mit dem Drehpunkt ein Moment in Richtung „Öffnen“ entstehen lässt.
In Anspruch 4 ist eine erfindungsgemäße Schaufel als selbstständig handelbares Objekt definiert.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turboladers;
2 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel der verstellbaren Turbinengeometrie des Turboladers gemäß 1;
3 ein X-Y-Koordinatensystem, in dem der Verlauf der Profilmittellinie bzw. Skelettlinie der Schaufel gemäß 2 (bezogen auf die Schaufellänge) dargestellt ist.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 in Form eines VTG-Abgasturboladers dargestellt.
Der Turbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2 auf, das eine Abgaseintrittsöffnung 3 und eine Abgasaustrittsöffnung 4 umfasst.
Ferner ist im Turbinengehäuse 2 ein Turbinenrad 5 angeordnet, das auf einer Welle 6 befestigt ist.
Eine Mehrzahl von Schaufeln, von denen in 1 nur die Schaufel 7 zu sehen ist, ist im Turbinengehäuse 2 zwischen Abgaseintrittsöffnung 3 und dem Turbinenrad 5 angeordnet.
Natürlich weist der erfindungsgemäße Turbolader 1 auch alle anderen üblichen Bauteile eines Turboladers wie ein Kompressorrad, das auf der Welle 6 befestigt und in einem Kompressorgehäuse angeordnet ist, wie auch die gesamte Lagereinheit auf, die jedoch nachfolgend nicht beschrieben werden, da sie für die Erläuterung der Prinzipien vorliegender Erfindung nicht erforderlich sind.
In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel 7 dargestellt.
Die Schaufel 7 weist eine Schaufelunterseite 8 auf, die im eingebauten Zustand die dem Turbinenrad 5 zugewandte Schaufelseite ist.
Ferner weist die Schaufel 7 eine Schaufeloberseite 9 auf, die zusammen mit der Schaufelunterseite 8 die Dicke der Schaufel 7 bestimmt.
Die Schaufelunterseite 8 und die Schaufeloberseite 9 laufen bei der in 2 dargestellten Lage der Schaufel 7 auf der rechten Seite in einer Schaufelvorderkante 10 und auf der linken Seite in einer Schaufelhinterkante 11 zusammen.
Die Schaufelunter- und -oberseite 8 bzw. 9 definieren eine zwischen ihnen liegende Profilmittellinie 12, die auch als Skelettlinie bezeichnet wird.
Diese in 3, bezogen auf die Schaufellänge $L (\frac{X}{L}, \frac{Y}{L}),$
dargestellte Profilmittellinie 12 weist bei der dargestellten Ausführungsform drei Bereiche 14A, 14B und 14C auf. Der Bereich 14A zwischen einem ersten Übergangspunkt P1 und der Schaufelhinterkante 11 ist gekrümmt ausgebildet und weist stets positive Y-Werte auf, wie sich dies im Einzelnen aus dem Graphen der 3 erschließt.
Zwischen dem ersten Übergangspunkt P1 und einem zweiten Übergangspunkt P2 ist der Bereich 14B der Profilmittellinie 12 angeordnet, der geradlinig verläuft und ab dem zweiten Übergangspunkt P2 in Richtung P1 aufsteigend positive Y-Werte hat. Der zwischen dem zweiten Übergangspunkt P2 und der Schaufelvorderkante liegende Bereich 14C ist gekrümmt und weist positive Y-Werte auf. Der lineare Bereich 14B liegt erfindungsgemäß in einem Längenbereich zwischen 50% und 95% der Schaufellänge.

In nachfolgender Tabelle sind Bereiche und bevorzugte Werte für die Koordinaten typischer Punkte Y_max, X_max sowie P₁ und P₂ der Profilmittellinie 12 beispielhaft zusammengestellt:

	Bereich	bevorzugter Wert
Ymax	0,04 - 0,055	0,0475
Xmax	0,40 - 0,50	0,45
P_1X	0,60 - 0,70	0,65
P_1Y	0,03 - 0,043	0,037
P_2X	0,90 - 0,95	0,93
P_2Y	0,005 - 0,015	0,01
R₁	1,5 - 3,0	2,0
R₂	0,8 - 2,0	1,1

Zur Offenbarung der Merkmale vorliegender Erfindung wird zusätzlich zur schriftlichen Beschreibung explizit auf die zeichnerische Darstellung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Turbolader
2: Turbinengehäuse
3: Abgaseintrittsöffnung
4: Abgasaustrittsöffnung
5: Turbinenrad
6: Welle
7: Schaufeln
8: Schaufelunterseite (untere Luftleitflächen)
9: Schaufeloberseite (obere Luftleitflächen)
10: Schaufelvorderkante
11: Schaufelhinterkante
12: Profilmittellinie (Skelettlinie)
13: Hinterer Bereich der Profiloberseite 9
14A-14C: Bereiche der Profilmittellinie 12
P1, P2: Übergangspunkte
R1: Krümmungsradius des hinteren Schaufelbereichs
R2: Krümmungsradius des vorderen Schaufelbereichs

Claims

Turbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Abgaseintrittsöffnung (3) und eine Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist; mit einem Turbinenrad (5), das auf einer Welle (6) befestigt und im Turbinengehäuse (2) angeordnet ist; mit einer Mehrzahl von Schaufeln (7), die im Turbinengehäuse (2) zwischen der Abgaseintrittsöffnung (3) und dem Turbinenrad (5) angeordnet sind, wobei jede Schaufel (7) folgendes aufweist: • eine Schaufelunterseite (8) und eine Schaufeloberseite (9), die die Schaufeldicke bestimmen, • eine Schaufelvorderkante (10) an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9), • eine Schaufelhinterkante (11) an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9), • eine Profilmittellinie (12), die von der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9) definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante (10) zur Schaufelhinterkante (11) verläuft,dadurch gekennzeichnet, • dass die Profilmittellinie (12), aufgetragen in einem X-Y-Koordinatensystem einen gewölbten Bereich (14A) mit positiven Y-Werten aufweist, der zwischen der Schaufelhinterkante (11) und einem ersten Übergangspunkt (Pi) der Profilmittellinie (12) liegt, wobei ein Ursprung des X-Y-Koordinatensystems in der Schaufelhinterkante (11) angeordnet ist und, wobei sich eine X-Achse des X-Y-Koordinatensystems von der Schaufelhinterkante (11) zur Schaufelvorderkante (10) erstreckt, • dass die Profilmittellinie (12) ab dem ersten Übergangspunkt (Pi) zu einem zweiten Übergangspunkt (P₂) einen geradlinig verlaufenden Bereich (14B) mit Werten von Y > 0 aufweist, • dass die Profilmittellinie (12) ab dem zweiten Übergangspunkt (P₂) einen weiteren gewölbten Bereich (14C) mit positiven Y-Werten bis zur Schaufelvorderkante (10) aufweist, • dass der erste Übergangspunkt (Pi) in einem Schaufellängenbereich zwischen 50% und 70% und der zweite Übergangspunkt (P₂) in einem Schaufellängenbereich zwischen 90% und 95% liegen, und • dass der geradlinig verlaufende Bereich (14B) der Profilmittellinie (12) in einem Schaufellängenbereich zwischen 50% und 95% liegt.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7) einen hinteren Bereich (13) der Schaufeloberseite (9) aufweist, der gekrümmt ist.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7) einen Bereich (13) der Schaufeloberseite (9) aufweist, der geradlinig verläuft.
Schaufel (7) eines Turboladers (1), der ein Turbinengehäuse (2) mit einer Abgaseintrittsöffnung (3) und einer Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist, in dem ein auf einer Welle (6) befestigtes Turbinenrad (5) angeordnet ist, wobei die Schaufel (7) folgendes umfasst: • eine Schaufelunterseite (8) und eine Schaufeloberseite (9), die die Schaufeldicke bestimmen, • eine Schaufelvorderkante (10) an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9), • eine Schaufelhinterkante (11) an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9), und eine Profilmittellinie (12), die von der Schaufelunterseite (8) und der Schaufeloberseite (9) definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante (10) zur Schaufelhinterkante (11) verläuft, dadurch gekennzeichnet, • dass die Profilmittellinie (12), aufgetragen in einem X-Y-Koordinatensystem einen gewölbten Bereich (14A) mit positiven Y-Werten aufweist, der zwischen der Schaufelhinterkante (11) und einem ersten Übergangspunkt (Pi) der Profilmittellinie (12) liegt, wobei ein Ursprung des X-Y-Koordinatensystems in der Schaufelhinterkante (11) angeordnet ist und, wobei sich eine X-Achse des X-Y-Koordinatensystems von der Schaufelhinterkante (11) zur Schaufelvorderkante (10) erstreckt, • dass die Profilmittellinie (12) ab dem ersten Übergangspunkt (Pi) zu einem zweiten Übergangspunkt (P₂) einen geradlinig verlaufenden Bereich (14B) mit Werten von Y > 0 aufweist, • dass die Profilmittellinie (12) ab dem zweiten Übergangspunkt (P₂) einen weiteren gewölbten Bereich (14C) mit positiven Y-Werten bis zur Schaufelvorderkante (10) aufweist, und • dass der erste Übergangspunkt (Pi) in einem Schaufellängenbereich zwischen 50% und 70% und der zweite Übergangspunkt (P₂) in einem Schaufellängenbereich zwischen 90% und 95% liegen, und • dass der geradlinig verlaufende Bereich (14B) der Profilmittellinie (12) in einem Schaufellängenbereich zwischen 50% und 95% liegt.
Schaufel (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7) einen hinteren Bereich (13) der Schaufel Oberseite (9) aufweist, der gekrümmt ist.
Schaufel (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7) einen Bereich (13) der Schaufeloberseite (9) aufweist, der geradlinig verläuft.