DE102018210969A1

DE102018210969A1 - Leitschaufel für eine Turbinenanordnung und Turbinenanordnung

Info

Publication number: DE102018210969A1
Application number: DE102018210969.9A
Authority: DE
Inventors: Ivo Sandor; Sebastian Wittwer; Ralf Böning
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2020-01-09

Abstract

Es wird eine Leitschaufel für eine Turbinenanordnung beschrieben. Deren Profil hat eine obere gekrümmte Strömungsfläche und eine untere gekrümmte Strömungsfläche, die sich von einem Vorderende bis zu einem Hinterende erstrecken. Das Leitschaufelprofil erfüllt bestimmte geometrische Bedingungen, wodurch erreicht wird, dass die Leitschaufel im Einsatz bei einer variablen Turbinengeometrie mit drehbar gelagerten Leitschaufeln in jedem Betriebspunkt ein öffnendes Leitschaufeldrehmoment um die Leitschaufeldrehachse besitzt. Ferner wird eine, eine derartige Leitschaufel enthaltende, Turbinenanordnung beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Turbinenanordnung, deren Profil die folgenden Merkmale umfasst:

eine obere gekrümmte Strömungsfläche und eine untere gekrümmte Strömungsfläche, die sich von einem Vorderende bis zu einem Hinterende erstrecken;
eine das Vorderende mit dem Hinterende verbindende Längsachse; und
eine Drehachse zur drehbaren Lagerung der Leitschaufel.

Solche Leitschaufeln sind Teil einer variablen Turbinen-Geometrie und sind stromauf eines Turbinenrades angeordnet, um den auf das Turbinenrad gerichteten Luftstrom entsprechend einstellen bzw. umlenken zu können. Derartige verstellbare Leitschauf ein finden beispielsweise bei Turbinen von Turboladern Verwendung und dienen zur Umlenkung des Abgasstromes auf das Turbinenrad.
Beispielsweise ist eine Leitschaufel für eine Turbinenanordnung eines Turboladers aus der EP 2 402 558 B1 bekannt.
Es ist ferner bei variablen Turbinen-Geometrien mit drehbar gelagerten Leitschaufeln bekannt, die Leitschaufeln so zu gestalten, dass das Leitschaufel-Drehmoment um die Leitschaufel-Drehachse in jedem Betriebspunkt öffnend ist. Das Leitschaufel-Drehmoment wird durch die Aerodynamik der Kraftwirkung bei der Leitschaufelumströmung bestimmt. Diese Maßnahme dient zur Vermeidung von Hysterese und bewirkt so eine besonders genaue Regelbarkeit sowie eine verbesserte Ausfallsicherheit. Hierfür werden die Leitschaufeln in ihrer geometrischen Form nach verschiedenen Ansätzen gestaltet. Im Stand der Technik sind diese Ansätze häufig der Verlauf der Skelettlinie sowie die Abstände von Schaufelvorderende bzw. Schaufelvorderkante und Schaufelhinterende bzw. Schaufelhinterkante zur Schaufeldrehachse.
Im Stand der Technik finden sich häufig schlanke Leitschaufeln bzw. Leitschaufeln mit geringer Dickenvariation entlang der Skelettlinie. Dadurch ist das öffnende Leitschaufeldrehmoment wesentlich durch die Abstände von Schaufelvorderkante und Schaufelhinterkante zur Schaufeldrehachse bestimmt. Dabei ist das Leitschaufeldrehmoment stärker öffnend, je kleiner L1/L2 ist (L1 = Abstand Drehachse-Vorderende, L2 = Abstand Drehachse-Hinterende). Für einen gegebenen Schwenkbereich der Leitschaufeln resultiert eine Verkleinerung von L1/L2 in einem größeren Teilkreisdurchmesser, auf welchem die Leitschaufeln angeordnet sind. Dadurch vergrößert sich der notwendige Bauraum des Leitapparates.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufel der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass sich ein besonders gutes Regelverhalten bei günstigem Verschleißverhalten ergibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Leitschaufel der angegebenen Art dadurch gelöst, dass das Leitschaufelprofil die folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt: $A 1 = A 1 D + A1S$
$A2 = A2D + A2S$
$(A 1 / A2) \times {(L2 / L2)}^{2} > 1,8$
mit $A 1 D / A1S > 1$
wobei bedeuten:

A1D: vordere Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen oberer Strömungsfläche und Längsachse bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse;
A2D: hintere Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen oberer Strömungsfläche und Längsachse bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse;
A1S: vordere Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen unterer Strömungsfläche und Längsachse bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse;
A2S: hintere Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen unterer Strömungsfläche und Längsachse bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse;
L1: Entfernung Drehachse bis Vorderende;
L2: Entfernung Drehachse bis Hinterende;

L1

L2

L

Die entsprechenden Abstände L1 und L2 entsprechen hierbei den Hebelarmen des Vorderendes bzw. der Vorderkante und des Hinterendes bzw. der Hinterkante um die jeweilige Drehachse.
Wenn die vorstehend wiedergegebenen geometrischen Bedingungen eingehalten werden, ist das Leitschaufel-Drehmoment um die Leitschaufeldrehachse stets öffnend orientiert. Damit werden die vorstehend erwähnten Vorteile erzielt, nämlich eine begünstigte Regelung sowie ein verbessertes Verschleißverhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Turbinenanordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine drehbar gelagerte Leitschaufel der vorstehend beschriebenen Art aufweist. Diese Turbinenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die drehbar gelagerte Leitschaufel in jedem Betriebspunkt ein öffnendes Leitschaufeldrehmoment um die Drehachse der Leitschaufel aufweist.
Speziell besitzt die Turbinenanordnung eine Vielzahl von derartigen verstellbaren Leitschaufeln, die drehbar zwischen Lagerringen angeordnet sind.
Insbesondere bildet eine derartige Turbinenanordnung einen Teil eines Turboladers einer Brennkraftmaschine, wobei bei einer derartigen variablen Turbinengeometrie verstellbare Leitschaufeln vorzugsweise zwischen zwei Lagerringen angeordnet sind, um eine entsprechende Führung bzw. Umlenkung des Abgasstromes auf das Turbinenrad zu ermöglichen. Der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers sind bekannt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine aufgebrochene Darstellung eines Turboladers;
2 eine ähnliche Ansicht des Turboladers der 1;
3 eine schematische Darstellung der Leitschaufel-Anordnung des Turbinenteils des Turboladers der 1 und 2; und
4 drei Darstellungen einer Leitschaufel der Leitschaufel-Anordnung der 3, wobei 4a eine geometrische Darstellung der Leitschaufel ist, 4b die Leitschaufel mit dem öffnenden Leitschaufel-Drehmoment zeigt und 4c eine Aufteilung der Leitschaufel in einzelne Flächenabschnitte zeigt.

Der in den 1 und 2 dargestellte Turbolader einer Brennkraftmaschine besitzt einen Turbinenteil 1 und einen Verdichterteil 4, die über eine Lagereinheit 3 miteinander verbunden sind. Das Turbinenteil hat ein Turbinenrad, das über die Abgase der Brennkraftmaschine in Rotation versetzt wird und dadurch über eine Welle ein Verdichterrad des Verdichterteiles 4 antreibt, welches Ansaugluft der Brennkraftmaschine komprimiert.
Um den auf das Turbinenrad gerichteten Abgasstrom zu führen, besitzt das Turbinenteil 1 eine variable Turbinengeometrie 2, die eine Vielzahl von Leitschaufeln umfasst, welche verstellbar sind und zwischen zwei Lagerringen zur entsprechenden Umlenkung des Abgasstromes auf das Turbinenrad angeordnet sind.
3 zeigt die VTG-Leitschaufelanordnung 2 in der Vorderansicht. Dargestellt ist ein Leitschaufel-Lagerring 6, an dem die einzelnen um den Umfang des Lagerringes 6 angeordneten Leitschaufeln 5 über Drehachsen 7 drehbar gelagert sind. Bei einer oben dargestellten Leitschaufel ist der jeweilige Drehvorgang der Leitschaufel in beiden Richtungen durch Pfeile angedeutet.
Die spezielle Form der Leitschaufeln 5 ist in 4 dargestellt. Die Leitschaufeln 5 sind hierbei so ausgebildet, dass das Leitschaufel-Drehmoment Mz (in 4b angedeutet) um die Leitschaufel-Drehachse 7 in jedem Betriebspunkt öffnend ist, d. h. in 4b im Uhrzeigersinn wirkt. Dieses Leitschaufel-Drehmoment resultiert aus der aerodynamischen Druckverteilung bei der Leitschaufelumströmung.
4 zeigt die Leitschaufel im Profil bzw. in der Seitenansicht. Sie besitzt eine obere gekrümmte Strömungsfläche 5 sowie eine untere gekrümmte Strömungsfläche 10. Eine das Vorderende (die Vorderkante) 12 und das Hinterende (die Hinterkante) 13 verbindende Längsachse 9 ist in den 4b und 4c dargestellt, ferner ist in diesen Figuren eine sich durch die Drehachse 7 erstreckende Senkrechte auf der Längsachse 9 gezeigt.
Die Längsachse 9 besitzt eine Länge L, die durch die sich durch die Drehachse 7 erstreckende Senkrechte in zwei Abschnitte L1 und L2 unterteilt wird. Wie 4c zeigt, weist das Profil der Leitschaufel 5 vier Flächenbereiche auf, nämlich A1D, A2D, A1S und A2S. Hierbei entspricht A1D der vorderen Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen oberer Strömungsfläche 8 und Längsachse 9 bis zur Senkrechten auf die Längsachse durch die Drehachse 7, A2D der hinteren Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen oberer Strömungsfläche 8 und Längsachse 9 bis zur Senkrechten auf die Längsachse durch die Drehachse 7, A1S der vorderen Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen unterer Strömungsfläche 10 und Längsachse 9 bis zur Senkrechten auf die Längsachse durch die Drehachse 7 und A2S der hinteren Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen unterer Strömungsfläche 10 und Längsachse 9 bis zur Senkrechten auf die Längsachse durch die Drehachse 7.
L1 entspricht dem Abstand zwischen der Drehachse 7 und dem Vorderende 12, während S2 dem Abstand zwischen der Drehachse 7 und dem Hinterende 13 entspricht. Es gilt die Beziehung L1 + L2 = L (Länge der Längsachse 9).
Die hier dargestellte Leitschaufel ist so ausgebildet, dass die folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt sind: $A 1 = A 1 D + A1S$
$A2 = A2D + A2S$
$(A 1 / A2) \times {(L2 / L2)}^{2} > 1,8$
mit $A 1 D / A1S > 1.$
Die Bedeutung der einzelnen Parameter ist im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2402558 B1 [0003]

Claims

Leitschaufel für eine Turbinenanordnung, deren Profil die folgenden Merkmale umfasst: eine obere gekrümmte Strömungsfläche und eine untere gekrümmte Strömungsfläche, die sich von einem Vorderende bis zu einem Hinterende erstrecken; eine das Vorderende mit dem Hinterende verbindende Längsachse; und eine Drehachse zur drehbaren Lagerung der Leitschaufel; dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelprofil die folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt: $A 1 = A 1 D + A1S$
$A2 = A2D + A2S$
$(A 1 / A2) \times {(L2 / L2)}^{2} > 1,8$
mit $A 1 D / A1S > 1$
wobei bedeuten: A1D vordere Querschnittsfläche des Leitkörperprofils zwischen oberer Strömungsfläche (8) und Längsachse (9) bis zur bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse (7); A2D hintere Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen oberer Strömungsfläche (8) und Längsachse (9) bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse (7); A1S vordere Querschnittsfläche des Leitschaufelprofils zwischen unterer Strömungsfläche (10) und Längsachse (9) bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse (7); A2S hintere Querschnittsfläche des Leitkörperprofils zwischen unterer Strömungsfläche (10) und Längsachse (9) bis zur Senkrechten zur Längsachse durch die Drehachse (7); L1 Entfernung Drehachse (7) bis Vorderende (12); S2 Entfernung Drehachse (7) bis Hinterende (13); wobei L1 + L2 = L (Längsachse) sind.
Turbinenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine drehbar gelagerte Leitschaufel (5) nach Anspruch 1 aufweist.
Turbinenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbar gelagerte Leitschaufel (5) in jedem Betriebspunkt ein öffnendes Leitschaufeldrehmoment um die Drehachse (7) der Leitschaufel (5) aufweist.
Turbinenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von verstellbaren Leitschaufeln (5) aufweist, die drehbar zwischen Lagerringen angeordnet sind.
Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines Turboladers einer Brennkraftmaschine ist.