DE102009006209B4

DE102009006209B4 - Ladeeinrichtung mit variabler Turbinengeometrie

Info

Publication number: DE102009006209B4
Application number: DE102009006209.2A
Authority: DE
Inventors: Gunter Winkler; Dr. Stein Matthias
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: DE102009006209A1

Abstract

Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie (1), mit einem Zuströmraum (13), in dem jeweils um eine eigene Drehachse (7) verstellbare Leitschaufeln (2) angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln (2) in einer senkrecht zur jeweiligen Drehachse (7) angeordneten Schnittebene jeweils ein Profil (6) aufweisen, wobei das jeweilige Profil (6) eine Profilmittellinie (8) mit zumindest zwei Wendepunkten (9, 9') aufweist, wobei die Profilmittellinie (8) zumindest drei Extrempunkte (11, 11', 11"), bezogen auf eine durch die zwei Wendepunkte (9, 9') gehende Bezugsachse (10) aufweist und wobei die Leitschaufeln (2) zwischen einem Außenbereich (4) und einem Innenbereich (5) des Zuströmraumes (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die endseitig auf der Profilmittellinie (8) angeordneten Extrempunkte (11, 11") zum Außenbereich (4) hin orientiert sind, während der mittlere, zwischen den beiden endseitigen Extrempunkten (11, 11") auf der Profilmittellinie (8) angeordnete Extrempunkt (11') in den Innenbereich zeigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der WO 2007/059995 A1 ist ein Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie bekannt, bei der mehrere Leitschaufeln jeweils eine wellenförmige Profilmittellinie aufweisen. Eine solche wellenförmige Profilmittellinie ist mit zwei gegenläufigen Wellenbäuchen ausgestattet und weist einen Wendepunkt auf. Die zwischen einem Außenbereich und einem Innenbereich angeordneten Leitschaufeln zeigen mit einer jeweiligen Vorderkante in den Außenbereich und mit einer jeweiligen Hinterkante in den Innenbereich.
Nachteilig an einer solchen S-förmigen Ausbildung der Leitschaufeln ist, dass ein Gasstrom ungünstig auf die Vorderkante der Leitschaufeln trifft, da die Vorderkante in den Außenbereich zeigt. Dadurch wird das Gas bei Eintritt in mehrere durch die Leitschaufeln ausgebildete Zuströmkanäle stark umgelenkt und es treten hohe auf die Leitschaufeln wirkende Kräfte auf, die vor allem einem Schließen der Leitschaufeln entgegenwirken. In Folge dessen ist ein Verstellapparat der variablen Turbinengeometrie einem hohen Verschleiß unterworfen und weist eine geringe Lebensdauer auf.
Weitere Formen von Leitschaufeln für eine variable Turbinengeometrie sind beispielweise aus EP 1 327 749 A1 und US 2008/0131267 A1 bekannt. Die gattungsbildende US 2004/0047727 A1 offenbart zudem Leitschaufeln für eine variable Turbinengeometrie, deren Mittellinie zwei Wendepunkten aufweist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, für eine solche Ladeeinrichtung eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass ein geringerer Verschleiß des Verstellapparats erreicht und dadurch die Lebensdauer der Ladeeinrichtung erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie die Leitschaufeln in einer senkrecht zur jeweiligen Drehachse angeordneten Schnittebene jeweils mit einem W-förmigen Profil auszustatten. Ein solches Profil weist dabei eine Mittellinie auf, auf der. zumindest zwei Wendepunkte angeordnet sind. Dadurch erstrecken sich jeweils zwei gegeneinander gekrümmte Bereiche über eine große Länge des Profils, wodurch eine geringe Momentenänderung bei der Verstellung der Leitschaufelpositionen durch den Verstellapparat einfacher realisiert werden kann. In Folge dessen kann in der Verstelleinrichtung der variablen Turbinengeometrie ein geringerer Verschleiß realisiert werden und somit eine hohe Lebensdauer erreicht werden.
Mehrere Distanzkörper, über die sich zwei, den Zuströmraum begrenzende Wände axial aneinander abstützen, können aufgrund der geschwungenen Form der Leitschaufeln vorteilhaft angeordnet werden, in dem zumindest ein Distanzkörper in einem konkaven Krümmungsbereich zumindest einer Leitschaufel positioniert wird. Aufgrund der Positionierung eines solchen Distanzkörpers in einem solchen konkaven Krümmungsbereich ist es aufgrund der konkaven Ausformung der Leitschaufel in Form z. B. einer Delle möglich, den Distanzkörper näher an der Leitschaufel zu positionieren, ohne dass der Distanzkörper beim Öffnen der Leitschaufeln störend im Weg ist. Durch diese nah an der Leitschaufel angeordnete Positionierung des Distanzkörpers kann das Spiel der Leitschaufeln geringer ausgebildet werden, da eine durch Verspannung der variablen Turbinengeometrie mittels Federn auftretende Verformung zumindest einer Wand des Zuströmraums durch eine solche, geschickte Anordnung der Distanzkörper geringer ausfällt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu . erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Aufsicht auf das jeweilige Profil mehrerer in einem Zuströmraum angeordneter Leitschaufeln,
2 eine Aufsicht gemäß 1 mit einem in einem konkaven Krümmungsbereich einer Leitschaufel positioniertem Distanzkörper.

Entsprechend 1 umfasst eine Ladeeinrichtung 22 eine in 1 nur teilweise dargestellte variable Turbinengeometrie 1. Diese weist mehrere Leitschaufeln 2 auf, die einen Zuströmraum 3 in einen Außenbereich 4 und in einen Innenbereich 5 unterteilen. Die Begriffe „innen“ und „außen“ sind hier in radialer Richtung zu verstehen und beziehen sich auf eine Rotationsachse eines hier nicht gezeigten Rotors, insbesondere eines Turbinenrads, der Ladeeinrichtung 22. Ein in 1 illustriertes Profil 6 der jeweiligen Leitschaufel 2 kommt durch eine senkrecht zu einer jeweiligen Drehachse 7 angeordnete Schnittebene zustande. Dabei weist ein solches Profil 6 eine Profilmittellinie 8 auf, die in dieser Ausführungsform über genau zwei Wendepunkte 9, 9' verfügt.
Eine Gerade durch diese zwei Wendepunkte 9, 9' ergibt eine Bezugsachse 10. Bezogen auf diese durch die zwei Wendepunkte 9, 9' festgelegte Bezugsachse lassen sich auf der Profilmittellinie 8 drei Extrempunkte 11, 11', 11" definieren. Nun sind in der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 1 die endseitig auf der Profilmittellinie 8 angeordneten Extrempunkte 11, 11" zu dem Außenbereich 4 hin orientiert, während der mittlere Extrempunkt 11' in den Innenbereich 5 zeigt. Die Profilmittellinie 8 einer bevorzugten Ausführungsform ist mit jeweils einem über die endseitig orientierten Extrempunkte 11, 11" hinweg ragenden Endabschnitt 12, 12' ausgestattet.
Dabei ist insbesondere in einer minimal geöffneten Position der Leitschaufeln 2 zumindest ein solcher über die beiden endseitigen Extrempunkte 11, 11" hinausreichender Endabschnitt 12, 12' der Profilmittellinie 8 zu dem Innenbereich 5 hin orientiert. Dies hat den Vorteil, dass der Eintritt des Gases in mehrere zwischen den Leitschaufeln 2 angeordneten Zuströmkanäle 13 gleichmäßiger erfolgt und mehr einer Richtung 14 entspricht, mit der das Gas auf die Leitschaufeln 2 auftrifft. Aufgrund der geschwungenen Form der Endabschnitte 12, 12' der Profilmittellinie 8 wird durch jeweils zwei benachbarte Leitschaufeln 2 der Zuströmkanal 13 gebildet, der es ermöglicht, dass eine Zuströmrichtung 15 in dem Zuströmkanal 13 optimal auf ein Turbinenrad der Ladeeinrichtung ausgerichtet ist. Aufgrund der gegeneinander gekrümmten Bereiche 16, 16', 16" in der Nähe der Extrempunkte 11, 11', 11", die sich über große Längen des Profils erstrecken, ist die Verstellung der Leitschaufelpositionen durch nur eine geringe Momentenänderung einfach realisierbar. Dadurch ergeben sich ein geringerer Verschleiß und eine höhere Lebensdauer eines nicht gezeigten Verstellapparats der variablen Turbinengeometrie, mit dem der Anstellwinkel der Leitschaufeln 2 verstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Abstand 17, gemäß 2, zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 2 im Zuströmkanal 13, insbesondere in der minimal geöffneten Position der Leitschaufeln 2, in dem gesamten Zuströmkanal 13 so ausgebildet, dass er nicht mehr als 20 % von einem arithmetischen Mittelwert des Abstands 17 abweicht. Es ist auch denkbar, dass nur in einem Zuströmkanalabschnitt 18 der Abstand 17 zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 2 im Zuströmkanal 13 so ausgebildet ist, dass er nicht mehr als 20 % von einem arithmetischen Mittelwert des Abstands 17 abweicht. Ebenfalls kann der Abstand 17 in dem Zuströmkanalabschnitt 18 so ausgebildet sein, dass er nicht mehr als 20 % von einem kleinsten Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 2 im Zuströmkanal 13 abweicht. Durch diese Maßnahmen werden eine ausreichende Fokussierung des Abgasstroms und eine Reduktion von Verwirbelungen im Zuströmkanal 13 erreicht.
Um eine Umlenkung des in Strömungsrichtung 14 in die Zuströmkanäle 13 eintretenden Gases so gering wie möglich zu halten und damit einhergehende Verwirbelungen zu reduzieren, sind im Beispiel die benachbarten Leitschaufeln 2 so angeordnet und aufeinander abgestimmt, dass zwischen einer Zuströmkanalmittellinie 19 gemäß 2 und der Strömungsrichtung 14 eines in dem Außenbereich 4 in Umlaufrichtung auf die Leitschaufeln 2 auftreffenden Gases ein Winkel von maximal 30° auftritt.
Um einen eventuell auftretenden Drosseleffekt und andere störende Einflüsse von mehreren Distanzkörpern 20, über die sich zwei den Zuströmraum 13 begrenzende Wände axial aneinander abstützen, so gering wie möglich zu halten, werden an mehreren Leitschaufeln 2 jeweils ein Distanzkörper 20 in einem konkaven Krümmungsbereich 21, 21', 21" angeordnet. Als ein solcher Krümmungsbereich 21, 21', 21" ist derjenige Bereich zu verstehen, der von einem Krümmungsradius der Profilmittellinie 7 bei einem Nachziehen der Profilmittellinie 7 überstrichen wird. Dabei ist die Anordnung des jeweiligen Distanzkörpers 20 in dem konkaven Krümmungsbereich 21' nahe dem mittleren Extrempunkt 11' bevorzugt.
Bezugszeichenliste

(1): Turbinengeometrie
(2): Leitschaufeln
(3): Zuströmraum
(4): Außenbereich
(5): Innenbereich
(6): Profil
(7): Drehachse
(8): Profilmittellinie
(9, 9'): Wendepunkte
(10): Bezugsachse
(11, 11', 11"): Extrempunkte
(12, 12'): Endabschnitt
(13): Zuströmkanal
(14): Strömungsrichtung
(15): Zuströmrichtung
(16, 16', 16"): gekrümmte Bereiche
(17): Abstand
(18): Zuströmkanalabschnitt
(19): Zuströmkanalmittellinie
(20): Distanzkörper
(21, 21', 21"): Krümmungsbereiche
(22): Ladeeinrichtung

Claims

Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie (1), mit einem Zuströmraum (13), in dem jeweils um eine eigene Drehachse (7) verstellbare Leitschaufeln (2) angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln (2) in einer senkrecht zur jeweiligen Drehachse (7) angeordneten Schnittebene jeweils ein Profil (6) aufweisen, wobei das jeweilige Profil (6) eine Profilmittellinie (8) mit zumindest zwei Wendepunkten (9, 9') aufweist, wobei die Profilmittellinie (8) zumindest drei Extrempunkte (11, 11', 11"), bezogen auf eine durch die zwei Wendepunkte (9, 9') gehende Bezugsachse (10) aufweist und wobei die Leitschaufeln (2) zwischen einem Außenbereich (4) und einem Innenbereich (5) des Zuströmraumes (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die endseitig auf der Profilmittellinie (8) angeordneten Extrempunkte (11, 11") zum Außenbereich (4) hin orientiert sind, während der mittlere, zwischen den beiden endseitigen Extrempunkten (11, 11") auf der Profilmittellinie (8) angeordnete Extrempunkt (11') in den Innenbereich zeigt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilmittellinie (8) zumindest einen über einen der beiden endseitigen Extrempunkte (11, 11") hinausreichenden Endabschnitt (12, 12') aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einer minimal geöffneten Position der Leitschaufeln (2), zumindest ein solcher über den beiden endseitigen Extrempunkte (11, 11") hinausreichender Endabschnitt (12, 12') der Profilmittellinie (8) zu dem Innenbereich (5) hin orientiert ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (17) zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln (2) im Zuströmkanal (13) so ausgebildet ist, dass er nicht mehr als 20 % von einem arithmetischen Mittelwert des Abstandes (17) abweicht.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (17) zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln (2) im Zuströmkanal (13), insbesondere in der minimal geöffneten Position der Leitschaufeln (2), in einem Zuströmkanalabschnitt (18) so ausgebildet ist, dass er nicht mehr als 20 % von einem arithmetischen Mittelwert (17) abweicht.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, ein Abstand (17) zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln (2) im Zuströmkanal (13), insbesondere in der minimal geöffneten Position der Leitschaufeln (2), in einem Zuströmkanalabschnitt (18) so ausgebildet ist, dass er nicht mehr als 20 % von einem kleinsten Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln (2) im Zuströmkanal (13) abweicht.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehendenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in der minimal geöffneten Position der Leitschaufeln (2), zwischen einer Zuströmkanalmittellinie (19) des Zuströmkanals (13) und einer Strömungsrichtung (14) eines in dem Außenbereich (4) in Umlaufrichtung auf die Leitschaufeln (2) zuströmenden Gases ein Winkel von maximal 30° auftritt.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (22) mehrere Distanzkörper (20) aufweist, über die sich zwei, den Zuströmraum (13) begrenzende Wände axial aneinander abstützen, wobei zumindest ein Distanzkörper (20) in einem konkaven Krümmungsbereich (21, 21', 21") zumindest einer Leitschaufel (2) positioniert ist.