DE102011119879A1

DE102011119879A1 - Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102011119879A1
Application number: DE102011119879A
Authority: DE
Inventors: Tino Strauß
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06
Also published as: JP5947393B2; CN103958837A; US9759164B2; EP2785982A1; US20140248134A1; JP2014534378A; CN103958837B; WO2013079137A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse, welches einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines um eine in axialer Richtung verlaufende erste Drehachse (20) relativ zum Gehäuse drehbaren Laufrads (18) und wenigstens eine von einem Gas durchströmbare Flut aufweist, von der das Gas über einen mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden Strömungsrichtung zu dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist oder zu der das Gas über den mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden weiteren Strömungsrichtung von dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist, und mit wenigstens einem zumindest teilweise in dem Zuführkanal (14) angeordneten Leitelement (12), mittels welchem das den Zuführkanal (14) durchströmende Gas ableitbar ist, wobei das Leitelement (12) um eine schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende zweite Drehachse (38) relativ zum Gehäuse drehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader, gemäß Patentanspruch 1.
Die EP 1 394 359 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader, wobei die Turbine als sogenannte Mischströmung-Turbine, auch Mixed-Flow-Turbine genannt, ausgebildet ist. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum ausweist, in welchem ein Turbinenrad und eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Ferner weist das Turbinengehäuse wenigstens eine Flut auf, welche von Abgas durchströmbar ist. Das Abgas ist von der Flut über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal zu dem Turbinenrad in dem Aufnahmeraum leitbar.
Die Turbine wird daher als Mischströmungs-Turbine bezeichnet, da das von der Flut über den Zuführkanal in den Aufnahmeraum beziehungsweise in das Turbinenrad geleitete Abgas eine Strömungsrichtung aufweist, welche schräg zur axialen Richtung sowie schräg zur radialen Richtung der Turbine verläuft. Dies bedeutet, dass das Abgas das Turbinenrad in dieser Strömungsrichtung anströmt.
In dem Zuführkanal stromauf des Turbinenrads ist ein Leitelement angeordnet, mittels welchem das Abgas ableitbar ist. Das Leitelement ist dabei relativ zu dem Turbinengehäuse fest.
Ferner ist es aus dem Serienbau von Abgasturboladern bekannt, bei Radialturbinen für die Abgasturbolader variable Turbinengeometrien einzusetzen. Dabei kann das im Zuführkanal angeordnete Leitelement um eine zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Drehachse relativ zum Turbinengehäuse gedreht werden.
Es hat sich gezeigt, dass sich eine solche variable Turbinengeometrie nicht ohne Weiteres auf eine Mischströmungs-Turbine übertragen lässt, da es zu einem Verklemmen des Leitelements kommen kann. Die Darstellung besonders großer Spaltmaße, um ein solches Klemmen zu vermeiden, würde zu einem nur wenig effizienten Betrieb der Turbine führen, da das Abgas an dem Leitelement vorbei und somit ungerichtet zu dem Turbinenrad in den Aufnahmeraum strömen würde.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidenergiemaschine bereitzustellen, welche besonders effizient und funktionssicher betreibbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens, umfasst ein Gehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. Der Aufnahmeraum dient zur Aufnahme eines Laufrads der Fluidenergiemaschine, welches um eine in axialer Richtung der Fluidenergiemaschine verlaufende erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar ist.
Das Gehäuse weist ferner wenigstens eine Flut auf, welche von Gas durchströmbar ist. Von der Flut ist das Gas über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden Strömungsrichtung zu dem Aufnahmeraum leitbar.
Alternativ ist es möglich, dass das Gas über den mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden weiteren Strömungsrichtung von dem Aufnahmeraum zu der Flut leitbar ist. Mit anderen Worten kann das Gas entweder von der Flut zu dem Aufnahmeraum in der Strömungsrichtung oder von dem Aufnahmeraum zu der Flut in der weiteren Strömungsrichtung über den Zuführkanal strömen.
Die Fluidenergiemaschine umfasst wenigstens ein Leitelement, insbesondere eine Leitschaufel, weiche zumindest teilweise in dem Zuführkanal angeordnet ist. Mittels des Leitelements ist das den Zuführkanal durchströmende Gas ableitbar. Dabei ist das Leitelement um eine zweite Drehachse relativ zum Gehäuse drehbar. Die zweite Drehachse des Leitelements verläuft dabei schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung und somit schräg zur ersten Drehachse.
Durch diese Anordnung bzw. Ausrichtung der zweiten Drehachse ist es möglich, die Fluidenergiemaschine mit einer durch das wenigstens eine Leitelement dargestellten variablen Strömungsgeometrie zu versehen und so an unterschiedliche Betriebspunkte mit unterschiedlichen Massen- bzw. Volumenströmen des Gases anzupassen. Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine kann somit besonders effizient betrieben werden. Die Fluidenergiemaschine weist auch eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit auf, da eine Fehlfunktion beispielsweise in Form eines Verklemmens des Leitelements vermieden werden kann oder die Gefahr einer solchen Fehlfunktion besonders gering ist.
Durch Drehen des Leitelements um die zweite Drehachse kann ein effektiver Strömungsquerschnitt des Zuführkanals und damit der Fluidenergiemaschine eingestellt und so an unterschiedliche Massen- bzw. Volumenströme des Gases angepasst werden, sodass dadurch das Laufrad effizient und effektiv von dem Gas angetrieben und/oder von dem Gas angeströmt werden kann.
Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine kann beispielsweise als Mischströmungs-Turbine für den Abgasturbolader ausgebildet sein. Bei der Mischströmungs-Turbine strömt Abgas als das Gas von der Flut über den Zuführkanal zu dem Aufnahmeraum und treibt das in dem Aufnahmeraum angeordnete und als Turbinenrad ausgebildete Laufrad an. Dabei wird das Abgas von dem Leitelement abgelenkt, sodass es das Turbinenrad strömungsgünstig anströmt und dadurch effizient antreiben kann.
Das Abgast strömt das Turbinenrad dabei in der Strömungsrichtung schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung und somit nicht nur ausschließlich axial oder ausschließlich radial an. Eine solche Mischanströmung des Turbinenrads ist insbesondere bei Personenkraftwagenanwendungen von Vorteil, da die Mischströmungs-Turbine ein besonders vorteilhaftes und stationäres Verhalten aufweist und somit ein sehr gutes Fahrverhalten einer zugeordneten Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine kann auch als Mischströmungs-Verdichter ausgebildet sein. Dabei strömt Luft von dem Aufnahmeraum über den Zuführkanal zu der Flut. Mit anderen Worten wird die Luft von dem Aufnahmeraum über den Zuführkanal und die Flut abgeführt und beispielsweise einem Ansaugtrakt des Kraftwagens zugeführt.
Die Luft strömt dabei das als Verdichterrad ausgebildete Laufrad in der weiteren Strömungsrichtung zumindest im Wesentlichen schräg zur axialen Richtung und zumindest im Wesentlichen schräg zur radialen Richtung an und wird mittels des Leitelements strömungsgünstig abgelenkt. Das Verdichterrad dient dabei dazu, die Luft zu verdichten und so die Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind ein den Zuführkanal auf eine ersten Seite begrenzender erster Wandungsbereich und ein den Zuführkanal auf einer der ersten Seite gegenüberüberliegenden zweiten Seite begrenzender zweiter Wandungsbereich der Fluidenergiemaschine sowie ein gegenüber des ersten Wandungsbereichs angeordneter erster Leitelementbereich und ein gegenüber des zweiten Wandungsbereichs angeordneter zweiter Leitelementbereich des Leitelements bezogen auf einen Schnittpunkt der ersten Drehachse mit der zweiten Drehachse zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet.
Die kugelsegmentförmige Ausgestaltung der Wandungsbereiche und der Leitelementbereiche birgt den Vorteil, dass das Leitelement verklemmungsfrei und somit funktionssicher auch bei hohen Temperaturen um die zweite Drehachse bei gleichzeitiger Realisierung nur sehr geringer Spaltmaße insbesondere zwischen dem Leitelement und den Wandungsbereichen des Zuführkanals bewegt werden kann. Somit weist die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit auf und ist gleichzeitig effizient an unterschiedliche Betriebspunkte bedarfsgerecht anpassbar.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Zuführkanal wenigstens bereichweise mittels eines separat von dem Gehäuse ausgebildeten und in dem Gehäuse aufgenommenen Einsatzelements begrenzt. Dadurch kann die Fluidenergiemaschine, insbesondere ihr Gehäuse, zeit- und kostengünstig beispielsweise mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden. Anschließend kann das Einsatzelement zeit- und kostengünstig montiert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass mittels des Einsatzelements wenigstens einer der den Zuführkanal begrenzenden Wandungsbereiche gebildet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Leitelement an dem Einsatzelement um die zweite Drehachse drehbar gelagert ist, so dass eine wesentlich verbesserte Funktion des Leitelementes herbeiführbar ist. Mit Hilfe der drehbaren Leitelemente ist eine Anströmung einer auf das Turbinenrad strömenden Abgasmenge für unterschiedliche Betriebszustände einstellbar, so dass ein entsprechend bevorzugter Turbinenwirkungsgrad erzielbar ist.
Das Leitelement kann lediglich einseitig um die zweite Drehachse drehbar gelagert sein. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Leitelement auf einer ersten Leitelementseite und auf einer der ersten Leitelementseite abgewandten Leitelementseite um die zweite Drehachse drehbar gelagert ist. Das Leitelement ist somit beidseitig und dadurch besonders definiert gelagert, sodass die Gefahr von Fehlfunktionen gering ist. Dies kommt der Funktionserfüllungssicherheit der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine besonders zugute.
Zur Erfindung gehört auch ein Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine. Die Fluidenergiemaschine kann dabei eine Turbine des Abgasturboladers sein, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Energiefluidmaschine ein Verdichter des Abgasturboladers ist, mittels welchen der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zuführbar ist. Der Abgasturbolader ist dabei besonders effizient betreibbar, was zu einem kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit nur geringem CO₂-Emissionen führt.
Weitere Vorteile; Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Seitenansicht einer variablen Turbinengeometrie für eine Mischströmungs-Turbine eines Abgasturboladers; und
2 eine schematische Längsschnittansicht der variablen Turbinengeometrie gemäß 1.
Die 1 und 2 zeigen eine im Ganzen mit 10 bezeichnete variable Turbinengeometrie für eine in den 1 und 2 ausschnittsweise dargestellte Turbine eines Abgasturboladers. Die Ausgestaltung der variablen Turbinengeometrie lässt sich jedoch ohne weiteres auch auf eine anderweitige Fluidenergiemaschine wie beispielsweise einen Verdichter des Abgasturboladers anwenden, welcher dann mit einer variablen Strömungsgeometrie versehen ist.
Die variable Turbinengeometrie 10 umfasst eine Mehrzahl von Leitschaufeln 12, von welchen in der 2 stellvertretend lediglich eine dargestellt ist. Die Leitschaufeln 12 sind in einem Zuführkanal 14 der Turbine angeordnet, wobei der Zuführkanal 14 auch als Düse bezeichnet wird.
Die Turbine umfasst ein in den 1 und 2 nicht dargestelltes Turbinengehäuse mit wenigstens einer Flut. Die Flut ist von Abgas einer der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine durchströmbar und leitet das Abgas zum Zuführkanal 14. Der Zuführkanal 14 ist einerseits fluidisch mit der Flut verbunden. Andererseits mündet der Zuführkanal in einen Aufnahmeraum 16 der Turbine. In dem Aufnahmeraum 16 ist ein schematisch dargestelltes Turbinenrad 18 um eine Drehachse 20 relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen. Das Turbinenrad 18 wird von dem aus der Flut über den Zuführkanal 14 in den Aufnahmeraum 16 strömenden Abgas angetrieben, sodass es sich um die Drehachse 20 dreht. Dabei wird das Abgas mittels der Leitschaufeln 12 abgelenkt, sodass das Abgas das Turbinenrad 18 bzw. Laufradschaufeln des Turbinenrads 18 strömungsgünstig anströmen kann. Dadurch kann mittels der Leitschaufeln 12 ein Eintrittsdrall erzeugt werden, mittels welchem das Turbinenrad 18 effizient antreibbar ist.
Der Zuführkanal 14 wird einerseits mittels eines ersten Einsatzelements 22 der Turbine und andererseits mittels eines zweiten Einsatzelements 24 der Turbine begrenzt. Die Einsatzelemente 22, 24 sind zumindest bereichsweise in dem Turbinengehäuse aufgenommen.
Mittels des ersten Einsatzelements 22 ist ein erster Wandungsbereich 26 gebildet, der den Zuführkanal 14 auf einer ersten Seite 28 begrenzt. Mittels des zweiten Einsatzteils 24 ist ein zweiter Wandungsbereich 30 gebildet, welcher den Zuführkanal 14 auf einer der ersten Seite 28 gegenüberliegenden zweiten Seite 32 begrenzt.
Die Leitschaufeln 14 weisen jeweils einen ersten Leitschaufelbereich 34 auf, welcher gegenüber dem ersten Wandungsbereich 26 angeordnet ist. Ferner weisen die Leitschaufeln 12 jeweils einen zweiten Leitschaufelbereich 36 auf, welcher gegenüber dem zweiten Wandungsbereich 30 angeordnet ist.
Um die Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und somit an unterschiedliche Massenströme des Abgases bedarfgerecht anpassen zu können, sind die Leitschaufeln 12 um jeweils eine zweite Drehachse 38 relativ zum Turbinengehäuse sowie relativ zu den Einsatzelementen 22, 24 drehbar an den Einsatzelementen 22, 24 gelagert. Durch Drehen der Leitschaufeln 12 um die jeweiligen zweiten Drehachsen 38 kann ein effektiver Strömungsquerschnitt des Zuführkanals 14 variabel eingestellt, das heißt fluidisch vergrößert oder demgegenüber fluidisch verengt werden. So kann das Turbinenrad 18 je nach vorliegendem Massenstrom des Abgases effizient angetrieben werden.
Wie der 2 zu entnehmen ist, sind die Leitschaufeln 12 dabei sowohl auf Seiten des ersten Einsatzelements 22 sowie auf Seiten des zweiten Einsatzelements 24 und somit beidseitig gelagert.
Wie der 2 ferner zu entnehmen ist, verlaufen die zweiten Drehachsen 38 schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung der Turbine und schneiden die zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende erste Drehachse 20 in einen Schnittpunkt 40. Der Schnittpunkt 40 ist dabei der Mittelpunkt eines strichliert dargestellten ersten Teilkreises 42 sowie eines strichliert dargestellten zweiten Teilkreises 44. Mit anderen Worten sind die Teilkreise 42, 44 hinsichtlich ihrer Mittelpunkte konzentrisch zueinander angeordnet.
Die Wandungsbereiche 26, 30 sowie die Leitschaufelbereiche 34, 36 sind nun bezogen auf den Schnittpunkt 40 zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Wandungsbereiche 26, 30 sowie die Leitschaufelbereiche 34, 36 bezogen auf den Schnittpunkt 40 und damit auf die Mittelpunkte der Teilkreise 42, 44 sphärisch angeordnet bzw. ausgestaltet. Jeweilige Radien der Kugelsegmente, das heißt der Wandungsbereiche 26, 30 und der Leitschaufelbereiche 34, 36 werden dabei durch die Geometrie des Turbinenrades 18 vorgegeben.
Durch diese kugelsegmentförmige Ausgestaltung ist es möglich, die Leitschaufeln 12 uneingeschränkt und verklemmungsfrei drehen zu können und gleichzeitig nur sehr geringe Spaltmaße zwischen den Leitschaufeln 12 und den Einsatzelementen 22, 24 zu realisieren. Dadurch können Sekundärströmungsverluste gering gehalten werden, sodass des Abgas mittels der Leitschaufeln 12 gerichtet auf das Turbinenrad 18 strömen und nur ein verschwindend geringer Teil des Abgases die Lautschaufeln 12 umgehen und das Turbinenrad 18 ungerichtet anströmen kann.
Eine Betätigungseinrichtung zum Drehen der Leitschaufeln 12 um die zweite Drehachse 38 kann dabei turbinenseitig oder verdichterseitig angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1394359 A1 [0002]

Claims

Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse, welches einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines um eine in axialer Richtung verlaufende erste Drehachse (20) relativ zum Gehäuse drehbaren Laufrads (18) und wenigstens eine von einem Gas durchströmbare Flut aufweist, von der das Gas über einen mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden Strömungsrichtung zu dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist oder zu der das Gas über den mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden weiteren Strömungsrichtung von dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist, und mit wenigstens einem zumindest teilweise in dem Zuführkanal (14) angeordneten Leitelement (12), mittels welchem das den Zuführkanal (14) durchströmende Gas ableitbar ist, wobei das Leitelement (12) um eine schräg zur axialen Richtung und schräg Zur radialen Richtung verlaufende zweite Drehachse (38) relativ zum Gehäuse drehbar ist.
Fluidenergiemaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet, dass ein den Zuführkanal (14) auf einer ersten Seite (28) begrenzender erster Wandungsbereich (26) und ein den Zuführkanal (14) auf einer der ersten Seite (28) gegenüber liegende zweiten Seite (32) begrenzender zweiter Wandungsbereich (30) der Fluidenergiemaschine sowie ein gegenüber des ersten Wandungsbereichs (26) angeordneter erster Leitelementbereich (34) und ein gegenüber des zweiten Wandungsbereichs (30) angeordneter zweiter Leitelementbereich (36) des Leitelements (12) bezogen auf einen Schnittpunkt (40) der ersten Drehachse (20) mit der zweiten Drehachse (38) zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet sind.
Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (14) wenigstens bereichsweise mittels zumindest eines separat von dem Gehäuse ausgebildeten und in dem Gehäuse aufgenommen Einsatzelements (22, 24) begrenzt ist.
Fluidenergiemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (12) an dem Einsatzelement (22, 24) um die zweite Drehachse (38) drehbar gelagert ist.
Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (12) um die zweite Drehachse (38) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerung auf einer ersten Leitelementseite und/oder auf einer der ersten Leitelementseite abgewandten zweiten Leitelementseite ausgebildet ist.
Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.