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Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 02 591 A1 geht ein verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers hervor. Die Turbine weist einen verstellbaren Leitapparat auf. Der verstellbare Leitapparat umfasst einen Trägerring, an welchem eine Mehrzahl von Leitschaufeln verdrehbar gelagert positioniert sind. Die Leitschaufeln weisen jeweils ein erstes Leitschaufelende und ein zweites Leitschaufelende auf, wobei mindestens eine Leitschaufel einen Durchströmkanal aufweisend ausgebildet ist. Der Durchströmkanal ist sich entweder von einer Strömungsoberseite zu einer Strömungsunterseite der Leitschaufel, oder von dem ersten Leitschaufelende zum zweiten Leitschaufelende erstreckend ausgebildet. Ein Nachteil dieses offengelegten Gegenstandes ist, dass ein den Abgasführungsabschnitt und somit den verstellbaren Leitapparat durchströmendes Fluid, üblicherweise Abgas eine Verbrennungskraftmaschine, selbst in einer Schließposition des verstellbaren Leitapparates den Abgasführungsabschnitt über den verstellbaren Leitapparat durchströmen kann.
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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 einstellbar, wobei das Turbinenrad von dem verstellbaren Leitapparat weitestgehend umfassbar ausgebildet 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 die Turbine durchströmenden geringen Fluidmengen einen relativ hohen Druck stromauf des Turbinenrades zu erzeugen, so dass ein, selbst bei geringen Abgasmengen, hohes Druckgefälle am Turbinenrad erzielbar ist. Das heißt, dass mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates der effektive Wirkungsgrad der Turbine an den Betrieb der Brennkraftmaschine anpassbar ist.
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Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein verbesserter effektiver Wirkungsgrad der Turbine realisierbar und eine vollständige Schließbarkeit des verstellbaren Leitapparates ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. 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 einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, weist einen Trägerring mit am Trägerring verdrehbar gelagerten Leitschaufeln auf. Jeder Leitschaufel ist ein erstes Leitschaufelende und ein zweites Leitschaufelende zuordenbar. Mindestens eine Leitschaufel der üblicherweise Mehrzahl von Leitschaufeln ist einen Durchströmkanal mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung aufweisend ausgebildet, wobei die erste Öffnung an dem ersten Leitschaufelende ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich der verstellbare Leitapparat dadurch aus, dass die zweite Öffnung an einer Strömungsoberseite der Leitschaufel ausgebildet ist. Der Vorteil ist, dass somit Verwirbelungen, welche sich am zweiten Leitschaufelende ausbilden, wesentlich reduzierbar sind.
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Strömungsverluste entstehen unter anderem durch Verwirbelungen, welche sich unter bestimmten Strömungsbedingungen üblicherweise am zweiten Leitschaufelende der Leitschaufel ausbilden. Mit anderen Worten, wird ein Körper in einer Fluidströmung angeordnet, erfahren Stromfäden der Fluidströmung eine Umlenkung um den Körper, da eine Umströmung einer Körperkontur des Körpers erforderlich ist. Das bedeutet, dass die entsprechenden Stromfäden unterschiedliche Flächen des Körpers umströmen, in der Regel eine Strömungsoberseite des Körpers, eine Strömungsunterseite des Körpers und Seitenwände des Körpers. Je nach Positionierung des Körpers verändern sich Druck und Geschwindigkeit der Stromfäden, sodass auf der Strömungsoberseite andere Strömungseigenschaften vorherrschen als auf der Strömungsunterseite. Das bedeutet, dass an einem in Strömungsrichtung der Strömung ausgebildeten Körperende Stromfäden mit unterschiedlichen Strömungseigenschaften aufeinandertreffen, welche zu Verwirbelungen führen. Die Möglichkeit diese Verwirbelungen möglichst gering zu halten, besteht mit Hilfe der Leitschaufel des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates, denn der Teil der Fluidströmung, welcher mit Hilfe des Durchströmkanals durch die Leitschaufel strömbar ist, weist Strömungseigenschaften auf, welche in ihren Werten erfahrungsgemäß zwischen den Werten der Strömungseigenschaften der Strömungsoberseite und der Strömungseigenschaften der Strömungsunterseite liegen. Dies kann allerdings nur dann realisiert werden, sofern der Austritt der Fluidströmung aus dem Durchströmkanal auf der Strömungsoberseite der Leitschaufel angebracht ist, da, wird der Austritt bzw. die zweite Öffnung am zweiten Leitschaufelende positioniert, die austretende Fluidströmung die weitestgehend gleichen zumindest ähnlichen Strömungseigenschaften wie die Fluidströmung aufweist, welche über die Strömungsunterseite strömt.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der erfindungsgemäße verstellbare Leitapparat trotz der Reduzierung der Strömungsverluste vollständig verschließbar ist, da die zweite Öffnung an der Strömungsoberseite von der Strömungsunterseite der benachbart angeordneten Leitschaufel entweder überdeckt und somit verschlossen ist, sofern dies eine gesamte Länge der Leitschaufel erlaubt, oder, sofern eine nur geringe Überdeckung der Leitschaufelenden ausgebildet ist, ist die zweite Öffnung auf einer der ersten Öffnung entsprechenden Strömungsseite ausgebildet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass zwar eine Durchströmung des Durchströmkanals ermöglicht ist, da allerdings die erste Öffnung und die zweite Öffnung in der Schließposition beide stromauf der Strömungsunterseite positioniert sind, kann keine Durchströmung des verstellbaren Leitapparates erfolgen. Das Fluid kann nicht über den verstellbaren Leitapparat bzw. über die Leitschaufeln auf ein stromab der Leitschaufeln positioniertes Turbinenrad der Turbine strömen, bzw. dieses antreiben, da der effektive Strömungsquerschnitt vollständig verschlossen ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Öffnung an der Strömungsoberseite zwischen einer sich quer zu einer Skelettlinie erstreckenden Lagerachse der Leitschaufel und dem zweiten Leitschaufelende ausgebildet. Mit anderen Worten ist die zweite Öffnung an der Strömungsoberseite in einem hinteren Strömungsbereich ausgebildet, so kann eine weitere Reduzierung der Strömungsverluste insbesondere in einem vollständig geöffneten Zustand des verstellbaren Leitapparates herbeigeführt werden, da die Strömungseigenschaften des durch den Durchströmkanal strömenden Fluids in einem Bereich nahe der Strömungsunterseite der Strömung stromab der Leitschaufel zuführbar sind.
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Der Durchströmkanal weist idealerweise eine Längsachse auf, welche einer Geraden entsprechend ausgebildet ist, da einerseits dies einfach herzustellen ist und andererseits Strömungsverluste aufgrund von möglichen Umlenkungen im Durchströmkanal vermieden sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparates weist der Durchströmkanal einen variierenden Querschnitt auf, wobei besonders vorteilhaft der Querschnitt der ersten Öffnung größer ist als der Querschnitt der zweiten Öffnung. Dadurch erhöht sich eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Durchströmkanal, so dass eine Enthalpieerhöhung des Fluids zwischen den Leitschaufeln und dem Turbinenrad und somit eine weitere Steigerung des effektiven Wirkungsgrades der Turbine realisierbar ist.
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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 Vorderansicht einer Leitschaufel eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates; und
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2 einen Längsschnitt entlang einer Skelettlinie der Leitschaufel gem. 1.
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Ein nicht näher dargestellter erfindungsgemäßer verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, weist einen nicht näher dargestellten Trägerring auf, an welchem Leitschaufeln 1 bewegbar, insbesondere verdrehbar gelagert sind, wobei diese Leitschaufeln 1 gem. 1 ausgebildet sind. Der Abgasführungsabschnitt ist durchströmbar ausgestaltet und umfasst zur Durchströmung einen Einströmkanal, welcher unmittelbar oder mittelbar mit beispielsweise einem Austrittskanal einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, derart, dass eine Fluidmenge, in der Regel Abgas der Verbrennungskraftmaschine, in den Abgasführungsabschnitt einströmen kann. Stromab des Einströmkanals ist im Abgasführungsabschnitt ein Spiralkanal ausgebildet zur Konditionierung des durch den Abgasführungsabschnitt strömenden Fluids stromauf eines, im Abgasführungsabschnitt in einer nicht näher dargestellten Radkammer drehbar angeordneten nicht näher dargestellten Turbinenrades. Zwischen dem Spiralkanal und der Radkammer ist ein Zuströmkanal ausgebildet, welcher zur weiteren Konditionierung des Fluids die Leitschaufeln 1 des verstellbaren Leitapparats aufweist.
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Mindestens eine der Mehrzahl von am Trägerring drehbar gelagerten Leitschaufeln 1 ist gem. 1 ausgebildet. Die Leitschaufel 1 weist eine Welle 2 mit einer Drehachse 3 auf, mit deren Hilfe und um welche sie verdrehbar ist. Die Welle 2 ist teilweise im Trägerring verdrehbar gelagert, wobei ein langer Wellenabschnitt 4 im Trägerring 4 aufgenommen ist. Ein kurzer Wellenabschnitt 5, welcher an der Leitschaufel 1 vom langen Wellenabschnitt 4 abgewandt ausgebildet ist, dient einer Lagerung an einem nicht näher dargestellten Konturring des verstellbaren Leitapparates. Allerdings kann die Leitschaufel 1 auch ohne den zur Lagerung am Konturring kurzen Wellenabschnitt 5 ausgebildet sein, derart, dass eine Lagerung ausschließlich am Trägerring vorgesehen ist. Dies ist üblicherweise der Fall bei verstellbaren Leitapparaten, welche konturringlos ausgebildet sind. Das heißt, der erfindungsgemäße verstellbare Leitpparat kann einen Konturring aufweisend oder konturringlos ausgebildet sein.
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Zur optimalen Nutzung des durch den Abgasführungsabschnitt 2 strömenden Abgases ist im Abgasführungsabschnitt 2 der verstellbare Leitapparat 1 aufgenommen, mit Hilfe dessen die Anströmung des Turbinenrades durch das Abgas konditionierbar ist.
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Die gemäß 1 ausgebildete Leitschaufel 1 weist eine Skelettlinie 6 auf, welche sich in einer Symmetrieebene 7 der Leitschaufel 1 erstreckt. Die Leitschaufel 1 ist tragflächenfömig ausgebildet und weist eine Strömungsoberseite 8 und eine Strömungsunterseite 9 auf. Mit anderen Worten ist an der Strömungsoberseite 8 die Strömung oberhalb der Leitschaufel 1 und an der Strömungsunterseite 9 unterhalb der Leitschaufel 1 ausgebildet. Damit Abgas, welches durch den Zuströmkanal über die Leitschaufel 1 strömt, möglichst verlustlos auf das Turbinenrad strömen kann, ist eine Abdichtung 10 der Leitschaufel 1 an einer ersten Seitenfläche 11 und an einer zweiten Seitenfläche 12 der Leitschaufel 1 vorgesehen, wobei sich die Strömungsoberseite 8 und die Strömungsunterseite 9 jeweils zwischen der ersten Seitenfläche 11 und der zweiten Seitenfläche 12 erstreckend ausgebildet sind. Diese Abdichtungen 10 sind teller- bzw. tsbuaartig ausgebildet und einstückig mit der Leitschaufel 1 verbunden.
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Üblicherweise sind die Leitschaufeln 1 an dem Trägerring so positioniert, dass in einem geöffneten Zustand des verstellbaren Leitapparates ein erstes Leitschaufelende 13 dem Spiralkanal zugewandt positioniert ist, während ein zweites Leitschaufelende 14 dem Turbinenrad zugewandt ausgerichtet ist. Auch in einem geschlossenen Zustand des verstellbaren Leitapparates, in diesem Zustand sind die Leitschaufelenende 13, 14 überlappend positioniert, ist die grundsätzliche Ausrichtung der Leitschaufel 1 gewahrt. Das bedeutet, dass ausgehend von dem Spiralkanal sich die Strömung über das erste Leitschaufelende 13, welches somit gegen die Strömung gerichtet ist, über die Strömungsoberseite 8 und Strömungsunterseite 9 zum zweiten Leitschaufelende 14 ausbildet. Somit stellt das zweite Leitschaufelende 14 eine Strömungsabrisskante eines Strömungsfadens dar, an welcher es zu Verwirbelungen bei Leitschaufeln gemäß dem Stand der Technik kommt. Das erste Leitschaufelende 13 ist abgerundet ausgebildet, so dass eine strömungsgünstige Anströmung der Leitschaufel 1 erfolgen kann.
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Die Leitschaufel 1 des erfindungsgemäßen Leitapparates weist einen Durchströmkanal 15 auf, das heißt mit anderen Worten, die Leitschaufel 1 ist von dem den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluid durchströmbar. Zur Durchströmung ist eine erste Öffnung 16 des Durchströmkanals 15 an dem ersten Leitschaufelende 13 ausgebildet und eine zweite Öffnung 17 des Durchströmkanals 15 ist an der Strömungsoberseite 8 ausgebildet, wobei die zweite Öffnung 17 an der Strömungsoberseite 8 zwischen einer sich quer zu einer Skelettlinie 6 erstreckenden Lagerachse 18 der Leitschaufel 1, welche der Drehachse 3 der Welle 2 entspricht, und dem zweiten Leitschaufelende 14 ausgebildet ist.
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Der Durchströmkanal 15 weist eine Längsachse 19 auf, welche einer Geraden entsprechend ausgestaltet ist, wobei der Durchströmkanal 15 in der Symmetrieebene 7 der Leitschaufel ausgebildet ist.
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In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Durchströmkanal 15 einen über seine Längsachse 18 variierenden Querschnitt 20 auf, wobei der Querschnitt 20 der ersten Öffnung 16 größer ist als der Querschnitt 20 der zweiten Öffnung 17. Der Querschnitt 20 des Durchströmkanals 15 ist selbstverständlich nicht zwingend kreisförmig, sondern kann jede beliebige Querschnittsform annehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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