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Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine mit einer Abgasleiteinrichtung für einen Abgasturbolader, insbesondere zum Einsatz mit einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors. Entsprechende Abgasleiteinrichtungen werden häufig als sogenannte „Variable Turbinengeometrie“ bezeichnet. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader mit einer solchen Abgasleiteinrichtung.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel die Brennkraftmaschine bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, zum Beispiel Benzin, Diesel, Gas, etc., pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Radialverdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Läuferwelle befestigt und bilden so den sogenannten Turboläufer, der mit seiner Läuferwelle in einer zwischen Abgasturbine und Radialverdichter angeordneten Läuferlagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenlaufrad und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Abgasturbinen und Radialverdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist.
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Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, als auch zur Vermeidung von kritischen Betriebszuständen, wie zum Beispiel ein Überdrehen oder das Verdichterpumpen, werden Abgasturbolader beispielsweise mit über Ventilklappen offenbaren Bypass-Kanälen ausgestattet. Im Abgasturbinenbereich ist dies als Wastegate-Einrichtung und im Radialverdichterbereich als Schubumluft-Einrichtung bekannt.
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Bei Abgasturbinen mit höheren Anforderungen an die Anpassbarkeit an unterschiedliche Leistungsbereiche wird statt eine Wastegate-Einrichtung auch immer häufiger eine, im Vergleich aufwändigere Abgasleiteinrichtung mit verstellbaren Leitschaufeln im strömungsführenden Ringkanal zwischen dem um das Turbinenlaufrad angeordneten Abgas-Spiralkanal und dem Turbinenlaufrad vorgesehen. Eine solche Abgasleiteinrichtung wird auch als Variable Turbinengeometrie (VTG) bezeichnet.
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Der übliche Aufbau einer solchen VTG-Abgasturbine besteht im Wesentlichen aus einem Turbinengehäuse, in dem ein Turbinenlaufrad, um eine Turbinenachse drehbar, in einem Laufradraum angeordnet ist, wobei ein Abgas-Spiralkanal den Laufradraum in radialem Abstand umgreift. Die Abgasleiteinrichtung ist in einem Übergangsbereich radial zwischen einer Turbinenrad-Eintrittsöffnung des Laufradraums und dem Abgas-Spiralkanal, zur Überleitung eines Abgasmassenstromes aus dem Abgas-Spiralkanal auf das Turbinenlaufrad, angeordnet. Die Abgasleiteinrichtung weist einen um das Turbinenlaufrad konzentrisch umlaufenden, den Abgas-Spiralkanal und den Laufradraum in radialer Richtung verbindenden Ringkanal auf. Der Ringkanal ist gebildet durch eine Ringkanal-Hinterwand auf der dem Lagergehäuse zugewandten Seite des Turbinengehäuses und einer Ringkanal-Vorderwand auf der Abgas-Austrittsseite des Turbinengehäuses, wobei durch den Abstand zwischen Ringkanal-Hinterwand und Ringkanal-Vorderwand eine Ringkanalbreite definiert ist, die den vom Abgas-Massenstrom durchströmbaren Ringkanal-Querschnitt vorgibt und so den maximal möglichen Massedurchsatz begrenzt.
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Im Ringkanal ist zur Steuerung der Betriebscharakterisitik der Abgasturbine, eine Mehrzahl von Abgasleitschaufeln, angeordnet, die jeweils eine Schaufeleintrittskante, eine Schaufelaustrittskante und eine Schaufeldrehachse aufweisen, wobei die Abgasleitschaufeln so im Ringkanal angeordnet sind, dass sich die Schaufeleintrittskante, die Schaufelaustrittskante und die Schaufeldrehachse, in Bezug auf die Turbinenachse zumindest überwiegend axial, zwischen der Ringkanal-Hinterwand und der Ringkanal-Vorderwand erstrecken. Die Abgasleitschaufeln sind dabei um ihre jeweiligen Schaufeldrehachsen, von einer Geschlossen-Stellung, über einen radialen Schwenkbereich hinweg, bis in eine Geöffnet-Stellung, drehbar gelagert. Zum Beispiel auf der Lagergehäuseseite des Ringkanals ist eine Stellmechanik angeordnet die zur Betätigung der Abgasleitschaufeln vorgesehen ist. Mit Hilfe dieser Stellmechanik wird die Drehlage der Abgasleitschaufeln nach Bedarf verändert und so der Reaktionsgrad, das Schluckvermögen und das Druckverhältnis der Abgasturbine beeinflusst.
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Bei Auslegungen von VTG-Abgasturbinen sind die Ringkanalbreite sowie Leitschaufelbreite der Abgasleiteinrichtung entsprechend den Durchsatzanforderungen zu dimensionieren. Ist die technisch umsetzbare Ringkanalbreite jedoch begrenzt, so ist der durch eine Auslegung erzielbare Durchsatz einer VTG-Abgasturbine ebenfalls limitiert.
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Aktuelle Trends im Zusammenspiel von Abgasturbolader und Brennkraftmaschine erfordern insbesondere bei Otto-Verbrennungsmotoren Abgas-Turbinen mit Variabilität im Durchsatzverhalten, wobei der maximal mögliche Turbinendurchsatz bezogen auf die Turbinenradgröße im Vergleich zu Abgas-Turbinen für Diesel-Verbrennungsmotoren deutlich gesteigert werden soll.
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Der vom Abgas-Massenstrom durchströmbare Ringkanal-Querschnitt, der in Richtung auf die Turbinenachse zu mit dem Umfang abnimmt, wird deshalb auch als Düse bezeichnet und ist, wie oben erläutert, von entscheidender Bedeutung für den Gesamtdurchsatz. Die Ringkanalbreite wird bei variabler Turbinengeometrie mit drehbar gelagerten Leitschaufeln maßgeblich durch die Breite der Leitschaufeln bestimmt, die, insbesondere bei einseitig gelagerten Leitschaufeln, konstruktiv limitiert ist. Dadurch ist auch der maximal mögliche Turbinendurchsatz limitiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturbine mit einer variablen Abgasleiteinrichtung zur Steuerung eines Abgasmassenstroms in der Abgasturbine eines Abgasturboladers und einen Abgasturbolader anzugeben, bei denen der maximale Massendurchsatz trotz begrenzter Ringkanalbreite der Abgasleiteinrichtung erhöht ist.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Abgasturbine eines Abgasturboladers mit einer Abgasleiteinrichtung zur Steuerung eines Abgasmassenstroms in der Abgasturbine sowie mit einem Abgasturbolader mit einer solchen Abgasturbine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Abgasturbine eines Abgasturboladers mit einem Turbinengehäuse, das eine Lagergehäuseseite und eine Abgas-Austrittsseite aufweist vorgestellt, wobei in dem Turbinengehäuse ein Turbinenlaufrad, um eine Turbinenachse drehbar, in einem Laufradraum und ein Abgas-Spiralkanal, der den Laufradraum in radialem Abstand umgreift, angeordnet ist. In einem Übergangsbereich, radial zwischen einer Turbinenrad-Eintrittsöffnung des Laufradraums und dem Abgas-Spiralkanal ist eine Abgasleiteinrichtung, zur Überleitung eines Abgasmassenstromes aus dem Abgas-Spiralkanal auf das Turbinenlaufrad, angeordnet.
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Dabei weist die Abgasleiteinrichtung einen um das Turbinenlaufrad (12) konzentrisch umlaufenden, den Abgas-Spiralkanal (22) und den Laufradraum (25) verbindenden Ringkanal und eine Mehrzahl von im Ringkanal angeordneten Abgasleitschaufeln auf. Der Ringkanal ist gebildet durch eine Ringkanal-Hinterwand auf der Lagergehäuseseite des Turbinengehäuses und einer Ringkanal-Vorderwand auf der Abgas-Austrittsseite des Turbinengehäuses, wobei durch den Abstand zwischen Ringkanal-Hinterwand und Ringkanal-Vorderwand eine Ringkanalbreite definiert ist.
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Die Abgasleitschaufeln weisen jeweils eine Schaufeleintrittskante, eine Schaufelaustrittskante und eine Schaufeldrehachse auf, die sich, in Bezug auf die Turbinenachse zumindest überwiegend axial, zwischen der Ringkanal-Hinterwand und der Ringkanal-Vorderwand erstrecken. Dabei sind die Abgasleitschaufeln, um ihre jeweiligen Schaufeldrehachsen, von einer Geschlossen-Stellung, in der sich die Schaufelaustrittskannten in einer radial äußeren Position befinden, über einen radialen Schwenkbereich hinweg, bis in eine Geöffnet-Stellung, in der sich die Schaufelaustrittskanten in einer radial inneren Position, in minimalem Abstand zum Turbinenlaufrad, befinden, drehbar gelagert.
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Die erfindungsgemäße Abgasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkanalbreite, zumindest in einem nach radial innen an den radialen Schwenkbereich der Schaufelaustrittskanten anschließenden radialen Bereich, in radialer Richtung auf die Turbinenachse zu, bis zur Turbinenrad-Eintrittsöffnung des Laufradraums, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand zunimmt.
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Mit anderen Worten, weist die Ringkanal-Vorderwand im radial inneren Bereich unmittelbar vor der Turbinenrad-Eintrittsöffnung einen Erweiterungsbereich auf, in dem die Ringkanalbreite auf der Abgas-Austrittsseite des Turbinengehäuses in Richtung auf das Turbinenlaufrad zu, zunimmt. Dabei ist die Turbinenrad-Eintrittsöffnung der in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Laufradschaufel-Eintrittskanten des Turbinenlaufrads liegende Bereich des Ringkanals.
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Dies bewirkt, dass der vom Abgas-Massenstrom durchströmbaren Ringkanal-Querschnitt, nach radial innen hin, weniger stark bzw. nicht weiter abnimmt, wodurch der maximale Durchsatz gegenüber einer Abgasturbine mit konstanter Ringkanalbreite bis zur Turbinen-Eintrittsöffnung, gesteigert ist. Somit stellt die vorliegende Erfindungsmeldung eine Lösung vor, bei der der Massendurchsatz der Abgasturbine bei konstanter Leitschaufelbreite gesteigert ist.
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Weitere Ausführungen der erfindungsgemäßen Abgasturbine sind dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkanalbreite, zumindest ab einem Bereich der radial inneren 5% bis 15% oder zumindest ab einem Bereich der radial inneren 15% bis 33% oder zumindest ab einem Bereich des radial inneren Drittels bis zumindest einem Bereich der radial inneren Hälfte, des radialen Schwenkbereichs der Schaufelaustrittskanten, zunimmt. Dies bedeutet, dass die Schaufelaustrittskanten der Abgasleitschaufeln ab einer bestimmten Öffnungsstellung in den Erweiterungsbereich der Ringkanal-Vorderwand hineinragen. Dies bewirkt eine Vergrößerung des Leckagespaltes zwischen der Seitenfläche der Abgasleitschaufel und der Ringkanal-Vorderwand im Erweiterungsbereich, was einen schädlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Abgasturbine erwarten lässt. Im vorliegenden Fall tritt die Vergrößerung des Leckagespaltes, je nachdem an welcher radialen Position des Schwenkbereichs die Zunahme der Ringkanalbreite einsetzt, erst bei entsprechend geöffneter Stellung der Abgasleitschaufeln auf, bei denen die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite der Abgasleitschaufeln ohnedies auf ein geringes Niveau abgefallen ist und der schädliche Leckagespalt nur marginalen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. So kann der maximal mögliche Massendurchsatz der Abgasturbine auf ein weiter angehobenes Niveau gebracht werden, ohne bedeutende Nachteile in Bezug auf den Wirkungsgrad zu verursachen.
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Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkanalbreite bis hin zur Turbinenrad-Eintrittsöffnung des Laufradraums auf einen Wert zunimmt, der zwischen dem 1,05-fachen oder dem 1,2-fachen bis einschließlich dem 1,5-fachen Wert der ursprünglichen Ringkanalbreite liegt. Dabei kann die ursprüngliche Ringkanalbreite als die kleinste Ringkanalbreite angenommen werden, die radial im Bereich oder außerhalb der Schaufeldrehachsen, im radialen Schwenkbereich der Schaufeleintrittskanten der Abgasleitschaufeln, vorherrscht bzw. die durch die axiale Breite der Abgasleitschaufeln vorgegeben ist. Die Dimensionierung der Zunahme der Ringkanalbreite innerhalb des genannten Bereichs, der prinzipiell alle Zwischenwerte zwischen, jeweils einschließlich, dem 1,05-fachen und dem 1,5 fachen der ursprünglichen Ringkanalbreite umfasst, ermöglicht eine zielgerichtete Abstimmung des maximal möglichen Massendurchsatzes auf den jeweiligen Anwendungsfall.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader, der insbesondere vorgesehen ist für den Einsatz mit einem Verbrennungsmotor beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, weist eine Abgasturbine und einem mittels der Abgasturbine angetriebenen Radialverdichter sowie eine dazwischen angeordnete Läuferlagereinheit auf und ist zumindest dadurch gekennzeichnet, dass er eine Abgasturbine mit einer Abgasleiteinrichtung nach einer der vorausgehend und nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungen ausgestattet ist.
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Ein solcher Abgasturbolader zeichnet sich vor allem durch einen erhöhten maximal möglichen Massendurchsatz und somit durch einen vergrößerten Einsatzbereich aus.
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Eine Auswahl der vorgenannten sowie von weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Merkmalen verschiedener Ausführungen werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit erfindungsgemäßer Abgasturbine, mit im Viertelschnitt entlang der Turboladerachse aufgeschnittenem Gehäuse;
- 2 eine vergrößerte Teilschnitt-Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine zur Darstellung der Abgasleiteinrichtung;
- 3 eine vereinfachte Darstellung einer Abgasleiteinrichtung mit Leitschaufeln einer erfindungsgemäßen Abgasturbine, in Draufsicht von der Lagergehäuseseite her;
- 4 eine weiter vergrößerte Teilschnitt-Ansicht einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine zur Darstellung des Erweiterungsbereichs der Abgasleiteinrichtung;
- 5 eine weitere Teilschnitt-Ansicht, analog zu 4, zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform, einer erfindungsgemäßen Abgasturbine;
- 6 vier schematische Darstellungen verschiedener Konturverläufe der Zunahme der Ringkanalbreite auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand.
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Funktions- und benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 bestehend aus einer erfindungsgemäßen Ausführung einer Abgasturbine 20, Radialverdichter 30 und der axial dazwischen angeordneten Läuferlagereinheit 40 gezeigt. Zur Sichtbarmachung der Abgasleiteinrichtung 50 ist entlang der Turboladerachse, die mit der Turbinenachse 11 übereinstimmt, durchgehend ein oberes Viertel des Turbinengehäuses 21 des Verdichtergehäuses 31 und des Lagergehäuses 41 herausgeschnitten. Die Schnittdarstellung erlaubt dabei einen Einblick in den Aufbau und die Anordnung der wesentlichen Komponenten des Abgasturboladers.
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Dabei sind das im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbare Turbinengehäuse 21, das im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbare Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 das Lagergehäuse 41 der Läuferlagereinheit 40 auf einer gemeinsamen Turboladerachse hintereinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
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Der sogenannte Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 besteht aus dem Turbinenlaufrad 12, dem Verdichterlaufrad 13 sowie der Läuferwelle 14. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit diesen drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse axial durch die Läuferlagereinheit 40 und ist in dieser, mittels Radiallagern und einem Axiallager, axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse und die Turbinenachse 11 in der Turboladerachse liegen, also mit dieser zusammenfallen. Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um die Läuferdrehachse der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse, die Turbinenachse 11 und gleichzeitig die Turboladerachse sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1.
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Im Verdichtergehäuse 31 ist das Verdichterlaufrad 13 zentrisch angeordnet, wobei das Verdichtergehäuse 31 einen um das Verdichterlaufrad angeordneten Verdichter-Spiralkanal 32, zur Abführung des verdichteten Luftmassenstroms aufweist. Im Turbinengehäuse 21 ist das Turbinenlaufrad 12 zentrisch in dem Laufradraum 25 angeordnet, wobei das Turbinengehäuse 21 einen um das Turbinenlaufrad 12 angeordneten Abgas-Spiralkanal 22 zur Zuführung des Abgas-Massenstroms auf das Turbinenlaufrad 12 aufweist.
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Im Übergangsbereich, radial zwischen Abgas-Spiralkanal 22 und der Turbinenrad-Eintrittsöffnung (Hier nicht erkennbar) des Laufradraums 25 ist ringförmig um das Turbinenlaufrad 12 verlaufend eine erfindungsgemäße Abgasleiteinrichtung 50, auch als Variable Turbinengeometrie oder kurz VTG bezeichnet, angeordnet.
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Diese Abgasleiteinrichtung 50 weist einen um das Turbinenlaufrad 12 konzentrisch umlaufenden, den Abgas-Spiralkanal 22 und den Laufradraum 25 verbindenden Ringkanal 54 mit einer Ringkanal-Hinterwand 55 auf der Lagergehäuseseite 23 des Turbinengehäuses 21 und einer Ringkanal-Vorderwand 56 auf der Abgas-Austrittsseite 24 des Turbinengehäuses 21, auf, wobei durch den Abstand zwischen Ringkanal-Hinterwand 55 und Ringkanal-Vorderwand 56 eine Ringkanalbreite (57, siehe 2, 4 und 5) definiert ist.
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Im Ringkanal 54 sind, wie auch in 3 gezeigt, eine Mehrzahl von Abgasleitschaufeln 60 angeordnet, die jeweils eine Schaufeleintrittskante 61, eine Schaufelaustrittskante 62 und eine Schaufeldrehachse 63 aufweisen, die sich, in Bezug auf die Turbinenachse 11 zumindest überwiegend axial, zwischen der Ringkanal-Hinterwand 55 und der Ringkanal-Vorderwand 56, also quer zur Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms, über die Ringkanalbreite 57 hinweg, erstrecken und wobei sich die Abgasleitschaufeln 60 von der Schaufeleintrittskante 61 zur Schaufelaustrittskante 62 in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms erstrecken.
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Dabei sind die Abgasleitschaufeln 60, um ihre jeweiligen Schaufeldrehachsen 63, von einer Geschlossen-Stellung, in der sich die Schaufelaustrittskannten 62 in einer radial äußeren Position befinden, über einen radialen Schwenkbereich 65 (siehe 3) hinweg, bis in eine Geöffnet-Stellung, in der sich die Schaufelaustrittskanten 62 in einer radial inneren Position, in minimalem Abstand zum Turbinenlaufrad 12, befinden, drehbar gelagert.
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Die Abgasturbine 20 und somit der Abgasturbolader 1 sind erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkanalbreite 57, zwischen Ringkanal-Hinterwand 55 und der Ringkanal-Vorderwand 56, zumindest in einem nach radial innen an den radialen Schwenkbereich 65 (siehe 3) der Schaufelaustrittskanten 62 anschließenden radialen Bereich, in radialer Richtung auf die Turbinenachse 11 zu, bis zur Turbinenrad-Eintrittsöffnung 26 des Laufradraums 25, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 zunimmt. Sich davon unterscheidende Ausführungen sind in den Detaildarstellungen der weiteren 2, 4, 5 und 6 zu erkennen.
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Häufig sind Abgasleiteinrichtungen in sogenannter Kartuschen-Bauweise als eigenständige Baugruppen aufgebaut, die dann in das Turbinengehäuse eingesetzt werden. Eine solche Bauweise ist auch in den 1 und 2 dargestellt. Im Wesentlichen ist eine solche Abgasleiteinrichtung 50 aufgebaut aus einer Lagerringscheibe 51, der die Ringkanal-Hinterwand 55 bildet, einer Deckringscheibe 52, der die Ringkanal-Vorderwand 56 bildet, die mittels Abstandshaltebolzen in einem Abstand zueinander angeordnet sind und so den Ringkanal 54 bilden, durch den das Abgas aus dem Abgas-Spiralkanal 22 auf das Turbinenlaufrad 12 geleitet wird. Auf der Lagergehäuseseite 23 ist an der Abgasleiteinrichtung 50 die Betätigungsmechanik 59, zur Betätigung der drehbar gelagerten Abgasleitschaufeln 60, angebracht, die von außen von einem entsprechenden Aktuator (nicht dargestellt) betätigt wird. Zur Beeinflussung der Betriebscharakteristik der Abgasturbine, können so die Abgasleitschaufeln 60, mittels der auf der Rückseite der Lagerringscheibe 51 angeordneten Betätigungsmechanik 59, die mit den Abgasleitschaufeln 60 in Wirkverbindung steht, um ihre jeweiligen Schaufeldrehachsen 63 in eine betriebspunktabhängige Lage gedreht werden.
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2 zeigt eine vergrößerte Teilschnitt-Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine. Zu sehen ist die obere Hälfte eines Axialschnittes in einer auf der Turbinenachse 11 liegenden Schnittebene, um die Abgasleiteinrichtung 50 hervorgehoben darzustellen. Auch hier ist die Abgasleiteinrichtung 50 der Abgasturbine 20 in Kartuschen-Bauweise, mit einer die Ringkanal-Hinterwand 55 bildenden Lagerringscheibe 51 und einer die Ringkanal-Vorderwand 56 bildenden Deckringscheibe 52, ausgebildet. Erkennbar ist auch eine Abgasleitschaufel 60, hier in der Geöffnet-Stellung, in der sich die Schaufelaustrittskanten 62 in einer radial inneren Position, in minimalem Abstand zum Turbinenlaufrad 12, bzw. zur Laufradschaufel-Eintrittskante 12a, befinden. Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasturbine ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkanal-Vorderwand 56 zumindest teilweise durch eine im Turbinengehäuse 21 angeordnete Deckringscheibe 52 der Abgasleiteinrichtung 50 gebildet ist, wobei die gesamte Zunahme der Ringkanalbreite 57 auf einer nach radial innen an die Deckringscheibe 52 anschließenden Turbinengehäusewand 21 a ausgebildet ist. Dieser Bereich der Zunahme der Ringkanalbreite 57 wird auch als Erweiterungsbereich 58 des Ringkanals bezeichnet.
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Gleichzeitig liegt der gesamte Erweiterungsbereich 58, in dem die Ringkanalbreite 57 in radialer Richtung auf die Turbinenachse 11 zu, bis zur Turbinenrad-Eintrittsöffnung 26 des Laufradraums 25, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 zunimmt, in einem nach radial innen an den radialen Schwenkbereich 65 (siehe 3) der Schaufelaustrittskanten 62 anschließenden radialen Bereich. Bei dieser Ausführung schwenken die Schaufelaustrittskanten 62 also nicht in den Erweiterungsbereich 58 der Ringkanal-Vorderwand.
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Gekennzeichnet ist hier auch die Turbineneintrittsöffnung 26 des Laufradraums 25, die in unmittelbarer Nachbarschaft zur Laufradschaufel-Eintrittskante 12a liegt.
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Selbstverständlich liegt auch eine Ausführung der Abgasturbine ohne Deckringscheibe 52, bei der die gesamte Ringkanal-Vorderwand 56, inklusive Erweiterungsbereich 58, durch die Turbinengehäusewand 21a gebildet ist, im Rahmen der Erfindung.
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Eine vereinfachte Darstellung einer Abgasleiteinrichtung mit Abgasleitschaufeln 60, einer erfindungsgemäßen Abgasturbine 20, ist in 3, in Draufsicht von der Lagergehäuseseite her, also in einer Schnittebene senkrecht zur Turbinenachse 11, dargestellt. Diese Darstellung dient zur Verdeutlichung der Lage und des radialen Schwenkbereichs 65 der Abgasleitschaufeln 60.
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Zu erkennen ist die Anordnung einer Mehrzahl von Abgasleitschaufeln 60, die jeweils eine Schaufeleintrittskante 61, eine Schaufelaustrittskante 62 und eine Schaufeldrehachse 63 aufweisen (aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur an einem Beispiel gekennzeichnet). Die Abgasleitschaufeln 60 sind alle im gleichen radialen Abstand zur Turbinenachse 11 in äquidistantem Abstand zueinander angeordnet und sind um ihre Drehachsen drehbar, beispielsweise in einer Lagerringscheibe, gelagert, wobei sich die Abgasleitschaufeln 60 von der Schaufeleintrittskante 61 zur Schaufelaustrittskante 62 in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms erstrecken. Am Beispiel der in der Zeichnung oben liegenden Abgasleitschaufel 60 sind zusätzlich eine Abgasleitschaufel in Geschlossen-Stellung 60' und in Geöffnet-Stellung 60" dargestellt. Daraus wird ersichtlich, dass die jeweilige Schaufelaustrittskante 62 innerhalb eines radialen Schwenkbereichs 65 zwischen den eingezeichneten Kreislinien K1 und K3 schwenken kann, wobei die radial Kreislinie K1 die radial äußere Position der Schaufelaustrittskante 62 und die Kreislinie K3 die radial innere Position, in der sich die Schaufelaustrittskanten 62 in minimalem Abstand zur Laufradschaufel-Eintrittskante 12a des Turbinenlaufrads 12 bzw. der Turbinenrad-Eintrittsöffnung 26, befinden.
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Weiterhin sind in der Darstellung in 3 zwei unterschiedliche radiale Erweiterungsbereiche 58 und 58' dargestellt. Der Erweiterungsbereich 58 erstreckt sich zwischen der Kreislinie K3 und dem innersten Kreisring, der den Bereich der Turbinenrad-Eintrittsöffnung 26 darstellt. Dieser Erweiterungsbereich 58 schließt sich nach radial innen an den radialen Schwenkbereich 65 der Schaufelaustrittskanten 62 an und überlappt nicht mit diesem. Dagegen erstreckt sich der weitere radiale Erweiterungsbereiche 58' zwischen der Kreislinie K2 und der Turbinenrad-Eintrittsöffnung 26, was eine radiale Überlappung des radialen Schwenkbereichs 65 der Schaufelaustrittskanten 62 mit dem Erweiterungsbereich 58' auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 ergibt.
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4 zeigt eine weiter vergrößerte Teilschnitt-Ansicht einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine, analog zu 2, zur hervorgehobenen Darstellung des Erweiterungsbereichs 58 der Abgasleiteinrichtung 50. Auch hier ist die dargestellte Abgasleitschaufel 60 in ihrer Geöffnet-Stellung gezeigt und die Ringkanal-Vorderwand 56 ist zumindest zum Teil durch eine Deckringscheibe 52 gebildet. Dabei ist die Zunahme der Ringkanalbreite 57, also der Erweiterungsbereich 58 komplett auf einer nach radial innen an die Deckringscheibe 52 anschließenden Turbinengehäusewand 21a ausgebildet.
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Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführung übergreift hier die Schaufelaustrittskante 62 den Erweiterungsbereich 58 und es ist erkennbar, dass die Ringkanalbreite 57, zumindest ab einem Bereich der radial inneren 15% bis 25% des radialen Schwenkbereichs 65 der Schaufelaustrittskanten 62, zunimmt. Die Überlappung von radialem Schwenkbereich 65 der Schaufelaustrittskanten 62 mit dem Erweiterungsbereich 58 der Ringkanalbreite 57 ist mit X% gekennzeichnet. Dies soll symbolisieren, dass in unterschiedlichen Ausführungen der Abgasturbine 20 die Ringkanalbreite 57 zumindest ab einem Bereich der radial inneren 5% bis 15% oder der radial inneren 15% bis 33% oder ab einem Bereich des radial inneren Drittels bis zumindest ab einem Bereich der radial inneren Hälfte des radialen Schwenkbereichs 65 der Schaufelaustrittskanten 62, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 zunehmen kann.
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Weiterhin ist in diesem Beispiel zu erkennen, dass die Ringkanalbreite 57 im jeweiligen Erweiterungsbereich 58, bis hin zur Turbinenrad-Eintrittsöffnung 26 des Laufradraums 25, auf ein maximales Maß zunimmt, das mit 57max gekennzeichnet ist.
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Je nach Ausführung der Abgasturbine
20 kann der Wert der Ringkanalbreite
57 auf einen Wert (RBmax) zunehmen, der zwischen dem 1,05-fachen oder dem 1,2-fachen bis einschließlich dem 1,5-fachen Wert der ursprünglichen Ringkanalbreite (RBu)
57 liegt, wobei die ursprüngliche Ringkanalbreite
57 als die Ringkanalbreite angenommen werden kann, die im radialen Bereich der Schaufeldrehachsen
63 vorherrscht. Oder anders ausgedrückt:
wobei RBu die ursprüngliche Ringkanalbreite ist und RBmax die maximale Ringkanalbreite im Bereich der Turbinenrad-Eintrittsöffnung
26 ist. Der so gekennzeichnete Wertebereich schließt auch alle dazwischen liegenden Werte als Obergrenze oder Untergrenze mit ein, insbesondere RBu*1,1; RBu*1,2; RBu*1,3; RBu*1,4.
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Selbstverständlich liegen sowohl Ausführungen der Abgasturbine mit als auch ohne Deckringscheibe 52, die die vorgenannten Merkmale aufweisen, wobei die gesamte Ringkanal-Vorderwand 56, inklusive Erweiterungsbereich 58, durch die Turbinengehäusewand 21a oder die Deckringscheibe 52 gebildet ist, im Rahmen der Erfindung.
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Eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine ist in 5 dargestellt, die eine weitere Teilschnitt-Ansicht, analog zu 4 zeigt. Die gezeigte Ausführung der Abgasturbine 20 ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkanal-Vorderwand 56, in Übereinstimmung mit dem zuvor besprochenen Beispiel, zumindest teilweise durch eine im Turbinengehäuse 21 angeordnete Deckringscheibe 52 der Abgasleiteinrichtung 50 gebildet ist. Dabei ist zumindest ein Teil bis hin zu der gesamten Zunahme der Ringkanalbreite 57, wie hier gezeigt, auf der Deckringscheibe 52 ausgebildet.
Dies erleichtert die Gestaltung einer ggf. komplexen Kontur der Zunahme der Ringkanalbreite, die hier durch einfache Bearbeitung der Deckringscheibe im Vorfeld der Montage erfolgen kann. Eine ggf. komplizierte Bearbeitung der Innenkontur des Turbinengehäuses 21 kann dadurch entfallen. Weiterhin ist erkennbar, dass hier die Ringkanalbreite 57, bereits ab einem Bereich bei ungefähr der radial inneren Hälfte des radialen Schwenkbereichs 65 der Schaufelaustrittskanten 62, zunimmt.
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6 zeigt schließlich vier schematische Darstellungen verschiedener Konturverläufe der Zunahme der Ringkanalbreite auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand.
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Abschnitt a) der 6 zeigt schematisch eine Zunahme der Ringkanalbreite 57 auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 entlang einer Linearkontur, also einer stetig gleichmäßigen Zunahme entlang einer geraden Linie.
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Abschnitt b) der 6 zeigt schematisch eine Zunahme der Ringkanalbreite 57, innerhalb des Erweiterungsbereichs 58, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 entlang einer Kreiskontur.
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Abschnitt c) der 6 zeigt schematisch eine Zunahme der Ringkanalbreite 57, innerhalb des Erweiterungsbereichs 58, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 entlang einer Hyperbelkontur.
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Schließlich zeigt Abschnitt d) der 6 schematisch eine Zunahme der Ringkanalbreite 57, innerhalb des Erweiterungsbereichs 58, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand 56 entlang einer Parabelkontur.
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Des Weiteren können auch Kombinationen dieser Konturverläufe oder gar Freiformkonturen zur Anwendung kommen.
Die gegebene Möglichkeit der Anwendung der unterschiedlichen Konturen ermöglicht eine konkrete Abstimmung des Betriebsverhaltens auf den jeweils speziellen Anwendungsfall.
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Auch Ausführungen der Abgasturbine mit als auch ohne Deckringscheibe 52, die die vorgenannten Merkmale aufweisen, wobei die gesamte Ringkanal-Vorderwand 56, inklusive Erweiterungsbereich 58, durch die Turbinengehäusewand 21a oder die Deckringscheibe 52 gebildet ist, liegen im Rahmen der Erfindung.
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Die Erfindung umfasst auch hier nicht gezeigte Beispiele, die sich in vorteilhafter Weise unter alternativer oder additiver Kombination der einzelnen genannten Merkmale ergeben, solange das Merkmal, dass die Ringkanalbreite, zumindest in einem nach radial innen an den radialen Schwenkbereich der Schaufelaustrittskanten anschließenden radialen Bereich, in radialer Richtung auf die Turbinenachse zu, bis zur Turbinenrad-Eintrittsöffnung des Laufradraums, auf der Seite der Ringkanal-Vorderwand zunimmt, verwirklicht ist.
