DE102013002192A1

DE102013002192A1 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102013002192A1
Application number: DE201310002192
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem von Abgas durchströmbaren Turbinengehäuse (12), in welchem ein Turbinenrad (18) aufgenommen ist, mit wenigstens einem stromauf des Turbinenrads (18) angeordneten Leitelement (32) zum Ablenken des Abgases, und mit wenigstens einem Abdeckelement (38), welches in axialer Richtung des Turbinenrads (18) relativ zum Leitelement (32) zwischen einer zumindest einen Teilbereich des Leitelements (32) überdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung verschiebbar ist, wobei wenigstens ein sich in axialer Richtung erstreckender und in radialer Richtung einerseits von dem Abdeckelement (38) und andererseits von dem Leitelement (32) in der Schließstellung begrenzter Spalt (49) zwischen dem Leitelement (32) und dem Abdeckelement (38) eine bezogen auf die axiale Richtung variierende, radiale Erstreckung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader ist der DE 10 2009 006 278 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein von Abgas durchströmbares Turbinengehäuse, in welchem ein Turbinenrad aufgenommen ist. Ferner umfasst die Turbine wenigstens ein stromauf des Turbinenrads angeordnetes Leitelement zum Ablenken des Abgases. Hierdurch kann das Turbinenrad besonders strömungsgünstig von dem Abgas angeströmt werden, so dass das Abgas das Turbinenrad effizient antreiben kann.
Darüber hinaus ist ein Abdeckelement vorgesehen, welches in axialer Richtung des Turbinenrads relativ zum Leitelement zwischen einer zumindest einen Teilbereich des Leitelements überdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung verschiebbar ist. Das Abdeckelement wird üblicherweise auch als Axialschieber oder als Matrize bezeichnet und weist wenigstens eine mit dem Leitelement korrespondierende Aufnahme auf. Dabei ist zumindest der Teilbereich in der Schließstellung in der Aufnahme aufgenommen und demzufolge mittels des Abdeckelements überdeckt, wobei der Teilbereich in der Offenstellung freigegeben ist. Vorliegend ist der Teilbereich in der Schließstellung sowohl auf einer dem Turbinenrad zugewandten Seite des Leitelements als auch auf einer dem Turbinenrad abgewandten Seite des Leitelements durch das Abdeckelement abgedeckt.
Während des Betriebs der Turbine kommt es zur Beaufschlagung des Leitelements und des Abdeckelements mit Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Das Abgas kann dabei sehr hohe Temperaturen aufweisen. Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Ottomotor ausgebildet, so kann es zu Abgastemperaturen von 1000°C und mehr kommen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auch bei hohen Abgastemperaturen eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit aufweist.
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.
Um eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auch bei sehr hohen Abgastemperaturen eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein sich in axialer Richtung erstreckender und in radialer Richtung einerseits von dem Abdeckelement und andererseits von dem Leitelement in der Schließstellung begrenzter Spalt zwischen dem Leitelement und dem Abdeckelement eine bezogen auf die axiale Richtung variierende, radiale Erstreckung aufweist. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die radiale Erstreckung des Spalts in eine Bewegungsrichtung, in welche das Abdeckelement aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegbar ist, zunimmt.
Bei dem Spalt handelt es sich um einen sogenannten Funktionsspalt, welcher vorgesehen ist, um beispielsweise aus einem Verhaken und/oder Verklemmen des Abdeckelements mit dem Leitelement resultierende Fehlfunktion vermeiden zu können. Wäre der Spalt hinsichtlich seiner radialen Erstreckung besonders groß, so könnte die Gefahr einer solchen Fehlfunktion besonders gering gehalten werden. Jedoch würde es dann zu sogenannten Leckageströmungen kommen, über die das Abgas das Leitelement umgehen könnte. Das das Leitelement umgehende Abgas würde somit nicht oder nur sehr geringfügig durch das Leitelement abgelenkt werden und würde in der Folge das Turbinenrad nur ungünstig anströmen. Um solche Leckageströme zu vermeiden oder besonders gering zu halten, ist eine nur sehr geringe radiale Erstreckung des Spalts anzustreben. Jedoch würde eine solche nur geringe radiale Erstreckung zu einer Erhöhung der Gefahr führen, dass Fehlfunktionen auftreten können.
Dieser Zielkonflikt kann bei der erfindungsgemäßen Turbine zumindest teilweise aufgelöst werden. Aufgrund der variierenden, radialen Erstreckung des Spalts ist es einerseits möglich, das Abdeckelement auch in der Schließstellung in einem hinreichend großen und durch den Spalt gebildeten Abstand anzuordnen, um die Gefahr von Fehlfunktionen auch bei sehr hohen Abgastemperaturen besonders gering zu halten. Gleichzeitig können jedoch Leckageströme vermieden oder zumindest gering gehalten werden, so dass das Abgas das Leitelement nicht oder nur sehr geringfügig umgehen kann. Dies bedeutet, dass das Leitelement zumindest einen sehr großen Teil des Abgases ablenken kann, so dass das Abgas das Turbinenrad strömungsgünstig anströmen und dadurch antreiben kann.
Der Erfindung liegen die Erkenntnis und die Idee zugrunde, dass sich durch starke Druck- und Temperaturänderungen im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine besondere Sensibilitäten hinsichtlich erforderlicher Geometrie-Toleranzen von relativ zum Turbinengehäuse bewegbaren Variabilitäten ergeben. Um die Funktionsfähigkeit einer solchen Variabilität in Form des Abdeckelements zum variablen Einstellen eines das Abgas ablenkenden Leitbereichs des Leitelements durch thermische und meist asymmetrisch wirkende Verzüge bei nicht zu vernachlässigenden Gasdruckänderungen und damit einhergehenden inneren Kräftespannungen zu gewährleisten, ist eine an diese Gegebenheiten angepasste Geometrietoleranz in Form der variierenden, radialen Erstreckung des Spalts vorgesehen. Somit kann die Verschiebung des Abdeckelements in zumindest nahezu allen Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine ohne Verhaken und ohne das Entstehen einer übermäßigen Reibung relativ zum Leitelement gewährleistet werden.
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.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein Diagramm, auf dessen Abszisse eine Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine aufgetragen ist und auf dessen Ordinate ein von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbares Drehmoment aufgetragen ist;
3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische und teilweise geschnittene Draufsicht eines Leitgitters und eines Abdeckelements der Turbine sowie eine Schnittansicht einer Leitschaufelt des Leitgitters und des Abdeckelements entlang einer in 4 gezeigten Schnittlinie A-A;
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Dickenverlaufs der Leitschaufel des Leitgitters;
6 eine schematische Draufsicht der Leitschaufel; und
7 eine schematische Schnittansicht der Leitschaufel und des Abdeckelements.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, von welchem in 1 eine Gehäusewandung 14 erkennbar ist. Das Turbinengehäuse 12 weist einen Aufnahmeraum 16 auf, in welchem ein Turbinenrad 18 aufgenommen ist. Das Turbinenrad 18 ist dabei um eine Drehachse 20 relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar.
Das Turbinengehäuse 12 weist wenigstens einen in 1 nur ausschnittsweise erkennbaren Abgaskanal 22 auf, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist und dazu dient, das Abgas zum Turbinenrad 18 zu leiten. Das das Turbinenrad 18 anströmende Abgas treibt das Turbinenrad 18 um die Drehachse 20 an.
Das Turbinengehäuse 12 weist auch eine Gehäusekontur 24 auf, welche insbesondere dazu dient, das vom Turbinenrad 18 abströmende Abgas in einem Turbinenradaustrittsbereich 26 strömungsgünstig zu führen. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist in der Gehäusekontur 24 eine Abblaseöffnung 28 vorgesehen, über welche zumindest ein Teil des Abgases das Turbinenrad 18 umgehen kann.
In Strömungsrichtung des Abgases durch das Turbinengehäuse 12 ist stromauf des Turbinenrads 18 ein Leitgitter 30 angeordnet, welches stromauf des Turbinenrads 18 angeordnete Leitelemente in Form von Leitschaufeln 32 umfasst. Diese mehreren Leitschaufeln 32 sind in Umfangsrichtung des Turbinenrads 18 über dessen Umfang verteilt angeordnet, wobei von den Leitschaufeln 32 eine Leitschaufel 32 in 1 erkennbar ist. Die Leitschaufeln 32 dienen dabei dazu, das Abgas abzulenken, so dass das Abgas das Turbinenrad 18 strömungsgünstig anströmen und dadurch effizient antreiben kann. Das zuvor und im Folgenden zur Leitschaufel 32 Gesagte kann auch auf die anderweitigen Leitschaufeln 32 übertragen werden.
Die Leitschaufel 32 ist an einem Träger 34 des Leitgitters 30 angeordnet, wobei das Leitgitter 30 über den Träger 34 am Turbinengehäuse 12 gehalten ist. Mit 36 ist eine sogenannte Wurzel der Leitschaufel 32 bezeichnet. Wie aus 1 erkennbar ist, erstreckt sich die Leitschaufel 32 ausgehend von ihrer Wurzel 36 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, d. h. entlang der Drehachse 20 von dem Träger 34 weg.
Die Turbine 10 umfasst auch ein Abdeckelement in Form eines Axialschiebers 38, welcher – wie in 1 durch einen Doppelpfeil 40 angedeutet ist – in axialer Richtung, d. h. entlang der Drehachse 20 relativ zum Turbinengehäuse 12 und relativ zur Leitschaufel 32 verschiebbar ist. Der Axialschieber 38 weist eine axial verschiebbare Matrize 42 mit einer Aufnahme in Form einer Matrizenöffnung 44 auf. Der Axialschieber 38 und somit die Matrize 42 sind in einem mit Verstellbereich bzw. über den Verstellbereich verschiebbar.
Der Axialschieber 38 ist dabei zwischen einer Schließstellung und mehreren Offenstellungen verschiebbar. Durch Verschieben des Axialschiebers 38 kann ein Bereich der Leitschaufel 32, welcher mittels des Axialschiebers 38 überdeckt ist, variable eingestellt werden. Mit anderen Worten ist in der Schließstellung zumindest ein Teilbereich der Leitschaufel 32 mittels des Axialschiebers 38 überdeckt, wobei der Teilbereich in der Offenstellung freigegeben ist.
Eine durch Verschieben des Axialschiebers 38 variabel einstellbare, freigegebene und somit vom Abgas umströmbare Erstreckung der Leitschaufel 32 wird in 1 als Schaufelhöhe x bezeichnet. Mit x_min ist dabei eine minimale Schaufelhöhe bezeichnet, welche in der Schließstellung des Axialschiebers 38 eingestellt ist. Die minimale Schaufelhöhe x_min kann zumindest im Wesentlichen 0 betragen. Wie aus 1 erkennbar ist, ist es jedoch vorgesehen, dass die minimale Schaufelhöhe x_min größer als 0 ist. Dies bedeutet, dass auch in der Schließstellung des Axialschiebers 38 ein Teilbereich der Leitschaufel 32 freigegeben ist, wobei der freigegebene Teilbereich von Abgas umströmbar ist und demzufolge das Abgas entsprechend ablenken bzw. umleiten kann.
In 1 ist mit x_s eine Schaufelhöhe bezeichnet, welche in einer Zwischenstellung des Axialschiebers 38 zwischen der Schließstellung und einer die maximale Schaufelhöhe bewirkenden, maximalen Offenstellung freigegeben ist. Die Schaufelhöhe x korrespondiert somit mit einem Verstellweg des Axialschiebers 38, über welchen der Axialschieber 38 einstellbar ist. Mit 46 ist in 1 ein sogenannter Mund der Matrizenöffnung 44 bezeichnet.
Wie aus 1 ferner zu erkennen ist, umfasst die variabel einstellbare Schaufelhöhe x einen ersten Teilbereich 48 der Leitschaufel 32. In axialer Erstreckungsrichtung der Leitschaufel 32 schließt sich zum Träger 34 hin an den ersten Teilbereich 48 ein zweiter Teilbereich 50 der Leitschaufel 32. Der Teilbereich 50 ist dabei stets freigegeben. Dies bedeutet, dass der Teilbereich 50 auch in der Schließstellung des Axialschiebers 38 freigegeben ist und demzufolge von Abgas umströmt wird und das Abgas ablenken kann.
Der zweite Teilbereich 50 der relativ zum Turbinengehäuse 12 festen, d. h. unbewegbaren Leitschaufel 32 weist gegenüber dem ersten Teilbereich 48 eine größere radiale Erstreckung auf. Dadurch ist eine sogenannte Leitschaufelstufe oder Leitschaufelkante 52 gebildet. Die Leitschaufelkante 52 stellt einen Anschlag dar, mit welchem der Axialschieber 38 in seiner Schließstellung in Stützanlage kommt. Dies bedeutet, dass der Axialschieber 38 in seiner Schließstellung mit der Leitschaufel 32, d. h. mit der Leitschaufelkante 52 in axialer Richtung in Kontakt steht. Die die minimale Schaufelhöhe x_min bewirkende Schließstellung des Axialschiebers 38 stellt somit eine Anschlagposition dar.
Wie aus 1 erkennbar ist, ist die Leitschaufel 32 mittels des Axialschiebers 38 zumindest in dessen Schließstellung sowohl auf einer dem Turbinenrad 18 abgewandten Seite 54 als auch auf einer dem Turbinenrad 18 zugewandten Seite 56 überdeckbar bzw. überdeckt. Somit ist ein in Umfangsrichtung der Leitschaufel 32 umlaufender Spalt zwischen der Leitschaufel 32 und dem Axialschieber 38 vorgesehen, welcher als Schaufelspalt H bezeichnet ist und welcher sich in axialer Richtung sowie in radialer Richtung erstreckt. Der Schaufelspalt H ist dabei in radialer Richtung durch den Axialschieber 38 und durch die Leitschaufel 32 begrenzt.
In der Schließstellung ist dabei ein sogenannter Nullspalt vorgesehen. Dies bedeutet, dass der Axialschieber 38 in der Schließstellung teilweise in radialer Richtung mit der Leitschaufel 32 in Kontakt steht, so dass dort der Schaufelspalt H zumindest im Wesentlichen 0 ist.
Aus 1 ist ferner erkennbar, dass der Schaufelspalt H eine bezogen auf die axiale Richtung variierende, radiale Erstreckung aufweist. Dabei nimmt die radiale Erstreckung des Schaufelspalts H in eine Bewegungsrichtung, in welche der Axialschieber 38 aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegbar ist, zu. Diese Bewegungsrichtung verläuft bezogen auf die Bildebene von 1 von links nach rechts. Somit wird der Schaufelspalt H zwischen der Leitschaufel 32 und dem Axialschieber 38 von links nach rechts größer. Dies ist vorliegend dadurch realisiert, dass die Leitschaufel 32 zumindest im Wesentlichen konisch ausgebildet ist. Mit anderen Worten verjüngt sich die Leitschaufel 32 in die genannte Bewegungsrichtung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass sich die Matrizenöffnung 44 entlang der geschilderten Bewegungsrichtung erweitert. Darüber hinaus ist in 1 mit D_T ein Durchmesser des Turbinenrads 18 bezeichnet.
Mittels der variierenden, radialen Erstreckung des Schaufelspalts H kann einerseits die Gefahr eines Verklemmens sowie einer übermäßig hohen Reibung zwischen dem Axialschieber 38 und der Leitschaufel 32 besonders gering gehalten oder vermieden werden. Andererseits können auch Leckageströme gering gehalten werden, was zu einem effizienten Betrieb der Turbine 10 führt.
Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist vorzugsweise auch zu berücksichtigen, dass durch starke Strömungsbeschleunigungen des Abgases, welche durch das Leitgitter 30 entstehen, Impulskräfte der Abgasströmung auf die Leitschaufeln 32 in Umfangsrichtung entstehen. Daher ist eine sichere Fixierung des Leitgitters 30 insbesondere über dessen Träger 34 vorteilhaft, um eine drehende Bewegung des als Radialgitter ausgebildeten Leitgitters 30 relativ zum Axialschieber 38, insbesondere in Beschleunigungsphasen, auszuschließen. Dadurch kann verhindert werden, dass Gasimpulskräfte über eine Lagerung des Axialschiebers 38 in Umfangsrichtung abgestützt werden, wodurch sich ungewünschte Drehmomente entlang eines Kraftflusses von den Leitschaufeln 32 bis zur Lagerung des Axialschiebers 38 einstellen und Querstellungen des Axialschiebers 38 relativ zum Leitgitter 30 ergeben können, die gegebenenfalls ein Verklemmen des Axialschiebers 38 bewirken und eine mechanisch sichere Betätigung unmöglich machen können.
Um die Größenordnung der Gasimpulskräfte zu veranschaulichen, wird folgende Überlegung angestellt und auf einen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine beispielhaft bezogen:
In diesem Betriebspunkt liegt beispielsweise ein Abgasmassenstrom mp von 0,1 kg/sec. (Kilogramm pro Sekunde) vor. Die Umfangsgeschwindigkeit des Abgases im Abgaskanal 22 stromauf des Leitgitters 30 ist mit cu1 bezeichnet und beträgt beispielsweise 100 m/sec (Meter pro Sekunde). Die Umfangsgeschwindigkeit in einem engsten Querschnitt des Leitgitters 30 ist mit cu2 bezeichnet und beträgt beispielsweise bei 1.000°C Abgastemperatur 680 m/sec. und somit nahezu Schallgeschwindigkeit.
Die daraus resultierende Gasimpulskraft ist im Folgenden mit F bezeichnet und berechnet sich zu: F = mp·Δcu
Im genannten Betriebspunkt entsteht somit eine Gasimpulskraft von 58 N. Somit kann davon ausgegangen werden, dass der Träger 34 in vielen Betriebsphasen Umfangskräfte zwischen 30 N und 60 N und gegebenenfalls auch höhere Werte sicher ohne Umfangsbewegungen des Leitgitters 30 aufnehmen muss, um eine Grundlage für die Entwicklung eines funktionsfähigen Verstellapparats zu liefern. Darüber hinaus ist vorzugsweise eine Abblasung von Abgas über die Abblaseöffnung 28 zu berücksichtigen.
Zumindest in der Schließstellung ist die Abblaseöffnung 28 mittels des Axialschiebers 38 fluidisch versperrt, so dass die Abblaseöffnung 28 nicht von Abgas durchströmt werden kann. In zumindest einer der Offenstellungen ist die Abblaseöffnung 28 freigegeben und demzufolge von Abgas durchströmbar. In diesem freigegebenen Zustand der Abblaseöffnung 28 kann Abgas von stromauf des Turbinenrads 18 abgezweigt werden, wobei dieses abgezweigte Abgas das Turbinenrad 18 umgehen und somit nicht antreiben kann. Dieses Umgehen wird auch als Abblasen bezeichnet. Hierbei kann durch das Leitgitter 30 eine sogenannte Drallabblasung bewirkt werden, da die Leitschaufel 32 in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit der Abblaseöffnung 28 angeordnet ist und somit auch das das Turbinenrad 18 umgehende Abgas entsprechend ablenken kann.
Wird diese Drallabblasung bei der oben angestellten Berechnung berücksichtigt, so treten zusätzliche und auf das Leitgitter 30 wirkende Impulskräfte auf, die bei Abgasmassenströmen von beispielsweise über 0,2 kg/sec. zu Impulskräften von mehr als 100 N führen könnten.
Neben der Realisierung der hohen Funktionserfüllungssicherheit wird vorzugsweise auch ein hoher Wirkungsgrad der Turbine 10 angestrebt. Darüber hinaus ist ein hoher Wirkungsgrad in der Beschleunigungsstellung des Axialschiebers 38 vorteilhaft, um eine sehr hohe Agilität der Verbrennungskraftmaschine bewirken zu können und beispielsweise im unteren Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine einen Volllastbereich mit sehr hohen Drehmomenten zu realisieren.
Untersuchungen mit variablen Turbinen von Abgasturboladern haben gezeigt, dass diese Anforderungen besonders dann gut erfüllt werden, wenn es gelingt, geringe Spalte zwischen der Leitschaufel 32 und dem Axialschieber 38 und somit geringe Leckagen insbesondere in der Schließposition bzw. Schließstellung des Axialschiebers 38 zu realisieren. In der Schließposition ist vor der Turbine 10 ein besonders kleiner und somit enger, effektiver Strömungsquerschnitt bereitgestellt, welcher vom Abgas zu durchströmen ist. Dadurch kann das Turbinenrad 18 besonders gut beschleunigt werden, so dass ein vorteilhaftes Beschleunigungsverhalten realisiert werden kann.
In diesem Zusammenhang zeigt 2 ein Diagramm 57, auf dessen Abszisse 59 die mit n bezeichnete Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine aufgetragen ist. Auf der Ordinate 58 ist das von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbare Drehmoment M aufgetragen. Verläufe 60, 62 veranschaulichen dabei einen jeweiligen Verlauf des Drehmoments M über der Drehzahl n. Der Verlauf 62 bezieht sich dabei auf die Turbine 10 gemäß 1, bei welcher in der Schließstellung der genannte Nullspalt realisiert ist. Wie aus dem Diagramm 54 ersichtlich ist, kann das Drehmoment ausgehend vom Verlauf 60 um 10% bis 20% gesteigert werden, wenn Leckageströmungen zwischen der Leitschaufel 32 bzw. zwischen den Leitschaufeln 32 und dem Axialschieber 38 durch den Nullspalt minimiert werden.
Zusätzlich zur Realisierung des Nullspalts kann ein Verklemmen und Verhaken der relativ zueinander bewegbaren Bauteile der Turbine 10 vermieden oder die Gefahr einer solchen Fehlfunktion besonders gering gehalten werden, da der jeweilige Spalt zwischen den Leitschaufeln 32 und der jeweiligen, zumindest im Wesentlichen profilförmigen Matrizenöffnung 44 mit zunehmender Schaufelhöhe x am Mund 46 der jeweiligen Matrizenöffnung 44 vergrößert ist.
Je größer also die für die Strömung wirksame Schaufelhöhe x zwischen der Wurzel 36 und dem Mund 46 eingestellt wird, desto höher wird im Allgemeinen der Bedarf an einer Zunahme des Schaufelspalts H. Dabei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Wahrscheinlichkeit von thermischen, asymmetrischen Verzügen mit zunehmenden Schaufelhöhen wachsen, insbesondere im Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine.
3 zeigt die Turbine 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Hierbei ist wenigstens ein Sicherungselement 64 vorgesehen, mittels welchem das Leitgitter 30 gegen eine Drehung relativ zu dem Turbinengehäuse 12, insbesondere zumindest formschlüssig, gesichert ist. Vorzugsweise sind mehrere solcher Sicherungselemente vorgesehen. Das Sicherungselement 64 ist beispielsweise als Führungsstift ausgebildet, welcher einerseits in den Träger 34 und andererseits in das Turbinengehäuse 12 eingreift.
Die Lagerung des Axialschiebers 38 hingegen sollte eine Kompensation der thermischen Verzüge des Verstellapparats und dessen Peripherie so weit bewältigen, dass keine allzu großen Reibungen der beweglichen Teile und kein Verklemmen derselben erfolgen können.
Diese Verzugskompensation ist vorliegend durch ein Konzept einer drehschwimmenden Lagerung des Axialschiebers 38 realisiert. Dies bedeutet, dass der Axialschieber 38 am Turbinengehäuse 12 um eine Drehachse des Axialschiebers 38 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar gelagert ist, wobei wenigstens ein Begrenzungselement 66 vorgesehen ist, mittels welchem eine Drehung des Axialschiebers 38 relativ zum Turbinengehäuse 12 um die Drehachse des Axialschiebers 38, insbesondere zumindest formschlüssig, begrenzt ist. Der Axialschieber 38, der nur geringen freien Gaskräften in Umfangsrichtung, wie z. B. der stirnseitigen Reibung des beschleunigten Abgases, ausgesetzt ist, wird somit in Winkelbereichen, die in Richtung der Profilnasenseite und in Richtung der Hinterkantenseite unterschiedlich sein können, in Umfangsrichtung beweglich gestaltet.
Das Begrenzungselement 66 greift dabei einerseits teilweise in das Turbinengehäuse 12 und andererseits teilweise in den Axialschieber 38 ein, so dass sich der Axialschieber in vorgebbaren, geringen Grenzen relativ zum Turbinengehäuse 12 drehen kann.
Neben der Darstellung der mechanischen Funktionsfähigkeit ist zur Darstellung eines besonderes hohen Wirkungsgrads insbesondere in Beschleunigungspositionen des Axialschiebers 38, d. h. in seiner Schließstellung, das Leitgitter 30 als sogenanntes Stufengitter ausgebildet. Durch das Anpressen einer Stirnseite 68 des Axialschiebers 38 an die Leitschaufelkante 52 ist der geschilderte Nullspalt bewirkt, wodurch wirkungsgradschädliche Leckagen zumindest weitgehend ausgeschlossen werden. Dies führt zu hohen Wirkungsgraden der Turbine 10 sowie zu einer sehr hohen Agilität der Verbrennungskraftmaschine.
Die Leitschaufelkante 52 hat über den Umfang des Profils der Leitschaufel 32 gegebenenfalls eine variabel, spaltangepasste Stufenhöhe. Die Stufenhöhe orientiert sich beispielsweise am Schaufelspalt H, wodurch sich eine Anlagefläche, an der der Axialschieber 38 anliegt, beispielsweise mit einer Höhe von ca. 0,3 bis 0,6 mm darstellt und in der Anschlagposition, d. h. in der Schließstellung des Axialschiebers 38, nahezu eine spaltfreie Schließposition mit günstigen Wirkungsgraden der Turbine 10 ergibt.
Die drehschwimmende Lagerung des Axialschiebers 38 ermöglicht dabei sowohl eine Drehung des Axialschiebers 38 in Drehrichtung des Turbinenrads 18 als auch entgegen der Drehrichtung. Ein Drehwinkelbereich ist dabei eingeschränkt, insbesondere, falls der Schaufelspalt H in der Offenstellung, z. B. durch die Abblasequerschnittsrandbedingung, zu große Drehwinkelbereiche beim internen Anschlag zwischen der Leitschaufel 32 und der Matrizenöffnung 44 ergeben würde.
Es wird angestrebt, die Leitschaufeln 32 zueinander mit absolut gleicher Geometrie und ohne Unstetigkeit im Nasen- und Hinterkanten-Verlauf und der Dickenverteilung der jeweiligen Leitschaufel 32 zu realisieren, wodurch eine Relativbewegung der Leitschaufeln 32 zur Matrizenöffnung 44 günstige Gleit-Bedingungen erhält. Die jeweilige Matrizenöffnung 44 wird im einfachsten Fall prismatisch realisiert, wobei Spaltverhältnisse zwischen dem Schaufelprofil und der Matrizenöffnung 44 durch die Gestaltung der Leitschaufel 32 gestaltet werden.
Dabei zeigt 6 eine schematische Draufsicht der Leitschaufel 32, welche üblicherweise auch als saugseitige Nullspalt-Kanten-Schaufel bezeichnet wird. Das Leitgitter 30 umfasst beispielsweise neun zumindest im Wesentlichen identische Schaufeln, welche durch zehn Profilschnitte P_n bis P8 erzeugt werden. 6 zeigt dabei ein Diagramm 70, auf dessen Abszisse 72 die Sehnenlänge der Leitschaufel 32 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 74 ist die Schaufellänge aufgetragen. Anhand einer gestrichelten Linie 76 ist der Beginn der Abblaseöffnung 28 veranschaulicht.
Die Leitschaufel 32 und die zugehörige Matrizenöffnung 44 sind auch in 7 veranschaulicht. Der Profilschnitt P1 ist das sogenannte Basisprofil, bei dem ein Spalt von beispielsweise 0,35 mm vorliegt. Der Profilschnitt P_n ist ein sogenanntes, saugseitiges Nullspaltprofil.
Aus 4 gehen die konische Ausgestaltung der fixierten Leitschaufel 32 mit der Nullspaltstufe (Leitschaufelkante 52) sowie der drehförmig gelagerte Axialschieber 38 hervor. Die Matrizenöffnung 44 ist prismatisch oder zumindest im Wesentlichen an die Leitschaufel 32 angepasst, was in 4 durch eine gestrichelte Linie 76 veranschaulicht ist. Die Leitschaufelkante 52, welche üblicherweise auch als Nullspaltstufe bezeichnet wird, ist vorliegend über ihren Umfang zumindest im Wesentlichen konstant und weist eine ca. doppelte Höhe des Mündungsspalts des Axialschiebers 38 auf. Mit s ist ein sich von einem Ausgangspunkt s0 bis zu einem Endpunkt se erstreckender Verlauf des Dickenmaximums der Leitschaufel 32 veranschaulicht. Der entlang der Schnittlinie A-A verlaufende Schnitt veranschaulicht das Leitschaufelprofil bei der Schaufelhöhe x_s. Der Schaufelspalt H bezieht sich dabei ebenfalls auf die Schaufelhöhe x_s. Ferner ist mit 78 eine Stirnfläche der Leitschaufelkante 52 bezeichnet.
Da die Sehnenlänge des Schaufelprofil aufgrund des Drall-Abblasebereichs mit der Schaufellänge bzw. Schaufelhöhe x sehr stark verringert wird, wird in diesem Fall quasi eine externe Drehbeschränkung in Richtung Profilnasen- wie auch Hinterkantenseite vorgeschlagen. Durch eine angepasste Matrizenöffnung 44, welche anhand der gestrichelten Linie 76 veranschaulicht ist, erhält man bei geringen effektiven Schaufelhöhen günstige Verhältnisse hinsichtlich Totvolumina in der jeweiligen Matrizenöffnung 44, was sehr geringe, von außen angefächerte Strömungsverluste bedeutet.
In 4 ist mit 80 ein erstes Begrenzungselement bezeichnet, mittels welchem die Drehung des Axialschiebers 38 an der Hinterkante begrenzt ist. Mit 82 ist ein zweites Begrenzungselement bezeichnet, mittels welchem die Drehung des Axialschiebers 38 in Richtung der Profilnase bzw. an der Profilnase begrenzt ist. Ein Abstand A veranschaulicht die Lage der Abblaseöffnung 28. Mit d_max ist die maximale Dicke des Schaufelprofils der Leitschaufel 32 veranschaulicht. Mit Rb ist eine Radeintrittsbreite bezeichnet.
5 zeigt ein Diagramm 84, auf dessen Abszisse 86 der Verlauf s aufgetragen ist. Mit anderen Worten ist der Verlauf s eine Linienkoordinate, entlang welcher die Dickenmaxima der Leitschaufel 32 verlaufen. Dabei ist s_min die Stelle an der Leitschaufelkante 52. Dementsprechend ist auf der Ordinate 88 die maximale Profildicke aufgetragen. Das Diagramm 84 zeigt somit über der genannten Linienkoordinate, die die Dickenmaxima der Leitschaufeln 32 miteinander verbindet, den Verlauf des abnehmenden Dickenmaximums der verjüngten Beschaufelung. Demgegenüber steht im Beispiel die konstante maximale Dicke des prismatischen Matrizenprofils, die durch eine gestrichelte Linie 90 veranschaulicht ist. Die Differenz zwischen den maximalen Dicken des Schaufelprofils zur Matrizenöffnung 44 gibt einen Hinweis auf den vergrößerten Summenspalt 92 zwischen der Leitschaufel 32 und dem Axialschieber 38, die sich relativ zueinander ohne Verklemmen bewegen sollen. Im Diagramm 84 ist auch anhand des gestrichelten Verlaufs 46 die an die Beschaufelung angepasste Matrizenöffnung 44 mit aufgeführt. Der mit dieser Ausgestaltung der Matrizenöffnung 44 korrespondierende Summenspalt ist mit 92' bezeichnet.
Anhand eines Bereichs C ist wiederum die Lage der Abblaseöffnung 28 veranschaulicht. Dabei können mehrere Abblaseöffnungen 28 vorgesehen sein. Hierbei ist beispielsweise für jede der Leitschaufeln 32 eine korrespondierende Abblaseöffnung 28 vorgesehen.
Eine nicht triviale Ausführungsform stellt die nicht dargestellte Ausgestaltung des Abdeckelements und des entsprechenden Funktionsspaltes auf der Druckseite, stromab des Turbinenrades, dar. Die vorstehend in der Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen stromauf des Turbinenrades sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen stromauf und stromab des Turbinenrades oder in Alleinstellung stromauf oder stromab des Turbinenrades verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
12: Turbinengehäuse
14: Gehäusewandung
16: Aufnahmeraum
18: Turbinenrad
20: Drehachse
22: Abgaskanal
24: Gehäusekontur
26: Turbinenaustrittsbereich
28: Abblaseöffnung
30: Leitgitter
32: Leitschaufel
34: Träger
36: Wurzel
38: Axialschieber
40: Doppelpfeil
42: Matrize
44: Matrizenöffnung
46: Mund
48: erster Teilbereich
50: zweiter Teilbereich
52: Leitschaufelkante
54: erste Seite
56: zweite Seite
57: Diagramm
58: Ordinate
59: Abszisse
60: Verlauf
62: Verlauf
64: Sicherungselement
66: Begrenzungselement
68: Stirnseite
70: Diagramm
72: Abszisse
74: Ordinate
76: gestrichelte Linie
78: Stirnfläche
80: Begrenzungselement
82: Begrenzungselement
84: Diagramm
86: Abszisse
88: Ordinate
90: gestrichelte Linie
92, 92': Summenspalt
x: Schaufelhöhe
x_min: minimale Schaufelhöhe
x_s: Schaufelhöhe
H: Schaufelspalt
D_T: Durchmesser
n: Drehzahl
M: Drehmoment
n_a: Drehzahl
d_max: maximale Dicke
A: Abstand
Rb: Radeintrittsbreite
s: Verlauf
s0: Ausgangspunkt
se: Endpunkt
s_min: Stelle
A: Bereich
C: Bereich
P_n: Profilschnitt
P1: Profilschnitt
P2: Profilschnitt
P3: Profilschnitt
P4: Profilschnitt
P5: Profilschnitt
P6: Profilschnitt
P7: Profilschnitt
P8: Profilschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009006278 A1 [0002]

Claims

Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem von Abgas durchströmbaren Turbinengehäuse (12), in welchem ein Turbinenrad (18) aufgenommen ist, mit wenigstens einem stromauf des Turbinenrads (18) angeordneten Leitelement (32) zum Ablenken des Abgases, und mit wenigstens einem Abdeckelement (38), welches in axialer Richtung des Turbinenrads (18) relativ zum Leitelement (32) zwischen einer zumindest einen Teilbereich des Leitelements (32) überdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein sich in axialer Richtung erstreckender und in radialer Richtung einerseits von dem Abdeckelement (38) und andererseits von dem Leitelement (32) in der Schließstellung begrenzter Spalt (49) zwischen dem Leitelement (32) und dem Abdeckelement (38) eine bezogen auf die axiale Richtung variierende, radiale Erstreckung aufweist.
Turbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung des Spalts (49) in eine Bewegungsrichtung, in welche das Abdeckelement (38) aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegbar ist, zunimmt.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Teilbereich des Abdeckelements (38) in der Schließstellung einen Teilbereich des Leitelements (32) in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung kontaktiert.
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (38) am Turbinengehäuse (12) um eine Drehachse des Abdeckelements (38) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbar gelagert ist.
Turbine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Begrenzungselement (66) vorgesehen ist, mittels welchem eine Drehung des Abdeckelements (38) relativ zum Turbinengehäuse (12) um die Drehachse des Abdeckelements (38), insbesondere zumindest formschlüssig, begrenzt ist.
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sicherungselement (64) vorgesehen ist, mittels welchem das Leitelement (32) gegen eine Drehung relativ zum Turbinengehäuse (12), insbesondere zumindest formschlüssig, gesichert ist.