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Die Erfindung betrifft einen Leitapparat für ein zu einer Abgasturbine strömendes Gas mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, Brennkraftmaschinen, beispielsweise Ottomotoren oder Dieselmotoren, über Turbolader aufzuladen. Bei dieser Aufladung wird zusätzliche Frischluft in die Verbrennungsräume des Motors eingebracht, indem ein Strömungsverdichter diese Luft zusätzlich zum ansaugenden Unterdruck in den Verbrennungsräumen fördert. Durch die höhere Masse an Frischluft kann für die Verbrennung mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden und eine höhere Leistung lässt sich aus der Verbrennung der gleichen Menge an Brennstoff erzielen. Die Turbolader nutzen dieses Prinzip der Aufladung, indem sie die zum Antrieb des Strömungsverdichters benötigte Leistung aus dem Abgasstrom des Motors gewinnen. Hierfür durchströmt das heiße Abgas eine zumindest mittelbar mit dem Strömungsverdichter verbundene Abgasturbine, um diesen anzutreiben. Beim typischen Aufbau des Turboladers sind die Turbine und der Strömungsverdichter dabei auf einer Welle angeordnet.
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Neben der Anwendung in Abgasturboladern können vergleichbare Abgasturbinen dabei auch in sogenannten Turbo-Compound-Systemen eingesetzt werden. Die Turbinen in diesen Systemen nutzen ebenfalls das aus dem Verbrennungsmotor strömende Abgas, stellen die hieraus gewonnene Leistung über eine entsprechende Getriebeeinheit und gegebenenfalls eine Kupplung, insbesondere eine hydrodynamische Kupplung, der Kurbelwelle zur Verfügung. Sie helfen so unmittelbar Antriebsenergie einzusparen, indem ein Teil der im Abgas des Motors enthaltenen Energie für Antriebszwecke genutzt wird.
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Bei Abgasturbinen in Turboladern und Turbo-Compound-Systemen ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass ein Leitapparat mit mehreren Leitschaufeln vorhanden ist. Diese Leitschaufeln sitzen typischerweise als Kranz um die Turbine herum, sodass das zur Turbine strömende Gas zuerst diesen Leitapparat durchströmen muss, bevor es zur Turbine gelangt. Über wenigstens eine verstellbare Leitschaufel dieses Leitapparats lässt sich dabei die Strömung des Gases zur Turbine entsprechend beeinflussen, um so bei unterschiedlichen Volumenströmen des Abgases dennoch einen idealen Betrieb der Turbine und eine maximale Energieausbeute aus dem Abgas zu gewährleisten. Daneben spielt bei derartigen Konzepten, welche auch als variable Turbinengeometrie oder als variabler Turbineneintritt bezeichnet werden, die Regelung des Ladedrucks und/oder die Regelung einer zurückgeführten Abgasmenge, welche durch den Gegendruck vor der Turbine beeinflussbar ist, eine entscheidende Rolle.
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Beispielhaft soll hinsichtlich einer Abgasturbine mit einem Leitapparat mit wenigstens einer verstellbaren Leitschaufel auf die
DE 10 2007 031 647 A1 verwiesen werden. Diese zeigt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, bei dem mehrere in einem Kranz um das Laufrad der Turbine angeordnete Leitschaufeln vorhanden sind. Die einzelnen Leitschaufeln des Leitapparats lassen sich verstellen, indem an einer der jeweiligen Leitschaufel zugeordneten zentralen Achse ein Verstellhebel angebracht ist, welcher mit einem drehbaren Stellring korrespondiert und so eine gleichmäßige Verstellung der Leitschaufeln des Leitapparats ermöglicht.
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Ein Nachteil bei dem derartigen Aufbau ist es, dass im Bereich der Endanschläge der Leitschaufeln, also wenn die Leitschaufeln geschlossen oder geöffnet sind, der Wirkungsgrad derartiger Turbinen mit variablem Leitapparat sehr schlecht ist. Dies scheint daran zu liegen, dass im Bereich der Endanschläge der Leitschaufeln eine Fehlanströmung der Leitschaufeln erfolgt, und dass diese für die Verschlechterung des Wirkungsgrads verantwortlich ist.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen Leitapparat für eine Turbine zu schaffen, welche den oben genannten Nachteil vermeidet und welche darüber hinaus einfach in ihrem Aufbau ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leitapparat mit den im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leitapparats sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Leitapparat ist jede der verstellbaren Leitschaufeln in Strömungsrichtung in wenigstens zwei Abschnitte aufgeteilt, wobei wenigstens einer der Teilabschnitte verstellbar ausgebildet ist. Durch diese Teilung der wenigstens einen verstellbaren Leitschaufel in einen in Strömungsrichtung ersten, also radial außenliegenden Teilabschnitt, und wenigstens einen in Strömungsrichtung auf diesen folgenden, also radial weiter innen liegenden Teilabschnitt, entsteht ein Aufbau, welcher die oben genannte Problematik löst, indem er für die Anströmung und Abströmung der verstellbaren Leitschaufeln unterschiedliche Einstellungen ermöglicht und so auch im Bereich der Endanschläge einen weiterhin guten Wirkungsgrad gewährleistet.
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Die verstellbare Leitschaufel kann dabei in zwei oder mehr Abschnitte aufgeteilt sein, von welchen wenigstens einer verstellbar ist. Dies ermöglicht eine einfache und effiziente Einstellbarkeit, wobei unterschiedliche Einstellungen der beiden Teilabschnitte möglich sind, um insbesondere auch im Bereich der Endanschläge, also bei komplett offenem oder komplett geschlossenem Leitapparat, einen optimalen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist dabei der radial äußere Teilabschnitt feststehend ausgebildet und der radial innere Teilabschnitt ist verstellbar ausgebildet. Dieser Aufbau, welcher in seiner einfachsten Ausführungsform lediglich die beiden genannten Teilabschnitte aufweist, in einer entsprechenden Variante jedoch auch einen oder mehrere dazwischen angeordnete Abschnitte aufweisen kann, ist, insbesondere in der Ausführung mit zwei Teilabschnitten, sehr einfach in seinem Aufbau. Dadurch, dass der radial äußere Teilabschnitt feststehend ausgebildet ist, lässt sich in allen Einstellungen, also egal, ob der Leitapparat geöffnet oder geschlossen ist, eine ideale Anströmung erzielen, da das anströmende Gas immer zuerst den radial äußeren Teilabschnitt anströmt und somit dessen Ausrichtung für die ideale Anströmung verantwortlich ist. In Strömungsrichtung schließt sich dann der wenigstens eine zweite Teilabschnitt an, welcher verstellbar ausgebildet ist und so die geforderte Einstellung hinsichtlich des Volumenstroms, des aufgebauten Gegendrucks und dergleichen ermöglicht.
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Beim beschriebenen Aufbau in der einfachsten Ausführungsform, also mit einem feststehenden radial äußeren Teilabschnitt und einem verstellbaren radial inneren Teilabschnitt, entsteht so ein Aufbau, welcher gegenüber dem herkömmlichen Aufbau keinen nennenswerten Mehraufwand verursacht, da weiterhin lediglich einer der Teilabschnitte verstellbar ausgebildet sein muss. Dieser kann insbesondere in der herkömmlichen Art und Weise verstellt werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierfür sind beispielsweise entsprechende Drehachsen mit geeigneten Hebeln und in Umfangsrichtung verdrehbaren Stellmechanismen denkbar. Auch alternative Ausführungen und Varianten zum Einstellen des radial inneren Teilabschnitts sind selbstverständlich denkbar und möglich.
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Eine weitere Möglichkeit zur Verstellung des verstellbaren Teilabschnitts, also bevorzugt des radial inneren Teilabschnitts, besteht darin, dass dieser aus mehreren Abschnitten unterschiedlicher Einstellungen besteht, welche mittels eines Schiebers axial zur Turbine verschoben werden können. Je nach axialer Position des Schiebers kommen dann unterschiedliche Abschnitte der Leitschaufeln in den Bereich der Strömung, sodass sich auch hier eine entsprechende Verstellbarkeit ergibt.
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Der Aufbau des erfindungsgemäßen Leitapparats in der diskutierten Weiterbildung muss also gegenüber dem Stand der Technik lediglich die feststehenden radial äußeren Teilabschnitte hinzufügen, welche entsprechend einfach und effizient ausgebildet werden können. Dadurch lässt sich ein erheblicher Vorteil hinsichtlich des Wirkungsgrads im Bereich der Endanschläge des Leitapparats erzielen, da durch die konstanten Bedingungen für die Anströmung in allen Betriebssituationen eine ideale Anströmung erreicht wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leitapparats ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf eine mögliche Ausführungsform anhand der Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitapparats;
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2 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Leitapparat in einer geöffneten Stellung; und
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3 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Leitapparat in einer geschlossenen Stellung.
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Aus der dreidimensionalen Darstellung der 1 ist ein Ausschnitt aus einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitapparats 1 für eine in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Abgasturbine beziehungsweise Nutzturbine eines Abgasturboladers, eines Turbo-Compound-Systems oder dergleichen zu erkennen. Der Leitapparat 1 weist mehrere Leitschaufeln 2 auf, welche beispielsweise kranzförmig um die nicht dargestellte Turbine angeordnet sind. Sie verbinden den Strömungsbereich für ein Abgas, welches sich in einem Turbinengehäuse außerhalb des Leitapparats 1 sammelt, mit dem Bereich der Turbine, in den das Abgas durch den Leitapparat 1 und zwischen den Leitschaufeln 2 hindurch einströmt. Der durchströmbare Bereich des Leitapparats 1 ist außerdem durch eine Wandung 3 in axialer Richtung der Turbine begrenzt. Eine weitere Begrenzung bildet eine zweite hier nicht dargestellte Wandung, welche in der Darstellung der 1 oberhalb der Leitschaufeln 2 angeordnet wäre und Welche in der für die 1 gewählten Darstellung die Sicht auf die Leitschaufeln behindern würde.
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Jede der Leitschaufeln 2 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in zwei Teilabschnitte 2.1 und 2.2 aufgeteilt, wie dies in der Darstellung der 1 beispielhaft an einer der Leitschaufeln mit Bezugszeichen dargestellt wurde. Der in Strömungsrichtung des Gases zuerst angeströmte Teilabschnitt 2.1 der Leitschaufel 2 soll dabei als feststehender Teilabschnitt 2.1 ausgebildet sein. Der zweite Teilabschnitt 2.1, welcher radial innen und in Strömungsrichtung des Gases nach dem ersten Teilabschnitt 2.1 angeordnet ist, soll dagegen in an sich bekannter Art und Weise verstellbar ausgebildet sein. Die Möglichkeiten eine solche Verstellung zu realisieren sind aus dem Stand der Technik geläufig und wurden eingangs bereits diskutiert. Daher wurde auf die Darstellung eines Verstellmechanismus in 1 verzichtet. In an sich bekannter Art und Weise könnte dieser beispielsweise hinter der Wandung 3 angeordnet sein und über entsprechende Stellhebel die Teilabschnitte 2.2 der Leitschaufeln 2 bewegen.
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Der hier dargestellte Aufbau mit dem beweglichen Teilabschnitt 2.2 und dem feststehenden Teilabschnitt 2.1 ist dabei vergleichsweise einfach, da er einem herkömmlichen Aufbau im Wesentlichen nur die feststehenden Teilabschnitte 2.1 hinzufügt. Aufbauten, welche entsprechend komplizierter sind, und welche zwei oder mehr Teilabschnitte aufweisen, welche abhängig oder unabhängig voneinander beweglich ausgebildet sind, wären jedoch ebenso denkbar.
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Die Verwendung der feststehenden Teilabschnitte 2.1 im Bereich, in dem das Gas beziehungsweise dessen Strömung an den Leitapparat 1 anströmt, ermöglicht es, dass in allen Betriebssituationen eine vergleichbare Anströmung der Leitschaufeln 2 und insbesondere der verstellbaren Teilabschnitte 2.2 der Leitschaufeln 2 erfolgt. Durch diese „Vereinheitlichung” der Anströmung lässt sich eine annähernd gleiche Anströmung in allen Betriebssituationen und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads, welcher bei herkömmlichen Aufbauten im Bereich der Endanschläge der stellbaren Leitschaufeln drastisch absinkt, erreichen.
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In der Darstellung der 2 ist ein entsprechender Ausschnitt des Leitapparats 1 mit drei Leitschaufeln 2 in einer geöffneten Stellung dargestellt. Das Gas strömt dabei in der Darstellung der 2 von oben an und trifft zuerst den Bereich der feststehenden Teilabschnitte 2.1, welche entsprechend strömungsgünstig ausgebildet sind und mit einer konkaven Rundung in Richtung der verstellbaren Teilabschnitte 2.2 enden. Die verstellbaren Teilabschnitte 2.2 sind dann vergleichsweise dicht an die feststehenden Teilabschnitte 2.1 anschließend angeordnet und weisen eine konvexe Rundung in dem den feststehenden Teilabschnitten 2.2 zugewiesenen Ende auf. Die verstellbaren Teilabschnitte 2.2 lassen sich dann in Richtung der Strömung oder aus ihr heraus verstellen beziehungsweise verdrehen. Eine der Endstellungen, nämlich der Zustand mit geschlossenen Leitschaufeln 2, ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Die feststehenden Teilabschnitte 2.1 der Leitschaufeln 2 bleiben unverändert angeordnet, während die verstellbaren Teilabschnitte 2.2 der Leitschaufeln 2 so in die Strömung gedreht sind, dass der Leitapparat 1 geschlossen ist.
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Um eine ideale Umströmung der geteilten Leitschaufeln 2 zu gewährleisten, sind diese, wie es in den Darstellungen der Figuren zu erkennen ist, bevorzugt so ausgebildet, dass die verstellbaren Teilabschnitte 2.1 an ihren, dem festen Teilabschnitt 2.1 zugewandten Ende drehbeweglich gelagert sind. Außerdem verjüngen sich die verstellbar ausgebildeten Teilabschnitte 2.1 von diesem Ende aus, sodass diese an ihrem, dem feststehenden Teilabschnitt 2.1 zugewandten Ende eine vergleichsweise große Breite aufweisen. In diesem Bereich korrespondieren die gebogenen Formen der einander zugewandten Enden der Teilabschnitte 2.1 und 2.2 über einen relativ großen Verstellbereich so miteinander, dass sich ein strömungsgünstiger Übergang, welcher weitgehend frei von größeren Drucksprüngen und Druckverlusten ist, zwischen den Profilen der feststehenden Teilabschnitte 2.1 und der verstellbaren Teilabschnitte 2.2 über einen großen Teil des Verstellbereichs hinweg ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007031647 A1 [0005]
