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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für einen
Turbolader mit variabler Geometrie, mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen
Turbolader mit derartigen Leitschaufeln.
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Aus
der
US 6,709,232 B1 ist
ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs, bekannt, der ein Gehäuse mit einem Abgaseinlass
und einem Abgasauslass aufweist. Im Gehäuse ist ein Turbinenrad
zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass drehbar gelagert. Der
Turbolader weist eine variable Geometrie auf. Hierzu ist er mit
einer Leitschaufeleinrichtung ausgestattet, die mehrere zwischen
dem Abgaseinlass und dem Turbinenrad im Gehäuse angeordnete
Leitschaufeln aufweist, die zum Verstellen der Turboladergeometrie
mittels einer entsprechenden Stelleinrichtung jeweils um eine Drehachse
verschwenkbar sind.
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Die
Leitschaufeln des Turboladers besitzen jeweils eine Anströmkante
sowie eine Abströmkante. Jede Leitschaufel besitzt bezüglich
ihrer Profillängsrichtung zwei sich gegenüberliegende
Außenseiten, die eine Profilaußenkontur und eine
Profilinnenkontur bilden, die jeweils von der Anströmkante
zur Abströmkante führen. Mittig zwischen der Profilaußenkontur
und der Profilinnenkontur verläuft ebenfalls von der Anströmkante
zur Abströmkante eine Längsmittellinie im Längsprofil
der jeweiligen Leitschaufel. Diese Längsmittellinie besitzt
dabei zumindest einen gekrümmten Abschnitt. Wesentlich
für die bekannte Leitschaufel ist, dass die Längsmittellinie
bezogen auf die Länge der Leitschaufel zumindest entlang
den ersten 5% ab der Anströmkante einen geradlinigen Abschnitt
aufweist. Ferner ist die bekannte Leitschaufel mit einem vergleichsweise
komplex konturierten Profil ausgestattet, so dass die Längsmittellinie
mehrere Wendepunkte enthält.
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Bei
Leitschaufelprofilen, bei denen die Profilaußenkontur (Saugseite???)
und die Profilinnenkontur (Druckseite???) stark unterschiedlich
gestaltet sind, kommt es bei der Fertigung zu einer vergleichsweise
großen Anhäufung von Fehlstellen im vorderen,
anströmseitigen, dickeren Bereich der Leitschaufeln. Diese
Fehlstellen sind beim Gießen der Leitschaufeln auf unterschiedliche
Erkaltungsgeschwindigkeiten von der Außenhaut bis zur Mitte
der Schaufel zurückzuführen. Bei der starken thermodynamischen
Beanspruchung und der damit verbundenen thermischen Ausdehnung und
bei thermischen Verzügen kann es zu Spannungsrissen kommen,
die sich von den Fehlstellen ausgehend zum Schaufelrand fortsetzen.
Dies kann im Betrieb zu einem Versagen der Leitschaufeln führen.
Bei modernen Prüfungsverfahren können derartige
Fehlstellen zerstörungsfrei detektiert werden, so dass
die jeweilige Leitschaufel bereits vor ihrer Montage aussortiert
und dem Ausschuss zugeführt werden kann. Allerdings nehmen
die Herstellungskosten bei einer entsprechend hohen Ausschussquote
zu.
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Komplexe
Schaufelgeometrien können jedoch eine besonders günstige
Adaption der Leitschaufeln an die jeweiligen Einsatzbedingungen
ermöglichen. Bei einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie
kommt es bei den unterschiedlichen Schaufelstellungen aufgrund des
breiten Einsatzbereichs zu einer Veränderung der anliegenden
Druckverhältnisse und Saugverhältnisse an den
verstellbaren Leitschaufeln. Die Kombination aus Drehpunkt und Schaufelprofil
entscheidet darüber, ob sich diese Verhältnisse
so stark verschieben können, dass es zu einer Drehmomentumkehr
kommt. Verharrt die variable Turbinengeometrie für einige
Zeit in genau einem solchen Bereich der Drehmomentumkehr an den
Leitschaufeln, kann es zu sehr starken Vibrationen an den Leitschaufeln kommen.
Aufgrund dieser Vibrationen kann es außerdem zu mechanischen
und akustischen Beeinträchtigungen kommen. Insbesondere
können diese Vibrationen zu einem sehr starken Verschleiß im
Kontaktbereich zwischen Leitschaufelhebeln und einem Verstellring
der variablen Leitschaufelgeometrie führen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem,
für eine Leitschaufel der eingangs genannten Art bzw. für
ein zugehöriges Leitschaufelprofil bzw. für einen
damit ausgestatteten Turbolader eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Leitschaufel
relativ gute Strömungseigenschaften besitzt und eine reduzierte
Neigung zu Vibrationen aufweist. Darüber hinaus soll die
Leitschaufel vergleichsweise preiswert herstellbar sein.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Leitschaufel
bzw. deren Längsprofil so auszugestalten, dass sich die
Längsmittellinie ohne Wendepunkt von der Anströmkante
bis zur Abströmkante erstreckt. Der fehlende Wendepunkt
in der Längsmittellinie führt zu einer vergleichsweise einfachen
Kontur sowie insbesondere zu einer gewissen Symmetrie zwischen Profilaußenkontur
und Profilinnenkontur. Hierdurch kann die Ausbildung von Fehlstellen
während der Produktion der Leitschaufeln reduziert werden,
was die Kosten für die Herstellung der Leitschaufeln reduziert.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die so gebildete
Leitschaufel durch ihren gekrümmten Abschnitt der Längsmittellinie
in Verbindung mit dem über die gesamte Länge der Leitschaufel
wendepunktfreien Verlauf günstige Strömungseigenschaften
besitzt.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Längsmittellinie
einen geradlinigen Anströmabschnitt aufweist, der an der
Anströmkante beginnt und tangential in den gekrümmten
Abschnitt übergeht und der sich insbesondere entlang weniger als
5% der Länge der Leitschaufel erstreckt. Durch den vergleichsweise
kurzen geradlinigen Anströmabschnitt der Längsmittellinie
vereinfacht sich die Geometrie der Leitschaufel. Gleichzeitig hat
sich gezeigt, dass dadurch positive Strömungseigenschaften
unterstützt werden.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Drehachse,
um welche die jeweilige Leitschaufel zum Variieren der Geometrie
des Turboladers verschwenkbar ist, im Längsprofil der Leitschaufel
so positioniert sein, dass sie die Längsmittellinie der
Leitschaufel schneidet. Zusätzlich oder alternativ kann
besagte Drehachse im Längsprofil der Leitschaufel so positioniert
sein, dass sie sich bezogen auf die Länge der Leitschaufel
in einem Bereich von einschließlich 37% bis einschließlich
47% befindet. Die genannten Maßnahmen, die kumulativ oder alternativ
zur Anwendung kommen können, tragen wesentlich dazu bei,
dass die Leitschaufeln im gesamten Betriebsbereich der verstellbaren
Leitschaufelgeometrie des jeweiligen Turboladers stets ein in der
gleichen Richtung orientiertes Drehmoment erzeugen. Auf diese Weise
können die eingangs genannten Vibrationen effektiv reduziert
bzw. vermieden werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt durch eine Leitschaufel,
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2 ein
vergrößerter Längsschnitt im Bereich
einer Anströmkante der Leitschaufel,
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3 ein
vergrößerter Längsschnitt im Bereich
einer Abströmkante der Leitschaufel,
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4 einen
vereinfachten Querschnitt eines Turboladers im Bereich einer verstellbaren
Leitschaufelgeometrie.
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Entsprechend
den 1 bis 3 umfasst eine Leitschaufel 1 in
ihrem in 1 dargestellten Längsprofil 2 eine
Anströmkante 3, eine Abströmkante 4,
eine Profilaußenkontur 5, die von der Anströmkante 3 zur
Abströmkante 4 führt, und eine Profilinnenkontur 6 auf,
die ebenfalls von der Anströmkante 3 zur Abströmkante 4 führt.
Ferner besitzt das Leitschaufelprofil 2 eine Längsmittellinie 7,
die sich ebenfalls von der Anströmkante 3 bis
zur Abströmkante 4 erstreckt und dabei genau mittig,
also äquidistant, zwischen der Profilaußenkontur 5 und
der Profilinnenkontur 6 verläuft. Diese Längsmittellinie 7 weist einen
gekrümmten Abschnitt 8 auf. Im gezeigten, bevorzugten
Beispiel weist die Längsmittellinie 7 genau einen
gekrümmten Abschnitt 8 auf. Die Längsmittellinie 7 erstreckt
sich wendepunktfrei von der Anströmkante 3 bis
zur Abströmkante 4. Das heißt, die Längsmittellinie 7 weist
in ihrem Verlauf zwischen der Anströmkante 3 und
der Abströmkante 4 keinen Wendepunkt auf.
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Entsprechend 2 weist
die Längsmittellinie 7 einen geradlinigen Anströmabschnitt 9 auf.
Dieser beginnt an der Anströmkante 3 und geht
tangential in den gekrümmten Abschnitt 8 über.
Bezogen auf eine in 1 dargestellte Länge
D der Leitschaufel 1 erstreckt sich der geradlinige Anströmabschnitt 9 bislang
weniger als 5% der Länge D der Leitschaufel 1.
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Im
gezeigten, bevorzugten Beispiel ist die Anströmkante 3 durch
einen Kreisbogen 10 gebildet. Dass heißt, das
Leitschaufelprofil 2 ist in einem die Anströmkante 3 enthaltenden
Bereich kreisbogenförmig ausgestaltet. Der geradlinige
Anströmabschnitt 9 kann bei einer besonderen Ausführungsform
genau gleich groß sein wie ein Radius A des Kreisbogens 10 der
Anströmkante 3. Bei einer anderen Ausführungsform
kann der geradlinige Anströmabschnitt 9 jedoch
auch größer sein als der Radius A des die Anströmkante 3 bildenden
Kreisbogens 10. Dabei besitzt der geradlinige Anströmabschnitt 9 bezogen
auf die Länge D der Leitschaufel 1 eine Länge
E, die sich – wie zuvor – um weniger als 5% entlang
der Länge D der Leitschaufel 1 erstreckt. Bevorzugt
ist die Länge E des geradlinigen Anströmabschnitts 9 bezogen auf
die Länge D der Leitschaufel 1 kleiner als 4,7% der
Länge D der Leitschaufel 1. Dabei ist die Länge D
der Leitschaufel 1 durch den Abstand zwischen der Anströmkante 3 und
der Abströmkante 4 definiert, der in den 1 bis 3 durch
eine unterbrochene Linie angedeutet und ebenfalls mit D bezeichnet
ist.
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Entsprechend 3 kann
die Längsmittellinie 7 bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Längsprofils 2 einen geradlinigen Abströmabschnitt 11 aufweisen.
Dieser endet an der Abströmkante 4 und geht tangential
in den gekrümmten Abschnitt 8 der Längsmittellinie 7 über.
Bei der hier gezeigten bevorzugten Variante ist auch die Abströmkante 4 durch einen
Kreisbogen 12 gebildet. Mit anderen Worten, ein die Abströmkante 4 enthaltender
Bereich des Leitschaufelprofils 2 ist kreisbogenförmig
gestaltet. Dieser Kreisbogen 12 besitzt einen Radius B.
Bevorzugt ist nun die Länge des geradlinigen Abströmabschnitts 11 gleich
groß wie der Radius B des Kreisbogens 12 der Abströmkante 4.
Grundsätzlich ist auch hier eine Ausführungsform
denkbar, bei welcher die Länge des geradlinigen Abströmabschnitts 11 größer
ist als der Radius B des abströmseitigen Kreisbogens 12.
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Sofern
sowohl die Anströmkante 3 als auch die Abströmkante 4 jeweils
durch einen Kreisbogen 10 bzw. 12 gebildet sind,
liegt bevorzugt ein Verhältnis des Anströmkantenradius
A zum Abströmkantenradius B in einem Bereich zwischen einschließlich 1,95
und einschließlich 2,4.
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In
den Längsschnitt der 1 ist außerdem eine
Drehachse 13 eingetragen, die senkrecht auf der Zeichnungsebene
steht. Um diese Drehachse 13 ist die Leitschaufel 1 im
montierten Zustand verschwenkbar, um dadurch eine Geometrie eines
Turboladers zu variieren, in dem die Leitschaufel 1 zur Anwendung
kommt. Besagte Drehachse 13 kann bspw. durch einen an der
Leitschaufel 1 ausgebildeten, sich koaxial zur Drehachse 13 erstreckenden Zapfen 14 realisiert
werden, der in 1 durch einen Kreis symbolisiert
ist. Dieser Zapfen 14 kann integral an der Leitschaufel 1 ausgebildet
sein. Die Drehachse 13 schneidet die Längsmittellinie 7,
und zwar bevorzugt innerhalb des gekrümmten Abschnitts 8.
Zusätzlich oder alternativ befindet sich die Drehachse 13 bezogen
auf die Länge D der Leitschaufel 1 bei einer Position,
die von der Anströmkante 3 einen Abstand C aufweist,
wobei dieser Abstand C in einem Bereich von einschließlich
37% bis einschließlich 47% der Länge D der Leitschaufel 1 liegt.
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Das
Leitschaufelprofil 2 zeichnet sich bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform außerdem dadurch aus, dass eine
die Anströmkante 3 mit der Abströmkante 4 verbindende
Verbindungsgerade 15, die hier der Länge D entspricht,
von der Anströmkante 3 bis zu einer Position 16 innerhalb
des Leitschaufelprofils 2 erstreckt. Von dieser Position 16 bis
zu einer Position 17, die sich in der Nähe der
Abströmkante 4 befindet, erstreckt sich die Verbindungsgerade 15 außerhalb
des Leitschaufelprofils 2. Von der Position 17 bis
zur Abströmkante 4 erstreckt sich die Verbindungsgerade 15 dann
wieder innerhalb des Leitschaufelprofils 2. Ein Abstand
F der Position 16 von der Anströmkante 3 ist
dabei größer als der Abstand C, den die Drehachse 13 von
der Anströmkante 3 bezogen auf die Länge
D des Profils 1 besitzt. Besagter Abstand F ist dabei zweckmäßig
kleiner als 50% der Länge D der Leitschaufel 1.
Im Unterschied dazu befindet sich die andere Position 17 vergleichsweise nahe
an der Abströmkante 4. Insbesondere ist ihr Abstand
von der Abströmkante 4 kleiner als 10% von der
Länge D der Leitschaufel 1.
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Entsprechend 4 besitzt
ein Turbolader 18 ein Gehäuse 19, das
in üblicher Weise einen hier nicht gezeigten Abgaseinlass
sowie einen ebenfalls nicht gezeigten Abgasauslass aufweist. Im
Gehäuse 19 ist ein Turbinenrad 20 angeordnet,
das bezüglich der Gasströmung zwischen dem Abgaseinlass
und dem Abgasauslass angeordnet ist und das im Gehäuse 19 drehbar
gelagert ist. Zur Realisierung einer variablen Geometrie ist der
Turbolader 18 mit einer Leitschaufeleinrichtung 21 ausgestattet.
Diese weist mehrere Leitschaufeln 1 der zuvor beschriebenen
Art auf. Diese sind dabei zwischen dem Abgaseinlass und dem Turbinenrad 20 im
Gehäuse 19 angeordnet. Eine Stelleinrichtung 22 ermöglicht
dabei ein Verschwenken der Leitschaufeln 1 um deren jeweilige Drehachse 13,
um so die Geometrie des Turboladers 18 bzw. die Leitschaufelgeometrie
zu variieren. Die Stelleinrichtung 22 kann zu diesem Zweck
einen Stellring 23 aufweisen, an dem mehrere Stellhebel 24 verschwenkbar
gelagert sind. Die Stellhebel 24 sind andererseits über
Zapfen drehfest mit den Leitschaufeln 1 verbunden, die
an einer den Stellhebeln 24 gegenüberliegenden
Seite drehbar in einem Lagerring 25 gelagert sind. Durch
Verdrehen des Stellrings 23 verschwenken die Stellhebel 24,
wodurch auch die Leitschaufeln 1 verschwenken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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