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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die Offenlegungsschrift
DE 199 61 613 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Abgasführungsabschnitt. In dem Abgasführungsabschnitt ist ein Turbinenrad drehbar positioniert. Die Turbine weist weiterhin einen verstellbaren Leitapparat mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln auf. Die Mehrzahl von Leitschaufeln ist zwischen einem Trägerring des verstellbaren Leitapparates und einem Konturring des verstellbaren Leitapparates positioniert. Die Mehrzahl von Leitschaufeln ist am Trägerring verdrehbar angeordnet. Zwischen dem Trägerring und dem Konturring ist ein Abstand ausgebildet, welcher nur so groß sein sollte, dass eine berührungslose Verdrehbarkeit der Mehrzahl von Leitschaufeln gewährleistet ist. Die berührungslose Verdrehbarkeit bezieht sich hierbei auf eine nicht auftretende Berührung zwischen der Mehrzahl der Leitschaufeln und einer Wandung des Trägerrings und/oder einer Wandung des Konturrings. Zur Erzielung einer Turbine mit einem hohen Wirkungsgrad wäre es notwendig, die Mehrzahl von Leitschaufeln zwischen dem Trägerring und dem Konturring derart zu platzieren, dass kein Spalt zwischen Seitenwänden einer Leitschaufel der Mehrzahl von Leitschaufeln und den Wandungen des Trägerrings und des Konturrings vorliegt. Dies ist allerdings aus Gründen der Bewegbarkeit der Mehrzahl der Leitschaufeln unmöglich. Somit wurde vorgesehen den Konturring schwimmend, das heißt bewegbar, insbesondere axial bewegbar zu gestalten.
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Im Betrieb der Turbine beispielsweise mit einem Verbrennungsmotor treten Änderungen der Betriebstemperaturen auf. Schon bei einem Start eines beispielsweise Personenkraftwagens mit einem Verbrennungsmotor wird die Turbine von heißem Abgas durchströmt, wohingegen der Abgasführungsabschnitt selbst noch eine der Umgebungstemperatur entsprechende Temperatur aufweist. Bauteile der Turbine, insbesondere solche, die in einem Strömungsweg des Abgases durch einen Abgasführungsabschnitt der Turbine positioniert sind, werden somit je nach Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine immer wieder unterschiedlichen Temperaturen des Abgases ausgesetzt. Die Bauteile der Turbine, insbesondere der Abgasführungsabschnitt und der verstellbare Leitapparat sind aus metallischen Werkstoffen hergestellt, welche Wärmeausdehnungskoeffizienten und sogar, sofern sie aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das bedeutet, dass diese Bauteile sich der Temperatur entsprechend ausdehnen bzw. zusammenziehen somit eine Volumenänderung aufweisen. Sofern unterschiedliche metallische Werkstoffe für unterschiedliche Bauteile eingesetzt werden, weisen diese Bauteile unterschiedliche Volumenänderungen auf, was insbesondere einem Kriterium der Spaltfreiheit bei gleichzeitiger Berührungslosigkeit zwingend bewegbarer Bauteile mit fixierten Bauteilen über einem nahezu kompletten Betriebsbereich entgegensteht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine noch betriebssicherer und effizienter betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist die Turbine eines Abgasturboladers zur Wahrung eines gesicherten Abstandes zwischen einem Trägerring eines verstellbaren Leitapparates der Turbine und einem Konturring des verstellbaren Leitapparates zwischen dem Konturring und einer Wandung des Abgasführungsabschnitts ein Federelement auf, welches aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist. Dadurch, dass das Federelement aus keramischem Material ausgebildet ist, weist es im Gegensatz zu einem üblicherweise aus Metall hergestellten Federelement eine besonders funktionssichere Eigenschaft auch bei hohen Temperaturen und bei Temperaturschwankungen auf. Keramische Werkstoffe, auch technische Werkstoffe oder Hochleistungswerkstoffe genannt, erhalten ihre Werkstoffeigenschaften erst bei einem Verfahrensprozess, in der Regel beim so genannten Sintern, bei hohen Temperaturen. Hier ist der Unterschied zu den Werkstoffeigenschaften von Metallen zu sehen. Metalle erhalten ihre Werkstoffeigenschaften vor der Formgebung. Keramische Werkstoffe erhalten ihre Werkstoffeigenschaften in Verbindung mit ihrem Herstellungsprozess, welcher unmittelbar an ihre Form und an ihre Größe gebunden ist. Das bedeutet, dass das aus einem keramischen Werkstoff hergestellte Federelement eine Bewegbarkeit, insbesondere eine axiale Bewegbarkeit des Konturrings sicherstellt, nicht nur, allerdings insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen des Abgasturboladers. Denn im Gegensatz zu üblichen metallischen Federelementen relaxieren die aus keramischem Werkstoff hergestellten Federelemente nicht bei den auftretenden hohen Temperaturen und es bleibt somit die Federwirkung bei allen auftretenden Betriebstemperaturen erhalten. Somit kann in allen Betriebspunkten, ausgehend von niedrigen Betriebstemperaturen über mittlere Betriebstemperaturen bis zu hohen Betriebstemperaturen eine Bewegbarkeit des Konturrings und somit ein Minimalspalt, das heißt ein Spalt, welcher gerade groß genug ist um die Verdrehbarkeit der Mehrzahl von Leitschaufeln bei gleichzeitig möglichst geringem Spalt zur Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine sicherzustellen, erreicht werden.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbine ist zwischen dem Trägerring und dem Konturring mindestens ein Distanzelement ausgebildet, welches aus einem keramischen oder metallischen Werkstoff ausgebildet ist. Da die Mehrzahl von Leitschaufeln zwischen dem Trägerring und dem Konturring positioniert ist, ist es zur Wahrung der Betriebssicherheit von Nöten über einem vollständigen Umfang der Mehrzahl von Leitschaufeln einen nahezu konstanten Abstand zu sichern, in dem nicht einzelne Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln aufgrund eines zu geringen Abstandes verklemmen können. Sofern das Distanzelement aus einem eine thermische Trägheit aufweisenden ausgebildet ist, ist die Sicherung eines nahezu konstanten Abstandes über den gesamten Umfang der Mehrzahl von Leitschaufeln über den gesamten Betriebsbereich des Abgasturboladers herbeigeführt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Turbine ist ein Fixierelement zur Fixierung des Trägerrings im Abgasführungsabschnitt ausgebildet. Der Trägerring soll im Gegensatz zum Konturring eine eindeutige Position im Abgasführungsabschnitt einnehmen. Das bedeutet, dass er zur Sicherung der Bewegbarkeit der einzelnen Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln, welche am Trägerring verdrehbar angeordnet sind, im Abgasführungsabschnitt positioniert sein muss. Jede Bewegung, unabhängig ob in axialer oder radialer Richtung kann zu einem Verklemmen der Leitschaufeln führen und ist deshalb zu vermeiden. Dass der Trägerring unbewegbar im Abgasführungsabschnitt angeordnet ist, kann mit Hilfe des Fixierelementes herbeigeführt werden.
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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 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch einen Abgasführungsabschnitt einer erfindungsgemäßen Turbine eines Abgasturboladers,
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2 in einem Längsschnitt eine Detailansicht eines Federelementes der erfindungsgemäßen Turbine in einer Variante und
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3 in einem Längsschnitt eine Detailansicht eines Distanzelementes der erfindungsgemäßen Turbine in einer Variante.
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Die 1 zeigt in einem Ausschnitt eines Längsschnitts eine erfindungsgemäße Turbine 1 eines Abgasturboladers für eine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine insbesondere eines Kraftwagens. Die Turbine 1 umfasst einen Abgasführungsabschnitt 2, ein Turbinenrad 3 mit einer Drehachse 4, welches im Abgasführungsabschnitt 2 drehbar positioniert ist. Im Abgasführungsabschnitt 2 ist ein verstellbarer Leitapparat 5 positioniert, zur Konditionierung einer Fluidströmung.
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Der verstellbare Leitapparat 5 umfasst einen Trägerring 6 mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln 7, wobei die einzelnen Leitschaufeln 8 mit Hilfe einer Welle 9 verdrehbar am Trägerring 6 angeordnet sind. Dem Trägerring 6 im Abgasführungsabschnitt 2 gegenüberliegend angeordnet ist ein Konturring 10. Der Konturring 10 ist im Abgasführungsabschnitt 2 schwimmend, das heißt axial bewegbar aufgenommen. Die axiale Bewegbarkeit wird mit Hilfe eines Federelementes 11 herbeigeführt. Das Federelement 11 ist erfindungsgemäß aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.
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Zur Sicherung eines über dem gesamten Umfang der Mehrzahl von Leitschaufeln 7 konstanten Abstandes A ist ein Distanzelement 12 aus keramischem Material vorgesehen. Im Allgemeinen ist es üblich die drei Distanzelemente 12 zur Sicherung auszubilden und regelmäßig über den Umfang, das heißt in einem Winkel von 120 Grad zueinander am Konturring 10 und am Trägerring 6 zu positionieren.
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Mit Hilfe eines Fixierelementes 13 ist der Trägerring 6 im Abgasführungsabschnitt 2 unbewegbar fixiert. Das Fixierelement 13 ist zur Sicherung der Fixierung aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.
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Da der Abgasführungsabschnitt 2 durchströmbar ausgebildet ist und das Strömungsfluid, im Allgemeinen Abgas der Verbrennungskraftmaschine, ausgehend von einem nicht näher dargestellten Eintrittskanal des Abgasführungsabschnitts 2 über die Mehrzahl von Leitschaufeln 7 auf das Turbinenrad 3 strömt, ist zur Realisierung einer Gasdichtheit ein Dichtelement 14 im Bereich des Turbinenrades 3 zwischen dem Konturring 10 und einer dem Konturring 10 gegenüberliegenden Wandung 15 des Abgasführungsabschnitts 2 vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Federelement 11 aus einem Siliziumnitrid der Fa. NHK Yokohama in Japan hergestellt. Wie einer Internetseite http://www.febrotec.de zu entnehmen ist, hat dieses keramische Material gegenüber beispielsweise AlSi304 oder Inconel 718 den Vorteil eines wesentlich geringeren spezifischen Gewichtes, das heißt das Bauteilgewicht wird um einen Faktor von ca. 2,5 geringer. Die Materialeigenschaften, Härte, Schubspannung und der Elastizitätsmodul dagegen steigen um ca. über die Hälfte.
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Insbesondere bei Hochtemperaturanwendung, wie sie im Betrieb eines Abgasturboladers bzw. einer Turbine 1 eines Abgasturboladers vorliegt, bleibt die Festigkeit im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 1000°C konstant. Die Festigkeit bleibt mit einer Fehlerhäufigkeit von 0,1% auf einem Niveau von 200 MPa bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 1200°C erhalten und selbst nach Ermüdungstests wurden bei einer Temperatur von 900°C keine Deformationen festgestellt. Somit können ein Federelement 11, ein Distanzelement 12 und ein Fixierelement 13 aus keramischem Material, insbesondere dieses von der Fa. NHK Yokohama hergestellte Material, als besonders geeignet zur Betriebssicherheit einer besonders hohe Wirkungsgrade aufweisenden Turbine 1 angesehen werden.
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Insbesondere vorteilhafte Materialpaarungen verschiedener Bauteile des verstellbaren Leitapparates
5 sind der folgenden Tabelle 1 zu entnehmen.
| Bauteil | Beispiel 1 | Beispiel 2 |
| Abgasführungsabschnitt 2 | Metallisches Material | Metallisches Material |
| Turbinenrad 3 | Metallisches oder keramisches Material | Metallisches oder keramisches Material |
| Lagergehäuse (nicht näher dargestellt) | Metallisches Material | Metallisches Material |
| Fixierelement 13 | Metallisches oder keramisches Material | Metallisches oder keramisches Material |
| Trägerring 6 | Metallisches Material | Keramisches Material (Si3N4, SiC) |
| Leitschaufel 8 | Keramisches Material (Si3N4, SiC) | Metallisches Material |
| Distanzelement 12 | Keramisches Material (Si3N4, SiC) | Metallisches Material |
| Konturring 10 | Metallisches Material | Keramisches Material (Si3N4, SiC) |
| Federelement 11 | Keramisches Material (Si3N4, SiC) | Keramisches Material (Si3N4, SiC) |
| Dichtelement 14 | Metallisches Material | Metallisches Material |
| Welle 9 | Metallisches Material | Metallisches Material |
Tabelle 1: Vorteilhafte Materialpaarungen verschiedener Bauteile des verstellbaren Leitapparates 5
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Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Turbine 1 ist gemäß 2 ausgebildet. Das Federelement 11 ist als einzige Ringfeder ausgebildet, mit einer zur Drehachse 4 koaxialen Längsachse. Der Vorteil dieser einzigen Ringfeder ist, dass ein einziges Bauteil eingesetzt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Turbine 1 ist gemäß 3 ausgebildet. Der Konturring 10 und der Trägerring 6 sind aus einem metallischen Material oder einem keramischen Material hergestellt. Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass der Konturring 10 und der Trägerring 6 aus einem keramischen Material hergestellt sind. Damit lassen sich die thermisch bedingten Deformationen dieser beiden Bauteile entscheidend reduzieren und es ist somit möglich geringe Schaufelspalte, mit anderen Worten geringe Spalte zwischen den Leitschaufeln 7 und den an ihren Stirnflächen gegenüberliegenden Wandungen, zu realisieren.
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Das Distanzelement 12 ist mehrteilig aufgebaut und umfasst ein bolzenförmiges Mittelelement 16, welches zwischen dem Trägerring 6 und dem Konturring 10 angeordnet ist, eine Sicherungsscheibe 17, einen Fixierkopf 18, eine Fixierscheibe 19 sowie ein Fixierfederelement 20. Das Mittelelement 16 ist an seinem dem Trägerring zugewandt positionierten Ende ein Außengewinde aufweisend ausgebildet. Hierzu weist der Trägerring 6 zur Aufnahme des Mittelelements 16 an der entsprechenden Stelle ein korrespondierendes Innengewinde auf. Zur Sicherung des Distanzelementes ist die Fixierscheibe 19 am Fixierkopf 18 des Distanzelementes 12 einsteckbar.
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Der Konturring 10 weist zur Aufnahme des Distanzelementes 12 eine Durchgangsöffnung 21 auf. Der Fixierkopf 18 ist durch die Durchgangsöffnung 21 durchsteckbar ausgebildet. An seinem vom Mittelelement 16 abgewandt ausgebildeten Ende ist der Fixierkopf 18 nietkopfartig ausgebildet, so dass das Fixierfederelement 20 zwischen dem Konturring 10 und der Fixierscheibe 19 gesichert ist, wobei die Fixierscheibe 19 zwischen dem Fixierfederelement 20 und dem nietkopfartigen Ende des Fixierkopf 18 ausgebildet ist. Der Konturring 10 ist somit aufgrund des Fixierfederelementes 20 axial bewegbar ausgebildet. In einer weiteren Variante ist das Mittelelement 16 hülsenförmig ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.febrotec.de [0019]
