DE102017007636A1 - Halbaxialturbine for an exhaust gas turbocharger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) angeordneten und um eine Drehachse (14) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Turbinenrad (20) und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse (12) gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten (30, 40), mittels welchen das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) zuführbar ist. Eine erste Flut (30) der wenigstens zwei Fluten (30, 40) weist zumindest an einem Zuführbereich (16), an welchem das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) mittels der ersten Flut (30) an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) des Turbinenrades (20) zuführbar ist, einen kleineren Strömungsquerschnitt (32) auf, als eine zweite Flut (40) der wenigstens zwei Fluten (30, 40), mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad (20) an einem Schaufelfußeintrittsbereich (24) des Turbinenrades (20) zuführbar ist. The invention relates to a half - axial turbine (10) for an exhaust gas turbocharger, comprising a turbine housing (12) with a turbine wheel (20) and at least partially disposed in the turbine housing (12) and rotatable about an axis of rotation (14) relative to the turbine housing (12) with at least two, by the turbine housing (12) formed, at least partially separated and asymmetrically trained and by exhaust gas of an internal combustion engine through-flowable floods (30, 40), by means of which the floods (30, 40) flowing through the exhaust gas turbine wheel (20) can be fed. A first flow (30) of the at least two floods (30, 40) has at least one feed region (16) at which the exhaust gas flowing through the flows (30, 40) reaches the turbine wheel (20) by means of the first flow (30) Vane tip inlet region (22) of the turbine wheel (20) can be supplied, a smaller flow cross section (32) as a second flood (40) of the at least two floods (30, 40), by means of which the exhaust gas to the turbine wheel (20) at a Schaufelfußeintrittsbereich ( 24) of the turbine wheel (20) can be fed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a Halbaxialturbine for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1.
Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturboladersysteme (Aufladesysteme) in zweistufiger Konfiguration verwenden meist handelsübliche bzw. vorhandene Komponenten aus einstufigen Systemen. Dadurch kann zwar der Aufwand beim Aufbau solcher Systeme gering gehalten werden, gleichzeitig sind jedoch diese Komponenten nicht optimal an gegebene Betriebsbedingungen im zweistufigen Betrieb angepasst. So sind vor allem Druckverhältnisse von Turbinen und Verdichtern im zweistufigen Betrieb deutlich niedriger als in vergleichbaren, einstufigen Aufladesystemen.Exhaust gas turbocharger systems known from the prior art (charging systems) in a two-stage configuration usually use commercially available or existing components from single-stage systems. As a result, while the cost of building such systems can be kept low, but at the same time these components are not optimally adapted to given operating conditions in two-stage operation. In particular, pressure ratios of turbines and compressors in two-stage operation are significantly lower than in comparable single-stage turbochargers.
Aus der
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbaxialturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann.Object of the present invention is to provide a Halbaxialturbine of the type mentioned, by which an improved turbine efficiency can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbaxialturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a Halbaxialturbine with the features of claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Die Erfindung geht aus von einer Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse angeordneten und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbaren Turbinenrad und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten, mittels welchen das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad zuführbar ist.The invention relates to a Halbaxialturbine for an exhaust gas turbocharger, with a turbine housing, with an at least partially disposed in the turbine housing and rotatable about a rotational axis relative to the turbine housing turbine wheel and with at least two, formed by the turbine housing, at least partially separated and asymmetrical to each other trained as well as by exhaust gas of an internal combustion engine through-flowable floods, by means of which the exhaust gas flowing through the floods can be fed to the turbine wheel.
Die Halbaxialturbine zeichnet sich dadurch aus, dass das die Fluten durchströmende Abgas während eines Betriebs der Turbine entlang einer jeweiligen, schräg zur axialen Richtung des Turbinenrades und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrades verlaufenden Zuführrichtung aus den Fluten ausströmt und das Turbinenrad entlang der jeweiligen Zuführrichtung anströmt. Das Abgas wird dem Turbinenrad dabei nicht etwa streng in radialer Richtung oder streng in axialer Richtung zugeführt. Stattdessen wird das Abgas mittels beider Fluten schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung, das heißt halbaxial (aus halbaxialer Richtung) dem Turbinenrad zugeführt.The Halbaxialturbine is characterized in that the exhaust gas flowing through the floods flows out of the floods during operation of the turbine along a respective, obliquely to the axial direction of the turbine wheel and obliquely to the radial direction of the turbine wheel feed direction and the turbine wheel flows along the respective feed direction. The exhaust gas is supplied to the turbine wheel not strictly in the radial direction or strictly in the axial direction. Instead, the exhaust gas by means of both floods obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction, that is fed semi-axially (from the semi-axial direction) to the turbine wheel.
Um eine Halbaxialturbine derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Flut der wenigstens zwei Fluten zumindest an einem Zuführbereich, an welchem das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad mittels der ersten Flut an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zuführbar ist einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist, als eine zweite Flut der wenigstens zwei Fluten, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad an einem Schaufelfußeintrittsbereich des Turbinenrades zuführbar ist. Mit anderen Worten weist die erste Flut einen ersten Strömungsquerschnitt auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Strömungsquerschnitt der zweiten Flut. Durch den kleineren Strömungsquerschnitt kann den jeweiligen Schaufeln des Turbinenrades das Abgas an dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelspitzen der Schaufeln) mit einer größeren Zuströmgeschwindigkeit zugeführt werden, als an dem Schaufelfußeintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelfüßen der Schaufeln).In order to further develop a half-axial turbine such that an improved turbine efficiency can be achieved, it is provided according to the invention that a first flow of the at least two flows at at least one feed region at which the exhaust gas flowing through the flows reaches the turbine wheel via the first flow at a blade tip inlet region of the turbine wheel can be supplied has a smaller flow cross-section, as a second flood of the at least two floods, by means of which the exhaust gas is supplied to the turbine wheel at a blade root inlet region of the turbine wheel. In other words, the first flood has a first flow cross-section, which is smaller than a second flow cross-section of the second flood. As a result of the smaller flow cross section, the exhaust gas at the blade tip inlet region (and thus at the respective blade tips of the blades) can be supplied to the respective blades of the turbine wheel at a greater inflow velocity than at the blade root inlet region (and thus at the respective blade roots of the blades).
Aufgrund der verschiedenen Strömungsquerschnitte der jeweiligen Fluten ist die Halbaxialturbine insgesamt als zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Bauweise ausgebildet.Due to the different flow cross sections of the respective floods, the half-axial turbine is designed overall as a double-flow, asymmetrical turbine in a semi-axial design.
Der Schaufelspitzeneintrittsbereich entspricht dabei dem Eintrittsbereich des Abgases an jeweiligen Schaufelkanten jeweiliger Schaufeln des Turbinenrades an der Schaufelspitze der jeweiligen Schaufeln. Der Schaufelfußeintrittsbereich entspricht dem Eintrittsbereich des Abgases an den jeweiligen Schaufelkanten des Turbinenrades am Schaufelfuß der jeweiligen Schaufeln.The blade tip inlet region corresponds to the inlet region of the exhaust gas at respective blade edges of respective blades of the turbine wheel at the blade tip of the respective blades. The blade root entry region corresponds to the inlet region of the exhaust gas at the respective blade edges of the turbine wheel at the blade root of the respective blades.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Betrieb der Halbaxialturbine eine Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß (Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit) kleiner ist als eine Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelspitze (Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit). Ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad ergibt sich dadurch, dass auch eine Umfangskomponente einer Zuströmgeschwindigkeit des Abgases an der Schaufelspitze größer ist, als am Schaufelfuß, um eine jeweilige Relativströmung des Abgases schaufelkongruent an dem Zuführbereich in das Turbinenrad einzuleiten. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die erste Flut den kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als die zweite Flut und dementsprechend auch das über die erste Flut an dem Schaufelspitzeneintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas eine höhere Zuströmgeschwindigkeit aufweist, als das über die zweite Flut an dem Schaufelfußeintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas. The invention is based on the finding that during operation of the Halbaxialturbine a peripheral speed at the blade root (blade root peripheral speed) is smaller than a peripheral speed at the blade tip (blade tip peripheral speed). An improved turbine efficiency results from the fact that also a peripheral component of an inflow rate of the exhaust gas at the blade tip is greater than at the blade root in order to introduce a respective relative flow of the exhaust gas in a blade-congruent manner at the feed region into the turbine wheel. This is made possible by the fact that the first flow has the smaller flow cross section than the second flow and, accordingly, the exhaust gas introduced into the turbine wheel via the first flow at the blade tip inlet region has a higher inflow velocity than that via the second flow at the blade root inlet region into the turbine wheel introduced exhaust.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Turbinengehäuse eine Trennwand auf, welche die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich derart voneinander trennt, dass die Trennwand ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut zu dem Schaufelfußeintrittsbereich sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich unterbindet. Dieses von Vorteil, da mittels der Trennwand somit eine besonders gezielte Ausrichtung des Abgases bei dessen Eintritt in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.In an advantageous development of the invention, the turbine housing has a dividing wall which separates the at least two floods at the feed region such that the dividing wall flows exhaust gas from the first flood to the blade root inlet region and a flow of exhaust gas from the second flood to the Vane tip entry area prevents. This is advantageous because by means of the partition thus a particularly targeted alignment of the exhaust gas is made possible when it enters the turbine wheel at the feed.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert. In a further advantageous development of the invention, the at least two floods are oriented at the feed region at least substantially parallel to one another.
Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders strömungsgünstige Einleitung des Abgases in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.This is advantageous because it allows a particularly streamlined introduction of the exhaust gas into the turbine wheel at the feed area.
Unter dem Begriff „im Wesentlichen parallel“ ist dabei zu verstehen, dass jeweilige Mittelachsen der beiden Fluten an dem Zuführbereich einen spitzen Winkel miteinander einschließen, welcher vorzugsweise kleiner als 10° und besonders bevorzugt kleiner als 5° ist.The term "substantially parallel" is understood to mean that respective central axes of the two floods at the feed region enclose an acute angle with one another, which is preferably less than 10 ° and particularly preferably less than 5 °.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing (s). The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Dabei zeigen:
-
1 einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbolader, wobei ein turbinenseitiger Gehäuseabschnitt des Abgasturboladers zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten aufweist; -
2 eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Halbaxialturbine, welche ein Turbinenrad aufweist; -
3 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelfußeintrittsbereich des Turbinenrades zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks; und -
4 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks.
-
1 a cross-section through an exhaust gas turbocharger known from the prior art, wherein a turbine-side housing portion of the exhaust gas turbocharger has two asymmetrically formed floods; -
2 a schematic sectional view of an exemplary embodiment of the invention for a Halbaxialturbine having a turbine wheel; -
3 a schematic representation of a blade root entry region of the turbine wheel associated speed triangle; and -
4 a schematic representation of a blade tip inlet region of the turbine wheel associated speed triangle.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
Die Halbaxialturbine
Die Halbaxialturbine
Eine erste Flut
Der Schaufelspitzeneintrittsbereich
Das Turbinengehäuse
Die zwei Fluten
Durch die asymmetrisch zueinander ausgebildeten Fluten
Durch die Halbaxialturbine
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen mit zwei Abgasfluten sind jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Turbinenradeintritt über der Schaufelhöhe der jeweiligen Radialturbinen-Schaufeln konstant. Ist die Anströmgeschwindigkeit (Umfangskomponente) beider Abgasfluten nicht gleich, so kommt es zu Abweichungen der Umfangskomponente in der Anströmung zur Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenradeintritts.In radial turbines with two exhaust gas flows known from the prior art, respective peripheral speeds at the turbine wheel inlet are constant over the blade height of the respective radial turbine blades. If the inflow velocity (circumferential component) of both exhaust gas flows is not the same, then deviations of the circumferential component in the inflow to the circumferential speed of the turbine wheel inlet occur.
Die Halbaxialturbine
Jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Schaufelfuß
Die Umfangsgeschwindigkeiten
Dabei gilt grundsätzlich: utip > uroot The following applies in principle: u tip > u root
Generell gelten folgende Zusammenhänge:
Bei den vorstehenden Zusammenhängen werden die Drehzahl n und die Winkelgeschwindigkeit ω des Turbinenrads
Da die Umfangsgeschwindigkeiten
Ein in
Je nach Anschrägung (Winkel
Aus der Zusammenschau von
In
Die Relativkomponenten
Für einen Schaufelwinkel von 90° ergibt sich so eine optimale Zuströmung. Auch für Schaufelwinkel abweichend von 90° lässt sich eine optimale Zuströmung realisieren. Um einen möglichst hohen Turbinenwirkungsgrad zu erzielen, ist eine Abstimmung der Höhe
Auch ein umgekehrter Auslegungsweg ist dabei denkbar: die Einzelfluten
Mit größer werdender Asymmetrie zwischen den jeweiligen Fluten
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung von Verdichtern als Halbaxialmaschinen generell deren maximales Druckverhältnis absenkt und die Möglichkeit zum wirkungsgradoptimalen Betrieb innerhalb deren Kennfelder im Vergleich zu einer üblichen Verdichterbauweise mit radialer Abströmung bietet. Die Halbaxialturbine
Bei der Halbaxialturbine
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- HalbaxialturbineHalbaxialturbine
- 1212
- Turbinengehäuseturbine housing
- 1414
- Drehachseaxis of rotation
- 1616
- Zuführbereichfeeding
- 1818
- Trennwandpartition wall
- 2020
- Turbinenradturbine
- 2222
- SchaufelspitzeneintrittsbereichBlade tip inlet area
- 2424
- SchaufelfußeintrittsbereichSchaufelfußeintrittsbereich
- 2626
- Schaufelspitzeblade tip
- 2828
- Schaufelfußblade
- 3030
- erste Flutfirst tide
- 3232
- erster Strömungsquerschnittfirst flow cross section
- 4040
- zweite Flutsecond tide
- 4242
- zweiter Strömungsquerschnittsecond flow cross section
- 5050
- Wälzlagerroller bearing
- 9090
- Turbinenradturbine
- 9292
- λ-Flutλ Flood
- 9494
- AGR-FlutEGR flood
- 9696
- Einströmrichtung (zur Turbine)Inflow direction (to the turbine)
- 9898
- Leitung zur AbgasrückführungLine for exhaust gas recirculation
- 100100
- Leitung zu jeweiligen ZylindernLine to respective cylinders
- c1,tip c 1, tip
- Schaufelspitzen-ZuströmgeschwindigkeitBlade tip inflow velocity
- c1,root c 1, root
- Schaufelfuß-ZuströmgeschwindigkeitA root inflow velocity
- rtip r tip
- SchaufelspitzenradiusBlade tip radius
- rroot r root
- SchaufelfußradiusSchaufelfußradius
- utip u tip
- Schaufelspitzen-UmfangsgeschwindigkeitBlade tip peripheral speed
- uroot u root
- Schaufelfuß-UmfangsgeschwindigkeitBlade tip speed
- w1,tip w 1, tip
- Schaufelspitzen-RelativgeschwindigkeitskomponenteBlade tip relative velocity component
- w1,root w 1, root
- Schaufelfuß-RelativgeschwindigkeitskomponenteA root relative velocity component
- hH
- Höheheight
- αα
- Winkelangle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 10048237 A1 [0004]DE 10048237 A1 [0004]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |