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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.
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Die
US 2003/230085 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad der Turbine aufgenommen und von Abgas antreibbar ist. Das Turbinengehäuse weist ferner zwei von Abgas durchströmbare Fluten auf, die über eine sich zwischen den Fluten erstreckende Zwischenwandung wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sind.
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Von den Fluten ist das Abgas über jeweilige, mit den Fluten fluidisch verbundene Zuführkanäle in jeweiligen, einen von 0° unterschiedlichen Winkel einschließenden Strömungsrichtungen zu dem Aufnahmeraum leitbar. Dabei strömt das Abgas aus den Fluten diesen jeweils zugeordnete und einen von 0° unterschiedlichen Winkel einschließende Anströmkanten des Turbinenrads an.
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Darüber hinaus ist es aus dem Serienbau von Verbrennungskraftmaschinen bekannt, zur Darstellung eines geringen Restgasgehalts sowie zur Darstellung eines vorteilhaften Ansprechverhaltens als Turbinen von Abgasturboladern mehrflutige Turbinen zu verwenden. Der geringe Restgasgehalt sowie das vorteilhafte Ansprechverhalten sind insbesondere aufgrund von herstellungstechnischen Begrenzungen über Segmentturbinen zu realisieren. Solche Segmentturbinen weisen jedoch insbesondere bei einer 4-zylindrischen Verbrennungskraftmaschine infolge von grollen Zündabständen Wirkungsgradnachteile auf, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind. Ferner kann durch die Segmentierung der Turbinen eine erwünschte konstruktive Auslegung von Turbinenrädern nicht erfolgen, da die Turbinenräder hinsichtlich ihrer Geometrien relativ groß ausgestaltet werden müssen. Dies bringt ein unerwünscht hohes Massenträgheitsmoment sowie ein unerwünscht schlechtes Ansprechverhalten der Turbinen mit sich. Dies wiederum geht einher mit einem unerwünscht hohen Kraftstoffverbrauch.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine eine verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. In dem Aufnahmeraum ist ein Turbinenrad der Turbine aufnehmbar. Das Turbinengehäuse weist ferner wenigstens zwei von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten auf, die mittels einer sich zwischen den Fluten erstreckenden Zwischenwandung wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sind.
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Von den Fluten ist das Abgas über jeweilige, mit den Fluten fluidisch verbundene Zuführkanäle in jeweiligen, einen von 0° unterschiedlichen Winkel einschließenden Strömungsrichtungen in den Aufnahmeraum leitbar. Mit anderen Worten strömt das Abgas von den Fluten über die jeweiligen Zuführkanäle in den jeweiligen Strömungsrichtungen in den Aufnahmeraum und zu dem Turbinenrad, wobei die Strömungsrichtungen nicht parallel zueinander verlaufen, sondern einen Winkel miteinander einschließen. Die Zuführkanäle sind dabei mittels jeweiliger Wandungsbereiche der Zwischenwandung zumindest bereichsweise begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die die Zuführkanäle begrenzenden Wandungsbereiche der Zwischenwandung jeweils schräg zur radialen Richtung der Turbine verlaufen und jeweils einen von 0° unterschiedlichen Winkel miteinander einschließen. Dies bedeutet, dass die Wandungsbereiche der Zwischenwandung nicht parallel zueinander verlaufen. Bevorzugt verlaufen die Wandungsbereiche der Zwischenwandungen in radialer Richtung zu dem Aufnahmeraum hin aufeinander zu.
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Durch diese Ausgestaltung der Zwischenwandung bzw. ihrer Wandlungsbereiche ist eine besonders vorteilhafte Flutentrennung der beiden Fluten voneinander geschaffen, so dass sich das jeweilige, aus den Fluten aus- und das Turbinenrad anströmende Abgas gegenseitig besonders wenig oder nicht beeinflusst. Diese effiziente Flutentrennung führt zu einer besonders vorteilhaften Anströmung des Turbinenrads, was mit einem besonders hohen Wirkungsgrad der Turbine einhergeht.
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Die erfindungsgemäße Turbine weist ferner einen vorteilhaften Betriebsbereich durch Reaktionsgradanpassung, einen sehr guten Ladedruckaufbau und ein vorteilhaftes Instationärverhalten sowie ein sehr gutes Ansprechverhalten auf. In der Folge ermöglicht die erfindungsgemäße Turbine eine sehr gute Verbrennungsregelung der Verbrennungskraftmaschine, woraus ein geringer Kraftstoffverbrauch und damit geringe CO2-Emissionen resultieren.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine erfindungsgemäße Turbine, für einen Abgasturbolader. Die Turbine des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. In dem Aufnahmeraum ist ein Turbinenrad der Turbine um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommen. Das Turbinengehäuse weist ferner wenigstens zwei von Abgas durchströmbare Fluten auf, die über eine sich zwischen den Fluten erstreckende Zwischenwandung wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sind. Von den Fluten ist das Abgas über jeweilige, mit den Fluten fluidisch verbundene Zuführkanäle, in jeweiligen, einen von 0° unterschiedlichen Winkel einschließenden Strömungsrichtungen zu den Fluten jeweils zugeordneten und einen von 0° unterschiedlichen Winkel einschließenden Anströmkanten des Turbinenrads leitbar. Mit anderen Worten strömt das Abgas aus den Fluten die jeweiligen, den Zuführkanälen zugeordneten Anströmkanten an. Dadurch wird das Turbinenrad angetrieben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anströmkanten jeweils wenigstens bereichsweise zumindest im Wesentlichen schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung der Turbine verlaufen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Bei der erfindungsgemäßen, zweiflutigen Turbine kommt bei einer Einzelbeaufschlagung einer der Fluten die zumindest im Wesentlichen gesamte Einströmumschlingung zum Tragen. Die Fluten und insbesondere die Anströmkanten des Turbinenrads weisen dabei eine derart starke Neigung zueinander auf, dass eine sehr gute fluidische Trennung der Fluten ermöglicht ist. Damit gehen die bereits zu dem ersten Aspekt der Erfindung geschilderten Vorteile einher.
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Insbesondere birgt die Turbine den Vorteil, dass bei einer Einzelbeaufschlagung einer der Fluten das zumindest im Wesentlichen gesamte Turbinenrad in der Einströmumschlingung beaufschlagt wird, so dass die zumindest im Wesentlichen vollständige Radaustrittsgeometrie des Turbinenrads zum Tragen kommt. Dies führt zu einem besonders hohen Wirkungsgrad und zu einem vorteilhaften Ansprechverhalten der Turbine.
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Vorteilhafterweise verlaufen die Anströmkanten in radialer Richtung von dem Aufnahmeraum weg aufeinander zu. Dies führt zu einer besonders vorteilhaften Anströmung des Turbinenrads sowie zu einer effizienten Trennung der Fluten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, in welchem ein Turbinenrad der Turbine um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist; und
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2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 1.
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Die 1 zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum 14 aufweist. In dem Aufnahmeraum 14 ist ein Turbinenrad 16 eines Rotors des Abgasturboladers um eine Drehachse 18 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen.
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Der Rotor des Abgasturboladers umfasst beispielsweise auch eine Welle, mit welcher das Turbinenrad 16 drehfest verbunden ist. Ferner umfasst der Rotor ein Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers, wobei das Verdichterrad drehfest mit der Welle verbunden ist. So kann das Verdichterrad über die Welle und das Turbinenrad 16 angetrieben werden.
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Die Turbine 10 umfasst auch ein Hitzeschild 20, mittels welchem ein unerwünscht hoher Wärmeübergang von dem das Turbinengehäuse 12 durchströmenden Abgas zu einem sich in axialer Richtung an das Turbinengehäuse 12 anschließenden Lagergehäuse des Abgasturboladers vermieden ist.
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Die Turbine 10 ist zweiflutig ausgebildet. So umfasst das Turbinengehäuse 12 eine erste Flut 22 sowie eine zweite Flut 24, welche von Abgas durchströmbar sind und welche sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads 16 über dessen Umfang über jeweilige Umschlingungswinkel erstrecken. Beispielsweise verlaufen die Fluten 22, 24 zumindest im Wesentlichen spiralförmig.
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Der ersten Flut 22 ist ein erster Zuführkanal 26 zugeordnet, über welchen das Abgas aus der ersten Flut 22 zu dem Aufnahmeraum 14 strömen kann. Ferner ist der ersten Flut 22 eine erste Anströmkante 28 einer Laufradschaufel 30 des Turbinenrads 16 zugeordnet. Das aus der ersten Flut 22 über den ersten Zuführkanal 26 strömende Abgas strömt die Laufradschaufel 30 über die erste Anströmkante 28 an.
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Der zweiten Flut 24 ist ein zweiter Zuführkanal 32 zugeordnet, über welchen das die zweite Flut 24 durchströmende Abgas zu dem Aufnahmeraum 14 strömen kann. Der zweiten Flut 24 ist ferner eine zweite Anströmkante 34 der Laufradschaufel 30 zugeordnet. Das aus der zweiten Flut 24 strömende Abgas strömt dabei die zweite Anströmkante 34 an.
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Ein erster Richtungspfeil 36 deutet dabei die Strömungsrichtung des Abgases aus der ersten Flut 22 zu dem Aufnahmeraum 14 an. Entsprechend deutet ein zweiter Richtungspfeil 38 die Strömungsrichtung des Abgases an, in welcher das Abgas aus der zweiten Flut 24 zu dem Aufnahmeraum 14 strömt. Wie der 1 zu entnehmen ist, schließen dabei die Strömungsrichtungen einen von 0° unterschiedlichen Winkel ein insbesondere verlaufen die Strömungsrichtungen in radialer Richtung der Turbine 10 zu dem Turbinenrad 16 hin aufeinander zu.
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Um dieser Neigung der Strömungsrichtungen des Abgases aus den Fluten 22, 24 Rechnung zu tragen, sind die Anströmkanten 28, 34 entsprechend zueinander geneigt. Dies bedeutet, dass die Anströmkanten 28, 34 jeweils schräg zur radialen Richtung sowie schräg zur axialen Richtung der Turbine 10 verlaufen und einen von 0° unterschiedlichen Winkel miteinander einschließen. Insbesondere verlaufen die Anströmkanten 28, 34 zumindest im Wesentlichen parallel zu jeweiligen Strömungsquerschnitten der Zuführkanäle 26, 32.
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Die Fluten 22, 24 sind mittels einer Zwischenwandung 40 fluidisch voneinander getrennt. Die Zwischenwandung 40 weist dabei einen ersten Wandungsbereich 42 auf, mittels welchem der erste Zuführkanal 26 zumindest bereichsweise begrenzt ist. Ferner weist die Zwischenwandung 40 einen zweiten Wandungsbereich 44 auf, mittels welchem der zweite Zuführkanal 32 zumindest bereichsweise begrenzt ist.
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Die Wandungsbereiche 42, 44 verlaufen dabei jeweils schräg zur radialen Richtung der Turbine 10 bzw. des Turbinenrads 16 sowie schräg zur axialen Richtung und schließen miteinander einen von 0° unterschiedlichen Winkel ein. Die Wandungsbereiche 42, 44 verlaufen dabei in radialer Richtung hin zu dem Turbinenrad 16 aufeinander zu.
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Durch die entsprechende Ausgestaltung der Wandungsbereiche 42, 44 sowie der Anströmkanten 28, 34 ist eine besonders effiziente fluidische Trennung der Fluten 22, 24 realisiert, was zu einen effizienten Betrieb mit hohen Wirkungsgraden sowie zu einem sehr guten Ansprechverhalten der Turbine 10 führt. So können der Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, sind die Wandungsbereiche 42, 44 in einem Übergangsbereich 46 miteinander verbunden. Mit anderen Worten geht der erste Wandungsbereich 42 über den Übergangsbereich 46 in den zweiten Wandungsbereich 44 über. Aufgrund von fertigungstechnischen Begrenzungen ist der Übergangsbereich 46 von einer Spitze unterschiedlich ausgebildet. Der Übergangsbereich 46 kann dabei zumindest im Wesentlichen bogenförmig, insbesondere konvex oder konkav gewölbt ausgebildet sein. Ebenso möglich ist es, dass der Übergangsbereich 46 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung oder schräg zur axialen Richtung verläuft. Dadurch sind die Wandungsbereiche 42, 44 in axialer Richtung auf einer dem Turbinenrad 16 zugewandten Seite 48 voneinander beabstandet. So kann das Turbinengehäuse 12 hinsichtlich seiner Geometrie besonders klein ausgebildet werden. Insbesondere ist es möglich, das Turbinengehäuse 12 mittels eines Gussverfahrens, insbesondere eines Feingussverfahrens, mit sehr kleinen Geometrien auszugestalten. Gleichzeitig kann das Turbinengehäuse 12 auch hohe Temperaturen über eine hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen.
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Auch die Anströmkanten 28, 34 sind über einen zweiten Übergangsbereich 50 miteinander verbunden. Wie der 1 zu entnehmen ist, sind dabei die Übergangsbereiche 46, 50 in radialer Richtung der Turbine in gegenseitiger Überdeckung angeordnet. Dies führt zu einer besonders effizienten Trennung der Fluten 22, 24 voneinander.
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Die 2 zeigt weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Zwischenwandung 40 sowie des Turbinenrads 16, insbesondere hinsichtlich der Wandungsbereiche 42, 44 sowie der Anströmkanten 28, 34. Auch hierbei ist eine besonders effiziente fluidische Trennung der Fluten 22, 24 realisiert, was zu besonders hohen Wirkungsgraden der Turbine führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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