DE102013021558A1 - Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (32), insbesondere für einen Abgasturbolader (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem um eine Drehachse (48) drehbaren und wenigstens eine Laufradschaufel (56) aufweisenden Turbinenrad (34), welches bei einem Betrieb der Turbine (32) über wenigstens eine Anströmkante (60) der Laufradschaufel (56) von Abgas anströmbar und von dem Abgas antreibbar ist und das Abgas aus nahezu axialer Richtung in die gegenläufige, axiale Richtung umlenkt, wobei die Anströmkante (60) der Laufradschaufel (56) zumindest bereichsweise in einer Ebene angeordnet ist, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad unterschiedlichen Winkel α einschließt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
• Aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau ist es bekannt, zur Aufladung von Verbrennungskraftmaschine, das heißt zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft, Abgasturbolader einzusetzen. Diese Abgasturbolader kommen auch bei Gasturbinen zum Einsatz, um die Gasturbine mit verdichteter Luft zu versorgen. Ein solcher Abgasturbolader umfasst üblicherweise eine Turbine und einen Verdichter, wobei die Turbine von Abgas beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Der Verdichter dient zum Verdichten der Luft und ist von der Turbine antreibbar. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft verwendet werden.
• Üblicherweise ist der Verdichter als Radialverdichter ausgebildet. Dies bedeutet, dass ein Verdichterrad des Verdichters zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von der zu verdichtenden Luft angeströmt wird. Während des Betriebs des Verdichters lenkt das Verdichterrad die Luft in radialer Richtung um, so dass das Verdichterrad üblicherweise zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von der Luft abgeströmt wird.
• Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, welches um eine Drehachse drehbar ist und wenigstens eine Laufradschaufel aufweist. Das Turbinenrad ist beispielsweise zumindest teilweise in einem Turbinengehäuse der Turbine aufgenommen und relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar. Das Turbinenrad ist bei einem Betrieb der Turbine über wenigstens eine Anströmkante der Laufradschaufel von Abgas anströmbar und von dem Abgas antreibbar. Das Turbinenrad lenkt das Abgas aus radialer Richtung in axialer Richtung um. Mit anderen Worten weist das Abgas zumindest in einem Teilbereich des Turbinenrads eine Bewegungs- oder Strömungskomponente auf, welche in radialer Richtung verläuft. Das Abgas wird mittels des Turbinenrads umgelenkt, so dass die Bewegungs- beziehungsweise Strömungskomponente nun zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verläuft. Dabei wird das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas abgeströmt.
• Üblicherweise ist die Turbine als Radialturbine ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad über die Anströmkante zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung insbesondere von außen nach innen angeströmt wird. Hierzu ist die Anströmkante üblicherweise in einer Ebene angeordnet, die mit der axialen Richtung einen Winkel α von 0 beziehungsweise 180 Grad einschließt.
• Turbinen radialer Bauart werden üblicherweise deswegen eingesetzt, da sie bei anspruchsvollen, thermodynamischen Randbedingungen, welche beispielsweise bei Verbrennungskraftmaschine von Kraftwagen vorliegen, ein vorteilhaftes mechanisches Verhalten, ein vorteilhaftes Kosten-Nutzenverhältnis sowie eine günstige Anpassbarkeit für unterschiedliche Baureihen und Turbinen-Modifikationen aufweisen. Ferner ist es bekannt, Radialturbinen als Expansionsturbinen für die Energierückgewinnung von Druckexergie in Verbindung mit Brennstoffzellen-Luftversorgungseinheiten zu verwenden. Mit anderen Worten werden auch Aufladeeinrichtungen für Brennstoffzellen mit wenigstens einer Turbine, insbesondere einer Radialturbine, ausgestattet. Hierbei ist die Turbine von Abgas der Brennstoffzelle antreibbar. Der von der Turbine antreibbare Verdichter verdichtet die Luft, mit der die Brennstoffzelle versorgt werden kann.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Turbine, insbesondere im unteren Schnelllauf-Zahl-Bereich, realisieren lässt.
• 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 der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Turbine, insbesondere in einem unteren Schnelllauf-Zahl-Bereich von kleiner als 0,7, realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anströmkante der Laufradschaufel zumindest bereichsweise in einer Ebene angeordnet ist, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad beziehungsweise 180 Grad unterschiedlichen Winkel α einschließt. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad beziehungsweise die Laufradschaufel über die Anströmkante zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas angeströmt werden kann.
• Mit anderen Worten kann das das Turbinenrad über die Anströmkante anströmende Abgas eine Strömungs- oder Bewegungskomponente aufweisen, welche in axialer Richtung verläuft. Im Gegensatz zu einem streng in radialer Richtung von außen nach innen von dem Abgas angeströmten Turbinenrad kann somit das Turbinenrad der erfindungsgemäßen Turbine zumindest nahezu in axialer Richtung von dem Abgas angeströmt und dadurch angetrieben werden.
• Vorzugsweise liegt der Winkel α in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 160 Grad, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 135 Grad. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Winkel α in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 120 Grad liegt.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich üblicherweise das dominierende Merkmal einer Radialturbine für eine Heißgas-Anwendung, beispielsweise bei einer Gasturbine oder in einem Abgasturbolader, aus dem Zwang ergibt, den Turbineneintritt mit einem Schaufeleintrittswinkel β_E der Laufradschaufel von β = 90 Grad gegenüber der Umfangsrichtung oder nur geringen Abweichungen zur Radialen zu gestalten. Die Ursache für diese aerodynamische Auslegungsbeschränkung liegt insbesondere in der Bestrebung, Biegungen der üblicherweise mechanisch stark beanspruchten Beschaufelung gering zu halten oder vollständig zu vermeiden.
• Aus diesem Grunde werden Beschaufelungen für Heißgas-Anwendungen üblicherweise über das gesamte Schaufelblatt vom Eintritt bis zum Austritt des Turbinenrads mit entsprechender Austrittskantengestaltung streng radial stehend nur zur Aufnahme von Fliehkräften ausgelegt, wodurch bei einer Standard-Radialturbine der Schaufeleintrittswinkel mit β_E = 90 Grad festgelegt ist.
• Üblicherweise besitzt eine Radialturbine ihr Wirkungsgradoptimum bei Schnell-Laufzahlen im Bereich von 0,7. Ergäbe sich der Freiheitsgrad, den Turbinen- beziehungsweise Schaufeleintrittswinkel β_E deutlich unterhalb von 90 Grad mit beschleunigenden Radkanälen zu realisieren, gelänge es, das Wirkungsgradoptimum merklich unter den Schnell-Laufzahlwert von 0,7 beispielsweise in einem Bereich bis 0,4 zu verschieben. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Turbine möglich.
• Trotz gegebenenfalls etwas abfallenden Wirkungsgrad-Maximalwerten würde sich eine starke Wirkungsgradanhebung gegenüber dem Verlauf von Standard-Radialturbinen in diesem unteren, sehr relevanten Schnell-Laufzahl-Betriebsbereich durch Reduktion von Falschanströmungsverlusten einstellen, wenn die Bedingungen der Beschleunigungskanalführung realisierbar sind.
• Würde man die Strömungs-Beschleunigungsbedingungen durch Rückwärtskrümmen und dadurch eine Verkleinerung des Schaufeleintrittswinkels β_E erreichen, müssten jedoch nicht oder nur schwer beherrschbare Biegemomente durch relativ starke Schaufelüberhänge zur Schaufelwurzel bewältigt werden, was im Heißgasbetrieb von Radialturbinen aufgrund von plastischen Verformungen nicht oder nur sehr aufwendig möglich wäre.
• Bei der Beschleunigung von Rotoren von Abgasturboladern für Personenkraftwagen kommt es üblicherweise zu einem Betrieb bei geringen Schnell-Laufzahlen, was einem wirkungsgradgünstigen Hochlauf von herkömmlichen Radialturbinen entgegensteht.
• Da üblicherweise stromauf des Turbinenrads von herkömmlichen Radialturbinen eine Düse mit weiterer radialer Erstreckung angeordnet ist, die aus einem Sammelgehäuse das Abgas einströmt, ergeben sich im Allgemeinen auch turbinenseitige Bauraumbedarfe, die zu Platzproblemen in engen Motorräumen von Fahrzeugen führen und zu großen Anstrengungen der Bauraumanpassungen der herkömmlichen Radialturbinen zwingen.
• Bei der erfindungsgemäßen Turbine ist es jedoch nun möglich, den Turbinenwirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Radialturbinen besonders in einem unteren Schnell-Laufzahl-Bereich von kleiner als 0,7 durch Anpassung des Schaufeleintrittswinkels β_E zur Umfangsrichtung zu realisieren.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn der Winkel in einem Bereich von einschließlich 30 Grad bis einschließlich 60 Grad liegt. Hierdurch können besonders hohe Wirkungsgrade insbesondere im unteren Schnell-Laufzahl-Bereich realisiert 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 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Abgasturbolader mit einem Radialverdichter und einer Turbine gemäß einer ersten Ausführungsform, die ein um eine Drehachse drehbares und wenigstens eine Laufradschaufel aufweisendes Turbinenrad umfasst, das bei einem Betrieb der Turbine über wenigstens eine Anströmkante der Laufradschaufel von Abgas anströmbar und von dem Abgas antreibbar ist und das Abgas aus nahezu axialer Richtung in die gegenläufig axiale Richtung umlenkt, wobei die Anströmkante der Laufradschaufel zumindest bereichsweise in einer Ebene angeordnet ist, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad unterschiedlichen Winkel α einschließt;
• 2 eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1;
• 3 ein Diagramm mit Prinzipwirkungsgraden von Turbinen unterschiedlicher Ausführungsform;
• 4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß der ersten Ausführungsform;
• 5 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Draufsicht der Turbine gemäß der ersten Ausführungsform;
• 6 ein Geschwindigkeitsdreieck an einem Radeintritt des Turbinenrads der Turbine gemäß der ersten Ausführungsform;
• 7 ein Geschwindigkeitsdreieck an einem Radaustritt des Turbinenrads;
• 8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
• 9 ein Drahtgittermodell von vier Schaufelkanälen der Turbine in einer x-y-Ebene, wobei die Turbine eine rückwärtsgekrümmte Beschaufelung aufweist;
• 10 ein Drahtgittermodell der Schaufelkanäle gemäß 9 in einer y-z-Ebene;
• 11 ein Drahtgittermodell von vier Schaufelkanälen der Turbine in einer x-y-Ebene, wobei die Turbine eine vorwärtsgekrümmte Beschaufelung aufweist;
• 12 ein Drahtgittermodell der vier Schaufelkanäle gemäß 11 in einer y-z-Ebene; und
• 13 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer dritten Ausführungsform.
• In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 12 auf, über den die Verbrennungskraftmaschine 10 während ihres Betriebs Luft ansaugt. Im Ansaugtrakt 12 ist ein Verdichter 14 eines Abgasturboladers 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Der Verdichter 14 umfasst ein Verdichtergehäuse, in welchem ein Verdichterrad 20 um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen ist. Mittels des Verdichterrads 20 wird die der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft verdichtet.
• Stromab des Verdichters 14 ist im Ansaugtrakt 12 ein Ladeluftkühler 24 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird. Stromab des Ladeluftkühlers 24 ist im Ansaugtrakt 12 eine Luftdosierungsvorrichtung vorliegend in Form einer Drosselklappe 26 angeordnet, mittels welcher eine der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Menge der Luft einstellbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Recheneinrichtung 28, welche beispielsweise ein Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 10 ist. Die Recheneinrichtung 28 ist mit der Drosselklappe 26 gekoppelt und dient zum Steuern oder Regeln der Drosselklappe 26.
• Zum Verdichten der Luft wird Energie genutzt, die in Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 enthalten ist. Das Abgas, welches aus Verbrennungsvorgängen der Luft mit Kraftstoff resultiert, wird von der Verbrennungskraftmaschine 10 über einen Abgastrakt 30 abgeführt. Im Abgastrakt 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine Turbine 32 des Abgasturboladers 16 angeordnet. Die Turbine 32 umfasst ein in 1 und 2 nicht dargestelltes Turbinengehäuse, in welchem ein Turbinenrad 34 der Turbine 32 um die Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass die Drehachse des Turbinenrads 34 mit der Drehachse des Verdichterrads 20 zusammenfällt. Das Verdichterrad 20 und das Turbinenrad 34 sind mit einer Welle 36 des Abgasturboladers 16 drehfest gekoppelt. Das Abgas wird dem Turbinenrad 34 mittels des Turbinengehäuses zugeführt, so dass das Abgas das Turbinenrad 34 anströmen und dadurch antreiben kann. Infolge der drehfesten Verbindung des Verdichterrads 20 und des Turbinenrads 34 mit der Welle 36 wird das Verdichterrad 20 über die Welle 36 vom Turbinenrad 34 angetrieben. Das Abgas wird durch das Antreiben der Turbine 32 expandiert und strömt anschließend zu einer am Abgastrakt 30 angeordneten und in 1 und 2 nicht dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10.
• Aus 1 und 2 ist auch ein Lagergehäuse 44 des Abgasturboladers 16 erkennbar. Ein Rotor 47 des Abgasturboladers 16, wobei der Rotor 47 das Verdichterrad 20, das Turbinenrad 34 und die Welle 36 umfasst, ist an dem Lagergehäuse 44 relativ zum Lagergehäuse 44 um die Drehachse drehbar gelagert.
• Der Verdichter 14 ist als Radialverdichter ausgebildet. Dies bedeutet, dass die mittels des Verdichters 14 zu verdichtende Luft das Verdichterrad 20 in axialer Richtung anströmt und mittels des Verdichterrads 20 in radialer Richtung umgelenkt wird. Das Verdichterrad 20 weist eine um die Drehachse drehbare Nabe auf, mit welcher eine Mehrzahl von Laufradschaufeln des Verdichterrads 20 verbunden sind. Die jeweilige Laufradschaufel ist vorzugsweise mit der Nabe einstückig ausgebildet und dreht sich mit dieser um die Drehachse mit.
• Die Laufradschaufel weist wenigstens eine Anströmkante sowie wenigstens eine Abströmkante auf. Während des Betriebs des als Radialverdichter ausgebildeten Verdichters 14 dreht sich das Verdichterrad 20 um die Drehachse, wodurch es Luft in axialer Richtung ansaugt. Mit anderen Worten ist das Verdichterrad 20 beim Betrieb des Verdichters 14 über einen Verdichterradeintritt in axialer Richtung von der zu verdichtenden Luft anströmbar beziehungsweise wird von der Luft in axialer Richtung angeströmt. Die mittels des Verdichterrads 20 zu verdichtende Luft strömt die jeweilige Laufradschaufel des Verdichterrads 20 dabei über die Anströmkante an. Die in axialer Richtung das Verdichterrad 20 anströmende Luft wird vom Verdichterrad 20 mittels dessen Laufradschaufel in radialer Richtung umgelenkt. Die in radialer Richtung umgelenkte und mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft strömt über die Abströmkante von der Laufradschaufel beziehungsweise dem Verdichterrad 20 ab.
• Der Verdichter 14 weist auch einen sich in axialer Richtung erstreckenden Axialdiffusor auf. Der Axialdiffusor dient dazu, die verdichtete und dadurch beschleunigte Luft zu verlangsamen. Dazu weist der Axialdiffusor wenigstens einen Längenbereich mit einem sich in Erstreckungsrichtung des Axialdiffusors und somit in axialer Richtung erweiternden und von der verdichteten Luft durchströmbaren Querschnitt auf.
• Der Verdichter 14 umfasst wenigstens ein Stellelement 62, mittels welchem ein von der verdichteten Luft durchströmbarer engster Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors einstellbar ist. Mit anderen Worten kann ein Wert des engsten Strömungsquerschnitts des Axialdiffusors mittels des Stellelements 62 eingestellt werden. Das Stellelement 62 ist dabei relativ zum Verdichtergehäuse bewegbar, um dadurch den Strömungsquerschnitt beziehungsweise den Wert des Strömungsquerschnitts des Axialdiffusors einzustellen. Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die Recheneinrichtung 28 mit dem Stellelement 62 gekoppelt ist und somit zum Regeln oder Steuern des Stellelements 62 dient.
• Der Axialdiffusor schließt sich vorliegend zumindest im Wesentlichen direkt, das heißt unmittelbar an das Verdichterrad 20 an. Mit anderen Worten folgt der Axialdiffusor in Strömungsrichtung der verdichteten Luft direkt auf den Radaustritt des Verdichterrads 20. Somit strömt die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft ohne Vermittlung eines Radialdiffusors in den Axialdiffusor ein, wobei der Verdichter 14 als Diffusor ausschließlich den Axialdiffusor umfasst.
• Der Verdichter 14 weist darüber hinaus einen sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 20 erstreckenden Sammelkanal auf, in den der Axialdiffusor mündet. Dadurch kann die den Axialdiffusor durchströmende Luft in den Sammelkanal einströmen. Der Sammelkanal erstreckt sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 20 über dessen Umfang zumindest teilweise und ist zumindest im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet, so dass der Sammelkanal auch als Spiralkanal bezeichnet wird. Der Sammelkanal dient als Sammelraum und zum Sammeln und zum weiteren Verlangsamen der verdichteten Luft.
• Zur Realisierung eines besonders geringen Bauraumbedarfs des Verdichters 14 sowie zur Realisierung vorteilhafter, von der verdichteten Luft durchström barer Strömungsquerschnitte des Radialverdichters (Verdichter 14) ist der Sammelkanal in radialer Richtung zumindest bereichsweise außenseitig des Axialdiffusors angeordnet. Vorliegend ist der Sammelkanal zumindest überwiegend in radialer Richtung außenseitig des Axialdiffusors angeordnet, wobei der Axialdiffusor in radialer Richtung nach außen zumindest bereichsweise und vorliegend zumindest überwiegend durch den Sammelkanal überdeckt ist.
• Die jeweilige Abströmkante der Laufradschaufeln des Verdichterrads 20 ist vollständig in einer Ebene, das heißt in einer gedachten Ebene angeordnet, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad beziehungsweise 180 Grad unterschiedlichen Winkel α einschließt. Dieser Winkel α kann in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 160 Grad, vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 135 Grad und besonders vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 120 Grad liegen. Die Anströmkante ist in einer gedachten zweiten Ebene angeordnet. Die gedachte zweite Ebene, in der die Anströmkante vollständig angeordnet ist, schließt mit der axialen Richtung ebenfalls einen von 0 Grad beziehungsweise 180 Grad unterschiedlichen Winkel α ein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite gedachte Ebene mit der axialen Richtung einen von 90 Grad unterschiedlichen Winkel α einschließt. Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Ebene, in der die Abströmkante angeordnet ist, und die zweite Ebene, in der die Anströmkante angeordnet ist, zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
• Bei einer ersten Ausführungsform des Verdichters 14 ist das Stellelement 62 als relativ zum Verdichtergehäuse bewegbares konturiertes Ringelement ausgebildet, das sich in axialer Richtung innerhalb des Axialdiffusors in gewünschte Positionen zwischen einer Minimal- und Maximalposition beliebig, das heißt stufenlos einstellen lässt. Die Minimalposition ist eine erste Endstellung. In dieser Minimalposition ist der engste Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors maximal versperrt beziehungsweise verengt. Mit anderen Worten ist in der Minimalposition der kleinstmögliche Wert des Strömungsquerschnitts des Axialdiffusors eingestellt. Die Maximalposition ist eine zweite Endstellung. In der Maximalposition ist der engste Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors maximal freigegeben. Dies bedeutet, dass in der Maximalposition der maximale Wert des engsten Strömungsquerschnitts des Axialdiffusors eingestellt ist. Das Stellelement 62 ist auch in wenigstens eine Zwischenstellung zwischen der Maximalposition und der Minimalposition bewegbar. In der Zwischenstellung ist der engste Strömungsquerschnitt gegenüber der Maximalposition verengt und gegenüber der Minimalposition freigegeben beziehungsweise vergrößert.
• Zwischen einem Verdichterradaustritt, über welchen das Verdichterrad 20 von der verdichteten Luft abgeströmt wird, und dem engsten Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors ist vorzugsweise ein Beschleunigungsbereich des Axialdiffusors angeordnet. Der Beschleunigungsbereich wird auch als „Beschleunigungskanal-Abschnitt” bezeichnet. Der Beschleunigungsbereich ist stromab der Abströmkante und stromauf des engsten Strömungsquerschnitts angeordnet. In diesen Beschleunigungskanal-Abschnitt werden die Strömungsverhältnisse direkt nach dem Verdichterrad 20 für die nachfolgende Diffusion im Axialdiffusor geglättet und eine Begünstigung für die durchzuführende Strömungsverzögerung realisiert. Das Verhalten des nachfolgenden Axialdiffusors wird somit maßgebend durch die Gestaltung einer festen Wandung des Verdichtergehäuses und durch eine variable Wandung in Form des Stellelements 62 bestimmt. Der Beschleunigungsbereich ist zumindest in der Minimalposition teilweise durch das Stellelement 62 und teilweise durch die feste Wandung des Verdichtergehäuses begrenzt ist. Der engste Strömungsquerschnitt ist dabei sowohl in der Minimalposition als auch in der Maximalposition und in den Zwischenstellungen einerseits durch die feste Wandung und andererseits durch das Stellelement 62 begrenzt.
• Der Längenbereich mit dem sich erweiternden Querschnitt des Axialdiffusors schließt sich in Strömungsrichtung der verdichteten Luft durch den Axialdiffusor an den engsten Strömungsquerschnitt an. Dabei ist der Längenbereich in den Stellungen des Stellelements 62 teilweise durch das Stellelement 62 und teilweise durch die feste Wandung begrenzt.
• Bei der ersten Ausführungsform ist das Stellelement 62 lediglich auf einer der festen Wandung zugewandten ersten Seite von der verdichteten Luft umströmbar. Eine in radialer Richtung der festen Wandung abgewandte, zweite Seite des Stellelements 62 ist bei der ersten Ausführungsform nicht von der verdichteten Luft umströmbar.
• Bei einer zweiten Ausführungsform des Verdichters 14 ist das Stellelement 62 sowohl auf der ersten Seite als auch auf der zweiten Seite von der Luft umströmbar. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, bei welcher ein sogenannter Einfachdiffusor geschaffen ist, ist bei der zweiten Ausführungsform ein einfacher Doppeldiffusor geschaffen, da die verdichtete Luft nicht nur zwischen dem Stellelement 62 und der festen Wandung, sondern auch auf der zweiten Seite zwischen dem Stellelement 62 und einer weiteren festen Wandung des Verdichtergehäuses hindurchströmen kann.
• Die Bewegung und Regelung beziehungsweise Steuerung des Stellelements 62 wird durch einen außerhalb des Axialdiffusors angebrachten Aktor durchgeführt, welcher beispielsweise über nicht dargestellte Verbindungen die gewünschten Positionen des als Ringelement ausgebildeten Stellelements 62 und somit die Diffusor- und Verdichtereigenschaften einstellen kann.
• Vorzugsweise ist das Stellelement 62 symmetrisch zur Drehachse angeordnet. Dabei kann die axiale Bewegung des Stellelements 62 auch mit einer der Axialbewegung überlagerten Drehbewegung erzeugt werden, wodurch vorteilhafte Bedingungen für eine einfache und zuverlässige Verstellvorrichtung durch Gewinde- und/oder Kulissenlösungen gegeben sind.
• Das Verdichterrad 20 ist gemäß einer ersten Ausführungsform als sogenanntes ”radial endendes Verdichterrad” ausgebildet, welches einen Schaufelaustrittswinkel β_2s von 90 Grad aufweist. Das Verdichterrad 20 weist beispielsweise zwanzig Laufradschaufeln aufweist. Das Verdichterrad 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform ist als „vorwärts gekrümmtes Verdichterrad” ausgebildet, wobei es einen Schaufelaustrittswinkel β_2s von kleiner als 90 Grad aufweist. Vorliegend beträgt der Schaufelaustrittswinkel β_2s 40 Grad.
• Gemäß einer dritten Ausführungsform ist das Verdichterrad 20 als ”rückwärts gekrümmtes Verdichterrad” ausgebildet, wobei es einen Schaufelaustrittswinkel β_2s von größer als 90 Grad aufweist. Der Schaufelaustrittswinkel β_2s beträgt beispielsweise 130 Grad. Die Beschaufelungen sind beispielsweise als streng radial stehende Schaufeln ausgelegt, wodurch keine Biegemomente vorliegen und die maximal mögliche Werkstoffausnutzung bei allen drei Ausführungsformen durch die Grenz-Fliehkraft beziehungsweise die maximal mögliche Umfangsgeschwindigkeit des äußersten Raddurchmessers gegeben ist. Der Schaufelaustrittswinkel β_2s entspricht dabei der Schaufelaustrittsrichtung zur Umfangsrichtung.
• Anhand von 1 bis 7 ist eine erste Ausführungsform der Turbine 32 veranschaulicht. In Zusammenschau mit 4 ist erkennbar, dass die Turbine 32 ein Turbinengehäuse 18 umfasst. Das Turbinengehäuse 18 weist einen Aufnahmeraum 22 auf, in welchem das Turbinenrad 34 aufgenommen ist. Das Turbinenrad 34 und somit die Welle 36 und das Verdichterrad 20 sind um die in 4 mit 48 bezeichnete Drehachse relativ zum Turbinengehäuse 18 drehbar.
• Das Turbinenrad 34 weist eine Laufradnabe 50 und eine im Ganzen mit 54 bezeichnete Beschaufelung auf. Die Beschaufelung 54 ist einstückig mit der Laufradnabe 50 ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl von Laufradschaufeln. Von diesen Laufradschaufeln des Turbinenrads 34 ist eine in 4 mit 56 bezeichnete Laufradschaufel erkennbar. Die Laufradschaufel 56 weist eine Anströmkante 60 auf, die in einem Radeintrittsbereich 64 des Turbinenrads 34 angeordnet ist. Während des Betriebs der Turbine 32 ist die Laufradschaufel 56 über die Anströmkante 60 von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 anströmbar. Mit anderen Worten wird die Laufradschaufel 56 während des Betriebs der Turbine 32 über die Anströmkante 60 von dem Abgas angeströmt. Die Anströmkante 60 wird üblicherweise auch als „Eintrittskante” bezeichnet. Hierdurch ist das Turbinenrad 34 von dem Abgas antreibbar.
• Die Laufradschaufel 56 weist darüber hinaus eine Abströmkante 66 auf, welche in einem Radaustrittsbereich 68 des Turbinenrads 34 angeordnet ist. Beim Betrieb der Turbine 32 wird das Turbinenrad 34 von dem Abgas über die Abströmkante 66 abgeströmt. Die Abströmkante 66 wird daher auch als „Austrittskante” bezeichnet.
• In Zusammenschau mit 5 ist erkennbar, dass die Beschaufelung 54 als sogenannte Split-Beschaufelung ausgebildet ist. Die Beschaufelung 54 umfasst hierbei Hauptschaufeln HS, wobei die Laufradschaufel 56 als eine solche Hauptschaufel HS ausgebildet ist. In Umfangsrichtung zwischen den Hauptschaufeln HS ist eine sogenannte Split-Schaufel SP angeordnet, wobei diese Split-Schaufel SP eine weitere Laufradschaufel des Turbinenrads 34 ist und auch in 4 erkennbar ist.
• Aus 4 ist auch eine Außenkontur AK des Turbinenrads 34 erkennbar. In 5 sind auch zwei Schaufelkanäle 70 erkennbar, welche durch die jeweiligen Hauptschaufeln HS einerseits und die dazwischen angeordnete Split-Schaufel SP andererseits begrenzt werden. Darüber hinaus ist in 4 der Schaufeleintrittswinkel β_E der Hauptschaufeln HS und/oder der Split-Schaufel SP eingetragen. Mit anderen Worten weist die Laufradschaufel 56 einen Schaufeleintrittswinkel β_E auf, der am Kanaleintritt ein Hauptmerkmal ist und frei ausgelegt werden kann. Darüber hinaus ist in 5 der Schaufelaustrittswinkel β_A am Radaustritt, das heißt im Radaustrittsbereich 68, eingetragen. Schließlich ist in 5 die relative Strömungsgeschwindigkeit w_A am Radaustritt eingetragen.
• Aus 4 ist erkennbar, dass die Turbine 32 eine Kombination aus einer Axialturbine und aus einer Radialturbine ist. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad 34 eine Kombination aus einem Radialturbinenrad und einem Axialturbinenrad ist. Das Turbinenrad 34 ist insofern ein Radialturbinenrad, da es das Abgas stromab der Eintrittskante 60 aus radialer Richtung in axialer Richtung umlenkt und zumindest im Wesentlichen in die gegenläufig axiale Richtung von dem Abgas abgeströmt wird. Dies bedeutet, dass die in 4 durch Richtungspfeile veranschaulichte Strömung des Abgases auf seinem Weg durch das Turbinenrad 34 zumindest in einem Teilbereich eine Bewegungs- oder Strömungskomponente aufweist, die in radialer Richtung von außen nach innen weist. Das Abgas wird mittels des Turbinenrads 34 derart umgelenkt, dass die in radialer Richtung verlaufende Strömungs- beziehungsweise Bewegungskomponente im Radaustrittsbereich 68 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verläuft, so dass das Abgas das Turbinenrad 34 im Radaustrittsbereich 68 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung abströmt.
• Das Turbinenrad 34 ist insofern ein Axialturbinenrad, da das Turbinenrad 34 beziehungsweise die Beschaufelung 54 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas angeströmt wird. Aus 4 ist nämlich erkennbar, dass die Anströmkante 60 der Laufradschaufel 56 beziehungsweise der Split-Schaufel SP in einer gedachten Ebene angeordnet ist, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad beziehungsweise 180 Grad unterschiedlichen Winkel einschließt. Dieser Winkel liegt vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 30 Grad bis einschließlich 60 Grad. Mit anderen Worten weist das das Turbinenrad 34 anströmende Abgas eine axiale Strömungs- oder Bewegungskomponente auf. Mittels des Turbinenrads 34 wird das Abgas derart umgelenkt, dass diese Strömungs- beziehungsweise Bewegungskomponente zunächst in radialer Richtung umgelenkt wird, so dass das Abgas vorübergehend in radialer Richtung von außen nach innen strömt. Darüber hinaus wird das Abgas auf die bereits zuvor beschriebene Weise nochmals umgelenkt, so dass das Turbinenrad 34 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas abgeströmt wird. Aus 4 ist besonders gut erkennbar, dass das Abgas auf seinem Weg durch das Turbinenrad 34 um zumindest im Wesentlichen 180 Grad umgelenkt wird, so dass das Abgas im Radaustrittsbereich 68 eine erste Strömungsrichtung und im Radeintrittsbereich 64 eine zweite Strömungsrichtung aufweist, wobei die beiden Strömungsrichtungen zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander sind.
• Das Turbinenrad 34 kann bei frei auslegbarem Schaufeleintrittswinkel β_E mit streng radial stehenden Laufradschaufeln ohne wesentliche Biegemomente ausgelegt werden, wodurch das aerodynamische Verhalten der Turbine 32 ohne zusätzliche mechanische Belastung verbessert werden kann. Wird die Turbine 32 beispielsweise für eine Brennstoffzellen-Exergie-Rückgewinnung eingesetzt, so kann es zur Reduzierung von Axialschüben sinnvoll sein, die streng radiale Beschaufelung auch in Richtung einer Vorwärtskrümmung des Radeintritts zu verwirklichen. Hierbei wird das Turbinenwirkungsgradmaximum zu Schnell-Laufzahlen über 0,7 bis 0,8 geschoben, wodurch eine stärkere Kompensation des Axialschubs der Verdichterseite der Brennstoffzellen-Luftversorgung mit adaptierter Expansionsturbine durch die Turbine 32 erfolgen kann.
• 4 zeigt eine Hauptansicht der Turbine 32 in einer Meridionalebene, wobei das Hauptgewicht der Radialturbinen-Anteil mit Fliehkraft-Feld für die Kanaldurchströmung dominiert. Das aerodynamische Verhalten bezüglich der Radumfangsgeschwindigkeiten und der maßgebenden Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases im Absolut- und drehenden Relativsystem lässt sich aus in 6 und 7 dargestellten Geschwindigkeitsdreiecken entnehmen. 6 zeigt das Geschwindigkeitsdreieck am Radeintritt des Turbinenrads 34, wobei 7 das Geschwindigkeitsdreieck am Radaustritt des Turbinenrads 34 zeigt. Dabei ist mit w_E die relative Strömungsgeschwindigkeit am Radeintritt bezeichnet, die sich aus der vektoriellen Subtraktion der Absolutgeschwindigkeit c_E und der Umfangsgeschwindigkeit u_E (c_E – u_E) ergibt. Die relative Strömungsgeschwindigkeit w_E hat einen Schaufeleintrittswinkel β_E beziehungsweise einen Wert des Schaufeleintrittswinkels β_E zur Umfangsrichtung, der sich beispielsweise für Abgasturbolader-Auslegungen zu kleineren Werten gegenüber einer Radialturbine mit β_E = 90 Grad sehr stark abhebt.
• Das in 7 gezeigte Geschwindigkeitsdreieck am Radaustritt im Bestpunkt zeichnet sich durch die optimale, absolute axiale Abströmung c_A = c_ax aus, die mit den minimal möglichen Austrittsverlusten einhergeht.
• Obwohl die Turbine 32 vom Radeintritt bis zum Radaustritt eine Umlenkung des Abgases von circa 180 Grad in der Meridionalebene bewirkt, wird die Turbine 32 über die starke Fähigkeit der Reduzierung der Fehleinströmungsverluste am Radeintritt den Umlenkungsvorteil der reinen Radialturbine von circa 90 Grad mehr als kompensieren können, wenn der Radkanal keine auslegungsbedingten Verzögerungsbereiche beinhaltet. Dadurch wird sich bei der Turbine 32 gegenüber der herkömmlichen, streng radialen Turbine ein Wirkungsgrad-Vorteil zeigen, was aus 3 erkennbar ist. 3 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse die Schnelllauf-Zahl aufgetragen ist, die sich aus

  

  ergibt. auf der Ordinate des Diagramms ist der mit η_T bezeichnete Turbinenwirkungsgrad aufgetragen. Ein Verlauf 72 in dem Diagramm veranschaulicht den Verlauf des Turbinenwirkungsgrads η_T über der Schnelllauf-Zahl einer herkömmlichen Radialturbine. Aus 3 ist erkennbar, dass sich hierbei das Wirkungsgradoptimum bei einer Schnelllauf-Zahl von 0,7 einstellt.
• Ein Verlauf 74 veranschaulicht den Verlauf des Turbinenwirkungsgrads η_T bei der Turbine 32 gemäß der ersten Ausführungsform, deren Schaufeleintrittswinkel β_E kleiner als 90 Grad und somit kleiner als der Schaufeleintrittswinkel der herkömmlichen Radialturbine ist. Beispielsweise weist die Turbine 32 gemäß der ersten Ausführungsform einen Schaufeleintrittswinkel β'_E auf. Wird der Schaufeleintrittswinkel weiter verkleinert, so dass die Turbine 32 beispielsweise einen Schaufeleintrittswinkel β''_E aufweist, so ergibt sich beispielsweise ein anhand eines Verlaufs 76 veranschaulichter Verlauf des Turbinenwirkungsgrads η_T. Das Turbinenrad 34 kann somit auch mit Schaufeleintrittswinkeln gestaltet werden, die stark von β_E = 90 Grad abweichen, wobei die Beschaufelung 54 streng radial steht. Hierdurch existieren praktisch keine Biegemomente, und es sind nahezu nur Zentrifugalkräfte vorhanden.
• Mit u_E ist die mittlere Umfangsgeschwindigkeit an der Eintrittskante bezeichnet, während mit c₀ die isentrope Expansionsgeschwindigkeit des Turbinengefälles bezeichnet ist.
• 8 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die Turbine 32 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform ist stromauf der Anströmkante 60 wenigstens ein Umlenkelement 78 zum Umlenken des Abgases angeordnet. Bei dem Umlenkelement 78 handelt es sich beispielsweise um eine Schaufel, welche Bestandteil eines Leitgitters in Form eines Axialgitter-Festgeometrie-Einsatzes ist. Dies bedeutet, dass die Umlenkelemente beziehungsweise das Umlenkelement 78 des Leitgitters relativ zum Turbinengehäuse 18 unbeweglich sind. Stromauf des Umlenkelements 78 ist ein in 8 nicht dargestellter Sammelraum vorgesehen, der vorliegend bis vor dem Eintritt des Leitgitters mit einer halbaxialen Zuführdüse verbunden ist. Als Sammelraum ist beispielsweise eine einfache einflutige Turbinenspirale einsetzbar. Ferner ist als Sammelraum ein zweiflutiges, symmetrisches Spiralgehäuse einsetzbar, wodurch eine Zwillingsstromturbine gebildet ist. Ferner kann als Sammelraum ein zweiflutiges, asymmetrisches Spiralgehäuse verwendet werden, welches beispielsweise in Abgasrückführsystemen zur Anwendung kommen kann. Ferner kann als Sammelraum ein symmetrisches Zweisegment-Gehäuse oder ein asymmetrisches Zweisegment-Gehäuse zum Einsatz kommen. Letzteres kann insbesondere Anwendung in Abgasrückführsystemen finden. Ferner ist als Sammelraum ein Mehrsegment-Gehäuse für die Verwertung hoher Druckpulsationen verwendbar, wobei eine Gewichtung hinsichtlich einer Stoßaufladung erfolgt, die durch kleine Schaufeleintrittswinkel β_E hinsichtlich Turbinenwirkungsgrad bevorteilt wird.
• Um den radialen Bauraumbedarf der Turbine 32 gering zu halten, sind die Kanalflächen auf kleinstmöglichen Radien mit nahezu axialer Zuströmung zum Turbinenrad 34 erzeugbar, was mit einer axialen Düsenführung begünstigt werden kann.
• Alternativ oder zusätzlich zu einem relativ zum Turbinengehäuse 18 festen Leitgitter kann stromauf des Turbinenrads 34 auch wenigstens ein Stellelement zum Einsatz kommen, welches relativ zum Turbinengehäuse 18 bewegbar ist. Bei einem solchen Stellelement handelt es sich beispielsweise um ein Stellelement in Form eines Zungenschiebers zum Abgriff der Spiralflächen insbesondere für eine Ottomotor-Aufladung als besonders einfache und in der Funktion zuverlässige Vorrichtung. Die Spiralenflächen – auch bei Mehrsegment-Gehäusen – sind über eine exponentielle Gestaltung gegenüber den herkömmlichen linearen Verläufen zur Erhöhung der Durchsatzkapazitäten-Spreizung der Zungenschiebervorrichtung optimierbar.
• Durch ein solches relativ zum Turbinengehäuse 18 bewegbares Stellelement ist eine variable Turbinengeometrie geschaffen, welche beispielsweise durch den Zungenschieber oder einen Drehschaufler in Axial- oder Radialdüse geschaffen werden kann. Ferner kann beispielsweise durch einen Axialschieber eine variable Turbinengeometrie vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können Abblaseeinrichtungen vorgesehen sein, welche in das Turbinengehäuse 18 integriert sind oder in Zuführrohren vorgesehen sind. Mittels eines solchen bewegbaren Stellelements ist beispielsweise ein stromauf des Turbinenrads 34 angeordneter und von dem Abgas durchströmbarer, insbesondere engster, Strömungsquerschnitt einstellbar.
• 9 und 10 zeigen jeweils ein Drahtgittermodell von vier Schaufelkanälen in einer x-y-Ebenen (9) und einer y-z-Ebene (10), wobei das Turbinenrad 34 beziehungsweise dessen Beschaufelung am Radeintritt rückwärtsgekrümmt ist bei zweifacher Splittung der Beschaufelung 54 mit der Gesamtanzahl von 20 Laufradschaufeln. Der Schaufeleintrittswinkel β_E beträgt hier 50 Grad. Die Beschaufelung 54 ist biegemomentenfrei streng radial stehend bezüglich der Hauptschaufeln HS und Split-Schaufeln SP ausgelegt. Da die jeweiligen Austrittskanten der Split-Schaufeln, welche auch als „Splitterschaufeln” bezeichnet werden, zum Radaustritt hin geneigt sind, ergibt sich für das dargestellte Beispiel hinsichtlich der Splitterschaufeln SP jedoch eine Biegebeanspruchung an den betreffenden Austrittskanten, weshalb der Einsatz des dargestellten Turbinenrads 34 beispielsweise für einen Kaltluftbetrieb oder Temperaturen bis maximal 220 Grad Celsius vorgesehen ist.
• 11 und 12 zeigen ein Drahtgittermodell von vier Schaufelkanälen in einer x-y-Ebene (11) und einer y-z-Ebene (12), wobei das Turbinenrad 34 beziehungsweise dessen Beschaufelung 54 vorwärtsgekrümmt ist bei zweifacher Splittung der Beschaufelung mit der Gesamtzahl von 20 Laufradschaufeln. Aus 12 ist erkennbar, dass der Schaufeleintrittswinkel β_E 130 Grad beträgt. Die Beschaufelung 54 ist ebenfalls biegemomentenfrei streng radial stehend ausgelegt. Hinsichtlich der Splitterschaufeln SP gilt die gleiche Aussage wie bei 9 und 10. Eine Anwendung stellt beispielsweise eine Expansionsturbine dar, die an die Brennstoffzellen-Luft-Versorgungseinheit gekoppelt ist, zur Minimierung des Axialschubs.
• Der in 1 und 2 gezeigte Abgasturbolader 16 umfasst somit die Turbine 32 mit dem Turbinenrad 34, welches zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung angeströmt wird, sowie den Verdichter 14 mit dem Verdichterrad 20, welches zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung abgeströmt wird.
• Obwohl in 1 und 2 keine Bypassierung der Turbine 32 dargestellt ist, können bei einer entsprechenden Auslegung von Aufladesystemen derartige Bypassierungen, beispielsweise Wastegate-Einrichtungen, zum Einsatz kommen.
• 13 zeigt die Turbine 32 gemäß einer dritten Ausführungsform. Stromauf der Laufradschaufel 56 ist ein Stellelement 79 angeordnet, welches nun jedoch um die Drehachse 48 relativ zum Turbinengehäuse 18 drehbar ist. Das Stellelement 79 ist beispielsweise in Form einer Zunge ausgebildet und ist mit einem Betätigungselement 80 verbunden. Über das Betätigungselement 80 kann das Stellelement 79 bewegt werden. Vorliegend ist das Betätigungselement 80 als Konturelement ausgebildet, welches um die Drehachse 48 drehbar ist. Dadurch kann auch das Stellelement 79 bewegt werden.
• Durch das Stellelement 79 kann eine Ablenkung beziehungsweise Umlenkung des Abgases bewirkt werden, so dass das Abgas die Beschaufelung 54 strömungsgünstig anströmt. Durch Bewegen des Stellelements 79 relativ zum Turbinengehäuse 18 kann beispielsweise ein stromauf des Turbinenrads 34 angeordneter Strömungsquerschnitt bedarfsgerecht eingestellt werden.
• In 13 ist auch der mit 82 bezeichnete Sammelraum erkennbar. Der Sammelraum 82 kann durch ein einflutiges oder mehrflutiges Segmentgehäuse symmetrisch oder asymmetrisch mit linearem oder exponentiellem Kanalverlauf gebildet sein. Aus 13 ist ferner ein Konturstück 84 erkennbar, um eine einfache Montage und Demontage der Turbine 32, insbesondere des Turbinengehäuses 18, zu ermöglichen.
• Das Stellelement 79 und das Betätigungselement 80 sind Bestandteile eines Zungenschiebers, welcher eine Mehrzahl von Stellelementen 79 umfasst, die als Sperrkörper zumindest im Wesentlichen in Form von Zungen ausgebildet sind. Hierdurch ist eine sogenannte Eintrittsvariabilität geschaffen, mittels welcher ein stromauf des Turbinenrads 34 angeordneter und von dem dem Turbinenrad 34 zuzuführenden Abgas durchströmbarer und insbesondere engster Strömungsquerschnitt einstellbar ist. Somit ist der Eintrittsquerschnitt an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit an unterschiedliche Volumen- und/oder Massenströme des Abgases angepasst werden kann. Hierdurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Turbine 32 realisierbar. Zum Einstellen des Zungenschiebers ist dieser mit der Recheneinrichtung 28 gekoppelt, über die der Zungenschieber geregelt oder gesteuert wird.
• Der Zungenschieber umfasst eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 über dessen Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnete Sperrkörper, mittels welchen der Eintrittsquerschnitt sowie vorteilhafterweise ein Drall des Abgases variabel einstellbar ist. Die Zungen sind dabei um die Drehachse 48 des Turbinenrads 34 relativ zum Turbinengehäuse 18 drehbar, wodurch der Eintrittsquerschnitt eingestellt wird. Zur Realisierung einer einfachen Betätigung der Zungen sind diese mit dem den Zungen gemeinsamen Betätigungselement 80 gekoppelt, welches um die Drehachse 48 des Turbinenrads 34 drehbar ist, wobei die Zungen mit dem Betätigungselement 80 mitdrehbar sind. Der Zungenschieber eignet sich besonders gut für Ottomotoren, da eine besonders hohe Durchsatzspreizung darstellbar ist.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Ansaugtrakt

14

Verdichter

16

Abgasturbolader

18

Turbinengehäuse

20

Verdichterrad

22

Aufnahmeraum

24

Ladeluftkühler

26

Drosselklappe

28

Recheneinrichtung

30

Abgastrakt

32

Turbine

34

Turbinenrad

36

Welle

44

Lagergehäuse

47

Rotor

48

Drehachse

50

Laufradnabe

54

Beschaufelung

56

Laufradschaufel

60

Anströmkante

62

Stellelement

64

Radeintrittsbereich

66

Abströmkante

68

Radaustrittsbereich

70

Schaufelkanal

72

Verlauf

74

Verlauf

76

Verlauf

78

Umlenkelement

79

Stellelement

80

Betätigungselement

82

Sammelraum

η_T

Turbinenwirkungsgrad

AK

Außenkontur

SP

Splitterschaufel

HS

Hauptschaufel

α

Winkel

β_E

Schaufeleintrittswinkel

β_A

Schaufelaustrittswinkel

w_A

relative Strömungsgeschwindigkeit

w_E

relative Strömungsgeschwindigkeit

u_E

Umfangsgeschwindigkeit

c_E

Absolutgeschwindigkeit

u_A

Umfangsgeschwindigkeit

Claims (5)

1. Turbine (32) für einen Abgasturbolader (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem um eine Drehachse (48) drehbaren und wenigstens eine Laufradschaufel (56) aufweisenden Turbinenrad (34), welches bei einem Betrieb der Turbine (32) über wenigstens eine Anströmkante (60) der Laufradschaufel (56) von Abgas anströmbar und von dem Abgas antreibbar und von dem Abgas über wenigstens eine Abströmkante (66) der Laufradschaufel (56) in axialer Richtung abströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Anströmkante (60) der Laufradschaufel (56) im Wesentlichen gegenläufig zur axialen Richtung der Abströmung angeströmt wird und zumindest bereichsweise in einer Ebene angeordnet ist, welche mit der axialen Richtung einen Winkel α in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 160 Grad, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 135 Grad, einschließt.
2. Turbine (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α in einem Bereich von einschließlich 90 Grad bis einschließlich 120 Grad liegt.
3. Turbine (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Anströmkante (60) wenigstens ein Umlenkelement (78) zum Umlenken des Abgases angeordnet ist.
4. Turbine (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Anströmkante (60) wenigstens ein Stellelement (79) zum Einstellen eines von Abgas durchströmbaren und stromauf der Anströmkante (60) angeordneten Strömungsquerschnitts angeordnet ist.
5. Turbine (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufel (56) vorwärtsgekrümmt oder rückwärtsgekrümmt ist.

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