DE102013106063A1 - Adjustable guide vane for turbine of turbocharger, has carrier ring that is formed from material with low expansion coefficient and high thermal conductivity to reduce first gap - Google Patents

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Abstract

The guide vane has a carrier ring (10) that is rotatably provided with several guide vanes (11). The carrier ring is arranged opposite to a contour of a sleeve (12) so that the guide vanes are rotatably positioned between the carrier ring and contour of the sleeve. A first gap (13) is formed between the contour of the sleeve and vanes. A second gap (14) is formed between the carrier ring and vanes. The carrier ring is formed from a material with low expansion coefficient and high thermal conductivity to reduce the first gap.

Description

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to an adjustable nozzle for a turbine specified in the preamble of claim 1. Art.

Aus der Patentschrift EP 1 642 009 B1 geht ein verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers hervor. Die Turbine weist einen verstellbaren Leitapparat auf. Der verstellbare Leitapparat umfasst einen Trägerring, an welchem eine Mehrzahl von Leitschaufeln verdrehbar gelagert positioniert sind. Dem Trägerring ist eine Konturhülse gegenüberliegend angeordnet, derart, dass zwischen dem Trägerring und der Konturhülse die Leitschaufeln verdrehbar positionierbar sind. Zwischen den Leitschaufeln und an die Leitschaufeln angrenzende Wandungen ist jeweils ein Spalt ausgebildet, welcher zur Bewegbarkeit der Leitschaufeln einer Verformung des Trägerrings als Folge einer thermischen Belastung Rechnung trägt. Dabei liegt zwischen dem Trägerring und der Mehrzahl von Leitschaufeln ein erster Spalt sowie zwischen der Konturhülse und der Mehrzahl von Leitschaufeln ein zweiter Spalt vor.From the patent EP 1 642 009 B1 is an adjustable nozzle for a turbine, in particular for a turbine of an exhaust gas turbocharger out. The turbine has an adjustable nozzle. The adjustable nozzle comprises a support ring on which a plurality of vanes are positioned rotatably mounted. The support ring is arranged opposite a contour sleeve, such that the guide vanes are rotatably positionable between the support ring and the contour sleeve. A gap is formed in each case between the guide vanes and the walls adjoining the guide vanes, which gap accommodates a deformation of the carrier ring as a result of thermal loading in order to allow the vanes to be movable. In this case, there is a first gap between the carrier ring and the plurality of guide vanes and a second gap between the contour sleeve and the plurality of vanes.

Der verstellbare Leitapparat ist vorgesehen zur Steigerung eines effektiven Wirkungsgrades der Turbine im Betrieb. Mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates ist ein effektiver Strömungsquerschnitt stromauf eines Turbinenrades einstellbar, wobei das Turbinenrad von dem verstellbaren Leitapparat weitestgehend umfassbar ausgebildet ist. Die Leitschaufeln sind jeweils an einer Leitschaufelwelle verdrehbar am Trägerring gelagert und sind synchron verstellbar. Das heißt, dass ein zwischen nebeneinander positionierten Leitschaufeln ausgebildeter Strömungsspalt in seiner radialen Erstreckung einstellbar ist. Somit besteht die Möglichkeit beispielsweise bei geringen, die Turbine durchströmenden Fluidmengen, in der Regel Abgas einer Brennkraftmaschine, einen relativ hohen Druck stromauf des Turbinenrades zu erzeugen, so dass ein, selbst bei geringen Abgasmengen, hohes Druckgefälle am Turbinenrad erzielbar ist.The adjustable nozzle is provided to increase an effective efficiency of the turbine during operation. With the aid of the adjustable diffuser, an effective flow cross-section upstream of a turbine wheel is adjustable, wherein the turbine wheel is formed by the adjustable diffuser largely comprehensible. The guide vanes are each rotatably mounted on a guide shaft on the carrier ring and are synchronously adjustable. This means that a flow gap formed between adjacent guide vanes is adjustable in its radial extent. Thus, there is the possibility, for example, at low, flowing through the turbine fluid quantities, usually exhaust gas of an internal combustion engine, to generate a relatively high pressure upstream of the turbine wheel, so that, even with small amounts of exhaust gas, high pressure gradient on the turbine wheel can be achieved.

Das heißt, dass mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates der effektive Wirkungsgrad der Turbine an den Betrieb der Brennkraftmaschine anpassbar ausgebildet ist.This means that with the help of the adjustable nozzle, the effective efficiency of the turbine is adapted to the operation of the internal combustion engine.

Problematisch ist, dass zur freien Bewegbarkeit der Leitschaufeln axiale Spalte zwischen die Leitschaufeln axial begrenzende Wandungen ausgebildet sind, der erste Spalt und der zweite Spalt. Diese Spalte weisen eine bestimmte Größe auf, welche eine über den gesamten Betriebsbereich der Turbine gesicherte Verdrehbarkeit der Leitschaufeln erlaubt, das heißt, dass die Spalte so groß sind, dass bei einem thermischen Verzug der die Leitschaufeln axial begrenzenden Bauteile, bspw. des Trägerrings, dennoch eine Bewegbarkeit der Leitschaufeln ohne Verklemmen derselben möglich ist. Dies wiederum bedeutet allerdings einen bestimmten Wirkungsgradverlust, welcher aufgrund des ersten Spaltes und des zweiten Spaltes und der an den Leitschaufeln durch diese Spalte unkontrolliert vorbeiströmenden Abgasmengen herbeigeführt ist.The problem is that axial gaps are formed between the guide vanes axially delimiting walls for free mobility of the vanes, the first gap and the second gap. These gaps have a certain size, which allows a secured over the entire operating range of the turbine rotatability of the vanes, that is, that the gaps are so large that at a thermal distortion of the vanes axially delimiting components, eg. The carrier ring, yet a mobility of the vanes without jamming of the same is possible. However, this in turn means a certain loss of efficiency, which is brought about because of the first gap and the second gap and the uncontrolled flowing past the guide vanes through this column exhaust gas quantities.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen verstellbaren Leitapparat bereitzustellen, welcher sich durch eine Reduzierung der Wirkungsgradverluste auszeichnet, die mit Hilfe einfacher Maßnahmen herbeizuführen sind.The invention has for its object to provide an adjustable nozzle, which is characterized by a reduction in efficiency losses, which are to be brought about by means of simple measures.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by means of an adjustable nozzle for a turbine having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.

Ein solcher verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, weist einen Trägerring auf, mit einer Mehrzahl von am Trägerring verdrehbar gelagerten Leitschaufeln, sowie eine Konturhülse, welche dem Trägerring axial gegenüberliegend koaxial angeordnet ist. Die Konturhülse und der Trägerring sind derart zueinander angeordnet, dass zwischen dem Trägerring und der Konturhülse die Leitschaufeln verdrehbar positionierbar sind, wobei zwischen dem Trägerring und der Mehrzahl von Leitschaufeln in axialer Richtung ein erster Spalt ausgebildet ist und zwischen der Konturhülse und der Mehrzahl von Leitschaufeln ein zweiter Spalt ebenfalls in axialer Richtung ausgebildet ist.Such an adjustable distributor for a turbine, in particular for a turbine of an exhaust gas turbocharger, has a carrier ring, with a plurality of guide vanes rotatably mounted on the carrier ring, and a contour sleeve, which is arranged axially opposite the carrier ring coaxially. The contour sleeve and the carrier ring are arranged relative to one another such that between the carrier ring and the contour sleeve, the guide vanes are rotatably positionable, wherein between the carrier ring and the plurality of vanes in the axial direction, a first gap is formed and between the contour sleeve and the plurality of vanes second gap is also formed in the axial direction.

Erfindungsgemäß zeichnet sich der verstellbare Leitapparat dadurch aus, dass der Trägerring aus einem Material ausgebildet ist, welches einen geringen Ausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei bevorzugt das Material SiMoCr einsetzbar ist.According to the invention, the adjustable diffuser is characterized in that the support ring is formed from a material which has a low coefficient of expansion with simultaneously high thermal conductivity, wherein preferably the material SiMoCr can be used.

Der Grund zur Wahl eines eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Materials ist darin zu sehen, dass durch eine quasi einseitige thermische Beaufschlagung des Trägerrings eine inhomogene Temperaturverteilung im Trägerring vorherrscht. Die quasi einseitige thermische Beaufschlagung liegt darin begründet, dass ein Bereich des Trägerrings, der den Leitschaufeln zugewandt ausgebildete Bereich, der unmittelbaren Beaufschlagung durch das Abgas ausgesetzt ist, wohingegen der dem Lagergehäuse zugewandt ausgebildete Bereich keiner unmittelbaren Abgasbeaufschlagung unterliegt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist dieser inhomogenen Temperaturverteilung als entgegenwirkend anzusehen.The reason for choosing a material having a high thermal conductivity is the fact that an inhomogeneous temperature distribution prevails in the carrier ring as a result of quasi-one-sided thermal loading of the carrier ring. The quasi-one-sided thermal loading is due to the fact that an area of the carrier ring, the area facing the guide vanes, is exposed to the direct application of the exhaust gas, whereas the region formed facing the bearing housing is not subject to any direct exhaust gas. The high thermal conductivity is to be regarded as counteracting this inhomogeneous temperature distribution.

Mit Hilfe eines geringen Ausdehnungskoeffizienten ist ein Trägerring erzielbar, welcher auch bei sehr hohen Abgastemperaturen eine nur geringe Verformung und somit eine sehr geringe Verzugsneigung auch bei sehr hohen Betriebstemperaturen, beispielsweise bei 900°C der Abgastemperatur aufweist. Damit weist der verstellbare Leitapparat den Vorteil auf, dass der erste Spalt und der zweite Spalt soweit reduziert werden können, bei gleichzeitiger Sicherung der freien Bewegbarkeit der Leitschaufeln in allen Betriebspunkten der Turbine, somit über den gesamten Betriebsbereich der Turbine, dass ein wesentlich höherer Wirkungsgrad der Turbine erzielbar ist. With the help of a low expansion coefficient, a carrier ring can be achieved, which has only a small deformation and thus a very low tendency to warp even at very high operating temperatures, for example at 900 ° C the exhaust gas temperature even at very high exhaust gas temperatures. Thus, the adjustable nozzle has the advantage that the first gap and the second gap can be reduced so far, while ensuring the free mobility of the vanes in all operating points of the turbine, thus over the entire operating range of the turbine, that a much higher efficiency of Turbine is achievable.

Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße verstellbare Leitapparat sowohl bei niedrigen Abgastemperaturen als auch bei hohen Abgastemperaturen einen immer nahezu gleich großen ersten Spalt und zweiten Spalt aufweist, so dass diese Spalte ein sehr geringes Maß aufweisen können, ohne dass aufgrund eines Verzugs durch einen hohen Wärmeeintrag in den Trägerring durch das den Trägerring umströmende Abgas ein Verklemmen der Leitschaufeln auftritt. Somit ist ein gesicherter Betrieb über den gesamten Betriebsbereich der Turbine bei geringen Spalt- und somit geringen Strömungsverlusten mit Hilfe des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates erzielbar.This means that the adjustable diffuser according to the invention has an almost equally large first gap and second gap both at low exhaust gas temperatures and at high exhaust gas temperatures, so that these gaps can have a very low level, without causing distortion due to a high heat input in the support ring by the exhaust gas flowing around the support ring jamming of the vanes occurs. Thus, a secure operation over the entire operating range of the turbine at low clearance and thus low flow losses by means of the adjustable nozzle according to the invention can be achieved.

In einer Ausgestaltung weist der Trägerring zur Verhinderung einer Korrosion eine Beschichtung auf.In one embodiment, the carrier ring to prevent corrosion on a coating.

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 der Figur 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or shown alone in the figure can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die einzige Figur zeigt in einem Schnitt einen erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat 1 einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine 2 für einen Abgasturbolader eines Personenkraftwagens. Die Turbine 2 weist ein Lagergehäuse 3 auf, in dem eine Welle 4 eines Laufrads 5 um eine Rotationsachse 6 drehbar gelagert ist. Über die Welle 4 treibt des Laufrad 5 der Turbine 2 das nicht dargestellte Laufrad eines Verdichters des Turboladers an. Das Laufrad 5 besitzt Laufschaufeln 7, denen Abgas über den das Laufrad 5 radial umfassenden Leitapparat 1 in Strömungsrichtung 8 zugeführt wird. Das Abgas wird über einen Turbinenaustritt 9 in ein nicht dargestelltes Abgassystem einer Brennkraftmaschine geleitet.The single FIGURE shows a sectional view of an adjustable nozzle according to the invention 1 a turbine 2 , in particular a turbine 2 for an exhaust gas turbocharger of a passenger car. The turbine 2 has a bearing housing 3 in which a wave 4 an impeller 5 around a rotation axis 6 is rotatably mounted. About the wave 4 drives the impeller 5 the turbine 2 the impeller, not shown, a compressor of the turbocharger on. The impeller 5 owns blades 7 that exhaust over the the impeller 5 Radially comprehensive distributor 1 in the flow direction 8th is supplied. The exhaust gas is via a turbine outlet 9 directed into an unillustrated exhaust system of an internal combustion engine.

Der verstellbare Leitapparat 1 umfasst im Wesentlichen einen Trägerring 10, welcher eine Mehrzahl verdrehbar gelagerter Leitschaufeln 11 aufweist, sowie eine Konturhülse 12, welche dem Trägerring 10 gegenüberliegend angeordnet ist, derart, dass zwischen dem Trägerring 10 und der Konturhülse 12 die Leitschaufeln 11 verdrehbar positionierbar sind.The adjustable diffuser 1 essentially comprises a carrier ring 10 , which is a plurality of rotatably mounted vanes 11 has, as well as a contour sleeve 12 which the carrier ring 10 is arranged opposite, such that between the support ring 10 and the contour sleeve 12 the vanes 11 are rotatably positionable.

Zwischen dem Trägerring 10 und der Mehrzahl von Leitschaufeln 11 ist ein erster Spalt 13 ausgebildet. Ebenso ist zwischen der Konturhülse 12 und der Mehrzahl von Leitschaufeln 11 ein zweiter Spalt 14 ausgebildet. Zur Wahrung des ersten Spaltes 13 und des zweiten Spaltes 14, welche die Drehbarkeit der Leitschaufeln 11 sichern, sowie zur Abstandssicherung eines Spieles zwischen der Konturhülse 12 und den Laufschaufeln 7 sind Distanzelemente 15 in Form von Distanzbolzen vorgesehen, welche einenends am Trägerring 10 und anderenends an der Konturhülse 12 aufgenommen sind.Between the carrier ring 10 and the plurality of vanes 11 is a first gap 13 educated. Likewise, between the contour sleeve 12 and the plurality of vanes 11 a second gap 14 educated. To preserve the first gap 13 and the second gap 14 showing the rotatability of the vanes 11 secure, as well as for securing distance of a game between the contour sleeve 12 and the blades 7 are spacers 15 provided in the form of spacer bolts, which at one end on the support ring 10 and at the other end to the contour sleeve 12 are included.

Die Distanzbolzen 15 weisen stirnseitig Nietköpfe 16 auf, durch die die Konturhülse 12 und der Trägerring 10 gegen Anschläge der Distanzelemente 15 gedrückt werden.The spacer bolts 15 have rivet heads on the front side 16 on, through which the contour sleeve 12 and the carrier ring 10 against stops of the spacer elements 15 be pressed.

Die verstellbaren Leitschaufeln 11 werden durch einen Verstellmechanismus 17 über einen Stellring 18, Stellhebel 19 und mit den Leitschaufeln 11 verbundenen Stellwellen 20 in Abhängigkeit von Betriebsparametern verstellt. Der Trägerring 10 und die mit ihm zu einer Montageeinheit unverlierbar verbundenen Komponenten, insbesondere die Konturhülse 12, die Leitschaufeln 11, die Distanzelemente 15, der Trägerring 10 und Teile des Verstellmechanismus 17, werden im Gehäuse 21 der Turbine 2 mit Hilfe eines flexibles Stützelementes 22 gehalten und zentriert.The adjustable vanes 11 be through an adjustment mechanism 17 via a collar 18 , Adjusting lever 19 and with the vanes 11 connected control shafts 20 adjusted depending on operating parameters. The carrier ring 10 and with him to a mounting unit captively connected components, in particular the contour sleeve 12 , the vanes 11 , the spacer elements 15 , the carrier ring 10 and parts of the adjustment mechanism 17 , be in the case 21 the turbine 2 with the help of a flexible support element 22 held and centered.

Das Gehäuse 21 besitzt einen Spiralkanal 25, dessen Strömungsquerschnitt sich von einem nicht dargestellten tangentialen Einlass in bekannter Weise über den Umfang des Gehäuses 21 verjüngt. In das Gehäuse 21 ist die Konturhülse 12 mit ihrem axial verlaufenden Teil begrenzt axial verschiebbar eingesetzt und an dessen äußerem Umfang durch einen radialen Dichtring 23 abgedichtet, der in einer Nut 24 eingebettet ist. Somit kann sich der verstellbare Leitapparat 1 auf unterschiedliche Wärmedehnungen während des Betriebs der Turbine 2 einstellen, ohne dass es zu Verspannungen benachbarter Bauteile, insbesondere des Verstellmechanismus 17, kommt.The housing 21 has a spiral channel 25 whose flow cross section extends from a tangential inlet, not shown, in a known manner over the circumference of the housing 21 rejuvenated. In the case 21 is the contour sleeve 12 limited axially slidably inserted with its axially extending part and on the outer circumference by a radial sealing ring 23 sealed in a groove 24 is embedded. Thus, the adjustable nozzle can 1 to different thermal expansions during operation of the turbine 2 adjust, without causing tension of adjacent components, in particular the adjustment mechanism 17 , comes.

Zur Sicherung einer minimalen Größe des ersten Spaltes 13 und des zweiten Spaltes 14 ist der Trägerring 10 aus einem Material ausgebildet, welches einen geringen Ausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Trägerring 10 aus dem Material SiMoCr hergestellt.To ensure a minimum size of the first gap 13 and the second gap 14 is the carrier ring 10 formed from a material which has a low coefficient of expansion at the same time high thermal conductivity, in the present embodiment, the support ring 10 made of the material SiMoCr.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1642009 B1 [0002] EP 1642009 B1 [0002]

Claims (3)

Verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Trägerring (10) aufweisend eine Mehrzahl von am Trägerring (10) verdrehbar gelagerten Leitschaufeln (11), sowie mit einer Konturhülse (12), welche dem Trägerring (10) axial gegenüberliegend koaxial angeordnet ist, derart, dass zwischen dem Trägerring (10) und der Konturhülse (12) die Leitschaufeln (11) verdrehbar positionierbar sind, wobei zwischen dem Trägerring (10) und der Mehrzahl von Leitschaufeln (11) ein erster Spalt (13) ausgebildet ist und zwischen der Konturhülse (12) und der Mehrzahl von Leitschaufeln (11) ein zweiter Spalt (14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des ersten Spaltes (13) der Trägerring (10) aus einem Material ausgebildet ist, welches einen geringen Ausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist.Adjustable distributor for a turbine, in particular for a turbine of an exhaust gas turbocharger, with a carrier ring ( 10 ) comprising a plurality of on the carrier ring ( 10 ) rotatably mounted guide vanes ( 11 ), as well as with a contour sleeve ( 12 ), which the support ring ( 10 ) is arranged axially opposite coaxially, such that between the carrier ring ( 10 ) and the contour sleeve ( 12 ) the vanes ( 11 ) are rotatably positionable, wherein between the carrier ring ( 10 ) and the plurality of guide vanes ( 11 ) a first gap ( 13 ) is formed and between the contour sleeve ( 12 ) and the plurality of guide vanes ( 11 ) a second gap ( 14 ), characterized in that for reducing the first gap ( 13 ) the carrier ring ( 10 ) is formed of a material which has a low coefficient of expansion at the same time high thermal conductivity. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (10) das Material SiMoCr aufweist.Adjustable guide device according to claim 1, characterized in that the carrier ring ( 10 ) comprises the material SiMoCr. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (10) eine Beschichtung aufweist.Adjustable guide apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the support ring ( 10 ) has a coating.
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KLEINER, Simon; TRACK, Kurt: SiMo1000 - Ein aluminiumlegiertes Gusseisen für Hochtemperaturanwendungen. In: Giesserei-Rundschau, 57, 2010, 11/12, S. 229-234. - ISSN 0016-979X *
KLEINER, Simon; TRACK, Kurt: SiMo1000 – Ein aluminiumlegiertes Gusseisen für Hochtemperaturanwendungen. In: Giesserei-Rundschau, 57, 2010, 11/12, S. 229-234. - ISSN 0016-979X

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