DE102010054914A1

DE102010054914A1 - Leiteinrichtung für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102010054914A1
Application number: DE102010054914A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hinsenkamp Gert; Dr.-Ing. Konrad Gerhard; Michael Pfeiffer; Benjamin Steinhauser; Dominik Stelzig
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung (12, 12I, 12II, 12III, 12IV, 12V, 12VI, 12VII) für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere einen Abgasturbolader, mit wenigstens einem Innenring (32, 32I, 32II, 32III) und wenigstens einem koaxial zu dem Innenring (32, 32I, 32II, 32III) angeordneten und den Innenring (32, 32I, 32II, 32III) außenumfangsseitig zumindest bereichsweise umgebenden Außenring (10, 10I, 10II, 10III, 10IV, 10V, 10VI, 10VII, 10VIII, 10IX, 10X, 10XI, 10XII) welche relativ zueinander um eine Drehachse (64) drehbar sind und welche jeweils zumindest eine Durchtrittsöffnung (28, 36) aufweisen, über welche die Ringe (10, 10I, 10II, 10III, 10IV, 10V, 10VI, 10VII, 10VIII, 10IX, 10X, 10XI, 10XII, 32, 32I, 32II, 32III) von einem Medium, insbesondere einem Gas, durchströmbar sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (28, 36) zum Ermöglichen eines Durchströmens der Ringe (10, 10I, 10II, 10III, 10IV, 10V, 10VI, 10VII, 10VIII, 10IX, 10X, 10XI, 10XII, 32, 32I, 32II, 32III) zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung (29) durch das Medium in jeweiligen Mantelflächen (30, 38) der Ringe (10, 10I, 10II, 10III, 10IV, 10V, 10VI, 10VII, 10VIII, 10IX, 10X, 10XI, 10XII, 32, 32I, 32II, 32III) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung für eine Fluidenergiemaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Aus dem Serienbau von Kraftwagen ist es bekannt, bei Radialturbinen, insbesondere von Abgasturboladern, Strömungsquerschnitte auf verschiedene Art und Weise dynamisch einzustellen und beispielsweise an bestimmte Betriebspunkte einer zugeordneten Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Durch die Einstellung des wirksamen Strömungsquerschnitts wird auch der Druck vor einem Eintritt eines die Turbine durchströmenden Mediums, insbesondere eines Gases und insbesondere von Abgas, in die Turbine angepasst. Dabei ist es bekannt, den Strömungsquerschnitt beispielsweise durch eine variable Turbinengeometrie (VTG) einzustellen. Bei einer solchen variablen Turbinengeometrie erfolgt die Einstellung des Strömungsquerschnitts und damit der Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise von die Turbine durchströmendem Abgas, welches ein Turbinenrad zumindest im Wesentlichen radial anströmt, über meridional verstellbare Leitschaufeln, die mittels eines jeweiligen Stiftes einzeln in einem Turbinengehäuse gelagert werden. Die Leitschaufeln können über den Stift und einen jeweiligen Hebel sowie einen Stellring verdreht werden, wobei auch eine Strömungswinkelanpassung vorgenommen wird.
Ebenso aus dem Serienbau von Kraftwagen ist der Einsatz eines so genannten variablen Turbinenbereichs (VTA – variable turbine area) bekannt, wobei radial verstellbare Leitschaufeln eingesetzt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit einzustellen. Die VTG und die VTA sind insofern nachteilig, als eine hohe Anzahl an Bauteilen vorgesehen ist, woraus ein hoher Fertigungs- und ein hoher Montageaufwand resultiert. Auf Grund von hohen thermischen Belastungen der Bauteile kann insbesondere die VTG nur in bestimmten Temperaturbereichen eingesetzt werden, oder es muss auf kostenintensive, hochtemperaturfeste Werkstoffe zurückgegriffen werden.
Darüber hinaus ist der Einsatz einer so genannten variablen Schieberturbine (VST) bekannt, bei welcher die Anpassung und Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit mittels einer axial verstellbaren Matrize erfolgt, die über ein fixiertes Leitschaufelgitter geschoben wird. Auch die VST weist Nachteile hinsichtlich hoher Fertigungskosten sowie eines erhöhten Bauraumbedarfs durch die translatorische Verstellung der Matrize auf. Insbesondere bei hohen Temperaturen des Abgases oder eines anderweitigen die Turbine durchströmenden Mediums kann es zwischen Matrize und Leitschaufelgitter auf Grund von geringen Passungen zu Verklemmungen kommen, was die axiale Verstellung der Matrize beeinträchtigen kann, wenn keine anderweitigen Vorkehrungen getroffen sind. Zudem ist eine aufwendige Verstelleinrichtung für die Matrize gegeben.
Des Weiteren offenbart die DE 34 13 304 A1 eine verstellbare Leitbeschaufelung für eine Turbomaschine, wobei ein erster Teil Leitschaufeln an einem Innenring und ein anderer Teil in der gleichen Ebene liegenden Leitschaufeln an einem koaxial zum Innenring angeordneten Außenring befestigt sind, und wobei die Ringe relativ zueinander verdrehbar sind. Die verstellbare Leitbeschaufelung weist weiteres Potential auf, Strömungsbedingungen, insbesondere für radiale Fluidenergiemaschinen, besser einstellen zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiteinrichtung für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader, bereitzustellen, welche geringe Kosten aufweist und eine verbesserte Einstellmöglichkeit von Strömungsbedingungen für die Fluidenergiemaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Leiteinrichtung für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Leiteinrichtung für eine Fluidenergiemaschine umfasst wenigstens einen Innenring und wenigstens einen koaxial zu dem Innenring angeordneten und den Innenring außenumfangsseitig zumindest bereichsweise umgebenden Außenring, welche insbesondere unter Beibehaltung der koaxialen Anordnung relativ zueinander um eine Drehachse drehbar sind und welche jeweils zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweisen, über welche die Ringe von einem Medium, insbesondere Gas, durchströmbar sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Durchtrittsöffnungen zum Ermöglichen eines Durchströmen der Ringe, zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringe durch das Medium in jeweilige Mantelflächen der Ringe ausgebildet sind. Durch relatives Verdrehen der Ringe zueinander werden auch die Durchtrittsöffnungen relativ zueinander verdreht. Mit anderen Worten kann das Medium die Ringe in radialer Richtung derselbigen von innen nach außen und/oder insbesondere von außen nach innen durchströmen, indem es durch die Durchtrittsöffnungen hindurchströmt, wenn sich diese in einer entsprechenden Relativposition zueinander befinden, welche durch eine entsprechende relative Drehstellung der Ringe zueinander gegeben ist.
Damit das Medium die Ringe bzw. deren Mantelflächen zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung durchströmen kann, sind die Ringe in zumindest eine Drehstellung relativ zueinander drehbar, in der sich die jeweiligen Durchtrittsöffnungen gegenseitig zumindest bereichsweise überlappen. Vorteilhafterweise sind die Ringe in zumindest eine Drehstellung relativ zueinander drehbar, in welcher die Mantelfläche des einen Rings die Durchtrittsöffnung des anderen Rings und umgekehrt komplett überdeckt, so dass die Eignung der Durchtrittsöffnungen, von dem Medium in radialer Richtung durchströmt zu werden, nach wie vor gegeben ist, jedoch ein solches Durchströmen tatsächlich durch die entsprechenden Mantelflächen der Ringe zumindest im Wesentlichen verhindert ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Drehstellungen der Ringe relativ zueinander einstellbar und vorgesehen, in welchen sich die Durchtrittsöffnungen zumindest bereichsweise gegenseitig überdecken, wobei sich die Drehstellungen hinsichtlich eines effektiv von dem Medium zu durchströmenden Strömungsquerschnitt der Durchtrittsöffnungen voneinander unterscheiden. In einer dieser Drehstellungen ist zumindest eine der Durchtrittsöffnungen, insbesondere beide Durchtrittsöffnungen, komplett freigegeben und die Durchtrittsöffnungen überlappen sich gegenseitig komplett, so dass das Medium über einen besonders großen, insbesondere einen maximal einstellbaren, Strömungsquerschnitt die Mantelflächen bzw. die Ringe in radialer Richtung durchströmen kann.
In einer weiteren dieser Drehstellungen ist eine der Durchtrittsöffnungen, oder sind die Durchtrittsöffnungen, von der Mantelfläche des jeweils anderen Rings zumindest bereichsweise abgedeckt, so dass ein gegenüber dem zuvor geschilderten großen effektiven Strömungsquerschnitt ein geringerer effektiver Strömungsquerschnitt der Durchtrittsöffnung bzw. der Durchtrittsöffnungen gegeben ist, über welchen das Medium die Ringe zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung durchströmen kann. Auf diese Art und Weise sind durch relatives Verdrehen der Ringe zueinander voneinander unterschiedliche Strömungsquerschnitte darstellbar, über welche das Medium die Ringe zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung durchströmen kann, wobei der Strömungsquerschnitt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich Null (Durchtrittsöffnungen sind von der Mantelfläche des jeweiligen anderen Ringes überdeckt) bis zu einem maximalen Wert (Durchtrittsöffnungen sind maximal freigegeben und überdecken sich komplett) gestuft oder vorzugsweise kontinuierlich mit einer Vielzahl von Zwischenstellungen einstellbar ist.
Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung ermöglicht somit die variable Einstellung eines effektiven Strömungsquerschnitts für das Medium und somit die Darstellung besonders günstiger Strömungsbedingungen, insbesondere bei radialen Fluidenergiemaschinen und insbesondere radialen Turbomaschinen, bei welchen ein Laufrad zumindest im Wesentlichen radial von dem Medium angeströmt und beaufschlagt wird. Dadurch kann die Fluidenergiemaschine in einem besonders breiten Kennfeld sehr effizient betrieben werden. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Leiteinrichtung eine nur sehr geringe Komplexität auf, um den Strömungsquerschnitt einzustellen. Dies geht einher mit einer besonders geringen Anzahl an Bauteilen sowie einer unaufwendigen Verstellung der Ringe relativ zueinander. Daraus resultieren ein besonders geringer Fertigungs- und Montageaufwand, geringe Fertigungskosten, sowie ein geringer Bauraumbedarf und ein geringes Gewicht der Leiteinrichtung.
Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung ist beispielsweise bei Fluidenergiemaschinen wie Abgasturboladern für Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar. Hierbei kann mittels der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung ein effektiver Strömungsquerschnitt einer von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Turbine eingestellt werden, um ein in einem Turbinengehäuse aufgenommenes Turbinenrad besonders strömungsgünstig mit dem Abgas anzuströmen und zu beaufschlagen. Dies geht einher mit einem besonders effizienten Betrieb des Abgasturboladers, was den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering hält.
Ebenso ist es möglich, die erfindungsgemäße Leiteinrichtung bei einer Aufladeeinrichtung einer Brennstoffzelle einzusetzen. Diese Aufladeeinrichtung umfasst beispielsweise einen Verdichter, um der Brennstoffzelle zuzuführende Luft zu verdichten. Ferner umfasst die Aufladeeinrichtung eine Turbine, welche von Abgas der Brennstoffzelle durchströmbar ist und mittels welcher der Verdichter antreibbar ist. Mittels der Leiteinrichtung ist es dann beispielsweise möglich, einen effektiven Strömungsquerschnitt einer Turbine der Aufladeeinrichtung variabel einzustellen, um ein Turbinenrad der Turbine strömungsgünstig radial anzuströmen und mit dem Abgas der Brennstoffzelle zu beaufschlagen.
In jeglicher Hinsicht ermöglicht die erfindungsgemäße Leiteinrichtung eine einfache und kostengünstige Anpassung der entsprechenden Turbine bzw. der Fluidenergiemaschine an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten eines zugeordneten Aggregats, wie beispielsweise der Verbrennungskraftmaschine oder der Brennstoffzelle, so dass dieses Aggregat besonders effizient und energieverbrauchsarm betrieben werden kann. Insbesondere kann das Schluckvermögen der Fluidenergiemaschine an dynamische und sich dynamisch ändernde Betriebszustände des Aggregats. angepasst und ein wirksamer Strömungsquerschnitt an einem Turbineneingang variabel eingestellt werden.
Dies bedeutet, dass je nach Lastsituation eine Erhöhung der Turbinen-Eintrittsenthalpie und somit eine Zunahme der kinetischen Energie stattfindet oder eine Verringerung dieser Größen auftritt. Hierbei stellt der wirksame Strömungsquerschnitt eine bedeutende Steuergröße zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des die Turbine bzw. die Leiteinrichtung durchströmenden Mediums dar. Der Umsatz der verfügbaren Eintrittsenthalpie erfolgt vorzugsweise in einer Radialturbine, welche ein Spiralgehäuse, die Leiteinrichtung und ein Laufrad umfasst. Das Spiralgehäuse umfasst dabei zumindest einen Spiralkanal, über welchen das Medium über die Leiteinrichtung dem Laufrad zuzuführen ist. Vorteilhafterweise umgibt der Außenring den Innenring außenumfangsseitig komplett, so dass besonders günstige Strömungsbedingungen eingestellt werden können.
Zusätzlich oder alternativ weisen die Ringe jeweils eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen auf, welche in Umfangsrichtung der Ringe über deren Umfang, insbesondere gleichmäßig, verteilt voneinander beabstandet angeordnet ist. Durch relatives Drehen der Ringe zueinander können diese Durchtrittsöffnungen insbesondere komplett fluidisch freigegeben sowie insbesondere komplett fluidisch versperrt oder lediglich bereichsweise zumindest im Wesentlichen fluidisch versperrt werden, indem die Mantelfläche eines der Ringe die Durchtrittsöffnungen des entsprechend anderen Ringes komplett oder bereichsweise in radialer Richtung der Ringe abdeckt. Die Mehrzahl an Durchtrittsöffnungen birgt den Vorteil, dass dadurch die Leiteinrichtung wahlweise von einem besonders hohen Massenstrom des Mediums durchströmt werden kann, indem die Durchtrittsöffnungen entsprechend weit geöffnet werden. Durch entsprechendes Verschließen und Abdecken der Durchtrittsöffnungen kann aber ebenso ein demgegenüber geringer Massenstrom eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Leiteinrichtung einen besonders großen Verstellbereich aufweist, wodurch die Fluidenergiemaschine besonders flexibel an unterschiedliche Betriebspunkte anpassbar ist. Mit anderen Worten kann das Verstellen bzw. Verdrehen der Ringe relativ zueinander derart erfolgen, dass ein beliebiger und vorzugsweise strömungstechnisch günstiger Strömungsquerschnitt der Durchtrittsöffnung bzw. der Durchtrittsöffnungen eingestellt wird.
Ist die erfindungsgemäße Leiteinrichtung in einem Gehäuseteil, insbesondere in einem Turbinengehäuse, der Fluidenergiemaschine angeordnet, so ist beispielsweise der Innenring relativ zu dem Gehäuseteil fest gehalten, während der Außenring relativ zu dem Gehäuseteil und dem Innenring drehbar gelagert ist. Dies ist von Vorteil, da das Medium, insbesondere das Gas, in radialer Richtung der Ringe zumeist vom Außenring her durchströmt wird. Dabei ist das Laufrad in radialer Richtung der Ringe innenseitig des Innenrings in einem Aufnahmeraum angeordnet und zumindest bereichsweise von den Ringen umgeben, so dass eine Leitbeschaufelung des Laufrads besonders günstig von dem Medium über die erfindungsgemäße Leiteinrichtung angeströmt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist zumindest einer der Ringe wenigstens ein sich an die entsprechende Durchtrittsöffnung dieses Rings anschließendes Leitelement, insbesondere Leitschaufel, auf. Dieses Leitelement ermöglicht eine besonders strömungsgünstige Zuführung (oder auch Abführung) des Mediums zu dem Laufrad (oder von diesem weg), woraus besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen resultieren. Dies geht mit einem besonders effizienten Betrieb der Fluidenergiemaschine einher.
Dabei kann vorgesehen sein, dass sich das Leitelement in radialer Richtung des entsprechenden Ringes zumindest bereichsweise nach innen und/oder nach außen erstreckt, um besonders günstige Strömungsbedingungen für die Anströmung (oder Abströmung) des Laufrads darzustellen.
Eine in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung der Ringe verlaufende Außenkontur des Leitelements ist dabei entsprechend auszugestalten und beispielsweise bereichsweise bogenförmig auszubilden, um strömungsungünstige Effekte zu vermeiden und das Medium besonders strömungsgünstig dem Laufrad zuzuführen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Durchtrittsöffnung eines der Ringe von dem Leitelement von dem anderen der Ringe zumindest bereichsweise durchdrungen ist. Dabei durchdringt beispielsweise das mit dem Innenring verbundene, insbesondere einstückig mit diesem ausgebildeten Leitelement die entsprechende Durchtrittsöffnung des Außenrings. Dadurch ist eine besonders strömungsgünstige Zuführung des Mediums über die Durchtrittsöffnung des Außenrings, das Leitelement des Innenrings und dessen Durchtrittsöffnung zu dem Laufrad ermöglicht.
Um die Kosten für die erfindungsgemäße Leiteinrichtung weiterhin gering zu halten, ist ein geeignetes Fertigungsverfahren und/oder ein geeigneter Werkstoff auszuwählen, um insbesondere die Materialkosten gering zu halten.
Es ist möglich, die erfindungsgemäße Leiteinrichtung mit einer weiteren Leiteinrichtung, insbesondere einem Leitschaufelgitter, zu kombinieren. Dabei umfasst die erfindungsgemäße Leiteinrichtung die weitere Leiteinrichtung, wobei die weitere Leiteinrichtung in radialer Richtung der Ringe außenseitig oder innenseitig der Ringe angeordnet ist und diese in Umfangsrichtung außenumfangsseitig oder innenumfangsseitig zumindest bereichsweise umgibt. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, das die Ringe anströmende Medium mittels der weiteren Leiteinrichtung zu beeinflussen, beispielsweise zu beschleunigen oder abzubremsen, und diesem vor dem Anströmen der Ringe eine vorteilhafte Richtung aufzuprägen. Dies kommt im effizienten Betrieb der Fluidenergiemaschine zugute.
Durch die erfindungsgemäße Leiteinrichtung können wirksame Strömungsquerschnitte von Radial-, Axial- und Tangentialströmungen beeinflusst und an bestimmte Bedingungen angepasst werden. So können die genannten Strömungen an sich dynamisch ändernde Betriebspunkte des der Fluidenergiemaschine zugeordneten Aggregats angepasst werden, so dass das Aggregat einen sehr effizienten und energieverbrauchsarmen Betrieb aufweist. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung kann dabei in allen Arten von Strömungsmaschinen mit unterschiedlichen Medien eingesetzt werden und eine hohe Spannweite an thermischen Bereichen abdecken.
Die geometrische Form der Durchtrittsöffnungen der Ringe ist dabei derart zu wählen und an vorliegende Betriebsbedingungen anzupassen, so dass bei gleichem Verstellweg der Ringe relativ zueinander eine sehr genaue Einstellung des wirksamen Strömungsquerschnitts gegeben ist. Die Durchtrittsöffnungen können beispielsweise rechteckig, als Parallelogramm, als Dreieck ausgebildet sein und/oder eine anderweitige geometrische Form aufweisen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen der Innenring und der Außenring jeweils zumindest ein Leitelement, insbesondere eine Leitschaufel auf, wobei das Leitelement des Außenrings eine dem Leitelement des Innenrings zumindest bereichsweise zugewandte Außenkontur aufweist, welche wenigstens bereichsweise als zu einer dem Leitelement des Außenrings zugewandte Außenkontur des Leitelements des Innenrings korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die in radialer Richtung innenseitige Außenkontur des Leitelements des Außenrings als Aufnahme zumindest für einen Bereich der in radialer Richtung außenseitigen Außenkontur des Leitelements des Innenrings fungiert. Somit ist in zumindest einer der Drehstellung der Ringe, relativ zueinander das Leitelements des Innenrings durch das Leitelement des Außenrings bauraum- und insbesondere strömungsgünstig aufgenommen, wobei eine im Wesentlichen geschlossene Leitelementgeometrie, insbesondere Leitschaufelgeometrie, entsteht. Dadurch können die Durchtrittsöffnungen besonders weit frei gegeben und ein besonders großer, maximaler Strömungsquerschnitt eingestellt werden, bei gleichzeitiger Beibehaltung einer besonders guten Führung des Mediums durch die entsprechenden Leitelemente. Auf Grund der entsprechenden Ausgestaltung der Außenkonturen sind strömungsungünstige Effekte zumindest im Wesentlichen vermieden, so dass die Fluidenergiemaschine in einem besonders breiten Betriebsbereich sehr effizient und energieverbrauchsarm zu betreiben ist.
Ist zumindest ein wenigstens mittelbar an den Ringen abgestütztes Federelement vorgesehen, gegen dessen Federkraft die Ringe relativ zueinander zwischen zumindest zwei Drehstellungen verdrehbar sind, so kann die Verstellung und die relative Verdrehung der Ringe zueinander über ein Kräftegleichgewicht zwischen einem durch das Medium, insbesondere das Gas, bewirkten Druck, der auf die Ringe, insbesondere auf die jeweiligen Leitelemente, wirkt, und einer Rückstellkraft, welche durch das Federelement bewirkt wird, erfolgen. Bei dem Federelement handelt es sich beispielsweise um eine Spiralfeder, und vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Federelemente vorgesehen, um eine entsprechende Rückstellkraft zu bewirken.
Bei einer Erhöhung des Volumenstroms des Mediums in Strömungsrichtung des Mediums durch die Leiteinrichtung stromauf dieser, insbesondere in einem Turbineneintrittsbereich, kommt es zu einem höheren Staudruck, was zu einer höheren Flächenkraft auf die Verstellringe bzw. auf die Leitelemente der Verstellringe führt. Die Ringe verdrehen sich relativ zueinander so weit, bis wieder ein Gleichgewicht zwischen der Flächenkraft und der durch die Federkraft des Federelements bewirkten Rückstellkraft eintritt. Es versteht sich, dass, ist einer der Ringe festgehalten, sich der entsprechend andere der Ringe relativ zu dem festgehaltenen Ring verdreht. Das Gleichgewicht stellt sich durch die Überlagerung der Flächen des Innen- und Außenrings ein, wodurch ein vergrößerter, wirksamer Strömungsquerschnitt freigegeben wird, durch den das Medium strömen kann. Durch Abbau des Staudrucks verdreht das Federelement durch dessen Rückstellkraft die Ringe relativ zueinander wieder soweit in Richtung einer vorherigen Ausgangsposition, welche vor Erhöhung des Staudrucks vorlag, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht einstellt.
Das Federelement ist beispielsweise einerseits an einem der Ringe und andererseits an dem anderen der Ringe abgestützt. Dies hält den Bauraumbedarf gering und vorteilhafterweise ist das Federelement isoliert von dem Medium, so dass eine Korrosionsbildung vermieden oder die Wahrscheinlichkeit einer Korrosion des Federelements zumindest reduziert ist.
Die realisierte Federrückstellung bzw. Federverstellung der Ringe relativ zueinander weist den Vorteil auf, dass dadurch eine passive Verstellung der Ringe zueinander geschaffen ist und keine zusätzlichen aktiven, beispielsweise elektrischen Verstelleinrichtung, keine äußeren Abdichtungen und kein an derartig zusätzliche Verstelleinrichtungen angepasstes Gehäuseteil, insbesondere Turbinengehäuse, vonnöten ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Ringe mittels eines Lagerelements, insbesondere eines Kolbenrings und/oder eines Gleitlagers, gegenseitig gelagert. Dadurch ist es gewährleistet, dass die Ringe ohne Verklemmungen oder dergleichen Fehlfunktionen auch über eine hohe Lebensdauer hinweg verstellt werden können. Dies geht mit einer besonders hohen Funktionssicherheit der Leiteinrichtung einher. Zusätzlich können die Ringe mittels des zumindest einen Federelements gegenseitig gelagert sein. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Lagerelement durch das zumindest eine Federelement, insbesondere durch die zwei Spiralfedern, gebildet ist. Mit anderen Worten kann das Federelement, insbesondere können die beiden Spiralfedern, als Lager vorgesehen sein, um die Verstellung der Ringe relativ zueinander zu gewährleisten. Dies hält die Teileanzahl und damit die Kosten der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung gering.
Zur Darstellung bestimmter und an dem Betrieb der Fluidenergiemaschine angepasster Strömungsbedingungen kann zumindest eine der Durchtrittsöffnungen zumindest bereichsweise in radialer Richtung der Ringe sich von innen nach außen und/oder von außen nach innen verjüngend ausgebildet sein. Dies birgt die Möglichkeit, die Strömung des Mediums stromauf des Laufrads zu beschleunigen, zu verlangsamen und/oder in eine gewünschte Richtung aufzurichten.
Zusätzlich oder alternativ zur beschriebenen passiven relativen Verdrehung der Ringe zueinander mittels des Federelements kann eine Stelleinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher die Ringe aktiv relativ zueinander verdrehbar sind. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, mittels welchem eine mit dem Motor verbundene erste Verzahnung antreibbar ist. Die erste Verzahnung steht dabei in Eingriff mit einer zweiten Verzahnung, welche mit einem der Ringe drehfest verbunden ist. Wird der andere der Ringe durch eine entsprechende Halterung in dem Gehäuseteil festgehalten, so bewirkt eine Bewegung der ersten Verzahnung mittels des Motors eine Bewegung der zweiten Verzahnung und damit eine Bewegung bzw. eine Verdrehung des entsprechenden Rings um die Drehachse relativ zu dem anderen Ring, so dass dadurch die jeweiligen Durchtrittsöffnungen relativ zueinander bewegt werden und der gewünschte Strömungsquerschnitt durch die Durchtrittsöffnungen eingestellt oder auch auf Null (versperrt) reduziert werden kann. Die relative Verdrehung der Ringe zueinander und damit die relative Verdrehung der jeweiligen Durchtrittsöffnungen mittels der Verzahnungen birgt den Vorteil, dass dadurch eine formschlüssige und sichere Verdrehung der Ringe relativ zueinander auch über eine hohe Lebensdauer hinweg gewährleistet ist. Zudem sind dadurch entsprechend vorteilhafte Übersetzungen zwischen dem Motor und den Ringen einstellbar.
Ebenso kann ein Kettentrieb vorgesehen sein, wobei einer der Ringe mit einer Ritzelkontur versehen wird. Die Kette umschlingt den Ring bzw. die Ritzelkontur zumindest bereichsweise einerseits. Andererseits umschlingt die Kette ein weiteres Ritzel, welches beispielsweise mit einem Motor, einem Linearmotor oder einem Radialmotor verbunden und von diesem antreibbar ist. Wird das weitere Ritzel angetrieben, so wird dadurch auch der entsprechende Ring über die Kette und die Ritzelkontur bewegt und bei entsprechender Bewegung oder Festhalten des anderen Rings relativ zu diesem verdreht. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine geschlossene Kette verwendet wird. Alternativ dazu kann statt einer geschlossenen Kette eine offene Kette verwendet werden, deren Enden am entsprechenden Ring fixiert sind und die über das mit dem Motor verbundene Ritzel abläuft.
Ebenso möglich ist der Einsatz zumindest eines geschlossenen, eines offenen oder zweier offener Seile, insbesondere Drahtseile, die auf analoge Art und Weise über das Ritzel und die Ritzelkontur mittels des Motors den entsprechenden Ring um die Drehachse drehen können. All dies stellt Möglichkeiten dar, die Ringe auf besonders kostengünstige und bauraumgünstige Art und Weise relativ zueinander zu verdrehen und so mittels der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung die Fluidenergiemaschine effizient an unterschiedliche Betriebspunkte anpassen zu können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen in:
1 eine schematische Perspektivansicht eines Außenrings einer Leiteinrichtung für eine Fluidenergiemaschine, welcher eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist, über welche er in radialer Richtung von einem Gas durchströmbar ist;
2 eine schematische Perspektivansicht eines zu dem Außenring gemäß 1 korrespondierenden Innenrings der Leiteinrichtung, welcher ebenso eine Mehrzahl an Durchtrittsöffnungen aufweist, über welche der Innenring in radialer Richtung von dem Gas durchströmbar ist;
3 ausschnittsweise eine perspektivische Schnittansicht einer Leiteinrichtung mit dem Außenring gemäß 1 und dem Innenring gemäß 2;
4 eine schematische Perspektivansicht der Leiteinrichtung gemäß 3;
5 eine schematische und geschnittene Vorderansicht der Leiteinrichtung gemäß 4;
6 eine schematische Perspektivansicht des Innenrings gemäß 2;
7 eine schematische Längsschnittansicht des Innenrings gemäß 6;
8 eine schematische Vorderansicht des Innenrings gemäß den 6 und 7;
9 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 1;
10 eine schematische Vorderansicht des Außenrings gemäß 9;
11 eine schematische Längsschnittansicht des Außenrings gemäß den 9 und 10;
12 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Außenring gemäß den 6 bis 8 und dem Innenring gemäß den 9 bis 11;
13 eine schematische Längsschnittansicht der Leiteinrichtung gemäß 12;
14 eine schematische Draufsicht der Leiteinrichtung gemäß den 12 und 13;
15 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 1;
16 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Innenrings gemäß 2, welcher zu dem Außenring gemäß 15 korrespondiert;
17 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Außenring gemäß 15 und dem Innenring gemäß 16;
18 eine schematische Perspektivansicht der Leiteinrichtung gemäß 17;
19 eine schematische Perspektivansicht des Innenrings gemäß 16;
20 eine schematische Längsschnittansicht des Innenrings gemäß 19;
21 eine schematische Vorderansicht des Innenrings gemäß den 19 und 20;
22 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 15;
23 eine schematische Längsschnittansicht des Außenrings gemäß 22;
24 eine schematische Vorderansicht des Außenrings gemäß den 22 und 23;
25 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Innenring gemäß den 19 bis 21 und dem Außenring gemäß den 22 bis 24;
26 eine schematische Längsschnittansicht der Leiteinrichtung gemäß der 25;
27 eine schematische Vorderansicht der Leiteinrichtung gemäß den 25 und 26;
28 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 1;
29 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Innenrings gemäß 2; welcher zu dem Außenring gemäß 28 korrespondiert;
30 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Außenring gemäß 28 und dem Innenring gemäß 29;
31 eine schematische Perspektivansicht der Leiteinrichtung gemäß 30;
32 eine schematische Perspektivansicht des Innenrings gemäß 29;
33 eine schematische Längsschnittansicht des Innenrings gemäß 32;
34 eine schematische Draufsicht des Innenrings gemäß den 32 und 33;
35 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 28;
36 eine schematische Draufsicht des Außenrings gemäß 35;
37 eine schematische Längsschnittansicht des Außenrings gemäß den 35 und 36;
38 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Innenring gemäß den 32 bis 34 und dem Außenring gemäß den 35 bis 37;
39 eine schematische Längsschnittansicht der Leiteinrichtung gemäß 38;
40 eine schematische Draufsicht der Leiteinrichtung gemäß den 38 und 39;
41 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 1;
42 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Innenrings gemäß 2, welcher zu dem Außenring gemäß 41 korrespondiert;
43 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Außenring gemäß 41 und dem Innenring gemäß 42;
44 eine schematische Vorderansicht der Leiteinrichtung gemäß 43;
45 eine weitere schematische Perspektivansicht der Leiteinrichtung gemäß den 43 und 44;
46 eine schematische Perspektivansicht des Innenrings gemäß 42;
47 eine schematische Längsschnittansicht des Innenrings gemäß 46;
48 eine schematische Draufsicht des Innenrings gemäß den 46 und 47;
49 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings gemäß 41;
50 eine schematische Längsschnittansicht des Außenrings gemäß 49;
51 eine schematische Draufsicht des Außenrings gemäß den 49 und 50;
52 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß 4 mit dem Außenring gemäß den 49 bis 51 und dem Innenring gemäß den 46 bis 48;
53 eine schematische Längsschnittansicht der Leiteinrichtung gemäß 52;
54 eine schematische Draufsicht der Leiteinrichtung gemäß den 52 und 53;
55 eine schematische Seitenansicht eines Kolbenrings, mittels welchem die Außenringe und Innenringe der Leiteinrichtung der vorhergehenden Fig. gegenseitig zu lagern sind;
56 eine schematische Draufsicht des Kolbenrings gemäß 55;
57 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Außenrings gemäß den vorhergehenden Fig. mit einer Verstelleinrichtung, mittels welcher der Außenring um eine Drehachse drehbar ist;
58 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings und der Verstelleinrichtung gemäß 57;
59 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings und der Verstelleinrichtung gemäß 57;
60 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings und der Verstelleinrichtung gemäß 57; und
61 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Außenrings und der Verstelleinrichtung gemäß 57.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen zumindest funktional gleiche Elemente, Bauteile oder dergleichen.
Die 1 zeigt einen Außenring 10 einer Leiteinrichtung 12 (3 bis 5) für eine Fluidenergiemaschine. Der Außenring 10 weist eine Mehrzahl von strömungsoptimierten Leitschaufelhälften 14 auf, welche in Umfangsrichtung des Außenrings 10 gemäß einem Richtungspfeil 16 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt voneinander beabstandet angeordnet sind. In axialer Richtung des Außenrings 10 gemäß einem Richtungspfeil 18 sind die Leitschaufelhälften 14 auf jeweiligen vorderen Stirnseiten 20 und hinteren Stirnseiten 22 mit jeweils einem Ringsteg 24 und 26 verbunden. Wie der 1 zu entnehmen ist, erstrecken sich die Leitschaufelhälften 14 in radialer Richtung des Außenrings 10 gemäß einem Richtungspfeil 29 bogenförmig von außen nach innen, so dass zwischen jeweils zwei Leitschaufelhälften 14 eine Durchtrittsöffnung 28 gebildet ist. Mit anderen Worten sind die in einer Mantelfläche 30 des Außenrings 10 ausgebildeten Durchtrittsöffnungen 28 und die Leitschaufelhälften 14 in Umfangsrichtung des Außenrings 10 alternierend angeordnet.
Die Durchtrittöffnungen 28 ermöglichen es, dass ein Medium, insbesondere ein Gas und insbesondere ein Abgas beispielsweise eines der Fluidenergiemaschine zugeordneten Aggregats, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Brennstoffzelle, den Außenring 10 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 von außen nach innen durchströmen kann.
Die zumindest bereichsweise in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 bogenförmig ausgebildeten Leitschaufelhälften 14 sorgen dabei für ein entsprechendes Richten der Strömung des Mediums, so dass das Medium mit einer vorteilhaften Ausrichtung in radialer Richtung nach innen strömt.
Die 2, 6, 7 und 8 zeigen einen Innenring 32 der Leiteinrichtung 12 gemäß den 3 bis 5, wobei der Innenring 32 zu dem Außenring 10 korrespondierend ausgebildet ist. Auch der Innenring 32 weist eine Mehrzahl an Leitschaufelhälften 15 auf, wobei die Anzahl der Leitschaufelhälften 15 gleich der Anzahl der Leitschaufelhälften 14 des Außenrings 10 ist. Die Leitschaufelhälften 15 sind in axialer Richtung des Außenrings 32 gemäß dem Richtungspfeil 18 einer Stirnseite 34 mit einem Ringsteg 37 verbunden. Wie der 2 zu entnehmen ist, erstrecken sich auch die Leitschaufelhälften 15 in radialer Richtung des Innenrings 32 gemäß dem Richtungspfeil 29 zumindest bereichsweise bogenförmig von außen nach innen und sind in Umfangsrichtung des Außenrings gemäß dem Richtungspfeil 16 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt voneinander beabstandet angeordnet. Dadurch weist auch der Innenring 15 eine Mehrzahl an Durchtrittsöffnungen 36 auf, welche alternierend mit den Leitschaufelhälften 15 in Umfangsrichtung des Innenrings 32 angeordnet und in einer Mantelfläche 38 des Innenrings 15 ausgebildet sind. Die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 36 des Innenrings 32 ist dabei gleich der Anzahl der Durchtrittsöffnungen 28 des Außenrings 10.
Auch die Durchtrittsöffnungen 36 des Innenrings 32 ermöglichen es, dass der Innenring 32 von dem bezüglich des Außenrings 10 geschilderten Mediums zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung beispielsweise von außen nach innen durchströmbar ist. Auch die Leitschaufelhälften 15 des Innenrings 32 dienen dazu, die Strömung des Mediums zu richten und damit dem Medium eine vorteilhafte Richtung aufzuprägen.
Die 3 bis 5 zeigen die Leiteinrichtung 12 für eine Fluidenergiemaschine mit dem Außenring 10 und dem Innenring 32, bei welcher der Außenring 10 und der Innenring 32 koaxial zueinander angeordnet sind und wobei der Außenring 10 den Innenring 32 außenumfangseitig sowohl in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 16 als auch in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 18 umgibt. Die Fluidenergiemaschine, bei welcher die Leiteinrichtung 12 einsetzbar ist, ist beispielsweise als Radialturbine ausgebildet oder umfasst eine solche Radialturbine. Die Radialturbine umfasst beispielsweise ein Turbinengehäuse, welches zumindest einen Spiralkanal und einen Aufnahmeraum aufweist. Der Spiralkanal verläuft in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang spiralförmig und dient dazu, das Medium, beispielsweise ein Abgas eines der Fluidenergiemaschine zugeordneten Aggregats, zu dem Aufnahmeraum zu führen. Bei dem Aggregat handelt es sich beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Brennstoffzelle, welche mittels der Fluidenergiemaschine (der Radialturbine) aufzuladen ist.
In dem Aufnahmeraum ist beispielsweise ein Laufrad angeordnet, welches infolge der Führung des Medium zu dem Aufnahmeraum von dem Medium, insbesondere einem Gas, in radialer Richtung anströmbar und antreibbar ist. Dazu ist das Laufrad in dem Aufnahmeraum drehbar aufgenommen. Ferner ist das Laufrad beispielsweise drehfest mit einer Welle verbunden. Mit der Welle ebenso drehfest verbunden ist z. B. ein weiteres Laufrad eines Verdichters, welches über die Welle und das erste Laufrad infolge dessen Beaufschlagung durch das Medium antreibbar ist. Mittels des zweiten Laufrads des Verdichters ist beispielsweise Luft oder ein anderweitiges Gas verdichtbar und in dem verdichteten Zustand dem Aggregat zuzuführen. So können hohe spezifische Drehmomente und/oder Leistungen des Aggregats infolge der Verdichtung des Gases dargestellt werden. Dies geht einher mit einem besonders effizienten und energieverbrauchsarmen Betrieb des Aggregats.
Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Fluidenergiemaschine, insbesondere der Radialturbine, woraus ein noch effizienterer Betrieb des Aggregats resultiert, ist die Leiteinrichtung 12 vorgesehen, welche es ermöglicht, die Fluidenergiemaschine an eine Vielzahl von unterschiedlichen und sich dynamisch ändernden Betriebspunkten des Aggregats anzupassen. Dazu ist ein wirksamer Strömungsquerschnitt an einem Eintritt der Fluidenergiemaschine, beispielsweise einem Turbineneintritt der Turbine, stromauf des Laufrads der Fluidenergiemaschine mittels der Leiteinrichtung 12 variabel veränderbar und einstellbar, wodurch das Schluckvermögen der Fluidenergiemaschine, insbesondere der Radialturbine, eingestellt und an die unterschiedlichen Betriebspunkte angepasst werden kann.
Um die Fluidenergiemaschine derart anzupassen, ist die Leiteinrichtung 12 beispielsweise in dem Turbinengehäuse angeordnet und umgibt den Aufnahmeraum und damit das Laufrad außenumfangsseitig. Dabei ist der Innenring 32 beispielsweise drehfest an dem Turbinengehäuse gehalten, während der Außenring 10 drehbar in dem Turbinengehäuse gelagert ist und unter Beibehaltung der koaxialen Anordnung zum Innenring 32 relativ zu diesem um eine Drehachse, bezüglich welcher die Ringe 10 und 32 koaxial angeordnet sind, verdrehbar ist. Durch dieses relative Verdrehen des Außenrings 10 zum Innenring 32 werden aber auch die Leitschaufelhälften 14 und 15 sowie die Durchtrittsöffnungen 28 und 36 relativ zueinander verdreht. Dadurch können jeweilige Strömungsquerschnitte der Durchtrittsöffnungen 28 und 36 variabel eingestellt werden. Es ist möglich, die Durchtrittsöffnungen 28 und 36 in einer ersten Endstellung des Außenrings 10 relativ zum Innenring 32 komplett zu öffnen, wodurch ein maximaler Strömungsquerschnitt gebildet ist. In einer weiteren Endstellung des Außenrings 10 relativ zum Innenring 32 sind die Durchtrittsöffnungen komplett versperrt, wodurch ein minimaler Strömungsquerschnitt gebildet ist, welcher betragsmäßig zumindest im Wesentlichen Null ist und wodurch das Medium den Außenring 10 und den Innenring 32 nicht mehr in radialer Richtung durchströmen kann. Zwischen diesen beiden Endstellungen sind mehrere Zwischenstellungen einstellbar, bei welchen der Strömungsquerschnitt unterschiedliche Werte aufweist und die Durchtrittsöffnungen 28 und 36 unterschiedlich stark freigegeben oder versperrt werden.
Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, weisen die Leitschaufelhälften 14 jeweilige, innenseitige und den jeweiligen korrespondierenden Leitschaufelhälften 15 zugewandte Außenkonturen 40 auf, welche als zu jeweiligen außenseitigen und den Leitschaufelhälften 14 zugewandten Außenkonturen 42 der Leitschaufelhälften korrespondierende Gegenkonturen ausgebildet sind. Mit anderen Worten weisen die Leitschaufelhälften 14 innere Mantelflächen auf, welche die zumindest im Wesentlichen gleiche geometrische Form aufweisen wie jeweilige äußere Mantelflächen der Leitschaufelhälften 15. Dadurch sind durch die Leitschaufelhälften 14 Aufnahmen gebildet, in welchen die Leitschaufelhälften 15 in einer in der 3 gezeigten Endstellung, in welcher die Durchtrittsöffnungen 28 und 36 komplett freigegeben sind zur Darstellung des maximalen Strömungsquerschnitts, aufgenommen sind. In dieser Endstellung ist dadurch eine geschlossene Leitschaufelgeometrie gebildet und die Leitschaufelhälften 14 umhüllen die Leitschaufelelemente 15 außenumfangsseitig komplett.
Durch ein Drehen des Außenrings 10 relativ zum Innenring 32 in eine von den Endstellungen, insbesondere von der in der 3 gezeigten Endstellung, unterschiedliche Zwischenstellung, wobei eine solche Zwischenstellung beispielsweise in den 4 und 5 dargestellt ist, werden die Leitschaufelelemente 14 über die Durchtrittsöffnungen 36 und umgekehrt die Leitschaufelelemente 15 über die Durchtrittsöffnungen 28 geschoben, so dass die jeweiligen wirksamen Strömungsquerschnitte verringert werden. Des Weiteren werden Freiflächen zwischen Spitzen 44 der Leitschaufelhälften 14, 15 verringert, was zu einem Druckaufbau insbesondere vor (stromauf) dem (des) Laufrad (Laufrads) der Fluidenergiemaschine führt, was insbesondere in der 5 dargestellt ist. Liegen die Leitschaufelhälften 14, 15 in der in der 3 gezeigten Endstellung über die Außenkonturen 40, 42 aneinander an, so ergibt sich durch das Verdrehen des Außenrings 10 relativ zum Innenring 32 und dadurch der Leitschaufelhälften 14 relativ zu den Leitschaufelhälften 15 ein Zwischenraum in radialer Richtung zwischen den Leitschaufelhälften 14, 15. Dieser durch das relative Verdrehen freigegebene Zwischenraum zwischen den jeweils korrespondierenden Leitschaufelhälften 14, 15 ist durch die Mantelfläche 30 des Außenrings 10 verdeckt und somit zumindest im Wesentlichen abgedichtet.
Durch diese geschilderte variable Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidenergiemaschine stellt die Leiteinrichtung 12 eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, Strömungsquerschnitte von Radial-, Axial- und/oder Tangentialströmungen variabel einzustellen und somit die Fluidenergiemaschine, insbesondere deren Schluckverhalten, an Betriebspunkte des zugeordneten Aggregats anzupassen.
Zur Darstellung einer hohen Funktionssicherheit der Leiteinrichtung 12 sind der Außenring 10 und der Innenring 32 mittels eines Kolbenrings 46 (55 und 56) gegenseitig gelagert. Der Kolbenring 46 ist in axialer Richtung zwischen dem Ringsteg 26 und einem Kragen 48 des Ringstegs 37 des Innenrings 32 angeordnet. Der Kragen 48 überragt in radialer Richtung des Innenrings 32 gemäß dem Richtungspfeil 29 den Innenring 32 nach außen, wodurch ein Flansch des Ringstegs 37 gebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einen weiteren Kolbenring wie den Kolbenring 46 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 18 zwischen den Leitschaufelhälften 15 des Innenrings 32 und dem Ringsteg 24 des Außenrings 10 und/oder in axialer Richtung zwischen den Leitschaufelhälften 15 des Innenrings 32 und dem Ringsteg 26 des Außenrings 10 anzuordnen, um den Außenring 10 und den Innenring 32 gegenseitig (aneinander) zu lagern. Dazu ist es gegebenenfalls erforderlich, die Leitschaufelhälften 15 zu verlängern, so dass sich diese weiter in radialer Richtung nach innen erstrecken als in den 2 bis 8 gezeigt ist und den bzw. die Ringstege 24 und/oder 26 des Außenrings 10 zu erhöhen, so dass diese sich ebenfalls in radialer Richtung höher erstrecken als in den 1 und 4 dargestellt ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn der oder die Kolbenringe 46 nicht in dem bzw. den wirksamen Strömungsquerschnitten liegen.
Alternativ oder zusätzlich zu dem bzw. den Kolbenringen kann vorgesehen sein, dass der Außenring 10 und der Innenring 32 mittels eines insbesondere hochtemperaturfesten Gleitlagers gegenseitig gelagert sind, welches in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 18 zwischen dem Ringsteg 26 und dem Kragen 48 und/oder gegebenenfalls zwischen den Leitschaufelhälften 15 und dem Ringsteg 24 und/oder 26 angeordnet ist.
Die 9 bis 11 zeigen eine alternative Ausführungsform des Außenrings 10, welche mit 10 ^I bezeichnet ist. Der Außenring 10 ^I unterscheidet sich dahingehend von dem Außenring 10, dass der Ringsteg 24 mit einem zumindest im Wesentlichen L-förmigen Betätigungsteil 49, insbesondere einem Blech, verbunden ist. Das Betätigungsteil 49 weist ein Langloch 50 auf, in welches ein weiteres korrespondierendes Betätigungsteil eingreifen kann, um den Außenring 10 bzw. 10 ^I relativ zum Innenring 32 zu verdrehen.
Im Übrigen entspricht der Außenring 10 ^I dem Außenring 10, so dass auch der Innenring 32 zu dem Außenring 10 ^I korrespondiert und mit dem Außenring 10 ^I bei einer mit 12 ^I und in den 12 bis 14 dargestellten Ausführungsform der Leiteinrichtung 12 eingesetzt werden kann.
Die 12 bis 14 zeigen die Leiteinrichtung 12 ^I, die sich von der Leiteinrichtung 12 lediglich dahingehend unterscheidet, dass der Außenring 12 ^I im Gegensatz zum Außenring 12 mit dem Betätigungsteil 49 verbunden ist.
Die 15 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Außenrings 10, welche mit 10 ^II bezeichnet ist und eine Mehrzahl von Leitschaufeln 52 aufweist, welche sich an die jeweiligen Durchtrittsöffnungen 28 anschließen und in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 ausgehend von der Mantelfläche 30 nach außen verlaufen. Auch die Leitschaufeln 52 sind in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 18 auf den Stirnseiten 20, 22 mit den jeweiligen Ringstegen 24, 26 verbunden. Wie der 15 zu entnehmen ist, schließen die jeweiligen Leitschaufeln 52 mit einer jeweiligen Tangentialebene an die Mantelfläche 30, in welcher eine jeweilige Schnittgerade der jeweiligen Leitschaufeln 52 mit der Mantelfläche 30 liegt, einen Winkel ein, so dass eine zumindest im Wesentlichen optimale Anströmung des in radialer Richtung des Außenrings 10 ^II innerhalb dieses angeordneten Laufrads der Fluidenergiemaschine gewährleistet ist. Mit anderen Worten erfolgt durch die Leitschaufeln 52 ein Richten der Strömung des Mediums zu dem Laufrad, so dass dieses besonders strömungsgünstig angeströmt wird, was mit einem besonders effizienten Betrieb der Fluidenergiemaschine einhergeht.
Die 16 und 19 bis 21 zeigen eine weitere Ausführungsform des Innenrings 32 gemäß 2, welche mit 32 ^I bezeichnet ist. Der Innenring 32 ^I korrespondiert zu dem Außenring 10 ^II und weist ebenso eine Mehrzahl an Durchtrittsöffnungen 36 auf. Die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 36 des Innenrings 32 ^I gleicht der Anzahl der Durchtrittsöffnungen 28 des Außenrings 10 ^II. Wie bei dem Außenring 10 und dem Innenring 32 korrespondiert auch bei dem Innenring 32 ^I und dem Außenring 10 ^II jeweils eine der Durchtrittsöffnungen 28 mit jeweils einer der Durchtrittsöffnungen 36, so dass durch Drehen des Außenrings 10 ^II relativ zum Innenring 32 jeweilige wirksame Strömungsquerschnitte komplett freigegeben, komplett verschlossen oder lediglich bereichsweise freigegeben bzw. verschlossen werden können. Zur Darstellung jeweiliger maximaler Strömungsquerschnitte werden der Außenring 10 ^II und der Innenring 32 ^I analog zu dem Außenring 10 und dem Innenring 32 in eine Endstellung relativ zueinander gedreht, so dass sich die Durchtrittsöffnungen 28, 36 jeweils komplett gegenseitig überlappen. In einer weiteren Endstellung deckt die Mantelfläche des Innenrings 32 ^I die Durchtrittsöffnungen 28 des Außenrings 10 ^II und die Mantelfläche 30 des Außenrings 10 ^II die Durchtrittsöffnungen 36 des Innenrings 32 ^I vollständig ab, so dass die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Durchtrittsöffnungen 28, 36 auf Null reduziert sind und der Außenring 10 ^I und der Innenring 32 ^I nicht von dem Medium in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 durchströmt werden können. Zwischen diesen beiden Endstellungen sind vielfache Zwischenstellungen gestuft oder stufenlos analog zu dem Außenring 10 und dem Innenring 32 einstellbar, um so das Schluckvermögen der Fluidenergiemaschine an unterschiedliche Betriebspunkte des zugeordneten Aggregats anzupassen.
Eine gegenseitige Lagerung des Außenrings 10 ^II und des Innenrings 32 ^I kann auf analoge Art und Weise zur gegenseitigen Lagerung des Außenrings 10 und des Innenrings 32 erfolgen. Dabei ist beispielsweise zumindest ein Kolbenring 46 in axialer Richtung zwischen dem Ringsteg 26 des Außenrings 10 ^II und dem Ringsteg 37 des Innenrings 32 ^I in einer Nut angeordnet.
Alternativ oder insbesondere zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein zum Innenring 321 konzentrischer Ringsteg auf dem Kragen 48 bzw. durch den Kragen 48 gebildeten Flansch angebracht wird, dessen Außendurchmesser gleich dem Innendurchmesser des Außenrings 10 ^II ist. Dadurch kann gegebenenfalls die Lagerung mittels des Kolbenrings 46 ersetzt werden. Auch bei der Lagerung des Außenrings 10 ^II und des Innenrings 32 ^I kann alternativ oder zusätzlich ein hochtemperaturfestes Gleitlager vorgesehen sein, welches in axialer Richtung zwischen dem Ringsteg 26 und dem Kragen 48 angeordnet ist.
Wie insbesondere der 19 zu entnehmen ist, umfasst der Innenring 32 ^I einen weiteren Ringsteg 37 ^I, welcher gegenüber dem Ringsteg 37 angeordnet ist. So ist die Mantelfläche 38 des Innenrings 32 ^I auf einer ersten Stirnseite mit dem Ringsteg 37 und auf einer zweiten der ersten Stirnseite gegenüberliegenden Stirnseite mit dem Ringsteg 37 ^I verbunden.
Die 17 und 18 zeigen eine weitere Ausführungsform der Leiteinrichtung 12, welche mit 12 ^II bezeichnet ist. Die Leiteinrichtung 12 ^II umfasst den Außenring 10 ^II und den Innenring 32 ^I, welche konzentrisch zueinander angeordnet und um eine Drehachse, zu welcher sie konzentrisch angeordnet sind, relativ zueinander verdrehbar sind. Ist die Leiteinrichtung 12 ^II beispielsweise in einem Gehäuse, insbesondere in dem Turbinengehäuse, angeordnet, so ist der Innenring 32 ^I beispielsweise fest gehalten, während der Außenring 10 ^II relativ zum Innenring 32 ^II drehbar gelagert ist.
Die 22 bis 24 zeigen eine alternative Ausführungsform des Außenrings 10 ^II, welche mit 10 ^III bezeichnet. Der Außenring 10 ^III unterscheidet sich lediglich dahingehend von dem Außenring 10 ^II, dass der Ringsteg 24 mit einem zumindest im Wesentlichen L-förmigen Betätigungsteil 49 ^I verbunden ist, welches eine Durchtrittsöffnung 50 aufweist. Analog zu der Durchtrittsöffnung 50 des Außenrings 10 ^I kann in die Durchtrittsöffnung 50 ein korrespondierendes Betätigungsteil eingreifen, welches mit einem Stellglied, beispielsweise einem Aktor, verbunden ist, wodurch der Außenring 10 ^III bzw. 10 ^II relativ zum Innenring 32 ^I verdrehbar ist. Im Übrigen stimmt der Außenring 10 ^III zumindest im Wesentlichen mit dem Außenring 10 ^II überein, so dass der Innenring 32 ^I auch mit dem Außenring 10 ^III bei einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung 12 ^II eingesetzt werden kann, welche mit 12 ^III bezeichnet und in den 25 bis 27 dargestellt ist.
Die 25 bis 27 zeigen die Leiteinrichtung 12 ^III mit dem Innenring 32 ^I und dem Außenring 10 ^III, welche konzentrisch zueinander angeordnet und relativ zueinander verdrehbar sind, um unterschiedliche wirksame Strömungsquerschnitte einzustellen und somit das Schluckvermögen der Fluidenergiemaschine an unterschiedliche Betriebspunkte anzupassen.
Die 28 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10, welche mit 10 ^IV bezeichnet ist. Die Mantelfläche 30 des Außenrings 10 ^III weist eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen 28 auf, durch welche das Medium den Außenring 10 ^IV zumindest im Wesentlichen in radialer, Richtung gemäß dem Richtungsteil 29 von außen nach innen durchströmen kann. Die Mantelfläche 30 ist auf ihren jeweiligen Stirnseiten 20, 22 jeweils mit den Ringstegen 24, 26 verbunden.
Die 29 und 32 bis 34 zeigen eine weitere Ausführungsform des Innenrings 32, welche mit 32 ^II bezeichnet ist. Auch der Innenring 32 ^II weist eine Mehrzahl an Durchtrittsöffnungen 36 auf, welche wie die Durchtrittsöffnungen 28 in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 16 gleichmäßig verteilt voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 36 gleicht dabei der Anzahl der Durchtrittsöffnungen 28, wobei jeweils eine der Durchtrittsöffnungen 36 mit jeweils einer der Durchtrittsöffnungen 28 korrespondiert.
Den jeweiligen Durchtrittsöffnungen 36 des Innenrings 32 ^II sind jeweilige Leitschaufeln 54 zugeordnet, welche sich ausgehend von der Mantelfläche 38 des Innenrings 32 ^II in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 von innen nach außen erstrecken. Die jeweiligen Leitschaufeln 54 schließen dabei mit einer jeweiligen Tangentialebene an die Mantelfläche 38, in welcher eine jeweilige Schnittgerade der jeweiligen Leitschaufeln 54 mit der Mantelfläche 30 liegt, einen Winkel ein, welcher derart ausgebildet ist, dass das den Innenring in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 durch die Durchtrittsöffnung 36 durchströmende Medium zumindest im Wesentlichen hinsichtlich der Strömungsbedingungen optimal gerichtet wird und somit in radialer Richtung innenseitig des Außenrings 10 ^IV und des Innenrings 32 ^II angeordnete Laufrad der Fluidenergiemaschine effizient anströmen kann.
Die 30 und 31 zeigen eine alternative Ausführungsform der Leiteinrichtung 12, welche mit 10 ^IV bezeichnet ist und den Außenring 10 ^IV und den dazu korrespondierenden Innenring 32 ^II umfasst. Der Außenring 10 ^IV und der Innenring 32 ^II sind koaxial zueinander angeordnet und relativ zu einer Drehachse, zu welcher sie koaxial angeordnet sind, verdrehbar. So sind auch analog zu den Leiteinrichtungen 12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III jeweilige wirksame Strömungsquerschnitte der Durchtrittsöffnungen 28, 36 durch komplettes Abdecken und fluidisches Versperren dieser, durch komplettes fluidisches freigeben dieser oder durch zumindest bereichsweises Freigeben beziehungsweise Versperren dieser variabel einstellbar. Dadurch ermöglicht es auch die Leiteinrichtung 12 ^IV, die Fluidenergiemaschine variabel an sich dynamisch ändernde Betriebspunkte des zugeordneten Aggregats anzupassen.
Wie insbesondere der 31 zu entnehmen ist, durchdringen die Leitschaufeln 54 des Innenrings 32 ^I die Durchtrittsöffnungen 28 des Außenrings 10 ^IV. Mit anderen Worten sind die Leitschaufeln 54 durch die Durchtrittsöffnungen 28 hindurchgeführt.
Die 35 bis 37 zeigen alternative Ausführungsform des Außenrings 10 ^IV, welche mit 10 ^V bezeichnet ist. Der Außenring 10 ^V unterscheidet sich lediglich dahingehend von dem Außenring 10 ^IV, dass der Ringsteg 24 mit einem zumindest im Wesentlichen L-förmigen Betätigungsteil 49 ^II verbunden ist, welches die Durchtrittsöffnung 50 aufweist. Wie bereits zuvor geschildert, kann der in einem Gehäuseteil drehbare gelagerte Außenring 10 ^V beziehungsweise 10 ^IV relativ zu dem in dem Gehäuseteil festgehaltenen Innenring 32 ^II über das Betätigungsteil 49 ^II und die Durchtrittsöffnung 50 verdreht werden, um somit die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Durchschnittsöffnungen 28, 36 einzustellen.
Da der Außenring 10 ^V im Übrigen mit dem Außenring 10 ^IV übereinstimmt, kann der Innenring 32 ^II auch zusammen mit dem Außenring 10 ^V bei einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung 12 ^IV eingesetzt werden, welche mit 12 ^V bezeichnet und in den 38 bis 40 dargestellt ist. Eine gegenseitige Lagerung des Innenrings 32 ^II und des Außenrings 10 ^IV beziehungsweise 10 ^V erfolgt beispielsweise auf die zuvor geschilderte Art und Weise mittels eines Kolbenrings und/oder eines Gleitlagers.
Die 41 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10, welche mit 10 ^VI bezeichnet ist. Auch der Außenring 10 ^VI weist eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen 28 auf, welche in der Mantelfläche 30 des Außenrings 10 ^VI ausgebildet sind und ein Durchströmen des Außenrings 10 ^VI von dem Medium, insbesondere Gas, zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29 von außen nach innen ermöglichen. Auch die Durchtrittsöffnungen 28 sind in Umfangsrichtung des Außenrings 10 ^VI gemäß dem Richtungspfeil 16 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt voneinander beabstandet angeordnet.
Die 42 und 46 bis 48 zeigen eine weitere Ausführungsform des Innenrings 32, welche mit 32 ^III bezeichnet ist und zu dem Außenring 10 ^VI korrespondiert. Auch der Innenring 32 ^III weist eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen 36 auf, welche in der Mantelfläche 38 des Innenrings 32 ^III ausgebildet und in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 16 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Anzahl der Durchtrittsöffnungen 36 ist gleich der Anzahl der Durchtrittsöffnung 28. Die Durchtrittsöffnungen 28 und/oder 36 sind beispielsweise trapezförmig oder parallelogrammförmig ausgebildet, das heißt sie weisen einen trapezförmigen oder parallelogrammförmigen Querschnitt auf, wobei beispielsweise zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 18 verlaufende und die Durchtrittsöffnungen 28, 36 begrenzende Wandungen 56, 58 parallel zueinander verlaufen und jeweils einen Winkel mit einer Tangentialebene an die Mantelfläche 30, 38, in welcher eine jeweilige Schnittgerade der jeweiligen Wandungen 56, 58 mit der Mantelfläche 30 liegt, einen Winkel einschließen, welcher von 90° zumindest im Wesentlichen unterschiedlich ist. So kann die Strömung den Außenring 10 ^VI und den Innenring 32 ^III zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung durchströmenden Mediums vorausgerichtet und in seiner Geschwindigkeit beeinflusst, beispielsweise verlangsamt oder beschleunigt, werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass in radialer Richtung innenseitig des Außenrings 10 ^VI und Innenrings 32 ^III angeordnete Laufrad der Fluidenergiemaschine besonders strömungsgünstig anzuströmen. Die entsprechende Ausgestaltung der Durchtrittsöffnungen 28, 30 beispielsweise in Form eines Parallelogramms ermöglicht die geometrische Anpassung der Durchtrittsöffnungen 28, 36 derart, dass bei einer gegebenen Verdrehung der freigegebene bzw. versperrte wirksame Strömungsquerschnitt feiner einzustellen ist.
Die 43 bis 45 zeigen eine alternative Ausführungsform der Leiteinrichtung 12, welche mit 12 ^VI bezeichnet ist und den Außenring 10 ^VI und den Innenring 32 ^III umfasst. Der Außenring 10 ^VI und der Innenring 32 ^III sind koaxial zueinander angeordnet und um eine Drehachse, zu welcher sie koaxial angeordnet sind, relativ zueinander verdrehbar. So können auch jeweilige Strömungsquerschnitte die Durchtrittsöffnung 28, 36 analog zu den vorhergehenden Leiteinrichtungen 12, 12 ^I, 12 ^IV, 12 ^IV und 12 ^V variabel verändert werden, indem sich die Durchtrittsöffnungen 28, 36 komplett überlappen und somit nicht versperrt werden, oder die Mantelfläche 30 die Durchtrittsöffnungen 36 und die Mantelfläche 38 die Durchtrittsöffnungen 28 komplett oder lediglich bereichsweise überdecken, um die jeweiligen Strömungsquerschnitte demgegenüber zu reduzieren und gegebenenfalls sogar auf Null einzustellen.
Die 49 bis 51 zeigen eine alternative Ausführungsform des Außenrings 10 ^VI, welche mit 10 ^VII bezeichnet ist. Der Außenring 10 ^VII unterscheidet sich lediglich dahingehend von dem Außenring 10 ^VI, dass der Ringsteg 24 mit einem Betätigungsteil 49 ^III verbunden ist. Das Betätigungsteil 49 ^IV umfasst eine Lochscheibe 60 mit einer Durchtrittsöffnung 50 ^I, in welche ein korrespondierendes Betätigungsteil eingreifen kann. Das korrespondierende Betätigungsteil ist beispielsweise mit einem Aktor verbunden, so dass über den Aktor und das Betätigungsteil 49 ^III der Außenring 10 ^VII bzw. 10 ^V relativ zum Innenring 32 ^III um die Drehachse gemäß dem Richtungspfeil 16 verdreht und dadurch die jeweiligen Strömungsquerschnitte eingestellt werden kann bzw. können.
Da der Außenring 10 ^VII ansonsten dem Außenring 10 ^VI übereinstimmt, können der Außenring 10 ^VII und der Innenring 32 ^III bei einer alternativen Ausführungsform der Leiteinrichtung 12 ^V eingesetzt werden, welche mit 12 ^VII und in den 52 bis 54 dargestellt ist.
Die 57 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10, welche mit 10 ^VIII bezeichnet ist und auf die zuvor beschriebenen Außenringe 10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII sowie auf anderweitige Ausführungsformen anwendbar ist. Der Ringsteg 24 des Außenrings 10 ^VIII ist mit einem Flacheisen 62 verbunden, welches ein Langloch 66 aufweist und welches sich zumindest im Wesentlichen parallel zum Außenring 10 ^VIII, welcher beispielsweise parallel zu einer x-y-Ebene verläuft, erstreckt. In das Langloch 66 greift ein Bolzen 68 ein, welcher in dem Langloch 66 geführt wird. Der Bolzen 68 ist einenends mit einer Zylinderstange 70 eines Linearmotors 72 verbunden. Bei dem Linearmotor 72 handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor, welcher über Kabelanschlüsse 74 mit elektrischem Strom als Energie versorgbar ist. Mittels des Linearmotors 72 ist die Zylinderstange 70 translatorisch gemäß einem Richtungspfeil 76 bewegbar.
Ist der Außenring 10 ^VIII und ein korrespondierender Innenring, beispielsweise der Innenring 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III oder eine anderweitige Ausführungsform eines Innenrings, in dem Gehäuseteil der Fluidenergiemaschine aufgenommen, wobei der Innenring drehfest gehalten und der Außenring 10 ^VIII relativ zu dem Innenring drehbar in dem Gehäuseteil gelagert ist, so wird beispielsweise die Zylinderstange 70 durch eine entsprechende Durchtrittsöffnung und eine Führungsbuchse zur Führung des Zylinderstange 70 geführt, so dass der Linearmotor 72 außerhalb des Gehäuseteils angeordnet werden kann.
Die Durchtrittsöffnung ist beispielsweise mit einem selbstschmierenden Simmering abgedichtet, so dass kein Medium, insbesondere kein Abgase, von dem Gehäuseteil an die Umgebung strömen können. Ferner ist es dadurch ermöglicht, den Linearmotor 72 in einer geeigneten Entfernung zu dem Außenring 10 ^VIII und damit dem Innenring anzuordnen, so dass seine Funktionsfähigkeit nicht durch thermische Einflüsse negativ beeinflusst wird.
Wird die Zylinderstange 70 translatorisch gemäß dem Richtungspfeil 76 bewegt, so bewirkt dies ein Verdrehen des Außenrings 10 ^VIII um eine Drehachse 74 gemäß dem Richtungspfeil 16 relativ zum Innenring, um die jeweiligen zuvor geschilderten Strömungsquerschnitte variabel einstellen zu können. Das Langloch 66 ermöglicht dabei den Ausgleich eines Höhenversatzes entlang der 57 gezeigten y-Achse. Anstelle des Linearmotors 72 kann auch ein weiteres Verstellglied wie beispielsweise eine Überdruckdose, eine Unterdruckdose, ein Hydraulikzylinder, ein Pneumatikzylinder oder ein Elektrozylinder oder dergleichen eingesetzt werden.
Die 58 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10 ^VIII, welche mit 10 ^IX bezeichnet ist, und eine alternative Ausführungsform der Zylinderstange 70, welche mit 70 ^I bezeichnet ist. Die Zylinderstange 70 ^I ist mit einer Verzahnung 78 versehen, welche sich translatorisch mit der Zylinderstange 70 ^I gemäß dem Richtungspfeil 76 mitbewegt.
Die Mantelfläche 30 des Außenrings 10 ^IX ist außenumfangsseitig in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 16 bereichsweise mit einer Verzahnung 78 versehen, welche mit der Verzahnung 77 der Zylinderstange 70 in Eingriff steht. Die Verzahnung 77 ist dabei beispielsweise mit dem Außenring 10 ^IX einstückig ausgebildet oder als Zahnkranz auf den Außenring 10 ^IX bzw. auf dessen Mantelfläche 30 aufgesetzt. Die Zahnflanken der Verzahnungen 77, 78 stehen damit zumindest im Wesentlichen senkrecht auf der x-y-Ebene. Mit anderen Worten erstrecken sich die Verzahnungen 77, 78 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 29. Dadurch ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Außenring 10 ^IX und der Zylinderstange 70 geschaffen, so dass der Außenring 10 ^IX um die Drehachse 64 gemäß dem Richtungspfeil 16 relativ zu dem korrespondierenden Innenring verdreht wird, wenn sich die Zylinderstange 70 ^I translatorisch gemäß dem Richtungspfeil 76 bewegt. Durch eine ausreichende Anzahl an Zähnen der Verzahnungen 77, 78 ist sichergestellt, dass stets mindestens ein Zahnpaar der Verzahnungen 77, 78 miteinander in Eingriff ist. Die 59 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10 ^VIII, welche mit 10 ^X bezeichnet ist. Der Ringsteg 24 des Außenrings 10 ^X ist mit einem zumindest im Wesentlichen L-förmigen Winkelstück 80 verbunden, welcher ein Ende 82 aufweist, an welchem das Winkelstück 80 mit einem Kugelkopf 84 verbunden ist. Der Linearmotor 72 umfasst eine weitere Ausführungsform der Zylinderstange 70 ^II, welche ein Ende 86 aufweist, in welchem die Zylinderstange 70 ^II mit einem weiteren Kugelkopf 88 verbunden ist. Ferner ist eine Stange 90 vorgesehen, welche beidenends Kugelpfannen 92, 94 aufweist. In der Kugelpfanne 92 ist der Kugelkopf 84 des Außenrings 10 ^X zumindest bereichsweise aufgenommen, während in der Kugelpfanne 94 der Kugelkopf 88 der Zylinderstange 70 ^II zumindest bereichsweise aufgenommen ist. So sind zwei Kugelgelenke gebildet, welche den Ausgleich eines Höhenversatzes des Winkelstücks 80 ermöglichen, wenn die Zylinderstange 70 ^I mittels des Linearmotors 72 translatorisch gemäß dem Richtungspfeil 76 bewegt wird, was ein Verdrehen des Außenrings 10 ^X um die Drehachse 64 gemäß dem Richtungspfeil 16 relativ zum Innenring bewirkt.
Die 60 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10 ^VIII, welche mit 10 ^XI bezeichnet ist. Der Außenring 10 ^XI ist mit einem gekrümmten Zahnkranz 98 versehen, welcher sich mit dem Außenring 10 ^XI bei einer Drehung um die Drehachse 64 gemäß dem Richtungspfeil 16 mit dreht. Der Innendurchmesser des Zahnkranzes 98 ist dabei zumindest im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Außenrings 10 ^XI, wobei Zahnflanken einer Verzahnung 100 des Zahnkranzes 98 zumindest im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene verlaufen.
Als Aktor ist ein Radialmotor 102 vorgesehen, welcher über Kabelanschlüsse 74 ^I mit elektrischem Strom als Energie zu versorgen ist. Der Radialmotor 102 umfasst eine Welle 104, welche um eine Drehachse gemäß einem Richtungspfeil 96 drehbar ist. Die Welle 104 ist in einem Endbereich 106 mit einem Kegelrad 108 verbunden, welches eine Verzahnung aufweist, die mit der Verzahnung 100 des Zahnkranzes 98 in Eingriff steht.
Durch ein Drehen der Welle 104 gemäß dem Richtungspfeil 96 mittels des Radialmotors 102 wird der Außenring 10 ^XII über den Zahnkranz 98 gemäß dem Richtungspfeil 16 um die Drehachse 64 verdreht. Durch eine entsprechende und ausreichende Anzahl an Zähnen der Verzahnung des Kegelrads 108 und der Verzahnung 100 des Zahnkranzes 98 wird gewährleistet, dass immer mindestens ein Zahnpaar voll in Eingriff ist und ein Verdrehen des Außenrings 10 ^XI relativ zum korrespondierenden Innenring möglich ist, um dadurch die jeweiligen Strömungsquerschnitte auf die zuvor geschilderte Art und Weise einzustellen und an sich dynamisch ändernden Betriebspunkte des entsprechenden Aggregats anzupassen.
Die 61 zeigt eine weitere Ausführungsform des Außenrings 10 ^VIII, welche mit 10 ^XII bezeichnet ist. Die Mantelfläche 30 ist in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 16 bereichsweise außenumfangsseitig mit einer Verzahnung 110 versehen, beispielsweise indem ein Zahnkranz auf die Mantelfläche 30 aufgesetzt ist. Die Verzahnung 110 kann sich mit dem Außenring 10 ^XII gemäß dem Richtungspfeil 16 um die Drehachse 64 mit drehen. Der Radialmotor 102 umfasst eine Welle 104 ^I, welche mit einer Schneckenverzahnung 112 versehen ist. Dreht sich die Welle 104 ^I gemäß dem Richtungspfeil 96, so dreht sich auch die Schneckenverzahnung 112.
Die Schneckenverzahnung 112 befindet sich dabei in Eingriff mit der Verzahnung 110 des Außenrings 10 ^XII, so dass ein Drehen der Welle 104 ^I ein Verdrehen des Außenrings 10 ^XII um die Drehachse 64 gemäß dem Richtungspfeil 16 relativ zum korrespondierenden Innenring bewirkt.
Zusätzlich kann die Welle 104 ^I in einem dem Radialmotor 102 gegenüberliegenden Endbereich 114 in einer Aufnahme 116, beispielsweise in einem Sackloch des Gehäuseteils, in welchem der Außenring 10 ^XII angeordnet ist, gelagert sein, um eine erhöhte Stabilität der formschlüssigen Verbindung der Welle 104 ^I und des Außenrings 10 ^XII durch die Verzahnungen 110 und 112 zu gewährleisten. Darüber hinaus ist in der 61 gezeigte Einrichtung aus dem Linearmotor 72 und dem Außenring 10 ^XII selbst sichernd. Durch eine entsprechende und ausreichende Anzahl von Zähnen der jeweiligen Verzahnungen 110 und 112 ist sichergestellt, dass stets mindestens ein Zahnpaar voll im Eingriff ist, um den Außenring 10 ^XII verdrehen zu können.
Anstelle des Linearmotors 72 oder des Radialmotors 102 ist es ebenso möglich, eine entsprechende Ausführungsform des Außenrings 10 ^VIII bzw. die Außenringe 10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI und 10 ^XII mittels eines Kettentriebs und/oder eines Seiltriebs relativ zu dem korrespondierenden Innenring zu verdrehen.
Bei dem Kettentrieb wird der drehbar gelagerte Außenring mit einer Ritzelkontur versehen, welche ein Abtriebsritzel darstellt. Es wird ein Radialmotor mit einer drehbaren Welle eingesetzt, welche drehfest mit einem demgegenüber kleineren Ritzel, welches ein Antriebsritzel darstellt, verbunden ist. Das Antriebsritzel ist dabei mit dem Abtriebsritzel über eine geschlossene Kette verbunden. Durch die Kette wird eine Drehung der Welle und damit des Antriebsritzels auf das Abtriebsritzel und damit dem Außenring übertragen, wodurch der Außenring relativ zum Innenring verdreht wird.
Alternativ kann statt einer geschlossenen Kette eine offene Kette verwendet werden, deren Enden am Außenring fixiert werden und die über das Antriebsritzel abläuft. Anstatt der Kette kann auch ein geschlossenes, ein offenes oder eine Mehrzahl, beispielsweise zwei, offene Drahtseile eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10, 10^I, 10^II, 10^III, 10^IV, 10^V, 10^VI, 10^VII, 10^VIII, 10^IX, 10^X, 10^XI, 10^XII: Außenring
12, 12^I, 12^II, 12^III, 12^IV, 12^V, 12^VI, 12^VII: Leiteinrichtung
14: Leitschaufelhälfte
15: Leitschaufelhälfte
16: Richtungspfeil
18: Richtungspfeil
20: Stirnseite
22: Stirnseite
24: Ringsteg
26: Ringsteg
28: Durchtrittsöffnung
29: Richtungspfeil
30: Mantelfläche
32, 32^I, 32^II, 32^III: Innenring
34: Stirnseite
36: Durchtrittsöffnungen
37, 37^I: Ringsteg
38: Mantelfläche
40: Außenkontur
42: Außenkontur
44: Spitzen
46: Kolbenring
48: Flansch
49, 49^I, 49^II: Betätigungsteil
50, 50^I: Durchtrittsöffnung
52: Leitschaufel
54: Leitschaufel
56: Wandung
58: Wandung
60: Lochscheibe
62: Flacheisen
64: Drehachse
66: Langloch
68: Bolzen
70, 70^I, 70^II: Zylinderstange
72: Linearmotor
74, 74^I: Kabelanschlüsse
76: Richtungspfeil
77: Verzahnung
78: Verzahnung
80: Winkelstück
82: Ende
84: Kugelkopf
86: Ende
88: Kugelkopf
90: Stange
92: Kugelpfanne
94: Kugelpfanne
96: Richtungspfeil
98: Zahnkranz
100: Verzahnung
102: Radialmotor
104, 104^I: Welle
106: Endbereich
108: Kegelrad
110: Verzahnung
112: Schneckenverzahnung
114: Endbereich
116: Aufnahme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3413304 A1 [0005]

Claims

Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) für eine Fluidenergiemaschine, insbesondere einen Abgasturbolader, mit wenigstens einem Innenring (32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) und wenigstens einem koaxial zu dem Innenring (32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) angeordneten und den Innenring (32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) außenumfangsseitig zumindest bereichsweise umgebenden Außenring (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII) welche relativ zueinander um eine Drehachse (64) drehbar sind und welche jeweils zumindest eine Durchtrittsöffnung (28, 36) aufweisen, über welche die Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) von einem Medium, insbesondere einem Gas, durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (28, 36) zum Ermöglichen eines Durchströmens der Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung (29) durch das Medium in jeweiligen Mantelflächen (30, 38) der Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) ausgebildet sind.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) jeweils eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen (28, 36) aufweisen, welche in. Umfangsrichtung (16) der Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) über deren Umfang verteilt voneinander beabstandet angeordnet sind.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) wenigstens ein sich an die entsprechende Durchtrittsöffnung (28, 36) des Ringes (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) anschließendes Leitelement (14, 15, 52, 54), insbesondere eine Leitschaufel (52, 54), aufweist.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Leitelement (14, 15, 52, 54) in radialer Richtung (29) des entsprechenden Ringes (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) zumindest bereichsweise nach innen und/oder nach außen erstreckt.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Durchtrittsöffnung (28, 36) eines der Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) von dem Leitelement (14, 15, 52, 54) des anderen der Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) zumindest bereichsweise durchdrungen ist.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) und der Außenring (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII) jeweils zumindest ein Leitelement (14, 15, 52, 54), insbesondere eine Leitschaufel (52, 54), aufweisen, wobei das Leitelement (14, 15, 52, 54) des Außenrings (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII) eine dem Leitelement (14, 15, 52, 54) des Innenrings (32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) zumindest bereichsweise zugewandte Außenkontur (40) aufweist, welche wenigstens bereichsweise als zu einer dem Leitelement (14, 15, 52, 54) des Außenrings (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII) zugewandte Außenkontur (42) des Leitelements (14, 15, 52, 54) des Innenrings (32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (14, 15, 52, 54) zumindest bereichsweise bogenförmig ausgebildet ist.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wenigstens mittelbar an den Ringen (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) abgestütztes Federelement, insbesondere eine Spiralfeder) vorgesehen ist, gegen dessen Federkraft die Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) relativ zueinander zwischen zumindest zwei Drehstellungen verdrehbar sind.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Durchtrittsöffnungen (28, 36) zumindest bereichsweise in radialer Richtung (19) sich von innen nach außen und/oder von außen nach innen verjüngend ausgebildet ist.
Leiteinrichtung (12, 12 ^I, 12 ^II, 12 ^III, 12 ^IV, 12 ^V, 12 ^VI, 12 ^VII) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII, 10 ^VIII, 10 ^IX, 10 ^X, 10 ^XI, 10 ^XII, 32, 32 ^I, 32 ^II, 32 ^III) mittels wenigstens eines Lagerelements, insbesondere eines Kolbenrings (46) und/oder eines Gleitlagers, gegenseitig gelagert sind.