DE102015120172A1

DE102015120172A1 - Systeme und Verfahren für eine Turbinendrüse mit variabler Geometrie

Info

Publication number: DE102015120172A1
Application number: DE102015120172.0A
Authority: DE
Inventors: Harold Huimin Sun; Leon Hu; Jianwen James Yi; Eric Warren Curtis; Ben Zhao; Jizhong Zhang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US10519799B2; US20160146100A1; RU2015149332A; CN105626162A; CN105626162B; US20180087453A1; RU2709901C2; RU2015149332A3; US9890700B2

Abstract

Es werden verschiedene Systeme und Verfahren für eine Turbine mit variabler Geometrie beschrieben. In einem Beispiel enthält eine Düsenschaufel eine stationäre Schaufel, die eine erste gewölbte Gleitfläche aufweist, und eine gleitende Schaufel, die eine zweite gewölbte Gleitfläche aufweist, wobei die zweite gewölbte Gleitfläche ein Strömungsunterbrechungsmerkmal, das sich mit der ersten gewölbten Gleitfläche in Kontakt befindet, enthält. Die gleitende Schaufel kann positioniert sein, um in einer Richtung von im Wesentlichen tangential entlang einem gekrümmten Weg zu einem inneren Umfang der Turbinendüse zu gleiten und das Strömungsunterbrechungsmerkmal selektiv freizulegen.

Description

Querverweis auf in Beziehung stehende Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/082.899, "SYSTEMS AND METHODS FOR A VARIABLE GEOMETRIE TURBINE NOZZLE", eingereicht am 21. November 2014, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
Gebiet
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Turbinen mit variabler Geometrie für Turbolader von Brennkraftmaschinen.
Hintergrund und Zusammenfassung
Kraftmaschinen können einen Turbolader verwenden, um das Drehmoment und/oder die Leistungsausgabedichte der Kraftmaschine zu verbessern. Ein Turbolader kann eine Turbine enthalten, die in einer Reihe mit dem Abgasstrom der Kraftmaschine angeordnet ist und die über eine Antriebswelle an einen Kompressor gekoppelt ist, der in einer Reihe mit dem Einlassluftkanal der Kraftmaschine angeordnet ist. Die durch das Abgas angetriebene Turbine kann dann über die Antriebswelle dem Kompressor Energie zuführen, um den Druck der Einlassluft zu erhöhen. In dieser Weise führt die durch das Abgas angetriebene Turbine dem Kompressor Energie zu, um den Druck und die Strömung der Luft in die Kraftmaschine zu erhöhen. Deshalb kann das Vergrößern der Drehzahl der Turbine den Ladedruck vergrößern. Der Sollbetrag der Aufladung kann sich während des Betriebs der Kraftmaschine ändern. Während einer Beschleunigung kann die Sollaufladung z. B. größer als während einer Verzögerung sein.
Eine Lösung, den Ladedruck zu steuern, ist die Verwendung einer Turbine mit variabler Geometrie in dem Turbolader. Eine Turbine mit variabler Geometrie steuert den Ladedruck durch das Variieren der Strömung des Abgases durch die Turbine. Das Abgas kann z. B. vom Auslasskrümmer durch eine Turbinendüse und zu den Turbinenschaufeln strömen. Die Geometrie der Turbinendüse kann variiert werden, um den Winkel zu steuern, in dem das Abgas mit den Turbinenschaufeln in Kontakt gelangt, und/oder um die Querschnittsfläche der Einlasskanäle oder des Halses stromaufwärts der Turbinenschaufeln zu variieren. Das Vergrößern der Querschnittsfläche der Einlasskanäle kann es ermöglichen, dass mehr Gas durch die Kanäle strömt. Außerdem kann der Einfallswinkel des über die Turbinenschaufeln strömenden Gases den Wirkungsgrad der Turbine beeinflussen, z. B. die von der Strömung erfasste Menge thermodynamischer Energie, die in mechanische Energie umgesetzt wird. Folglich können die Turbinendrehzahl und der Ladedruck durch das Ändern der Geometrie der Turbinendüse variiert werden.
Die Bauform der Turbinen mit variabler Geometrie ist modifiziert worden, um verschiedene erwünschte Ergebnisse zu liefern. Die US-Patentanmeldung 2013/0042608 von Sun u. a. offenbart Systeme und Verfahren zum Variieren des Einfallswinkels des Gases, das über die Turbinenschaufel strömt, durch das Einstellen der Querschnittsfläche der Kanäle zwischen benachbarten Düsenschaufeln. Hier ist eine ringförmige Turbinendüse bereitgestellt, die eine Mittelachse und eine Anzahl von Düsenschaufeln aufweist. Jede Düsenschaufel umfasst eine stationäre Schaufel und eine gleitende Schaufel, wobei die gleitende Schaufel eine planare Oberfläche enthält, die sich mit einer planaren Oberfläche der stationären Schaufel in Gleitkontakt befindet. Die Düsenschaufel als solche kann einen Soll-Einfallswinkel und eine bevorzugte Querschnittsfläche der Kanäle über einen Bereich der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine ermöglichen.
Die Erfinder haben hier bei der oben identifizierten Herangehensweise potentielle Probleme erkannt. Die gleitende Schaufel kann (die gleitenden Schaufeln können) z. B. in einen Bereich mit hoher Strömung der Einlasskanäle eindringen. In dieser Weise kann das Eindringen der Vorderkanten der gleitenden Schaufeln suboptimale Einfallswinkel für das ankommende Gas erzeugen und dadurch zu einem vergrößerten aerodynamischen Strömungsverlust führen. Außerdem kann die gleitende Schaufel, die sich auf der planaren Oberfläche bewegt, eine relativ große Strecke in der radialen Richtung in den Bereich mit hoher Strömung des Einlasskanals gleiten und dadurch zu Herausforderungen bei der Anordnung in einer Baugruppe führen.
Ferner behandeln die obigen Verfahren und Systeme nicht die potentiellen Stoßwellen, die während bestimmter Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie z. B. des Kraftmaschinenbremsens, erzeugt werden. Während des Kraftmaschinenbremsens kann der Abgasstrom eingeengt sein, wobei deshalb Stoßwellen erzeugt werden können, die zu einer starken Wechselwirkung und Anregung an den Turbinenschaufeln führen. Die durch Stoßwellen hervorgerufene Anregung, die außerdem als eine Anregung einer erzwungenen Reaktion oder eine Fluidstruktur-Wechselwirkung bezeichnet wird, kann eine Quelle der Ermüdung der Turbinenschaufeln und ein begrenzender Faktor für das weitere Vergrößern der Abgasbremsleistung von Kraftmaschinen mit Turbolader sein.
Die Erfinder haben hier die obigen Probleme erkannt und eine Herangehensweise entwickelt, um die obigen Probleme wenigstens teilweise zu behandeln. Als ein Beispiel kann eine ringförmige Turbinendüse bereitgestellt werden, die eine Düsenschaufel, die eine stationäre Schaufel enthält, die an einer Oberfläche einer Düsenwandplatte befestigt ist und eine erste Gleitfläche enthält, und eine gleitende Schaufel, die eine zweite Gleitfläche, die ein Strömungsunterbrechungsmerkmal, das sich mit der ersten Gleitfläche in Kontakt befindet, enthält, enthält, umfasst, wobei die gleitende Schaufel positioniert ist, um in einer Richtung von im Wesentlichen tangential zu einem inneren Umfang der Turbinendüse zu gleiten und das Strömungsunterbrechungsmerkmal selektiv freizulegen. In dieser Weise kann die Oberflächenbehandlung während verschiedener Bedingungen, wie z. B. während des Kraftmaschinenbremsens, freigelegt sein, um die Intensität möglicher Stoßwellen und der Anregung an den Turbinenschaufeln zu verringern.
Die erste Gleitfläche der stationären Schaufel und die zweite Gleitfläche der gleitenden Schaufel können z. B. gewölbte Oberflächen sein, so dass die gleitende Schaufel positioniert werden kann, um entlang einer gekrümmten Linie zu gleiten, die mit den gewölbten Oberflächen der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche übereinstimmt. Die gleitende Schaufel als solche gleitet auf einem gekrümmten Weg, der durch eine Krümmung oder eine gewölbte Linie der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche definiert ist. Folglich kann ein Soll-Einfallswinkel im Wesentlichen aufrechterhalten werden, während gleichzeitig eine radiale Verschiebung verringert wird, die durch die gleitende Schaufel während verschiedener Betriebsbedingungen der Kraftmaschine zurückgelegt wird. In dieser Weise können die Abgasausdehnungsverluste im Vergleich zu einer gleitenden Schaufel und einer stationären Schaufel, die planare Gleitflächen aufweisen, verringert werden.
Die obigen Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung leicht offensichtlich, wenn sie allein oder im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um eine Auswahl der Konzepte in vereinfachter Form einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben sind. Sie ist nicht beabsichtigt, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang eindeutig durch die Ansprüche definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Implementierungen eingeschränkt, die alle oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile beseitigen. Schließlich erkennt die obige Erklärung nicht an, dass irgendwelche der Informationen oder Probleme wohlbekannt waren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Kraftmaschine mit Turbolader.
2 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform einer Turboladerturbine, die eine Turbinendüse enthält.
3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Turbinendüse und eines Turbinenrades.
4 stellt eine vergrößerte Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Turbinendüse dar.
5 zeigt eine erste beispielhafte Düsenschaufel, die planare Gleitflächen aufweist, und eine zweite beispielhafte Düsenschaufel, die gewölbte Gleitflächen aufweist.
6 zeigt eine beispielhafte Turbinendüse, die eine Düsenschaufel mit einem Sollverhältnis der Dicke zur Sehnenlänge aufweist.
7 zeigt eine beispielhafte Turbinendüse, die Düsenschaufeln mit Strömungsunterbrechungsmerkmalen aufweist.
8A–8B veranschaulichen beispielhafte Turbinendüse mit freilegbaren Strömungsunterbrechungsmerkmalen.
9 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer Turbinendüse für eine Schwingschaufel-Turbinendüse.
10 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht der beispielhaften Turbinendüse nach 9.
11 zeigt ein beispielhaftes Verfahren für eine Kraftmaschine mit Turbolader, die eine Turbinendüse mit einer Schwingschaufel-Turbinendüse enthält.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Systeme und Verfahren für Turbolader mit variabler Geometrie von Brennkraftmaschinen. Eine beispielhafte Kraftmaschine mit einem Turbolader ist in 1 veranschaulicht. Der beispielhafte Turbolader enthält einen durch eine Turbine, wie z. B. die in 2 veranschaulichte Turbine, angetriebenen Kompressor. Die Turbine kann eine Turbinendüse und ein Turbinenrad enthalten, wie in den 3–8 ausführlicher gezeigt ist. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Turbinendüse und eines Turbinenrades. Ähnlich zeigt 4 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Turbinendüse, die Düsenschaufeln aufweist. In einem Beispiel kann jede Düsenschaufel eine stationäre Schaufel und eine gleitende Schaufel, die flache Gleitflächen aufweisen, enthalten, wie im oberen Bild der 5 gezeigt ist. In einem weiteren Beispiel kann jede Düsenschaufel eine stationäre Schaufel und eine gleitende Schaufel, die gewölbte (z. B. gekrümmte) Gleitflächen aufweisen, enthalten, wie im unteren Bild der 5 gezeigt ist. Ferner kann die Düsenschaufel, die eine stationäre Schaufel und eine gleitende Schaufel aufweist, eine Soll-Sehnengeometrie umfassen (6). In einer Ausführungsform kann die Turbinendüse mehrere Düsenschaufeln enthalten, wobei die mehreren Düsenschaufeln jede eine Strömungsunterbrechungsoberfläche oder eine Oberflächenbehandlung enthalten können, um die durch Stoß hervorgerufene Anregung an den Turbinenschaufeln verringern, wie in 7 gezeigt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann sich jede der gleitenden Schaufeln bewegen, um die Strömungsunterbrechungsoberfläche auf der Turbinendüse abzudecken und/oder freizulegen (8). In einer noch weiteren Ausführungsform kann eine Schwingschaufel-Turbinendüse bereitgestellt sein, wobei die Düsenschaufeln einen herkömmlichen Betätigungsblock (oben rechts in 9) und/oder einen Betätigungsblock mit geänderter Geometrie (unten rechts in 9) aufweisen können. Jeder von dem herkömmlichen Betätigungsblock und/oder dem Betätigungsblock mit geänderter Geometrie kann eine oder mehrere Düsenschaufeln drehen, schwingen oder schwenken. 10 zeigt eine Seitenansicht der schematischen Veranschaulichung des Betätigungsblocks mit geänderter Geometrie nach 9. Ferner können mehrere Düsenschaufeln in einer Schwingschaufel-Turbinendüse durch einen oder mehrere Betätigungsblöcke nach 9 und 10 für eine Kraftmaschine mit Turbolader (11) eingestellt werden.
1 zeigt ein Beispiel einer Kraftmaschine mit Turbolader, insbesondere eine Brennkraftmaschine 10, die mehrere Zylinder umfasst, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt ist. Die Kraftmaschine 10 kann wenigstens teilweise durch ein Steuersystem, das einen Controller 12 enthält, und durch eine Eingabe von einer Bedienungsperson 72 des Fahrzeugs über eine Eingabevorrichtung 70 gesteuert sein. In diesem Beispiel enthält die Eingabevorrichtung 70 ein Fahrpedal und einen Pedalpositionssensor 74 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PPS. Die Kraftmaschine 10 enthält eine Verbrennungskammer 30 und die Zylinderwände 32, in denen ein Kolben 36 positioniert und mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Die Verbrennungskammer 30 steht über ein Einlassventil 52 und ein Auslassventil 54 mit einem Einlasskrümmer 44 bzw. einem Auslasskrümmer 48 in Verbindung. Es ist gezeigt, dass der Einlasskrümmer 44 außerdem eine Kraftstoffeinspritzdüse 68 aufweist, die an ihn gekoppelt ist, um Kraftstoff proportional zu der Impulsbreite eines Signals (FPW) vom Controller 12 zuzuführen.
Der Controller 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, der einen Mikroprozessor 102, die Eingabe-/Ausgabeports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Eichwerte, das in diesem besonderen Beispiel als ein Festwertspeicher-Chip 106 gezeigt ist, einen Schreib-Lese-Speicher 108, einen Haltespeicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus enthält. Der Controller 12 kann zusätzlich zu jenen Signalen, die vorher erörtert worden sind, verschiedene Signale von an die Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren empfangen, einschließlich der Messung des eingeleiteten Luftmassendurchflusses (MAF) von einem Luftmassendurchflusssensor 115; einer Kraftmaschinen-Kühlmitteltemperatur (ECT) von einem an eine Kühlhülse 114 gekoppelten Temperatursensor 112; eines Profil-Zündungs-Ansprechsignals (PIP) von einem Hall-Effekt-Sensor 118 (oder einem anderen Typ), der an die Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; einer Drosselklappenposition (TP) von einem Drosselklappenpositionssensor; und eines Krümmerabsolutdrucksignals (MAP) von einem Sensor 122. Das Kraftmaschinen-Drehzahlsignal, RPM, kann durch den Controller 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Ferner kann der Controller 12 ein Verdichtungsverhältnis der Kraftmaschine basierend auf den Messungen von einem (nicht gezeigten) Drucksensor, der in dem Zylinder 30 positioniert ist, schätzen.
Der Controller 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren nach 1 und verwendet die verschiedenen Aktuatoren nach 1, um den Kraftmaschinenbetrieb basierend auf den empfangenen Signalen und den Anweisungen, die in einem Speicher des Controllers gespeichert sind, einzustellen.
Der Festwertspeicher 106 des Speichermediums kann mit computerlesbaren Daten, die durch den Prozessor 102 ausführbare Anweisungen repräsentieren, zum Ausführen der Verfahren programmiert sein.
In einer Konfiguration, die als Hochdruck-AGR bekannt ist, wird das Abgas durch ein AGR-Rohr 125, das mit dem Auslasskrümmer 48 in Verbindung steht, dem Einlasskrümmer 44 zugeführt. Eine AGR-Ventilanordnung 120 befindet sich in dem AGR-Rohr 125. Anders dargelegt, das Abgas bewegt sich vom Auslasskrümmer 48 zuerst durch die Ventilanordnung 120 und dann zum Einlasskrümmer 44. Dann kann gesagt werden, dass sich die AGR-Ventilanordnung 120 stromaufwärts des Einlasskrümmers befindet. Es gibt außerdem einen optionalen AGR-Kühler 130, der in dem AGR-Rohr 125 angeordnet ist, um die AGR vor dem Eintreten in den Einlasskrümmer zu kühlen. Es kann eine Niederdruck-AGR verwendet werden, um das Abgas von einem Ort stromabwärts der Turbine 16 über ein Ventil 141 zu einem Ort stromaufwärts des Kompressors 14 zurückzuführen.
Der Drucksensor 115 stellt eine Messung des Krümmerdrucks (MAP) dem Controller 12 bereit. Die AGR-Ventilanordnung 120 weist eine (nicht gezeigte) Ventilposition zum Steuern einer variablen Bereichsbegrenzung in dem AGR-Rohr 125 auf, die dadurch die AGR-Strömung steuert. Die AGR-Ventilanordnung 120 kann entweder die AGR-Strömung durch das Rohr 125 minimal einschränken oder die AGR-Strömung durch das Rohr 125 vollständig einschränken oder arbeiten, um die AGR-Strömung variabel einzuschränken. An die AGR-Ventilanordnung 120 ist ein Unterdruckregler 124 gekoppelt. Der Unterdruckregler 124 empfängt vom Controller 12 ein Betätigungssignal 126 zum Steuern der Ventilposition der AGR-Ventilanordnung 120. In einer Ausführungsform ist die AGR-Ventilanordnung ein unterdruckbetätigtes Ventil. Es kann jedoch irgendein Typ des Strömungssteuerventils verwendet werden, wie z. B. ein durch ein elektrisches Solenoid angetriebenes Ventil oder ein durch einen Schrittmotor angetriebenes Ventil.
Der Turbolader 13 weist eine Turbine 16, die an den Auslasskrümmer 48 gekoppelt ist, und einen Kompressor 14, der über einen Zwischenkühler 132 an den Einlasskrümmer 44 gekoppelt ist, auf. Die Turbine 16 ist über eine Antriebswelle 15 an den Kompressor 14 gekoppelt. Von dem Kanal 140 tritt Luft auf Atmosphärendruck in den Kompressor 14 ein. Das Abgas strömt aus dem Auslasskrümmer 48 durch die Turbine 16 und verlässt den Kanal 142. In dieser Weise führt die abgasbetriebene Turbine dem Kompressor Energie zu, um den Druck und die Strömung der Luft in die Kraftmaschine zu erhöhen. Der Ladedruck kann durch die Drehzahl der Turbine 16 gesteuert sein, die wenigstens teilweise durch die Strömung der Gase durch die Turbine 16 gesteuert ist.
Die Strömung der Abgase durch die Turbine 16 kann ferner durch die beispielhafte Ausführungsform der Turbine 16 in 2 veranschaulicht werden. Die Turbine 16 kann eine Spirale oder ein Gehäuse 202 enthalten, die bzw. das eine Turbinendüse 210 und ein Turbinenrad 220, das die Turbinenschaufeln 222 aufweist, umschließt. Das Gehäuse 202 kann z. B. einen Einlasskanal 204 enthalten, der mit der Turbinendüse 210 in Verbindung steht. Die Turbinendüse 210 kann mit dem Einlasskanal 204 in Verbindung stehen. Folglich kann das Abgas vom Auslasskrümmer 48 durch den Einlasskanal 204, durch die Turbinendüse 210, über das Turbinenrad 220 und die Turbinenschaufeln 222 in den Kanal 206 und heraus zum Kanal 142 strömen. Ferner kann die Strömung der Abgase, z. B. die Ausdehnung der Gase, durch die Turbine 16 durch das Variieren der Geometrie der Turbinendüse 210 gesteuert werden, wobei folglich die Drehzahl der Turbine 16 gesteuert werden kann.
In einer Ausführungsform kann die Turbinendüse 210 im Allgemeinen ringförmig sein und mit dem Turbinenrad 220 und der Antriebswelle 15 eine Mittelachse 230 teilen. Mit anderen Worten, das Turbinenrad 220 und die Turbinendüse 210 können koaxial und konzentrisch sein. Die Turbinendüse 210 kann einen ringförmigen Verstellring 240, eine ringförmige Düsenwandplatte 250 und eine oder mehrere Düsenschaufeln 260 enthalten. In einer Ausführungsform können der Verstellring 240 und die Düsenwandplatte 250 eine Stütz- und Steuerstruktur für die Düsenschaufel 260 bilden. In einem Beispiel kann die Form der Düsenschaufel 260 als solche durch das Drehen des Verstellrings 240 und/oder der Düsenwandplatte 250 eingestellt werden.
Eine Geometrie jeder Düsenschaufel 260 kann eingestellt werden, um die Strömung der Gase durch die Turbinendüse 210 zu steuern. In einer Turbine mit geteilten gleitenden Düsenschaufeln (SSVNT) kann eine Länge der Düsenschaufel 260 eingestellt werden, um die Strömung der Gase durch die Turbinendüse 210 zu steuern. In diesem Beispiel kann eine gleitende Schaufel der Düsenschaufel 260 in einer Richtung tangential von einem äußeren Umfang der Düsenwandplatte 250 gleiten. Die obenerwähnte Anordnung kann hier als eine herkömmliche Ausführungsform einer gleitenden Schaufel bezeichnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform, die zu der herkömmlichen Ausführungsform einer gleitenden Schaufel im Gegensatz steht, kann eine gleitende Schaufel der Düsenschaufel 260 über einen Bereich der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine zurück in eine und heraus aus einer Aussparung oder in einen und heraus aus einem Schacht gleiten (wie bezüglich 8 gezeigt ist). Spezifischer kann die gleitende Schaufel der Düsenschaufel 260 z. B. in einer Richtung parallel zur Mittelachse 230 anstatt tangential vom äußeren Umfang der Düsenwandplatte 250 axial in die Düsenwandplatte 250 gleiten.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann anstelle der SSVNT eine Turbine mit Schwing- oder Schwenkdüsenschaufeln bereitgestellt sein. Die Düsenschaufeln 260 einer Turbine mit Schwing- oder Schwenkdüsenschaufeln können um eine Achse, die zu der Mittelachse 230 parallel ist, schwenken. Die Turbine mit Schwing- oder Schwenkdüsenschaufeln, wie im Folgenden bezüglich der 9–11 gezeigt ist, kann die Strömung des Abgases durch die Turbine 16 durch das Steuern eines Winkels, in dem das Abgas auf die Turbinenschaufeln 222 auftrifft, variieren. Außerdem kann die Turbine mit Schwing-Düsenschaufeln die Strömung des Abgases durch die Turbine 16 durch das Steuern einer Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 zwischen den Düsenschaufeln 216 stromaufwärts der Turbinenschaufeln 222, durch die die Abgasströmung hindurchgeht, variieren. Die Düsenschaufeln 260 als solche können konfiguriert sein, in einer Richtung zu schwenken, um die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 stromaufwärts der Turbine 16 zu vergrößern und dadurch einen Einfallswinkel des Gases, das über die Turbinenschaufeln 222 strömt, zu verringern. Die Düsenschaufeln 260 können außerdem konfiguriert sein, in der entgegengesetzten Richtung zu schwenken, um die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 zu dem Turbinenrad zu verringern. Im Ergebnis kann der Einfallswinkel des Abgases, das über die Turbinenschaufeln 222 strömt, vergrößert werden.
Ungeachtet eines oben beschriebenen Typs der Turbinendüse kann das Variieren der Geometrie der Düsenschaufel 260 und/oder der Orientierung der Düsenschaufel 260 die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 der Turbinendüse 210 variieren. In einer Ausführungsform kann der Einlasskanal 204 vier Seiten enthalten. Eine erste Seite des Einlasskanals 204 kann z. B. durch eine Oberfläche 252 der Düsenwandplatte 250 ausgebildet sein, während eine zweite Seite des Einlasskanals 204 durch eine Oberfläche 208 des Turbinengehäuses 202 ausgebildet sein kann. Sowohl die dritte Seite als auch die vierte Seite können durch eine Oberfläche benachbarter Düsenschaufeln ausgebildet sein. Das Verlängern der Düsenschaufel 260 als solches kann die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 der Turbinendüse 210 und die volumetrische Strömung des Gases durch die Einlasskanäle 204 einstellen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die axiale Bewegung der Düsenwandplatte 250 und/oder des Turbinengehäuses 202 ferner verwendet werden, um die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 der Turbinendüse 210 zu variieren. Der Abstand zwischen der Düsenwandplatte 250 und dem Turbinengehäuse 202 kann z. B. während bestimmter Betriebsbedingungen der Kraftmaschine variiert werden, so dass die Düsenwandplatte 250 um den Abstand bezüglich des Turbinengehäuses 202 bewegt werden kann. Folglich kann die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 der Turbinendüse 210 einer Turbine des Schwingdüsentyps außerdem durch das Variieren zusätzlicher Turbinenkomponente gesteuert werden.
Die Geometrie und die Einstellung der Düsenschaufel 260 kann in 3 weiter veranschaulicht sein. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Turbinendüse 210 mit gleitenden Schaufeln und eines Turbinenrads 220, wobei ein Teil der Düsenwandplatte 250 für Veranschaulichungszwecke an den Schnittlinien 302 und 304 weggeschnitten, z. B. entfernt, ist. Folglich sind in 3 die Einzelheiten des Verstellrings 240, die in einer zusammengebauten Turbinendüse 210 durch die Düsenwandplatte 250 abgedeckt sind, gezeigt. Die Turbinendüse 210, der Verstellring 240 und die Düsenwandplatte 250 können im Allgemeinen ringförmig oder ringförmig mit einem inneren Umfang und einem äußeren Umfang sein. In einer Ausführungsform sind die Turbinendüse 210, der Verstellring 240 und die Düsenwandplatte 250 koaxial. Ferner können die inneren Umfänge der Turbinendüse 210, des Verstellrings 240 und der Düsenwandplatte 250 die gleichen sein. In einer Ausführungsform können die äußeren Umfänge der Turbinendüse 210, des Verstellrings 240 und der Düsenwandplatte 250 die gleichen sein.
Die Düsenschaufel 260 kann eine stationäre Schaufel 310 und eine gleitende Schaufel 320 enthalten. In einer Ausführungsform kann die Länge der Düsenschaufel 260 durch das Bewegen (z. B. das Gleiten) der stationären Schaufel 310 und/oder der gleitenden Schaufel 320 relativ zueinander eingestellt werden. Die gleitende Schaufel 320 kann z. B. konfiguriert sein, sich zu bewegen, während die stationäre Schaufel 310 an der Düsenwandplatte 250 befestigt oder mit der Düsenwandplatte 250 einteilig sein kann. Die Befestigung der stationären Schaufel 310 an der Düsenwandplatte 250 kann den Spalt zwischen der stationären Schaufel 310 und der Düsenwandplatte 250 verringern. In dieser Weise können die aerodynamischen Verluste verringert werden, wenn die Abgase an der stationären Schaufel 310 vorbeiströmen. Die stationäre Schaufel 310 kann eine Gleitfläche 312 enthalten, die sich mit einer Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 in Gleitkontakt befindet. In einer Ausführungsform können die Gleitfläche 312 und die Gleitfläche 322 zu der Oberfläche 252 der Düsenwandplatte 250 im Wesentlichen senkrecht sein. Der Winkel zwischen sowohl der Gleitfläche 312 als auch der Gleitfläche 322 und der Oberfläche 252 kann z. B. 90 Grad betragen. In einem weiteren Beispiel kann der Winkel zwischen sowohl der Gleitfläche 312 als auch der Gleitfläche 322 und der Oberfläche 252 zwischen 80 und 100 Grad betragen. Deshalb können die Gleitflächen 312 und 322 parallel und planar sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 und die Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 gewölbt (z. B. gekrümmt) und nicht planar sein. Die Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 und die Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 als solche können im Wesentlichen zueinander komplementär sein. Die Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 kann z. B. konvex sein, während die Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 entsprechend konkav sein kann, wie im Folgenden bezüglich 5 gezeigt wird. Die Gleitfläche 322 kann positioniert sein, um entlang einem gekrümmten tangentialen Weg zu gleiten, der mit denselben gewölbten Oberflächen der Gleitflächen 312 und 322 übereinstimmt. In einem Beispiel gleitet die gleitende Schaufel 320 auf einem gekrümmten Weg, der durch eine Krümmung der ersten Gleitfläche (z. B. der Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310) und der zweiten Gleitfläche (z. B. der Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320) definiert ist.
In dieser Ausführungsform kann die Verlängerung oder die Dehnung der Düsenschaufel 260 entlang der gewölbten Gleitflächen 312 und 322 die radiale Verschiebung der gleitenden Schaufel 320 während der Bedingungen einer niedrigen Abgasströmung (z. B. während einer leichten oder niedrigen Kraftmaschinenlast, einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl und/oder einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur) im Vergleich zu der Verlängerung oder der Dehnung einer Düsenschaufel, die flache und planare Gleitflächen aufweist, verringern. Als solche können die Belastungen der Anordnung in Baugruppen aufgrund der verringerten räumlichen Verschiebung der gewölbten Gleitflächen verringert werden, wie im Folgenden bezüglich 5 erörtert wird.
In einer Ausführungsform kann die gleitende Schaufel 320 positioniert sein, um sich zu bewegen oder zu gleiten, wenn der Verstellring 240 gedreht wird. Der Verstellring 240 kann z. B. über einen Betätigungsarm 340, der sich in einer radialen Richtung von dem Verstellring 240 erstreckt, gedreht werden. Der Verstellring 240 kann einen Schlitz 330 enthalten, der geformt ist, um ein Lager 350 aufzunehmen und Position des Lagers 350 zu leiten. Das Lager 350 kann konfiguriert sein, einen Betätigungsstift 324 der gleitenden Schaufel 320 aufzunehmen. Der Betätigungsstift 324 kann sich z. B. von der gleitenden Schaufel 320 durch einen Schlitz in der Düsenwandplatte 250 erstrecken, um durch das Lager 350 aufgenommen zu werden. Folglich kann die gleitende Schaufel 320 eingeschränkt sein, um sich innerhalb eines Bereichs zu bewegen, der durch die Länge und die Position des Schlitzes in der Düsenwandplatte 250 und die Länge und die Position des Schlitzes 330 bestimmt ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann die gleitende Schaufel 320 positioniert sein, um sich zu bewegen, wenn der Verstellring 240 über eine (nicht gezeigte) Aktuatorausgangswelle gedreht wird, die mit einem (nicht gezeigten) Bügelelement verbunden ist. Das Bügelelement kann sich mit (nicht gezeigten) axial erstreckenden Führungsstäben, die den Düsenring stützen, in Eingriff befinden. Die Aktuatorausgangswelle, die durch einen pneumatischen, elektrischen und/oder mechanischen Mechanismus angetrieben ist, kann es als solche ermöglichen, dass die Turbinendüse bewegt wird. Es wird erkannt, dass sich die Einzelheiten der Anbringung des Düsenrings und die Führungsanordnungen von jenen unterscheiden können, die veranschaulicht sind.
In 4 ist eine Explosionsansicht einer beispielhaften Turbinendüse gezeigt, die die Komponenten der Turbinendüse 210 einschließlich des Schlitzes 410 in der Düsenwandplatte 250 weiter veranschaulichen kann. In einer Ausführungsform kann sich der Schlitz 410 zum äußeren Umfang der Düsenwandplatte 250 erstrecken. Wenn die Turbinendüse 210 zusammengebaut ist, können sich der Schlitz 410 der Düsenwandplatte 250 und der Schlitz 330 des Verstellrings 240 kreuzen. Der Betätigungsstift 324 kann sich an dem Kreuzungspunkt der Schlitze 330 und 410 von der gleitenden Schaufel 320 durch die Düsenwandplatte 250 und den Verstellring 240 erstrecken. Wenn der Verstellring 240 in einer ersten Richtung bezüglich der Düsenwandplatte 250 um die Mittelachse 230 gedreht wird, kann sich der Kreuzungspunkt nach außen zu dem äußeren Umfang der Düsenwandplatte 250 bewegen. Wenn der Verstellring 240 in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung bezüglich der Düsenwandplatte 250 gedreht wird, kann sich der Kreuzungspunkt ähnlich nach innen zum inneren Umfang der Düsenwandplatte 250 bewegen. Folglich kann die Position der gleitenden Schaufel 320 durch das Drehen des Verstellrings 240 eingestellt werden. In einer Ausführungsform kann z. B. die Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 in einer gekrümmten radialen Richtung auf der Turbinendüse 210 entlang der Gleitfläche 312 bewegt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die gleitende Schaufel 320 in einer gekrümmten Richtung bewegt werden, ohne geschwenkt zu werden.
Das Gleiten der gleitenden Schaufel 320 während verschiedener Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie es oben beschrieben worden ist, kann die Strömung des Abgases, die sich durch die Turbinendüse 210 bewegt, steuern. In dieser Weise kann der Ladedruck des Einlasskrümmers 44 gesteuert werden. Spezifisch kann die Strömung des Abgases durch die Turbinendüse 210 durch das Einstellen einer Länge der Düsenschaufel 260 gesteuert werden, was die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 der Turbinendüse 210 verändern kann.
Das durch die Turbinendüse 210 strömende Abgas kann Ruß und Kohlenwasserstoffe enthalten, die auf den Gleitflächen 312 und 322 abgeschieden werden können. Die Ablagerungen können einen vergrößerten Widerstand oder ein Klebenbleiben verursachen, wenn die gleitende Schaufel 320 auf der und gegen die stationäre Schaufel 310 gleitet. Folglich kann es erwünscht sein, die Ruß- und Kohlenwasserstoffablagerungen auf den Gleitflächen 312 und 322 während des Betriebs der Kraftmaschine zu verringern. In einem Beispiel kann die Gleitbewegung der Gleitfläche 322 gegen die Gleitfläche 312 verwendet werden, um die Ablagerungen zu entfernen.
In einer Ausführungsform kann die stationäre Schaufel 310 als solche aus einem ersten Material hergestellt sein, während die gleitende Schaufel 320 aus einem anderen, zweiten Material hergestellt sein kann. Ferner können das erste Material und/oder das zweite Material abrasiv sein. Die stationäre Schaufel 310 kann z. B. keramisch oder keramikbeschichtet sein, während die gleitende Schaufel 320 Stahl sein kann. Als ein weiteres Beispiel kann die stationäre Schaufel 310 Stahl sein, während die gleitende Schaufel 320 keramisch oder keramikbeschichtet sein kann. Ferner können eine oder beide der Gleitflächen 312 und 322 eine Textur enthalten. Eine grobe Textur auf der Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 kann z. B. die Oberfläche verringern, die sich mit der Gleitfläche 322 in Kontakt befindet. Die grobe Textur auf der Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 als solche kann den Widerstand verringern, wenn die Gleitfläche 320 sich in Kontakt mit der stationären Schaufel 310 bewegt oder gleitet. Außerdem oder alternativ kann die Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 ebenfalls eine grobe Textur oder ein grobes Muster aufweisen, was folglich den Widerstand verringert, wenn sich die gleitende Schaufel 320 gegen die und in Kontakt mit der stationären Schaufel 310 bewegt oder gleitet. In dieser Weise kann eine texturierte Oberfläche außerdem die Rußablagerungen, die sich auf einer oder mehreren der texturierten Oberflächen auf einer oder mehreren der Gleitflächen (z. B. der Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 und der Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320) angesammelt haben, abreiben oder verringern.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Klebenbleiben der sich bewegenden gleitenden Schaufel 320 durch das Vergrößern eines Spaltabstandes zwischen der Düsenwandplatte 250 und jeder Düsenschaufel 260 während bestimmter Betriebsbedingungen der Kraftmaschine in einer Kraftmaschine, die eine Turbine mit Schwing-Düsenschaufel und/oder eine SSVNT aufweist, verringert werden. Der vergrößerte Spaltabstand kann über eine Implementierung eines Betätigungsblocks erreicht werden, wobei der Betätigungsblock einen im Wesentlichen rhomboidförmigen und/oder parallelogrammförmigen Querschnitt aufweist. In einem Beispiel kann der Betätigungsblock an den Betätigungsstift 324 der gleitenden Schaufel 320 gekoppelt sein. Der Betätigungsblock als solcher kann konfiguriert sein, eine Querkraft oder einen Druck auf einen Ort des Betätigungsstifts 324 der gleitenden Schaufel 320 gegenüberliegend zu erzeugen, wie im Folgenden bezüglich der 9–11 beschrieben wird. In anderen Beispielen kann ein anderer geeigneter Aktuator (können andere geeignete Aktuatoren) (z. B. ein Betätigungsjoch) verwendet werden, um eine Kraft auf die Düsenschaufel 260 auszuüben und es zu ermöglichen, dass sich die Düsenschaufel 260 entlang der Mittelachse 230 bewegt. Im Ergebnis können mehrere Düsenschaufeln 260 während einer oder mehrerer Betriebsbedingungen der Kraftmaschine von der Oberfläche 252 der Düsenwandplatte 250 wegbewegt werden. In dieser Weise kann das Klebenbleiben der Düsenschaufeln 260 an der Oberfläche 252 während der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine verringert werden, die für das Klebenbleiben der Schaufel anfällig sein können, z. B. während hoher Kraftmaschinentemperaturen und/oder einer hohen Kraftmaschinenlast.
In 5 befindet sich oben eine schematische Veranschaulichung einer Düsenschaufel 260, die die planaren Gleitflächen 312 und 322 aufweist, worauf oben in 3 hingewiesen worden ist. Unten in 5 befindet sich eine schematische Veranschaulichung einer Düsenschaufel 500, die eine stationäre Schaufel 502 und eine gleitende Schaufel 506 umfasst, wobei die stationäre Schaufel 502 eine gewölbte Gleitfläche 504 aufweist, während die gleitende Schaufel 506 eine gewölbte Gleitfläche 508 aufweist. In einer Ausführungsform kann die Düsenschaufel 500 als eine Alternative zu der Düsenschaufel 260 an der Turbinendüse 210, die eine ringförmige Düsenwandplatte 250 aufweist, enthalten sein. Die gleitende Schaufel 320 der Düsenschaufel 260 kann entlang der Gleitflächen 312 und 322 in Kontakt mit der und gegen die stationäre Schaufel 310 der Düsenschaufel 260 gleiten, wie oben bezüglich 3 beschrieben worden ist. Ähnlich kann die gleitende Schaufel 506 entlang der Gleitfläche 504 der stationären Schaufel 502 und der Gleitfläche 508 der gleitenden Schaufel 506 in Kontakt mit der und gegen die stationäre Schaufel 502 gleiten.
Die Düsenschaufel 260 kann auf eine minimale Länge 530 eingestellt sein, während die Düsenschaufel 500 auf eine minimale Länge 510 eingestellt sein kann. In einem Beispiel kann gesagt werden, dass sich die Düsenschaufel 260 an einer Position einer kleinen Schaufelöffnung befindet, wenn die Düsenschaufel 260 auf die minimale Länge 530 eingestellt ist. Gleichermaßen kann gesagt werden, dass sich die Düsenschaufel 500 an der Position einer kleinen Schaufelöffnung befindet, wenn die Düsenschaufel 500 auf die minimale Länge 510 eingestellt ist. In einem Beispiel sind die minimalen Längen 510 und 530 im Wesentlichen die gleichen, da die minimalen Längen 510 und 530 jede eine Länge der Düsenschaufel widerspiegeln können, wenn die gleitende Schaufel 320 und die gleitende Schaufel 506 ihre jeweilige stationäre Schaufel (z. B. die stationäre Schaufel 310 entlang der Gleitfläche 322 für die gleitende Schaufel 320 der Düsenschaufel 260 und die stationäre Schaufel 502 entlang der Gleitfläche 508 für die gleitende Schaufel 506 der Düsenschaufel 500) im Wesentlichen überlappen. In diesem Beispiel können sich eine Hinterkante 560 der Düsenschaufel 260 und eine Hinterkante 580 der Düsenschaufel 500 proximal zum Turbinenrad 220 befinden. Mit anderen Worten, die Düsenschaufel 260 und die Düsenschaufel 500 können auf die minimale Länge 530 bzw. die minimale Länge 510 eingestellt sein, wenn sowohl die gleitende Schaufel 320 als auch die gleitende Schaufel 506 zu einem Ende ihres Bereichs am nächsten bei dem Turbinenrad 220 eingestellt sind. Im Ergebnis ermöglicht die Position einer kleinen Schaufelöffnung der Düsenschaufel 260 und/oder der Düsenschaufel 500 eine größere Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 zu den Turbinenschaufeln 222. In dieser Weise kann während der Bedingungen einer niedrigen Kraftmaschinenlast die Position einer kleinen Schaufelöffnung der Düsenschaufel 260 und/oder der Düsenschaufel 500 erwünscht sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Düsenschaufel 500, die eine gewölbte Gleitfläche 508 auf der gleitenden Schaufel 506 und eine gewölbte Gleitfläche 504 auf der stationären Schaufel 502 aufweist, auf eine maximale Länge 520 eingestellt sein. Die Düsenschaufel 500, die auf die maximale Länge 520 eingestellt ist, ist in gestrichelten Linien (unten in 5) gezeigt. Gleichermaßen kann die Düsenschaufel 260, die die planare Gleitfläche 312 auf der stationären Schaufel 310 und die planare Gleitfläche 322 auf der gleitenden Schaufel 320 aufweist, auf eine maximale Länge 540 eingestellt sein. Die Düsenschaufel 260, die auf die maximale Länge 540 eingestellt ist, ist in gestrichelten Linien (oben in 5) gezeigt. Hier kann gesagt werden, dass sich die Düsenschaufel 260 an einer Position einer großen Schaufelöffnung befindet, wenn die Düsenschaufel 260 auf die maximale Länge 540 eingestellt ist. Ähnlich kann gesagt werden, dass sich die Düsenschaufel 500 an der Position einer großen Schaufelöffnung befindet, wenn die Düsenschaufel 500 auf die maximale Länge 520 eingestellt ist. In diesem Beispiel kann die maximale Länge 520 kleiner als die maximale Länge 540 sein, wie durch einen Abstand 590 gezeigt ist, wobei der Abstand 590 der Unterschied der Länge zwischen der maximalen Länge 520 der Düsenschaufel 500 und der maximalen Länge 540 der Düsenschaufel 260 sein kann. Folglich kann die Düsenschaufel 500, die im Vergleich zu der Düsenschaufel 260, die die längere maximale Länge 540 aufweist, die kürzere maximale Länge 520 aufweist, eine verringerte radiale Verschiebung ermöglichen, wenn die Düsenschaufel 500 in einem Turbolader implementiert ist und wenn die gleitende Schaufel 506 in ihrem Bereich im Wesentlichen verlängert ist und sich eine Vorderkante 570 der Düsenschaufel 500 am nächsten an einem äußeren Umfang der Düsenwandplatte 250 der Turbine 16 befindet. Folglich können die Lasten des Anordnens in einer Baugruppe verringert werden.
Anders gesagt, sowohl die Düsenschaufel 260 als auch die Düsenschaufel 500 können auf die maximale Länge 540 bzw. die maximale Länge 520 eingestellt sein, wenn sowohl die gleitende Schaufel 320 der Düsenschaufel 260 als auch die gleitende Schaufel 506 der Düsenschaufel 500 zu einem Ende ihres Bereichs am entferntesten von den Turbinenschaufeln 222 eingestellt sind. Im Ergebnis kann die Position einer großen Schaufelöffnung jeder der Düsenschaufel 260 und/oder der Düsenschaufel 500 eine kleinere Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 zu den Turbinenschaufeln 222 ermöglichen. In dieser Weise kann die Position einer großen Schaufelöffnung der Düsenschaufel 260 und/oder der Düsenschaufel 500 während der Bedingungen einer niedrigen Kraftmaschinenlast und einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl erwünscht sein.
In einer Ausführungsform kann das Gleiten der gleitenden Schaufel von der Position einer kleinen Schaufelöffnung zu der Position einer großen Schaufelöffnung sowohl der Düsenschaufel 260 als auch der Düsenschaufel 500 eine Freilegung eines Strömungsunterbrechungsmerkmals, das an oder um einer oder mehrerer der Düsenschaufeln positioniert ist, während verschiedener Betriebsbedingungen wenigstens teilweise steuern, wie im Folgenden bezüglich der 7 und 8 erörtert wird. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal kann eine Intensität einer möglichen Stoßwelle und die Anregung an den Turbinenschaufeln verringern, wenn die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 204 verringert ist, und dadurch die Abgasströmung während bestimmter Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie z. B. dem Kraftmaschinenbremsen, einengen.
Als ein Beispiel kann an der Position einer großen Schaufelöffnung der Düsenschaufel 500, in der sich die gleitende Schaufel 506 zu der maximalen Länge 520 und weg von der stationären Schaufel 502 erstreckt, das Strömungsunterbrechungsmerkmal freigelegt und der Abgasströmung ausgesetzt sein. Alternativ kann an der Position einer kleinen Öffnung der Düsenschaufel 500, in der sich die gleitende Schaufel 506 nicht weg von der stationären Schaufel 502 erstreckt und sich die Düsenschaufel 500 auf der minimalen Länge 510 befindet, das Strömungsunterbrechungsmerkmal durch die gleitende Schaufel 506 völlig abgedeckt sein, so dass das Strömungsunterbrechungsmerkmal der sich hindurchbewegenden Abgasströmung nicht ausgesetzt ist. In einem weiteren Beispiel kann an der Position einer großen Schaufelöffnung der Düsenschaufel 260, an der sich die gleitende Schaufel 320 zur maximalen Länge 540 und weg von der stationären Schaufel 310 erstreckt, das Strömungsunterbrechungsmerkmal freigelegt und der Abgasströmung ausgesetzt sein. Alternativ kann an der Position einer kleinen Schaufelöffnung der Düsenschaufel 260, an der sich die gleitende Schaufel 320 nicht weg von der stationären Schaufel 310 erstreckt und sich die Düsenschaufel 260 auf der minimalen Länge 530 befindet, das Strömungsunterbrechungsmerkmal durch die gleitende Schaufel 320 völlig abgedeckt sein, so dass das Strömungsunterbrechungsmerkmal der sich hindurchbewegenden Abgasströmung nicht ausgesetzt ist.
Ferner können die planaren Gleitflächen 312 und 322 der Düsenschaufel 260 zu einem inneren Umfang der Düsenwandplatte 250 im Wesentlichen tangential sein. Die Vorderkante 550 der gleitenden Schaufel 320 kann sich z. B., wenn sie auf die maximale Länge 540 eingestellt ist, innerhalb von null bis sechzig Grad (z. B. null bis zwanzig) bezüglich der Tangente eines Umfangs der Düsenwandplatte 250 befinden. Ähnlich können die gewölbten Gleitflächen 504 und 508 der Düsenschaufel 500 zu dem inneren Umfang der Düsenwandplatte 250 im Wesentlichen tangential sein. Die Vorderkante 570 der gleitenden Schaufel 506 kann sich z. B., wenn sie auf die maximale Länge 520 eingestellt ist, innerhalb von null bis sechzig Grad (z. B. null bis zwanzig) bezüglich der Tangente des Umfangs der Düsenwandplatte 250 befinden.
In einer weiteren Ausführungsform kann sich die Vorderkante 570 der gleitenden Schaufel 506, wenn sie auf die maximale Länge 520 eingestellt ist, innerhalb von null bis fünfzehn Grad bezüglich der Tangente des Umfangs der Düsenwandplatte 250 befinden. Folglich kann die Vorderkante einer Düsenschaufel, die gewölbte Gleitflächen aufweist, (z. B. die Düsenschaufel 500) zu einem kleineren Winkel bezüglich des Umfangs der Düsenwandplatte 250 führen, wenn die Düsenschaufel 500 auf die maximale Länge 520 eingestellt ist. Als solche kann es im Vergleich zu einer Düsenschaufel, die planare Gleitflächen aufweist, (z. B. der Düsenschaufel 260) eine kleinere radiale Verschiebung in den Einlasskanal 204 geben.
Mit anderen Worten, die Vorderkante 550 der gleitenden Schaufel 320 kann, wenn sie auf die maximale Länge 540 eingestellt ist, einen äußeren Umfang der Düsenwandplatte erreichen, so dass die Vorderkante 550 in die Einlasskanäle 204 eindringen kann. Die Vorderkante 570 der gleitenden Schaufel 506 kann im Gegensatz, wenn sie auf die maximale Länge 520 eingestellt ist, einen äußeren Umfang der Düsenwandplatte 250 nicht erreichen. Folglich kann das Eindringen in die Einlasskanäle 204 mit der Düsenschaufel 500, die die gewölbten Gleitflächen 504 und 508 aufweist, verringert sein. In dieser Weise können die gewölbten Gleitflächen (z. B. die Gleitflächen 504 und 508 der Düsenschaufel 500) die aerodynamischen Strömungsverluste verringern und dadurch die Drehleistung der Turbine erhöhen.
Es ist von Interesse, dass die Form, die Orientierung und die Richtung der Schaufelerweiterung, der Einfallswinkel und/oder andere relevante Geometrien und Parameter der Gleitflächen und stationären Flächen und/oder der gleitenden und stationären Schaufeln in Abhängigkeit von den Sollfunktionen in einer SSVNT oder einer herkömmlichen Turbine mit Schwing-Düsenschaufeln variieren können.
In dieser Weise kann die Düsenschaufel 500, die die gewölbten Gleitflächen 504 und 508 aufweist, ein Eindringen der Vorderkante 570 der Düsenschaufel 500 in den Einlasskanal 204 aufgrund der kleineren radialen Verschiebung während der Betriebsbedingungen einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur, einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl und/oder einer niedrigen Kraftmaschinenlast verringern. Dies kann zu einer Verringerung der suboptimalen Einfallswinkel für das ankommende Abgas auf die Turbinenschaufeln 222 und folglich zu einer Erhöhung des Turbinenwirkungsgrads führen. Ferner kann die kleinere radiale Verschiebung in den Einlasskanal 204 der Düsenschaufel 500, die die gewölbten Gleitflächen 504 und 508 aufweist, eine Notwendigkeit für eine vergrößerte Spirale (z. B. ein vergrößertes Turbinengehäuse 202) verringern. Ein vergrößertes Turbinengehäuse 202 kann die Anordnung in Baugruppen behindern, die Verwendung einer gepulsten Strömungsenergie verringern und den Wärmeverlust und die Nachteile während der Übergangsreaktionen und des Warmlaufens vergrößern.
6 stellt eine Düsenschaufel 500 und die Abmessungen der Düsenschaufel 500, die die aerodynamischen Eigenschaften der Turbinendüse 210 beeinflussen können, dar. Die obere Veranschaulichung nach 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Düsenschaufel 500, so dass verschiedene Eigenschaften der Düsenschaufel kontextuell definiert werden können. Die untere Veranschaulichung nach 6 zeigt kontextuell sowohl, wo die Düsenschaufel 500 in einer Turbinendüse 608 positioniert ist, als auch andere relevante Parameter, um die verschiedenen erwünschten Schaufeleigenschaften zu definieren.
Die Düsenschaufel 500 kann eine abgerundete Vorderkante 570 und die spitz zulaufende Hinterkante 508 enthalten, wie bezüglich 5 beschrieben worden ist. Eine Sehne 610 der Düsenschaufel 500, die eine longitudinale Länge 606 aufweist, kann sich zwischen der Vorderkante 570 und der Hinterkante 580 erstrecken. Eine gekrümmte oder gewölbte Ebene 604 kann sich zwischen der Vorderkante 570 und der Hinterkante 580 erstrecken. Die Ebene 604 kann eine Wölbungslinie der Düsenschaufel 500 sein. In einem Beispiel kann die Ebene 604 im Wesentlichen mit der Gleitfläche 504 der stationären Schaufel 502 und der Gleitfläche 508 der gleitenden Schaufel 506 übereinstimmen. In einer Ausführungsform kann die Sehne 610 mit der Ebene 604 an der Grenzfläche der Gleitfläche 504 der stationären Schaufel 502 und der Gleitfläche 508 der gleitenden Schaufel 506 der Düsenschaufel 500 einen Winkel 612 bilden. In einem Beispiel kann sich der Winkel 612 innerhalb von ±45 Grad (z. B. innerhalb eines Bereichs von etwa –45 Grad bis 45 Grad) mit der Ebene 604 befinden.
In einer Ausführungsform kann die longitudinale Länge 606 der Sehne 610 eine Länge von 70–90 % der Hälfte der Länge R2 eines Düsenauslassradius 660 umfassen, wobei die Länge R2 des Düsenauslassradius 660 von einer Mittellinie der Turbinendüse zu einem äußeren Umfang 640 der Düsenwandplatte 250 definiert sein kann. In einem weiteren Beispiel kann die Ebene 604 6- bis 7mal größer als die Hälfte der Länge des Düsenauslassradius R2 sein.
Außerdem kann sich eine maximale Düsendicke 616, die hier als eine Höhe des dicksten Abschnitts der Düsenschaufel 500 entlang einer vertikalen Achse (der vertikalen Achse senkrecht zu einer Mittelachse der Turbinendüse) definiert ist, an oder in der Nähe (z. B. proximal) der Vorderkante 570 der Düsenschaufel 500 befinden. In einem Beispiel kann ein Verhältnis der maximalen Düsendicke 616 der Düsenschaufel 500 an der Vorderkante 570 zu der Länge 606 der Sehne 610 größer als 0,35 sein. Es sei angegeben, dass die Sehne 610, die die obenerwähnten Geometrien aufweist, außerdem für eine herkömmliche Turbine mit Schwing-Düsenschaufel mit Düsenschaufeln gelten kann, die schwenken oder schwingen, um die Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 einzustellen.
Die obenerwähnten Düsenschaufelkonfigurationen können die Einfallsverluste an der Vorderkante 570 der Düsenschaufel 500 verringern, wenn die Düsenschaufel 500 zu der Position einer großen Schaufelöffnung gleitet. In dieser Weise kann es während der Bedingungen einer niedrigen Kraftmaschinenlast und/oder einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur eine Verringerung des Nachteils der aerodynamischen Leistung geben, wenn die Düsenschaufel 500 zu der Position einer großen Schaufelöffnung verlängert wird. Der aerodynamische Wirkungsgrad als solcher kann sowohl an der Position einer kleinen Schaufelöffnung als auch an der Position einer großen Schaufelöffnung erhöht sein, während die erzwungenen Rückreaktionen gleichzeitig verkleinert sein können.
In der Summe kann die hier offenbarte Düsenschaufelgeometrie, die das Verhältnis der maximalen Düsendicke 616 zu der Sehnenlänge 606 aufweist (d. h., ein Verhältnis, das größer als etwa 0,35 ist), eine erwünschte aerodynamische Leistung bei einer verringerten erzwungenen Reaktion sowohl für Turbinen mit Schwing-Düsenschaufeln als auch für SSVNTs erreichen. Es kann außerdem Verringerungen der Variation der Einfallswinkel an den Vorderkanten der Düsenschaufeln und der Strömungswinkel an den Hinterkanten der Düsenschaufeln geben, wenn die Düsenschaufeln eingestellt werden. Im Ergebnis kann der aerodynamische Wirkungsgrad der Turbine erhöht sein, was in Verbesserungen der Kraftstoffwirtschaftlichkeit umgesetzt werden kann.
7 ist eine beispielhafte Vorderansicht eines Turbinenrades, wie z. B. des Turbinenrades 220, das von mehreren Düsenschaufeln umgeben ist. Die in 7 gezeigten Düsenschaufeln können eine alternative Ausführungsform der in den 3–5 beschriebenen Düsenschaufel 260 sein, wobei sie folglich als solche nummeriert sind. In einer Ausführungsform kann eine Düsenschaufel, die planare Gleitflächen aufweist, (z. B. die Düsenschaufel 260) auf die minimale Länge 530 nach 5 eingestellt sein. In einer (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsform kann anstelle der Düsenschaufel, die planare Gleitflächen aufweist, eine Düsenschaufel mit gewölbten Gleitflächen (z. B. die Düsenschaufel 500) bereitgestellt sein, wie in 7 gezeigt ist. In einem Beispiel kann die gleitende Schaufel 320 entlang einer Ebene 706 gegen die und in Kontakt mit der stationären Schaufel 310 gleiten. Die Ebene 706 kann im Wesentlichen mit der Gleitfläche 312 der stationären Schaufel 310 und der Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 übereinstimmen. Außerdem kann die Ebene 706 im Wesentlichen zum inneren Umfang 630 der Düsenwandplatte 250 tangential sein. Wenn die gleitende Schaufel 320 zu einem Ende ihres Bereichs am nächsten bei dem äußeren Umfang 640 der Düsenwandplatte 250 eingestellt ist, kann die Düsenschaufel 260 auf die maximale Länge 540 eingestellt sein.
In der in 7 gezeigten beispielhaften Düsenschaufel kann die Düsenschaufel 260 eine erste Gasoberfläche 710 und eine zweite Gasoberfläche 720 enthalten. Jede der Gasoberflächen 710 und 720 kann eine Strömung der Abgase zu den Turbinenschaufeln 222 des Turbinenrades 220 des Turboladers von der Vorderkante 550 zu der Hinterkante 560 leiten. Die Form und die Orientierung der ersten Gasoberfläche 710 der stationären Schaufel 310 und der zweiten Gasoberfläche 720 der gleitenden Schaufel 320 können den Einfallswinkel des über die Turbinenschaufeln 222 strömenden Gases beeinflussen. Die erste Gasoberfläche 710 der stationären Schaufel 310 und die zweite Gasoberfläche 720 der gleitenden Schaufel können z. B. so konfiguriert sein, dass die Gase die Turbinendüse 210 verlassen und in einem Einfallswinkel, der zu den Turbinenschaufeln 222 im Wesentlichen senkrecht und zu dem inneren Umfang 630 im Wesentlichen tangential ist, über die Turbinenschaufeln 222 strömen.
Die Gasoberflächen 710 und 720 können gekrümmt sein oder andere geeignete Geometrien aufweisen. Die Gasoberflächen 710 und 720 können z. B. einen Bogen mit einer einzigen Krümmungsachse verfolgen. Als ein weiteres Beispiel können die Gasoberflächen 710 und 720 einen konvexen und einen konkaven Abschnitt enthalten, bis der Strömungskanal entlang einer Strömungsrichtung konvergiert. Die Düsenschaufel 260 kann z. B. ein gekrümmter Keil sein, der mit einem dicken Ende in der Nähe der Vorderkante 550 und einem schmalen Ende in der Nähe der Hinterkante 560 geformt ist.
Ferner kann in einem Beispiel die stationäre Schaufel 310 an der Turbinendüse 210 befestigt sein, wobei sich die Geometrie der Gasoberfläche 710 nicht ändern kann, wenn die Länge der Düsenschaufel 260 eingestellt wird. Die Geometrie der Vorderkante 550 der gleitenden Schaufel 320 und die Geometrie der spitz zulaufenden Hinterkante 560 der stationären Schaufel 310 als solche können die Variation des Einfallswinkels potentiell verringern, wenn die Länge der Düsenschaufel 260 eingestellt wird. Folglich kann das in der Nähe der Gasoberfläche 710 der stationären Schaufel 310 strömende Gas mit einer kleinen Variation zu den Turbinenschaufeln 222 geführt werden. In dieser Weise kann der Turbinenwirkungsgrad über einen weiteren Bereich der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine erhöht werden.
Wie in 7 gezeigt ist, können die Einlasskanäle 204 durch die Turbinendüse 210 zwischen benachbarten Düsenschaufeln 260 ausgebildet sein. Der Einlasskanal 204 kann z. B. zwischen der Gasoberfläche 710 der stationären Schaufel 310 und der Gasoberfläche 720 der gleitenden Schaufel 320 der Düsenschaufel 260 ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform können die Einlasskanäle 204 zwischen den Gasoberflächen der stationären Schaufel 502 und der gleitenden Schaufel 506 der Düsenschaufel 500 ausgebildet sein. Das Gas kann durch die Gasoberflächen 710 und 720 geführt werden, wenn das Gas durch die Kanäle von der Vorderkante 550 der Düsenschaufel 260 zur Hinterkante 560 der Düsenschaufel 260 strömt. Die Vorderkante 550 der Düsenschaufel 260 kann positioniert sein, um dem äußeren Umfang 640 zugewandt zu sein, während die Hinterkante 560 der Düsenschaufel 260 positioniert sein kann, um dem inneren Umfang 630 zugewandt zu sein. Durch das Orientieren jeder Düsenschaufel 260 im Wesentlichen tangential zum inneren Umfang 630 der Düsenwandplatte 250 kann der Einlasskanal 204 verengt werden, wenn Gas vom äußeren Umfang 640 zum inneren Umfang 630 durch die Turbinendüse 210 strömt.
Wie oben erörtert worden ist, kann die Düsenschaufel 260 der Turbinendüse 210 in Reaktion auf verschiedene Betriebsbedingungen der Kraftmaschine variiert werden. Es kann z. B. erwünscht sein, den Betrag des Ladedrucks für die Kraftmaschine während verschiedener Betriebsbedingungen der Kraftmaschine einzustellen. Durch das Einstellen der Länge der gleitenden Düsenschaufel 260 kann die Strömung des Gases durch die Turbinendüse 210 variiert werden und kann der Ladedruck des Einlasskrümmers 44 eingestellt werden. Die Düsenschaufel 260 kann z. B. verlängert werden, indem die gleitende Schaufel 320 zum inneren Umfang 630 der Düsenwandplatte 250 bewegt wird. In dieser Weise kann der schmalere Abschnitt des Einlasskanals, der eine Breite, wie z. B. eine Breite 708, aufweist, zwischen benachbarten Düsenschaufeln, z. B. zwischen den Gasoberflächen 710 und 720, weiter zu einer Breite, die kleiner als die Breite 708 ist, verengt werden. Folglich kann die Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 durch das Vergrößern der Länge der Düsenschaufel 260 verringert werden. In dieser Weise können die Abgase beschleunigt werden, wenn das Gas vom äußeren Umfang 640 zum inneren Umfang 630 strömt. Das Gas kann z. B. beschleunigt werden, wenn das Gas durch den Einlasskanal vom äußeren Umfang 640 zu einem engeren Punkt des Einlasskanals, der eine Breite 708 aufweist, strömt.
Während bestimmter Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie z. B. während des Abgasbremsens (d. h., wenn die Kraftmaschine verwendet wird, um ein Fahrzeug zu verlangsamen, um den Verschleiß an den Bremsen eines Fahrzeugs zu verringern und/oder um die Wärmemenge, die erzeugt werden kann, falls nur die Fahrzeugbremsen verwendet werden, um das Fahrzeug zu verlangsamen oder zu stoppen, zu verringern), kann die gleitende Schaufel 320 zu der Position einer großen Schaufelöffnung verlängert werden (und weg von der stationären Schaufel 310 bewegt werden). Im Ergebnis kann die Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 abnehmen und kann die Abgasströmung einengen. Folglich kann der Gegendruck im Einlasskanal 204 zunehmen. In Reaktion können die Kolben 36 gezwungen werden, gegen den Gegendruck zu arbeiten, um das verbrannte Gas aus dem Zylinder (den Zylindern) auszustoßen und folglich die Kraftmaschine 10 und das Fahrzeug zu verlangsamen.
Deshalb kann in einigen Beispielen ein Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf einer oder mehreren stationären oder Gleitflächen (z. B. den Oberflächen 312, 322, 504 und/oder 508) einer oder mehrerer Düsenschaufeln 260 (und/oder Düsenschaufeln 500) enthalten sein. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann eine Intensität einer möglichen Stoßwelle und einer nachfolgenden Anregung der Turbinenschaufeln 222 verringern. Spezifischer kann das an einer oder mehreren Düsenschaufeln positionierte Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 während bestimmter Betriebsbedingungen, wie z. B. wenn sich die Düsenschaufel während des Kraftmaschinenbremsens an der Schaufelposition einer kleinen Öffnung befindet, steile und starke Stoßwellen effektiv in abgeschwächte Stoßwellen zerstreuen, die über einen endlichen Bereich verteilt werden. Anders gesagt, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann eine Stoßwelle verringern, die auftreten kann, wenn das Abgas durch die eingeengten Einlasskanäle stromaufwärts der Turbine hindurchgeht.
In einem Beispiel kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf einer ersten Gleitfläche (z. B. der Gleitfläche 322) der gleitenden Schaufel 320 befinden, so dass, wenn die erste Gleitfläche gegen die zweite Gleitfläche (z. B. die Gleitfläche 312) der stationären Schaufel 310 gleitet, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 verborgen und abgedeckt werden kann. In einem weiteren Beispiel kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der zweiten Gleitfläche (z. B. der Gleitfläche 312) der stationären Schaufel 310 befinden, so dass, wenn die erste Gleitfläche der gleitenden Schaufel 320 gegen die zweite Gleitfläche der stationären Schaufel 310 gleitet, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 verborgen und abgedeckt werden kann. In dieser Weise kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 vorzugsweise während einer oder mehrerer erwünschter Bedingungen freigelegt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf einer Wandplatte, wie z. B. der Düsenwandplatte 250, angeordnet sein, wie im Folgenden bezüglich 8B beschrieben wird.
In einer Ausführungsform kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 mehrere Strömungsunterbrechungsmerkmale umfassen. In weiteren Beispielen kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf einer Turbine mit Schwing- oder Schwenk-Düsenschaufeln und/oder einer SSVNT angeordnet sein.
In einigen Beispielen kann jedes Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 alles oder irgendeinen Abschnitt der Gleitfläche einer oder mehrerer Düsenschaufeln 260 einnehmen. Jedes Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann z. B. etwa 10 % bis 40 % einer Oberfläche der Hinterkante 560 oder der Vorderkante 550 auf einer ersten Seite (z. B. einer Seite der Düsenschaufel, die dem Turbinenrad zugewandt ist) oder einer zweiten Seite (z. B. einer Seite der Düsenschaufel, die dem Turbinengehäuse zugewandt ist) jeder der mehreren Düsenschaufeln 260 einnehmen.
In einer Ausführungsform kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 zwei oder mehr parallele Nuten enthalten, wie in 7 gezeigt ist. Die parallelen Nuten können z. B. einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt mit einem spitzen Boden und/oder einen rechteckigen Querschnitt mit einem im Wesentlichen flachen Boden aufweisen. In einem weiteren Beispiel können die parallelen Nuten einen spezifischen Winkel mit einer (nicht gezeigten) Unterseite der Hinterkante 560 bilden. Die parallelen Nuten können z. B. zu einer Unterseite der Hinterkante 560 im Wesentlichen parallel sein.
Außerdem kann in einigen Ausführungsformen das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 (nicht gezeigte) Vertiefungen enthalten. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann z. B. eine oder mehrere im Wesentlichen runde Vertiefungen und/oder im Wesentlichen rechteckige Vertiefungen enthalten. In einem noch weiteren Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 (nicht gezeigte) abgewinkelte oder gerade Täler bilden. In einem noch weiteren Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 eine Kombination aus Nuten und Vertiefungen enthalten oder kann andere Formen einschließlich z. B. Löchern oder Höckern und dergleichen und/oder verschiedene Kombinationen verschiedener Merkmale in verschiedenen Formen enthalten. Die auf den Düsenschaufeln 260 ausgebildeten Muster können unter den mehreren Strömungsunterbrechungsmerkmalen 702 im Wesentlichen eine ähnliche Größe, Orientierung und Form aufweisen. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann zu den Rändern der Düsenschaufel parallel und/oder senkrecht angeordnet sein oder kann in einem Winkel angeordnet sein. Außerdem kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 im Wesentlichen einer (nicht gezeigten) ersten Seite jeder der mehreren Düsenschaufeln benachbart befinden, wobei die erste Seite eine Seite ist, die der Nabe des Turboladers 13 zugewandt ist. Andererseits kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 im Wesentlichen einer (nicht gezeigten) zweiten Seite jeder der mehreren Düsenschaufeln benachbart befinden, wobei die zweite Seite eine Seite ist, die dem Schaufelversteifungsband des Turboladers 13 zugewandt ist.
In einer Ausführungsform kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der Oberfläche der ersten Seite der gleitenden Schaufel 320 entlang der Hinterkante 560 angeordnet sein, wie in 7 dargestellt ist. Außerdem kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der Gleitfläche 322 befinden, so dass das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 in Abhängigkeit von einer Position (und einer entsprechenden Länge) der Düsenschaufel 260 vorzugsweise freigelegt oder verborgen sein kann. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann z. B. vollständig freigelegt sein, wenn sich die gleitende Schaufel 320 weg von der stationären Schaufel 310 (z. B. an der Position einer großen Schaufelöffnung) erstreckt. In einer Ausführungsform kann die Position einer großen Schaufelöffnung außerdem als eine erste Position bezeichnet werden. In einem noch weiteren Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 in Reaktion auf die Kraftmaschinenlast, die kleiner als ein Schwellenwert ist, an der Position einer großen Schaufelöffnung freigelegt sein. In diesem Beispiel kann der Schwellenwert eine Kraftmaschinenlast sein, bei der die Aufladung der Kraftmaschine erwünscht sein kann.
Alternativ kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der Gleitfläche 322 der gleitenden Schaufel 320 durch die stationäre Schaufel 310 an der Position einer kleinen Schaufelöffnung völlig abgedeckt oder verborgen sein, wobei sich die gleitende Schaufel nicht weg von der stationären Schaufel erstreckt und/oder sich die Turbinendüse auf der minimalen Länge befinden kann, wie in 7 dargestellt ist. Die Position einer kleinen Schaufelöffnung kann außerdem als eine zweite Position bezeichnet werden. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 als solches kann in Reaktion auf die Kraftmaschinenlast, die größer als ein Schwellenwert ist, an der Position einer kleinen Schaufelöffnung verborgen sein.
Ferner können eine oder mehrere Zwischenpositionen möglich sein, so dass die gleitende Schaufel 320 an einem Ort zwischen der ersten und der zweiten Position teilweise verlängert ist. In einem Beispiel kann ein Abschnitt des Strömungsunterbrechungsmerkmals 702 an einer oder mehreren der Zwischenpositionen freigelegt sein. In dieser Weise ist es möglich, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 über einen Bereich der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine selektiv freizulegen oder zu verbergen.
Wie oben erörtert worden ist, können sich die Düsenschaufeln z. B. während des Abgasbremsens an der Position einer großen Schaufelöffnung befinden, um eine Strömung der Abgase zu dem Turbinenrad 220 einzuengen. Das heißt, die gleitende Schaufel 320 erstreckt sich weg von der stationären Schaufel 310, wobei die Hinterkante 560 zu dem inneren Umfang 630 der Turbinendüse 210 proximal und benachbart ist. Während des Kraftmaschinenbremsens kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 den ankommenden Abgasen des Einlasskanals 204 selektiv ausgesetzt sein. Eine Unterbrechung der ankommenden Gasströmung durch das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann folglich eine Intensität der zwischen der Turbinendüse 210 und den Turbinenschaufeln 222 erzeugten Stoßwellen verringern. In dieser Weise kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 das Risiko einer zyklischen Ermüdung der Turbinenschaufeln 222 verringern.
Das Ausgesetztsein dem Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann jedoch die aerodynamische Leistung verringern, wenn sich ein Fahrzeug in einem Zündmodus befindet, insbesondere bei hohen Kraftmaschinenlasten, wenn der Einlasskanal 204 eine größere Querschnittsfläche aufweisen kann. Um die aerodynamischen Strömungsverluste an der Position einer kleinen Schaufelöffnung zu verringern, wenn sich die gleitende Schaufel 320 nicht weg von der stationären Schaufel 310 erstreckt, kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 deshalb völlig und im Wesentlichen durch die gleitende Schaufel 320 abgedeckt sein. In dieser Weise können während bestimmter Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie z. B. während des Kraftmaschinenbremsens, die Kraftreaktion und die durch die Stoßwellen verursachte Anregung verringert werden, während erwünschte aerodynamische Merkmale aufrechterhalten werden können, wenn das Kraftmaschinenbremsen nicht implementiert ist.
In 8A ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Strömungsunterbrechungsmerkmals 702 einer Turbinendüse 800 (links) und eine schematische Veranschaulichung einer Seitenansicht der Turbinendüse 800 (rechts) dargestellt. In einer Ausführungsform kann eine Düsenschaufel 801 eine stationäre Schaufel 802 und eine gleitende Schaufel 804 umfassen, die die Gleitflächen 806 bzw. 808 aufweisen. Die stationäre Schaufel 802 kann eine Gleitfläche 806 enthalten, die sich mit einer Gleitfläche 808 der gleitenden Schaufel 804 in Gleitkontakt befindet. In einer Ausführungsform können die Gleitflächen 806 und 808 im Wesentlichen zu einer planaren Oberfläche 252 der Düsenwandplatte 250 senkrecht sein. Der Winkel zwischen der Gleitfläche 806 und der Oberfläche 252 kann sich zwischen achtzig und einhundert Grad befinden. In einer Ausführungsform können die Gleitflächen 806 und 808 parallel und planar sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Gleitfläche 806 der stationären Schaufel 802 und die Gleitfläche 808 der gleitenden Schaufel 804 gewölbt (z. B. gekrümmt anstatt planar) sein und können im Wesentlichen komplementär zueinander sein. Folglich kann die Gleitfläche 808 der gleitenden Schaufel 804 konvex sein, während die Gleitfläche 806 der stationären Schaufel 802 entsprechend konkav sein kann.
Die gleitende Schaufel 804 kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 enthalten, wobei das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 eine oder mehrere parallele oder nicht parallele Nuten, Vertiefungen und/oder Täler umfassen kann. In einem Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 verschiedene Querschnittsformen umfassen, wie z. B. Dreiecke, Kreise und Rechtecke und irgendeine Kombination daraus.
In der dargestellten Ausführungsform kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf einer Innenfläche 810 proximal zu einer Hinterkante 806 der gleitenden Schaufel 804 befinden, wobei die Innenfläche 810 der Turbinenschaufel 222 zugewandt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der Innenfläche 810 proximal zu einer Vorderkante 850 der gleitenden Schaufel 804 befinden. Das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann 10 % bis 40 % einer Oberfläche oder einer Länge der gleitenden Schaufel 804 umfassen. Außerdem kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 im Wesentlichen einer (nicht gezeigten) ersten Seite benachbart befinden, wobei die erste Seite eine Seite ist, die dem Turbinenradrotor zugewandt ist. Andererseits kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 im Wesentlichen einer (nicht gezeigten) zweiten Seite benachbart befinden, wobei die zweite Seite eine Seite ist, die dem Schaufelversteifungsband der Turbine (z. B. der Turbine 16) zugewandt ist.
In einem Beispiel kann die gleitende Schaufel 804 an eine Welle 818 gekoppelt sein, wie in der schematischen Veranschaulichung auf der rechten Seite in 8A gezeigt ist. Die Welle 818 kann an einen Betätigungsmechanismus 816, wie z. B. einen Betätigungsblock oder einen Betätigungsarm (z. B. den Betätigungskraft 340 nach 3) gekoppelt sein und konfiguriert sein, auf diesen Betätigungsmechanismus 816 zu reagieren. Der Betätigungsmechanismus 816 kann entlang einer Achse 830 (z. B. in einer Richtung der Mittelachse 230 der Turbinendüse, wobei die Mittelachse 230 die gleiche wie die Drehachse des Turbinenrades ist) an einem oder mehreren Orten der Welle 818 eine axial gerichtete Kraft ausüben. Die Welle 818 als solche, die an die gleitende Schaufel 804 gekoppelt ist, kann sich entlang der Achse 830 parallel zu der Mittelachse 230 in wenigstens zwei Richtungen (z. B. entlang der Achse 830 weg von der Düsenwandplatte 250 und/oder entlang der Achse 830 zu der und in die Düsenwandplatte 250) bewegen, wenn der Betätigungsmechanismus manövriert wird, um die axial gerichtete Kraft auszuüben.
Im Ergebnis kann in der aktuellen Ausführungsform im Gegensatz zu den obenerwähnten Ausführungsformen der Gleitflächen nach den 3–5 die gleitende Schaufel 804 in einer axialen Richtung entlang der Achse 830 auf ihrer Gleitfläche 808 gegen die Gleitfläche 806 der stationären Schaufel 802 gleiten. Im Ergebnis kann eine Länge der Düsenschaufel 801 durch das Bewegen, z. B. das Gleiten, der gleitenden Schaufel 804 bezüglich der stationären Schaufel 802 eingestellt werden. In dieser Weise kann die Geometrie der Düsenschaufel 801 so variiert werden, dass eine Querschnittsfläche des Einlasskanals oder des Halses der Turbinendüse 800 eingestellt werden kann, wobei dadurch die volumetrische Strömung des Gases durch die Einlasskanäle geändert wird. In einer Ausführungsform kann die Düsenwandplatte 250 einen oder mehrere Schächte 820 (z. B. Aussparungen) enthalten, wobei jeder Schacht 820 spezifische Abmessungen (z. B. eine spezifische Form und Größe) umfassen kann, um die gleitende Schaufel 804 an wenigstens drei Seiten der gleitenden Schaufel 804 aufzunehmen und zu umhüllen. Die Schächte 820 können in der Düsenwandplatte 250 angeordnet sein, um wenigstens eine gleitende Schaufel 804 aufzunehmen, so dass die Position jedes Schachts 820 jeder gleitenden Schaufel 804 der Turbinendüse 800 entsprechen kann. Wie in 8A (rechts) gezeigt ist, kann der Schacht 820 z. B. in einer Wandplatte 250 direkt hinter der gleitenden Schaufel 804 entlang der Achse 830 positioniert sein. Das Bewegen der gleitenden Schaufel 804 axial entlang der Achse 830 über die Betätigung der Welle 818 kann als solches verursachen, dass die gleitende Schaufel 804 entweder aus und weg von der oder zu und in die Düsenwandplatte 250 gleitet. In einem weiteren Beispiel kann die Anordnung der Schächte 820 einem oder mehreren Schlitzen 330 des Verstellrings 240 (die in den 3 und 4 gezeigt sind) entsprechen. Wenn die gleitende Schaufel als solche im Wesentlichen in den Schacht 820 der Düsenwandplatte 250 zurückgezogen (z. B. versenkt) ist, kann der Schacht 820, der die gleitende Schaufel 804 aufnimmt, bezüglich der flachen Oberfläche 252 der Wandplatte 250 relativ bündig sein.
Während einer ersten Bedingung kann die gleitende Schaufel 804 entlang der Achse 830 aus dem und weg von dem Schacht 820 gleiten. Mit anderen Worten, die gleitende Schaufel 804 kann weg von der Düsenwandplatte 250 gleiten. Wenn die gleitende Schaufel 804 aus dem Schacht 820 bewegt wird, kann die gleitende Schaufel 804 parallel zu der Achse 830 (z. B. in einer Richtung der Mittelachse 230 der Turbinendüse, wobei die Mittelachse 230 die gleiche wie die Drehachse des Turbinenrades ist) und entlang einer vertikalen Achse auf die stationäre Schaufel 802 ausgerichtet sein. Die Gleitfläche 808 als solche der gleitenden Schaufel 804 kann gegen die Gleitfläche 806 der stationären Schaufel 802 gleiten. In diesem Beispiel kann die gleitende Schaufel 804 zu einer Position axial gleiten, wo die gleitende Schaufel 804 gegen eine nach vorn gewandte Oberfläche 828 der stationären Schaufel 802 anstoßen und im Wesentlichen mit der nach vorn gewandten Oberfläche 828 der stationären Schaufel 802 bündig sein kann. In einem Beispiel kann die nach vorn gewandte Oberfläche 828 der stationären Schaufel 802 der Seite des Schaufelversteifungsbands des Turboladers zugewandt sein.
In einer Ausführungsform kann die erste Bedingung die Bedingungen einer niedrigeren Abgasströmung, wie z. B. einer niedrigen Kraftmaschinenlast und einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl, enthalten. Folglich kann eine Menge der Abgasströmung in die Turbinenspirale kleiner als bei den Bedingungen einer höheren Abgasströmung (z. B. einer hohen Kraftmaschinenlast, einer hohen Kraftmaschinendrehzahl und/oder während des Kraftmaschinenbremsens) sein. Folglich kann sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer großen Schaufelöffnung befinden, wo sich die gleitende Schaufel 804 außerhalb und entfernt des Schachtes 820 befinden kann. Außerdem kann die Gleitfläche 806 gegen die Gleitfläche 808 der stationären Schaufel 802 anstoßen. Folglich kann die Querschnittsfläche eines Halsbereichs des Einlasskanals 204 im Vergleich zu einer Querschnittsfläche des Halsbereichs des Einlasskanals 204, wenn sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer kleinen Schaufelöffnung befindet, kleiner sein.
In einer Ausführungsform kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 während der ersten Bedingung in Reaktion auf die Kraftmaschinenlast, die kleiner als eine Schwellenlast ist, an der Position einer großen Schaufelöffnung freigelegt sein. In dieser Weise kann während der ersten Bedingung das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der Innenfläche 810 der gleitenden Schaufel 804 der Abgasströmung im Einlasskanal 204 im Wesentlichen ausgesetzt sein. Folglich kann die Abgasströmung mit dem Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 in Kontakt gelangen und durch das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 unterbrochen werden, wobei dadurch z. B. die Kraftreaktion und die durch die Stoßwellen hervorgerufene Anregung während des Kraftmaschinenbremsens verringert werden. Anders gesagt, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann eine plötzliche und starke Stoßwelle effektiv in eine abgeschwächte Stoßwelle zerstreuen. Folglich kann eine Intensität einer während des Abgasbremsens erzeugten Stoßwelle auf die Turbinenschaufeln 222 verringert werden, wobei dadurch eine Beschädigung der Turbinenschaufeln 222 verringert wird.
Während einer zweiten Bedingung kann die gleitende Schaufel 804 entlang der Achse 830 in den Schacht 820 gleiten. Mit anderen Worten, die gleitende Schaufel 804 kann sich zu der und in die Düsenwandplatte 250 bewegen. In einem Beispiel, wenn die gleitende Schaufel 804 innerhalb des Schachtes 820 aufgenommen und umhüllt ist, kann die gleitende Schaufel 804 im Wesentlichen verborgen sein, so dass wenig bis kein Abschnitt der gleitenden Schaufel 804 und/oder des Strömungsunterbrechungsmerkmals 702 in einen Abschnitt des Einlasskanals 204 eindringen kann. In einer Ausführungsform kann die zweite Bedingung die Bedingungen einer hohen Abgasströmung einschließlich einer hohen Kraftmaschinenlast und/oder einer hohen Kraftmaschinendrehzahl enthalten. Mit anderen Worten, während der Bedingungen einer hohen Abgasströmung kann die Menge der Abgasströmung in die Turbinenspirale oder das Turbinengehäuse (z. B. das Gehäuse 202) größer als bei den Bedingungen einer niedrigeren Abgasströmung (z. B. einer niedrigen Kraftmaschinenlast und/oder einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl) sein. Folglich kann sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer kleinen Schaufelöffnung befinden, wobei die gleitende Schaufel 804 an wenigstens drei Seiten innerhalb des Schachtes 802 umhüllt oder aufgenommen sein kann. Folglich kann eine Querschnittsfläche eines Halsbereichs des Einlasskanals 204 im Vergleich zu einer Querschnittsfläche des Halsbereichs des Einlasskanals 204, wenn sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer großen Schaufelöffnung befindet, größer sein.
Die Bedingungen einer hohen Strömung können außerdem eine Bedingung enthalten, bei der die Kraftmaschinenlast größer als die Schwellenlast ist. Die Schwellenlast kann z. B. eine Kraftmaschinenlast sein, bei der eine Aufladung der Kraftmaschine erwünscht sein kann. In dieser Weise kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf der Innenfläche 810 der gleitenden Schaufel 804 nicht freigelegt oder verborgen sein, so dass sich die Abgasströmung ohne eine Unterbrechung durch die Wechselwirkung mit dem Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 zu dem Turbinenrad 220 bewegen kann. Mit anderen Worten, die gleitenden Schaufeln 804 können axial in die Schächte 820 der Düsenwandplatte 250 zurückgezogen sein, um während der Bedingungen einer hohen Abgasströmung einen Wirkungsgradnachteil aufgrund des Strömungsunterbrechungsmerkmals 702 zu vermeiden.
In 8B sind eine ausgeschnittene perspektivische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbinendüse 800 (oben) und eine schematische Veranschaulichung einer Draufsicht der Turbinendüse 800 (unten) gezeigt. In einer Ausführungsform kann eine beispielhafte Düsenschaufel, z. B. die Düsenschaufel 801, eine stationäre Schaufel 802 und eine gleitende Schaufel 804, die die planaren Gleitflächen 806 bzw. 808 aufweisen, umfassen. In anderen Ausführungsformen können die Gleitflächen 806 und 808 gewölbt sein. In noch anderen Ausführungsformen können die Gleitflächen 806 und 808 eine Kombination aus planaren und/oder gewölbten Oberflächen sein, die verschiedene Winkel aufweisen, wie in 8B dargestellt ist. In einem Beispiel kann die gleitende Schaufel 804 konfiguriert sein, sich zu bewegen, während die stationäre Schaufel 802 unbeweglich an der ringförmigen Düsenwandplatte 250 befestigt oder mit der ringförmigen Düsenwandplatte 250 einteilig sein kann.
In einer Ausführungsform kann die gleitende Schaufel 804 an ein Düsenwandstück 822 gekoppelt sein. In einem Beispiel kann das Düsenwandstück 822 an die Düsenwandplatte 250 gekoppelt sein, so dass sich das Wandstück 822 mit einer (nicht gezeigten) Innenfläche der Düsenwandplatte 250 in direktem Berührungskontakt befinden kann.
Eine (nicht gezeigte) erste Oberfläche der gleitenden Schaufel 804 kann einteilig an einer (nicht gezeigten) zweiten Flächenverknüpfungs-Oberfläche des Wandstücks 822 befestigt sein. In dieser Weise kann die Bewegung des Wandstücks 822 gleichzeitig die gleitende Schaufel 804 bewegen. Ähnlich können die Einstellungen an der gleitenden Schaufel 804 gleichzeitig das Wandstück 822 bewegen. In einem Beispiel kann das Wandstück 822 einen Oberflächenbereich auf der zweiten Oberfläche aufweisen, der zu einem Oberflächenbereich der ersten Oberfläche der gleitenden Schaufel 804 im Wesentlichen ähnlich ist, wie in der unteren schematischen Veranschaulichung nach 8B dargestellt ist. In einem noch weiteren Beispiel kann die gleitende Schaufel 804 umkehrbar an das Wandstück 822 gekoppelt sein, so dass jede gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 unabhängig eingestellt oder betätigt werden können.
In einer Ausführungsform kann das Wandstück 822 auf einer Innenfläche 824 des Wandstücks 822 ein oder mehrere Strömungsunterbrechungsmerkmale 702 enthalten. In diesem Beispiel kann sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 dem inneren Umfang 630 des Wandstücks 822 proximal und benachbart befinden. In einem weiteren Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 an einem anderen Ort auf dem Wandstück 822 angeordnet sein, wie z. B. in einem Abstand zwischen dem inneren Umfang 630 und dem äußeren Umfang 640. In einigen Ausführungsformen kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 ein oder mehrere parallele oder nicht parallele Nuten, Vertiefungen und/oder Täler enthalten. In anderen Ausführungsformen kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 verschiedene Querschnittsformen umfassen, wie z. B. Dreiecke, Kreise und/oder Rechtecke und irgendeine Kombination daraus.
Wie oben bezüglich 8A erörtert worden ist, kann wenigstens eine der gleitenden Schaufeln 804 und/oder das Wandstück 822 an die Welle 818 gekoppelt sein und konfiguriert sein, auf die Welle 818 zu reagieren, wie in 8B (unten) gezeigt ist. Ferner kann die Welle 818 an einen Betätigungsmechanismus 816, wie z. B. einen Betätigungsblock oder einen Betätigungsarm (z. B. den Betätigungsarm 340 nach 3) gekoppelt sein und konfiguriert sein, auf diesen Betätigungsmechanismus 816 zu reagieren. Der Betätigungsmechanismus 816 kann an einem oder mehreren Orten der Welle 818 eine axial gerichtete Kraft ausüben. Die Welle 818, die an die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 gekoppelt ist, kann sich als solche entlang der Achse 830 in wenigstens zwei Richtungen (z. B. entlang der Achse 830 weg von der Düsenwandplatte 250 und/oder entlang der Achse 830 zu der und in die Düsenwandplatte 250) bewegen, wenn der Betätigungsmechanismus manövriert wird, um die axial gerichtete Kraft auszuüben.
Wie in der unteren schematischen Veranschaulichung nach 8B gezeigt ist, kann die Düsenwandplatte 250 einen oder mehrere Schächte 820 enthalten, wobei jeder Schacht 820 spezifische Abmessungen (z. B. eine spezifische Form und Größe) umfassen kann, um ein oder mehrere gleitende Schaufeln 804 und/oder das Wandstück 822 im Wesentlichen aufzunehmen und zu umhüllen. In einem Beispiel kann der Schacht 820 eine im Allgemeinen ringförmige Form umfassen. Der Schacht 820 kann innerhalb der Turbinendüse 800 positioniert sein, um wenigstens eine gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 aufzunehmen, so dass wenigstens eine gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 auf wenigstens drei Seiten durch den Schacht 820 eingeschlossen sein kann, wenn wenigstens eine gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 in den Schacht 820 in der Düsenwandplatte 250 axial bewegt werden.
Anders gesagt, der Schacht 820 kann direkt hinter der gleitenden Schaufel 804 und/oder dem Wandstück 822 entlang der Achse 830 innerhalb der Düsenwandplatte 250 positioniert sein, so dass das Bewegen der gleitenden Schaufel 804 und/oder des Wandstücks 822 über die Welle 818 in einer axialen Richtung (z. B. entlang der Achse 830) verursachen kann, dass die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 entweder aus von dem oder zu in den Schacht 820 der Düsenwandplatte 250 gleiten. Wenn die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 als solche im Wesentlichen in den Schacht 820 der Düsenwandplatte 250 zurückgezogen sind, können die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 mit einer flachen Oberfläche (z. B. der Oberfläche 252) der Düsenwandplatte 250 relativ bündig sein.
Während verschiedener Betriebsbedingungen kann die axiale Bewegung einer oder mehrerer gleitender Schaufeln 804 und/oder des Wandstücks 822 eingestellt werden. In dieser Weise ist es möglich, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf dem Wandstück 822 über einen Bereich verschiedener Betriebsbedingungen freizulegen und/oder zu verbergen.
Während einer ersten Bedingung kann z. B. die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 entlang der Achse 830 aus und weg von dem Schacht 820 gleiten. Mit anderen Worten, die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 können weg von der Düsenwandplatte 250 gleiten. Wenn sich die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 weg von und aus dem Schacht 820 bewegen, können die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 parallel zu der Achse 830 (z. B. in einer Richtung der Mittelachse 230 der Turbinendüse, wobei die Mittelachse 230 die gleiche wie die Drehachse des Turbinenrades ist) und entlang einer vertikalen Achse auf die stationäre Schaufel 802 ausgerichtet sein. Folglich kann sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer großen Schaufelöffnung befinden, wobei die gleitende Schaufel 804 aus und weg von der Wand 820 gleiten und gegen die Gleitfläche 808 der stationären Schaufel 802 anstoßen kann. Mit anderen Worten, die Gleitfläche 808 der gleitenden Schaufel 804 kann gegen die Gleitfläche 806 der stationären Schaufel 802 gleiten. Im Ergebnis kann die Querschnittsfläche eines Halsbereichs des Einlasskanals 204 im Vergleich zu einer Querschnittsfläche des Halsbereichs des Einlasskanals 204, wenn sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer kleinen Schaufelöffnung befindet, kleiner sein.
In einem Beispiel kann die erste Bedingung Bedingungen einer niedrigeren Abgasströmung, wie z. B. während einer niedrigen Kraftmaschinenlast und einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl, enthalten. Folglich kann eine Menge der Abgasströmung in die Turbinenspirale oder das Turbinengehäuse (z. B. das Gehäuse 202) kleiner als bei den Bedingungen einer höheren Abgasströmung (z. B. einer hohen Kraftmaschinenlast, einer hohen Kraftmaschinendrehzahl und/oder während des Kraftmaschinenbremsens) sein. In einem weiteren Beispiel kann die erste Bedingung das Kraftmaschinenbremsen enthalten. Deshalb kann die Position einer größeren Schaufelöffnung der Düsenschaufel 801 eine schnellere Strömung der Abgasströmung bei niedrigerer Drehzahl während der ersten Bedingung ermöglichen.
In der dargestellten Ausführungsform können die Strömungsunterbrechungsmerkmale 702 während der ersten Bedingung in Reaktion auf die Kraftmaschinenlast, die kleiner als eine Schwellenlast ist, an der Position einer großen Schaufelöffnung freigelegt sein. Während der ersten Bedingung kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 als solches, das um das Wandstück 822 in Umfangsrichtung angeordnet ist, im Wesentlichen der Abgasströmung im Einlasskanal 204 ausgesetzt sein. In Reaktion kann die Abgasströmung mit dem Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 in Kontakt gelangen und durch das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 unterbrochen werden, wobei dadurch z. B. die Kraftreaktion und die durch Stoßwellen verursachte Anregung während des Kraftmaschinenbremsens verringert werden. Anders gesagt, das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 kann eine plötzliche und starke Stoßwelle effektiv in eine abgeschwächte Stoßwelle zerstreuen, wenn sich die Abgasströmung durch den verengten Einlasskanal 204 bewegt. Folglich kann eine Intensität einer während des Abgasbremsens erzeugten Stoßwelle auf den Turbinenschaufeln 222 verringert werden, wobei dadurch eine potentielle Beschädigung der Turbinenschaufeln 222 verringert wird.
Während einer zweiten Bedingung können die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 entlang der Achse 830 in den Schacht 820 gleiten. Mit anderen Worten, die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 können sich zu der und in die Düsenwandplatte 250 bewegen. In einem Beispiel, wenn die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 jedes innerhalb des Schachts 820 aufgenommen oder umhüllt sind, können die gleitende Schaufel 804 und/oder das Wandstück 822 jedes im Wesentlichen verborgen sein, so dass wenig bis kein Abschnitt der gleitenden Schaufel 804 und/oder des Wandstücks 822 in einen Abschnitt des Einlasskanals 204 eindringen kann. Außerdem können ein oder mehrere Strömungsunterbrechungsmerkmale 702 auf dem Wandstück 822 ebenfalls verborgen sein, so dass sich im Wesentlichen keine Abgasströmung mit einem oder mehreren Strömungsunterbrechungsmerkmalen 702 fluidtechnisch in Kontakt befinden kann.
In einer Ausführungsform kann die zweite Bedingung die Bedingungen einer hohen Abgasströmung enthalten, wobei die Menge der Abgasströmung in die Turbinenspirale oder das Turbinengehäuse (z. B. das Gehäuse 202) größer als bei den Bedingungen einer niedrigen Abgasströmung (z. B. einer niedrigen Kraftmaschinenlast und/oder einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl) ist. Folglich kann sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer kleinen Schaufelöffnung befinden, wobei die gleitende Schaufel 804 auf wenigstens drei Seiten innerhalb des Schachts 802 umhüllt oder untergebracht sein kann. Folglich kann die Querschnittsfläche eines Halsbereichs des Einlasskanals 204 im Vergleich zu einer Querschnittsfläche des Halsbereichs des Einlasskanals 204, wenn sich die Düsenschaufel 801 an der Position einer großen Schaufelöffnung befindet, größer sein.
In dieser Ausführungsform können die Bedingungen einer hohen Strömung die Betriebsbedingungen einer hohen Last und/oder einer hohen Temperatur umfassen. Die Bedingungen einer hohen Strömung können außerdem eine Bedingung enthalten, unter der die Kraftmaschinenlast größer als eine Schwellenlast ist. Die Schwellenlast kann z. B. eine Kraftmaschinenlast sein, bei der eine Aufladung der Kraftmaschine erwünscht sein kann. In dieser Weise kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 auf dem Wandstück 822 nicht freigelegt oder verborgen sein, so dass sich die Abgasströmung ohne Unterbrechung durch die Wechselwirkung mit dem Strömungsunterbrechungsmerkmal 702 zu dem Turbinenrad 220 bewegen kann. Mit anderen Worten, die gleitenden Schaufeln 804 können in die Schächte 820 der Düsenwandplatte 250 axial zurückgezogen werden, um während der Bedingungen einer hohen Abgasströmung einen Wirkungsgradnachteil aufgrund des Strömungsunterbrechungsmerkmals 702 zu vermeiden.
Während der ersten und/oder der zweiten Bedingung kann die axiale Bewegung der gleitenden Schaufel 804 und/oder des Wandstücks 822 in zwei oder mehr Schritten erreicht werden. In anderen Ausführungsformen kann die axiale Bewegung in einem Schritt erreicht werden.
Folglich kann in einer Ausführungsform eine ringförmige Turbinendüse, die eine Düsenschaufel umfasst, bereitgestellt sein, wobei die Düsenschaufel eine stationäre Schaufel, die an einer Oberfläche einer Düsenwandplatte befestigt ist und eine erste Gleitfläche enthält, und eine gleitende Schaufel, die eine zweite Gleitfläche, die ein Strömungsunterbrechungsmerkmal, das sich mit der ersten Gleitfläche in Kontakt befindet, enthält, enthält, enthält, wobei die gleitende Schaufel positioniert ist, in einer Richtung von im Wesentlichen tangential zu einem inneren Umfang der Turbinendüse zu gleiten und das Strömungsunterbrechungsmerkmal selektiv freizulegen.
In einem Beispiel können die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche gewölbte Oberflächen sein. Die gleitende Schaufel kann positioniert sein, um entlang einer gekrümmten Linie zu gleiten, die mit den gewölbten Oberflächen der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche übereinstimmt. Folglich kann die gleitende Schaufel auf einem gekrümmten Weg gleiten, der durch eine Krümmung der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche definiert ist.
Das Unterbrechungsmerkmal kann mehrere Strömungsunterbrechungsmerkmale umfassen, wobei jedes einer jeweiligen Hinterkante mehrerer Düsenschaufeln benachbart ist. In einem Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal eine Nut oder eine Vertiefung enthalten. In einem weiteren Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal zwei oder mehr parallele Nuten enthalten, wobei jede einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt oder einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. In einem noch weiteren Beispiel kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal etwa 10 % bis 40 % der gleitenden Schaufel einnehmen. Ferner kann ein Verhältnis einer maximalen Düsendicke der Düsenschaufel zu einer Länge einer Sehne der Düsenschaufel größer als 0,35 sein.
Die Düsenschaufel kann sich bei großen Schaufelöffnungen befinden, wo sich die gleitende Schaufel von der stationären Schaufel erstrecken kann und weg von der stationären Schaufel bewegt sein kann. An der Position einer großen Schaufelöffnung kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal freigelegt und der Gasströmung ausgesetzt sein. Im Gegensatz kann sich die Düsenschaufel bei kleinen Schaufelöffnungen befinden, wo sich die gleitende Schaufel nicht weg von der stationären Schaufel erstrecken kann. An der Position einer kleinen Schaufelöffnung kann das Strömungsunterbrechungsmerkmal durch die gleitende Schaufel völlig abgedeckt sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Verfahren bereitgestellt sein, das das Einstellen einer Position mehrerer einstellbarer Schaufeln, die radial um ein Turbinenrad einer Turbine mit variabler Geometrie positioniert sind, zu einer ersten Position, die ein Strömungsunterbrechungsmerkmal auf einem Abschnitt einer Oberfläche jeder der mehreren einstellbaren Schaufeln freilegt, und das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu einer zweiten Position, die das Strömungsunterbrechungsmerkmal abdeckt, so dass das Strömungsunterbrechungsmerkmal der Gasströmung nicht ausgesetzt ist, umfasst. Die mehreren einstellbaren Schaufeln können einen stationären Schaufelabschnitt und einen gleitenden Schaufelabschnitt enthalten, wobei sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal auf einer ersten Gleitfläche der gleitenden Schaufel befinden kann. Die erste Gleitfläche kann gegen eine zweite Gleitfläche der stationären Schaufel gleiten. Ferner können die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche gekrümmte Oberflächen sein, wobei die erste Gleitfläche entlang einem gekrümmten Weg, der durch die gekrümmten Oberflächen definiert ist, gegen die zweite Gleitfläche gleiten kann.
In einem Beispiel kann das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der ersten Position das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der ersten Position in Reaktion auf eine Kraftmaschinenlast, die kleiner als eine Schwellenlast ist, enthalten. In einem weiteren Beispiel kann das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der zweiten Position das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der zweiten Position in Reaktion auf die Kraftmaschinenlast, die größer als eine Schwellenlast ist, enthalten.
In 9 sind eine ausgeschnittene Vorderansicht einer Schwingschaufel-Turbinendüse 900 eines Turboladers (links) und eine schematische Veranschaulichung einer Draufsicht eines Betätigungsblocks 904 (rechts) der Schwingschaufel-Turbinendüse 900 bereitgestellt. In der Schwingschaufel-Turbinendüse 900 ist eine Anordnung sich axial erstreckender Düsenschaufeln 902 an einer Düsenwandplatte 110 befestigt, um sich über einen oder mehrere Einlasskanäle 204 zu erstrecken. In einem Beispiel können die Düsenschaufeln 902 zwischen einer Seite 912 der Nabe und einer Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes positioniert sein. Die Seite 912 der Nabe kann eine Seite des Turboladers proximal zu dem Turbinenrad 220 und dem Turbinenrotor sein, während die Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes eine Seite des Turboladers proximal zu dem Turbinengehäuse 202 sein kann. In einem weiteren Beispiel kann sich die Düsenwand 910, die die mehreren Düsenschaufeln 902 trägt, an einem Ort im Wesentlichen auf der Seite 912 der Nabe befinden. Mit anderen Worten, die Seite 912 der Nabe und die Seite 914 der Schaufelversteifungsbandes sind Seiten bezüglich der Nabe des Turbinenrades 220 und des Schaufelversteifungsbandes oder des Gehäuses der Turbine (z. B. des Turbinengehäuses 202). Spezifisch befindet sich die Seite 912 der Nabe näher bei der Nabe des Turbinenrades 220 als die Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes, die sich näher bei dem Schaufelversteifungsband oder dem Gehäuse 202 befindet.
Bei diesem Turbinentyp kann eine Größe der Einlasskanäle 204 durch das Variieren des Winkels der Düsenschaufeln bezüglich der Richtung der Abgasströmung durch die Einlasskanäle 204 gesteuert werden. Das Verringern der Querschnittsfläche eines oder mehrerer Einlasskanäle 204 stromaufwärts der Turbinenschaufeln 222 erhält eine Geschwindigkeit des Gases, das die Turbine 16 erreicht, auf einem Niveau aufrecht, das während einer niedrigen Abgasvolumenströmung effiziente Turbinenoperationen sicherstellt.
In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Düsenschaufeln 902 in einer ersten Richtung schwenken, um eine Querschnittsfläche eines oder mehrerer Einlasskanäle 204 stromaufwärts der Turbine 16 zu vergrößern, wobei sie den Einfallswinkel des über die Turbinenschaufeln 222 strömenden Gases verringern können. Ähnlich können die Düsenschaufeln 902 in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung schwenken, um die Querschnittsfläche eines oder mehrerer Einlasskanäle 204 zu verringern, wobei sie dadurch einen Einfallswinkel des über die Turbinenschaufel 222 strömenden Gases vergrößern können.
In einer Ausführungsform kann eine erste Wand, wie z. B. die Düsenwand 910, auf eine (nicht gezeigte) zweite Wand oder einen Ring, wie z. B. einen Verstellring 240, in einer axialen Richtung (z. B. entlang einer Mittelachse 940) gestapelt sein. In einem Beispiel kann die zweite Wand an einen Betätigungsarm (z. B. den Betätigungsarm 340 nach 4) oder einen anderen geeigneten Betätigungsmechanismus gekoppelt sein. In dieser Weise kann die zweite Wand über den Betätigungsarm, der sich in einer radialen Richtung von der zweiten Wand erstreckt, gedreht werden.
Außerdem können ein Betätigungsblock 904 und ein Joch 906 zwischen der ersten und der zweiten Wand positioniert sein, wobei der Betätigungsblock 904 an die zweite Wand gekoppelt und konfiguriert sein kann, sich mit der zweiten Wand zu bewegen. Folglich kann sich die an den Betätigungsblock 904 gekoppelte zweite Wand über einen Betätigungsarm um die Mittelachse 940 drehen. Im Ergebnis kann sich der Betätigungsblock 904 in einer Umfangsrichtung bezüglich der Mittelachse 940 hin- und herbewegen.
Das Joch 906 kann auf wenigstens zwei Seiten des Betätigungsblocks 904 betriebstechnisch an den Betätigungsblock 904 gekoppelt sein und den Betätigungsblock 904 umgeben. In dieser Weise kann der Betätigungsblock 904 das Joch 906 bewegen, wenn der Betätigungsblock 904 über den Betätigungsarm bewegt wird.
In einem Beispiel können die Düsenschaufeln 902 bezüglich der axialen Richtung entlang der Achse 940 und im Hinblick auf 9 über der Düsenwand 910 positioniert sein. Noch weiter kann eine Welle, z. B. eine Welle 1004, wie sie im Folgenden bezüglich 10 gezeigt und beschrieben wird, an einem ersten Ende betriebstechnisch an die Düsenschaufel 902 gekoppelt sein, wobei sich das erste Ende proximal zu der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes befinden kann. Die Welle kann die erste Wand durchqueren und kann an einem zweiten Ende außerdem an das Joch 906 gekoppelt sein, wobei sich das zweite Ende im Vergleich zu der ersten Seite proximal zu der Seite 914 der Nabe befinden kann. In einer Ausführungsform kann das Joch 906 konfiguriert sein, die Welle zu drehen. In Reaktion wird die Drehbewegung der Welle in eine Drehbewegung der Düsenschaufel 902, die an die Welle gekoppelt ist, umgesetzt.
Mit anderen Worten, das Schwenken oder das Drehen der Düsenschaufeln 902 kann über den Betätigungsblock 904 erreicht werden, der von dem Joch 906 flankiert ist. Spezifisch kann der Betätigungsblock 904, der betriebstechnisch an das Joch 906 gekoppelt ist und konfiguriert ist, eine Kraft auf das Joch 906 auszuüben, über den Betätigungsarm oder einen anderen geeigneten Mechanismus entlang einem vorgegebenen Weg und einer vorgegebenen Richtung bewegt werden. Der Betätigungsblock 904 kann z. B. für eine gegebene Strecke entlang einem Weg, wie z. B. dem Weg 920, in einer ersten und/oder einer zweiten Richtung bewegt werden, was durch die Doppelpfeile 922 dargestellt ist. In dieser Weise kann die Bewegung des Betätigungsblocks 904, die die Drehung der Düsenschaufel 902 verursacht, die Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 beeinflussen und deshalb den Turbinenwirkungsgrad ändern.
In einer Ausführungsform kann während einer ersten Bedingung der Betätigungsblock 904, der (durch das Joch 906 und die Welle 1004) an die Düsenschaufel 902 gekoppelt ist, in einer ersten Richtung von einer ersten Position zu einer zweiten Position in Umfangsrichtung bewegt werden. An der zweiten Position können sich die mehreren Düsenschaufeln 902 an einer Position einer großen Öffnung befinden, wobei jeder Einlasskanal 204 stromaufwärts jeder Düsenschaufel 902 eine vergrößerte Abgasströmung zu den Turbinenschaufeln 222 ermöglicht. Ferner kann die Bewegung des Betätigungsblocks 904 zu der zweiten Position die Düsenschaufel 902 zu der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes bewegen. In einem Beispiel kann sich der Betätigungsblock 904 während einer hohen Temperatur und/oder einer hohen Last, wenn eine Aufladung erwünscht ist, an der zweiten Position befinden.
In einer weiteren Ausführungsform kann während einer zweiten Bedingung der Betätigungsblock 904 in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung in Umfangsrichtung von der zweiten Position zurückbewegt werden. Das Zurückbewegen in der zweiten Richtung kann die mehreren Düsenschaufeln zu einer Position einer kleinen Öffnung drehen, um kleinere Einlasskanäle 204 bereitzustellen. In dieser Weise können die Düsenschaufeln 902 eine kleine Menge der Abgase einengen und eine Geschwindigkeit der sich zu den Turbinenschaufeln 222 hindurchbewegenden Abgase erhöhen.
Außerdem kann eine (nicht gezeigte) Überschwingsteuerung implementiert sein, wenn der Betätigungsblock 904 über einen spezifischen Ort in der zweiten Richtung hinaus bewegt wird, so dass der Betätigungsblock 904 zu einer dritten Position bewegt werden kann, wie bezüglich der 10 und 11 erörtert wird. Nach dem Anwenden der Überschwingsteuerung und wenn sich der Betätigungsblock 904 an der dritten Position befindet, kann sich dann der Betätigungsblock 904 zurück zu der ersten Position bewegen.
Das Abgas, das durch eine Turbinendüse strömt, die Düsenschaufeln des Schwingtyps (z. B. die Düsenschaufeln 902) aufweist, kann Ruß und Kohlenwasserstoffe enthalten, die potentiell einen vergrößerten Widerstand oder ein Klebenbleiben verursachen können, wenn die Düsenschaufel 902 geschwenkt oder gedreht wird, was insbesondere während der Bedingungen einer hohen Kraftmaschinenlast und/oder hoher Temperaturen eine Sorge ist. In einem Beispiel können ein oder mehrere Düsenschaufeln 902 an der Düsenwand 910 auf der Seite 912 der Nabe leichter als an der gegenüberliegenden zugewandten Wand auf der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes klebenbleiben. Deshalb kann das Maximieren eines Spaltabstandes zwischen den Düsenschaufeln 902 und der Düsenwand 910 proximal zu der Seite 912 der Nabe und/oder der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes das Klebenbleiben der Düsenschaufeln 902 während der Bedingungen einer hohen Kraftmaschinenlast und/oder einer hohen Temperatur verringern.
Ferner können die Einstellungen an dem Spaltabstand auf der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes und/oder der Seite 912 der Nabe den Turbinenwirkungsgrad beeinflussen. Eine Verringerung des Spaltabstandes auf der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes kann z. B. den Turbinenwirkungsgrad bei den Betriebsbedingungen einer leichten (z. B. niedrigeren) Kraftmaschinenlast erhöhen, während gleichzeitig der Spaltabstand auf der Seite 912 der Nabe während der Betriebsbedingungen einer hohen Kraftmaschinenlast vergrößert wird. Deshalb kann die Verringerung des Spaltabstandes auf der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes außerdem das Klebenbleiben der Schaufeln verringern. In dieser Weise kann das Verschieben der mehreren Düsenschaufeln 902 entlang der Achse 940 weg von der Düsenwand 910 auf der Seite 912 der Nabe und zu der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes während der Bedingungen sowohl einer hohen als auch einer niedrigen Kraftmaschinenlast und/oder einer hohen und einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur erwünscht sein. In einem Beispiel kann die Achse 940 im Wesentlichen zu der planaren Achse der Düsenwand 910 und der Umfangsrichtung einer Bewegung des Betätigungsblocks orthogonal sein.
In einer Ausführungsform, die oben rechts in 9 dargestellt ist, kann ein beispielhafter Betätigungsblock 924 einen quadrat- oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Bewegung des Betätigungsblocks 924 durch einen (nicht gezeigten) Betätigungsarm kann den Betätigungsblock 924 verschieben. In Reaktion kann ein Joch 926, das betriebstechnisch an den Betätigungsblock 924 gekoppelt ist, außerdem entlang einem Weg, wie z. B. dem Weg 920, verschoben werden, was verursacht, dass sich eine (nicht gezeigte) Welle, die an einem ersten Ende betriebstechnisch an das Joch 926 gekoppelt ist, und eine Düsenschaufel, die an einem (nicht gezeigten) zweiten Ende an die Welle gekoppelt ist, drehen oder schwenken. In diesem Beispiel kann sich das Joch 926 nur in einer Umfangsrichtung und nicht in einer axialen Richtung, wie z. B. entlang der Achse 940, bewegen. Folglich können der quadrat- oder rechteckförmige Betätigungsblock 924 und seine jeweiligen rechteckförmigen Joche 926 nicht imstande sein, den Spaltabstand einzustellen, um vorteilhafte Düsenschaufelkonfigurationen zu erreichen.
Die axiale Bewegung entlang der Achse 940 der Düsenschaufeln 902 kann jedoch über einen Betätigungsblock 904 erreicht werden, wie unten rechts in 9 dargestellt ist. In einem Beispiel kann der Betätigungsblock 904 einen im Wesentlichen parallelogrammförmigen Querschnitt aufweisen und/oder sich im Wesentlichen in der Form eines Rhomboids befinden. In einem Beispiel kann der Betätigungsblock 904, der die Rhomboidform aufweist, abgewinkelte Seiten aufweisen, so dass sich die Winkel zwischen benachbarten Seiten und/oder gegenüberliegenden Seiten des Betätigungsblocks außerhalb eines Bereichs von 80–100 Grad befinden. In einem weiteren Beispiel können die abgewinkelten Seiten des Betätigungsblocks 904, die den Joche 906 zugewandt sind, im Wesentlichen abgewinkelt (z. B. deutlich größer als oder kleiner als 90 Grad) sein.
Wie oben erörtert worden ist, kann der Betätigungsblock 904 in einer Ausführungsform auf zwei oder mehr Seiten von dem Joch 906 flankiert sein, wobei die Joche 906 konfiguriert sind, eine oder mehrere Wellen, die betriebstechnisch an die Düsenschaufel 902 gekoppelt sind, zu schwenken. In einem Beispiel können ein oder mehrere Oberflächen des Jochs 906 sich in einem Flächenverknüpfungs-Kontakt mit einer oder mehreren Oberflächen des Betätigungsblocks 904 befinden. In einem weiteren Beispiel kann es einen kleinen Raum geben, der zwischen dem Betätigungsblock 904 und den Joche 906 auf einer oder mehreren Seiten des Betätigungsblocks 904 symmetrisch beabstandet ist.
In einer Ausführungsform können die Joche 906 an wenigstens einem Ort, der dem Betätigungsblock 904 benachbart ist, außerdem einen parallelogrammförmigen oder rhomboidförmigen Querschnitt aufweisen. Das Joch 906, das die Rhomboidform aufweist, kann z. B. abgewinkelte Seiten aufweisen, so dass sich ein oder mehrere Winkel zwischen benachbarten Seiten des Jochs außerhalb eines Bereichs von 80–100 Grad befinden. Anders gesagt, die abgewinkelten Seiten des Jochs 906, die dem Betätigungsblock 904 zugewandt sind und benachbart sind, können im Wesentlichen abgewinkelt (z. B. deutlich größer als oder kleiner als 90 Grad) sein.
In dieser Weise kann das Bewegen des rhomboidförmigen Betätigungsblocks 904 in der ersten Richtung die Düsenschaufeln in Richtungen entlang zwei verschiedenen Achsen (z. B. entlang einer Achse, die dem Weg 920 folgt, und entlang der Achse 940) bewegen. Das Verschieben des rhomboidförmigen Betätigungsblocks 904 kann z. B. eine Schwenkbewegung der Düsenschaufeln 902 um eine Welle (z. B. die in 10 gezeigte Welle 1004), die an die Düsenschaufel 902 gekoppelt ist, verursachen. Außerdem kann das Verschieben des rhomboidförmigen Betätigungsblocks 904 zu einer axialen Bewegung entlang der Achse 940 führen, um die Düsenschaufeln 902 im Wesentlichen zu der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes zu bewegen. Folglich kann die Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 zunehmen, wobei dadurch ein Risiko verringert wird, dass die Düsenschaufel während der Bedingungen einer hohen Abgasströmung klebenbleibt.
In 10 ist eine schematische Seitenansicht des Betätigungsblocks 904, der entlang der axialen Richtung von dem Joch 906 flankiert ist, gezeigt. Der Betätigungsblock 904 kann sich an einer ersten Position 1010 (die obere schematische Veranschaulichung) und/oder einer zweiten Position 1012 (die untere schematische Veranschaulichung) entlang einer y-Achse 1016 befinden. In einem Beispiel kann sich der Betätigungsblock 904 außerdem an einer (nicht gezeigten) dritten Position befinden, die bezüglich 11 erörtert wird. Es ist von Interesse, dass, obwohl die erste, die zweite und dritte Position entlang der linearen y-Achse 1016 festgelegt sind, jede Position in Umfangsrichtung entlang einem Rand der Turbinendüse positioniert sein kann, so dass die Bewegung des Betätigungsblocks 904 ebenso in der Umfangsrichtung geschehen kann.
In der gezeigten Ausführungsform kann das Joch 906 an eine Welle 1004 der Düsenschaufel 902 gekoppelt sein. In einem Beispiel kann sich der Betätigungsblock 904 an der ersten Position 1010 befinden, wobei die erste Position 1010 des Betätigungsblocks 904 das Joch 906 dreht, um die Düsenschaufeln zu der Position einer kleinen Öffnung zu schwingen. Mit anderen Worten, die erste Position kann verursachen, dass die Düsenschaufeln in einer Weise positioniert sind, um eine Querschnittsfläche des Einlasskanals zu verringern und folglich eine Strömung der Abgase zu dem Turbinenrad einzuengen. An dieser Position kann eine Länge der Düsenschaufeln (die von der Vorderkante bis zur Hinterkante definiert ist) im Wesentlichen zu der Mittelachse 940 tangential sein. Die erste Position kann die Geschwindigkeit der Gase während der Betriebsbedingungen einer niedrigen Kraftmaschinenlast, einer niedrigen Kraftmaschinendrehzahl und/oder einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur durch eine kleinere Querschnittsfläche des Einlasskanals 204 zu den Turbinenschaufeln vergrößern.
In einem weiteren Beispiel kann sich der Betätigungsblock 904 an der zweiten Position 1012 befinden, wobei sich der Betätigungsblock 904 in der ersten Richtung bewegen (wie bezüglich 9 erörtert worden ist), um die mehreren Düsenschaufeln 902 zu der Position einer großen Öffnung zu schwenken. Im Ergebnis können die Einlasskanäle 204 eine größere Querschnittsfläche aufweisen, um es zu ermöglichen, dass eine größere Menge der Abgase zu den Turbinenschaufeln strömt. In einem Beispiel kann sich der Betätigungsblock 904 während der Betriebsbedingungen einer hohen Kraftmaschinenlast, einer hohen Kraftmaschinendrehzahl und/oder einer hohen Kraftmaschinentemperatur an der zweiten Position befinden. An der zweiten Position kann die Länge der Düsenschaufeln bezüglich der Mittelachse 940 radial ausgerichtet sein.
Wie oben kurz beschrieben worden ist, kann der Betätigungsblock 904 an einen oder mehrere Orte eines oder mehrerer Joche 906 gekoppelt sein und konfiguriert sein, auf einen oder mehrere Orte eines oder mehrerer Joche 906 einen Vorbelastungsdruck 1005, der in der unteren schematischen Veranschaulichung nach 10 als ein Pfeil dargestellt ist, auszuüben, wenn der Betätigungsblock 904 von der ersten Position 1010 zu der zweiten Position 1012 bewegt wird. Der Vorbelastungsdruck 1005 kann an einem Ort des Jochs 906, der einer Ecke des Betätigungsblocks 904 benachbart ist, erzeugt werden, der in Kontakt gelangt, wenn sich der Betätigungsblock 904 in wenigstens einer Richtung bewegt.
Wenn sich der Betätigungsblock 904 als solcher an der ersten Position 1010 befindet, die in der oberen schematischen Veranschaulichung nach 10 dargestellt ist, kann ein Spaltabstand 1006 zwischen der Düsenschaufel 902 und der Düsenwand 910 auf der Seite 912 der Nabe im Wesentlichen zu einem Spaltabstand 1008 zwischen der Düsenschaufel 902 und der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes ähnlich sein. Wenn jedoch der Betätigungsblock 904 zu der zweiten Position 1012 bewegt ist (die in der unteren schematischen Veranschaulichung nach 10 dargestellt ist), kann der Betätigungsblock 904 die Vorbelastungskraft oder den Vorbelastungsdruck 1005 auf eine benachbarte Ecke von einer von einem Joch 906 erzeugen. Der durch das Joch 906 erfahrene Vorbelastungsdruck 1005 kann verursachen, dass sich die Welle 1004 der Düsenschaufel 902 entlang der Achse 940 in der axialen Richtung bewegt.
In einem Beispiel können sich alle Düsenschaufeln der Turbinendüse gleichzeitig entlang der Achse 940 zu der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes bewegen. Im Ergebnis können während bestimmter Betriebsbedingungen die mehreren Düsenschaufeln 902 von der Düsenwand 910 wegbewegt werden. In dieser Weise ist es möglich, das Klebenbleiben der Düsenschaufeln 902 während der Bedingungen einer hohen Kraftmaschinenlast, einer hohen Abgasströmung und/oder einer hohen Kraftmaschinentemperatur zu verringern, während der Turbinenwirkungsgrad während der Bedingungen einer niedrigen Abgasströmung erhöht wird. In der Summe kann ein Betätigungsblock, der eine Parallelogrammform und/oder eine Rhomboidform aufweist, (z. B. der Betätigungsblock 904) bereitgestellt werden, um den Spaltabstand auf der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes, d. h., den Abstand zwischen den Düsenschaufeln 902 und dem Turbinengehäuse 202, und der Seite 912 der Nabe, d. h., den Abstand zwischen der Turbinendüsenschaufel 902 und der Düsenwand 910, zu steuern.
In 11 ist ein Verfahren 1100 zum Steuern der Spaltabstände der Düsenschaufel der Turbinendüse nach den 9 und 10 während einer ersten und einer zweiten Bedingung offenbart. Während der ersten Bedingung, wie z. B. während der Betriebsbedingungen einer hohen Kraftmaschinentemperatur und/oder einer hohen Kraftmaschinenlast, können die mehreren Düsenschaufeln 902 in einer ersten Richtung (die bezüglich der 9 und 10 als die erste Richtung beschrieben worden ist) schwingen, um es zu ermöglichen, dass eine größere Menge der Abgase zu dem Turbinenrad 202 und den Turbinenschaufeln 222 hindurchströmt. Die erste Bedingung kann außerdem eine Bedingung enthalten, wenn die Kraftmaschinenlast größer als eine Schwellenlast ist. Die Schwellenlast kann z. B. eine Kraftmaschinenlast sein, bei der die Aufladung der Kraftmaschine erwünscht sein kann. Folglich kann sich der Betätigungsblock 904 in der ersten Richtung von der ersten Position zu der zweiten Position bewegen. Im Ergebnis kann der Betätigungsblock 904 die Joche 906 verschieben, um die Düsenschaufeln 902 zu der Position einer großen Öffnung zu drehen. Die Position einer großen Öffnung der Düsenschaufeln kann zu Zunahmen der Querschnittsfläche eines oder mehrerer Einlasskanäle 204 führen, was es ermöglicht, dass eine größere Menge der Abgase das Turbinenrad 220 dreht und eine erhöhte Kraftmaschinenleistung bereitstellt.
Andererseits kann während einer zweiten Bedingung, wie z. B. während der Betriebsbedingungen einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur und/oder einer niedrigen Kraftmaschinenlast, der Betätigungsblock 904 in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung (die bezüglich der 9 und 10 als die zweite Richtung beschrieben worden ist) bezüglich der zweiten Position zu einer dritten Position über die erste Position hinaus bewegt werden, um eine Querschnittsfläche einer Halsöffnung der Einlasskanäle 204 zu verringern. Im Ergebnis können sich die Düsenschaufeln 902 zu der Position einer kleinen Öffnung bewegen. Die Position einer kleinen Öffnung kann während der Bedingungen einer niedrigen Abgasströmung eine Zunahme der Geschwindigkeit der Abgase durch die eingeengten Einlasskanäle 204 zu dem Turbinenrad 220 ermöglichen. Die zweite Bedingung kann außerdem eine Bedingung enthalten, unter der die Kraftmaschinenlast kleiner als die obenerwähnte Schwellenlast ist.
In einer Ausführungsform kann eine Überschwingsteuerung ausgeführt werden, wenn der Betätigungsblock 904 in der zweiten Richtung über einen spezifischen Ort hinaus bewegt wird, so dass der Betätigungsblock 904 zu einer dritten Position, wie z. B. der dritten Position 1014 nach 10, bewegt werden kann. Nach dem Anwenden der Überschwingsteuerung und wenn sich der Betätigungsblock 904 an der dritten Position befindet, kann sich dann der Betätigungsblock 904 zurück zu der ersten Position bewegen. Die Überschwingsteuerung kann enthalten sein, um die Position einer kleinen Öffnung aufrechtzuerhalten, um die Abgasströmung einzuengen, während der Vorbelastungsdruck 1005 auf das Joch 906 erzeugt wird, um die Düsenschaufeln 902 entlang der Achse 940 in der axialen Richtung zu bewegen. In dieser Weise können sich während der zweiten Bedingung die mehreren Düsenschaufeln an der Position einer kleinen Öffnung befinden, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen, während der Spalt auf der Seite des Schaufelversteifungsbandes minimiert ist, um während der Bedingungen einer hohen Kraftmaschinentemperatur das Klebenbleiben der Düsenschaufeln zu verringern.
Folglich können bei 1102 die Betriebsbedingungen der Kraftmaschine und/oder die Position eines Betätigungsblocks (z. B. des Betätigungsblocks 904) bestimmt werden. Es können z. B. die Kraftmaschinenlast, die Kraftmaschinendrehzahl, der Ladedruck, die Einlassluftmassenströmung, die Turboladerdrehzahl und die Abgastemperatur gemessen oder durch einen Controller, wie z. B. dem Controller 12 nach 1, berechnet werden. In einem Beispiel können diese Bedingungen verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Spaltabstand der Düsenschaufeln (z. B. der Düsenschaufeln 902) eingestellt werden kann. Es kann z. B. vorteilhaft sein, dass der Spaltabstand der Düsenschaufeln während hoher Kraftmaschinentemperaturen näher zu der Seite des Schaufelversteifungsbandes (z. B. der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes) der Turbine (z. B. der Turbine 16) bewegt wird, um das Risiko des Klebenbleibens der Düsenschaufeln zu verringern.
In einem weiteren Beispiel kann bei 1102 außerdem die Position des Betätigungsblocks bestimmt werden. Der Betätigungsblock kann sich an einer ersten Position (z. B. der ersten Position 1010 nach 10) befinden, wobei die erste Position des Betätigungsblocks ein Joch (z. B. das Joch 906) dreht, um die Düsenschaufeln zu der Position einer kleinen Öffnung zu schwingen. Mit anderen Worten, die erste Position kann verursachen, dass die Düsenschaufeln in einer derartigen Weise positioniert sind, um eine Strömung der Abgase zu einem Turbinenrad (z. B. dem Turbinenrad 220) und zu den Turbinenschaufeln (z. B. den Turbinenschaufeln 222) einzuengen. Die erste Position als solche kann eine Geschwindigkeit der Abgase während der Betriebsbedingungen einer niedrigen Kraftmaschinenlast und/oder einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur durch eine kleinere Öffnung oder eine kleinere Querschnittsfläche der Einlasskanäle (z. B. der Einlasskanäle 204) vergrößern. In einem Beispiel kann ein (nicht gezeigter) Positionssensor oder eine andere geeignete Abtastvorrichtung eine Position des Betätigungsblocks 904 bestimmen.
Bei 1104 wird bestätigt, ob eine erste Bedingung einschließlich der Bedingungen einer hohen Abgasströmung, einer hohen Last und/oder einer hohen Temperatur vorhanden ist, so dass eine größere Querschnittsfläche des Einlasskanals (der Einlasskanäle), damit sich das Abgas zu dem Turbinenrad hindurchbewegt, erwünscht sein kann. In einem Beispiel enthält die erste Bedingung eine Bedingung, unter der die Kraftmaschinenlast größer als eine Schwellenlast, wie z. B. die oben in den 9 und 10 beschriebene Schwellenlast, ist. In diesem Beispiel kann die Schwellenlast eine Kraftmaschinenlast sein, bei der eine Aufladung der Kraftmaschine erwünscht sein kann. Falls die obenerwähnte(n) Bedingung(en) bestätigt wird (werden), kann eine größere Menge der Abgase erzeugt und zu dem Turbinenrad geleitet werden.
Folglich wird bei 1106 der Betätigungsblock in Umfangsrichtung in der ersten Richtung zu einer zweiten Position (z. B. der zweiten Position 1012 nach 10) bewegt. Die Bewegung des Betätigungsblocks zu der zweiten Position verursacht gleichzeitig, dass bei 1108 die Düsenschaufeln schwenken, um einen relativ größeren Einlasskanal bereitzustellen, und einen Vorbelastungsdruck, wie z. B. den Vorbelastungsdruck 1005 nach 10, zu erzeugen, um die Düsenschaufeln entlang einer Achse (z. B. der Achse 940) zu schieben. Wie in 10 beschrieben ist, wird der Vorbelastungsdruck in der axialen Richtung ausgeübt, so dass sich die Düsenschaufeln axial zu der Seite des Schaufelversteifungsbandes (z. B. der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes) der Turbine bewegen. Mit anderen Worten, das Bewegen des rhomboidförmigen Betätigungsblocks in der ersten Richtung verschiebt die Düsenschaufeln in zwei Richtungen, was sowohl zu einer Schwenkbewegung der Düsenschaufeln, um die Querschnittsfläche des Einlasskanals zu vergrößern, als auch zu einer axialen Bewegung, um die Düsenschaufeln 902 im Wesentlichen zu der Seite 914 des Schaufelversteifungsbandes zu bewegen, um das Risiko des Klebenbleibens der Schaufeln während der Bedingungen einer hohen Strömung zu verringern, führt.
Wenn bei 1104 die erste Bedingung nicht bestätigt wird, dann wird bei 1110 bestimmt, ob eine zweite Bedingung vorhanden ist. Die zweite Bedingung kann z. B. die Betriebsbedingungen einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur und/oder einer niedrigen Kraftmaschinenlast umfassen. Die zweite Bedingung kann außerdem eine Bedingung enthalten, unter der die Kraftmaschinenlast kleiner als die Schwellenlast ist. In diesem Beispiel kann die Schwellenlast eine Kraftmaschinenlast sein, bei der die Aufladung der Kraftmaschine nicht erwünscht sein kann. Während der zweiten Bedingung kann eine niedrigere Abgasströmung zu der Turbine geleitet werden, wobei deshalb kleinere Einlasskanäle stromaufwärts der Turbine erwünscht sind, um eine Geschwindigkeit der Abgase zu erhöhen, um das Turbinenrad anzutreiben. In einem Beispiel kann sich der Betätigungsblock zurück zu der ersten Position bewegen, wobei die erste Position des Betätigungsblocks das Joch dreht, um die Düsenschaufeln zu der Position einer kleinen Öffnung zu schwingen. In diesem Beispiel kann jedoch aufgrund einer Orientierung und einer Form des Betätigungsblocks die Bewegung des Betätigungsblocks zurück zu der ersten Position den Vorbelastungsdruck auf das Joch, um eine axiale Kraft auf die Welle (z. B. die Welle 1004) zu ermöglichen, nicht ausüben. Im Ergebnis kann ein unerwünschtes Klebenbleiben der Düsenschaufeln auftreten.
Folglich wird bei 1112 während der zweiten Bedingung eine Überschwingsteuerung angewendet, wobei der Betätigungsblock in der entgegengesetzten, zweiten Richtung über die erste Position hinaus zu einer dritten Position (z. B. der dritten Position 1014 nach 10) bewegt werden kann. In einem Beispiel kann sich die erste Position zwischen der zweiten Position und der dritten Position (entlang der Umfangslinie der Bewegung des Betätigungsblocks) befinden. Bei 1114 können an der dritten Position die mehreren Düsenschaufeln in eine Konfiguration eines kleineren Einlasskanals, wie z. B. die Position einer kleinen Öffnung, schwenken. Die Position einer kleinen Öffnung kann eine Zunahme der Geschwindigkeit der Abgase durch die eingeengten Einlasskanäle zu dem Turbinenrad ermöglichen.
In einem Beispiel bewegt sich der Betätigungsblock bei 1116 in der ersten Richtung zurück zu der ersten Position, nachdem sich der Betätigungsblock in der dritten Position befindet. Die Bewegung in der ersten Richtung zurück zu der ersten Position erzeugt den Gegendruck oder die Kraft auf die mehreren Wellen, um die Düsenschaufeln zurück gegen die Seite des Schaufelversteifungsbandes zu bewegen. Deshalb kann die Bewegung des Betätigungsblocks 904 in der ersten Richtung den Spaltabstand (z. B. den Abstand 1008 nach 10) auf der Seite des Schaufelversteifungsbandes minimieren. Ferner können bei 1116 die mehreren Düsenschaufeln an der Position einer kleinen Öffnung bleiben.
Folglich kann ein Verfahren für eine Turbinendüse bereitgestellt werden, das während einer ersten Bedingung das Bewegen eines Betätigungsblocks, der an eine Düsenschaufel der Turbinendüse gekoppelt ist, von einer ersten Position zu einer zweiten Position, um die Düsenschaufel zu öffnen und um die Düsenschaufel gegen eine Wand auf der Seite des Schaufelversteifungsbandes der Turbinendüse zu bewegen, und während einer zweiten Bedingung das Bewegen des Betätigungsblocks von der zweiten Position zu einer dritten Position, wobei sich die erste Position zwischen der zweiten Position und der dritten Position befindet, und dann zurück zu der ersten Position, um die Düsenschaufel zu schließen und die Düsenschaufel zurück gegen die Wand auf der Seite des Schaufelversteifungsbandes zu bewegen, umfasst. In einer Ausführungsform kann der Betätigungsblock als ein Rhomboid geformt sein. Ferner kann der Betätigungsblock durch ein schwenkbares Joch und eine drehbare Welle an die Düsenschaufel gekoppelt sein, wobei das schwenkbare Joch zwei entgegengesetzt zugewandte Seiten des Betätigungsblocks umgibt.
In einem ersten Beispiel kann die erste Bedingung enthalten, dass die Kraftmaschinenlast größer als eine Schwellenlast ist, während die zweite Bedingung enthält, dass die Kraftmaschinenlast kleiner als die Schwellenlast ist. Außerdem kann das Bewegen des Betätigungsblocks das Bewegen des Betätigungsblocks in einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse eines Turbinenrades, wobei die Turbinendüse das Turbinenrad umgibt und die Mittelachse mit dem Turbinenrad teilt, und folglich das Bewegen des Jochs in der Umfangsrichtung und in einer axialen Richtung, wobei die axiale Richtung in einer Richtung der Mittelachse definiert ist, enthalten.
Die technische Wirkung eines Verfahrens zum Einstellen eines Abstands zwischen mehreren Düsenschaufeln und einer Seite des Schaufelversteifungsbandes einer Turbine kann das Klebenbleiben der Düsenschaufeln während der Bedingungen einer hohen Kraftmaschinenlast und/oder einer hohen Kraftmaschinentemperatur verringern, während sie den aerodynamischen Wirkungsgrad des Einfallswinkels während der Bedingungen einer niedrigen Kraftmaschinenlast und/oder einer niedrigen Kraftmaschinentemperatur erhöht. Ferner stellt das offenbarte System, das gewölbte Gleitflächen und ein Sollverhältnis der Dicke zu der Sehnenlänge aufweist, außerdem sowohl eine verringerte radiale Verschiebung einer gleitenden Schaufel, wenn ein Halsbereich (z. B. die Querschnittsfläche der Einlasskanäle) zwischen den gleitenden und den stationären Schaufeln eingestellt wird, als auch einen vergrößerten aerodynamischen Wirkungsgrad aufgrund eines erwünschten Einfallswinkels bereit. In dieser Weise verringern die gewölbten Gleitflächen der Düsenschaufeln das Eindringen der Düsenschaufeln in das Turbinengehäuse (z. B. die Spirale) an einer Vorderkante der gleitenden Düsenschaufel, wobei sie dadurch in den meisten vorhandenen Turbinen mit variabler Geometrie eine kompakte Anordnung in Baugruppen ermöglichen.
Es sei angegeben, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Konfigurationen des Kraftmaschinen- und/oder Fahrzeugsystems verwendet werden können. Ferner können die hier beschriebenen Verfahren eine Kombination aus Maßnahmen, die durch einen Controller in der physikalischen Welt ergriffen werden, und Anweisungen innerhalb des Controllers sein. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein und können durch das Steuersystem einschließlich des Controllers in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und der anderen Kraftmaschinen-Hardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere aus irgendeiner Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie z. B. ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, repräsentieren. Als solche können die veranschaulichten verschiedenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge ausgeführt werden, parallel ausgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern sie ist für die Leichtigkeit der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Operationen und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der verwendeten besonderen Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen Code graphisch darstellen, der in den nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Kraftmaschinen-Steuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch das Ausführen der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Komponenten der Kraftmaschinen-Hardware in Kombination mit dem elektronischen Controller enthält.
Dies beschließt die Beschreibung. Das Lesen der Beschreibung durch die Fachleute auf dem Gebiet würde viele Änderungen und Modifikationen klarmachen, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. I3-, I4-, I5-, V6-, V8-, V10- und V12-Kraftmaschinen, die mit Erdgas, Benzin, Diesel oder alternativen Kraftstoffkonfigurationen arbeiten, könnten z. B. die vorliegende Beschreibung vorteilhaft verwenden.
Die folgenden Ansprüche legen bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders dar, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder dessen Äquivalent beziehen. Derartige Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente enthalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Darstellung neuer Ansprüche in dieser oder einer in Beziehung stehenden Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, ob ihr Schutzumfang umfassender als der, enger als der oder gleich dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche ist oder vom Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche verschieden ist, werden außerdem als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims

Turbinendüse, die Folgendes umfasst: eine Düsenschaufel, die Folgendes enthält: eine stationäre Schaufel, die an einer Oberfläche einer Düsenwandplatte befestigt ist und eine erste Gleitfläche enthält; und eine gleitende Schaufel, die eine zweite Gleitfläche, die ein Strömungsunterbrechungsmerkmal, das sich mit der ersten Gleitfläche in Kontakt befindet, enthält, enthält, wobei die gleitende Schaufel positioniert ist, in einer Richtung von im Wesentlichen tangential zu einem inneren Umfang der Turbinendüse zu gleiten und das Strömungsunterbrechungsmerkmal selektiv freizulegen.
Düse nach Anspruch 1, wobei die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche gewölbte Oberflächen sind und wobei die gleitende Schaufel positioniert ist, um entlang einer gekrümmten Linie zu gleiten, die mit den gewölbten Oberflächen der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche übereinstimmt.
Düse nach Anspruch 1, wobei die gleitende Schaufel auf einem gekrümmten Weg gleitet, der durch eine Krümmung der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche definiert ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Strömungsunterbrechungsmerkmal mehrere Strömungsunterbrechungsmerkmale umfasst, wobei jedes einer jeweiligen Hinterkante mehrerer Düsenschaufeln benachbart ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Strömungsunterbrechungsmerkmal eine Nut oder eine Vertiefung enthält.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Strömungsunterbrechungsmerkmal zwei oder mehr parallele Nuten enthält, wobei jede einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt oder einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Düse nach Anspruch 1, wobei das Strömungsunterbrechungsmerkmal etwa 10 % bis 40 % der gleitenden Schaufel einnimmt.
Düse nach Anspruch 1, wobei bei großen Schaufelöffnungen, wo die gleitende Schaufel sich von der stationären Schaufel weg erstreckt und von der stationären Schaufel wegbewegt ist, das Strömungsunterbrechungsmerkmal freigelegt und der Gasströmung ausgesetzt ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei bei kleinen Schaufelöffnungen, wo sich die gleitende Schaufel nicht von der stationären Schaufel weg erstreckt, das Strömungsunterbrechungsmerkmal durch die gleitende Schaufel völlig abgedeckt ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer maximalen Düsendicke der Düsenschaufel zu einer Länge einer Sehne der Düsenschaufel größer als 0,35 ist.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Einstellen einer Position mehrerer einstellbarer Schaufeln, die radial um ein Turbinenrad einer Turbine mit variabler Geometrie positioniert sind, zu einer ersten Position, die ein Strömungsunterbrechungsmerkmal auf einem Abschnitt einer Oberfläche jeder der mehreren einstellbaren Schaufeln freilegt, und Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu einer zweiten Position, die das Strömungsunterbrechungsmerkmal abdeckt, so dass das Strömungsunterbrechungsmerkmal der Gasströmung nicht ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der ersten Position das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der ersten Position in Reaktion auf eine Kraftmaschinenlast, die kleiner als eine Schwellenlast ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der zweiten Position das Einstellen der Position der mehreren einstellbaren Schaufeln zu der zweiten Position in Reaktion auf die Kraftmaschinenlast, die größer als eine Schwellenlast ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mehreren einstellbaren Schaufeln einen stationären Schaufelabschnitt und einen gleitenden Schaufelabschnitt enthalten, wobei sich das Strömungsunterbrechungsmerkmal auf einer ersten Gleitfläche der gleitenden Schaufel befindet und wobei die erste Gleitfläche gegen eine zweite Gleitfläche der stationären Schaufel gleitet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche gekrümmte Oberflächen sind und wobei die erste Gleitfläche entlang einem gekrümmten Weg, der durch die gekrümmten Oberflächen definiert ist, gegen die zweite Gleitfläche gleitet.
Verfahren für eine Turbinendüse, das Folgendes umfasst: während einer ersten Bedingung Bewegen eines Betätigungsblocks, der an eine Düsenschaufel der Turbinendüse gekoppelt ist, von einer ersten Position zu einer zweiten Position, um die Düsenschaufel zu öffnen und um die Düsenschaufel gegen eine Wand auf der Seite des Schaufelversteifungsbandes der Turbinendüse zu bewegen; und während einer zweiten Bedingung Bewegen des Betätigungsblocks von der zweiten Position zu einer dritten Position, wobei sich die erste Position zwischen der zweiten Position und der dritten Position befindet, und dann zurück zu der ersten Position, um die Düsenschaufel zu schließen und die Düsenschaufel zurück gegen die Wand auf der Seite des Schaufelversteifungsbandes zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Bedingung enthält, dass die Kraftmaschinenlast größer als eine Schwellenlast ist, und wobei die zweite Bedingung enthält, dass die Kraftmaschinenlast kleiner als die Schwellenlast ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Betätigungsblock als ein Rhomboid geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Betätigungsblock durch ein schwenkbares Joch und eine drehbare Welle an die Düsenschaufel gekoppelt ist, wobei das schwenkbare Joch zwei entgegengesetzt zugewandte Seiten des Betätigungsblocks umgibt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bewegen des Betätigungsblocks das Bewegen des Betätigungsblocks in einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse eines Turbinenrades, wobei die Turbinendüse das Turbinenrad umgibt und die Mittelachse mit dem Turbinenrad teilt, und folglich das Bewegen des Jochs in der Umfangsrichtung und in einer axialen Richtung, wobei die axiale Richtung in einer Richtung der Mittelachse definiert ist, enthält.