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Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verstellbaren Leitapparates gemäß dem Patentanspruch 7.
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Aus der Patentschrift
EP 1 642 009 B1 geht ein verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers hervor. Die Turbine weist einen verstellbaren Leitapparat, umfassend einen Trägerring, an welchem eine Mehrzahl von Leitschaufeln verdrehbar gelagert positioniert sind, auf, wobei der verstellbare Leitapparat in einem Abgasführungsabschnitt der Turbine ausgebildet ist. Dem Trägerring ist ein Konturring gegenüberliegend angeordnet, derart, dass zwischen dem Trägerring und dem Konturring die Leitschaufeln verdrehbar positionierbar sind. Zwischen den Leitschaufeln und an die Leitschaufeln angrenzenden Wandungen ist jeweils ein Funktionsspalt ausgebildet, welcher zur Bewegbarkeit der Leitschaufeln einer Verformung des Trägerrings als Folge einer thermischen Belastung Rechnung trägt.
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Der verstellbare Leitapparat ist vorgesehen zur Steigerung eines effektiven Wirkungsgrades der Turbine im Betrieb. Mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates ist ein effektiver Strömungsquerschnitt stromauf eines Turbinenrades der Turbine einstellbar, wobei das Turbinenrad von dem verstellbaren Leitapparat weitestgehend umfassbar in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts aufgenommen ist. Die Leitschaufeln sind jeweils an einer Leitschaufelwelle verdrehbar am Trägerring gelagert und sind synchron verstellbar. Das heißt, dass ein zwischen nebeneinander positionierten Leitschaufeln ausgebildeter Strömungsspalt in seiner radialen Erstreckung einstellbar ist. Somit besteht die Möglichkeit beispielsweise bei geringen, die Turbine durchströmenden Fluidmengen, in der Regel Abgas einer Brennkraftmaschine, einen relativ hohen Druck stromauf des Turbinenrades zu erzeugen, so dass ein, selbst bei geringen Abgasmengen, hohes Druckgefälle am Turbinenrad erzielbar ist. Somit ist mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates der effektive Wirkungsgrad der Turbine an den Betrieb der Brennkraftmaschine anpassbar ausgebildet.
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Es hat sich gezeigt, dass der verstellbare Leitapparat während des Betriebs des Abgasturboladers relativ hohen Temperaturen unterworfen wird, welche eine thermische Verformung des verstellbaren Leitapparates und insbesondere des Trägerrings und des Konturrings bewirken. Dabei kann es vorkommen, dass sich der Konturring und der Trägerring unterschiedlich von den Leitschaufeln und insbesondere unterschiedlich von dem Abgasführungsabschnitt verformen. Um ein Verklemmen der Leitschaufeln zu vermeiden, sind daher die entsprechenden Funktionsspalte zwischen den Leitschaufeln und dem Konturring und zwischen den Leitschaufeln und dem Trägerring vorgesehen. Über diese Funktionsspalte kann das den Strömungskanal durchströmende Abgas an den Leitschaufeln vorbei und so ungerichtet das Turbinenrad anströmen, was den effizienten Betrieb des Abgasturboladers beeinträchtigt.
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Es Ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verstellbaren Leitapparat der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine einen gesicherten, effizienteren Betrieb aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates aufweisend die Merkmale des Patentanspruchs 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solcher verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, weist einen Trägerring auf, mit einer Mehrzahl von am Trägerring verdrehbar gelagerten Leitschaufeln, sowie einen Konturring, welcher dem Trägerring axial gegenüberliegend koaxial angeordnet ist. Der Konturring und der Trägerring sind derart zueinander angeordnet, dass zwischen dem Trägerring und dem Konturring die Leitschaufeln verdrehbar positionierbar sind.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der verstellbare Leitapparat dadurch aus, dass der Konturring einen ersten Ringabschnitt und einen zweiten Ringabschnitt aufweist, welche relativ zueinander Bewegungen ausführbar ausgebildet sind. Durch die zueinander relativen Bewegungen des ersten Ringabschnitts und des zweiten Ringabschnitts ist es ermöglicht unterschiedlichen Ausdehnungen beider Abschnitte, welche aufgrund von unterschiedlichen örtlichen Temperaturen an und durch Wärmetransport in den einzelnen Abschnitten hervorgerufen werden, insofern Rechnung zu tragen, dass der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt weitestgehend unabhängig voneinander entsprechende Ausdehnungen durchführen können ohne eine wesentliche Deformation des verstellbaren Leitapparates hervorzurufen, die wiederum ihrerseits eine Funktionsuntüchtigkeit zur Folge haben könnte. Durch die Möglichkeit der relativen Bewegungen zueinander kann ein Verklemmen der Leitschaufeln infolge einer Deformation des Konturrings vermieden werden, so dass ein gesicherter Betrieb des verstellbaren Leitapparates auch bei hohen Temperaturen realisierbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass, da eine entsprechende Deformation im Betrieb der Turbine und somit im Betrieb des verstellbaren Leitapparates bei insbesondere sehr hohen Temperaturen nahezu ausgeschlossen ist, vorgehaltene Spaltbreiten von Funktionsspalten derart reduziert werden können, dass eine wesentliche Steigerung eines Turbinenwirkungsgrades der Turbine im Betrieb erzielbar ist.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates sind der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt in radialer Richtung zueinander bewegbar. Der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt sind koaxial zueinander ausgebildet. Im Betrieb des verstellbaren Leitapparates erfährt der erste Ringabschnitt, welcher im Bereich der Leitschaufeln ausgebildet ist, eine wesentlich höhere Temperatur des Strömungsmediums, im Allgemeinen Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, als der zweite Ringabschnitt, welcher im Bereich von Laufschaufeln des Turbinenrades ausgebildet ist. Dieser Temperaturunterschied ist thermodynamisch bedingt, da im Turbinenrad eine Expansion des Strömungsmediums stattfindet, welche eine Reduzierung des Druckes und ebenso eine Reduzierung der Temperatur mit sich bringt. Eine Ausdehnung des ersten Ringabschnittes sollte in radialer Richtung erfolgen, da, würde eine axiale Ausdehnung hervorgerufen werden, ein Verklemmen der Leitschaufeln ausgelöst würde. Dementsprechend sollte sich der zweite Ringabschnitt dieser bevorzugten Ausdehnungsrichtung anpassen, wie es mit Hilfe einer radialen Bewegbarkeit der beiden Bauteile zueinander ermöglicht ist.
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Vorzugsweise sind der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt getrennt voneinander ausgebildet Somit ist bereits eine konstruktive Trennung der beiden Ringabschnitte gegeben, sodass eine relative Bewegung der beiden Ringabschnitte zueinander einfach zu gestalten ist.
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Damit Strömungsvertuste vermeidbar sind weisen der erste Ringabschnitt eine erste Seitenwand und der zweite Ringabschnitt eine zweite Seitenwand auf, wobei die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand einander gegenüberliegend und komplementär sind, so dass ein zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand ausgebildeter Spalt vollständig verschließbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist ein Fixierungselement zur Fixierung der Ringabschnitte vorgesehen. Dieses Fixierungselement dient der Vermeidung einer axialen Bewegbarkeit der beiden Ringelemente zueinander, wobei zur sicheren Vermeidung dieser axialen Bewegbarkeit das Fixierungselement an einem der beiden Ringabschnitte unbewegbar angeordnet ist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Montage eines verstellbaren Leitapparates angegeben, wobei der verstellbare Leitapparat einen Konturring mit einem ersten Ringabschnitt, einem zweiten Ringabschnitt und einem Fixierungselement aufweist. In einem ersten Schritt werden der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt formschlüssig verbunden und in einem zweiten Schritt wird das Fixierungselement mit dem ersten Ringabschnitt oder dem zweiten Ringabschnitt unbewegbar verbunden. Die unbewegbare Verbindung kann dabei entweder stoffschlüssig, durch Schweißen, Kleben oder ähnliche Verfahren hergestellt werden, wobei allerdings auch eine formschlüssige Verbindung der beiden miteinander unbewegbar zu verbindenden Teile möglich ist. Die kraftschlüssigen, festen und somit passgenauen Verbindungen lassen sich mit Verfahren wie beispielsweise das Kaltdehnen oder Aufschrumpfen erzielen.
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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 eine Längsschnittansicht eines verstellbaren Leitapparates mit einem vom verstellbaren Leitapparat umfassend aufgenommenen Turbinenrad gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung einer Ausrichtung eines Konturrings des verstellbaren Leitapparates im Betrieb gem. dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Darstellung einer Ausrichtung eines Konturrings eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates im Betrieb;
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4 einen Ausschnitt einer Längsschnittansicht eines Konturrings des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates und
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5 eine Längsschnittansicht eines verstellbaren Leitapparates in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Ein verstellbarer Leitapparat 1 des Standes der Technik ist gemäß 1 ausgebildet. Der verstellbare Leitapparat 1 ist in einem nicht näher dargestellten Abgasführungsabschnitt einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine 2 für einen Abgasturbolader eines Personenkraftwagens, angeordnet. in dem nicht näher dargestellten Abgasführungsabschnitt ist eine Radkammer 3 ausgebildet, in welcher ein Turbinenrad 4 mit einer Drehachse 5 drehbar aufgenommen ist. Mit Hilfe einer drehfest mit dem Turbinenrad 4 verbundenen Welle 6 treibt das Turbinenrad 4 ein nicht näher dargestelltes Laufrad eines Verdichters des Abgasturboladers an. Das Turbinenrad 4 besitzt Laufschaufeln 7, denen Abgas über den das Turbinenrad 4 radial umfassenden verstellbaren Leitapparat 1 zugeführt wird. Der verstellbare Leitapparat 1 umfasst im Wesentlichen einen Trägerring 10, welcher eine Mehrzahl verdrehbar gelagerter Leitschaufeln 11 aufweist, sowie einen Konturring 12, welcher dem Trägerring 10 gegenüberliegend angeordnet ist, derart, dass zwischen dem Trägerring 10 und dem Konturring 12 die Leitschaufeln 11 verdrehbar positionierbar sind.
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Zwischen dem Trägerring 10 und der Mehrzahl von Leitschaufeln 11 ist ein erster Spalt 13 ausgebildet. Ebenso ist zwischen dem Konturring 12 und der Mehrzahl von Leitschaufeln 11 ein zweiter Spalt 14 ausgebildet. Zur Wahrung des ersten Spaltes 13 und des zweiten Spaltes 14, welche die Drehbarkeit der Leitschaufeln 11 sichern, sowie zur Abstandssicherung eines Spieles zwischen dem Konturring 12 und den Laufschaufeln 7 sind nicht näher dargestellte Distanzelemente vorgesehen, welche einenends am Trägerring 10 und anderenends an dem Konturring 12 aufgenommen sind.
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Der Konturring 12, im Abgasführungsabschnitt fixiert, bildet im Bereich des Turbinenrades 4 eine erste Kontur 15 der Radkammer 3. Diese erste Kontur 15 ist an eine zweite Kontur 16 der Laufschaufeln 7 angepasst ausgestaltet, derart, dass ein Minimalspalt zwischen der ersten Kontur 15 und der zweiten Kontur 16 ausgebildet ist, wobei dieser Minimalspalt den Anforderungen eines Verzugs des Konturrings 12, sowie einer Ausdehnung der Laufschaufeln 7 aufgrund der großen Temperaturänderungen im Abgasführungsabschnitt gerecht werden muss.
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In 2 ist eine Ausrichtung des Konturrings 12 des verstellbaren Leitapparates 1 gemäß dem Stand der Technik im Betrieb der Turbine 2 schematisch dargestellt. Ein im Bereich der Leitschaufeln 11 ausgebildeter erster Ringabschnitt 17 weist eine wesentlich höhere Temperatur im Betrieb der Turbine 2 auf als ein im Bereich der Laufschaufeln 7 ausgebildeter zweiter Ringabschnitt 18. Aus diesen unterschiedlichen Temperaturen im Konturring 12 resultiert ein Biegemoment.
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Dieses Biegemoment ist mit Hilfe einer in 2 eingezeichneten Ideallinie 19 erklärbar, wobei die Ideallinie 19 eine Ausrichtung entlang derer der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 positioniert sein sollten angibt, damit ein Verklemmen der Leitschaufeln auch bei hohen Betriebstemperaturen vermeidbar ist.
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Die Temperaturunterschiede im ersten Ringabschnitt 17 und im zweiten Ringabschnitt 18 führen zu einer axialen Verschiebung um einen Betrag a des Konturrings 12 in dem Bereich, in welchem der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 miteinander verbunden sind. Durch diese axiale Verschiebung in diesem Bereich weist der Konturring 12 sowohl im ersten Ringabschnitt 17 als auch im zweiten Ringabschnitt 18 eine kegelstumpfförmige Ausbildung auf. Der erste Ringabschnitt 17 ist gegenüber dem zweiten Ringabschnitt 18 nicht mehr rechtwinkelig positioniert. Dies führt zu einem Verklemmen der Leitschaufeln 11 sowie zu einem Anlaufen der Laufschaufeln 7 am zweiten Ringabschnitt 18.
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Eine ideale Ausrichtung des Konturrings 12 des verstellbaren Leitapparates 1 im Betrieb der Turbine 2 ist schematisch in 3 dargestellt. Die Ausrichtung des ersten Ringabschnitts 17 erstreckt sich entlang der Ideallinie 19, ebenso wie die Ausrichtung des zweiten Ringabschnitts 18.
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Diese Ausrichtung entlang der Ideallinie 19 ist erzielbar mit Hilfe des gemäß 4 ausgebildeten Konturrings 12. Der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 sind relativ zueinander bewegbar ausgebildet, wobei eine Bewegung ausschließlich in radialer Richtung erfolgen kann. Zur radialen Bewegbarkeit ist der erste Ringabschnitt 17 idealerweise getrennt vom zweiten Ringabschnitt 18 ausgebildet. Mit anderen Worten der Konturring 12 ist nicht mehr einstückig hergestellt, sondern weist den ersten Ringabschnitt 17 auf, welcher unabhängig vom zweiten Ringabschnitt 18 hergestellt ist. Zur Vermeidung von Spaltverlusten im Betrieb ist eine erste Seitenwand 20 des ersten Ringabschnitts 17 und eine zweite Seitenwand 21 des zweiten Ringabschnitts 18, wobei die erste Seitenwand 20 und die zweite Seitenwand 21 einander gegenüberliegend angeordnet sind, komplementär zueinander ausgebildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Seitenwände 20, 21 stufenförmig ausgestaltet, so dass der zweite Ringabschnitt 18 gegen eine axiale Verschiebung aufgrund einer formschlüssigen Verbindung des ersten Ringabschnitts 17 und des zweiten Ringabschnitts 18 gesichert ist. Zur Sicherung der axialen Unbewegbarkeit ist ein Fixierungselement 22 vorgesehen, welches einer Fixierung der beiden Ringabschnitte 17, 18 dient. Das Fixierungselement 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch Schweißen mit dem ersten Ringabschnitt 17 fest verbunden, mit anderen Worten heißt dies, es ist am ersten Ringabschnitt unbewegbar angeordnet.
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Zur Montage des Konturrings 12 werden in einem ersten Schritt der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 ineinander bzw. aufeinander oder auch zusammengesteckt, wobei die erste Seitenwand 20 der zweiten Seitenwand 21 gegenüberliegend zu positionieren ist und in einem zweiten Schritt wird das Fixierungselement 22 mit dem ersten Ringabschnitt 17 verschweißt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt eine Schrumpfverbindung zwischen dem ersten Ringabschnitt 17 und dem Fixierungselement 22, wobei entweder das Fixierungselement 22 vor dem Zusammenbau ausgedehnt wird, um sich bei Abkühlung passgenau auf dem ersten Ringabschnitt 17 zusammenzuziehen und die entsprechende feste Verbindung herzustellen oder indem der erste Ringabschnitt 17 vor dem Zusammenbau mit dem Fixierungselement 22 abgekühlt wird, um sich beim Erwärmen auszudehnen und somit die entsprechende passgenaue und feste Verbindung mit dem Fixierungselement 22 auszubilden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung einer Deformierung des Konturrings 12 ist die Ausbildung des Konturrings 12 in Form einer massiven Scheibe gem. 5. Eine Scheibendicke SD der Scheibe 12 erstreckt sich ausgehend von einer ersten Scheibenwand 23, welche den Leitschaufeln 11 gegenüberliegend angeordnet ist bis zu einer zweiten Scheibenwand 24 der Scheibe, welche parallel zur ersten Scheibenwand 23 und in einem Austrittsbereich 25 der Laufschaufeln 7 positioniert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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