DE102014223013A1

DE102014223013A1 - Turbine wheel, turbine and turbocharger

Info

Publication number: DE102014223013A1
Application number: DE102014223013.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Peter; Martin Kiel; Christian Schnückel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Ein Turbinenlaufrad (26) mit einer eine Rotationsachse (36) definierenden Nabe (34) und mehreren sich von der Nabe (34) in radiale Richtungen bezüglich der Rotationsachse (36) erstreckenden Schaufeln (38) ist dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelverhältnis o/s benachbarter Schaufeln (38) an zumindest zwei Profilschnitten 2/3 ± 5% beträgt, wobei o der die minimale Teilung zwischen Druck- und Saugseite von zwei benachbarten Schaufeln (38) wiedergebende Winkel und s der Teilungswinkel zwischen den zwei benachbarten Schaufeln (38) ist.A turbine runner (26) having a hub (34) defining an axis of rotation (36) and a plurality of vanes (38) extending from the hub (34) in radial directions with respect to the axis of rotation (36) is characterized in that the angular ratio is o / s adjacent blades (38) is at least two profile cuts 2/3 ± 5%, where o is the minimum pitch between the pressure and suction side of two adjacent blades (38) reproducing angle and s the pitch angle between the two adjacent blades (38) ,

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenlaufrad, eine Turbine mit einem solchen Turbinenlaufrad und einen Abgasturbolader mit einer solchen Turbine. The invention relates to a turbine runner, a turbine with such a turbine runner and an exhaust gas turbocharger with such a turbine.

Die Verwendung eines oder mehrerer Abgasturbolader zur Erhöhung der spezifischen Leistung und zur Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von Brennkraftmaschinen ist bekannt. The use of one or more turbochargers to increase the specific power and to reduce the specific fuel consumption of internal combustion engines is known.

Abgasturbolader weisen eine in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Turbine mit einem Turbinenlaufrad sowie einen in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Verdichter mit einem Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind über eine Welle verbunden. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenlaufrad von der Abgasströmung angeströmt und dadurch rotierend angetrieben, wobei diese Rotation über die Welle auf das Verdichterlaufrad übertragen wird. Die so bewirkte Rotation des Verdichterlaufrads erzeugt die gewünschte Verdichtung des Frischgases. Exhaust gas turbochargers have an integrated into an exhaust line of the internal combustion engine turbine with a turbine impeller and an integrated in the fresh gas line of the internal combustion engine compressor with a compressor impeller. The turbine runner and the compressor runner are connected by a shaft. During operation of the internal combustion engine, the turbine impeller is impinged by the exhaust gas flow and thereby driven in rotation, wherein this rotation is transmitted via the shaft to the compressor impeller. The thus caused rotation of the compressor wheel generates the desired compression of the fresh gas.

Sowohl die Turbine als auch der Verdichter eines Abgasturboladers weisen einen von dem Massenstrom des durch sie hindurch strömenden Gases abhängigen Wirkungsgrad auf. Die Geometrie der strömungsführenden Räume sowie der Laufräder sollte so ausgelegt werden, dass ein ausreichend guter Wirkungsgrad für alle im Betrieb auftretenden Massenströme erreicht wird. Both the turbine and the compressor of an exhaust gas turbocharger have an efficiency dependent on the mass flow of the gas flowing through them. The geometry of the flow-leading spaces and the impellers should be designed so that a sufficiently good efficiency for all mass flows occurring during operation is achieved.

Bei der Auslegung einer Turbine eines Abgasturboladers sollte ein bestmöglicher Kompromiss zwischen dem Ansprechverhalten, dem Verhalten bei Teillastbetrieb und dem Verhalten im Nennleistungsbetrieb der Brennkraftmaschine gefunden werden. Für ein gutes Ansprech- und Teillastverhalten sollten bereits kleine Abgasmassenströme gute Wirkungsgrade und spezifisch hohe Turbinenleistungen bewirken. Dies kann prinzipiell durch eine geometrische Auslegung der Turbine mit relativ geringer Baugröße und entsprechend geringem Massenträgheitsmoment des Turbinenlaufrads erreicht werden. In einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit Nennleistung sollte dagegen möglichst der gesamte Abgasmassenstrom bei einem moderaten Druckverhältnis durch die Turbine geleitet werden können. Dies erfordert prinzipiell eine geometrische Auslegung der Turbine mit einer relativ großen Baugröße und einem entsprechend hohen Schluckvermögen. Dadurch erhöht sich jedoch grundsätzlich das Massenträgheitsmoment des Turbinenlaufrads. Diese widersprüchlichen Anforderungen bedingen in der Praxis einen Kompromiss bei der geometrischen Auslegung der Turbine, um einen optimalen Betrieb des Abgasturboladers über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Parameter für die Auslegung einer Turbine eines Abgasturboladers betreffen in der Regel die Volute des Turbinengehäuses und dabei insbesondere deren Querschnittsfläche, den Umfangsverlauf der Querschnittsfläche und das A/R-Verhältnis (Querschnittsfläche A der Volute dividiert durch den zugehörigen Radius R von der Turbinengehäusemitte zur Mitte der Querschnittsfläche A), sowie das Turbinenrad und dabei insbesondere den Durchmesser, die aerodynamische Ausführung und den Trim. When designing a turbine of an exhaust gas turbocharger, the best possible compromise should be found between the response, the behavior during part-load operation and the behavior in the rated power operation of the internal combustion engine. For a good response and partial load behavior even small exhaust gas mass flows should cause good efficiencies and specific high turbine performance. This can be achieved in principle by a geometric design of the turbine with a relatively small size and correspondingly low moment of inertia of the turbine runner. In an operation of the internal combustion engine with rated power, however, the entire exhaust gas mass flow should, if possible, be able to be passed through the turbine at a moderate pressure ratio. This requires in principle a geometric design of the turbine with a relatively large size and a correspondingly high absorption capacity. However, this basically increases the mass moment of inertia of the turbine runner. These contradictory requirements require in practice a compromise in the geometric design of the turbine to allow optimal operation of the exhaust gas turbocharger over the entire operating range of the internal combustion engine. Parameters for the design of a turbine of an exhaust gas turbocharger usually concern the volute of the turbine housing and in particular their cross-sectional area, the circumferential profile of the cross-sectional area and the A / R ratio (cross-sectional area A of the volute divided by the associated radius R of the turbine housing center to the center of Cross-sectional area A), and the turbine wheel and in particular the diameter, the aerodynamic design and the trim.

Ein Auslegungsfaktor für die aerodynamische Ausführung eines Turbinenlaufrads ist das Winkelverhältnis o/s, das das Verhältnis der minimalen Teilung (Winkel o) zwischen Druckseite und Saugseite von zwei benachbarten Schaufeln des Turbinenlaufrads zu der allgemeinen Teilung (Winkel s), die sich nach s = 2π/N, mit N: Anzahl der Schaufeln, berechnet, wiedergibt. Bei bekannten Turbinenlaufrädern, die in der Regel noch immer nach Erfahrungswerten ausgelegt werden, beträgt das Winkelverhältnis o/s deutlich unterhalb von 2/3. Dabei ist weiterhin regelmäßig vorgesehen, dass das Winkelverhältnis o/s über der Länge der Schaufeln ausgehend von dem das Turbinenlaufrad umgebenden Turbinengehäuse in Richtung der Nabe abnimmt. A design factor for the aerodynamic design of a turbine runner is the angular ratio o / s, which is the ratio of the minimum pitch (angle o) between the pressure side and suction side of two adjacent blades of the turbine runner to the general pitch (angle s), which is s = 2π / N, where N: number of blades, calculated, reproduced. In the case of known turbine wheels, which as a rule are still designed according to empirical values, the angular ratio o / s is clearly below 2/3. It is also regularly provided that the angular ratio o / s over the length of the blades, starting from the turbine housing surrounding the turbine wheel decreases in the direction of the hub.

Um eine Überdrehzahl der Turbine und damit auch des Verdichters des Abgasturboladers infolge zu hoher Abgasmassenströme zu verhindern können Regelvorrichtungen eingesetzt werden. To prevent an overspeed of the turbine and thus also of the compressor of the exhaust gas turbocharger as a result of excessive exhaust gas mass flow control devices can be used.

Von mittels Abgasturbolader aufgeladenen Ottomotoren ist zum einen die Verwendung eines sogenannten Wastegates als Regelvorrichtung bekannt. Hierbei handelt es sich um einen die Turbine umgehenden Bypass für das Abgas, der mittels eines Bypassventils regelbar ist. Bei einem zu hohen Abgasmassenstrom wird ein Teil des Abgases mittels des Wastegates an der Turbine vorbeigeführt und dadurch die in der Turbine in mechanische Energie umgesetzte Abgasenthalpie begrenzt. Of charged by means of exhaust gas turbocharger gasoline engines, the use of a so-called wastegate is known as a control device on the one hand. This is a bypass for the exhaust gas bypassing the turbine, which can be regulated by means of a bypass valve. If the exhaust gas mass flow is too high, part of the exhaust gas is guided past the turbine by means of the wastegate, thereby limiting the exhaust gas enthalpy converted into mechanical energy in the turbine.

Bei Dieselmotoren ist dagegen die Verwendung von Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie (VTG) verbreitet, bei der zumeist verstellbare Leitschaufeln eingangsseitig der Turbine angeordnet sind. Durch eine angepasste Verstellung der Leitschaufeln wird zum einen der freie Strömungsquerschnitt im Eintrittskanal der Turbine verändert, wodurch insbesondere bei niedrigen Abgasmassenströmen die Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt in den das Turbinenlaufrad aufnehmenden Laufradraum erhöht werden kann. Zum anderen kann die Richtung der Anströmung der Schaufeln des Turbinenlaufrads angepasst werden, was ebenfalls eine Erhöhung des Turbinenwirkungsgrads bringen kann. In the case of diesel engines, by contrast, the use of turbochargers with variable turbine geometry (VTG) is widespread, in which mostly adjustable guide vanes are arranged on the input side of the turbine. By means of an adapted adjustment of the guide vanes, the free flow cross section in the inlet channel of the turbine is changed on the one hand, whereby the flow velocity can be increased when entering the turbine wheel receiving the impeller space, in particular at low exhaust gas mass flows. On the other hand, the direction of the flow of the blades of the turbine runner can be adjusted, which can also bring an increase in the turbine efficiency.

Aus der US 5,227,549 ist eine Dampfturbine mit axialer Durchströmung bekannt, bei der das Winkelverhältnis eines Turbinenlaufrads einer Turbinenstufe ausgehend von der Nabe in Richtung der Schaufelspitzen abnehmend ausgebildet ist und zwischen ca. 0,40 und ca. 0,28 beträgt. From the US 5,227,549 is known a steam turbine with axial flow, in which the Angular ratio of a turbine runner of a turbine stage is designed starting from the hub in the direction of the blade tips decreasing and is between about 0.40 and about 0.28.

Die DE 10 2012 104 240 A1 offenbart eine Leitschaufel für eine Turbomaschine mit einer variablen, nicht-linearen Verteilung des Winkelverhältnisses o/s, das zwischen ca. 0,28 und 0,32 variiert. The DE 10 2012 104 240 A1 discloses a vane for a turbomachine having a variable, non-linear distribution of the angular ratio o / s that varies between about 0.28 and 0.32.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die Auslegung von Turbinenlaufrädern für Abgasturbolader zu vereinfachen. Based on this prior art, the present invention seeks to provide a way to simplify the design of turbine wheels for exhaust gas turbocharger.

Diese Aufgabe wird durch ein Turbinenlaufrad gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Turbine mit einem solchen Turbinenlaufrad ist Gegenstand des Patentanspruchs 5. Ein Abgasturbolader mit einer solchen Turbine ist Gegenstand des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads und der erfindungsgemäßen Turbine sind Gegenstände der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. This object is achieved by a turbine runner according to claim 1. An exhaust gas turbocharger with such a turbine is the subject of claim 9. Advantageous embodiments of the turbine impeller according to the invention and the turbine according to the invention are objects of the respective dependent claims and will become apparent from the following description of the invention.

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, ein allgemein gültiges Auslegungsmerkmal für ein Turbinenlaufrad anzugeben, das die Erreichung eines möglichst optimalen Kompromisses zwischen den unterschiedlichen Zielgrößen: Schluckvermögen, Massenträgheitsmoment und Turbinenwirkungsgrad gewährleistet, wobei dieses allgemein gültige Auslegungsmerkmal dann als Basis für die Auslegung unterschiedlicher Turbinenlaufräder herangezogen werden kann. Ausgehend von dieser Basis kann dann eine anwendungsfallspezifische Optimierung des Turbinenlaufrads durch insbesondere andere Auslegungsmerkmale erfolgen, wobei diese anwendungsfallspezifische Auslegung erheblich vereinfacht wird, da ausgehend von der einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen den drei oben genannten Zielgrößen darstellenden Basisauslegung anhand des allgemein gültigen Auslegungsmerkmale lediglich noch eine Optimierung unter Berücksichtigung eines Schwerpunkts auf einem oder gegebenenfalls auch zwei der drei Zielgrößen erfolgen muss. A basic idea of the invention is to specify a generally valid design feature for a turbine runner, which ensures the achievement of the best possible compromise between the different target variables: absorption capacity, mass moment of inertia and turbine efficiency, this generally valid design feature then being used as the basis for designing different turbine runners can. Starting from this basis, an application-specific optimization of the turbine runner can be carried out by, in particular, other design features, whereby this application-specific design is considerably simplified since, based on the generally valid design characteristics, only one optimization is based on the best possible compromise between the three above-mentioned target parameters taking into account a focus on one or, where appropriate, two of the three outcomes.

Als besonders geeignet zur Definition eines allgemein gültigen Auslegungsmerkmale wurde von den Erfindern das Winkelverhältnis o/s angesehen, da sich dieses bei den bekannten Turbinenlaufrädern in erheblichem Maße unterscheidet und zudem bereits kleine Änderungen an diesem Winkelverhältnis o/s erhebliche Auswirkungen hinsichtlich der genannten Zielgrößen haben können. Durch eine allgemein gültige und somit konstant zu haltende Definition dieses Auslegungsmerkmals kann daher eine besonders gute Vereinfachung für die Auslegung unterschiedlicher Turbinenlaufräder erzielt werden. The angle ratio o / s was considered by the inventors to be particularly suitable for the definition of a generally valid design feature, since this differs to a considerable extent in the known turbine runners and, moreover, even small changes in this angular ratio o / s can have considerable effects with regard to the stated target variables , By a generally valid and therefore constant to be maintained definition of this design feature, therefore, a particularly good simplification for the design of different turbine wheels can be achieved.

Basierend auf diesem Grundgedanken konnte von den Erfindern dann ein Wert beziehungsweise eng definierter Wertebereich für das Winkelverhältnis o/s identifiziert werden, der als entsprechend allgemein gültiges Auslegungsmerkmal für die erfindungsgemäß vorgesehene Basisauslegung unterschiedlich auszulegender Turbinenlaufräder geeignet ist. Dieser Wert beziehungsweise Wertebereich liegt bei ungefähr 2/3, wobei dieser zudem über der Höhe der Schaufeln der Turbinenlaufräder möglichst eingehalten werden sollte. Based on this basic idea, the inventors could then identify a value or narrowly defined value range for the angular ratio o / s, which is suitable as a correspondingly generally valid design feature for the basic design of differently designed turbine wheels provided according to the invention. This value or value range is approximately 2/3, wherein this should also be kept above the height of the blades of the turbine wheels as possible.

Durch das erfindungsgemäße Auslegungsmerkmal wird der effektive Turbinenaustrittsdurchmesser so weit minimiert, wie dies ohne (erhebliche) negative Auswirkungen auf das Schluckvermögen möglich ist. Dies kann dann zu einer Optimierung des Massenträgheitsmoments durch eine entsprechende Verkleinerung des Turbinenlaufrads führen, was jedoch infolge eines ebenfalls verkleinerten effektiven Turbineneintrittsdurchmessers einer Optimierung des Turbinenwirkungsgrads entgegen wirken würde. Alternativ kann basierend auf dem minimierten effektiven Turbinenaustrittsdurchmesser eine Optimierung des Turbinenwirkungsgrads durch eine Vergrößerung des effektiven Turbineneintrittsdurchmessers vorgesehen werden, was dann jedoch einer Optimierung des Massenträgheitsmoments entgegenwirken würde. By means of the design feature according to the invention, the effective turbine outlet diameter is minimized as far as is possible without (considerable) negative effects on the absorption capacity. This can then lead to an optimization of the moment of inertia by a corresponding reduction of the turbine runner, which however would counteract an optimization of the turbine efficiency due to a likewise reduced effective turbine inlet diameter. Alternatively, based on the minimized effective turbine exit diameter, optimization of turbine efficiency may be provided by increasing the effective turbine inlet diameter, which would then counteract optimization of the mass moment of inertia.

Demnach ist ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad mit einer eine Rotationsachse definierenden Nabe und mehreren sich von der Nabe in radiale Richtungen bezüglich der Rotationsachse erstreckenden Schaufeln dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelverhältnis o/s benachbarter Schaufeln an zumindest zwei (sich bezüglich ihrer Anordnung im Verhältnis zur Gesamtschaufelhöhe unterscheidenden) Profilschnitten 2/3 ± 5%, vorzugsweise 2/3 ± 3%, beträgt. Accordingly, a turbine wheel according to the invention with a hub defining a rotation axis and a plurality of blades extending in radial directions with respect to the axis of rotation is characterized in that the angular ratio o / s of adjacent blades is at least two (different in arrangement relative to the overall blade height). Profile sections 2/3 ± 5%, preferably 2/3 ± 3%.

Dabei gibt der Winkel o die minimale Teilung zwischen Druck- und Saugseite von zwei benachbarten Schaufeln und der Winkel s die Teilung zwischen diesen zwei benachbarten Schaufeln wieder. The angle o represents the minimum separation between the pressure and suction side of two adjacent blades and the angle s the pitch between these two adjacent blades.

Wie gesagt ist es optimal, wenn das Winkelverhältnis o/s über der gesamten Höhe der Schaufeln des Turbinenlaufrads ungefähr 2/3 beträgt. Sollte aus bestimmten Gründen der Auslegung des Turbinenlaufrads diese Vorgabe nicht eingehalten werden können, so sollte zumindest jedoch das erfindungsgemäße Winkelverhältnis o/s in der äußeren, bezüglich der Nabe distalen Hälfte der Gesamtschaufelhöhe eingehalten werden. Die mindestens zwei Profilschnitte, in denen das erfindungsgemäße Winkelverhältnis o/s eingehalten werden muss, könnten dafür beispielsweise in Höhe von 50% und 90% der Gesamtschaufelhöhe liegen. As said, it is optimal if the angular ratio o / s over the entire height of the blades of the turbine runner is about 2/3. If, for certain reasons, the design of the turbine wheel, this specification can not be met, but at least the inventive angle ratio o / s in the outer, relative to the hub distal half of the total blade height should be maintained. The at least two profile sections, in which the angular ratio o / s according to the invention must be maintained, could be, for example, 50% and 90% of the total blade height.

Dabei wird die prozentuale Schaufelhöhe jeder Schaufel ausgehend von dem mit der Nabe verbundenen Schaufelfuß (0%) in Richtung der Schaufelspitze (100%) angegeben. The percentage blade height of each blade is indicated starting from the blade root (0%) connected to the hub in the direction of the blade tip (100%).

Eine erfindungsgemäße Turbine umfasst zumindest ein Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass für ein Fluid ausbildet, sowie ein erfindungsgemäßes, drehbar innerhalb des Gehäuses gelagertes Turbinenlaufrad. A turbine according to the invention comprises at least one housing, which forms an inlet and an outlet for a fluid, as well as a turbine wheel according to the invention, which is mounted rotatably within the housing.

Bei der erfindungsgemäßen Turbine kann es sich vorteilhafterweise um eine Radialturbine handeln, bei der die Strömungsführung für das Fluid in dem Gehäuse zwischen dem Einlass und dem Auslass derart ausgebildet ist, dass das Turbinenlaufrad über eine Schaufeleintrittskante in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse angeströmt und über eine Schaufelaustrittskante in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse abgeströmt wird. Das erfindungsgemäße, allgemein gültige Auslegungsmerkmals von ungefähr 2/3 ist jedoch auch bei andersartigen Turbinen, wie beispielsweise Axialturbinen oder sogenannten Mixed-Flow-Turbinen vorteilhaft anwendbar. The turbine according to the invention may advantageously be a radial turbine, in which the flow guidance for the fluid in the housing between the inlet and the outlet is formed such that the turbine impeller flows over a blade inlet edge in the radial direction with respect to the axis of rotation and via a blade outlet edge is flowed in the axial direction with respect to the axis of rotation. However, the generally valid design feature according to the invention of about 2/3 is advantageously applicable to other types of turbines, such as axial turbines or so-called mixed-flow turbines.

Bei einer als Radialturbine ausgebildeten erfindungsgemäßen Turbine sollte zum Erlangen eines möglichst optimalen Kompromisses zwischen den drei Zielgrößen: Schluckvermögen, Massenträgheitsmoment und Turbinenwirkungsgrad, neben dem erfindungsgemäßen Winkelverhältnis o/s von ungefähr 2/3 auch noch vorgesehen sein, dass der Schaufelwinkel β der Schaufeln am Schaufelfuß der jeweiligen Schaufeleintrittskante positiv, d.h. in Richtung einer vorgesehenen Rotationsrichtung des Turbinenlaufrads ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schaufelwinkel β maximal 20° beträgt. In the case of a turbine according to the invention designed as a radial turbine, in order to obtain the best possible compromise between the three target variables: absorption capacity, mass moment of inertia and turbine efficiency, besides the angular ratio o / s of about 2/3 according to the invention, the blade angle β of the blades should also be provided on the blade root the respective blade leading edge positive, ie is aligned in the direction of an intended rotational direction of the turbine runner. It is preferably provided that the blade angle β is at most 20 °.

Dadurch kann insbesondere ermöglicht werden, dass die Schaufeleintrittskanten der Schaufeln beziehungsweise die Verbindungslinien zwischen den Schaufelfüßen und Schaufelspitzen der einzelnen Schaufeleintrittskanten in einem Winkel γ < 90° zu der durch die Schaufelfüße der Schaufeleintrittskanten und folglich senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Ebene ausgerichtet sind. Dies kann eine relevante Voraussetzung für die Auslegung eines mechanisch hoch belastbaren Turbinenlaufrads darstellen. This makes it possible, in particular, for the blade inlet edges of the blades or the connecting lines between the blade roots and blade tips of the individual blade inlet edges to be aligned at an angle γ <90 ° relative to the plane passing through the blade roots of the blade inlet edges and consequently perpendicular to the axis of rotation. This can be a relevant condition for the design of a mechanically highly resilient turbine runner.

Die Umsetzung des erfindungsgemäßen Auslegungsmerkmals ist insbesondere bei einer Turbine vorteilhaft, die ein Wastegate zur Umgehung des Turbinenlaufrads aufweist, da der beschriebene Zielkonflikt bei der Auslegung hinsichtlich der drei Zielgrößen insbesondere bei einer solchen Turbine zum Tragen kommt. The implementation of the design feature according to the invention is particularly advantageous in a turbine, which has a wastegate for bypassing the turbine wheel, since the described conflict of objectives in the design with respect to the three target variables comes especially in such a turbine to fruition.

Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Turbine und einen Verdichter, wobei ein in einem Gehäuse des Verdichters drehbar gelagertes Verdichterlaufrad drehfest mit dem Turbinenlaufrad verbunden ist. An exhaust gas turbocharger according to the invention comprises at least one turbine according to the invention and one compressor, wherein a compressor impeller rotatably mounted in a housing of the compressor is non-rotatably connected to the turbine impeller.

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader kann insbesondere zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine, die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Pkw, Lkw oder NKW, vorgesehen ist, genutzt werden. Die Brennkraftmaschine kann dabei neben dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader einen nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor umfassen. Abgasturbolader mit Wastegate werden primär mit Ottomotoren kombiniert. The exhaust gas turbocharger according to the invention can in particular be used to increase the power of an internal combustion engine which is provided for driving a motor vehicle, in particular a car, truck or commercial vehicle. The internal combustion engine may comprise, in addition to the exhaust gas turbocharger according to the invention, an internal combustion engine operating according to the Otto or Diesel principle. Exhaust gas turbochargers with wastegate are primarily combined with gasoline engines.

Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können. The indefinite articles ("a", "an", "an" and "an"), in particular in the patent claims and in the description which generally explains the claims, are to be understood as such and not as number words. Corresponding to this concretized components are thus to be understood that they are present at least once and may be present more than once.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: The present invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. In the drawings shows:

1: eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader; 1 an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger according to the invention;

2: ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad in einer Seitenansicht; 2 a turbine wheel according to the invention in a side view;

3: das Turbinenlaufrad in einer Ansicht von hinten; 3 : the turbine runner in a view from behind;

4: einen vergrößerten Ausschnitt der 1; 4 : an enlarged section of the 1 ;

5: schematisch das Winkelverhältnis o/s in den zwei in der 2 dargestellten Profilschnitten bei einer ersten Ausgestaltung des Turbinenlaufrads; und 5 schematically the angle ratio o / s in the two in the 2 illustrated profile sections in a first embodiment of the turbine runner; and

6: schematisch das Winkelverhältnis o/s in den zwei in der 2 dargestellten Profilschnitten bei einer zweiten Ausgestaltung des Turbinenlaufrads. 6 schematically the angle ratio o / s in the two in the 2 shown profile sections in a second embodiment of the turbine runner.

Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) genutzt werden kann. Die Brennkraftmaschine umfasst einen beispielsweise als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 10, dem über einen Frischgasstrang 12 Frischgas zugeführt wird. In den Frischgasstrang 12 ist ein Verdichter 14 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers integriert. In von Zylindern, darin geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 10 begrenzten Brennräumen 18 wird direkt eingespritzter Kraftstoff mit dem Frischgas verbrannt. Das dabei entstehende Abgas wird über einen Abgasstrang 20 abgeführt. In den Abgasstrang 20 ist eine Turbine 22 des Abgasturboladers integriert. Der Abgasstrom durchströmt ein in einem Gehäuse 24 der Turbine 22 drehbar gelagertes Turbinenlaufrad 26, das über eine Welle 28 mit einem Verdichterlaufrad 30 drehfest verbunden ist. Das Verdichterlaufrad 30 ist drehbar innerhalb eines Gehäuses 32 des Verdichters 14 angeordnet. Die durch das Abgas bewirkte Rotation des Turbinenlaufrads 26 wird über die Welle 28 auf das Verdichterlaufrad 30 übertragen. Die so bewirkte Rotation des Verdichterlaufrads 30 führt zu einer Verdichtung des dem Verbrennungsmotor 10 zugeführten Frischgases. The 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine, as it can be used for example for driving a motor vehicle (not shown). The internal combustion engine comprises an internal combustion engine designed, for example, as a gasoline engine 10 that over a fresh gas train 12 Fresh gas is supplied. In the Fresh gas line 12 is a compressor 14 integrated an exhaust gas turbocharger according to the invention. In of cylinders, guided therein piston and a cylinder head (not shown) of the internal combustion engine 10 limited combustion chambers 18 directly injected fuel is burned with the fresh gas. The resulting exhaust gas is via an exhaust line 20 dissipated. In the exhaust system 20 is a turbine 22 integrated the exhaust gas turbocharger. The exhaust gas flow flows through a in a housing 24 the turbine 22 rotatably mounted turbine runner 26 that about a wave 28 with a compressor impeller 30 rotatably connected. The compressor impeller 30 is rotatable within a housing 32 of the compressor 14 arranged. The rotation of the turbine wheel caused by the exhaust gas 26 will be over the shaft 28 on the compressor impeller 30 transfer. The thus caused rotation of the compressor impeller 30 leads to a compression of the internal combustion engine 10 supplied fresh gas.

Die Turbine 22 ist mittels eines Wastegates 16 regelbar, d.h. bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit hohen Lasten und hohen Drehzahlen wird ein Teilstrom des Abgasstroms über das Wastegate 16 an dem Turbinenlaufrad 26 vorbeigeführt und dadurch eine Überbelastung des Abgasturboladers verhindert. The turbine 22 is by means of a wastegate 16 adjustable, ie during operation of the internal combustion engine 10 with high loads and high speeds becomes a partial flow of the exhaust gas flow through the wastegate 16 on the turbine runner 26 passed and thereby prevents overloading of the exhaust gas turbocharger.

Die 2 bis 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad 26 in verschiedenen Ansichten. Das Turbinenlaufrad 26 kann beispielsweise in einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 zum Einsatz kommen. Das Turbinenlaufrad 26 umfasst eine Nabe 34, die eine Rotationsachse 36 definiert, um die das Turbinenlaufrad 26 in dem Gehäuse 24 drehbar gelagert ist. Von der Nabe 34 erstrecken sich mehrere Schaufeln 38 in radialer Richtung und gleichmäßiger Teilung bezüglich der Rotationsachse 36. The 2 to 4 show a turbine wheel according to the invention 26 in different views. The turbine wheel 26 For example, in an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine according to the 1 be used. The turbine wheel 26 includes a hub 34 that has an axis of rotation 36 defined around the turbine wheel 26 in the case 24 is rotatably mounted. From the hub 34 extend several blades 38 in the radial direction and uniform pitch with respect to the axis of rotation 36 ,

Das Turbinenlaufrad 26 ist zur Verwendung in einer Radialturbine vorgesehen und entsprechend ausgelegt. Dieses würde somit von dem den Antrieb bewirkenden Abgasstrom in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 36 angeströmt und in axialer Richtung wieder abgeströmt. Dabei überströmt der Abgasstrom eine Schaufeleintrittskante 40 jeder Schaufel sowie eine Schaufelaustrittskante 42 jeder Schaufel in in etwa senkrechter Richtung. The turbine wheel 26 is intended for use in a radial turbine and designed accordingly. This would thus of the drive causing flow of exhaust gas in the radial direction with respect to the axis of rotation 36 flowed and flowed away again in the axial direction. In this case, the exhaust gas stream flows over a blade leading edge 40 each blade and a blade leading edge 42 each blade in a roughly vertical direction.

In der 2 sind für eine Schaufel 38 exemplarisch zwei Profilschnitte eingezeichnet. Der eine Profilschnitt ist in einer Höhe von 50% der Gesamtschaufelhöhe angeordnet und gibt somit den mittleren Abstand zwischen dem Schaufelfuß 44 (Übergang zwischen der jeweiligen Schaufel 38 und der Nabe 34) und der Schaufelspitze 46 über dem Verlauf zwischen der Schaufeleintrittskante 40 und der Schaufelaustrittskante 42 wieder. Der andere Profilschnitt ist in einer Höhe von 90% der Gesamtschaufelhöhe angeordnet. In the 2 are for a shovel 38 exemplified two profile sections drawn. The one profile section is arranged at a height of 50% of the total blade height and thus gives the mean distance between the blade root 44 (Transition between the respective blade 38 and the hub 34 ) and the blade tip 46 over the course between the blade leading edge 40 and the blade leading edge 42 again. The other profile section is arranged at a height of 90% of the total blade height.

Erfindungsgemäß ist bei dem Turbinenlaufrad 26 vorgesehen, dass das Winkelverhältnis o/s an zumindest zwei Profilschnitten, insbesondere an allen Profilschnitten und somit über der gesamten Höhe von benachbarten Schaufeln 38 2/3 ± 5% beträgt. Der Winkel o gibt dabei die minimale Teilung zwischen Druck- und Saugseite von zwei benachbarten Schaufeln 38 und der Winkel s die Teilung zwischen diesen Schaufeln 38 wieder. Dies ist in den 5 und 6 für zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines Turbinenlaufrads 26 gemäß den 2 bis 4 dargestellt. Die 5 und 6 zeigen jeweils in der oberen Hälfte winkelkonforme Abbildungen eines Profilschnitts bei 50% der Gesamtschaufelhöhe und in der unteren Hälfte winkelkonforme Abbildungen eines Profilschnitts bei 90% der Gesamtschaufelhöhe. Die das Winkelverhältnis o/s definierenden Winkel o und s sind in den 5 und 6 als Abstände o, s angegeben. Dabei ist der zu dem Winkel o gehörende Abstand o als Senkrechte zur Saugseitentangente eingezeichnet, wobei die Senkrechte auf den Wendepunkt von Druckseite zur Profilkantenverrundung trifft. Der zu dem Winkel s gehörende Abstand s ist (beispielsweise) als Verbindungslinie zwischen den Wendepunkten der Profilkantenverrundungen der Schaufeln 38 eingezeichnet. Der Winkel s lässt sich bei einer gleichmäßigen Teilung der Schaufeln 38 auch gemäß s = 2π/N, mit N: Anzahl der Schaufeln 38, berechnen. According to the invention, in the turbine runner 26 provided that the angle ratio o / s at least two profile sections, in particular at all profile sections and thus over the entire height of adjacent blades 38 2/3 ± 5%. The angle o gives the minimum separation between the pressure and suction side of two adjacent blades 38 and the angle s is the pitch between these blades 38 again. This is in the 5 and 6 for two different embodiments of a turbine runner 26 according to the 2 to 4 shown. The 5 and 6 show in the upper half angle-conforming illustrations of a profile section at 50% of the total bucket height and in the lower half angle-conforming illustrations of a profile section at 90% of the total bucket height. The angles o and s defining the angle ratio o / s are in 5 and 6 given as distances o, s. In this case, the distance o belonging to the angle o is shown as perpendicular to the suction side tangent, the perpendicular to the inflection point from the pressure side to the profile edge rounding. The distance s associated with the angle s is (for example) a connecting line between the turning points of the profile edge roundings of the blades 38 located. The angle s can be achieved with a uniform pitch of the blades 38 also according to s = 2π / N, where N: number of blades 38 , to calculate.

Basierend auf dem erfindungsgemäßen Auslegungsmerkmal, d.h. einem über der Höhe benachbarter Schaufeln innerhalb von 2/3 ± 3% liegenden Winkelverhältnis o/s, wurden die beiden in den 5 und 6 dargestellten Turbinenlaufräder 26 mit einem in etwa identischen Schluckvermögen ausgelegt. Darauf aufbauend wurde dann das in der 5 dargestellte Turbinenlaufrad 26 hinsichtlich eines möglichst geringen Massenträgheitsmoments optimiert ausgelegt, während bei dem in der 6 dargestellten Turbinenlaufrad eine Optimierung hinsichtlich eines möglichst großen Turbinenwirkungsgrads erfolgte. Zu erkennen ist, dass sich die Krümmungsverläufe der Schaufeln 38 dieser beiden Turbinenlaufräder 26 deutlich unterscheiden, das Winkelverhältnis o/s jedoch weitgehend identisch und insbesondere innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs von 2/3 ± 5 % liegt. Konkret beträgt das Winkelverhältnis o/s bei dem 50%-Profilschnitt in der 5 0,64 und bei dem dazugehörigen 90%-Profilschnitt 0,67. Bei dem Turbinenlaufrad gemäß der 6 beträgt das Winkelverhältnis o/s bei dem 50%-Profilschnitt 0,67 und bei dem 90%-Schaufelprofilschnitt 0,68. Based on the design feature according to the invention, ie an angle ratio o / s lying within the range of 2/3 ± 3% above the height of adjacent blades, the two were placed in the 5 and 6 illustrated turbine wheels 26 designed with an approximately identical absorption capacity. Based on that was then in the 5 illustrated turbine wheel 26 designed optimized for the lowest possible moment of inertia, while in the in the 6 Turbine runner shown an optimization in terms of the largest possible turbine efficiency was carried out. It can be seen that the curvature curves of the blades 38 of these two turbine wheels 26 clearly distinguish, however, the angular ratio o / s is largely identical and in particular within the range of 2/3 ± 5% according to the invention. Specifically, the angle ratio o / s in the 50% sectional section in the 5 0.64 and the corresponding 90% profile average 0.67. In the turbine runner according to 6 For example, the angle ratio o / s is 0.67 for the 50% profile cut and 0.68 for the 90% blade profile cut.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Turbinenlaufräder 26 gemäß den 5 und 6 ist zudem vorgesehen, dass der in der 3 für eine Schaufel 38 eingezeichnete Schaufelwinkel β am Schaufelfuß 44 der Schaufeleintrittskante 42 positiv (d.h. in Richtung einer vorgesehenen Rotationsrichtung 48 für das Turbinenlaufrad 26 weisend) ist. Der Schaufelwinkel β gibt die Ausrichtung der Krümmung der dazugehörigen Schaufel 38 in Umfangsrichtung am Schaufelfuß 44 der Schaufeleintrittskante 40 wieder. Hierzu ist in der 3 eine Tangente an dem Schaufelfuß 44 der Schaufeleintrittskante 40 eingezeichnet und der Schaufelwinkel β zwischen dieser Tangente und der radialen Richtung (bezogen auf die Rotationsachse 36) an dem Schaufelfuß 44 der Schaufeleintrittskante 40 gekennzeichnet. In the two embodiments of inventive turbine wheels 26 according to the 5 and 6 is also provided that the in the 3 for a shovel 38 drawn blade angle β on the blade root 44 the blade leading edge 42 positive (ie in the direction of an intended direction of rotation 48 for the turbine wheel 26 pointing). The blade angle β gives the orientation of the curvature of the associated blade 38 in the circumferential direction on the blade root 44 the blade leading edge 40 again. This is in the 3 a tangent to the blade foot 44 the blade leading edge 40 drawn and the blade angle β between this tangent and the radial direction (relative to the axis of rotation 36 ) on the blade root 44 the blade leading edge 40 characterized.

Ein positiver Schaufelwinkel β ermöglicht, die Schaufeleintrittskante 40 der dazugehörigen Schaufel 38 (bzw. die Verbindungslinie zwischen dem Schaufelfuß 44 und der Schaufelspitze 46 der Schaufeleintrittskante 40) in einem Winkel γ < 90° zu der durch den Schaufelfuß 44 der Schaufeleintrittskante 40 und senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Ebene 50 auszurichten (vgl. 3). Konkret beträgt der Winkel γ in den vorliegenden Ausführungsbeispielen in etwa 50°. Ein Winkel γ < 90° ist für die mechanische Haltbarkeit des Turbinenlaufrads im Betrieb vorteilhaft. A positive blade angle β allows the blade leading edge 40 the associated shovel 38 (or the connecting line between the blade root 44 and the blade tip 46 the blade leading edge 40 ) at an angle γ <90 ° to that through the blade root 44 the blade leading edge 40 and perpendicular to the axis of rotation plane 50 to align (cf. 3 ). Concretely, the angle γ in the present embodiments is about 50 °. An angle γ <90 ° is advantageous for the mechanical durability of the turbine runner during operation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Verbrennungsmotor internal combustion engine
12 12: Frischgasstrang Fresh gas line
14 14: Verdichter compressor
16 16: Wastegate wastegate
18 18: Brennraum combustion chamber
20 20: Abgasstrang exhaust gas line
22 22: Turbine turbine
24 24: Gehäuse der Turbine Housing of the turbine
26 26: Turbinenlaufrad turbine impeller
28 28: Welle wave
30 30: Verdichterlaufrad compressor impeller
32 32: Gehäuse des Verdichters Housing of the compressor
34 34: Nabe hub
36 36: Rotationsachse axis of rotation
38 38: Schaufel shovel
40 40: Schaufeleintrittskante Blade leading edge
42 42: Schaufelaustrittskante Blade outlet edge
44 44: Schaufelfußblade
46 46: Schaufelspitze blade tip
48 48: Rotationsrichtung direction of rotation
50 50: Ebene level

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5227549 [0010]
DE 102012104240 A1 [0011]

Claims

Turbine wheel ( 26 ) with one axis of rotation ( 36 ) defining hub ( 34 ) and several from the hub ( 34 ) in radial directions with respect to the axis of rotation ( 36 ) extending blades ( 38 ), characterized in that the angular ratio o / s of adjacent blades ( 38 ) is at least two profile sections 2/3 ± 5%, where o is the minimum separation between the pressure and suction side of two adjacent blades ( 38 ) reproducing angles and s the pitch angle between the two adjacent blades ( 38 ).

Turbine wheel ( 26 ) according to claim 1, characterized in that the two profile sections amounting to 50% and 90% of the total blade height, starting from the blade roots ( 44 ) in the direction of the blade tips ( 46 ), lie.

Turbine wheel ( 26 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the angular ratio o / s over the entire course of the blade heights of the blades ( 38 ) Is 2/3 ± 5%.

Turbine wheel ( 26 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting line between the blade roots ( 44 ) and the blade tips ( 46 ) of the blade entry edges ( 40 ) at an angle γ <90 ° to that through the blade roots ( 44 ) of the blade entry edges ( 40 ) defined level ( 50 ) are aligned.

Turbine ( 22 ) with a housing ( 24 ), which forms an inlet and an outlet for a fluid, and with a rotatable within the housing ( 24 ) mounted turbine runner ( 26 ) according to one of the preceding claims.

Turbine ( 22 ) according to claim 5, characterized in that the flow guide for the fluid in the housing ( 24 ) between the inlet and the outlet is formed such that the turbine runner ( 26 ) via a blade leading edge ( 40 ) in the radial direction with respect to the axis of rotation ( 36 ) and via a blade leading edge ( 42 ) in the axial direction with respect to the axis of rotation ( 36 ) is flowed out.

Turbine ( 22 ) according to claim 6, characterized in that the blade angle β of the blades ( 38 ) on the blade root ( 44 ) of the respective blade leading edge ( 40 ) is positive.

Turbine according to one of claims 5 to 7, characterized by a wastegate ( 16 ) for bypassing the turbine wheel ( 26 ).

Exhaust gas turbocharger with a turbine ( 22 ) according to one of claims 5 to 8 and a compressor ( 14 ), one in a housing ( 32 ) of the compressor ( 14 ) rotatably mounted compressor impeller ( 30 ) rotatably with the turbine wheel ( 26 ) connected is.