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Die
Erfindung betrifft eine Radialturbine für einen Turbolader nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine
solche Radialturbine gemäß dem Stand der
Technik ist in 1 dargestellt. Die 1 zeigt abschnittsweise
eine Längsschnittansicht
einer Radialturbine 10 mit einem Turbinengehäuse 12,
mittels welchem ein Turbinenrad 14 aufgenommen ist. Das Turbinenrad 14 umfasst
eine Mehrzahl an Schaufelelementen, wovon in der 1 stellvertretend
ein Schaufelelement 16 dargestellt ist. Ein Medium, beispielsweise
Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine, strömt durch einen Strömungskanal 20 des Turbinengehäuses 12 gemäß eines
Richtungspfeils 22 und treibt das Turbinenrad 14 an.
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Wie
in der 1 zu sehen ist, tritt allerdings lediglich nur
ein Teil der Strömung über einen
Turbinenradeintritt 18 in das Turbinenrad 14 ein,
um dieses anzutreiben. Diese Teilströmung ist durch einen Richtungspfeil 26 gekennzeichnet.
Der verbleibende Teil der Strömung
strömt über einen
Spalt 24 zwischen dem Schaufelelement 16 und dem
Turbinengehäuse 12 am
Turbinenradeintritt 18 und damit am Turbinenrad 14 vorbei
und trägt
nicht oder nur teilweise dazu bei, das Turbinenrad 14 anzutreiben.
Diese verbleibende Strömung
ist durch einen Richtungspfeil 27 gekennzeichnet. Eine
Breite 28 des Spalts 24 hat dabei entscheidenden
Einfluss auf den Wirkungsgrad der Radialturbine 10. Mit
steigender Breite 28 sinkt der Wirkungsgrad der Radialturbine.
Auf Grund dieser Tatsache kommt es zu Wirkungsgradverlusten der
Radialturbine 10 und damit des korrespondierenden Turboladers,
was zu erhöhten
Kraftstoffverbräuchen
und damit zu erhöhten
CO2-Emissionen einer korrespondierenden
Verbrennungskraftmaschine führt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Radialturbine
der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein höherer Wirkungsgrad
der Radialturbine ermöglicht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Radialturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
solche Radialturbine für
einen Turbolader umfasst ein Turbinengehäuse, welches zumindest einen
Strömungskanal
aufweist, mittels welchem über
eine Hauptdüse
des Strömungskanals
ein Gas zu einem Radeintritt eines mittels des Turbinengehäuses aufgenommenen
Turbinenrads leitbar ist, wobei auf einer einem Radaustritt des
Turbinenrads zugewandten Seite der Hauptdüse ein Absatz vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß steht
ein Verhältnis
einer Breite am Radeintritt, welche sich aus einer Summe einer axialen
Erstreckungsbreite des Absatzes und einer Breite der Hauptdüse am Radeintritt
ergibt, zu einer Breite der Hauptdüse am Radeintritt in folgender
Beziehung:
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Dabei
bezeichnen ba die axiale Erstreckungsbreite
des Absatzes, bD1 die Breite der Hauptdüse am Radeintritt,
dD2 den Durchmesser des Absatzes im Turbinengehäuse, dR1 den Durchmesser des Turbinenrads am Radeintritt
und dD1 den Durchmesser der Hauptdüse im Turbinengehäuse.
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Mittels
dieser Beziehung der geometrischen Dimensionen ist bei der Radialturbine
ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht, was mit einem erhöhten Wirkungsgrad
des Turboladers mit einer derartigen Radialturbine einhergeht. Durch
den dadurch erreichten effizienteren Betrieb des Turboladers ist
eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und damit eine Reduzierung
von CO2-Emmisionen einer zu dem Turbolader
korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine erreicht, was insbesondere
der Umwelt positiv zu Gute kommt.
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Es
ist anzumerken, dass die Summe der axialen Erstreckungsbreite ba des Absatzes und der Breite bD1 der
Hauptdüse
am Radeintritt, also ba + bD1, die
Breite bD2 am Radeintritt ergibt. Diese
Breite bD2 bezieht sich dabei einerseits
auf eine dem Radaustritt des Turbinenrads abgewandten Wandung des
Turbinengehäuses,
also auf die gleiche Wandung, auf die sich auch die Breite bD1 der Hauptdüse am Radeintritt einerseits
bezieht, was besonders in einem Längsschnitt der Radialturbine
deutlich wird. Andererseits bezieht sich die Breite bD2 am
Radeintritt auf eine dem Radaustritt des Turbinenrads zugewandten Wandung
des Turbinengehäuses
und zwar unmittelbar nach dem auf der gleichen Seite angeordneten Absatz,
was ebenfalls in einem Längsschnitt
der Radialturbine deutlich wird. Subtrahiert man von der Breite
bD2 am Radeintritt die axiale Erstreckungsbreite
ba des Absatzes, so erhält man die Breite bD1 der Hauptdüse am Radeintritt. Folglich
ergibt sich also: ba +
bD1 = bD2 wobei
bD2 die Breite am Radeintritt bezeichnet.
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Die
angegebene Beziehung lässt
sich folgender Maßen
vereinfachen:
wobei L
D eine
Länge der
Hauptdüse
und R
S einen radialen Spalt über dem
Radeintritt des Turbinenrads bezeichnen.
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L
D wiederum ergibt sich aus folgender Beziehung:
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Und
R
S ergibt sich aus folgender Beziehung:
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Wie
bereits angedeutet, ergibt sich aus den beschriebenen Verhältnissen
ein besonders günstiger
Wirkungsgrad der Radialturbine, was mit allen in diesem Zusammenhang
beschriebenen Vorteilen einhergeht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Breite bD1 der Hauptdüse am Radeintritt
gleich einer Radeintrittsbreite ausgebildet. Diese Radeintrittsbreite
ist dabei beispielsweise eine axiale Erstreckungsrichtung einer
Eintrittskante eines Schaufelelements des Turbinenrads, wobei das
Turbinenrad in der Regel eine Mehrzahl an Schaufelelementen aufweist,
die Idealerweise alle gleich ausgebildet sind. Durch diese Ausführungsform
der Erfindung ist ein gesamter Strömungsimpuls, welcher über das
Turbinengehäuse,
dass beispielsweise als Spiralgehäuse ausgeführt sein kann, erzeugt wird, unmittelbar
in den Schaufelelementen des Turbinenrads nutzbar. Dadurch ist vermieden,
dass, wie im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben,
ein Strömungsanteil
an den Schaufelelementen und damit am Turbinenrad vorbei in einen Spalt
zwischen Turbinenrad und Turbinengehäuse vorbeiströmt, ohne
vorher Energie an das Turbinenrad abgegeben zu haben. Daraus resultiert
eine deutliche Erhöhung
des Wirkungsgrades der Radialturbine, nämlich in Folge einer Abdeckung
des Spalts am Radeintritt des Turbinenrads. Weiterhin als vorteilhaft erweist
sich, eine Rücksetzung
zur Darstellung eines Axialspalts zwischen Turbinenrad und Turbinengehäuse am Radeintritt,
also die axiale Erstreckungsbreite des Absatzes, gleich eines Radialspalts,
also eines Spalts zwischen einer jeweiligen Außenkontur eines jeweiligen
Leitschaufelelements und dem Turbinengehäuse stromab des Radeintritts,
auszubilden. Es kann durchaus der Fall sein, dass der Axialspalt
und der Radialspalt gleiche Breiten aufweisen, das heißt also,
dass das Turbinenrad am Radeintritt den gleichen Abstand vom Turbinengehäuse aufweist
wie weiters stromabwärts.
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Eine
weitere Steigerung des Wirkungsgrads der Radialturbine und damit
eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine
ist dadurch erreichbar, wenn die Breite bD1 der Hauptdüse am Radeintritt
kleiner als die Radeintrittsbreite ist.
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Ist
bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der
zumindest eine Strömungskanal
als ein Spiralkanal ausgebildet, so ergibt sich daraus der Vorteil,
dass das Gas besonders strömungsgünstig und
damit ohne Verluste an das Turbinenrad heranführbar ist, wodurch eine weitere
Steigerung des Wirkungsgrads der Turbine und damit eine weitere
Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen
der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine erreicht ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Radialturbine als mehrflutige Radialturbine
ausgebildet, was den Vorteil inne hat, dass dadurch zusätzliche,
einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine optimierende Anwendungen, wie
beispielsweise eine besonders optimierte Abgasrückführung, ermöglicht sind, was in einer weiteren Reduzierung
des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emissionen
resultiert.
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Ist
stromauf des Turbinenrads zumindest eine Verstellvorrichtung, insbesondere
ein variables Leitgitter, zur Beeinflussung von Strömungsparametern
vorgesehen, so birgt dies den Vorteil, dass damit die Radialturbine
an ein besonderes breites Spektrum an Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine
anpassbar ist und somit ein optimales Verhältnis aus Kraftstoffverbrauch
und Darstellung einer nötigen
Luftversorgung zur Darstellung einer abgefragten Leistung bzw. eines
abgefragten Moments der Verbrennungskraftmaschine erreichbar ist.
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Diesen
Aspekt betrifft auch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung, wonach stromab des Turbinenrads zumindest eine Verstellvorrichtung,
insbesondere ein Axialschieber, zur Beeinflussung von Strömungsparametern
vorgesehen ist. Eine derartige Verstellvorrichtung erweitert eine Anpassbarkeit
der Radialturbine an unterschiedlichste Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine weiterhin,
wodurch in einer besonders großen
Bandbreite eine optimale Anpassung der Radialturbine an jeweiligen
Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine möglich ist. Dies bedeutet einen
noch effizienteren Betrieb eines Systems aus der Verbrennungskraftmaschine
und des Abgasturboladers mit einer derartigen Radialturbine, womit
eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen einhergeht.
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Wie
bereits angedeutet, erweist sich ein Turbolader mit einer erfindungsgemäßen Radialturbine als äußerst vorteilhaft,
da durch die beschriebene Steigerung des Wirkungsgrads und die Anpassbarkeit
der Radialturbine an unterschiedlichste Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine
auch eine Steigerung eines Wirkungsgrads des Abgasturboladers ermöglicht ist,
wodurch alle beschriebenen Vorteile erreicht werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgenden
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 abschnittsweise
eine Längsschnittansicht
einer Radialturbine mit einem Turbinengehäuse, mittels welchem eine Turbinenrad
aufgenommen ist gemäß dem Stand
der Technik,
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2 abschnittsweise
eine Längsschnittansicht
einer Radialturbine mit einem Turbinengehäuse, mittels welchem ein Turbinenrad
aufgenommen ist in einer zu 1 alternativen
Ausführungsform,
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3 abschnittsweise
eine Längsschnittansicht
einer Radialturbine mit einem Turbinengehäuse, mittels welchem ein Turbinenrad
aufgenommen ist in einer weiteren Ausführungsform und
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4 abschnittsweise
eine Längsschnittansicht
einer Radialturbine mit einem Turbinengehäuse, mittels welchem ein Turbinenrad
aufgenommen ist in einer weiteren alternativen Ausführungsform.
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Während die 1 eine
Radialturbine gemäß dem Stand
der Technik zeigt, zeigen die 2 bis 4 alternative
Ausführungsformen
einer Radialturbine, wobei jeweils eine besondere Ausgestaltung
einer Hauptdüse
an einem Radeintritt eines Turbinenrads vorgesehen ist.
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Die
2 zeigt
eine Radialturbine
30 mit einem Turbinengehäuse
32,
mittels welchem ein Turbinenrad
34 aufgenommen ist. Das
Turbinengehäuse
32 weist
zwei Strömungskanäle
38 und
39 auf,
mittels welchen über
eine Hauptdüse
36 ein
Abgas einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine zu einem
Radeintritt
40 des Turbinenrads
34 leitbar ist. Auf
einer einem Radaustritt
42 zugewandten Seite der Hauptdüse
36 ist
ein Absatz
44 des Turbinengehäuse
32 vorgesehen,
der einen Axialspalt
46 zwischen Turbinenrad
34 und
Turbinengehäuse
32 überdeckt
zur Vermeidung einer Teilströmung
des Abgases vorbei am Radeintritt
40 durch den Axialspalt
46, wodurch
Verluste entstehen würden.
Ein Verhältnis einer
Breite b
D2 am Radeintritt
40 zu
einer Breite b
D1 der Hauptdüse
36 steht
dabei in folgender Beziehung:
wobei L
D eine
Länge der
Hauptdüse
36 bezeichnet und
sich ergibt aus
und wobei R
S eine
Ausdeckung eines radialen Spalts über dem Radeintritt
40 bezeichnet
und sich ergibt aus
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Dabei
bezeichnen dD1 einen Durchmesser der Hauptdüse 36 im
Turbinengehäuse 32,
dD2 einen Durchmesser des Absatzes 44 im
Turbinengehäuse 32,
und dR1 einen Durchmesser des Turbinenrads 34 am
Radeintritt 40.
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In
der 2 bezeichnen weiterhin bs eine Breite
eines Radialspalts zwischen Turbinenrad 34 und Turbinengehäuse 32,
dA einen Durchmesser eines Strömungskanals
stromab des Turbinenrads 34, bR eine
Breite des Radeintritts 40, ba eine
axiale Erstreckungsbreite des Absatzes 44 und dR2 einen Durchmesser des Turbinenrads 34 am
Radaustritt 42. Mit folgenden beispielhaften Werten:
dD1 = 115
dD2 =
91,4
dR1 = 90
dA =
73,2
bD1 = 11
bD2 =
11,5
bR = 11,2
LD =
11,8
RS = 0,7 ergibt sich beim konkreten
Ausführungsbeispiel
der 2 ein Verhältnis
von bD2 zu bD1 zu
1,059 ± 0,15.
Eine Einhaltung dieser Beziehung bei einer Konstruktion der Radialturbine 30 führt zu besonders hohen
Wirkungsgraden der Radialturbine 30 und damit zu einem äußerst effizienten
Betrieb, was in einer Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs einer
korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine resultiert.
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Die 3 zeigt
eine gemäß 2 weitere mögliche Ausführungsform
einer Radialturbine 30' mit
einem Turbinengehäuse 32', mittels welchem
ein Turbinenrad 34' aufgenommen
ist. Wie in der 3 zu sehen ist, ist ein Absatz 44' vorgesehen,
der einen Axialspalt zwischen dem Turbinenrad 34' und dem Turbinengehäuse 32' überbrückt, wobei
der Absatz 44' gerade
genauso breit ist wie der Axialspalt.
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4 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
einer Radialturbine 30'' mit einem Turbinengehäuse 32'', mittels welchem ein Turbinenrad 34'' aufgenommen ist. Eine Hauptdüse 36'' mit der Breite bD1 weist
im Bereich eines Radeintritts 40'' des Turbinenrads 34'' einen Absatz 44'' auf, der bei dieser Ausführungsform
der Radialturbine 30'' breiter ist als
ein Axialspalt zwischen dem Turbinenrad 34'' und dem
Turbinengehäuse 32'' am Radeintritt 40''. Ebenso wie die Radialturbine 30' gemäß 3 gehorcht auch
die Radialturbine 30'' dem im Zusammenhang mit 2 beschriebenen
Verhältnis
der Breite bD2 am Radeintritt 40'' zu der Breite bD1 der
Hauptdüse 36'' am Radeintritt 40''. Dabei kann bei der Radialturbine 30'' in 4 also vorgesehen
sein, dass die Breite bD1 der Hauptdüse 36'' gleich oder kleiner der Breite bR des Radeintritts 40'' ist.
Weiterhin ist anzustreben, dass eine Rücksetzung für eine Darstellung des Axialspalts,
also die axiale Erstreckungsbreite ba des Absatzes 44'', nahezu gleich eines Radialspalts
bs ist.
