-
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
-
Eine solche Turbine ist der
DE 10 2007 029 004 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad mit einer ersten Drehachse und weist wenigstens einen Strömungskanal auf, über welchen dem Turbinenrad Abgas zuführbar ist. Das Abgas kann das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben.
-
Die Turbine umfasst auch eine Leiteinrichtung mit Leitschaufeln. Die Leitschaufeln sind in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang verteilt und zumindest teilweise in dem Strömungskanal angeordnet. Die Leitschaufeln dienen zum Ableiten bzw. Umlenken des das Turbinenrad anströmenden Abgases, so dass des Turbinenrad strömungsgünstig von dem Abgas angeströmt und dadurch angetrieben wird.
-
Um die Turbine an unterschiedliche Abgasmassenströme effektiv anpassen zu können, sind die Leitschaufeln um eine jeweilige Drehachse relativ zu den Strömungskanal begrenzenden Wandungen der Turbine drehbar. Mit anderen Worten ist jeder der Leitschaufeln eine Drehachse, im Weiteren als zweite Drehachse bezeichnet, zugeordnet, um welche die der zweiten Drehachse zugeordnete Leitschaufel relativ zu den Wandungen der Turbine drehbar ist.
-
Die Leitschaufeln weisen dabei eine jeweilige, eine Querschnittsfläche einschließende Außenkontur auf. Vorliegend ist die jeweilige Außenkontur zumindest im Wesentlichen tragflächenförmig ausgebildet, so dass die eingeschlossene Querschnittsfläche zumindest im Wesentlichen tragflächenförmig ist. Die Außenkontur selbst kann dabei in einen dem Turbinenrad zugewandten ersten Außenkonturabschnitt und einen vom Turbinenrad abgewandt positionierten zweiten Außenkonturabschnitt gegliedert werden.
-
Die Querschnittsfläche der Leitschaufel weist des Weiteren eine so genannte Skelettlinie auf, auch Profilmittellinie oder Krümmungslinie genannt. Eine sich in axialer Richtung der Leitschaufel entlang dieser Skelettlinie erstreckende Fläche der Leitschaufel ist im Folgenden als Skelettlinienfläche bezeichnet, so dass die Leitschaufel mit Hilfe der Skelettlinienfläche in einen ersten Leitschaufelbereich und einen zweiten Leitschaufelbereich gliederbar ist, wobei der erste Leitschaufelbereich der Bereich der Leitschaufel ist, welcher dem Turbinenrad zugewandt positionierbar ist und der zweite Leitschaufelbereich ist der Bereich der Leitschaufel, welcher vom Turbinenrad abgewandt positionierbar ist.
-
Eine Drehachse der Leitschaufel gemäß des Standes der Technik ist üblicherweise im ersten Leitschaufelbereich angeordnet. Aufgrund der genannten Positionierung der Drehachse ist die Leitschaufel selbst relativ weit vom Turbinenrad entfernt anzuordnen, damit eine entsprechende Bewegbarkeit der Leitschaufeln erzielbar ist. Daraus resultieren erhöhte Strömungsverluste und demzufolge übermäßige Wirkungsgradverluste.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine einen noch effizienteren Betrieb aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Zur Realisierung eines noch effizienteren Betriebs der Turbine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Drehachse, bezogen auf die Skelettlinienfläche, auf einer von dem Turbinenrad abgewandten Seite der Skelettliniefläche im Strömungskanal positioniert ist. Eine derartige Positionierung der zweiten Drehachse ergibt einen vorteilhaften Bewegungsablauf bzw. eine vorteilhafte Bewegungsbahn bei ihrer Drehung um die erste Drehachse auf, woraus besonders günstige Strömungsbedingungen für das Abgas resultieren. Dadurch kann das Turbinenrad besonders effizient angetrieben werden. Die verbesserten Strömungsbedingungen sind darauf zurückzuführen, dass Verwirbelungen im Bereich zwischen den Leitschaufeln und dem Turbinenrad wesentlich reduziert werden können.
-
Die erfindungsgemäße Turbine birgt ferner den Vorteil, dass ihr von Abgas durchströmbarer, effektiver Strömungsquerschnitt durch Bewegen bzw. Drehen der Leitschaufel bedarfsgerecht an unterschiedliche Abgasmassenströme angepasst werden kann. Dadurch kann das Turbinenrad effizient bei geringen Abgasmassenströmen und effizient bei demgegenüber höheren Abgasmassenströmen angetrieben werden.
-
Die Leitschaufeln sind dabei zwischen einer sogenannten Schließstellung und einer sogenannten, maximalen Offenstellung bewegbar. In der Schließstellung ist der effektive Strömungsquerschnitt maximal verengt, d. h. auf seinen kleinstmöglichen Wert eingestellt. In der maximalen Offenstellung ist der effektive Strömungsquerschnitt fluidisch maximal freigegeben, d. h. auf seinen größtmöglichen Wert eingestellt.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Drehachse außerhalb der Außenkontur angeordnet. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften Bewegungsablauf und insbesondere zu einer vorteilhaften Position der der ersten Drehachse zugeordneten Leitschaufel in der Schließstellung und/oder der maximalen Offenstellung.
-
In einer alternativen Ausgestaltung dazu ist die zweite Drehachse im Bereich der Außenkontur der zugeordneten Leitschaufel angeordnet ist.
-
Die zweite Drehachse kann auf einer Profilsehne der entsprechenden Leitschaufel angeordnet oder von dieser beabstandet sein. Die Profilsehne ist dabei eine Bitangente an eine Vorderkante und eine davon in Umfangsrichtung des Turbinenrads beabstandete Hinterkante der der ersten Drehachse zugeordneten Leitschaufel.
-
Ein für den effizienten Betrieb der Turbine vorteilhafter Bewegungsverlauf der Leitschaufel ist geschaffen, wenn die zweite Drehachse in radialer Richtung nach außen von dem Flächenschwerpunkt beabstandet ist.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Außenkontur in wenigstens einem ersten Teilbereich einen Vorsprung auf, welcher gegenüber sich in Umfangsrichtung an den ersten Teilbereich anschließenden, zweiten Teilbereichen der Außenkontur in radialer Richtung erhaben ist. Dadurch sind für das Abgas sehr günstige Strömungsbedingungen geschaffen, welche zu einem besonders effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine führen. Mit Hilfe dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist die Möglichkeit geschaffen, üblicherweise realisierte Wellenabschnitte, welche bei einer üblichen Positionierung der zweiten Drehachse sowohl in einem ersten Teilbereich als auch in einem dritten Teilbereich der Leitschaufel Strömungsverluste induzieren, derart zu positionieren, dass eine Reduzierung der Strömungsverluste erwirkt wird.
-
Vorzugsweise ist der erste Teilbereich zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet. Somit kann das Abgas die der zweiten Drehachse zugeordnete Leitschaufel strömungsgünstig umströmen, was mit einem effizienten Betrieb der Turbine einhergeht.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Drehachse in radialer Richtung nach innen oder nach außen von dem ersten Teilbereich überdeckt. Dies führt zur Realisierung sehr vorteilhafter Strömungsbedingungen für das das Turbinenrad antreibende Abgas, was dem effizienten Betrieb der Turbine zugute kommt. Ferner kann der erste Teilbereich in einem Bereich besonders geringer Machzahlen angeordnet sein, wodurch sich Druckverluste in einem besonders geringen Rahmen halten lassen.
-
Bei der erfindungsgemäßen Turbine können aufgrund der entsprechenden Anordnung der zweiten Drehachse und gegebenenfalls des ersten Teilbereichs (Vorsprung) Leckagen und somit Fehlströmungen vermieden oder sehr gering gehalten werden. Dies kommt dem effizienten Betrieb der Turbine zugute.
-
Vorzugsweise sind alle zweiten Drehachsen der Leitschaufeln von dem jeweiligen Flächenschwerpunkt der Querschnittsflächen der den Drehachsen zugeordneten Leitschaufeln beabstandet. Damit geht ein besonders effizienter Betrieb der Turbine einher.
-
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.
-
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht einer Leiteinrichtung einer Turbine für einen Abgasturbolader, mit um jeweilige Drehachsen drehbaren Leitschaufeln,
-
2 ausschnittsweise eine schematische und vergrößerte Vorderansicht der Leiteinrichtung gemäß 1 und
-
3 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader mit einer weiteren Ausführungsform der Leiteinrichtung gemäß den 1 und 2.
-
Die 1 zeigt eine Leiteinrichtung 10 für eine Turbine eines Abgasturboladers. Der Abgasturbolader ist beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens zugeordnet und dient dazu, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten.
-
Die Turbine weist ein Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad der Turbine um eine erste Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Ferner weist die Turbine wenigstens einen Strömungskanal auf, über welchen dem Turbinenrad Abgas der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Dadurch kann das Abgas das Turbinenrad anströmen und dieses antreiben.
-
Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Turbine ist die Leiteinrichtung 10 vorgesehen. Die Leiteinrichtung 10 umfasst eine Mehrzahl von Leitschaufeln 12, welche in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Leitschaufeln 12 dienen zum Ableiten bzw. Umlenken des das Turbinenrad anströmenden Abgases, so dass das Abgas das Turbinenrad in strömungsgünstigen Anströmwinkeln anströmt. Richtungspfeile in der 1 deuten eine Anströmung der Leiteinrichtung 10 von dem Abgas an.
-
Um die Turbine effizient und effektiv an unterschiedliche Abgasmassenströme anpassen zu können, sind die Leitschaufeln 12 um jeweilige zweite Drehachsen 14 relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar. Mit anderen Worten ist jeder der Leitschaufeln 12 eine jeweilige zweite Drehachse 14 zugeordnet.
-
Die Leiteinrichtung 10 umfasst ferner in den 1 und 2 nicht dargestellte Einsatzteile, welche in axialer Richtung der insbesondere als Radialturbine ausgebildeten Turbine voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei begrenzen die Einsatzteile den Strömungskanal zumindest teilweise. Die Leitschaufeln 12 sind in dem Strömungskanal angeordnet und wenigstens an einem der Einsatzteile um die zweiten Drehachsen 14 relativ zu den Einsatzteilen drehbar bzw. verschwenkbar gelagert.
-
Durch Drehen der Leitschaufeln 12 relativ zu den Einsatzteilen kann ein von dem Abgas durchströmbarer, effektiver Strömungsquerschnitt der Turbine variabel eingestellt werden. Die Leitschaufeln 12 sind dabei in einem Verstellbereich drehbar, welcher einerseits von einer zum Verstellbereich gehörenden, so genannten Schließstellung und andererseits von einer zum Verstellbereich gehörenden, so genannten maximalen Offenstellung begrenzt wird. In der Schließstellung der Leitschaufeln 12 ist der effektive Strömungsquerschnitt maximal verengt, d. h. auf seinen minimalen Wert eingestellt. In der maximalen Offenstellung ist der effektive Strömungsquerschnitt maximal freigegeben, d. h. auf seinen maximalen Wert eingestellt. Die Leitschaufeln 12 werden bei relativ geringen Abgasmassenströmen in die Schließstellung und bei demgegenüber sehr hohen Abgasmassenströmen in die maximale Offenstellung bewegt. Ferner ist es möglich, die Leitschaufeln 12 in eine Mehrzahl von Zwischenstellungen zwischen der maximalen Offenstellung und der Schließstellung einzustellen.
-
Wie der 1 zu entnehmen ist, weisen die Leitschaufeln 12 eine jeweilige Außenkontur 16 auf, welche eine jeweilige Querschnittsfläche 18 der Leitschaufeln 12 einschließt. Die Außenkontur 16 wird auch als Profit der Leitschaufeln 12 bezeichnet. Dabei weist die Außenkontur 16 einen dem Turbinenrad zugewandt positionierten ersten Außenkonturabschnitt und einen vom Turbinenrad abgewandt angeordneten zweiten Außenkonturabschnitt auf. Vorliegend weisen die Leitschaufeln 12 zumindest im Wesentlichen ein Tragflächenprofil bzw. ein zumindest im Wesentlichen tragflächenförmiges Profil auf. In der 1 ist auch ein jeweiliger Flächenschwerpunkt 20 der entsprechenden Querschnittsfläche 18 erkennbar. Vorliegend ist in der 1 lediglich der Flächenschwerpunkt 20 und die zweite Drehachse 14 einer der Leitschaufeln 12 erkennbar. Selbstredend ist, dass jede Leitschaufel 12 einen Flächenschwerpunkt 20 und eine zweite Drehachse 14 aufweist. Das zuvor und im Folgenden zu der in der 1 dargestellten zweite Drehachse 14 und dem in der 1 dargestellten Flächenschwerpunkt 20 geschilderte kann analog auf alle zweiten Drehachsen 14 und alle Flächenschwerpunkte 20 übertragen werden.
-
Die Querschnittsfläche 18 der Leitschaufel 12 weist des Weiteren eine so genannte, nicht näher dargestellte Skelettlinie auf, auch Profilmittellinie oder Krümmungslinie genannt. Mit Hilfe einer sich in axialer Richtung der Leitschaufel 12 entlang dieser Skelettlinie erstreckenden Fläche der Leitschaufel 12, eine nicht näher dargestellte Skelettlinienfläche, ist die Leitschaufel 12 in einen ersten Leitschaufelbereich und einen zweiten Leitschaufelbereich gliederbar ist, wobei der erste Leitschaufelbereich der Bereich der Leitschaufel 12 ist, welcher dem Turbinenrad zugewandt positionierbar ist und der zweite Leitschaufelbereich ist der Bereich der Leitschaufel 12, welcher vom Turbinenrad abgewandt positionierbar ist.
-
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die zweite Drehachse 14 von dem Flächenschwerpunkt 20 beabstandet und auf der Außenkontur 16 auf dem zweiten Außenkonturabschnitt angeordnet. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsvariante ist die zweite Drehachse 14 außerhalb der Querschnittsfläche 18 angeordnet.
-
Die 2 zeigt eine gestrichelt dargestellte, erste Strecke 22 und eine gestrichelt dargestellte, zweite Strecke 24. Die Strecken 22, 24 erstrecken sich dabei jeweils von der zweiten Drehachse 14 bis zum Flächenschwerpunkt 20. Die Strecken 22, 24 visualisieren somit den Abstand der zweiten Drehachse 14 vom Flächenschwerpunkt 20.
-
Die erste Strecke 22, welche einen ersten Hebelarm zwischen der zweiten Drehachse 14 und dem Flächenschwerpunkt 20 darstellt, bezieht sich auf die maximale Offenstellung der Leitschaufel 12 bzw. der Leitschaufeln 12. Die zweite Strecke 24 bezieht sich auf die Schließstellung der Leitschaufel 12 bzw. der Leitschaufeln 12. Beim Verstellen der Leitschaufel 12 zwischen der Schließstellung und der maximalen Offenstellung wird die Leitschaufel 12 um einen Verstellwinkel αs über den gesamten Verstellbereich bewegt.
-
Da die zweite Drehachse 14 in radialer Richtung nach außen von dem Flächenschwerpunkt 20 beabstandet und somit exzentrisch zu dem Flächenschwerpunkt 20 angeordnet ist, kommt es beim Drehen bzw. Verschwenken der Leitschaufel 12 aus der maximalen Offenstellung in die Schließstellung zu einer Bewegung des Flächenschwerpunkts 20 in radialer Richtung nach innen, was in der 2 anhand eines Abstands d veranschaulicht ist.
-
Dies bedeutet, dass die Beabstandung der zweiten Drehachse 14 von dem Flächenschwerpunkt 20 in radialer Richtung nach außen zu einer effektiven Reduzierung des Abstands des Flächenschwerpunkts 20 von der ersten Drehachse des Turbinenrads führt. Im Vergleich zur Anordnung der zweiten Drehachse 14, wenn diese durch den Flächenschwerpunkt 20 verliefe, ergibt sich daraus eine virtuelle Reduzierung eines sogenannten Teilkreisradius, der den radialen Abstand der zweiten Drehachse 14 von der ersten Drehachse des Turbinenrads bezeichnet. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb der Turbine insbesondere in der Schließstellung der Leitschaufeln 12 und insbesondere in unteren Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine.
-
Näherungsweise kann angenommen werden, dass, beträgt der Abstand bzw. betragen die Strecken 22, 24 zwischen der zweiten Drehachse 14 und dem Flächenschwerpunkt 20 zum Beispiel zwei Millimeter [mm], und beträgt der Verstellwinkel αs beispielsweise 45°, so ergibt sich eine effektive Reduzierung des Teilkreisradius in der Schließstellung um 0,6 mm im Vergleich zur Anordnung der zweiten Drehachse 14, wenn diese durch den Flächenschwerpunkt 20 verliefe. Beträgt der Abstand bzw. betragen die Strecken 22, 24 zwischen der zweiten Drehachse 14 und dem Flächenschwerpunkt 20 beispielsweise 2,5 mm, und beträgt der Verstellwinkel αs beispielsweise 55°, so beträgt die Reduzierung des Teilkreisradius 1,1 mm. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Turbine insbesondere in der Schließstellung realisiert werden.
-
Die 3 zeigt ausschnittsweise eine Turbine 26 eines Abgasturboladers, welche beispielsweise als Radialturbine ausgebildet ist und welche eine weitere Ausführungsform der Leiteinrichtung 10 umfasst. In der 3 ist mit 28 ein Turbinengehäuse der Turbine 26 bezeichnet. Das Turbinengehäuse 28 weist eine Wandung 30 auf, mittels welcher der Strömungskanal, in dem die Leitschaufeln 12 angeordnet sind, zumindest teilweise begrenzt ist.
-
Die Außenkontur 16 einer der Leitschaufeln 12 weist in einem ersten Teilbereich 32 einen ersten Vorsprung 34 auf, welcher gegenüber sich in Umfangsrichtung an den ersten Teilbereich 32 anschließenden, zweiten Teilbereichen 36 der Außenkontur 16 in radialer Richtung erhaben ist. Vorliegend ist der erste Vorsprung 34 in radialer Richtung nach außen erhaben.
-
Alternativ oder zusätzlich weist die Außenkontur 16 in einem dritten Teilbereich 38 einen zweiten Vorsprung 40 auf, welcher gegenüber sich in Umfangsrichtung an den dritten Teilbereich 38 anschließenden, vierten Teilbereichen 42 der Außenkontur 16 in radialer Richtung erhaben ist. Vorliegend ist der zweite Vorsprung 40 in radialer Richtung nach innen erhaben.
-
Eine gestrichelte Linie 44 deutet dabei einen weiteren, möglichen Verlauf des ersten Vorsprungs 34 und somit eine weitere Ausführungsform des ersten Vorsprungs 34 an.
-
Insbesondere der erste Vorsprung 34 fungiert als Abdeckelement. In der maximalen Offenstellung kann der erste Vorsprung 34 zumindest über einen Vorsprungsteilbereich des ersten Vorsprungs 34 in Stützanlage mit der den Strömungskanal begrenzenden Wandung 30 der Turbine 26 kommen, so dass die Leitschaufel 12 zur Wandung 30 abgedichtet ist. Dadurch kann zumindest im Wesentlichen kein Abgas zwischen der Wandung 30 und der Leitschaufel 12 hindurchströmen.
-
Infolge der erfindungsgemäßen Positionierung der zweiten Drehachse 14 ergibt sich somit ein Reduzierung oder auch eine Eliminierung des zweiten Vorsprungs 40. Dies führt im Falle geschlossener Leitschaufelposition dazu, dass die Druckverluste reduziert sind, da der zweite Vorsprung 40 im Falle geschlossener Leitschaufelposition im Bereich größerer Machzahlen liegt, wohingegen der erste Vorsprung 34 im Bereich kleinerer Machzahlen liegt.
-
Der Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche 18 steht für mögliche Ausgestaltungen stellvertretend für alle Flächenpunkte der Querschnittsfläche 18.
-
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Drehachse 14 in Bezug zu einem so genannten aerodynamischen Druckpunkt entlang einer Kraftlinie einer aerodynamischen Gesamtkraft von dem Turbinenrad abgewandt nach außen verschoben, wodurch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erzielbar ist, wodurch Verschleiß und Hysterese reduzierbar sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007029004 A1 [0002]
