DE102012211417A1 - Guide vane arrangement for exhaust gas supercharger in internal combustion engine of motor car, has sleeve-like spacing element arranged coaxial to vane bearing pins and holding guide vane carrier rings at spacing to cover disk - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel-Anordnung, insbesondere für einen Abgasturbolader, sowie einen Abgasturbolader mit einer solchen Leitschaufel-Anordnung. The present invention relates to a guide vane arrangement, in particular for an exhaust gas turbocharger, and to an exhaust gas turbocharger with such a vane arrangement.
Bekanntlich bestehen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen aus zwei Strömungsmaschinen: Zum einen aus einer Turbine, zum anderen aus einem Verdichter. Die Turbine nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters, welcher Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft den Zylindern der Brennkraftmaschine zuführt. Wegen des üblicherweise sehr hohen Drehzahlbereichs der Brennkraftmaschine ist eine Regelung des Abgasturboladers erforderlich, um einen möglichst konstanten Ladedruck in einem möglichst großen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine sicherzustellen. Hierfür sind Lösungen bekannt, gemäß welchen ein Teil des Abgasstromes mittels eines Bypass-Kanals um die Turbine herumgeführt wird. Eine energetisch günstigere Lösung ermöglicht aber die sogenannte variable Turbinengeometrie, bei der das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit jeweils das gesamte Abgas genutzt werden kann. Eine solche variable Turbinengeometrie ist in herkömmlicher Weise mittels verstellbarer Leitschaufeln realisiert, mittels welcher der gewünschte durch den Abgasturbolader strömende Abgasstrom variabel eingestellt werden kann. Zum Verstellen der Leitschaufeln sind dabei verschiedene Verstellmechanismen bekannt. As is known, exhaust gas turbochargers for internal combustion engines consist of two turbomachines: on the one hand from a turbine, on the other hand from a compressor. The turbine uses the energy contained in the exhaust gas to drive the compressor, which sucks in fresh air and supplies pre-compressed air to the cylinders of the internal combustion engine. Because of the usually very high speed range of the internal combustion engine, a control of the exhaust gas turbocharger is required to ensure the highest possible boost pressure in the largest possible speed range of the internal combustion engine. For this purpose, solutions are known, according to which a part of the exhaust gas stream is guided around the turbine by means of a bypass channel. However, an energetically more favorable solution allows the so-called variable turbine geometry, in which the Aufstauverhalten the turbine continuously changed and thus each of the entire exhaust gas can be used. Such a variable turbine geometry is realized in a conventional manner by means of adjustable guide vanes, by means of which the desired exhaust gas flow flowing through the exhaust gas turbocharger can be variably adjusted. To adjust the vanes different adjustment mechanisms are known.
Die Leitschaufeln sind dabei üblicherweise zwischen einem Leitschaufelträgerring und einer von diesem beabstandeten Deckscheibe angeordnet, wobei in herkömmlicher Weise durch Verwendung von Abstandselementen sichergestellt wird, dass ein für die Freibewegung der Leitschaufel erforderlicher Mindestabstand zwischen dem Leitschaufelträgerring und der Deckscheibe sichergestellt ist. Solche Abstandselemente sind auf herkömmlicher Weise beispielsweise in Form von Stiften, von in den Leitschaufelträgerring eingeschraubten Bolzen oder in der Form von sogenannten Leitelementen realisiert. The guide vanes are usually arranged between a guide vane support ring and a cover plate spaced therefrom, whereby conventionally, by using spacer elements, it is ensured that a minimum distance required between the vane support ring and the cover plate for free movement of the vane is ensured. Such spacers are realized in a conventional manner, for example in the form of pins, of bolts screwed into the guide blade carrier ring or in the form of so-called guide elements.
Derartige herkömmliche Abstandselemente sind jedoch üblicherweise stromaufwärts der verstellbaren Turbinengeometrie angeordnet und beeinflussen damit die Zuströmung des Abgases zu den Leitschaufeln. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Abstandselemente besteht darin, dass deren Positionierbarkeit in dem Abgasturbolader räumlich stark eingeschränkt ist und ein solches herkömmliches Abstandselement somit nicht für alle einstellbaren Leitschaufel-Positionen der verstellbaren Leitschaufeln optimal platziert werden kann. However, such conventional spacer elements are usually arranged upstream of the variable turbine geometry and thus influence the inflow of the exhaust gas to the guide vanes. Another disadvantage of conventional spacer elements is that their positionability in the exhaust gas turbocharger is greatly limited in space and thus such a conventional spacer element can not be optimally placed for all adjustable vane positions of the adjustable guide vanes.
Die
Die
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Leitschaufel-Anordnung anzugeben, bei der oben genannte Probleme beseitigt oder zumindest reduziert sind.It is an object of the present invention to provide an improved embodiment for a vane arrangement in which the aforementioned problems are eliminated or at least reduced.
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The above object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, Abstandshalterelemente zum Fixieren eines Abstandes zwischen einem Leitschaufelträgerring und einer Deckescheibe koaxial zu Schaufellagerzapfen von Leitschaufeln und damit äußerst strömungsgünstig anzuordnen. Die Deckscheibe muss nicht zwingend scheibenartig sein. Das Turbinengehäuse/Verdichtergehäuse kann auch als Deckfläche für die Leitschaufeln dienen. Die Leitschaufel-Anordnung, insbesondere für einen Abgasturbolader, verfügt dabei über drehbar über einen jeweiligen Schaufellagerzapfen am Leitschaufelträgerring gelagerten Leitschaufeln. Die Leitschaufel-Anordnung weist des Weiteren die axial zum Leitschaufelträgerring beabstandete Deckscheibe auf, wobei die Leitschaufeln zwischen der Deckscheibe und dem Leitschaufelträgerring angeordnet sind. Erfindungsgemäß umfasst die Leitschaufel-Anordnung ferner zumindest ein hülsenartiges Abstandselement, welches koaxial zum Schaufellagerzapfen angeordnet ist und den Leitschaufelträgerring auf Abstand zur Deckscheibe hält. Die erfindungsgemäße Leitschaufel-Anordnung macht die Bereitstellung von Abstandselementen stromauf der verstellbaren Turbinengeometrie überflüssig, so dass unerwünschte negative Strömungseffekte aufgrund solcher herkömmlicher, stromauf der verstellbaren Turbinengeometrie angeordneter Abstandselemente vermieden werden können. Zudem ergibt sich mittels der erfindungsgemäßen Leitschaufel-Anordnung für alle möglichen Leitschaufel-Positionen der verstellbaren Leitschaufeln eine bessere Anströmung der Leitschaufeln und damit des Turbinenrads des Abgasturboladers. The invention is based on the general idea spacer spacers for fixing a distance between a Leitschaufelträgerring and a cover disc coaxial with the blade bearing journal of vanes and thus extremely streamlined to arrange. The cover disc does not necessarily have to be disc-like. The turbine housing / compressor housing can also serve as a cover surface for the guide vanes. The guide vane arrangement, in particular for an exhaust-gas turbocharger, has guide vanes rotatably mounted on a respective vane-bearing journal on the vane-supporting ring. The vane assembly further includes the cover plate axially spaced from the vane support ring, wherein the vanes are disposed between the cover plate and the vane support ring. According to the invention, the vane arrangement further comprises at least one sleeve-like spacer element which is arranged coaxially to the vane journal and holds the vane support ring at a distance from the cover disk. The vane arrangement of the present invention eliminates the need to provide risers upstream of the adjustable turbine geometry so that undesirable negative flow effects due to such conventional spacing elements disposed upstream of the variable turbine geometry can be avoided. In addition, results by means of the guide vane arrangement according to the invention for all possible Guide vane positions of the adjustable vanes better flow of the vanes and thus the turbine wheel of the exhaust gas turbocharger.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Abstandselement zwei gegenüberliegende Längsschlitze aufweisen, die von einem Leitschaufelblatt in radialer Richtung durchgriffen sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Leitschaufelträgerring wie gewünscht auf Abstand zur Deckscheibe gehalten wird und dass auch die zum Einstellen des durch den Abgasturbolader strömenden Abgasstromes erforderliche Drehbarkeit der Leitschaufeln in dem Abgasturbolader gewährleistet bleibt.In a preferred embodiment, the spacer element may have two opposite longitudinal slots, which are penetrated by a guide blade in the radial direction. In this way it can be ensured that the Leitschaufelträgerring is kept as desired at a distance from the cover plate and that also ensures the adjustment of the exhaust gas turbocharger flowing exhaust stream required rotation of the vanes in the exhaust gas turbocharger.
In zwei zueinander alternativen, weiterbildenden Ausführungsformen kann das Abstandselement entweder jeweils stirnseitig an der Deckscheibe und am Leitschaufelträgerring anliegen oder stirnseitig in eine Ausnehmung an der Deckscheibe und/oder am Leitschaufelträgerring eingreifen. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und mechanisch stabile Fixierung des Abstandselements an der Deckscheibe bzw. am Leitschaufelträgerring realisiert. In two mutually alternative, further developing embodiments, the spacer element can either abut each end face of the cover plate and the guide vane support ring or engage the end face in a recess on the cover plate and / or the vane support ring. In this way, a particularly simple and mechanically stable fixation of the spacer element on the cover plate or on the guide vane support ring is realized.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Leitschaufelblatt einen in radialer Richtung im Wesentlichen in dem Abstandselement angeordneten Mittelabschnitt umfassen, welcher radial nach außen jeweils in einen ersten und zweiten Außenabschnitt übergeht, so dass die beiden Außenabschnitte jeweils ein erstes und zweites Schaufelelement ausbilden, wobei die beiden Schaufelelemente außerhalb des Abstandselements angeordnet sind und sich in der axialen Richtung über den Längsschlitz hinweg entlang des Abstandselements erstrecken. Auf diese Weise lässt sich eine besonders platzsparende und damit räumlich kompakte Anordnung der Leitschaufeln relativ zu dem Abstandselement realisieren.In a particularly preferred embodiment, the vane blade may comprise a central portion substantially radially disposed in the spacer, which merges radially outwardly into first and second outer portions, respectively, such that the two outer portions respectively form first and second vane members Blade elements are arranged outside of the spacer element and extend in the axial direction over the longitudinal slot along the spacer element. In this way, a particularly space-saving and thus spatially compact arrangement of the guide vanes relative to the spacer can be realized.
Um einen unerwünschten Leckagestrom von Abgas im Bereich zwischen einem der beiden Schaufelblätter und der Außenumfangsfläche des Hülsenelements zu vermeiden, können der erste und zweite Außenabschnitt der Leitschaufel jeweils eine Innenumfangsfläche mit einer zu der Außenumfangsfläche des Abstandselements komplementären Innenumfangskontur aufweisen. In order to avoid an undesirable leakage flow of exhaust gas in the region between one of the two airfoils and the outer peripheral surface of the sleeve element, the first and second outer sections of the guide vanes may each have an inner peripheral surface with an inner peripheral contour that is complementary to the outer peripheral surface of the spacer element.
Um den oben erwähnten Leckagestrom weiter zu minimieren, kann in einer weiterbildenden Ausführungsform daran gedacht sein, dass die Innenumfangsfläche der beiden Außenabschnitte jeweils wenigstens teilweise an der Außenumfangsfläche des Abstandselements anliegt.In order to further minimize the above-mentioned leakage flow, it may be considered in a further embodiment that the inner circumferential surface of the two outer sections at least partially abuts against the outer circumferential surface of the spacer element.
In einer dazu alternativen Ausführungsform, welche eine besonders leichtgängige Drehbewegung der Leitschaufel relativ zu dem Leitschaufelträgerring ermöglicht, kann die Innenumfangsfläche der beiden Außenabschnitte beabstandet zu der Außenumfangsfläche des Abstandselements angeordnet sein. Um einen gewünschten maximalen Drehwinkel der Leitschaufeln relativ zu dem Leitschaufelträgerring sicherzustellen, kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform daran gedacht sein, dass die Längsschlitze in Umfangsrichtung so groß bemessen sind, dass ein anschlagfreies Verdrehen der Leitschaufeln zwischen einer vollkommen geöffneten und einer vollkommen geschlossenen Stellung möglich ist.In an alternative embodiment, which allows a particularly smooth rotational movement of the vane relative to the vane support ring, the inner peripheral surface of the two outer portions may be spaced from the outer peripheral surface of the spacer. In order to ensure a desired maximum angle of rotation of the guide vanes relative to the vane support ring, in a particularly preferred embodiment, it may be contemplated that the longitudinal slots are circumferentially sized so as to permit non-impact rotation of the vanes between fully open and fully closed positions ,
In einer technisch besonders einfach herzustellen und damit auch kostengünstigen Ausführungsform kann das zumindest eine Abstandselement mit der Deckscheibe oder/und mit dem Leitschaufelträgerring drehfest verbunden, insbesondere verschweißt, verklebt oder verstemmt, sein. Auf diese Weise ist eine besonders mechanisch stabile Fixierung der Deckscheibe relativ zu dem Leitschaufelträgerring mittels des Abstandselements realisierbar.In a technically particularly easy to manufacture and thus cost-effective embodiment, the at least one spacer element with the cover plate and / or rotatably connected to the guide vane support ring, in particular welded, glued or caulked, be. In this way, a particularly mechanically stable fixation of the cover plate relative to the guide vane support ring by means of the spacer element can be realized.
Die Erfindung betrifft ferner einen Abgasturbolader mit einer Leitschaufel-Anordnung mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Merkmale.The invention further relates to an exhaust gas turbocharger with a vane arrangement having one or more of the aforementioned features.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description.
Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:
In der
In der
Der Darstellung der
In der grobschematischen Darstellung der
Betrachtet man nun wieder die Darstellungen der
Das Abstandselement
Die erfindungsgemäße Leitschaufel-Anordnung
In der Darstellung der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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