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Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 7 sowie einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 8.
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Die Offenlegungsschrift
DE 103 25 985 A1 offenbart einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine eines Abgasturboladers. Mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates ist eine Anströmung eines Turbinenrades der Turbine von aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgasen konditionierbar. Der Leitapparat weist hierzu eine Anzahl verstellbarer Leitschaufeln auf, welche in einem Düsenkanal im Abgasführungsabschnitt, stromauf einer Radkammer im Abgasführungsabschnitt, in welcher das Turbinenrad drehbar aufgenommen ist, positioniert sind. Der Leitapparat weist einen Lagerring mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln auf, wobei die Leitschaufeln am Lagerring mit Hilfe von Leitschaufelwellen drehbar gelagert sind. Den Leitschaufelwellen sind prinzipiell Verstellhebel zugeordnet, welche in einen Drehring eingreifbar ausgebildet sind. Zur Aufnahme der Verstellhebel weist der Drehring Ausnehmungen auf.
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Die Bauteile des verstellbaren Leitapparates sind bei einer insbesondere im Betrieb einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug aufgrund der immer wieder wechselnden thermischen Beaufschlagung des Abgasführungsabschnitts durch immer wieder wechselnde Lastzustände der Brennkraftmaschine wechselnden Temperaturen unterworfen, welche zu Ausdehnungsänderungen führen. Somit kann es im Betrieb zu einem Verklemmen der Leitschaufeln kommen, so dass ein Ausfall des Abgasturboladers möglich ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde einen verstellbaren Leitapparat bereitzustellen, welcher sich durch ein hohes Maß an Betriebssicherheit auszeichnet, die mit Hilfe einfacher Maßnahmen herbeizuführen ist. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Turbine bereitzustellen, welche eine ebenfalls erhöhte Betriebssicherheit aufweist, sowie einen Abgasturbolader mit einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad auszubilden.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie mit einer Turbine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solcher verstellbarer Leitapparat für eine Turbine umfasst einen Lagerring mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln, wobei die Leitschaufeln am Lagerring mit Hilfe von Leitschaufelwellen drehbar gelagert sind. Mit Hilfe eines Drehrings wird die Drehbewegung der Leitschaufeln eingeleitet.
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Erfindungsgemäß ist die Bewegung der Leitschaufeln mit Hilfe eines Form- und Kraftschlusses zwischen der jeweiligen Leitschaufelwelle und dem Lagerring herbeiführbar. Üblicherweise wird eine Bewegung der Leitschaufeln durch einen Formschluss herbeigeführt. Hierzu ist an jeder Leitschaufelwelle je ein Hebelarm ausgebildet, welcher in den Drehring eingreifbar ausgestaltet ist. Ein Ende des Hebelarms ist mit der Leitschaufelwelle drehfest verbunden, das andere Ende des Hebelarms ist in eine komplementär zu dem am Ende des Hebelarms ausgebildeten Hebelarmabschnitt ausgestaltete Aufnahmeöffnung des Drehrings aufgenommen. Dabei wird zur Bewegung der Leitschaufeln der Drehring in eine Rotationsbewegung versetzt, so dass der jeweilige Hebelarmabschnitt mit Hilfe der Aufnahmeöffnung um eine Drehachse der Leitschaufelwelle bewegt wird.
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Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zu einem Formschluss ein Kraftschluss die Bewegung der Leitschaufeln einleitet. Das bedeutet, dass ein Kraftschluss vorliegen muss, damit eine Bewegung erfolgt. Hierzu müssen die entsprechenden, einen Kraftschluss bildenden Flächen einander mindestens teilweise berühren, da ansonsten keine Bewegung erfolgen kann. Das bedeutet, dass die den Kraftschluss bildenden Flächen eine entsprechende Ausrichtung aufweisen zur Herstellung des Kraftschlusses. Diese Ausrichtung ist unabhängig von Temperatureinflüssen und somit Ausdehnungsänderungen. Somit ist ein Verkanten der Leitschaufeln, bedingt durch bspw. eine Formänderung der Leitschaufelwelle oder der Verstellhebel nahezu ausgeschlossen. Damit ist die den Kraftschluss und den Formschluss zur Bewegung der Leitschaufeln aufweisende erfindungsgemäße Verstellvorrichtung betriebssicher.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Leitschaufelwelle an ihrem von der Leitschaufel abgewandt positionierten Ende einen zweiten Durchmesser auf, welcher größer ist als ein erster Durchmesser, welcher an einem der Leitschaufel zugewandt positionierten Ende der Leitschaufelwelle ausgebildet ist, wobei eine im Lagerring ausgebildete Lageröffnung der jeweiligen Leitschaufelwelle komplementär zur Leitschaufelwelle ausgestaltet ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es möglich auf einfache Weise einen Form- und Kraftschluss herbeizuführen. Grundsätzlich liegt an einer von den Leitschaufeln abgewandten Fläche des Lagerrings ein Druck an, welcher stromauf der Leitschaufeln im Abgasführungsabschnitt vorherrscht. Aufgrund einer Strömungsbeschleunigung, welche mit Hilfe der Leitschaufeln herbeigeführt wird, erfolgt eine Druckabsenkung stromab der Leitschaufeln. Aufgrund dieser Druckdifferenz werden die Leitschaufeln in Richtung einer dem Lagerring gegenüberliegenden Wandung gedrückt. Dadurch, dass die Leitschaufelwelle an ihrem von der Leitschaufel abgewandt ausgebildeten Ende einen größeren Durchmesser aufweist als an dem der Leitschaufel zugewandt ausgebildeten Ende ist sichergestellt, dass ein Kraftschluss zwischen der Lageröffnung und der Leitschaufelwelle ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird die Leitschaufelwelle aufgrund der vorherrschenden Druckdifferenz in die Richtung der Leitschaufel und damit in die Richtung des Wellenendes mit dem kleineren Durchmesser gedrückt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist an einem von den Leitschaufeln abgewandten Ende der Leitschaufelwelle eine Stützscheibe ausgebildet. Mit Hilfe dieser Stützscheibe ist es ermöglicht auf einfache Weise einen Kraftschluss zwischen der Lagerscheibe und der Leitschaufelwelle herbeizuführen, wobei eine senkrecht zu einer Wellenachse der Leitschaufelwelle ebene Kontaktfläche zwischen der Stützscheibe und dem Lagerring ausgebildet ist, welche eine hohe Funktionssicherheit realisiert.
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Idealerweise ist in einer weiteren Ausgestaltung die Stützscheibe ein Eingriffselement aufweisend ausgebildet, welches in eine Ausnehmung des Drehrings hineinragbar ausgestaltet ist, so dass eine Initiierung der Drehbewegung der Leitschaufeln auf einfache Weise ermöglicht wird. Insbesondere ist zur verbesserten Bewegbarkeit die Ausnehmung des Drehrings in Form eines Langlochs ausgebildet.
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In einer weiteren kostengünstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparates ist der Drehring durch Stanzen herstellbar. Das Stanzen als Herstellungsverfahren ist ein für insbesondere dünne Bauteile äußerst kostengünstiges und einfaches Herstellungsverfahren. Mitunter haften im Stanzverfahren hergestellten Bauteilen so genannte Stanzgrate an. Bisher konnten unter bestimmten Betriebsbedingungen Kontakte des Drehrings an seinem Außendurchmesser zu einem Sicherungsring, welcher den Drehring umfassend ausgebildet ist, auftreten, welcher bei nicht korrekt entgratetem Drehring zum Verklemmen führen konnte. Dieser Nachteil ist allerdings mit dem Drehring des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates aufgrund seiner Formgestaltung eliminiert, so dass ein effektives und einwandfreies Betriebsverhalten mit Hilfe des kostengünstig hergestellten Drehrings realisierbar ist.
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Eine Turbine für einen Abgasturbolader, aufweisend einen Abgasführungsabschnitt, mit einem in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommenen Turbinenrad, weist in ihrem Abgasführungsabschnitt einen erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auf, wobei die Leitschaufeln des verstellbaren Leitapparats in einem Düsenkanal stromauf der Radkammer positioniert sind. Der Vorteil dieser Turbine ist ein deutlich verbessertes gesichertes Betriebsverhalten, da mit Hilfe des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ein Versagen der Turbine aufgrund eines Verklemmens des Drehrings und ein Verkanten der Leitschaufelwellen nahezu ausgeschlossen ist.
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Insbesondere zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Turbine durch eine ausgeprägte Betriebssicherheit, wodurch ein Versagen des Abgasturboladers weitestgehend reduziert ist, aus. Dies wiederum führt zu einer insbesondere in Verbindung mit einer in Fahrzeugen vorgesehenen Brennkraftmaschine Reduzierung von Abgasemissionen, da ein gesichertes Betriebsverhalten des Abgasturboladers ausgebildet ist und somit eine optimierte Abstimmung zwischen dem Abgasturbolader und der Brennkraftmaschine herbeiführbar ist.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 In einer Schnittdarstellung einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit einem verstellbaren Leitapparat gemäß dem Stand der Technik,
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2 in einer perspektivischen Ansicht einen Lagerring eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates in einer Vorderansicht,
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3 in einer perspektivischen Ansicht einen Lagerring mit Leitschaufeln des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates in einer Vorderansicht,
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4 in einer perspektivischen Ansicht den Lagerring gem. 2 in einer Rückansicht,
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5 in einer perspektivischen Ansicht den Lagerring mit Leitschaufeln gem. 3 in einer Rückansicht,
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6 in einer perspektivischen Ansicht den Lagerring gem. 4 mit einem Drehring,
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7 in einer Draufsicht den Drehring gem. 6.
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Ein durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 1 eines Abgasturboladers 2 mit einem verstellbaren Leitapparat 3 gemäß dem Stand der Technik ist gem. 1 aufgebaut. Der Abgasturbolader 2 ist in einem nicht näher dargestellten Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt, platziert. Der Abgasturbolader 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitt und einen Lagerabschnitt 4 auf, welcher in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Der Abgasturbolader 2 umfasst zudem ein Laufzeug 5, mit einem nicht näher dargestellten Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, einem Turbinenrad 6 zur Expansion von Abgas sowie mit einer das Verdichterrad mit dem Turbinenrad 6 drehfest verbindenden Welle 7 mit einer Drehachse 8. Die Welle 7 ist im Lagerabschnitt 4 des Abgasturboladers 2 drehbar gelagert, welcher zwischen dem nicht näher dargestellten Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt 1 positioniert ist.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 1 ist ein Eintrittskanal 9 im Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildet. Der Eintrittskanal 9 dient zur Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad 6 in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 7 wird das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Stromab des Eintrittskanals 9 ist im Abgasführungsabschnitt 1 ein Spiralkanal 10 angeordnet, welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient. Des Weiteren ist der Spiralkanal 10 als Verbindungskanal zwischen dem Eintrittskanal 9 und einem Düsenkanal 11, welcher stromab des Spiralkanals 10 positioniert Ist, ausgebildet. Stromab des Düsenkanals 11 ist eine Radkammer 12 im Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehen, in welcher das Turbinenrad 6 drehbar aufgenommen ist. Stromab der Radkammer 12 weist der Abgasführungsabschnitt 1 einen Austrittskanal 13 zum Entweichen des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 1 auf.
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Damit sowohl bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein größtmöglicher Abgasturboladerwirkungsgrad erreichbar ist, ist das Abgas mit Hilfe des verstellbar ausgebildeten Leitapparates 3 konditionierbar.
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In 1 ist ein Leitapparat 3 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Leitapparat 3 ist das Turbinenrad 6 ringförmig umfassbar ausgebildet und weist einen Lagerring 14 zur Aufnahme von Leitschaufeln 15 auf, welche zur Strömungskonditionierung vorgesehen sind. Die Leitschaufeln 15 sind am Lagerring 14 drehbar gelagert.
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Der Lagerring 14 ist im Abgasführungsabschnitt 1 so positioniert, dass die Leitschaufeln 15 im Düsenkanal 11 angeordnet sind. Dem Lagerring 14 gegenüberliegend positioniert ist eine Konturhülse 16, welche zur Strömungskonditionierung und zur vereinfachten Montage des Leitapparates 3 ausgebildet ist.
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Zur drehbaren Lagerung der Leitschaufeln 15 am Lagerring 14 ist je Leitschaufel 15 eine Leitschaufelwelle 17 vorgesehen, welche mit der Leitschaufel 15 drehfest verbunden ist und welche am Lagerring 14 drehbar gelagert aufgenommen ist. Zur Verdrehung der Leitschaufelwelle 17 und somit der Leitschaufel 15 weist die Leitschaufelwelle 17 an ihrem von der Leitschaufel 15 abgewandt angeordneten Ende einen Verstellhebel 18 auf, welcher mit der Leitschaufelwelle 17 ebenfalls drehfest verbunden ist.
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Die Drehbewegung der Leitschaufeln 15 ist mit Hilfe eines Drehrings 19 initiierbar, welcher koaxial mit dem Lagerring 14 im verstellbaren Leitapparat 3 positioniert ist. Der Drehring 19 weist Ausnehmungen auf, in welche die Verstellhebel 18 eingreifbar ausgebildet sind, wobei zum Eingriff in die entsprechende Ausnehmung idealerweise ein von der Leitschaufelwelle 17 abgewandt ausgebildetes Ende des Verstellhebels 18 vorgesehen ist.
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Zur Sicherung des Drehrings 19 weist der verstellbare Leitapparat 3 gemäß dem Stand der Technik einen Klemmring 20 auf, welcher als axiale und radiale Lagerung des Drehrings 19 ausgebildet ist.
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Zur Reduzierung einer Klemmneigung, welche aufgrund von hohen Temperaturänderungen während des Betriebs des Abgasturboladers 2 auftritt, ist ein erfindungsgemäßer verstellbarer Leitapparat 3 in einem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 bis 7 ausgebildet.
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Im Lagerring 14, welcher eine Wanddicke W aufweist, sind den Lagerring 14 vollständig durchdringende Lageröffnungen 21 zur Lagerung der Leitschaufelwellen 17 ausgebildet. Die Lageröffnungen 21 sind einen ersten Durchmesser D1 und einen zweiten Durchmesser D2 aufweisend ausgestaltet, wobei der erste Durchmesser D1 kleiner ausgebildet ist als der zweite Durchmesser D2. Zur Reduzierung von Strömungsverlusten ist idealerweise der erste Durchmesser D1 in einem den Leitschaufeln 15 benachbarten Bereich des Lagerrings 14 ausgebildet, wohingegen der zweite Durchmesser D2 in einem von den Leitschaufeln 15 abgewandt ausgebildeten Bereich des Lagerrings 14 ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist die Lageröffnung 21 den ersten Durchmesser D1 an einer Vorderseite des Lagerrings 14 auf, welche den Leitschaufeln 15 zugewandt ausgebildet ist, und den zweiten Durchmesser D2 somit an einer Rückseite des Lagerrings 14. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Lageröffnung 21 nur den ersten Durchmesser D1 und den zweiten Durchmesser D2 auf, es ist allerdings auch denkbar, dass die Lageröffnung konisch ausgebildet ist, derart, dass sich ausgehend von dem ersten Durchmesser D1 ein Durchmesser D der Lageröffnung 21 über die Wanddicke W des Lagerrings 14 bis zum zweiten Durchmesser D2 stetig vergrößert.
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Die Leitschaufelwelle 17 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel robust ausgebildet und bietet den Vorteil, dass ein auf die Leitschaufel 15 einwirkendes Drehmoment mit Hilfe einer gegenüber dem Stand der Technik kürzeren und dickeren, daher verdrehsicheren und verschleißreduzierteren Leitschaufelwelle 17 herbeigeführt werden kann.
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Mit Hilfe der unterschiedlichen Durchmesser der Lageröffnung 21 ist es ermöglicht, dass eine Kontaktfläche 22 zwischen der Lageröffnung 21 und der Leitschaufelwelle 17 ausgebildet ist, so dass zur Bewegung der Leitschaufeln 15 ein Kraftschluss zwischen der Leitschaufelwelle 17 und dem Lagerring 14 ausgebildet ist.
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Die Leitschaufelwelle 17 ist zur kraftschlüssigen Bewegung komplementär zur Lageröffnung 21 ausgebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Leitschaufelwelle 17 hierzu an ihrem von der Leitschaufel 15 abgewandt ausgebildeten Ende eine Scheibe 23 auf. Die Scheibe 23 ist einen dritten Durchmesser D3 aufweisend ausgebildet, wobei dieser dritte Durchmesser D3 nahezu dem Durchmesser D2 entspricht. Zu einfachen Bewegbarkeit der Leitschaufelwelle 17 ist der zweite Durchmesser D2 großer ausgebildet als der Durchmesser D3.
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Zur Initiierung der Bewegung der Leitschaufel 15 ist ein stiftförmiges Eingriffselement 24 an der Scheibe 23 an deren von der Leitschaufel 15 abgewandt ausgebildeten Ende positioniert.
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Zur Einleitung der Bewegung ist der Drehring 19 des erfindungsgemäßen Leitapparats 3 scheibenartig ausgestaltet, nutartige Ausnehmungen 25 aufweisend. Die Anzahl der nutartigen Ausnehmungen 25 entspricht einer Leitschaufelanzahl des verstellbaren Leitapparates 3. Somit ist jedem Eingriffselement 24 eine Ausnehmung 25 zuordenbar. Im betriebsbereiten Zustand des verstellbaren Leitapparates 3 ist das Eingriffselement 24 in der Ausnehmung 25 positioniert. Der Drehring 19 ist im Lagerring 14 mit Hilfe eines Stützringes 26, welcher dem Lagerring 14 zugeordnet und am Umfang des Lagerrings ausgebildet ist, radial gelagert. Der Drehring 19 und der Lagerring 14 sind koaxial ausgebildet.
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Der so ausgebildete Drehring 19 weist auch bei geringer Dicke eine hohe Stabilität und Elastizität auf. Dies wiederum reduziert, zusätzlich zu einem verbesserten Verschleißverhalten, eine Klemmneigung des Drehringes 19, so dass eine Funktionstüchtigkeit des verstellbaren Leitapparates 3 wesentlich erhöht ist.
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Aufgrund der einfachen und robusten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates 3 ist es möglich das Verschleißverhalten zu verbessern und somit die Betriebssicherheit zu steigern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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