DE102019000252A1

DE102019000252A1 - Axialschieber-Turbine mit axial verschiebbarem Leitgitterträger

Info

Publication number: DE102019000252A1
Application number: DE102019000252.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-13
Filing date: 2019-01-13
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft die Weiterentwicklung einer Axialschieber-Turbine 100, bei der neben der Matrize 63 mit Profiltaschen 56 zur Eintauchung von Leitgitterschaufeln 9 auch der Leitgitterträger 53 stromauf des Turbinenrades 10 axial verschiebbar gestaltet wird.
Die weiterentwickelte Axialschieber-Turbine 100 kann auch mit zwei Turbinenradaustrittsquerschnitten A20 und A2 ausgestattet sein, bei dem der zweite Radaustrittsquerschnitt A2 dem ersten Radaustrittsquerschnitt A20 am üblichen Radrücken gegenüber liegt und verschließbar ist. Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht also aus dem axial verschiebbaren Leitgitterträger 53, der mit der axial verschiebbaren Matrize 63, die Profiltaschen 56 für das Eintauchen des Leitgitters aufweist und somit von zwei Seiten her die Turbinenrad-Eintrittsringdüse 1 mit der effektiven Leitschaufelhöhe in ihrer axialen Lage X und Düsenbreite 6, bestimmt und die zwischen dem starren Gehäusezungenbereich 12 und der Radaußenkontur 40 ihre Anordnung findet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine von Kraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Heutige moderne Verbrennungskraftmaschinen für Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, sind mit Abgasturboladern ausgestattet, die ein jeweiliges Verdichterrad und ein jeweiliges Turbinenrad aufweisen. Zur Darstellung hoher Anfahrmomente und sehr guter Agilität weisen die Verdichter- und Turbinenräder, welche auch als Laufräder bezeichnet werden, relativ kleine Laufraddurchmesser und somit geringe polare Massenträgheitsmomente auf.
Diese hochdrehenden Laufräder ermöglichen zwar die Darstellung eines sehr schnellen Ansprechverhaltens, so dass das sogenannte Turboloch vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann. Jedoch haben sie einen grundlegenden Nachteil, der sich in hohen sogenannten Abblaseraten äußert. Im Rahmen des sogenannten Abblasens bei Turbinen von Abgasturboladern wird das jeweilige Turbinenrad über wenigstens einen Umgehungskanal umgangen, so dass das den korrespondierenden Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht antreibt. Im Abgas enthaltene Energie kann somit nicht genutzt werden.
Die Abblaseraten herkömmlicher Abgasturbolader für Ottomotoren mit hohen Agilitätsanforderungen befinden sich üblicherweise in Bereichen zwischen mindestens 40% bis hin zu über 60% der gesamten Abgasmenge im Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine. Somit werden z. B. für Ottomotoren mit einem Hubvolumen von 1,6 Litern mindestens Druck-Exergiepotentiale über 20kW ungenutzt in Wärme vernichtet. Die Rückwirkungen dieser Exergieverschwendung auf die entsprechende Turbine wie auch auf einen gesamten Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine sind extrem hohe Abgas- und Bauteiltemperaturen bis an jeweilige Werkstoffgrenzen von Hochtemperaturwerkstoffen in der Größenordnung von 1050°C bis 1100°C. Häufig werden die aus einem Motorauslass der Verbrennungskraftmaschine ausströmenden Abgasmengen noch zusätzlich mit einer Kraftstoffanfettung von mehr als 20% des verbrannten Kraftstoffes zur Abgaskühlung versehen.
Neben den verbrauchserhöhenden Ladungswechselnachteilen der herkömmlichen, aufgeladenen Ottomotoren insbesondere für Personenkraftwagen infolge der sehr klein dimensionierten Turbinen werden somit auch gewichtige Kraftstoffverbrauchsnachteile nur zur Kühlung des Abgases verschwendet. Dies bedeutet, dass die kleinen Turbinenräder zwar ein sehr gutes Ansprechverhalten aufweisen, jedoch auch zu sehr kleinen Turbinenschluckfähigkeiten führen. Die Turbinen befinden sich somit an Werkstoff-Temperatur-Grenzen mit allen Problemen, die sich in den erschwerten mechanischen Funktionalitäten der Turbine und thermischen Austrittskrümmer-Beanspruchungen widerspiegeln. Die Akten EP 0571205 A1 und die DE 10 2005 027 080 A1 offenbaren jeweils ebenfalls Turbinen mit Stellelementen, mittels welchen entsprechende Strömungsquerschnitte variabel einstellbar sind. Während in der Akte EP 0571205 A1 ein Turbinenleitgitter auf einem Walzen-Turbinenrad (TRIM100) axial in Richtung des Lagergehäuses axial verschieblich gestaltet ist, steht in der Veröffentlichung DE 10 2005 027 080 A1 das dem Turbinenrad vorgelagerte Leitgitter still und eine Matrize mit Profilöffungen der Gestalt der Leitschaufeln mit Spaltzuschlag wird axial bewegt, um die effektiv durchströmte Schaufelhöhe variabel einzustellen. Eine Weiterentwicklung der Turbine mit der axial verschiebbaren Matrize wird in der Akte DE10 2013 002 192.8 dargelegt, in der die Leitschaufel als Konusschaufel ausgebildet ist und in Kombination mit den prismatischen Profilöffnungen in der Matrize einen variablen Spalt zwischen Schaufel und Profilöffnung für eine erhöhte Funktionssicherheit der Verstelleinrichtung zu sehr günstigen aerodynamischen Eigenschaften in der Matrizen-Leitgitter-Schließposition sorgt. Trotz der erwähnten Varioeinrichtung der Axialschieber, die im unteren und mittleren Motordrehzahlbereich sehr vorteilhafte Eigenschaften zeigen, muss jedoch in den meisten Anwendungsfällen gewichtige Abblasemengen im oberen Drehzahlbereich und besonders im Nennpunkt des Motors abgeblasen werden.
Die DE 10 2008 063 656 A1 offenbart eine Turbine für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse und mit einem in dem Turbinengehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommenen Turbinenrad, welches einen Turbinenradaustrittsbereich mit einem Austrittsquerschnitt aufweist. Über den Austrittsquerschnitt ist das Turbinenrad von Abgas abströmbar. Es ist ein erstes Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein stromauf des Turbinenrads angeordneter und von dem Turbinenrad zuzuführendem Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt variabel einstellbar ist. Ferner ist ein zweites Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein stromab des Turbinenrads angeordneter und von das Turbinenrad abströmendem Abgas durchströmbarer Austrittsquerschnitt variabel einstellbar ist. Das zweite Stellelement ist dabei als Konusschieber ausgebildet, wodurch eine Abblasung weitgehend vermieden werden kann, jedoch eine Vergrößerung des Radeintrittsdurchmesser damit einher geht.
Ein wesentliche Stand der Technik zur Vermeidung von Abblasemengen der im Folgenden beschriebenen Erfindung geht auf DE 10 2012 023408 zurück, deren internationale Anmeldung mit der Bezeichnung PCT/DE2013/000568 kenntlich gemacht wurde. Eine Weiterentwicklung einer relativ einfach gehaltenen Turbine, die ebenfalls mit zwei Turbinen-Austrittsquerschnitten verwendbar wäre, lässt sich aus der Akte DE 10 2016 013 149 A1 entnehmen.
Basierend auf dem Stand der Technik der Turbine mit zwei Radaustrittsquerschnitten wünscht man sich im Besonderen für die Durchströmung des zweiten Radaustritts am Radrücken ein verbessertes Wirkungsgradverhalten mit einer zusätzlichen Einflussnahme auf die Turbinendurchsatzspreizung neben der Radeintritts- und der Radaustrittsvariabilität des zweiten Radaustritts.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Agilitätsansprüche sowie gleichzeitig eine sehr hohe Schluckfähigkeit über die zwei Radaustrittsquerschnitte aufweisen kann und die dabei zusätzlich ein über der Durchsatz-Spreizung auch im oberen Durchsatzbereich günstiges und gutmütiges Wirkungsgradverhalten zeigt.
Im Mittelpunkt der Erfindung steht für diesen neuen Turbinentyp eine Axialschieber-Turbine, deren Vorrichtung es ermöglichen soll die Leitgitterschaufelhöhe zwischen der festen Gehäusezunge und der Turbinenradaußenkontur in einem definierten Bereich axial längs der Raddrehachse zu bewegen und ein vorteilhaftes Betriebsverhalten der Turbine in weiten Bereichen schon mit dem ersten Turbinenrad-Hauptaustritt zu erzeugen. Der zweite, zuschaltbaren radrückseitigen Radaustritt stellt für diese neue Axialschieberturbine ein weiterer Entwicklungsschritt dar, mit dem die Durchsatzfähigkeit und Durchsatzspreizung gesteigert und auch bei vorteilhaften Turbinenwirkungsgraden erreichbar wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine, z. B. für einen Abgasturbolader und ihren weiteren Turbinen-Anwendungen an Kraftmaschinen, zuerst mit dem Merkmal des Patentanspruchs 1 und desweiteren in Kombination mit dem Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen, insbesondere die Handhabung der axial zu bewegenden Schieber-Elemente, angegeben.
Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine eine wünschenswerte Agilität sowie eine sehr hohe Schluckfähigkeit aufweist, infolge derer eine Abblasung von Abgas vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann, sind ein zweiter Turbinenradaustrittsbereich mit einem zweiten, dem ersten Austrittsquerschnitt in axialer Richtung gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt des Turbinenrads und wenigstens ein Stellelement vorgesehen, wobei mittels des Stellelements, z. B. eines Ringkolbens, eine das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Erfindungsgemäß wird hierbei die axial variable Turbinenrad-Eintrittsdüse mit den Hauptelementen Leitgitterträger-Leitschaufeln-Verstellmatrize und den anhängigen, benachbarten Konturstücken über dem Turbinenrad axial verschieblich angeordnet. Mit anderen Worten weist das Turbinenrad einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem zweiten Austrittsquerschnitt auf, wobei der erste Austrittsquerschnitt auf einer ersten Seite des Turbinenrads und der zweite Austrittsquerschnitt auf einer der ersten Seite in axialer Richtung des Turbinenrads gegenüberliegenden, zweiten Seite angeordnet ist und die Turbinenrad-Eintrittdüse bezogen zur zweiten Radaustrittskante bis fast über der gesamten axialen Raderstreckung ihren axialen Verstellbereich der Matrize besitzt.
Der axiale Verstellbereich der Düse und deren Position, bzw. die effektive Leitgitterhöhe über der Radaußenkontur wird für die Einflussnahme auf den Turbinen-Wirkungsgrad wie auch auf die Turbinen-Schluckfähigkeit genutzt. Mittels des Stellelements eines robusten Ringkolbens ist die bedarfsgerechte Einstellung der Menge des Abgases in vielen Fällen unabhängig von der Position der Turbinenrad-Eintrittsdüse, bzw. dem offenen Turbinenleitgitter ermöglichbar, wobei der maximale Durchsatzpunkt mit der Düsenwandposition des Leitgitterträgers im Bereich der radrückseitigen Radschaufelkante und vollkommenen offenen Turbinenleitgitter mit dem dazugehörigen Aktuator einregelbar ist. Als sinnvoll für die Einstellung der optimalen Turbinen-Wirkungsgrade ist eine Kopplung der axialen Lage des Turbinenleitgitters mit seiner definierten Leitschaufelhöhe, bzw. die Turbinenrad-Eintrittsdüse mit dem nutzbaren benachbarten lagerseitigen, bzw. radrückseitigen Konturstück des Leitgitterträgers zusammen mit der variabel einstellbaren Matrizen-Position, die den engsten Leitgitterquerschnitt stromauf der freien Ringdüse über dem Turbinenrad-Eintrittsbreite bestimmt. Die Kopplung kann elektronisch mit zwei Aktuatoren oder besser mit nur einem Aktuator, der die beiden axialen Bewegungen des Leitgitterträgers mit der Leitgitterbeschauflung und die Matrize mit den Profilöffnungen zum Eintauchen der Schaufeln über eine mechanische Kopplung bewältigt. Vorteilhaft für die mechanische Kopplung der unterschiedlichen axialen Längsbewegungen der beiden Vario-Elemente Leitgitterträger mit Leitschaufeln und Matrize mit Profilöffnungen lassen sich durch die Drehbewegung einer axial positionierten Hülse, die jeweils die entsprechenden Kulissennuten aufweisen, in denen die getrennten Verbindungselemente zum Leitschaufelträger und zur Matrize geführt werden, definiert durchführen. Der eine Aktuator bewirkt also, z. B. über den Eingriff seines Zahnsegmentes in eine Verzahnung des Hülsenumfangs die eine Drehbewegung, die durch die jeweiligen Kulissen-Nutenverläufe die jeweilige axiale Weglänge zum Drehwinkel festlegt. Auch bei Turbinen-Anwendungen mit hohen Gastemperaturen sind diese bekannten Kulissennuten-Kulissenstein-Vorrichtungen funktionssicher entwickelbar.
Als zentraler Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Turbine wird das Kraftfahrzeug, Pkw oder das Nfz, gesehen, besonders für deren Abgasturbolader als Hochdruckturbine (s. DE10 2014 005 744.5 ) oder als Compound-Nachschalt-Turbine. Ebenfalls bietet sich diese einfache Vario-Turbine als Rekuperationsturbine der Brennstoffzelle oder auch in den Turbokühlanlagen als variable Kaltluft-Turbine der Kraftfahrzeug-Klima-Anlagen, die die direkte Luftkühlung bevorzugen, an. Ausschließen würde man den möglichen Einsatz dieses Turbinentyps auch nicht als Turbine für den Generatoren-Antrieb von Gasturbinen- oder Wasserkraftwerken oder Hilfsaggregaten aller Art.
Wird der zweite Austrittsquerschnitt beispielsweise zu dem ersten Austrittsquerschnitt durch die axiale Verschiebung des Stell-Ringkolbens hin in Richtung des Lagergehäuses zugeschaltet bzw. vergrößert, so können das Turbinenrad und die Turbine von einer besonders hohen Menge an Abgas, d.h. von einem besonders hohen Volumenstrom und/oder Massenstrom des Abgases durchströmt werden. Die Turbinenrad-Eintrittsdüse wird bei vollständiger Öffnung des Radrücken-Strömungsquerschnitts mittels des Leitgitterträgers und der Matrize axial in den Bereich um den Scheitelpunkt der Radbeschauflung geschoben, um den optimalen Turbinen-Wirkungsgrad zu erreichen. Die Turbine weist somit eine sehr hohe Schluckfähigkeit auf, ohne dass eine Abblasung vorgesehen und erforderlich ist und zeigt dabei ein günstiges Wirkungsgradverhalten. Mit anderen Worten ist die hohe Schluckfähigkeit realisierbar, ohne dass das Turbinenrad von Abgas umgangen und somit von dem das Turbinenrad umgehenden Abgas nicht angetrieben wird, wobei die wirksame Turbinenrad-Kanallänge vom Düsenaustritt, bzw. Turbinenradeintritt gemessen zum Radrücken hin, wie auch zum Hauptaustritt des Rades hin, günstige Längen-Bedingungen für den Turbinenwirkungsgrad bedeuten. Gleichzeitig kann das Turbinenrad für diese hohe Durchsatzmenge im Durchmesser klein und somit mit einem nur geringen polaren Massenträgheitsmoment ausgestaltet werden, so dass es ein sehr gutes Ansprechverhalten und somit eine sehr hohe Agilität aufweist. Um das Turbinenrad schnell zu beschleunigen, wird beispielsweise der zweite Austrittsquerschnitt durch Zufahren des Stell-Ringkolbens bis zur Abdichtstelle abgeschaltet bzw. verkleinert, so dass das Turbinenrad überwiegend oder - abgesehen von etwaigen Leckage-Strömen - ausschließlich über den ersten Austrittsquerschnitt abgeströmt wird. Die Turbinenrad-Eintrittsdüse wird vorteilhafterweise zur Radrückenebene, bzw. deren Schaufelaustrittsebene axial verstellt und damit die maximale Radschaufel-Kanallänge für geringste Minderumlenkungen bei hohe Turbinenwirkungsgraden ohne wesentliche Ventilationsverluste bereitstehen.
Unter Abschaltung des zweiten Austrittsquerschnitts ist dabei zu verstehen, dass ein Durchströmen des zweiten Austrittsquerschnitts von Abgas mittels des Stellelements mit dem Hauptelement Stell-Ringkolben verhindert oder gegenüber der Zuschaltung verringert ist. Das gesteigerte Turbinendruckverhältnis und die optimale Radrückenlage der betreffenden Eintrittsdüsenwandung des Leitgitterträgers mit geringer Überdeckung sorgt für die vorteilhafte Umsetzung des vom Motor bereitgestellten Exergiebetrags mit hohen Wirkungsgraden zur Verkürzung der Beschleunigungsphasen des Rotors.
Bei der Turbine ist es somit möglich, kleine und für die Agilität der Turbine vorteilhafte Durchmesser sowohl des Turbinenrads als auch eines Verdichter-Rads eines Verdichters des Abgasturboladers zumindest im Wesentlichen unverändert beizubehalten und dennoch die Schluckfähigkeit der Turbine so weit zu steigern, dass eine Abblasung von Abgas nicht mehr notwendig ist und dass der sich einstellende Turbinenwirkungsgrad der als Volldurchsatz-Turbine ausgebildeten Turbine, bezogen auf die Gesamtabgasmenge, besonders bei hohen Abgasdurchsätzen gegenüber Abblase-Turbinen, bei denen ein Abblasung durchgeführt wird, höher ist. Als Folge dieser realisierten Volldurchsatz-Turbine können Austrittsdrücke an einem Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine sowie Austrittstemperaturen des Abgases bei zumindest im Wesentlichen gleichbleibenden spezifischen Leistungen und/oder Drehmomenten der Verbrennungskraftmaschine abgesenkt werden, wodurch vorteilhafte Turbinen-Variabilitäten zum Einstellen von Strömungsquerschnitten mit sehr hohen Funktionalitätssicherheiten mittels eines robusten Stell-Ringkolbens, der z. B. hydraulisch durch Schmieröl oder Kühlwasser mit hohen Verstell-Kräften zu nahezu leckagefreien Abdichtung des zweiten Turbinenradquerschnitts besonders günstig entwickelt werden können. Die Turbine ermöglicht es somit, den eingangs erwähnten Zielkonflikt, demzufolge sich eine Steigerung der Schluckfähigkeit nur durch eine unerwünschte Vergrößerung des Turbinenrads realisierbar ist, gelöst werden, wobei der axialen Turbinenrad-Eintrittsdüsenvariabilität mittels des beweglichen Wandungen des Leitgitterträgers wie auch der beweglichen Matrize wirkungsgradbegünstigend eine wichtige Bedeutung zukommt.
Zur Realisierung eines besonders geringen Bauraumbedarfs ist die Turbine vorzugsweise als Radialturbine ausgebildet, wobei das Turbinenrad im Betrieb in radialer Richtung von außen nach innen von Abgas angeströmt und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas abgeströmt wird. Sind beide Austrittsquerschnitte geöffnet besteht von dem neuen Turbinentyp eine gewisse Analogie zu den bekannten Pelton-Turbinen. Die Annäherung an diesen Pelton-Turbinentyp wird durch die axiale Verstellmöglichkeit der Turbinenrad-Eintrittsdüse wie deren Breite, bzw. die sich stromauf befindliche effektive Schaufelhöhe, begrenzt durch die Wandungen des Leitgitterträgers und der Matrize, in den Bereich um den Scheitelpunkt der Turbinenrad-Schaufelerzeugenden zunehmend noch verstärkt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die axial bewegliche Turbinen-Eintrittsdüse mittels eines Axialschiebers über der Turbinenrad-Außenkontur angeordnet. Der Radspalt bei vielen Konstruktionen wird direkt durch die der axial beweglichen Turbinenrad-Eintrittsdüse nachbarseitig mitbewegten Schieberkonturstücken des Leitgitterträgers und der Matrize gebildet. Entgegen der Beispieldarstellungen mit dem Walzen-Turbinenrad (TRIM100) lässt der Turbinentyp jenseits des Schaufelscheitelpunktes zum ersten Radaustritt hin, dem Turbinenhauptaustritt, über diesem axialen Teilbereich des Turbinenrades auch feststehende Konturhülsen mit TRIM-Werten, die sich unterhalb von 95% befinden, zu.
Darauf hinzuweisen ist, dass mit der axialen Verschiebung des Leitgitterträgers und Verstellmatize, bzw. der Turbinenrad-Eintrittsdüse auch eine axiale Längung der feststehenden Gehäusezunge des Spiralkanals, bzw. der Spiralsegmente bei Mehrsegment-Turbinen einher geht.
Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn der stromab des Spiralenkanals liegende axial verstellbare Turbinen-Eintrittsdüsenquerschnitt innerhalb des Turbinengehäuses angeordnet ist, während das zweite Stellelement zum Einstellen der Menge des das Turbinenrad über den zweiten Turbinenrad-Austrittsquerschnitt abströmenden Abgases vorgesehen ist, und wobei das zweite Stellelement weitgehend außerhalb des Turbinengehäuses, also vorzugsweise im Lagergehäuse, mit der mechanischen oder Hydraulik-Vorrichtung des Stell-Ringkolbens, vorliegt. Um die Verstell-Kräfte nicht allzu groß dimensionieren zu müssen und den Gaskräften des zweiten Turbinenrad-Austrittsquerschnitts entgegen zu wirken, ist die Nutzung einer intern oder auch extern vorliegenden Gasdruck-Quelle ggf. vorteilhaft.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das wenigstens eine Stellelement, d.h. das erste und/oder das zweite Stellelement, in axialer Richtung relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar ist. Hierdurch ist eine einfache und robuste Einstellung der Menge des den zweiten Austrittsquerschnitt durchströmenden Abgases darstellbar.
Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs der Turbine ist wenigstens das starre Leitgitter am beweglichen Leitgitterträger und die axial bewegliche Matrize als Eintrittselemente vor der axial mitbeweglichen freien Turbinen-Eintrittsringdüse vorgesehen, mittels welchem ein stromauf dieser freien beweglichen Ringdüse angeordneter und von dem Turbinenrad zuzuführendem Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt definiert einstellbar ist. Die Turbine und insbesondere ihr Eintrittsquerschnitt mit der entsprechenden axialen Ringdüsenlage und ihr zweiter Austrittsquerschnitt kann somit besonders variabel an unterschiedliche Betriebspunkte und somit an unterschiedliche Volumenströme und/oder Massenströme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Ferner ist es möglich, besonders große Durchsatzspreizungen der Turbine mit günstigen Wirkungsgraden zu realisieren. Zu Nennen sind neben dem einfachen Axialschieber hierfür auch Drehschaufler-Vorrichtungen, z. B. als Kartuschen-Modul, die stromauf mit der Turbinenrad-Eintrittsdüse drehend über der Radkontur beweglich gestaltet werden, analog der Einfachst-Vario-Vorrichtung einer Zungenschieber-Turbine. Die mit dem Schieber drehende Kartusche der schwenkbaren Leitgitterschaufeln, dessen Lagerungen der Modul mit enthält, wäre mit Schaufelzahlen von ca. 9 bis an die 19 für alle gängigen Pkw- und Nfz-Anwendungen gut geeignet, sehr kleine Strömungsquerschnitte zu erzeugen, wodurch sehr gute Betriebspunkt-Anpassungen der Turbine bewältigt werden können. Das Turbinengehäuse würde man vorteilhafterweise mit einem großen, nahezu linearen Spiralenkanal ausstatten, um in der Offenposition des Turbinenrad-Eintrittsleitgitters die angestrebte große Durchsatzkapazität des Leitgitters bei der Öffnung des A2-Stellers für beide Turbinenaustrittsquerschnitte mit gutem Wirkungsgrad wirksam werden zu lassen. Die Variabilität des Erfindungsgegenstandes mit sehr großem Durchsatzspreizungs- und Wirkungsgradpotenzial bietet der axial verschiebbare Leitgitterträger mit einer Schaufelhöhenvariation durch die Verstellmatrize, wie sie z. B. in der Akte DE10 2013 002 192.8 als Entwicklungsschritt zur Konusschaufel in vereinfachten Grundform des starren Leitgitterträgers darlegt wird. Die Übertragung dieses Prinzips auf die erfindungsgemäße Turbine würde eine axiale Steuerung des radrückseitigen Konturstücks als Leitgitterträger und die axiale Steuerung des Konturstücks der Matrize mit Profiltaschen auf der Hauptaustrittsseite des Turbinenrades bedeuten. Über einen Aktuator wird eine Drehbewegung auf die axial festliegende Kulissennuthülse gebracht, die beide axial beweglichen Elemente mit ihren Konturstücken über der Radkontur führen. Eine mechanische Steuerung der beiden unterschiedlichen Axialbewegungen von Leitgitterträger und Schaufelmatrize lässt sich über jeweils eine von der anderen unterschiedlichen Kulissennut-Kulissenstein-Vorrichtung in der betreffenden drehbaren jedoch axial festliegenden Kulissenhülse realisieren, wodurch zum einen die axiale Lage der Leitgitterdüse und zum andern die Leitgitter-Schaufelhöhe dieser Düse über die eine Winkelbewegung der Kulissenhülse beider steuerbar machen.
Obwohl die Hauptintension ist, keine Umblasung des Turbinenrades zu tätigen, sind sicher auch Anwendungen und Randbedingungen vorhanden, die bei der erfindungsgemäßen Turbine noch ein zusätzliches Abblasen notwendig machen. Dazu bietet das Hauptvario-Element Axialschieber die Möglichkeit ab einem bestimmten Drehwinkel, bzw. einer bestimmten Axialbewegung, das Öffnen eines Abblasekanals auf einfache Weise zu steuern. Die erwähnte Akte DE10 2013 002 192.8 des axial verschiebbaren Leitgitters oder die Akte DE 10 2011 010 744.4 für die Zungenschieberturbine beschreiben dort Lösungsmöglichkeiten.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die variablen Eintrittselemente zusammen auch als bewegliche Turbinenrad-Eintrittsringdüse und das wenigstens eine Stellelement des zweiten Radaustritts über eine Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Eintrittselemente und das wenigstens eine Stellelement am Radrücken über die Kopplungseinrichtung mittels wenigstens eines dem Eintrittselement und dem wenigstens einen Stellelement am Radrücken gemeinsamen Stellvorrichtung für die unterschiedlich geführten axialen Bewegungsverläufe der drei beweglichen Komponenten (Leitgitterträger, Matrize und Ringschieber) zu verstellen. Dies führt zu einer nur sehr geringen Teileanzahl, einem geringen Gewicht sowie einem geringen Bauraumbedarf der Turbine, was z. B. mit dem Einsatz von hydraulischen Verstell-Elementen zudem noch sehr vorteilhafte Regelungseigenschaften mit hohen Positionssicherheiten der beiden variablen Eintrittskomponenten, zusammen mit dem axial beweglichen Turbinenrad-Rücken-Ringschieber mit sich bringt.
In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Kopplungseinrichtung dazu ausgelegt, dass das Eintrittselement Leitgitterträger mit der Düsenringwandung am Radrücken über der zweiten Radaustrittskante in einem ersten Teilbereich seines Verstell-Bereichs weitgehend feststeht, und die axial bewegliche Matrize unabhängig davon von dem wenigstens einen Stellelement bewegt wird und in einem zweiten Teilbereich des Verstell-Bereichs auch der Leitgitterträger mit -Schaufeln zusammen über der Radeintrittskontur mit dem wenigstens einen Stellelement bewegbar ist. Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Verstellbarkeit des Eintrittselements und des wenigstens einen Stellelements geschaffen, so dass die Turbine bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte auch über die Lage des Leitgitterträger mit -Schaufeln angepasst werden kann. Dabei ist es möglich, im ersten Teilbereich des Verstell-Bereichs vor dem Turbinenrad den Eintrittsquerschnitt axial optimal liegend nur durch die Bewegung der Matrizenseite einzustellen, d.h. zu verändern, ohne dass in der Schließposition damit eine Einstellung, d.h. Veränderung des zweiten Austrittsquerschnitts des Turbinenrades, insbesondere der Menge des das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmenden Abgases, einhergeht (Verlauf s. dazu auch 1, 2, 3 und 4). Mit anderen Worten kann - trotz der Kopplung des wenigstens einen Stellelements mit dem Eintrittselement - im ersten Teilbereich des Verstell-Bereichs der engste Turbinenleitgitterquerschnitt beeinflusst werden, ohne den zweiten Austrittsquerschnitt in seiner Abdichtphase bzw. die Menge des das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmenden Abgases zu beeinflussen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts zu einer Summe aus dem ersten Austrittsquerschnitt und dem zweiten Austrittsquerschnitt in einem Bereich von einschließlich 0,25 bis einschließlich 0,75 liegt. Hierdurch kann einerseits eine besonders hohe Schluckfähigkeit und andererseits eine sehr hohe Agilität der Turbine bei definierter axialen Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage bei entsprechender effektiver Leitgitterhöhe realisiert werden.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Turbinenrad erste Laufradschaufeln, welche beiden Austrittsquerschnitten zugeordnet sind, und zweite Laufradschaufeln, welche bezogen auf die Austrittsquerschnitte lediglich dem zweiten Austrittsquerschnitt als Splitterschaufeln zugeordnet sind, aufweist. Mittels dieser Laufradschaufeln kann das Abgas bei noch geringem Abstand der Turbinenrad-Eintrittsringdüse vom Radrücken sehr gut geführt werden, so dass das Turbinenrad effizient antreibbar ist. Hierbei wird der Anwendungsfall und die Gesamtoptimierung entscheiden, ob das Turbinenrad bei entsprechender axialer Spreizung der Ringdüsenlage des Turbinenrad-Eintritts mit oder ohne Splitterschaufeln Verwendung finden soll.
Zur Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Turbine, die die axial verschiebbare Ringkolben-Verstell-Einrichtung des zweiten Turbinenrad-Austritts und die axiale Turbinenrad-Eintrittsringdüsenverschiebung mittels des verschiebbaren Leitgitterträgers mit angepasster Matrize besitzt. Die Verbrennungskraftmaschine ist auch in einem instationären Betrieb besonders effizient und kraftstoffverbrauchsarm antreibbar, da eine Abblasung, d.h. eine Umgehung des Turbinenrads mit Abgas vermieden werden kann. Gleichzeitig weist die Verbrennungskraftmaschine eine sehr gute Fahrbarkeit bei einem Einsatz in einem Kraftwagen, insbesondere einem Personenkraftwagen, auf. Dies bedeutet, dass beispielsweise das sogenannte Turboloch vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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.
Die Zeichnung zeigt in:

1a ausschnittsweise eine schematische Meridian-Längsschnittansicht der Turbine, gezeigt in der Schließstellung des Stell-Ringkolbens und der Min-Position der Verstellmatrize, wobei sich der Leitgitterträger mit den Leitschaufeln in der Anschlagsposition mit einer Düsenwandung des Leitgitterträgers über dem zweiten Radaustritt befindet, Verstelleinrichtung des Leitgitterträgers lagerseitig, Verstelleinrichtung der Matrize turbinen-hauptaustrittsseitig, zwei Aktuatoren für drei Axialbewegungen zwingend;
1b eine Abwicklung eines Teil-Zylinderschnitts durch die Turbinenradbeschaufelung mit Anzeige der Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage Leitgitterträger-Wandung am zweiten Radaustritt und Ebene der Matrizenstirnseite, bzw. Ebene der Schaufelprofiltaschen-Öffnungen;
2a ausschnittsweise eine schematische Meridian-Längsschnittansicht der Turbine, gezeigt in der Schließstellung des Stell-Ringkolbens und der Optimal-Position der Verstellmatrize, wobei sich der Leitgitterträger mit den Leitschaufeln in der Anschlagsposition mit einer Düsenwandung des Leitgitterträgers über dem zweiten Radaustritt befindet, Verstelleinrichtung des Leitgitterträgers lagerseitig, Verstelleinrichtung der Matrize lagerseitig, Verstellung für drei Axialbewegungen mit nur einem Aktuator möglich;
2b eine Abwicklung eines Teil-Zylinderschnitts durch die Turbinenradbeschaufelung mit Anzeige der Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage Leitgitterträger-Wandung am zweiten Radaustritt und Ebene der Matrizenstirnseite, bzw. Ebene der Schaufelprofiltaschen-Öffnungen in der Optimalposition;
3a ausschnittsweise eine schematische Meridian-Längsschnittansicht der Turbine, gezeigt in der Schließstellung des Stell-Ringkolbens und der Optimal-Position der Verstellmatrize, wobei sich der Leitgitterträger mit den Leitschaufeln in der Anschlagsposition mit einer Düsenwandung des Leitgitterträgers über dem zweiten Radaustritt befindet, Verstelleinrichtung des Leitgitterträgers turbinen-hauptaustrittsseitig, Verstelleinrichtung der Matrize turbinen-hauptaustrittsseitig, zwei Aktuatoren für drei Axialbewegungen zwingend;
3b eine Abwicklung eines Teil-Zylinderschnitts durch die Turbinenradbeschaufelung mit Anzeige der Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage Leitgitterträger-Wandung am zweiten Radaustritt und Ebene der Matrizenstirnseite, bzw. Ebene der Schaufelprofiltaschen-Öffnungen in der Optimalposition;
4a ausschnittsweise eine schematische Meridian-Längsschnittansicht der Turbine, gezeigt in der Schließstellung des Stell-Ringkolbens und der MAX-Position der Verstellmatrize, wobei sich der Leitgitterträger mit den Leitschaufeln in der Anschlagsposition mit einer Düsenwandung des Leitgitterträgers über dem zweiten Radaustritt befindet, Verstelleinrichtung des Leitgitterträgers turbinen-hauptaustrittsseitig, Verstelleinrichtung der Matrize turbinen-hauptaustrittsseitig, zwei Aktuatoren für drei Axialbewegungen zwingend;
4b eine Abwicklung eines Teil-Zylinderschnitts durch die Turbinenradbeschaufelung mit Anzeige der Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage Leitgitterträger-Wandung am zweiten Radaustritt und Ebene der Matrizenstirnseite, bzw. Ebene der Schaufelprofiltaschen-Öffnungen in der maximalen Öffnungsposition;
5a ausschnittsweise eine schematische Meridian-Längsschnittansicht der Turbine, gezeigt in der Offenstellung des Stell-Ringkolbens und der Optimal-Position der Verstellmatrize zusammen mit der axialen Stellung des Leitgitterträgers über der Radaussenkontur bei der Abströmung durch die beiden Radausstrittsquerschnitte, Verstelleinrichtung des Leitgitterträgers und der Matrize turbinen-hauptaustrittsseitig, zwei Aktuatoren für drei Axialbewegungen zwingend;
5b eine Abwicklung eines Teil-Zylinderschnitts durch die Turbinenradbeschaufelung mit Anzeige der optimalen Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage Leitgitterträger-Wandung vor Schaufelscheitelpunkt und Ebene der Matrizenstirnseite, bzw. Ebene der Schaufelprofiltaschen-Öffnungen stromab dem Schaufelscheitelpunkt bei der Abströmung durch die beiden engsten Radaustrittsquerschnitte;
6a ausschnittsweise eine schematische Meridian-Längsschnittansicht der Turbine, gezeigt in der Offenstellung des Stell-Ringkolbens und die AbblasePosition der Verstellmatrize zusammen mit der axialen Stellung des Leitgitterträgers über der Radaussenkontur bei der Abströmung durch die beiden Radausstrittsquerschnitte, Verstelleinrichtung des Leitgitterträgers und der Matrize turbinen-hauptaustrittsseitig, zwei Aktuatoren für drei Axialbewegungen zwingend;
6b eine Abwicklung eines Teil-Zylinderschnitts durch die Turbinenradbeschaufelung mit Anzeige der Turbinenrad-Eintrittsringdüsenlage Leitgitterträger-Wandung vor Schaufelscheitelpunkt und Ebene der Matrizenstirnseite, bzw. Ebene der Schaufelprofiltaschen-Öffnungen stromab dem Schaufelscheitelpunkt in einer Rad-Bypassierungsposition bei der Abströmung durch die beiden engsten Radaustrittsquerschnitte und stromab des Turbinenrades;
7 eine Ansicht längs der Raddrehachse auf den Turbinenradaustritt mit dem Schnitt durch die Matrize und Profiltaschen und den Verstellstangen des Leitgitterträgers, wie sie aus den 3a, 4a, 5a und 6a erhältlich sind.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1a zeigt die erfindungsgemäße Turbine 100 mit dem Turbinengehäuse 30, in dem sich der Spiralkanal mit der Spiraleneintrittsfläche A_s0, 13, befindet, der über dem Radumfang in den meisten Fällen einen abnehmenden, linearen Flächenverlauf des Strömungskanals ab der Gehäusezunge 12 aufweist, wo der Düseneintritt bezüglich der Umfangswinkelposition und Strömungsumfangsrichtung beginnt. Das Turbinenrad 10 des betrachten Beispiels, das sich um die Drehachse 8 dreht, besteht aus der Nabe 19 und der Radbeschaufelung 3, dessen Besonderheit ihr Schaufel-Flächenverlauf axial längs des Rades mit den zwei Austrittskanten 4 und 5 ausmacht. Die Radaußenkontur 40 entspricht einem Maximaldurchsatz-Turbinenrad (TRIM100), das den über der gesamten axialen Schaufellänge konstanten Durchmesser D1 besitzt. Die Abströmung des i. Allg. gasförmigen Mediums Abgas erfolgt in dieser 1a nur über die Radaustrittskante 4 durch den engsten Radaustrittsquerschnitt A20 in den Austrittskanal 20 längs des Richtungspfeils 50, der in dieser Meridian-Darstellung der Turbine im Spiraleneintrittsquerschnitt A_s0,13, beginnt, nachdem die Strömung stromauf den Turbinenzufuhrkanal schon durchlaufen hat.
Entsprechend dem Anspruch 1 und seinem Oberbegriff stellt die Turbine 100 mit der ersten Austrittskante 4 und dem einen Austritt 20 die erfindungsgemäße Basis dar, wobei im Anspruch 1 der axial bewegbaren Leitgitterträgers 53 das markante Hauptmerkmal darstellt. Durch die Verschiebung des Leitgitterträgers 53 und der Matrize 63 sind mit dem nur einen Turbinenaustritt A20 große Durchsatz- und Wirkungsgradspreizungen ermöglichbar, die über den Stand der Technik hinausgehen. Das Drallmoment der Impulsänderung an den Schaufeln 9 des Turbinenleitgitters in Umfangsrichtung um die Drehachse 8 würde man über eine in den Skizzen nicht dargestellte axiale Führung des Leitgitterträgers 53 durch das Gehäuse 30 aufnehmen, um eine nachteilige Interaktion dieses Drallmoments in den Profiltaschen 56 der Matrize 63 zu vermeiden. Der optional zweite mögliche Radaustrittskanal 2, der ebenfalls ein Bestandteil des Turbinengehäuses 30 sein kann, ist durch den axialen Ringschieber 7 in seiner Anschlagsposition am Leitgitterträger 53 und Sicherheitsanschlag 24 des Hitzeschilds 23 geschlossen. Der Ringschieber 7 repräsentiert ein wichtiges Element der Verstellvorrichtung VS3, die sich im wesentlichen im nicht dargestellten Lagergehäuse 59 befindet. Zur Verstellvorrichtung VS2, die hier ebenfalls im Lagergehäuse 59 angeordnet sein soll, gehören die Verstellstangen 61, die am Leitgitterträger 53 für seine axiale Bewegung fest fixiert sind. Die Wandung 55 des Leitgitterträgers 53 zusammen mit der Wandung der Matrizenstirnseite, in der Ebene 62 bilden die Düse 1, in der sich das axial bewegliche Turbinenleitgitter mit seinen Leitschaufeln 9 befindet. Der größte Längenanteil der Leitschaufeln 9 tauchen in der dargelegten MIN-Stellung des positionierten Matrizenrings 63 in die Profilöffnungen 56 ein. Der engste Querschnitt des Leitgitters liegt an den Schaufelhinterkanten 11 zu den benachbarten Schaufeln 9 und den beiden erwähnten Wandungen 55 und 62 des Leitgitterträgers 63 und der Matrize mit deren Profiltaschenöffnungsebene 62. Der Matrizenring 63 ist für seine axiale Bewegung mit der Verstellvorrichtung VS1 verbunden. Die axiale Bewegung des Matrizenrings 63 erfolgt über die Führung der gehäuseseitigen Nut 18, in der ein Gleitstein 14 gleitet, der im oder am Matrizenring 63 befestigt wird. Die Verstellvorrichtung VS1 steht mit einem Aktuator über einen verzahnten Kulissenring in Verbindung, der über die betreffende Nutenauslegung bei der Drehbewegung des Kulissenrings auf den Drehwinkel ε_1,min die Matrize 63 in die Position der MIN-Düsenbreite, bzw. der minimalen Schaufelhöhe mit sehr geringen Turbinen- Durchsatzparameter Φ_1t,min versetzt. Das walzenförmige Turbinenrad 10 mit dem konstanten Durchmesser D1 der Außenkontur 40 erlaubt für die beiden verstellbaren Elemente Leitgitterträger 53 mit seiner Innenwandung 15 und dem Matrizenring 63 mit seiner Innenwandung 16, die den Radfunktionsspalt zur Radaußenkontur bestimmen, große Längen-Freiheitsgrade in ihrer axialen Bewegung, wodurch die Düsenlage und die Düsenbreite, bzw. die effektive Schaufelhöhe in weiten Bereichen einstellbar wird und in der Flexibilität über den Stand der Technik hinausgehen. Während lagerseitig, z. B. über eine Kulissennut-Kulissenstein-Konstruktion der Leitgitterträger 53 mittels der Stangen 61 an den äußeren Anschlag 17 über die Verstellvorrichtung VS2 gezogen wird, leistet der Kulissenring im zweiten Fall mit den entsprechenden Nuten über die Verstellvorrichtung VS3 die gegenläufige Kraftrichtung für die Anschlagposition des Ringschiebers 7 zu Gasabdichtung zum Leitgitterträger 53 und der Abdichtstelle 24 am Hitzeschild 23. Die Verstellvorrichtungen VS2 und VS3 positionieren den Leitgitterträger 53 und den Ringschieber 7 gegenläufig über die Auslegung der Kulissennuten in nur einem Kulissenring, der z. B. mittels einer Verzahnung durch nur einen Aktuator somit auf den Drehwinkel ε_23,zu des nicht dargestellten Kulissenrings geregelt wird. Die beiden Aktuatoren, die jeweils mit einem der beiden Kulissenringe, z. B. über eine Verzahnung, verkoppelt sind, erreichen also bei dem Drehwinkel ε_1,min von VS1 die axiale Position der Matrizenstirnebene 62 mit X_1,min und die Verstellvorrichtung VS2 und VS3, die den einen zweiten Kulissenring auf dem Winkel ε_23,zu stehen haben, die die axialen Stellungen des Leitgitterträger 53 bei X_2,min und die des Ringschiebers 7 bei X_3,min bewirken.
Unterhalb der 1a befindet sich die 1b in der entsprechenden axialen Zuordnung und Größe zur 1a als Abwicklungsausschnitt eines Zylinderschnitts 58 mit zwei Schaufeln 3, bzw. mit einem Schaufelkanal. Im Schaufelkanal werden die zwei strömungsrelevanten engsten Kanalquerschnitte e₂₀ und e₂ der beiden Schaufelaustritte 4, 5 zum Hauptaustrittskanal 20 und lagerseitigen Turbinenaustrittskanal 2 kenntlich gemacht. Verdeutlicht werden auch die unterschiedlichen Schaufelaustrittswinkel β₂₀ der Schaufelaustrittskante 4 und der Schaufelaustrittswinkel β₂ der Schaufelaustrittskante 5. Für die Optimierung der beiden eher gegenläufigen Eigenschaften hohe Agilität und große Turbinendurchsatzfähigkeit wird man üblicherweise den Schaufelwinkel β₂₀ der Schaufelaustrittskante 4 merklich kleiner wählen als den Schaufelaustrittswinkel β₂ der Schaufelaustrittskante 5. Die punktierte Linien-Fortführung der beiden Ringdüsenwandungen des Leitgitterträgers 53 und der Matrizenstirnseiten-Ebene 55 und 62 der 1a zeigt über den Linienabstand der Düsenbreite 6 in 1b den Schaufelbereich in den die Einströmung des Gases in der MIN-Position X_2,min des Leitgitterträgers 53 am Anschlag 17 und der Matrizen-MIN-Position X_1,min erfolgt. Bei geschlossenem Stellschieber 7 am Radrücken bei X_3,min mit dem notwendigen Funktionsspalt zur Schaufelkante 5 verläuft die Strömung jetzt nur durch den langen Schaufelkanal mit dem engsten Querschnitt e₂₀ bei kleinem Schaufelaustrittswinkel β₂₀ , wie der Pfeil 50 angedeutet. Der Pfeil 22 gibt die Drehrichtung der Radbeschaufelung um die Drehachse 8 an.
Der wesentliche Unterschied der 2a zur oben beschriebenen 1a zeigt sich in der optimalen Düsenbreite, bzw. Leitgitterschaufelhöhe zwischen den Wandungen des Leitgitterträgers 53 und der stirnseitigen Ebene 62 der axial verschobenen Matrize 63, in der sich die Profiltaschen 56 der Leitschaufeln 9 befinden. Von der konstruktiven Seite werden jetzt die Verstellvorrichtung VS1 (Matrizenbewegung), VS2 (Leitgitterträgerbewegung) und VS3 (Ringkolbenbewegung) komplett von der kühlfähigen Lagerseite bewältigt. Hierzu muss von der dem Matrizenring 63 die relativ zur Leitgitterbeschauflung 9 beweglichen Verstellstangen 65 (z. B. 3 Stück) durch Bohrung im Bereich der maximalen Schaufeldicke der Schaufeln 9 gezogen werden. Der Kulissenring im Lagergehäuse 59, der mit Nuten der Verstellvorrichtung VS1 versehen ist, würde dann die für die axiale Bewegung der Matrize 63 bei der Drehbewegung des Kulissenrings bei dem Winkel ε_1,opt für die axiale Bewegungslänge X_1,opt , der optimalen Düse 1, sorgen. Würde man auch, wie zuvor bei der 1a beschrieben, zusätzlich auch die Verstellstangen 61 (z. B. 3 Stück, gestrichelt angedeutet, gleicher Teilkreis wie die Verstellstangen 65) der Verstellvorrichtung VS2 mit dem gleichen Kulissenring, der angepasste Nuten für die gleichläufige Bewegungsrichtung enthält, ankoppeln, wäre die Gesamtvariablität über der Turbinenrad-Außenkontur 40 in ihrer Gesamtheit lagerseitig im kühlbaren Bereich angeordnet. Prinzipiell wäre auch die zu den Verstelleinrichtungen VS1 und VS2 gegenläufige Bewegungsrichtung durch die Verstelleinrichtung VS3 an dem selben drehbaren Kulissenring über entsprechende Nutenverläufe für den Drehwinkel ε, bzw. ε _3,zu zu realisieren, wodurch die Zuordnung der Verstellbewegungen aller Verstelleinrichtungen VS1, VS2 und VS3 durch nur eine Drehbewegung und einen Aktuator machbar wäre.
Die 2b entspricht bis auf die Kenntlichmachung der optimalen Düsenbreite 6 durch die beiden Ebenen 55 und 62 der Düsenwandungen, die mit der Lage des Leitgitterträgers 53, X_2,min , und der Lage der Matrize 63, X_1,opt , einher geht, der Basis 1b.
Die 3a zeigt wie auch die 2a die Verstellposition der optimalen Düsenbreite, bzw. Leitgitterschaufelhöhe zwischen den Wandungen des Leitgitterträgers 53 und der stirnseitigen Ebene 62 der axial verschobenen Matrize 63, in der sich die Profiltaschen 56 der Leitschaufeln 9 befinden. Von der konstruktiven Seite her werden jetzt die Verstellvorrichtung VS1 (Matrizenbewegung), VS2 (Leitgitterträgerbewegung) und VS3 (Ringkolbenbewegung) in der Weise von der Ringkolbenbewegung VS3 entkoppelt, dass der Leitgitterträger 53 und die Matrize 63 mit der Verstellvorrichtung VS1 und VS2 vom Haupt-Turbinenaustritt 20 her über den einen Kulissenring mit den betreffenden Nutenverläufen bedient werden. Die Verstellstangen 61 des Leitgitterträgers 53 stehen deshalb mit ausgewählten Stirnseiten der Schaufeln 9 in fester Verbindung, ggf. auch als Integralteil, die dann durch den Matrizenring 63 zu dem nicht dargestellten Kulissenring über dem ersten Turbinenaustritt 20 geführt werden, wo dann die axiale Matrizenbewegung der Verstellvorrichtung VS1 und die Leitgitterträgerbewegung der Verstellvorrichtung VS2 mittels dem einen Kulissenring mit dem Drehwinkel ε_1,opt erfolgen kann. Der zweite Kulissenring ist lagerseitig für die Bewegung des Ringschiebers 7 angeordnet und befindet sich bei dem Drehwinkel ε _3,zu in der Schließposition. Es sind somit für die drei axial zu bewegenden Verstellelemente mindestens zwei Aktuatoren erforderlich, wobei die Unabhängigkeit der Stellvorrichtung VS3 des Ringschiebers 7 mit seinem Aktuator von den Stellvorrichtungen VS1 und VS2 des Leitgitterträgers 53 und der Matrize 63 mit mindestens einem weiteren Aktuator als Mehrwert für die Erhöhung der Einflussnahme auf günstige Kombinationen der drei Bewegungspositionen zueinander sehr spürbar sich darstellen dürfte.
Die 3b entspricht der 2b mit der Kenntlichmachung der optimalen Düsenbreite 6 durch die beiden Ebenen 55 und 62 der Düsenwandungen, die mit der Lage des Leitgitterträgers 53, X_2,min , und der Lage der Matrize 63, X_1,opt zur Vervollständigung des Gesamtbildes mit der 3a zusammen.
Die 4a zeigt die Verstellposition der maximalen Düsenbreite, bzw. Leitgitterschaufelhöhe zwischen den Wandungen des Leitgitterträgers 53 und der stirnseitigen Ebene 62 der axial verschobenen Matrize 63, in der sich die Profiltaschen 56 und die Leitschaufeln 9 in geringer Eintauchtiefe befinden. Von der konstruktiven Seite her werden, wie bei 3a, die Verstellvorrichtung VS1 (Matrizenbewegung), VS2 (Leitgitterträgerbewegung) und VS3 (Ringkolbenbewegung) in der Weise von der Ringkolbenbewegung VS3 entkoppelt, dass der Leitgitterträger 53 und die Matrize 63 mit den Verstellvorrichtungen VS1 und VS2 vom Haupt-Turbinenaustritt 20 über den einen Kulissenring mit den betreffenden Nutenverläufen bedient werden können. Die Verstellstangen 61 des Leitgitterträgers 53 stehen deshalb mit ausgewählten Stirnseiten der Schaufeln 9 in fester Verbindung, ggf. auch als Integralteil, die dann durch den Matrizenring 63 zu dem nicht dargestellten Kulissenring über dem ersten Turbinenaustritt 20 geführt werden, wo dann die axiale Matrizenbewegung der Verstellvorrichtung VS1 und die Leitgitterträgerbewegung der Verstellvorrichtung VS2 mittels dem einen Kulissenring mit dem Drehwinkel ε₁,_max erfolgen kann. Der zweite Kulissenring ist lagerseitig für die Bewegung des Ringschiebers 7 angeordnet und befindet sich noch bei dem Drehwinkel ε _3,zu in der Schließposition. Es sind somit für die drei axial zu bewegenden Verstellelemente mindestens zwei Aktuatoren erforderlich, wobei die Unabhängigkeit der Stellvorrichtung VS3 des Ringschiebers 7 mit seinem Aktuator von den Stellvorrichtungen VS1 und VS2 des Leitgitterträgers 53 und der Matrize 63 mit mindestens einem weiteren Aktuator als Mehrwert für die Erhöhung der Einflussnahme auf günstige Kombinationen der drei Bewegungspositionen zueinander sehr spürbar sich darstellen dürfte. Nach Anspruch 1 kann der Ringschieber 7 auch entfallen und durch eine feste Wandung ersetzt werden, wobei der Leitgitterträger 53 den Freiheitsgrad besitzt sich von der Anschlagsposition 17 zur Radmitte hin zu bewegen, um den Durchsatzparameter wie auch den Wirkungsgrad der Turbine markant zu beeinflussen.
Die 4b entspricht bis auf die Kenntlichmachung der maximalen Düsenbreite 6 durch die beiden Ebenen 55 und 62 der Düsenwandungen, die mit der Lage des Leitgitterträgers 53, X_2,min , und der Lage der Matrize 63 ,X_1,max , einher geht, der Basis 3b.
Die 5a zeigt die Optimalposition des Leitgitterträgers 53 zusammen mit der Matrize 63, die die optimalen Düsenbreite 6, bzw. die optimale effektive Schaufelhöhe der Leitschaufeln 9 darstellt, und somit die optimalen Düsenlage der Düse 1 mit optimaler Düsenbreite 6 über der Radaußenkontur 40 bedeutet, wenn das Ausströmen des Gases über die beiden engsten Radaustrittsquerschnitte A20 und A2 an den Radschaufel-Austrittskanten 4 und 5 für den betreffenden Turbinen-Betriebspunkt stattfindet. Die Strömungsrichtung aus dem Spiralgehäuse 13 mit der Kennzeichnung 50 durchläuft das Radialgitter zwischen dem Leigitterträger 53 und der Matrize 63 zum Turbinenrad-Austrittsquerschnitt A20 in den Turbinen- Hauptaustritt 20. Die zweite Strömungsrichtung aus dem Spiralgehäuse 13 mit der Kennzeichnung 51 durchläuft das Radialgitter zwischen dem Leigitterträger 53 und der Matrize 63 zum Turbinenrad-Austrittsquerschnitt A2 in den Turbinenaustritt 2, dessen Kanal 2 lagerseitig weitgehend radial zu größeren Durchmessern nach außen verläuft. Der Kanal 2 und der Kanal 20 vereinigen sich stromab der Turbine üblicherweise vor der Abgasnachbehandlungsanlage, im Falle des Anwendungsfalles einer Turboladerturbine. Die Verstelleinrichtungen VS1 und VS2 sind in Richtung des Turbinen-Hauptaustritts A20 angeordnet und zeigen bei dem Drehwinkel des Kulissenrings den Wert ε_12,opt die Axialverschiebungen der Matrize 63 mit X_12,opt und X_2,opt für den Leitgitterträger 53. Die Verstellvorrichtung des Ringschiebers 7 am Radrücken VS3 erzeugt mit einem zweiten Aktuator den Drehwinkel ε_3,auf , wodurch der Ringschieber 7 den Öffnungsweg X_3,auf in Gegenrichtung zu den Komponenten der Verstelleinrichtung VS1 und VS2 durchläuft.
Der Kern der Erfindung der Ansprüche 1 und 2 geht aus der Positionseinstellung der Turbinenrad-Eintrittsringdüse 1 hervor, die jetzt mit beiden beweglichen Düsenwandungen 55 und 62 den Scheitelpunkt 57 der Turbinenrad-Beschaufelung 3 beidseitig mittels jeweils nahezu der halben Düsenbreite 6 umfassen, wie dies durch die 5b verdeutlicht wird. Die Pfeile 50 und 51 geben den Hinweis zum beidseitigen Strömungsverlauf durch die beiden engsten Kanalquerschnitte e₂₀ und e₂ in die beiden Austrittskanäle 20 und 2 mit den beiden Schaufelwinkeln β₂₀ und β₂ .
In der 6a wird der Vorteil des axial verschobenen Leitgitterträgers 53 für die weitere Leitgitteröffnung über die Radaussenkontur 40 hinaus, ohne dass ein Ausfädeln der Leitschaufeln 9 aus den Profiltaschen 56 der Matrize 63 erfolgt, gezeigt. Durch diese Radbypassierungsposition (ε_12,ab , X_12,ab ) des Leitgitterträgers 53 und der Matrize 63 lässt sich eine gesonderte Abblasevorrichtung einsparen. Bei dem Bedarf durch die Turbine, z. B. in Teillastbereichen des Motors, für eine weitere Entdrosselung zu sorgen, wird also der Leitgitterträger 53, wie auch die Matrize 63 soweit in Richtung des Austritts 20 verstellt, dass das Turbinenrad 10 zunehmend bypassiert werden kann. Um die Bypassierung auf beide Turbinenaustritte A20 und A2 auszuweiten, würde man den Leitgitterträger 53 weiter zur Radmitte hin axial verschieben und den unabhängig regelbaren Ringsschieber 7 offen halten (ε_3,auf , X_3,auf ). Denkbar wäre auch den Turbinenwirkungsgrad durch eine gesteigerte Radventilation bei geschlossenem Ringschieber 7 abzusenken, in dem der Leitgitterträger 53 zur Radmitte positioniert ohne dass eine Abblasung in den Kanal A20 erfolgen würde. Die reine Axialschieberturbine entsprechen Anspruch 1 ohne Ringschieber 7, also mit fester Wandung, hätte somit einen wichtigen Freiheitsgrad für die Modulation des Turbinenwirkungsgrades und dem Entdrosselungsgrad der Gesamtturbine durch sehr große Durchströmflächen um das Turbinenrad im Teillastgebiet der Motoren.
Die Abwicklung der Radbeschauflung, 6b, gibt über die Düsenbreite 6, deren Ebene 62 der Matrizenstirnseite über den Radaustritt der Schaufelkanten 4 ragt, die Information zum Abblasering stromab der Austrittskanten 4 zur Radbybassierung. Die relative Strömungsrichtung zur Radbeschauflung des zusätzlichen Abgasstroms der Abblasung wird mit dem Pfeil 52 markiert.
Die 7 zeigt eine Ansicht längs der Raddrehachse 8 auf den Austritt des Turbinenrades 10 (als Drahtgittermodell) mit dem Schnitt durch Matrize 63 und Profiltaschen 56 und den Verstellstangen 61 des Leitgitterträgers 53, wie sie aus den 3a, 4a, 5a und 6a in der Meridian-Darstellung ersichtlich sind. Die Verstellstangen 61 sind an drei der Schaufeln 9 fixiert oder als Intergralteil der Beschauflung gefertigt. Die Profiltaschen 56 sind gegenüber den Schaufeln mit Funktionsspalten 64 versehen, die sich längs der Beschauflung 9 aus funktionstechnischen Gründen vergrößern können, so wie wir das von der Konusbeschauflungen früherer Entwicklungen kennen. Das Turbinenrad 10 besteht aus den 11 Schaufeln 3, die die beiden Austrittskanten 4 zum Austrittskanal 20 und die Austrittskante 5 zum Austrittskanal 2 vorliegen haben. Der Radspalt von der Radaussenkontur 40 zum Matrizenring 63 wird durch die Festlegung der Innenkontur des Matrizenrings 15 und 16 gebildet.
Zu bemerken ist, dass die Verstellstangen 61 der 7 in Richtung des Lagergehäuses in der 2a nicht sichtbar dargestellt sind. Da sie jedoch auf dem gleichen Teilungsradius der Verstellstangen 65 hier liegen sollen, sind sie in gestrichelt Form auf 2a in der Meridianabbildung des Beispiels überdeckt dargestellt abgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Düse vor Turbinenrad-Eintritt mit Leitbeschauflung
2: Austrittskanal 2 (Radrücken)
20: Austrittskanal 20 (Hauptaustritt)
3: Turbinenrad-Schaufeln
4: Radaustrittskante mit engstem Querschnitt A20
5: Radaustrittskante mit engstem Querschnitt A2
6: Düsenbreite, effektive Leitschaufelhöhe, Leitkanal
7: Ringschieber am Radrücken, Stellschieber 3
8: Drehachse Turbinenrad
9: Leitschaufel, Leitschaufelgitter
10: Turbinenrad
11: Leitschaufelaustrittskante in Düse 1
12: starre Gehäusezunge
13: Spiraleneintrittsquerschnitt Aso
14: Gleitstein
15: Leitschaufelträger-Außenkonturstück radaustrittsseitig A2
16: Matritzen-Außenkonturstück radaustrittsseitig A20
17: Anschlag und Abdichtstelle des Leitgitterträgers
18: axiale Führungsnut
19: Turbinenrad-Nabe
22: Pfeil: Raddrehrichtung
23: Hitzeschild
24: Sicherheitsanschlag am Hitzeschild d. Ringschiebers 7
30: Turbinengehäuse
40: Radaußenkontur
50: Pfeil: Strömungsrichtung von Spiralgehäuse zum Turbinenradhauptaustrittskanal 20
51: Pfeil: Strömungsrichtung von Spiralgehäuse zum Turbinenradrückenaustrittskanal 2
52: Pfeil: Bypassierungsstrom Turbinenrad
53: Leitgitterträger
55: Düsenwandung Leitgitterträger
56: Profiltaschen der Leitschaufeln in Matrize 63
57: Scheitelpunkt der Radschaufelerzeugenden
58: Zylinderschnitt-Ebene durch Beschauflung
59: Lagergehäuse
61: Stange für Verschiebung Leitschaufelträger
62: Ebene Profiltaschenöffnungen Matrizestirnseite
63: Matrizenring-Element mit Schaufelprofiltaschen
64: Leitschaufelspalt zur Profiltaschenoberfläche
65: Stange für Verschiebung der Matrize
100: Turbine
A1: engster effektiver Leitgitterquerschnitt
A2: engster Turbinenrad-Querschnitt Radrücken 2 (e₂ mal Schaufelzahl)
A20: engster Turbinenrad-Querschnitt Hauptaustritt 20 (e₂₀ mal Schaufelzahl)
D1: Turbinenrad-Eintrittsdurchmesser
e₂: engster Radkanal-Querschnitt Radrücken 2
e₂₀: engster Radkanal-Querschnitt Hauptaustritt 20
VS1: Verstellvorrichtung 1
VS2: Verstellvorrichtung 2
VS3: Verstellvorrichtung 3
X₁: axiale Koordinate der Matrize mit Schaufel-Profiltaschen
X_1,max: maximale Leitschaufelhöhe
X_1,min: minimale Schaufelhöhe durch Matrizenposition X_1,min
X_1,opt: wirkungsgradoptimale Leitschaufelhöhe mit Ringschieber zu
X_12,ab: Matrize in Abblase-Radbypassierungsposition
X_12,opt: wirkungsgradoptimale Leitschaufelhöhe mit Ringschieber auf
X₂: axiale Koordinate des Leitschaufelträgers
X_2,ab: Leitschaufelträger in Abblaseposition
X_2,min: axiale Leitschaufelträger in Nullposition X2,min=0
X₃: axiale Koordinate des Ringschiebers
X_3,min: Ringschieber in Schließposition X_3,min =0
X_3,auf: Ringschieber vollständig geöffnet
β₂₀: Schaufelwinkel zur Umfangsrichtung Hauptaustritt 20
β₂: Schaufelwinkel zur Umfangsrichtung Radrücken 2
ε₁: Koordinate der Bewegung der Matritze
ε_1,min: Koordinate Matrize bei minimaler Schaufelhöhe
ε_1,max: Koordinate Matrize bei maximaler Schaufelhöhe
ε_12,opt: Koordinate Matrize und Leitschaufelträger in wirkungsgradoptimaler Position bei hohem Durchsatz
ε₂: Koordinate der Bewegung des Leitschaufelträgers
ε_23,zu: Leitschaufelträger und Ringschieber in Nullposition
ε₃: Koordinate der Bewegung des Ringschiebers
ε_3,zu: Koordinate Ringschieber geschlossen in Nullposition
ε_3,auf: Koordinate Ringschieber geöffnet in Anschlagposition
Φ _1t (kg √K / (s bar m²)): Turbinendurchsatzparameter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0571205 A1 [0005]
DE 102005027080 A1 [0005]
DE 102013002192 [0005, 0023, 0024]
DE 102008063656 A1 [0006]
DE 102012023408 [0007]
DE 2013/000568 PCT [0007]
DE 102016013149 A1 [0007]
DE 102014005744 [0014]
DE 102011010744 [0024]

Claims

Turbine (100) für eine Kraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (30) und mit einen in dem Turbinengehäuse (30) um eine Drehachse (8) relativ zu dem Turbinengehäuse (30) drehbar aufgenommenen Turbinenrad (10), welches einen Turbinenradaustrittsbereich (20) mit einem engsten Austrittsquerschnitt (A20) aufweist, und ein Leitgitterträger (53) mit Leitschaufeln (9), die der Turbinenrad-Außenkontur (40) als Turbinenrad-Eintrittsdüse (1) stromauf vorgelagert sind, und deren durchströmbare Leitkanäle (6) in ihrer axialen Erstreckung durch die Eintrittsebene (62) der Matrizen-Profilöffnungen (56) eines axial beweglichen Matrizenring-Elements 63 mit Profiltaschen (56) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem axial beweglichen Matrizenring-Element (63) mit Profiltaschen (56) zusätzlich auch der Leitgitterträger (53) mit deren Leitbeschauflung (9) axial verschiebbar ausgebildet wird.
Turbine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (10) einen dem Radaustritt (A20) mit dem Schaufelaustrittswinkel β₂₀ axial gegenüberliegenden zweiten Radaustritt (A2) besitzt, der den Schaufelaustrittswinkel β₂ vorliegen hat und den Durchfluss im zweiten Austrittskanal (2) durch die Positionierung eines axialen Ringschiebers (7) mittels der Verstellvorrichtung (VS3) regelbar macht.
Turbine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitgitterträger (53) mit Verstellstangen (61) über einzelne Leitschaufeln (9) verbunden ist, die in Richtung des Turbinenhauptaustritts (20) zur Verstellvorrichtung (VS2) derselben geführt werden, wo auch das axial verschiebbare Matrizenring-Element (63) mit der Verstellvorrichtung (VS1) in Verbindung steht.
Turbine (100) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitgitterträger (53) mit Verstellstangen (61) verbunden ist, die in Richtung des Lagergehäuses (59) zur Verstellvorrichtung (VS2) derselben geführt werden, wo auch der axial verschiebbaren Ringschieber (7) mit der Verstellvorrichtung (VS3) in Verbindung steht.
Turbine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (VS1) des axial beweglichen Matrizenring-Elements (63) mit Profiltaschen (56) und die Verstellvorrichtung (VS2) des Leitgitterträgers (53) mit deren Leitbeschauflung (9) gekoppelt und im Allgemeinen mit gleichläufiger Bewegungsrichtung und ungleichen Weglängen durch nur einen Aktuator bewegt wird.
Turbine (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (VS2) des Leitgitterträgers (53) und deren Leitbeschauflung (9) und die Verstellvorrichtung (VS3) des axial verschiebbaren Ringschiebers (7) gekoppelt und im Allgemeinen mit gegenläufiger Bewegungsrichtung und ungleichen Weglängen durch nur einen Aktuator bewegt wird.
Turbine (100) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (VS1) des axial beweglichen Matrizenring-Elements (63) mit Profiltaschen (56) und die Verstellvorrichtung (VS2) des Leitgitterträgers (53) mit deren Leitbeschauflung (9) eine Wegeinstellung X_12,ab und X_2,ab zur Massenstrom-Teilbypassierung des Turbinenrades erlaubt, wobei die Position des Ringschiebers (7) durch die Verstellvorrichtung (VS3) entsprechend der Reglervorgaben frei einstellbar ist.
Turbine (100) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die relative, maximale Durchsatzkapazität „Turbinen-Durchsatzparameter/ Turbinen-Eintrittsdurchmesser im Quadrat“ ${(Φ_{lt} / D_{1}^{2})}_{ges, max} > 1100 kg \sqrt K/ ({s bar m}^{2})$
ohne Bypassierung des Turbinenrades bei offenem zweiten Radaustrittsquerschnitt A2 gestaltbar ist.
Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine eine Verbrennungskraftmaschine ist und die Turbine (100) als Heißturbine in dessen Turbolader eingesetzt wird.
Turbine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine ein Brennstoffzellenantrieb ist und die Turbine (100) als Bestandteil deren Luftversorgungseinrichtung mit Strömungsmaschinen darstellt.