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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 36 06 944 A1 geht eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers hervor. Die Regelvorrichtung ist zum Öffnen und Schließen eines Umgehungskanals im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar angeordneten Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts vorgesehen. Die Regelvorrichtung weist eine Bewegungsvorrichtung und ein Abdeckelement auf, wobei die Bewegungsvorrichtung zur Bewegung des Abdeckelementes vorgesehen ist. Mit Hilfe einer derartigen Regelvorrichtung ist es möglich in bestimmten Betriebspunkten des Abgasturboladers, insbesondere bei Betriebspunkten aufweisend große Strömungsmengen, das Turbinenrad vollständig oder teilweise zu umgehen, so dass ein effizienterer Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht ist.
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Das Abdeckelement der Regelvorrichtung bewirkt mit Hilfe einer Rotationsbewegung des Abdeckelementes um eine Rotationsachse des Abdeckelementes ein Öffnen oder Schließen eines Strömungsquerschnittes des Umgehungskanals, wobei das Öffnen oder Schließen an einer Einmündung des Umgehungskanals in einen Austrittskanal des Abgasführungsabschnitts erfolgt. Der Austrittskanal ist stromab des Turbinenrades, bzw. der Radkammer im Abgasführungsabschnitt vorgesehen und dient dem Austritt des durch den Abgasführungsabschnitt strömenden Fluids. Der Umgehungskanal selbst weist eine Eintrittsöffnung stromauf der Radkammer und eine Austrittsöffnung stromab der Radkammer auf, das heißt, da der Umgehungskanal in den Austrittskanal einmündet, ist die Austrittsöffnung des Umgehungskanals stromab der Radkammer angeordnet.
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Die Rotationsachse des Abdeckelementes ist koaxial zum Austrittskanal angeordnet, wobei das Abdeckelement den Austrittskanal teilweise oder vollständig umfassend ausgebildet ist. Somit ist die Rotationsachse außerhalb des Umgehungskanals angeordnet. Da das Abdeckelement den Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals verschließbar ausgebildet ist, bedeutet dies, dass ein Rotationsradius des Abdeckelementes zum Öffnen oder Schließen des Umgehungskanals einem Austrittskanalradius des Austrittskanals entspricht. Üblicherweise ist der Austrittskanalradius größer ausgebildet als ein Umgehungskanalradius, da größere Fluidmengen den Austrittskanal durchströmen müssen als den Umgehungskanal. Somit bedeutet dies, dass das Öffnen oder Schließen des Strömungsquerschnitts innerhalb einer bestimmten Zeit, einer Einstelldauer, erfolgt, welche abhängig vom Austrittskanalradius ist. Das Abdeckelement selbst führt relativ zum Strömungsquerschnitt eine translatorische Bewegung durch.
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Grundsätzlich hat die Einstelldauer des Strömungsquerschnitts Auswirkungen auf den Betrieb der Turbine, insbesondere bei einer Kopplung eines die Turbine aufweisenden Abgasturboladers mit einer Verbrennungskraftmaschine, welche grundsätzlich Lastwechsel und häufig schnellen Lastwechsel unterworfen ist und somit die Einstelldauer des Strömungsquerschnitts den Anforderungen der Verbrennungskraftmaschine anzupassen ist.
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Ein weiterer Nachteil des offenbarten Abdeckelementes ist in der Positionierung des Abdeckelementes zu sehen. Das Abdeckelement der Regelvorrichtung in Strömungsrichtung betrachtet ist an einem Austritt des Umgehungskanals positioniert ist und kann somit die Austrittsöffnung des Umgehungskanals öffnen oder schließen. Diese Positionierung weist den Nachteil einer Reduzierung eines Turbinenwirkungsgrades auf, denn der Umgehungskanal füllt sich auch bei geschlossenem Umgehungskanal bis zum Abdeckelement mit dem Fluid. Diese Fluidmenge steht somit dem Turbinenrad zum Antrieb desselben nicht mehr zur Verfügung, so dass eine Reduzierung des Turbinenwirkungsgrades erwirkt ist.
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Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine bereitzustellen, welche innerhalb einer kürzesten Zeit eine sichere Einstellung des Strömungsquerschnitts herbeiführt. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine anzugeben, mit dessen Hilfe eine sichere und schnelle Einstellung des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit Hilfe eines Abgasführungsabschnitts einer Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Abdeckelement der Regelvorrichtung gegenüber dem Strömungsquerschnitt eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse des Abdeckelementes im Umgehungskanal durchführbar ausgestaltet, wobei die Rotationsachse den Umgehungskanal durchdringend ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Abdeckelement im Umgehungskanal positioniert ist, dessen Strömungsquerschnitt mit Hilfe des Abdeckelementes zu öffnen oder zu schließen ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Abdeckelement aufgrund der Rotation um seine Rotationsachse innerhalb des Umgehungskanals einen Wirkradius aufweist, welcher im Wesentlichen einem Radius des Umgehungskanals entspricht. Da dieser Wirkradius kleiner ist als ein Austrittskanalradius eines Austrittskanals eines Abgasführungsabschnitts, ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung, dass im Gegensatz zum Abdeckelement des Standes der Technik das Abdeckelement der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung wesentlich schneller in eine gewünschte Position zu bringen ist, somit positionierbar ist.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist eine Schließfläche des Abdeckelements zum Schließen des Strömungsquerschnitts weitestgehend parallel zur Rotationsachse ausgestaltet, wobei die Rotationsachse weitestgehend lotrecht zum Umgehungskanal ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Schließfläche aufgrund eines den Umgehungskanal durchströmenden Fluids, welches üblicherweise den Umgehungskanal senkrecht zum Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals durchströmt, in einem geschlossenen Zustand, somit in einer Schließposition des Abdeckelementes durch des Fluid gegen einen Ventilsitz, welcher in dem Umgehungskanal ausgebildet ist, gedrückt werden kann. Somit ist der Strömungsquerschnitt strömungsdicht verschließbar durch das Abdeckelement.
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In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist das Abdeckelement mindestens abschnittsweise hülsenartig ausgestaltet. Da das Abdeckelement nicht vollständig in Form einer Hülse bzw. eines Zylinders oder Hohlzylinders ausgebildet ist, ist das Abdeckelement massereduziert ausgestaltet, so dass geringere Kräfte zur Bewegung des Abdeckelementes erforderlich sind.
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Das Abdeckelement ist zur weiteren Massereduzierung mindestens teilweise schalenartig ausgestaltet. Insbesondere ist die schalenartige Ausgestaltung des Abdeckelementes derart, dass in der Schließposition das Abdeckelement in Strömungsrichtung konkav ausgebildet ist. Das bedeutet, dass eine Aufprallfläche des Abdeckelementes, welche insbesondere in der Schließposition dem Fluid gegenüberstehend ist, in Strömungsrichtung konkav geformt ist. Dies hat den Vorteil, dass in der Schließposition das Fluid aufgrund der konkaven Ausbildung in Strömungsrichtung im Abdeckelement aufgenommen wird und aufgrund einer parabolischen Reflexion einer durch das Fluid initiierten Dichtkraft, welche über die Aufprallfläche auf die Schließfläche übertragbar ist, wesentlich gesteigert ist.
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Zur Stabilisierung des Abdeckelementes weist dieses einen Steg auf, wobei der Steg sich in Richtung der Rotationsachse erstreckend ausgebildet ist. Dieser Steg verhindert eine Ausstülpung, das heißt eine Deformation des Abdeckelementes, insbesondere im Betrieb der Regelvorrichtung bei hohen Temperaturgradienten des Fluids, und dient der Betriebssicherheit der Regelvorrichtung.
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In einer besonderen Ausgestaltung des Abdeckelementes ist eine Aufprallfläche des Abdeckelementes eine translatorische Bewegung des Abdeckelementes entlang der Rotationsachse realisierbar ausgebildet ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Aufprallfläche, auf welche das Fluid trifft, derart ausgestaltet ist, dass aufgrund einer auf die Aufprallfläche wirkenden Fluidkraft eine geradlinige Bewegung des Abdeckelementes entlang seiner Rotationsachse realisierbar ist. Somit sind Minimalspalte, welche zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Abdeckelement aufgrund seiner Bewegbarkeit in Verbindung mit seiner Lagerung im Abgasführungsabschnitt ausgebildet sind, bei Beaufschlagung des Abdeckelementes durch das Fluid mindestens reduzierbar.
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In einer bevorzugten und einfach herzustellenden Weise ist das Abdeckelement mit Hilfe einer Welle der Regelvorrichtung bewegbar. Die Welle ist ein Element der Bewegungsvorrichtung, wobei eine Wellenrotationsachse koaxial zur Rotationsachse des Abdeckelementes ausgebildet ist. Somit ist eine einfache Bewegungsinitiation des Abdeckelementes herbeiführbar, die einem sicheren Betrieb der Regelvorrichtung dient.
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Vorteilhafterweise ist in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zur Lagerung derselben in einem Abgasführungsabschnitt am Abdeckelement ein kugelartiges Lagerelement ausgebildet. Mit Hilfe dieses kugelförmigen Lagerelementes ist eine einfache und sichere Lagerung der Regelvorrichtung gewährleistet. Mit Hilfe des kugelförmigen Lagerelementes ist ein Verzug der Regelvorrichtung, insbesondere des Abdeckelementes in radialer und axialer Erstreckung, welche eine Verformung der Regelvorrichtung und insbesondere des Abdeckelementes bedeuten, kompensierbar. Mit dieser Ausgestaltung ist eine betriebssichere und funktionstüchtige Lagerung der Regelvorrichtung realisierbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Abdeckelement und/oder zumindest teilweise die Bewegungsvorrichtung aus einem keramischen Material ausgebildet. Die Regelvorrichtung, insbesondere das Abdeckelement, ist im Betrieb Temperaturschwankungen ausgesetzt, welche einen hohen Temperaturgradienten aufweisen, wobei sehr hohe absolute Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C üblicherweise auftreten. Keramisches Material ist ein besonders temperaturbeständiges Material, so dass Bauteile, gefertigt aus diesem Material, hochtemperaturfest sind und geringe bzw. je nach Temperatur auch keine Deformationen aufweisen. Somit ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung, welche aus keramischem Material hergestellt ist, besonders betriebssicher.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine, wobei eine Regelvorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Umgehungskanals im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt zur Umgehung einer Radkammer im Abgasführungsabschnitt vorgesehen ist. Die Regelvorrichtung weist ein Abdeckelement zum Öffnen oder Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals auf. Die Regelvorrichtung ist erfindungsgemäß entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet. Der Vorteil ist eine schnelle und sichere Einstellung der Regelvorrichtung, so dass insbesondere in einem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen Abgasturbolader mit einem erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt aufweist, eine schnelle Anpassung des Betriebs des Abgasturboladers an den Bedarf der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt ist. Hierdurch ergibt sich vorteilhafterweise aufgrund der schnellen Anpassung an den Bedarf der Verbrennungskraftmaschine eine Reduzierung des Kraftstoffbedarfs und damit eine Reduzierung von Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Abgasführungsabschnitt eine überwiegend zylinderartig ausgebildete Öffnung mit einer Längsachse zur Aufnahme der Regelvorrichtung auf. In der Öffnung ist die Regelvorrichtung rotierbar aufnehmbar. Insbesondere weist eine Querschnittsfläche der Öffnung zumindest im Bereich eines Abdeckelementes der Regelvorrichtung eine ellipsenartige Kontur auf. Der Vorteil dieser ellipsenartigen Kontur der Querschnittsfläche der Öffnung ist darin begründet, dass zum einen in der Schließposition der Regelvorrichtung, das Abdeckelement, insbesondere seine Schließfläche, ein vollständiger Kontakt mit dem Ventilsitz aufnehmbar ausgebildet ist und zum anderen aufgrund der ellipsenartigen Kontur ausreichend Platz zur Änderung der Position aus der Schließposition in eine Öffnungsposition ist. Hier sei angemerkt, dass nicht nur eine Öffnungsposition einstellbar ist, sondern zahlreiche Öffnungspositionen zwischen der Schließposition und einer vollständigen Öffnungsposition, in welcher der Strömungsquerschnitt durch das Abdeckelement maximal freigegeben ist.
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Mit Hilfe der ellipsenförmigen Kontur ist sichergestellt, dass ein Verklemmen des Abdeckelementes im Strömungsquerschnitt auch bei Verzügen aufgrund der hohen Temperaturen sowie der Temperaturschwankungen vermeidbar ist.
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Zur gesicherten Bewegbarkeit der Regelvorrichtung ist im Abgasführungsabschnitt zur Lagerung der Regelvorrichtung ein sphärisch ausgebildetes Aufnahmeelement ausgebildet, wobei das Aufnahmeelement einstückig oder mehrstückig mit dem Abgasführungsabschnitt ausgebildet sein kann. Insbesondere vorteilhaft ist eine komplementäre Ausbildung des Aufnahmeelementes und des Lagerelementes der Regelvorrichtung. Durch die sphärische Ausbildung des Aufnahmeelementes kann ein Verklemmen der Regelvorrichtung vermieden werden, wodurch ein sicherer Betrieb der den Abgasführungsabschnitt aufweisenden Turbine realisiert ist.
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Neben bekannten stangengeführten Bewegungsvorrichtungen zur Bewegung des Abdeckelementes ist es vorteilhaft ein elektronisches Aktivierungselement vorzusehen, wobei das Aktivierungselement in einem aus einem keramischen Material ausgebildeten Gehäuse angeordnet ist. Mit Hilfe von stangengeführten Bewegungsvorrichtungen ist eine lineare Bewegung des Abdeckelementes herbeizuführen, wohingegen vorteilhafterweise mit einem elektronischen Aktivierungselement beliebige Bewegungen des Abdeckelementes realisierbar sind. Das elektronische Aktivierungselement ist vorteilhafterweise direkt an der Welle der Regelvorrichtung anzubringen, sodass aufgrund der direkten Verbindung zwischen Welle und elektronischem Aktivierungselement neben einer Verschleißverringerung auch eine wesentliche Bauraumreduzierung erreichbar ist. Idealerweise ist eine thermische Trennung zwischen der Welle und dem elektronischen Aktivierungselement ausgebildet, wobei das elektronische Aktivierungselement bevorzugt von dem keramischen Gehäuse ummantelt ist.
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Eine weitere Entkopplungsmöglichkeit eines Wärmeeintrages aus dem fluiddurchströmten Umgehungskanal in das elektronische Aktivierungselement besteht in einer Anordnung keramischer Lager. Dabei kann sowohl das Aufnahmeelement als auch des Lagerelement aus einem keramischen Material ausgebildet sein, als auch ein Lager im Bereich der Welle. Das keramische Material sollte bevorzugt einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wie das Material des Abgasführungsabschnitts.
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Vorteilhafterweise kann auch ein Aktuator gewählt werden, welcher im Vergleich zu den üblichen Aktuatoren einen wesentlich geringeren Bauraum aufweist, da lediglich Kräfte zur Rotationsbewegung des Abdeckelementes im Umgehungskanal notwendig sind. Zu überwindende Reibungskräfte aufgrund einer Gleitreibung oder zu überwindende Gaskräfte des Fluids sind aufgrund der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung vernachlässigbar klein, so dass nahezu nur die Rotationsbewegung des Abdeckelementes zu initiieren ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Abdeckelement in einem Eintrittsbereich des Umgehungskanals positionierbar, so dass der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals stromauf der Radkammer mit Hilfe des Abdeckelementes einstellbar ist. Somit ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts sichergestellt, dass auch in einem geschlossenen Zustand des Umgehungskanals das Fluid das Turbinenrad anströmt, und somit auch antreibt, und dass ein Auffüllen des Umgehungskanals mit dem Fluid in geschlossenem Zustand des Umgehungskanals unterbleibt. Durch die Positionierung des Abdeckelementes stromauf der Radkammer ist eine Steigerung des Turbinenwirkungsgrades gegenüber dem Turbinenwirkungsgrad bei einer Positionierung des Abdeckelementes stromab der Radkammer erzielbar.
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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 in einer perspektivischen Ansicht einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung;
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2 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung;
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3 einen Querschnitt des Abgasführungsabschnitts gem. 1 mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung in einer Schließposition;
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4 einen Querschnitt des Abgasführungsabschnitts gem. 1 mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung in einer Öffnungsposition;
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5 eine perspektivische Ansicht eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt;
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6 in einer perspektivischen Ansicht einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung mit einem elektronisch ausgebildeten Aktivierungselement.
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Ein gemäß 1 ausgebildeter erfindungsgemäßer durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 1 einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine eines Abgasturboladers, umfasst einen Eintrittskanal 3 zum Eintritt einer Fluidströmung in den Abgasführungsabschnitt 1, im Allgemeinen Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, einen nicht näher dargestellten Spiralkanal stromab des Eintrittskanals 3 zur Konditionierung der Strömung und einen Austrittskanal 4 stromab des Spiralkanals, über welchen das Abgas aus dem Abgasführungsabschnitt 1 gezielt entweichen kann. Zwischen dem Spiralkanal und dem Austrittskanal 4 ist eine nicht näher dargestellte Radkammer ausgebildet, in welcher ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist.
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Zur Anpassung eines Betriebsverhaltens der Turbine 2 an die Fluidströmung ist im Abgasführungsabschnitt 1 eine Regelvorrichtung 5 zum Öffnen oder Schließen eines Umgehungskanals 6 im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 1 zur Umgehung der Radkammer im Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehen. Der Umgehungskanal 6 weist eine Eintrittsöffnung 7 mit einem Strömungsquerschnitt 8 auf, wobei die Eintrittsöffnung 7 mit Hilfe der Regelvorrichtung 5 vollständig oder teilweise verschließbar ist bzw. vollständig oder teilweise geöffnet werden kann. Entsprechend einer Positionierung der Regelvorrichtung 5 ist es möglich dass die Fluidströmung an der Radkammer und somit an dem in der Radkammer drehbar aufgenommenen Turbinenrad vollständig oder teilweise anströmt, bzw. vollständig oder nur teilweise an dem in der Radkammer drehbar aufgenommenen Turbinenrad vorbei strömt.
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Ein Abdeckelement 9 der Regelvorrichtung 5 ist in dem Umgehungskanal 6, und somit im Abgasführungsabschnitt 1, verdrehbar aufgenommen, wobei das Abdeckelement 9 um eine Rotationsachse 10 des Abdeckelements 9 rotierbar im Umgehungskanal 6 und somit im Abgasführungsabschnitt 1 gelagert ist. Das heißt mit anderen Worten, das Abdeckelement 9 ist eine Rotationsbewegung im Abgasführungsabschnitt 1 ausführbar aufgenommen, wobei mit Hilfe der Rotationsbewegung der Strömungsquerschnitt 8 der Eintrittsöffnung 7 einstellbar ist.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 5 weist zur rotatorischen Bewegung des Abdeckelements 9 eine Welle 11 auf, welche mit dem Abdeckelement 9 drehfest verbunden ist, so dass das Abdeckelement 9 mit Hilfe der Welle 11 bewegbar ist, wobei die Rotationsachse 10 des Abdeckelementes 9 einer Rotationsachse der Welle 11 entspricht.
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Zur rotatorischen Bewegbarkeit des Abdeckelementes 9 und somit der Regelvorrichtung 5 ist im Abgasführungsabschnitt 1 eine zylinderartig ausgebildete Öffnung 12 mit einer Längsachse 13 ausgestaltet, in welcher die Regelvorrichtung 5 rotierbar aufnehmbar ist. Die Öffnung 12 ist quasi senkrecht zu einer Eintrittsachse 14 der Eintrittsöffnung 7 in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet. Allerdings könnte die Längsachse 13 auch in einem von 90° abweichend ausgebildeten Winkel zur Eintrittsachse 14 im Abgasführungsabschnitt 1 vorliegen.
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Das Abdeckelement 9 ist gegenüber dem Strömungsquerschnitt 8 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 10 im Umgehungskanal 6 durchführbar ausgestaltet, wobei die Rotationsachse 10 den Umgehungskanal 6 durchdringend positioniert ist.
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Das gemäß den 1 und 2 ausgebildete Abdeckelement 9 der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung 5 ist mindestens abschnittsweise hülsenartig ausgestaltet. Die abschnittsweise hülsenartige Ausgestaltung ist dabei so zu verstehen, dass ein wesentlicher Grundkörper 16 des Abdeckelementes 9 ein Ausschnitt einer rotationssymmetrischen Hülse ist, wobei die Rotationsachse der Hülse der Rotationsachse 10 entspricht. Der wesentliche Grundkörper 16 weist eine äußere Mantelfläche 17 auf, im weiteren als Schließfläche benannt, da mit Hilfe dieser Schließfläche 17 der Strömungsquerschnitt 8 verschließbar ist.
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Die Schließfläche 17 des Abdeckelements 9 ist parallel zur Rotationsachse 10 ausgestaltet, wobei die Rotationsachse 10 lotrecht zum Umgehungskanal 6 ausgebildet ist.
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Das Abdeckelement 9 weist eine Aufprallfläche 18 auf, welche in einem Abstand einer Dicke D des Abdeckelementes zur Schließfläche 17 angeordnet ist. In einem Querschnitt des Abdeckelementes 9, s. 3 und 4, ist erkennbar, dass die Dicke D des wesentlichen Grundkörpers 16 nicht über dem Umfang des Abdeckelementes 9 konstant ist, sondern dass die Dicke D ausgehend von einer Symmetrieachse des wesentlichen Grundkörpers 16, welche koaxial mit der Rotationsachse 10 ausgebildet ist, ausgehend von einem Zentrum des wesentlichen Grundkörpers 16 in Richtung einer ersten äußeren Kante 19 des wesentlichen Grundkörpers 16 und einer zweiten äußeren Kante 20 des wesentlichen Grundkörpers 16 abnehmend ist. In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dicke D über dem Umfang des Abdeckelementes 9 konstant.
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Zur axialen Strömungsabgrenzung weist das Abdeckelement 9 an seinem wesentlichen Grundkörper 16 ein erstes Deckelelement 21 und ein zweites Deckelelement 22 auf, wobei des erste Deckelelement 21 an einem ersten Ende des Grundkörpers 16 und das zweite Deckelelement 22 an einem zweiten Ende des wesentlichen Grundkörpers 16 angeordnet sind, derart, dass der wesentliche Grundkörper 16 zwischen dem ersten Deckelelement 21 und dem zweiten Deckelelement 22 angeordnet ist.
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Die Aufprallfläche 18 ist mit einer ersten Deckelwandung 23 des ersten Deckelelementes 21 und mit einer zweiten Deckelwandung 24 des zweiten Deckelelementes 22 derart verbunden, dass eine strömungsdichte schalenartige Kontur des Abdeckelementes 9 ausgebildet ist. Diese schalenartige Kontur ist somit zum einen in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung ausgebildet. Zur Stabilisierung der schalenartigen Kontur und somit zur Stabilisierung des Abdeckelementes 9 ist ein Steg 25 sich in Richtung der Rotationsachse 10 erstreckend ausgebildet, welcher mit der Aufprallfläche 18 und den Deckelwandungen 23, 24 fest verbunden ist.
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In 3 ist in einem Längsschnitt des Umgehungskanals 6 die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 5 in einer Schließposition dargestellt, wobei in dieser Schließposition die Eintrittsöffnung 7 bzw. der Strömungsquerschnitt 8 vollständig geschlossen ist und in dieser Schließposition das Abdeckelement 9 in Strömungsrichtung 26 konkav ausgebildet ist, sodass des Fluid auf die Aufprallfläche 18 auftreffen kann und dadurch die Schließfläche 17 gegen einen Ventilsitz 27 der Öffnung 12 drückt.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 5 in einer Öffnungsposition, wobei hier die Eintrittsöffnung 7 geöffnet ist. Diese Position entspricht einer vollständigen Öffnung der Eintrittsöffnung 7 mit Hilfe des Abdeckelementes 9. Der Strömungsquerschnitt 8 im Bereich des Abdeckelementes 9 ist in dieser Position maximal ausgebildet. Dies bedeutet, dass ausgehend von der Schließposition, in welcher die Eintrittsöffnung vollständig geschlossen ist, bis zur maximalen Öffnung des freien Strömungsquerschnitts 8 eine maximale Drehbarkeit von 90° des Abdeckelementes 9 im Abgasführungsabschnitt 1 herbeiführbar sein muss.
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Eine Querschnittsfläche 28 der Öffnung 12, welche in einem Winkel von 90° zur Längsachse 13 ausgebildet ist, weist zumindest im Bereich des Abdeckelementes 9 eine ellipsenartige Kontur 29 auf. Diese ellipsenartige Kontur 29 dient einer ungehinderten Bewegbarkeit des Abdeckelementes 9 auch bei einem möglichen Verzug aufgrund hoher Temperaturen bzw. großer Temperaturgradienten. Die Längsachse 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel koaxial mit der Drehachse 10 und die Eintrittsachse 14 schneidend ausgebildet. Allerdings könnte die Längsachse 13 auch beabstandet von der Drehachse 10 und/oder beabstandet von der Eintrittsachse 14 ausgebildet sein.
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Die Regelvorrichtung 5 weist zur Lagerung im Abgasführungsabschnitt 1 ein kugelartiges Lagerelement 30 auf, welches an der zweiten Deckelwandung 24 angeordnet ist. Dieses Lagerelement 30 ist in einem sphärisch ausgebildeten Aufnahmeelement 31 des Abgasführungsabschnitts 1 positioniert, wobei das Lagerelement 30 und das Aufnahmeelement 31 komplementär ausgebildet sind.
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Das Aufnahmeelement 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweistückig mit dem Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildet, da es aus einem keramischen Material hergestellt ist, wodurch eine Verringerung eines Reibungsverlustes sowie eine Reduzierung eines Wärmeeintrags ausgehend von dem Abgasführungsabschnitt 1 in das Abdeckelement 9 herbeigeführt wird.
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Ein gemäß 5 ausgebildeter Abgasführungsabschnitt 1 der Turbine 2 weist eine stangengeführte Bewegungsvorrichtung 32 der Regelvorrichtung 5 auf. Dabei ist an der Welle 11, an ihrem vom Abdeckelement 9 abgewandt ausgebildeten Ende, eine erste Stange 33 vorgesehen, welche mit einer zweiten Stange 34 bewegbar verbunden ist. Mit Hilfe der stangengesteuerten Bewegungsvorrichtung ist eine Drehbewegung des Abdeckelementes 9 erzielbar.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts 1 ist die Bewegungsvorrichtung 32 elektronisch ausgebildet, wobei ein elektronischer Aktuator 35 vorgesehen ist. Idealerweise ist der elektronische Aktuator 35 direkt und somit bauraumsparend an der Welle 11 anzubringen und somit mit dieser direkt verbunden. Das heißt eine Drehbewegung des elektronischen Aktuators 35 ist direkt, ohne Zwischenschaltung weiterer Bauteile, auf die Welle 11 und somit auf das Abdeckelement 9 übertragbar.
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Zum Schutz vor einem den elektronischen Aktuator 35 negativ beeinflussenden Wärmeeintrag durch einen Wärmeübergang vom Abgasführungsabschnitt 1 über Lager der Regelvorrichtung 5 sowie zum Schutz vor einem Wärmeübergang aufgrund einer Wärmestrahlung des Abgasführungsabschnitts 1 sind die Teile der Regelvorrichtung 5, insbesondere das Abdeckelement 9, das Lagerelement 30, die Welle 11, das Aufnahmeelement 31 sowie ein Gehäuse 36 zur Ummantelung des elektronischen Aktuators 35 aus einem keramischen Material ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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