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Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß Patentanspruch 7.
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Ein verstellbarer Leitapparat ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 029 004 A1 bekannt. Der verstellbare Leitapparat dient einer Änderung einer Fluidströmung, in der Regel einer Abgasströmung einer Brennkraftmaschine, auf ein Turbinenrad eines Abgasturboladers. Der verstellbare Leitapparat umfasst eine Mehrzahl von verdrehbaren Leitschaufeln, welche zwischen einem ersten Einsatzteil des verstellbaren Leitapparates und einem zweiten Einsatzteil des verstellbaren Leitapparates positioniert sind. Mit Hilfe der Verdrehbarkeit der Mehrzahl von Leitschaufeln ist die Fluidströmung auf das Turbinenrad konditionierbar. Zwischen einer ersten Wandung des ersten Einsatzteils und einer zweiten Wandung des zweiten Einsatzteils ist ein Zuströmkanal ausgebildet, in welchem die Mehrzahl von Leitschaufeln angeordnet ist. Zur Sicherung eines definierten Abstandes zwischen der ersten Wandung des ersten Einsatzteils und der zweiten Wandung des zweiten Einsatzteils sind Distanzelemente zwischen dem ersten Einsatzteil und dem zweiten Einsatzteil vorgesehen. Aufgrund der Positionierung der Distanzelemente im Strömungskanal ist der Fluidströmung ein Strömungswiderstand entgegengesetzt, wodurch Wirkungsgradverluste des Abgasturboladers herbeigeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Eliminierung von Wirkungsgradverlusten, welche aufgrund der im Zuströmkanal positionierten Distanzelemente auftreten, mit Hilfe einfacher Maßnahmen herbeizuführen sowie eine Turbine mit reduzierten Wirkungsgradverlusten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leiteinrichtung für eine Turbine eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Der Erfindung liegt ein verstellbarer Leitapparat mit einem ersten Einsatzteil und einem zweiten Einsatzteil zugrunde, wobei zwischen einer ersten Wandung des ersten Einsatzteils und einer der ersten Wandung gegenüberliegend angeordneten zweiten Wandung des zweiten Einsatzteils ein Zuströmkanal ausgebildet ist, in welchem eine Mehrzahl von drehbaren Leitschaufeln und ein Distanzelement positioniert sind. Erfindungsgemäß ist eine Leitschaufel der Mehrzahl von Leitschaufeln das Distanzelement aufnehmbar ausgestaltet. Dadurch, dass das Distanzelement mindestens teilweise in der Leitschaufel im Zuströmkanal angeordnet ist, stellt es als solches keinen Strömungswiderstand im Strömungsweg des Abgases dar. Mit anderen Worten ist der Strömungswiderstand im Strömungskanal ausschließlich durch im Strömungskanal angeordnete Leitschaufeln induziert. Somit sind Druckverluste und demzufolge Wirkungsgradverluste, welche aufgrund einer Positionierung der Distanzelemente außerhalb der Leitschaufel hervorgerufen werden, eliminiert. Demzufolge ergibt sich eine Reduzierung der Wirkungsgradverluste und damit eine Steigerung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist eine gleichmäßige Verteilung von durch die Fluidströmung hervorgerufenen Kräften auf den verstellbaren Leitapparat, d. h. insbesondere auf die Mehrzahl von Leitschaufeln. Zwischen jeweils zwei benachbart angeordneten Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln liegt ein Strömungsspalt vor, dessen Größe, je nach Einstellung des verstellbaren Leitapparates, variierbar ist. Mit anderen Worten weist jede Einstellung des verstellbaren Leitapparates eine bestimmte Positionierung der Mehrzahl von Leitschaufeln auf, wobei entsprechend der Einstellung der Strömungsspalt zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln zwischen einem kleinsten Wert und einem größten Wert veränderbar ist. Das heißt, dass beispielsweise sofern ein großer Druck stromauf des Turbinenrades bei nur geringer Fluidströmungsmasse erzielt werden soll, der Strömungsspalt den kleinsten Wert aufweist. Soll ein großer Druck bei einer großen Fluidströmungsmasse erzielt werden, bspw. wenn die Verbrennungskraftmaschine in einem Volllastpunkt betrieben wird, weist der Strömungsspalt den größten Wert auf. Zur optimalen Anströmung des Turbinenrades ist es von Vorteil, wenn die Strömungsspalte des verstellbaren Leitapparates für eine Einstellung jeweils eine gleiche Größe aufweisen. Die Größe des Strömungsspaltes wird unter anderem auch durch die von der Fluidströmung hervorgerufenen Kraft auf die jeweilige Leitschaufel beeinflusst. D. h. liegen an den einzelnen Leitschaufeln des verstellbaren Leitapparates für eine Einstellung aufgrund von unterschiedlich Strömungswiderständen unterschiedliche Kräfte an, sind die Strömungsspalte des verstellbaren Leitapparates unterschiedlich groß, wodurch schließlich eine Reduzierung des Turbinenwirkungsgrades herbeigeführt wird.
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Da nun erfindungsgemäß ausschließlich die Mehrzahl von Leitschaufeln im Zuströmkanal die Fluidströmung effektiv beeinflussbar positioniert ist, sind Kräfte auf den verstellbaren Leitapparat, hervorgerufen durch die Fluidströmung, über den verstellbaren Leitapparat gleichmäßig verteilt, denn es liegen im verstellbaren Leitapparat an allen Leitschaufeln gleiche Strömungsbedingungen an. Das bedeutet zugleich, dass Verstellkräfte zur Bewegung bzw. Verdrehung der Mehrzahl von Leitschaufeln für jede der Leitschaufeln nahezu gleich groß ist, so dass für eine Einstellung die Strömungsspalte zwischen den einzelnen Leitschaufeln alle gleich groß sind. Dies hat eine Steigerung des Turbinenwirkungsgrades unmittelbar zur Folge. Der somit effiziente Betrieb der Turbine, und damit des Abgasturboladers, durch die strömungsverlustreduzierende Ausgestaltung bewirkt weiterhin eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und demzufolge einer Reduzierung von CO2-Emissionen einer in Verbindung mit dem Abgasturbolader stehenden Verbrennungskraftmaschine.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates entspricht eine Längsachse des Distanzelementes einer zweiten Drehachse der Leitschaufel. Dies hat sowohl funktionale als auch fertigungstechnische Vorteile. Grundsätzlich weisen Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln eine zweite Drehachse auf, um welche sie rotierbar am ersten Einsatzteil angeordnet sind. Zur Sicherung der Drehbarkeit der Leitschaufel, in welcher das Distanzelements aufgenommen ist, ist es vorteilhaft das Distanzelement mit seiner Längsachse so in der Leitschaufel zu positionieren, dass die Leitschaufel um die Längsachse des Distanzelements verdrehbar ist. Fertigungstechnisch bedeutet dies, dass eine grundsätzlich vorgesehene axiale Öffnung der Leitschaufel, welche zur Aufnahme einer Verdrehwelle der Leitschaufel dient, zusätzlich einer Aufnahme des Distanzelementes dient. Dementsprechend ist kein zusätzlicher fertigungstechnischer Schritt zur Herstellung der Leitschaufel, welche das Distanzelement aufnehmbar ausgestaltet ist, vorzusehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist die Leitschaufel relativ zum Distanzelement verdrehbar, so dass eine Bewegbarkeit des Distanzelementes vermeidbar ist, wodurch eine weitere Sicherung des Abstandes zwischen dem ersten Einsatzteil und dem zweiten Einsatzteil herbeiführbar ist.
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Weist die Leitschaufel eine Hülse auf, welche koaxial mit dem Distanzelement angeordnet ist, kann die Leitschaufel mit Hilfe der Hülse, mit welcher die Leitschaufel vorteilhafterweise kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist, bewegt werden. Dies bietet zum einen den Vorteil, dass eine reibungsreduzierte innere Oberfläche der Hülse, welche einer Mantelfläche des Distanzelementes gegenüberliegend positioniert ist, unabhängig von der Leitschaufel herstellbar ist. Des Weiteren kann die Hülse aus einem reibungsreduzierenden und hochtemperaturfesten Material bspw. Keramik gefertigt sein, wohingegen die Leitschaufel aus den üblichen hochtemperaturfesten Materialien gefertigt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparates ist das Distanzelement unbewegbar einenends mit dem ersten Einsatzteil und anderenends mit dem zweiten Einsatzteil verbunden. Somit ist eine Bewegbarkeit des Distanzelementes ausgeschlossen und die Bereitstellung eines definierten Abstandes zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil sichergestellt. Ein weiterer Vorteil ist, dass, neben der Funktion einen bestimmten Abstand zwischen dem ersten Einsatzteil und dem zweiten Einsatzteil zu sichern, eine Trägerfunktion des Distanzelementes herbeigeführt ist, in dem Sinne, dass das erste Einsatzteil vollständig von dem Distanzelement getragen und positioniert beziehungsweise radial und axial fixiert wird.
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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.
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Die Zeichnung zeigt in
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1 einen Schnitt durch eine Turbine eines Abgasturboladers mit einer Leitvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen Ausschnitt eines Axialschnitts eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates mit einer Leitschaufel und einem Distanzelement und
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3 einen Schnitt durch die Leitschaufel gem. 2.
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Ein in 1 dargestellter durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 2 einer Turbine eines Abgasturboladers 1 ist in einem Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt, vorgesehen. Der Abgasturbolader 1 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, welcher in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Der Abgasturbolader 1 weist ein Laufzeug 3 auf, welches ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 4 zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad 4 drehfest verbindende Welle 5 mit einer ersten Drehachse 6 umfasst. Die Welle 5 ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 1 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt 2 positioniert ist.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 2 ist ein Eintrittskanal 7 im Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildet. Der Eintrittskanal 7 dient zur Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad 4 in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 5 wird das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Stromab des Eintrittskanals 7 ist im Abgasführungsabschnitt 2 ein Spiralkanal 8 angeordnet, welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient. Des Weiteren ist der Spiralkanal 8 als Verbindungskanal zwischen dem Eintrittskanal 7 und einem Zuströmkanal 9, welcher stromab des Spiralkanals 8 positioniert ist, ausgebildet.
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Stromab des Zuströmkanals 9 ist eine Radkammer 10 im Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet, in welcher das Turbinenrad 4 drehbar aufgenommen ist. Stromab der Radkammer 10 weist der Abgasführungsabschnitt 2 einen Austrittskanal 11 zum Entweichen des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 2 auf.
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Damit sowohl bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein größtmöglicher Abgasturboladerwirkungsgrad erreichbar ist, ist das Abgas mit Hilfe eines verstellbar ausgebildeten Leitapparates 12 konditionierbar, welcher im Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet ist.
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In 1 ist ein verstellbarer Leitapparat 12 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der verstellbare Leitapparat 12 ist das Turbinenrad 4 ringförmig umfassend ausgebildet und weist ein erstes Einsatzteil 13, im Weiteren Lagerring genannt, zur Aufnahme einer Mehrzahl von Leitschaufeln 14 auf, welche zur Strömungskonditionierung vorgesehen ist. Jede Leitschaufel der Mehrzahl von Leitschaufeln 14 ist auf dem Lagerring 13 drehbar gelagert, wobei jede Leitschaufel der Mehrzahl von Leitschaufeln 14 eine zweite Drehachse 18 aufweist.
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Der Lagerring 13 ist im Abgasführungsabschnitt 2 so positioniert, dass die Mehrzahl von Leitschaufeln 14 im Zuströmkanal 9 angeordnet ist. Dem Lagerring 13 gegenüberliegend positioniert ist ein zweites Einsatzteil 15, im Weiteren Konturhülse genannt, welche zur Strömungskonditionierung und zur vereinfachten Montage des Leitapparates 12 ausgebildet ist. Der Zuströmkanal 9 ist im Bereich des verstellbaren Leitapparates 12 zwischen einer ersten Wandung 19 des Lagerrings 13 und einer zweiten Wandung 20 der Konturhülse 15 ausgebildet.
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Zur Fixierung eines Abstandes A zwischen der Konturhülse 15 und dem Lagerring 13, welcher zur Vermeidung eines Verkantens der Mehrzahl von Leitschaufeln 14 bei einer Verdrehung um die zweite Drehachse 18 notwendig ist, sind Distanzelemente 16 im Zuströmkanal 9 positioniert. Die Distanzelemente 16 sind zylindrisch ausgestaltet und weisen eine Längsachse 17 auf.
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Der in 2 dargestellte Ausschnitt eines Axialschnitts eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates 12 zeigt eine Leitschaufel 14' der Mehrzahl von Leitschaufel 14, welche das Distanzelement 16 aufnehmbar ausgebildet ist. Zur Aufnahme des zylinderförmig ausgestalten Distanzelementes 16 weist die Leitschaufel 14' eine zylindrische Öffnung 21 auf, welche sich über eine gesamte axiale Länge L der Leitschaufel 14' erstreckend ausgebildet ist. Zur Bewegbarkeit der Leitschaufel 14' entspricht die Längsachse 17 des Distanzelementes 16 der zweiten Drehachse 18 der Leitschaufel 14'. Damit die Bewegbarkeit der Leitschaufel 14' gewährleistet ist und die Leitschaufel 14' relativ zum Distanzelement 16 verdrehbar ist, ist ein erster Durchmesser D1 der Öffnung 21 größer als ein zweiter Durchmesser D2 des Distanzelementes 16, wobei der erste Durchmesser D1 um ein Minimalspiel MS größer ist als der zweite Durchmesser D2, wie in 3 dargestellt.
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In einem nicht näher dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel weist die Leitschaufel 14' eine nicht näher dargestellte, vorteilhafterweise zylinderische Hülse auf, welche koaxial mit dem Distanzelement 16 angeordnet ist. Die Hülse selbst ist unbewegbar mit der Leitschaufel 14' verbunden, wobei ein kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Leitschaufel 14' und der Hülse vorgesehen sein kann. Mit anderen Worten ist die Hülse in der zylindrischen Öffnung 21 der Leitschaufel 14' aufgenommen, wobei die Hülse das Distanzelement 16 axial teilweise und radial vollständig umfassend ausgebildet ist. Die Hülse ist sich vorteilhafterweise über die gesamte Länge L erstreckend ausgebildet. Ebenso könnte sie allerdings auch nur über einen Teilbereich der Länge L ausgebildet sein. Die Hülse ist aus einem reibungsarmen Material, bspw. Keramik hergestellt.
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Das Distanzelement 16 ist an seinem ersten Ende 22, somit einenends, im Lagerring 13 und an seinem zweiten Ende 23, somit anderenends, in der Konturhülse 15 aufgenommen. Zur Aufnahme des Distanzelementes 16 weist der Lagerring 13 eine erste Aufnahmeöffnung 24 und die Konturhülse 15 eine zweite Aufnahmeöffnung 25 auf. Die erste Aufnahmeöffnung 24 und die zweite Aufnahmeöffnung 25 können dabei jeweils den Lagerring 13 bzw. die Konturhülse 15 vollständig durchdringend ausgebildet sein. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste Aufnahmeöffnung 24 und die zweite Aufnahmeöffnung 25 den Lagerring 13 bzw. die Konturhülse 15 nicht vollständig durchdringend ausgebildet. Das Distanzelement 16 ist stoffschlüssig mit der Konturhülse 15 und dem Lagerring 13 fest verbunden.
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Auch könnte beispielweise die erste Aufnahmeöffnung 24 des Lagerrings 13 den Lagerring 13 vollständig durchdringend ausgebildet sein, wohingegen die zweite Aufnahmeöffnung 25 die Konturhülse 15 nicht vollständig durchdringend ausgebildet ist. Selbstredend ist die Umkehrung der Ausbildung der Aufnahmeöffnungen des letztgenannten Ausführungsbeispiels.
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Alternativ zur stoffschlüssigen Verbindung kann das Distanzelement 16 kraft- und/oder formschlüssig mit dem Lagerring 13 und der Konturhülse 15 verbunden sein.
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Der verstellbare Leitapparat 12 weist zur Sicherung des Abstandes A drei Leitschaufeln 14' der Mehrzahl von Leitschaufeln 14 auf, welche jeweils ein Distanzelement 16 aufnehmbar ausgebildet sind. Ebenso könnte auch die Anzahl der Leitschaufeln 14', welche dazu ausgebildet sind ein Distanzelement 16 aufzunehmen, größer oder kleiner als drei sein, wobei sich in der Praxis allerdings die Anzahl von mindestens drei Distanzelementen 16 als zur Sicherung des Abstandes A ausreichend bewährt hat.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Distanzelemente 16 auf dem Lagerring 13 und der Konturhülse 15 gelagert. Neben der Funktion einen konstanten Abstand A zwischen dem Lagerring 13 und der Konturhülse 15 herbeizuführen, kann dem Distanzelement 16 auch eine Trägerfunktion zugeordnet werden, in dem Sinne, dass die Konturhülse 15 vollständig von dem Distanzelement 16 getragen und positioniert beziehungsweise radial und axial fixiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007029004 A1 [0002]
