DE102016015296A1

DE102016015296A1 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102016015296A1
Application number: DE102016015296.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Kraetschmer; Johannes Leweux; Stephan Netzhammer; Damian Vogt
Original assignee: Daimler AG; Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart; Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse (12), mit einem in dem Gehäuse (12) aufgenommenen Turbinenrad (14), welches von Abgas antreibbar ist, und eine Beschaufelung (16) mit einem Austrittsbereich (22) aufweist, über welchen das Abgas bei einem Betrieb der Turbine (10) von der Beschaufelung (16) abströmt, und mit einer Mehrzahl von an einer Wandung (13) des Gehäuses (12) und über dem Umfang des Austrittsbereichs (22) angeordneten Schwingungsänderungsmitteln (24), zum Beeinflussen von Schwingungen des Turbinenrads (14) bei dessen Betrieb, wobei die Schwingungsänderungsmittel (24) in einer Hauptströmungsrichtung (26) des Abgases stromab der Beschaufelung (16) des Turbinenrads (14) an der Wandung (13) des Gehäuses (12) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Turbinenrad, welches von Abgas antreibbar ist, und eine Beschaufelung mit einem Austrittsbereich aufweist, über welchen das Abgas bei einem Betrieb der Turbine von der Beschaufelung abströmt. Die Turbine weist des Weiteren eine Mehrzahl von an einer Wandung des Gehäuses und über dem Umfang des Austrittsbereichs angeordneten Schwingungsänderungsmitteln, zum Beeinflussen von Schwingungen des Turbinenrads bei dessen Betrieb auf.
Um beim Betrieb von Abgasturboladern etwaigen Anregungen von Schaufelschwingungen entgegenzuwirken, sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedene Systeme bekannt.
Aus der EP 0 537 503 A1 ist eine Vorrichtung zum Reduzieren resonanter Schwingungen von Laufschaufeln in Turbomaschinen bekannt. Zur gezielten Störung einer Strömung durch die Turbomaschine sind als Sacklöcher ausgebildete Mittel zwischen einer rotierenden Schaufelspitze und einer, einen Strömungskanal begrenzenden Wandung eines Gehäuses der Turbomaschine angeordnet. Ein zum Strömungskanal gerichteter Querschnitt der Sacklöcher ist in, von jeweiligen Eintrittskanten und Austrittskanten der Laufschaufeln begrenzten Axialebenen angeordnet.
Die DE 10 2015 006 288 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader, wobei in einem Gehäuse des Abgasturboladers ein Turbinenrad mit einer von Abgas antreibbaren Beschaufelung mit einem Austrittsbereich vorgesehen ist. Über den Austrittsbereich strömt das Abgas beim Betrieb der Turbine von der Beschaufelung ab. In einer Wandung des Gehäuses erstreckt sich wenigstens eine in den Austrittsbereich mündende Durchgangsöffnung. Um die Gefahr von übermäßigen Schwingungen der Beschaufelung beim Betrieb des Turbinenrads besonders gering zu halten, ist über die Durchgangsöffnung ein Gas in den Austrittsbereich einführbar, wobei das Gehäuse einen mit der Durchgangsöffnung fluidisch verbundenen und stromauf der Durchgangsöffnung angeordneten Sammelraum für das Gas aufweist, über welchen das Gas der Durchgangsöffnung zuführbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche ein verbessertes Schwingungsverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht von einer Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Turbinenrad, welches von Abgas antreibbar ist, und eine Beschaufelung mit einem Austrittsbereich aufweist, über welchen das Abgas bei einem Betrieb der Turbine von der Beschaufelung abströmt, aus. Die Turbine weist des Weiteren eine Mehrzahl von an einer Wandung des Gehäuses und über dem Umfang des Austrittsbereichs angeordneten Schwingungsänderungsmitteln, zum Beeinflussen von Schwingungen des Turbinenrads bei dessen Betrieb auf.
Um eine Turbine bereitzustellen, welche ein verbessertes Schwingungsverhalten aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schwingungsänderungsmittel in einer Hauptströmungsrichtung des Abgases stromab der Beschaufelung des Turbinenrads an der Wandung des Gehäuses angeordnet sind. Dies ist von Vorteil, da - anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen - hierdurch etwaige unvorteilhafte Einflüsse, insbesondere Schwingungseinflüsse auf ein Strömungsfeld beim Betrieb der Turbine sowohl innerhalb eines Schaufelkanals, also mit anderen Worten in der Hauptströmungsrichtung hinter einer Schaufelaustrittskante der Beschaufelung, als auch in einem Schaufelspalt zwischen der Wandung und der Beschaufelung minimiert werden können. Dadurch kann die Turbine mit verbessertem Schwingungsverhalten betrieben werden. Anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, sind die Schwingungsänderungsmittel also nicht im Bereich des Schaufelspaltes und damit zwischen jeweiligen Schaufeleintrittskanten und den Schaufelaustrittskanten der Beschaufelung angeordnet, sondern in der Hauptströmungsrichtung hinter der Schaufelaustrittskante der Beschaufelung.
Der Erfindung liegt zudem die Erkenntnis zugrunde, dass durch die besagte Anordnung der Schwingungsänderungsmittel in der Hauptströmungsrichtung stromab der Beschaufelung eine Dämpfung einer ersten Schaufelbiegemode der Beschaufelung beim Betrieb der Turbine möglich ist. Grund dafür ist, dass eine modespezifische Verschiebung am Schaufelaustritt, also im Bereich der Austrittskante der Beschaufelung, am höchsten ist, wodurch eine Einflussnahme auf die Schaufelbiegemode erleichtert ist. Die Anordnung der Schwingungsänderungsmittel in der Hauptströmungsrichtung stromab der Beschaufelung und damit in der Hauptströmungsrichtung hinter der Schaufelaustrittskante, welche auch als Turbinenaustrittskante bezeichnet werden kann, ist - im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen - fertigungstechnisch mit geringerem Aufwand herstellbar, als etwaige, aus dem Stand der Technik bekannte Mittel beispielsweise in der Nähe eines Schaufeleintrittsbereichs.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens einige der Schwingungsänderungsmittel als jeweilige Durchgangsöffnungen durch die Wandung ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da derartige Durchgangsöffnungen, welche beispielsweise als beidseitig offene Bohrungen ausgebildet sein können, ein Einleiten eines Fluids stromab der Beschaufelung, also stromab der Schaufelaustrittskanten in den Austrittsbereich ermöglichen, um etwaige Schwingungen des Turbinenrads bei dessen Betrieb vorteilhaft zu beeinflussen. Die Durchgangsöffnungen können auch zum Ausleiten zumindest eines Abgasanteils des Abgases aus dem Austrittsbereich dienen. Auch hierdurch können etwaige Schwingungen des Turbinenrads bei dessen Betrieb vorteilhaft beeinflusst werden. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen also mit anderen Worten ein Einblasen des Fluids (beispielsweise im Rahmen einer Sekundärlufteinblasung) in den Strömungskanal der Turbine oder ein Abblasen bzw. eine Bypassierung des Abgasanteils und damit eines Teils eines Massenstroms des Abgases. Der Massenstrom des Abgases kann auch als Turbinenmassenstrom bezeichnet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens einige der Schwingungsänderungsmittel als jeweilige Vorsprünge an der Wandung ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da derartige Vorsprünge besonders einfach herzustellen sind und ebenfalls vorgesehen sein können, um etwaige Schwingungen des Turbinenrads bei dessen Betrieb vorteilhaft zu beeinflussen. Die Vorsprünge können auch als Erhöhungen bezeichnet werden, welche besonders einfach und aufwandsarm durch einteiliges Verbinden der Vorsprünge mit der Wandung bereitgestellt sein können. Die Vorsprünge können jedoch auch beispielsweise als in die Wandung eingesteckte Pins ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens einige der Schwingungsänderungsmittel als jeweilige Aussparungen in der Wandung ausgebildet sind. Dies ist von Vorteil, da derartige Aussparungen besonders einfach herzustellen sind und ebenfalls vorgesehen sein können, um etwaige Schwingungen des Turbinenrads bei dessen Betrieb vorteilhaft zu beeinflussen. Die Aussparungen können beispielsweise als Ausfräsungen, als Sacklochbohrungen oder als Rillen ausgestaltet sein, um nur einige Beispiele zu nennen. Die Aussparungen können generell also als sogenannte „grooves“ ausgebildet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Turbine;
2a ein Diagramm bei welchem ein exemplarischer, periodischer Druckverlauf, welcher sich beim Betrieb der Turbine einstellt, über einer Drehposition eines Turbinenrads der Turbine aufgetragen ist;
2b ein Fourierfrequenzspektrum einer drehzahlharmonischen Schwingung der Turbine, welche sich beim Betrieb der Turbine einstellt, wobei eine harmonische Druckamplitude der Turbine über einer drehzahlharmonischen Erregerordnung aufgetragen ist;
3 ein Diagramm, welches eine Schwingungsamplitude über einem Positionswinkel eines Schwingungsänderungsmittels in Umfangsrichtung einer Beschaufelung bzw. einer Wandung der Turbine zeigt;
4 eine Draufsicht auf einen Austrittsbereich des Turbinenrades längs einer Drehachse der Beschaufelung;
5a - 9b verschiedene Ausführungsarten sowie verschiedene Ansichten von Schwingungsänderungsmitteln der Turbine.

1 zeigt allgemein eine Turbine 10 für einen hier nicht weiter dargestellten Abgasturbolader. Der Abgasturbolader kann in einer hier nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, um für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine benötigte Frischluft zu verdichten.
Die Turbine 10 umfasst ein Gehäuse 12, mit einem in dem Gehäuse 12 aufgenommenen Turbinenrad 14, welches von Abgas antreibbar ist. Des Weiteren umfasst die Turbine 10 eine Beschaufelung 16 mit einem Austrittsbereich 22, über welchen das Abgas bei einem Betrieb der Turbine 10, also beim Durchströmen der Turbine 10 mit Abgas, von der Beschaufelung 16 abströmt. Die Turbine 10 weist des Weiteren eine Mehrzahl von an einer Wandung 13 des Gehäuses 12 und über dem Umfang des Austrittsbereichs 22 angeordneten Schwingungsänderungsmitteln 24, zum Beeinflussen von Schwingungen des Turbinenrads 14 bei dessen Betrieb.
Die Schwingungsänderungsmittel 24 sind in einer Hauptströmungsrichtung 26 des Abgases stromab der Beschaufelung 16 und damit stromab jeweiliger Schaufelaustrittskanten 20 der Beschaufelung 16 des Turbinenrads 14 an der Wandung 13 des Gehäuses 12 angeordnet. Beim Betrieb der Turbine 10 rotiert das Turbinenrad 14 um eine Drehachse 30 relativ zu der Wandung 13 und damit relativ zu dem Gehäuse 12. Zwischen einer Schaufeleintrittskante 18 und der Schaufelaustrittskante 20 ist das Turbinenrad 14 von der Wandung 13 beabstandet, sodass ein Spalt 21 zwischen der Beschaufelung 16 und der Wandung 13 besteht. In 1 ist weiterhin eine Nabe 32 des Turbinenrads 14, sowie ein Druckfeld 34 gezeigt, welche sich beim Betrieb der Turbine 10 an dem Austrittsbereich 22 einstellt. Das Druckfeld 34 entspricht dabei einem, gegenüber dem restlichen Austrittsbereich 22, lokal geänderten Druckfeld, welches sich beim Betrieb der Turbine 10 infolge des Anordnens des Schwingungsänderungsmittels 24 oder durch infolge des Anordnens der Mehrzahl der Schwingungsänderungsmittel 24 in einem Einbaubereich 36 einstellt. Des Weiteren zeigt 1 eine Gehäusezunge 38 des Gehäuses 12.
1 zeigt insgesamt eine Prinzipskizze einer Hauptansicht der vorliegend als Turbolader-Radialturbine ausgebildeten Turbine 10, an welcher die Schwingungsänderungsmittel 24 an bzw. in der Wandung 13, welche auch als „shroud“ bezeichnet werden kann, vorgesehen sind, um das Druckfeld 34 (statisches, lokal geändertes Druckfeld) im Turbinenströmungskanal zu beeinflussen. Die Schwingungsänderungsmittel 24 werden im Folgenden auch als „Maßnahmen“ bezeichnet.
Die Gehäusezunge 38 stellt vorliegend eine primäre Störquelle für etwaige Schwingungsanregungen der Beschaufelung 16 vor dem Turbinenrad 14 als Ursache für Strömungsnachläufe dar. Ein hier nicht weiter dargestelltes Vorleitgitter in der Hauptströmungsrichtung 26 stromauf der Beschaufelung 16 oder ein ebenfalls hier nicht weiter dargestelltes Nachleitgitter in Hauptströmungsrichtung 26 stromab der Beschaufelung 16 könnte jedoch ebenfalls als Störquelle wirken, weshalb auf derartige Leitgitter verzichtet wird.
Die 5a-9b zeigen jeweils verschiedene, mögliche Ausführungsformen der Schwingungsänderungsmittel 24, wobei die 5a, 6a, 7a, 8a und 9a jeweils Schnittdarstellungen zeigen und die 5b, 6b, 7b, 8b und 9b jeweils zugehörige Draufsichten auf die Wandung 13 gemäß jeweiligen Ansichtsrichtungen A. In den 5a-9b ist erkennbar, dass die Schwingungsänderungsmittel 24 beispielsweise als jeweilige Durchgangsöffnungen durch die Wandung 13, als jeweilige Vorsprünge an der Wandung 13, oder als jeweilige Aussparungen in der Wandung 13 ausgebildet sein können. Die Maßnahmen (Schwingungsänderungsmittel 24) können aktiver Natur sein, wobei beispielsweise eine Einblasung eines Fluid, beispielsweise eines Sekundärmassenstroms über als Durchgangsöffnungen ausgebildete Maßnahmen möglich ist. Die Maßnahmen können jedoch auch passiver Natur sein, beispielsweise in Form der besagten Aussparungen, welche beispielsweise als Ausfräsungen ausgestaltet sein können.
Die 5a-9b zeigen zusammenfassend jeweilige, für die Reduzierung von Anregungen von Schaufelschwingungen in Turbomaschinen verwendbare Ausführungsformen der Schwingungsänderungsmittel 24. Die Schwingungsänderungsmittel 24 sind in der Wandung 13 des strömungsführenden Gehäuses 12 zur gezielten Störung der Strömung in Hauptströmungsrichtung 26 stromab der Schaufelaustrittskante 20 angeordnet. Die Schwingungsänderungsmittel 24 können beispielsweise in Form von einfachen Kavitäten (siehe beispielsweise 5a und 6a) als auch in Form von Fluid leitenden Düsen (siehe beispielsweise 8a und 9a) ausgestaltet sein.
2a und 2b beschreiben ein Wirkprinzip einer erfolgreich angeordneten Maßnahme, welche zur Reduzierung einer Schwingungsanregung, hier im Beispiel einer „Erregerordnung 5“, eingesetzt wird. Zur Verdeutlichung zeigt 2a ein Diagramm mit einem exemplarisch periodischen Druckverlauf 50, welcher über einer Drehposition 52 des Turbinenrads 14 aufgetragen ist. Das Diagramm zeigt einen Verlauf 54 mit konventioneller Turbinenstufe ohne Schwingungsänderungsmittel 24. Das Diagramm zeigt des Weiteren einen - in 2a gestrichelt dargestellten - Verlauf 56, welcher sich aufgrund der Anordnung der Schwingungsänderungsmittel 24 in der Hauptströmungsrichtung 26 stromab der Beschaufelung 16 und damit stromab der Schaufelaustrittskante 20 ergibt. Durch eine Fast-Fourier-Transformation kann aus 2a sowie aus einem nachfolgend beschriebenen, in 3 gezeigten Verlauf ein in 2b dargestelltes Fourier-Frequenzspektrum einer Drehzahlharmonischen abgeleitet werden. In dem in 2b gezeigten Diagramm ist eine harmonische Druckamplitude 60 über einer drehzahlharmonischen Erregerordnung 62 aufgetragen. Durch die Fourier-Transformation des Druckverlaufs ist es möglich, einzelne Frequenzanteile der Drehzahlharmonischen zu bestimmen. Besonders ausgeprägt ist der Unterschied zwischen dem Verlauf 54 und dem Verlauf 56 für die Erregerordnung 5 (in 2b durch eine Umrandung hervorgehoben).
3 zeigt ein Diagramm, welches einen Druckverlauf für eine Resonanzdrehzahl beschreibt, bei welcher sich die Erregerordnung 5 einstellen kann. Der Druckverlauf ist dabei proportional zu einer resultierenden Schaufelkraft. Ohne die Maßnahme (ohne Schwingungsänderungsmittel 24) kann sich ein Verlauf gemäß einer maximalen Schwingungsamplitude 82 ergeben.
Durch die Fast Fourier-Transformation kann ein spezifischer Druckanteil identifiziert werden, welcher für die Anregung der jeweiligen Erregerordnung verantwortlich ist. In dem hier beschriebenen Fall der Erregerordnung 5 (fünfte Erregerordnung) ist dies der in 2b durch die Umrandung hervorgehobene Amplitudenwert des fünften Fourier-Koeffizienten, welcher auch als „EO5 („Erregerordnung 5“) abgekürzt werden kann.
Die in 2a gestrichelt dargestellte, den Verlauf 56 charakterisierende Linie zeigt einen zum Basisdesign leicht abweichenden Druckverlauf der Beschaufelung 16, welche auch als Rotorschaufel bezeichnet werden kann, wobei sich der Verlauf 56 durch Anordnung der Maßnahme ergibt. Auf das in 2b gezeigte Frequenzspektrum hat die Anordnung der Maßnahme einen Einfluss, wodurch sich jeweilige Amplituden der verschiedenen Drehzahlharmonischen verändern. Für die Beeinflussung der hier gewählten „Erregerordnung 5“ ist folglich eine Veränderung des fünften Erregerordnungskoeffizienten ausschlaggebend, welcher bei erfolgreicher Anwendung der Maßnahme wie dargestellt reduziert ist. Aus 3 können Informationen zur Positionierung eines einzelnen Schwingungsänderungsmittels 24 abgeleitet werden.
Zusammengefasst liegt der Wirkmechanismus der Anordnung der Schwingungsänderungsmittel 24 darin begründet, dass der Druckverlauf (im Idealfall an der Schaufelposition mit der höchsten Mode spezifischen Verschiebung) mit einer Maßnahme gezielt so verändert werden kann, dass der Amplitudenwert desjenigen Fourier-Koeffizienten reduziert wird, welche für die Schwingungsanregung verantwortlich ist.
Zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens der Turbine 10 kann mittels der vorgeschlagenen Maßnahmen (Schwingungsänderungsmittel 24) die lokale Änderung des statischen Druckfeldes 34 an der Austrittsseite des Turbinenrades bewirkt werden. Die Maßnahmen können aktiver oder passiver Natur sein und an der Strömung führenden Wandung 13 des Gehäuses 12 mit dem Ziel der Beeinflussung der Turbinenschaufelschwingungsbelastung vorgesehen sein.
Die lokale Änderung des statischen Druckfeldes 34 über der Umfangsrichtung resultiert auf der Schaufeloberfläche der Beschaufelung 16 in einer Änderung der harmonischen Anregung Kraft (vgl. modaler Kraft), welche ausschlaggebend für die Schaufelschwingungsbelastung ist. Der Einfluss kann dabei die Schaufelschwingungsbelastung erhöhen oder reduzieren, wie sich aus 3 ergibt. 3 zeigt hierzu ein Diagramm, bei welchem eine Schwingungsamplitude 70 (inklusive Dämpfung bzw. Verstärkung von Schwingungen) über einer, einen Positionswinkel eines Schwingungsänderungsmittels 24 in Umfangsrichtung charakterisierenden Achse 72 aufgetragen ist. Des Weiteren zeigt 3 eine erste Resonanzschwingung 74 sowie eine zweite Resonanzschwingung 76. Ebenfalls ist in 3 ein erster Bereich 78 gezeigt, welche eine Dämpfung der ersten Resonanzschwingung 74 sowie eine Anregung der zweiten Resonanzschwingung 76 charakterisiert. Zudem ist in 3 ein zweiter Bereich 80 gezeigt, welcher eine Dämpfung sowohl der ersten Resonanzschwingung 74 als auch der zweiten Resonanzschwingung 76 charakterisiert. Die gewünschte Reduzierung der Schaufelschwingungsbelastung wird dann erreicht, wenn die Frequenzamplitude des mit der Schwingform korrespondierenden Fourier-Koeffizienten verringert wird (siehe 2a und 2b). Mit anderen Worten führen die in Umfangsrichtung angebrachten Maßnahmen auf der Schaufeloberfläche zu einer periodischen Anregungskraft, welche einen Einfluss auf das Schaufelschwingungsverhalten nimmt. Die Reduzierung der Schwingungsamplitude wird dann erreicht, wenn die Maßnahmen in Umfangsrichtung eine (Sekundär-)Anregung bewirken, welche antizyklisch zu der Erregerfrequenz (durch den Stator) wirkt. Antizyklisch beschreibt hierbei, dass der Phasenversatz des zur jeweiligen Resonanzordnung gehörenden Frequenzanteils im Fast Fourier-Transformations-Frequenzspektrum um π/2 (im Idealfall), bzw. zwischen π/4 und 3π/4 zu jener der Primärerregerphase verschoben liegt.
Die Interaktion zwischen der Maßnahme und der Turbinenschaufel (Beschaufelung 16) findet vermutlich auf drei verschiedenen Wirkebenen statt. Eine (erste) Wirkebene stellt die Änderung des statischen Druckfeldes 34 durch Anordnung der Schwingungsänderungsmittel 24 dar. Das statische Druckfeld 34 führt auf der Schaufeloberfläche (Druckseite und zusätzlich oder alternativ Saugseite) zu einer periodisch-resultierenden Kraft und damit zur Anregung. Zum anderen (zweite Wirkebene) interagiert die Beschaufelung 16 insbesondere bei einer aktiven Maßnahme (aktives Schwingungsänderungsmittel 24, beispielsweise aktive Einblasung von Fluid) über einen Impulsstrom, welcher gerichtet ist und bei der Einblasung des massebehafteten Fluides auf die Schaufeloberfläche wirkt. Für den Wirkmechanismus des Impulsstroms ist die vektorrielle Ausrichtung der aktiven Maßnahme (beispielsweise Schwingungsänderungsmittel 24 in Form einer einblasenden Düse) entscheidend. Zuletzt (dritte Wirkebene) beeinflusst das durch die Maßnahme lokal geänderte Druckfeld 34 den Anteil der aerodynamischen Dämpfung der Beschaufelung 16 (Schaufel), was ebenfalls in einem veränderten Resonanzverhalten resultiert. Der Beitrag der aerodynamischen Dämpfung zur Schwingungsbeeinflussung ist jedoch eher als gering einzuschätzen.
3 zeigt insgesamt ein Prinzipdiagramm, welches den unterschiedlichen Einfluss einer Maßnahme auf die maximal ausgeprägte Schaufelschwingungsamplitude zeigt und dadurch Informationen zur Maßnahmenpositionierung (Positionierung der Schwingungsänderungsmittel 24 beispielsweise in Umfangsrichtung) bereitstellt.
Die y-Achse (Schwingungsamplitude 70, welche auch als Ordinatenachse bezeichnet werden kann) zeigt den Maximalwert der Schwingungsamplitude, welche die Schaufeln (Beschaufelung 16) bei einer Resonanz zu einer jeweiligen Umfangsposition der Maßnahme erreichen. Die y-Achse ist vorliegend von der Linie 82 geteilt, welche das Ausgangsniveau der maximalen Schwingungsamplitude ohne Anwendung einer Maßnahme (ohne Schwingungsänderungsmittel 24) zeigt. Über dieser Linie 82 besitzt eine Maßnahme einer verstärkende, darunter eine dämpfende Wirkung. Auf der x-Achse (Achse 72, welche auch als Abszissenachse bezeichnet werden kann) ist mit dem Positionswinkel α die Position der Maßnahme in Umfangsrichtung aufgetragen, an welcher sich die Maßnahme befindet. Bezogen ist diese Position, wie aus 3 hervorgeht, auf die Störquelle, also vorliegend die Gehäusezunge 38. Das in 3 gezeigte Diagramm verdeutlicht zum einen, dass eine Maßnahme, je nach Positionierung in Umfangsrichtung, sowohl einen verstärkenden, als auch einen dämpfenden Einfluss auf das Schaufelschwingungsverhalten haben kann. Die hervorgehobenen, schraffierten, bzw. markierten Bereiche 78, 80 auf der x-Achse zeigen die für einen Anwendungseinsatz interessanten Positionen der Maßnahme, bei welchen die erste Resonanzschwingung 74 (Bereich 78) bzw. die erste Resonanzschwingung 74 und die zweite Resonanzschwingung 76 zugleich gedämpft werden können (Bereich 80).
4 zeigt exemplarisch eine Prinzipzusammenstellung mit einer Ansicht längs und damit entlang der Drehachse 30 auf den Austrittsbereich 22 des Turbinenrads 14 mit der eintrittsseitigen Gehäusezunge 38 als Störquelle. Wie in 4 erkennbar, ist außerdem eine ringförmige Maßnahme, welche aus drei in Umfangsrichtung exemplarisch angeordneten einzelnen Schwingungsänderungsmitteln 24 gebildet sein kann, vorgesehen. Zur Beeinflussung mehrerer Resonanzschwingungen mit nur einer Maßnahme, kann eine inäquidistante Anordnung der einzelnen Maßnahmenelemente (Schwingungsänderungsmittel 24) notwendig sein. Verdeutlicht ist außerdem die Winkelzuordnung in Form des Positionswinkels α, welche mit Bezug zur Primäranregung erfolgt.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
12: Gehäuse
13: Wandung
14: Turbinenrad
16: Beschaufelung
18: Schaufeleintrittskante
20: Schaufelaustrittskante
21: Spalt
22: Austrittsbereich des Turbinenrads
24: Schwingungsänderungsmittel
26: Hauptströmungsrichtung
30: Drehachse
32: Nabe
34: Druckfeld
36: Einbaubereich
38: Gehäusezunge
50: Druckverlauf
52: Drehposition
54: Verlauf
56: Verlauf
60: Harmonische Druckamplitude
62: drehzahlharmonische Erregerordnung
70: Schwingungsamplitude
72: Achse
74: erste Resonanzschwingung
76: zweite Resonanzschwingung
78: erster Bereich
80: zweiter Bereich
82: Maximale Schwingungsamplitude
90: Anregungsgebiet
α: Positionswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0537503 A1 [0003]
DE 102015006288 A1 [0004]

Claims

Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse (12), mit einem in dem Gehäuse (12) aufgenommenen Turbinenrad (14), welches von Abgas antreibbar ist, und eine Beschaufelung (16) mit einem Austrittsbereich (22) aufweist, über welchen das Abgas bei einem Betrieb der Turbine (10) von der Beschaufelung (16) abströmt, und mit einer Mehrzahl von an einer Wandung (13) des Gehäuses (12) und über dem Umfang des Austrittsbereichs (22) angeordneten Schwingungsänderungsmitteln (24), zum Beeinflussen von Schwingungen des Turbinenrads (14) bei dessen Betrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsänderungsmittel (24) in einer Hauptströmungsrichtung (26) des Abgases stromab der Beschaufelung (16) des Turbinenrads (14) an der Wandung (13) des Gehäuses (12) angeordnet sind.
Turbine (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Schwingungsänderungsmittel (24) als jeweilige Durchgangsöffnungen durch die Wandung (13) ausgebildet sind.
Turbine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Schwingungsänderungsmittel (24) als jeweilige Vorsprünge an der Wandung (13) ausgebildet sind.
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Schwingungsänderungsmittel (24) als jeweilige Aussparungen in der Wandung (13) ausgebildet sind.