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Die Erfindung betrifft eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 6.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 696 04 154 T2 geht eine Turbine hervor, mit einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einem im Abgasführungsabschnitt drehbar aufgenommenen Turbinenrad. Der Abgasführungsabschnitt weist zur Durchströmung einen abschnittsweise unterschiedlich ausgebildeten Kanal auf. In einem Abschnitt des Kanals ist dieser Abschnitt zur Aufnahme des Turbinenrades als Radkammer ausgebildet. Diese Radkammer weist eine Radkammerwandung auf. Zwischen dieser Radkammerwandung und einer das Turbinenrad radial umhüllenden Hüllfläche ist ein Spalt ausgebildet. Dieser Spalt dient der Vermeidung einer Berührung des Turbinenrades und der Wandung der Radkammer im Betrieb der Turbine.
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Problematisch ist allerdings, dass von der Größe dieses Spaltes ein Wirkungsgrad der Turbine und somit deren Effektivität abängig ist. Das heißt, je größer dieser Spalt desto größer sind die Wirkungsgradeeinbußen, wohingegen bei einem zu geringen Spalt die Gefahr der Berührung des Turbinenrades mit der Radkammerwandung gesteigert ist.
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Die Lösung in der vorliegenden Offenlegungsschrift ist die Anbringung einer abreibbaren Dichtung. Das bedeutet, dass vor dem ersten Betrieb der Turbine der Spalt nahezu nicht vorhanden ist. Bereits mit der ersten Inbetriebnahme jedoch wird die Dichtung soweit abgerieben, dass eine mehr oder weniger berührungsfreie Lage zwischen dem Turbinenrad und der Radkammer ausgebildet ist. Problematisch ist hier allerdings, dass zwar ein sehr kleiner Spalt ausbildbar ist, welcher einen der Turbine entsprechenden Höchstwirkungsgrad realisieren lässt, dennoch dieser Spalt nicht über die Lebensdauer der Turbine erhalten bleibt.
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Dies liegt zum einen darin begründet, dass das Dichtmaterial einer Alterung unterliegt, welches nicht einer Alterung des Abgasführungsabschnitts entspricht und zum anderen darin, dass das Dichtmaterial nicht gezielt abreibbar ist. Das heißt, dass es zu partiellem Ausbrechen von Dichtmaterial kommen kann, wodurch eine starke Wirkungsgradeinbuße im Betrieb in Erscheinung tritt.
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Die Alterung des Dichtmaterials ist auch zu einem wesentlichen Teil auf große Temperaturschwankungen von die Turbine durchströmendem Abgas im Betrieb der Turbine zurückzuführen. Nicht minder bewirken diese Temperaturschwankungen Verzüge des Abgasführungsabschnitts, welche je nach Wahl des Dichtmaterials, die Dichtung selbst nicht oder in einem anderen Verhältnis aufweist, so dass es hier zu Brüchen im Bereich der Materialpaarungen von Abgasführungsabschnitt und Dichtung kommen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Turbine bereitzustellen, welche einen hohen Wirkungsgrad über die gesamte Lebensdauer der Turbine aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine 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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Zur Realisierung einer Turbine mit einem hohen Wirkungsgrad, welcher nicht nur temporär, sondern über nahezu die gesamte Lebensdauer der Turbine erzielbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Radkammerwandung einer Radkammer eines Abgasführungsabschnitts der Turbine mindestens im Bereich eines Spaltes, welcher zwischen einem in der Radkammer drehbar aufgenommenen Turbinenrad und der Radkammerwandung vorliegt, mit einer zahnartig ausgebildeten Kontur auszugestalten, wobei die Kontur der Radkammerwandung in einer Erstreckungsrichtung einer Drehachse des Turbinenrades ausgebildet ist.
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Mit Hilfe dieser zahnartig ausgebildeten Kontur ist es möglich den Spalt zwischen der Turbine und der Radkammerwandung gegenüber üblichen, dem Stand der Technik gemäßen Turbinen wesentlich zu verringern. Dieser verringerte Spalt führt zu einer Steigerung des Turbinenwirkungsgrades, da höhere Drücke stromauf des Turbinenrades erzielbar sind. Des Weiteren ist dieser gesteigerte Turbinenwirkungsgrad über nahezu die gesamte Lebensdauer der Turbine erzielbar, denn die zahnartig ausgebildete Kontur ist in der Radkammerwandung ausgebildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Kontur nicht beispielsweise in Form einer Beschichtung auf die Radkammerwandung aufgebracht wurde, somit zusätzlich unter Umständen sogar ein nichtmetallisches Material aufweisend ausgebildet ist, sondern mit der Radkammer einstückig ausgebildet ist. Diese einstückige Ausbildung kann durch spanlose oder spanabhebende Umformverfahren herbeigeführt werden, beispielsweise direkt beim Gießprozess mit Hilfe einer entsprechenden Gussform oder beispielsweise mit Hilfe eines Fräsverfahrens. Damit unterliegt die Radkammerwandung mit ihrer zahnartig ausgebildeten Kontur denselben Alterungsbedingungen, denen der Abgasführungsabschnitt und dementsprechend die Turbine unterliegt und eine vorzeitige Alterung oder Ablösung einer Schicht, wie im Stand der Technik, liegt hier nicht mehr vor.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist insbesondere bei einer zahnartig ausgebildeten Kontur, welche eine Mehrzahl von Zähnen aufweist, dass durch die in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Zähne eine quasi einer Labyrinthdichtung ähnlichen Abdichtung zwischen dem Überströmkanal und dem Austrittskanal herbeigeführt wird, welche zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine beiträgt.
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Sollte es dennoch aufgrund von minimalen Bewegungen des Turbinenrades oder aufgrund von Ausdehnungen des Abgasführungsabschnitts durch die starken Temperaturänderungen im Betrieb der Turbine beziehungsweise des Abgasturboladers zu Festkörperkontakten zwischen dem Turbinenrad und der Radkammerwandung kommen, liegen aufgrund der zahnartig ausgebildeten Kontur der Radkammerwandung ausschließlich punktuelle Berührungen vor. Im Gegensatz zu einer über einen größeren als den punktuellen Kontakt vorliegenden Berührung führen diese punktuellen Kontakte bzw. Berührungen nicht zu einem Verschleiß, da der Kontakt unmittelbar wieder lösbar ist. Dies ist bei einer größeren Flächenberührung nicht der Fall, denn diese kann unter Umständen zu einem so genannten Fressen und damit zum Versagen der Turbine und somit des Abgasturboladers führen.
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Somit ist eine Turbine ausgebildet, welche über einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Lebensdauer verfügt.
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Zur weiteren Steigerung des Turbinenwirkungsgrades ist ein Füllmaterial vorgesehen, welches zwischen nebeneinander angeordneten Zähnen der Kontur angeordnet ist. Dadurch kann aufgrund der weiteren Abdichtung mit Hilfe dieses Füllmaterials der Wirkungsgrad zusätzlich gesteigert werden, wobei das Füllmaterial, insbesondere ausgebildet aus Calciumcarbonat, bei einem möglichen Festkörperkontakt nicht die Tendenz eines Fressens aufweist, sondern bei einer Reibung des Turbinenrades an der Radkammerwandung eine sich auf- oder ablösende Neigung zur Verhinderung eines längeren Festkörperkontaktes aufweisen sollte.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbine weist diese einen verstellbaren Leitapparat auf mit einer Konturhülse, wobei die Radkammerwandung einer Konturhülsenwandung der Konturhülse entspricht. Hier liegt eine besonders einfach zu gestaltende Fertigung der zahnartig ausgebildeten Kontur der Radkammerwandung bzw. der Konturhülsenwandung vor. Die besondere Einfachheit liegt darin begründet, dass die Konturhülse als Einzelbauteil, also unabhängig vom Abgasführungsabschnitt herstellbar ist und somit eine einfachere Handhabung aufweist, da es sich um ein wesentlich kleineres Bauteil handelt. Generell sind aber auch hier spanlose oder spanabhebende Verfahren einsetzbar.
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Es ist hierbei unerheblich, ob es sich um einen verstellbaren Leitapparat handelt, welcher einen so genannten Axialschieber aufweist und dessen Gitterschaufeln im Allgemeinen unbewegbar im Überströmkanal des Abgasführungsabschnitts angeordnet sind oder ob es sich um einen so genannten „Drehschaufler” handelt, dessen Gitterschaufeln mit Hilfe von Schaufelwellen bewegbar im Überströmkanal positioniert sind. Beide Ausführungsprinzipien weisen eine Konturhülse auf, deren Konturhülsenwandung, bzw. die der Konturhülsenwandung entsprechenden Radkammerwandung, die zahnartig ausgebildete Kontur aufweisen kann, zur Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine.
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Die Erfindung betrifft ebenso einen Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer derartigen Turbine. Mit Hilfe der die oben genannten Vorteile aufweisenden Turbine kann ein Abgasturbolader realisiert werden, welcher sich aufgrund des gesteigerten Turbinenwirkungsgrades durch einen gesteigerten Gesamtwirkungsgrad über nahezu die gesamte Lebensdauer des Abgasturboladers auszeichnet. Mit diesem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ist besonders effektiv und kraftstoffreduzierend eine Verbrennungskraftmaschine betreibbar.
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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 Längsschnitt eines Abgasführungsabschnitts einer Turbine eines Abgasturboladers gem. dem Stand der Technik,
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2 einen Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts gem. 1,
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3 einen Ausschnitt eines Abgasführungsabschnitts einer erfindungsgemäßen Turbine eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
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4 den Ausschnitt gem. 3 mit möglichen Kontaktbereichen zwischen einem Turbinenrad der erfindungsgemäßen Turbine und einer Radkammerwandung der erfindungsgemäßen Turbine und
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5 einen Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts gem. 3 mit einer schematischen Darstellung einer Fertigung einer zahnartigen Kontur.
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Eine Turbine 2 eines Abgasturboladers 1 des Standes der Technik ist gemäß 1 aufgebaut. Der Abgasturbolader 1 weist einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 3 der Turbine 2 auf, welcher von einem Fluid, in der Regel von Abgas einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine, mit welcher der Abgasturbolader 1 verbunden ist, durchströmt wird. Dieser Abgasführungsabschnitt 3 umfasst eine Radkammer 4 zur Aufnahme eines Turbinenrades 5 der Turbine 2. Das Turbinenrad 5, aufweisend eine Drehachse 6 sowie auf einer Nabe 7 des Turbinenrades 5 unbewegbar angeordnete Radschaufeln 8, ist mit Hilfe einer Welle 9 drehfest mit einem nicht näher dargestellten Verdichterrad verbunden, welches drehbar in einer nicht näher dargestellten Radkammer eines nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitts verbunden ist.
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Das Turbinenrad 5 wird von Abgas beaufschlagt, wobei das Turbinenrad 5 eine Rotationsbewegung ausübt, und diese Rotationsbewegung wird mit Hilfe der drehfesten Verbindung mit dem nicht näher dargestellten Verdichterrad auf dieses übertragen, so dass das nicht näher dargestellte Verdichterrad Frischluft ansaugen kann, welche im nicht näher dargestellten Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
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Der Abgasführungsabschnitt 3 weist stromauf der Radkammer 4 einen Spiralkanal 10 auf. Zur Durchströmbarkeit des Abgasführungsabschnitts 3 weist dieser stromauf des Spiralkanals 10 einen nicht näher dargestellten Eintrittskanal, stromab des Spiralkanals 10 einen Überströmkanal 11 sowie einen stromab der Radkammer 4 ausgebildeten Austrittskanal 12 auf. Insgesamt weist somit der Abgasführungsabschnitt 3 zur Durchströmung einen abschnittsweise unterschiedlich ausgestalteten Kanal auf, welcher in einem ersten Abschnitt in Form des Eintrittskanals, in einem zweiten Abschnitt in Form des Spiralkanals 10, in einem dritten Abschnitt in Form des Überströmkanals 11, in einem vierten Abschnitt in Form der Radkammer 4 und in einem fünften Abschnitt in Form des Austrittskanals 12 ausgestaltet ist.
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Die Radkammer 4 weist eine Radkammerwandung 13 auf, welche dem Turbinenrad 5 gegenüberliegend ausgebildet ist. Zwischen der Radkammerwandung 13 und einer Hüllfläche 14 des Turbinenrades 5 ist im Bereich der von der Hüllfläche 14 umfassten Radschaufeln 8 ein Spalt 15 ausgebildet. Dieser Spalt 15 dient der Vermeidung einer Festkörperreibung zwischen dem Turbinenrad 5 und der Radkammerwandung 13. Zur Vermeidung der Festkörperreibung ist der Spalt 15 möglichst groß auszubilden, wohingegen er zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Turbine 2 möglichst klein ausgebildet sein sollte.
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Im Abgasführungsabschnitt 3 ist ein verstellbarer Leitapparat 16 zur Konditionierung des Abgases angeordnet. Der verstellbare Leitapparat 16 ist an einem Leitgitterring 18 gelagerte Gitterschaufeln 17 aufweisend ausgebildet, wobei die Gitterschaufeln 17 in dem Überströmkanal 11 verdrehbar angeordnet sind. Zur Verdrehbarkeit weist jede Gitterschaufel 17 eine Schaufelwelle 19 mit einer Schaufelwellenachse 20 auf.
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Des Weiteren weist der verstellbare Leitapparat 16 eine Konturhülse 21 auf, welcher dem Leitgitterring 18 gegenüberliegend angeordnet ist und in diesem Ausführungsbeispiel der Lagerung der Schaufelwelle 19 dient.
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Die Radkammerwandung 13 ist mit Hilfe der Konturhülse 21 ausgebildet, so dass eine dem Turbinenrad 5 zugewandt positionierte Konturhülsenwandung 22 der Radkammerwandung 13 entspricht. Ebenso könnte allerdings die Turbine auch als Turbine ohne einen verstellbaren Leitapparat ausgebildet sein. Dann wäre üblicherweise die Radkammerwandung 13 eine Wandung, welche mit dem Abgasführungsabschnitt 3 selbst ausgebildet ist.
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In 2 ist zur Verdeutlichung ein Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts 3 gem. 1 dargestellt. 3 zeigt einen Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts 3 einer erfindungsgemäßen Turbine 2. Die Radkammerwandung 13, hier in Form der Konturhülsenwandung 22 ausgebildet, weist in einem Längsschnitt entlang der Drehachse 6 eine zahnartig ausgebildete Kontur 23 mit Zähnen 24 auf. Die zahnartige Kontur 23 ist überwiegend in einem Bereich der Konturhülsenwandung 22 ausgebildet, welchem die Radschaufeln 8 des Turbinenrades 5 gegenüberliegen. Mit anderen Worten ist die zahnartige Kontur 23 überwiegend im Bereich des Spaltes 15 ausgebildet. Mit Hilfe dieser zahnartigen Kontur 23 ist eine Ausdehnung des Spaltes 15 in radialer Richtung reduzierbar, denn wie in 4 gezeigt, ergeben sich bei einem möglichen Kontakt zwischen dem Turbinenrad 5 und der Konturhülsenwandung 22 aufgrund der zahnartigen Kontur 23 wesentlich kleinere Kontaktbereiche 25, die in einer besonderen Ausführung punktartig ausgebildet sind.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen nebeneinander angeordneten Zähnen 24 der Kontur 23 ein Füllmaterial 26 vorgesehen, welches vorteilhafterweise aus Calciumcarbonat ausgebildet ist.
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5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung der zahnartig ausgebildeten Kontur 23 der Radkammerwandung 13 mit Hilfe eines Werkzeugs 27, bspw. in Form eines Drehmeißels. Die zahnartig ausgebildete Kontur 23 wird beispielsweise mit Hilfe eines Verfahrensprozesses, dem so genannten Schlichten in die Radkammerwandung 13 eingebracht. Ein damit erzeugtes Profil der Radkammerwandung 13 ist dann abhängig von einer Schneidgeometrie, einer Zustellung und einer Vorschubgeschwindigkeit. Es ist darauf hinzuweisen, dass die zahnartig ausgebildete Kontur 23 ebenso in Form einer so genannten „honeycomb” Struktur ausgebildet sein kann, wobei diese „honeycomb”-Struktur bevorzugt mit Hilfe eines Erodierverfahrens eingebracht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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