DE102018211673A1

DE102018211673A1 - Leitschaufel und mit einer solchen versehene Turbinenanordnung

Info

Publication number: DE102018211673A1
Application number: DE102018211673.3A
Authority: DE
Inventors: Ivo Sandor; Sebastian Wittwer; Ralf Böning
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN112368467A; WO2020011837A1; US11346236B2; US20210131297A1; CN112368467B

Abstract

Es werden eine Leitschaufel für eine variable Turbinengeometrie und eine mit einer solchen versehene Turbinenanordnung beschrieben. Die Leitschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Außenseite aufweist, die zumindest teilweise in sich konkav ausgebildet ist. Die der Außenseite gegenüberliegende Innenseite kann ebenfalls zumindest teilweise in sich konkav ausgebildet sein. Hierdurch weist die Leitschaufel bei Anordnung in einem Leitschaufelkranz einer Turbine eine besonders gute Funktionsfähigkeit auf, da eine Überströmung des Spaltes zwischen der Leitschaufel und benachbarten Wänden reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine variable Turbinengeometrie mit drehbar gelagerten Leitschaufeln, die eine Außenseite, eine Innenseite, eine lagergehäuseseitige Stirnfläche, eine turbinengehäuseseitige Stirnfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, wobei die Leitschaufel entlang einer Längsachse einen sich verändernden Querschnitt besitzt.
Derartige Leitschaufeln finden bei Turbinen mit veränderlicher Geometrie Verwendung, die ein Turbinenlaufrad aufweisen, das Laufschaufeln hat und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Um das Turbinenlaufrad ist eine ringförmige Anordnung von Leitschaufeln vorgesehen, die sich über einen Einlassdurchgang erstrecken. Diese Leitschaufeln sind drehbar gelagert, so dass sich durch Verdrehen der Leitschaufeln der Strömungswinkel am Radeintritt einstellen lässt.
Die vorstehend beschriebenen Leitschaufeln weisen eine Außenseite, eine Innenseite und zwei Stirnflächen auf, welch letztere zwischen benachbarten Wänden angeordnet sind, bei denen es sich um eine dem Lagergehäuse zugewandte Wand und um eine dem Turbinengehäuse zugewandte Wand handelt. Bei variablen Turbinengeometrien mit drehbar gelagerten Leitschaufeln existiert ein konstruktiver Spalt zwischen den Leitschaufeln und den benachbarten Wänden. Die Überströmung dieses Spaltes ist stark verlustbehaftet und reduziert den Turbinenwirkungsgrad vor allem bei geschlossenen Leitschaufelstellungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufel der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine besonders gute Funktionsfähigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Leitschaufel der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Außenseite zumindest teilweise in sich konkav ausgebildet ist, wobei die Beziehung γ₁ + γ₂ > 0° gilt, wobei bedeuten

γ₁: eingeschlossener Winkel zwischen der Außenseite am Übergang zur lagergehäuseseitigen Stirnfläche und einer geraden Verbindung bei s = konst zwischen Übergang lagergehäuseseitiger Stirnfläche und Außenseite und Übergang turbinengehäuseseitiger Stirnfläche und Außenseite;
γ₂: eingeschlossener Winkel zwischen der Außenseite am Übergang zur turbinengehäuseseitigen Stirnfläche und einer geraden Verbindung bei s = konst zwischen Übergang lagergehäuseseitiger Stirnfläche und Außenseite und Übergang turbinengehäuseseitiger Stirnfläche und Außenseite;
s: Messpunkt für γ₁ und γ₂ an der gleichen relativen Position auf den jeweiligen Profilsehnen s₁ und s₂ der lagergehäuseseitigen und turbinengehäuseseitigen Stirnfläche bei einer Profilsehnenlänge mit der dimensionslosen Einheitslänge von 1.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Außenseite der Leitschaufel zumindest teilweise in sich konkav ausgebildet. Dies ist gegeben, wenn die Summe der Winkel γ₁ + γ₂ > 0° ist. Mit einer derartigen Ausbildung der Leitschaufel lässt sich die Überströmung des Spaltes zwischen der jeweiligen Leitschaufel und benachbarten Wänden (des Turbinengehäuses und Lagergehäuses) reduzieren.
Im geschlossenen Zustand des Leitschaufelringes wird daher die Überströmung des Spaltes von der Außenseite zur Innenseite reduziert.
Ferner ist bei derartigen variablen Turbinengeometrien mit drehbar gelagerten Leitschaufeln der Betriebsbereich (Durchsatzspreizung) vom möglichen Leitschaufelwinkel-Verstellbereich abhängig. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Leitschaufel lässt sich der Betriebsbereich bei gleichbleibendem Leitschaufelwinkel-Verstellbereich erhöhen.
Vorzugsweise sind Außenseite und Innenseite in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Durch die konkave Innenseite wird jedenfalls eine Überströmung des Spaltes von der Innen- zur Außenseite im geöffneten Zustand reduziert, ferner eine Querschnittsvergrößerung bei maximalem Schaufelöffnungswinkel und somit eine Vergrößerung der Durchsatzspreizung erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung sind γ₁ und γ₂ unterschiedlich groß. Hierdurch ergeben sich unterschiedlich stark ausgeprägte Wölbungen der Außenseite im Bereich der lagergehäuseseitigen und turbinengehäuseseitigen Stirnfläche.
Die Erfindung sieht generell bevorzugt eine dreidimensionale Krümmung der Außenseite vor.
Ferner sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass die Länge und/oder Ausrichtung der Profilsehnen der lagergehäuseseitigen und turbinengehäuseseitigen Stirnfläche unterschiedlich sind.
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenseite der Leitschaufel mindestens teilweise in sich konkav ausgebildet ist, wobei die Beziehung γ₁ + γ₂ > 0° gilt. Bei dieser Ausführungsform ist daher die Innenseite analog zur Außenseite ausgebildet, wobei γ₁ , γ₂ s, s₁ und s₂ die gleiche Bedeutung wie vorstehend erläutert, nur auf die Innenseite bezogen, besitzen, aber andere Werte haben können.
Eine besonders bevorzugte Lösung ergibt sich, wenn der maximale Summenwinkel γ₁ + γ₂ im Bereich 30° < γ₁ + γ₂ < 135° liegt, wobei dies sowohl für die Außenseite als auch für die Innenseite gelten kann.
Vorder- und Hinterkante verlaufen bevorzugt geradlinig, so dass bei geschlossener Winkelposition der resultierende Spalt zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln geschlossen werden kann. Dabei müssen die Vorder- und Hinterkante nicht zwingend parallel zueinander angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Turbinenanordnung mit einer variablen Turbinengeometrie mit einer Vielzahl von ringförmig um ein Turbinenlaufrad zwischen einem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse angeordneten Leitschaufeln. Erfindungsgemäß sind die Leitschaufeln in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Eine derartige Turbinenanordnung ist insbesondere Teil eines Abgasturboladers.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Turbinenlaufrads mit einem Leitschaufelkranz;
2 eine schematische räumliche Darstellung einer Leitschaufel des Leitschaufelkranzes der 1;
3 eine Ansicht der Leitschaufel der 2 mit konkav ausgebildeter Außenseite; und
4 eine Ansicht entsprechend 3 mit Darstellung von entsprechenden Messpunkten.

1 zeigt schematisch ein mit Laufschaufeln 2 versehenes Turbinenrad 1 einer Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine. Das Turbinenlaufrad 1 ist von einem Kranz 3 von Leitschaufeln 4 umgeben, die zum Öffnen und Schließen eines Zuströmkanales drehbar gelagert sind, wie bei 5 gezeigt. Die einzelnen Leitschaufeln 4 befinden sich hierbei in einem Ringkanal oder ringförmigen Zuströmkanal zwischen einem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse.
2 zeigt eine der Leitschaufeln 4 des Leitschaufelkranzes 3 der 1 in räumlicher Ansicht. Die Leitschaufel 4 hat eine Außenseite 6, eine Innenseite 7, eine lagergehäuseseitige Stirnfläche 8, eine turbinengehäuseseitige Stirnfläche 9, eine Vorderkante 10 und eine Hinterkante 11.
Die Außenseite 6 und die Innenseite 7 sind jeweils in sich konkav geformt, wobei die Beziehung γ₁ + γ₂ > 0° gilt. Bei γ₁ handelt es sich hierbei um den eingeschlossenen Winkel zwischen der Außenseite 6 oder Innenseite 7 am Übergang zur lagergehäuseseitigen Stirnfläche 8 und einer geraden Verbindung 15 bei s = konst zwischen Übergang lagergehäuseseitiger Stirnfläche 8 und Außenseite 6 oder Innenseite 7 und Übergang turbinengehäuseseitiger Stirnfläche 9 und Außenseite 6 oder Innenseite 7. γ₂ ist der eingeschlossene Winkel zwischen der Außenseite oder Innenseite am Übergang zur turbinengehäuseseitigen Stirnfläche und einer geraden Verbindung bei s = konst zwischen Übergang lagergehäuseseitiger Stirnfläche und Außenseite oder Innenseite und Übergang turbinengehäuseseitiger Stirnfläche und Außenseite oder Innenseite. γ₁ und γ₂ sind hierbei ungleich groß, so dass sich im Bereich der lagergehäuseseitigen Stirnfläche und der turbinengehäuseseitigen Stirnfläche der Außenseite 6 und Innenseite 7 unterschiedlich große Wölbungen ergeben.
In den 3 und 4 ist die Länge der beiden Profilsehnen S₁ und S₂ bzw. 12 und 13 dimensionslos mit der Einheitslänge 1 angesetzt, so dass sich die in 4 dargestellten Messpunkte 0,1, 0,2, 0,7 und 0,9 ergeben. Bei der hier dargestellten Ausführungsform befindet sich der Messpunkt für die Winkel γ₁ und γ₂ zwischen einem Wert von s = 0,2 und s = 0,7.
Die Summe der Winkel γ₁ (an der lagergehäuseseitigen Stirnfläche 8) und γ₂ (an der turbinengehäuseseitigen Stirnfläche 9) wird an der gleichen relativen Position s entlang der Profilsehne s1 bzw. s2 gebildet. Die Länge und Ausrichtung dieser Profilsehnen können unterschiedlich sein.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Summenwinkel für die Außenseite 6 in einem Bereich von 0,2 < s 0,7 einem Wert von γ₁ + γ₂ > 10°. Der maximale Summenwinkel sollte hierbei in einem Bereich von 30° < γ₁ + γ₂ < 135° liegen.
Die Definition der Winkel γ₁ und γ₂ gilt analog für die Innenseite 7 der Leitschaufel 4. Die Innenseite ist ebenfalls konkav, wenn die Summe der Winkel γ₁ + γ₂ > 0° ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Summenwinkel für die Innenseite in einem Bereich von 0,5 < s < 0,9 einem Wert von γ₁ + γ₂ > 10°.
Vorderkante 10 und Hinterkante 11 verlaufen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel geradlinig. Vorder- und Hinterkante müssen jedoch nicht zwingend parallel zueinander angeordnet sein.

Claims

Leitschaufel für eine variable Turbinengeometrie mit drehbar gelagerten Leitschaufeln, die eine Außenseite, eine Innenseite, eine lagergehäuseseitige Stirnfläche, eine turbinengehäuseseitige Stirnfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, wobei die Leitschaufel entlang einer Längsachse einen sich verändernden Querschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (6) zumindest teilweise in sich konkav ausgebildet ist, wobei die Beziehung γ₁ + γ₂ > 0° gilt, wobei bedeuten γ₁ eingeschlossener Winkel zwischen der Außenseite (6) am Übergang zur lagergehäuseseitigen Stirnfläche (8) und einer geraden Verbindung (5) bei s = konst zwischen Übergang lagergehäuseseitiger Stirnfläche (8) und Außenseite (6) und Übergang turbinengehäuseseitiger Stirnfläche (9) und Außenseite (6); γ₂ eingeschlossener Winkel zwischen der Außenseite (7) am Übergang zur turbinengehäuseseitigen Stirnfläche (9) und einer geraden Verbindung bei s = konst zwischen Übergang lagergehäuseseitiger Stirnfläche (8) und Außenseite (6) und Übergang turbinengehäuseseitiger Stirnfläche (9) und Außenseite (6); s Messpunkt für γ₁ und γ₂ an der gleichen relativen Position auf den jeweiligen Profilsehnen s₁ und s₂ (12, 13) der lagergehäuseseitigen und turbinengehäuseseitigen Stirnfläche (8,9) bei einer Profilsehnenlänge mit einer dimensionslosen Einheitslänge von 1.
Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass γ₁ und γ₂ unterschiedlich groß sind.
Leitschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (6) dreidimensional gekrümmt ist.
Leitschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und/oder Ausrichtung der Profilsehnen (12,13) der lagergehäuseseitigen und turbinengehäuseseitigen Stirnfläche (8,9) unterschiedlich sind.
Leitschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (7) der Leitschaufel (4) mindestens teilweise in sich konkav ausgebildet ist, wobei die Beziehung γ₁ + γ₂ > 0° gilt.
Leitschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (7) dreidimensional gekrümmt ist.
Leitschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (10) und Hinterkante (11) nicht parallel zueinander verlaufen.
Leitschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Summenwinkel γ₁ + γ₂ im Bereich 30° < γ₁ + γ₂ < 135° liegt.
Leitschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vorder- und Hinterkante (10, 11) geradlinig verlaufen.
Turbinenanordnung mit einer variablen Turbinengeometrie mit einer Vielzahl von ringförmig um ein Turbinenlaufrad zwischen einem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse angeordneten Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet sind.
Turbinenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines Abgasturboladers ist.