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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Abgasturbolader. Siehe zum Beispiel
WO 00/73630 A1 .
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Abgasturbolader
sind bei modernen Kraftfahrzeugen unverzichtbar. Sie umfassen als
wichtige Bauteile eine Turbine und einen Verdichter. Diese beiden
Bauteile sitzen im allgemeinen auf ein und derselben Welle oder
stehen zumindest in Triebverbindung miteinander. Der Turbine wird
das Abgas einer Brennkraftmaschine zugeleitet. Das Abgas treibt die
Turbine an. Die Turbine treibt ihrerseits den Verdichter an. Dieser
saugt Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese. Die verdichtete
Luft wird sodann für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine ausgenutzt.
Abgasturbolader haben den Zweck, die Abgasemissionen zu verringern
sowie den Wirkungsgrad des Motors und dessen Drehmoment zu erhöhen.
Sie haben außerdem eine wichtige Funktion bezüglich
der Wirkung des Katalysators.
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Die
Turbine umfasst einen Kranz von Leitschaufeln. Die Leitschaufeln
sind dem Turbinenrad vorgeschaltet und in einem Strömungskanal
angeordnet, der von Abgas durchströmt ist. Die Leitschaufeln
sind verstellbar. Ihre Drehachse verläuft parallel zu der
genannten Welle des Abgasturboladers, oder wenigstens annähernd
parallel hierzu.
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Der
Abgaskanal ist von zwei Flächen begrenzt. Zum einen ist
dies eine Wandfläche eines Trägerringes, der die
Schaufeln trägt. Zum andern ist dies die Wandfläche
eines sogenannten Turbinengehäuses. Die beiden Wandflächen
verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Welle des Laders. Die Schaufeln
reichen von Wandfläche zu Wandfläche des Trägerringes
beziehungsweise des Turbinengehäuses. Jede Stirnfläche
einer Schaufel ist somit einer der beiden Wandflächen zugewandt.
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Zwischen
den Stirnflächen einer jeden Schaufel und den Wandflächen
muss ein gewisses Spiel verbleiben. Das Spiel muss genügend
groß sein, um die Beweglichkeit der Schaufel, das heißt deren
Verdrehen um ihre Verstellachse, zu ermöglichen. Es darf
jedoch nicht so groß sein, dass zwischen einer Stirnfläche
und der zugehörenden Wandfläche nennenswerte Mengen
Abgas hindurchströmen.
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Das
Abgas ist sehr heiß; die Temperaturen liegen zwischen 650°C
und 1100°C, gelegentlich auch darüber. Dies führt
zu einer Wärmeausdehnung der beteiligten Bauteile. Die
Ausdehnung kann unterschiedlich groß sein, und zwar sowohl
von Bauteil zu Bauteil, als auch über der Dauer des Betriebes.
Dies kann dazu führen, dass das genannte Spiel bis auf Null
verschwindet, und dass es zum Klemmen der Schaufeln kommt. Dies
führt wiederum zu erheblichen Funktionsstörungen,
oder sogar zum Ausfall des Laders.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass es weder zu
einem unzulässig großen Spiel zwischen den Stirnflächen
der Schaufeln und den Begrenzungswänden, noch zu einem
Verklemmen der Schaufeln kommt.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Dem
gemäß werden der Trägerring oder das Turbinengehäuse
oder eine dieser beiden aus Segmenten aufgebaut, die jeweils für
sich alleine eine begrenzte Axialbewegung oder Kippbewegung ausführen
können.
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Im
Allgemeinen wird es genügen, den Trägerring aus
Segmenten aufzubauen, nicht aber das Turbinengehäuse.
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Hierdurch
wird folgendes bewirkt:
Kommt es infolge thermischer Expansion
von Bauteilen, insbesondere der Leitschaufeln, zu einem Anschlagen
der beiden Stirnflächen einer jeden Schaufeln an den Begrenzungsflächen
des Strömungskanales, so können die betreffenden
Segmente ausweichen, indem sie eine begrenzte Axialbewegung oder eine
begrenzte Kippbewegung ausführen. Damit wird ein unzulässiges
Verspannen des ganzen Systemes vermieden.
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Die
Segmente können – in Axialrichtung gesehen – beliebige
Konturen haben. Vorteilhaft ist beispielsweise das Zerlegen eines
Trägerringes in Kreissegmente. So kommt es beispielsweise
in Betracht, den Trägerring in vier Quadranten zu zerlegen.
Aber auch Unterteilungen in zwei, drei, fünf, sechs oder
noch mehr Kreissegmente sind denkbar.
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Besonders
vorteilhaft ist das Zerlegen in Ringsegmente. Der Trägerring
ist somit aus einer Mehrzahl von geschlossenen Ringen aufgebaut.
Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die einzelnen Ringe als
Drehteile herstellbar sind.
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In
jedem Falle wird bei einer Wärmeausdehnung ein Verklemmen
oder Verspannen vermieden.
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Zusätzlich
zu dem Grundgedanken der Erfindung können die einzelnen
Segmente ständig oder vorübergehend in axialer
Richtung druckbeaufschlagt sein, und zwar im Sinne einer Rückführung eines
ausgelenkten Segmentes in die ursprüngliche Position, so
dass Leckageverluste minimiert werden.
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Es
ist auch möglich, die einzelnen Segmente mehr oder minder
lose zusammen zu halten, beispielsweise durch eine auf der Rückseite
der betreffenden Wand, somit auf der Rückseite des Trägerringes
oder des Turbinengehäuses, aufgeklebte Folie. Auch ist
es denkbar, die einzelnen Segmente nicht völlig zu durchtrennen,
so dass einander benachbarte Segmente noch über dünne
Stege zusammenhängen. Man könnte sagen, dass die
betreffende Begrenzungswand ganz allgemein örtlich nachgiebig gemacht
wird, so dass sie bei Auftreten eines Axialschubes örtlich
begrenzt ausweichen kann.
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Die
Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.
Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
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1 zeigt
einen Abgasturbolader in einem Axialschnitt.
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2 zeigt
eine Schaufel mit Blickrichtung auf eine ihrer Stirnflächen.
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3 zeigt
eine Schaufel in eingebautem Zustand mit Blick auf eine der beiden
Leitflächen der Schaufel, mit einer ersten Labyrinthgestaltung.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf den Quadranten eines Trägerringes in
axialer Richtung sowie auf die Stirnflächen zweier Schaufeln.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf einen Trägerring in axialer Richtung.
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6 zeigt
eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
der Trägerring aus einer Vielzahl von Einzelringen aufgebaut
ist.
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7 zeigt
in perspektivischer Darstellung ein Turbinengehäuse mit
einem Kranz von Leitschaufeln und mit zugehörender Verstelleinrichtung.
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Der
in 1 gezeigte Abgasturbolader weist eine Turbine 1 und
einen Verdichter 2 auf. Der Turbinenrotor 1.1 und
der Verdichterrotor 2.1 sind auf einer Welle 3 aufgekeilt
und somit drehfest miteinander verbunden.
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Die
Turbine umfasst ferner ein Gehäuse 1.2. Das Gehäuse
umfasst einen schneckenförmigen Einlauf und einen Auslassstutzen 1.3.
Dem Rotor 1.1 ist ein Kranz von verstellbaren Leitschaufeln 4 vorgeschaltet.
Die Leitschaufeln 4 befinden sich in einem Strömungskanal.
Dieser ist begrenzt von einer Trägerplatte 5 und
einem Turbinengehäuse 6.
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Der
Sinn der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung besteht
unter anderem darin, dass möglichst keine Trompete mehr
zum Einsatz muss. Die Trompete wird Bestandteil des Turbinengehäuses. Die
Begrenzung des Abgaskanals auf der einen Seite ist dann die entsprechende
Fläche des Turbinengehäuses.
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Während
des Betriebs wird dem schneckenförmigen Einlauf des Gehäuses 1.2 ein
Abgas-Massestrom zugeführt. Dieser Abgasstrom tritt durch
die Zwischenräume zwischen den Leitschaufeln 4 hindurch
und gelangt zum Rotor 1.1. Er verlässt das Gehäuse 1.2 durch
den Auslassstutzen 1.3.
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Der
Verdichter 2 saugt durch einen Einlassstutzen Frischluft
an. Diese gelangt unter erhöhtem Druck in einen Sammelraum 2.3,
und von dort zu einem Verbrennungsmotor.
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Die
Leitschaufel 4 erstreckt sich im Strömungskanal
in Axialrichtung des Trägerrings 5 zum Turbinengehäuse 6.
Der Abgas-Massestrom soll ausschließlich durch die Zwischenräume
zwischen den Leitschaufeln 4 hindurchtreten, nicht aber
zwischen den Stirnflächen der Leitschaufeln und den begrenzenden
Flächen von Trägerring 5 und Turbinengehäuse 6.
Zu diesem Zwecke ist ein berührendes Anliegen zwischen
den beiden Stirnflächen einer jeden Leitschaufel 4 einerseits
und des Trägerrings 5 beziehungsweise des Turbinengehäuses 6 wünschenswert.
Da es durch die hohen Betriebstemperaturen zu einer Wärmeausdehnung
der Leitschaufeln 4 – auch in axialer Richtung – kommt,
wird gemäß der Erfindung eine Labyrinthdichtung
vorgesehen, und zwar im Bereich wenigstens einer Stirnfläche
einer jeden Schaufel.
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Zu
diesem Zwecke kann eine Aussparung in der betreffenden Begrenzungsfläche
des Trägerrings 5 und/oder des Turbinengehäuses 6 vorgesehen werden.
Dies ist aus den 2 und 3 ersichtlich. Die
dort gezeigte Schaufel 4 befindet sich zwischen einer Begrenzungsfläche 5.1 des
Trägerrings und einer Begrenzungsfläche 6.1 des
Turbinengehäuses. Die Begrenzungsfläche 5.1 des
Trägerrings ist aus einer topfartigen Aussparung 5.2 gebildet.
In diese Aussparung greift der betreffende stirnseitige Bereich der
Leitschaufel 4 ein. Damit ist eine Labyrinthdichtung zwischen
der genannten Stirnfläche der Leitschaufel 4 und
der Begrenzungsfläche 5.1 des Trägerrings 5 gebildet.
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Die
Leitschaufel 4 wird dabei in axialer Richtung derart bemessen,
dass zwischen der Begrenzungsfläche 6.1 des Turbinengehäuses 6 und
der dort befindlichen Stirnfläche der Leitschaufel 4 ein minimaler
Spalt herrscht. Der auf der gegenüberliegenden Seite befindliche
Spalt – somit zwischen der dortigen Stirnfläche
und der Begrenzungsfläche 5.1 – kann
hingegen etwas größer bemessen werden, da sich
ja dort die Labyrinthdichtung befindet.
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Die
Leitschaufel 4 weist eine Antriebswelle 4.1 auf,
mit welcher sie verstellt werden kann.
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Eine
Möglichkeit einer Gestaltung des Trägerringes
gemäß der Erfindung ist aus 4 erkennbar.
Trägerring 5 ist aus vier Quadranten aufgebaut, von
denen in 4 nur ein einziger dargestellt
ist.
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Damit
wird im Einzelnen folgendes erreicht: Während des Betriebes
findet eine Erwärmung der beteiligten Bauteile statt, somit
der Schaufeln, der Welle, des Turbinengehäuses oder des
Trägerringes. Die Erwärmung kann in unterschiedlichem
Maße stattfinden, demgemäß auch die Wärmedehnung
von Bauteilen. Durch die Sektionierung des Trägerringes und
durch die voneinander unabhängige Lagerung und Halterung
der einzelnen Segmente können diese bei Auftreten eines
unzulässig hohen Schubes ausweichen, beispielsweise durch
Verkippen, Schwenken oder Verbiegen. Dadurch werden unzulässig hohe
Spannungen vermieden, die zu einem Verklemmen einzelner Leitschaufeln
oder des gesamten Leitschaufelkranzes führen würden.
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Statt
den Trägerring 5 in Kreissegmente zu zerlegen,
könnte er auch in andere Einzelteile zerlegt werden, beispielsweise
so wie in 5 gezeigt. Der Trägerring 5 umfasst
dort eine Mehrzahl von dreieckigen Elementen, die den Innenumfang begrenzen,
sowie von weiteren dreieckigen Elementen, die den Außenumfang
begrenzen.
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Eine
besonders günstige Ausführungsform zeigt 6.
Hier ist der Trägerring unterteilt in eine Mehrzahl von
zueinander konzentrischen Einzelringen. Die Einzelringe sind jeweils
Vollkreise. Dies hat den Vorteil einer leichteren Fertigung, beispielsweise durch
Drehen der Einzelringe.
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Bei
allen drei Ausführungsformen gemäß der 4, 5 und 6 können
die Einzelringe, aus denen der Segmentring 5 aufgebaut
ist, lose zusammenhängen. Sie können beispielsweise
mit ihrer den Schaufeln abgewandten Rückseite durch eine
Folie oder ein dünnes Blech zusammengehalten werden.
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Auch
ist es möglich, den Trägerring derart aufzubauen,
dass die Trennfugen 5.3 nicht eine vollständige
Trennung der einzelnen Teile des Trägerringes 5 bewirken.
Vielmehr könnten die einzelnen Teile des Trägerringes
noch über dünne Stege zusammenhängen,
so dass sie relativ zueinander durch Verbiegen der Stege eine begrenzte
Kippbewegung ausführen können.
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Die
Teile des Trägerringes können – entweder
jeweils einzeln oder in ihrer Gesamtheit – mit einer Einrichtung
versehen sein, die einen Axialschub ausübt; der Axialschub
wirkt in Richtung auf das Turbinengehäuse 6.
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Was
für die Gestaltung des Trägerringes 5 beschrieben
wurde, lässt sich auch auf das Turbinengehäuse 6 anwenden.
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7 zeigt
eine Teilansicht eines Turbinengehäuses 6, einige
Leitschaufeln 4 sowie den Verstellring 7 und einen
Lenker 7.1.
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Das
Besondere dieser Ausführungsform besteht in Folgendem:
Das
Turbinengehäuse 6 ist mit einer Mehrzahl von topfförmigen
Aussparungen versehen – analog der Ausführung
gemäß der 2 und 3.
Das zugehörende Ende einer jeden Leitschaufel trägt
einen Teller 4.2. Teller 4.2 und Leitschaufel 4 sind
einteilig oder drehfest miteinander verbunden. Jeder Teller 4.2 ist
kreisförmig und der Gestalt der topfförmigen Aussparung
angepasst, somit gleich groß wie diese.
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Auch
hier könnten Teller 4.2 oder topfförmige Aussparung 6.2 analog
zu 4 gestaltet sein, somit konzentrische Nuten und
konzentrische Rippen aufweisen.
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So
wie das Turbinengehäuse 6 gestaltet ist, kann
natürlich auch oder stattdessen der Trägerring 5 gestaltet
sein.
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- 1
- Turbine
- 1.1
- Turbinenrotor
- 1.2
- Turbinengehäuse
- 1.3
- Auslassstutzen
- 2
- Verdichter
- 2.1
- Verdichterrotor
- 2.2
- Einlassstutzen
- 2.3
- Sammelraum
- 3
- Welle
des Abgasturboladers
- 4
- Leitschaufeln
- 4.1
- Wellen
der Leitschaufeln
- 5
- Trägerring
- 5.1
- Begrenzungsfläche
des Trägerrings
- 5.2
- topfförmige
Aussparung
- 5.3
- Trennfugen
- 6
- Turbinengehäuse
- 6.1
- Begrenzungsfläche
des Turbinengehäuses
- 6.2
- topfförmige
Aussparung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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