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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Turbinenstufe mit variabler Turbinengeometrie (VTG) mit einem Leitschaufelverstellmechanismus, der einen Leitschaufellagerring, einen gegenüberliegenden Topring und eine Vielzahl von dazwischen angeordneten Leitschaufeln aufweist, wobei Leitschaufellagerring und Topring durch Abstandshalter zueinander auf Abstand gehalten und verbunden werden.
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Zur Ladedruckregelung bei Abgasturboladern ist der Einsatz einer sogenannten variablen Turbinengeometrie (VTG) bekannt. Hierbei wird der gesamte Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet, was energetisch von Vorteil ist. Dabei wird durch Variation des effektiven Turbineneintrittsquerschnittes das Aufstauverhalten entsprechend dem gewünschten Ladedruckniveau eingestellt.
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Hierbei haben sich verstellbare Leitschaufeln wegen ihres großen Regelbereiches bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden durchgesetzt. Durch eine Schwenkbewegung lässt sich eine einfache Verstellung des Schaufelwinkels vornehmen und so die Anströmrichtung auf das Turbinenlaufrad, die Anströmgeschwindigkeit und der freie Strömungsquerschnitt im Einlass-Ringkanal der Turbine einstellen. Alle Leitschaufeln des Leitschaufelverstellmechanismus sind dazu im Einlass-Ringkanal angeordnet, der durch einen Leitschaufellagerring und einem beabstandet zu diesem angeordneten Topring gebildet ist. Die Leitschaufeln sind dabei um ihre jeweilige Drehachse drehbar in einen Leitschaufellagerring gelagert. Dabei werden die Leitschaufeln entweder über Verdrehnocken oder direkt über einzelne an den Leitschaufeln befestigte Verstellhebel, die in einen gemeinsamen Verstellring, der über einen Hebel verdreht werden kann, synchron in die gewünschte Position gebracht. Die Betätigung des Hebels erfolgt in der Regel durch einen pneumatischen oder elektrischen Aktuator.
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Ein derartiger Leitschaufelverstellmechanismus dient somit dazu, den Abgasstrom je nach Gasdurchsatz zu beschleunigen oder zu entschleunigen und somit die Leistung der Verdichterstufe des Abgasturboladers zu steuern. Dabei sind die Breite des Einlass-Rinkanals, d.h. der Abstand zwischen Leitschaufellagerring und gegenüberliegendem Topring, und das Leitschaufelspiel zwischen dem Leitschaufellagerring und dem gegenüberliegendem Topring im Leitschaufelverstellmechanismus die entscheidenden Merkmale in Bezug auf Leistungsverluste und Funktionssicherheit. Hierbei besteht ein Zielkonflikt zwischen der Funktionssicherheit, die ein ausreichendes Spiel der Leitschaufeln zwischen Leitschaufellagerring und Topring erfordert, um die Wärmedehnung der Komponenten im Betrieb zu berücksichtigen und der Minimierung der Leistungsverluste, die eine möglichst spielfreie Anordnung der Leitschaufeln erfordert, um Strömungsverluste zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader zu schaffen, der einen kostengünstigen Leitschaufelverstellmechanismus mit hoher Funktionssicherheit und gleichzeitig geringen Leistungsverlusten aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Abgasturbolader der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Abstandshalter als Federabstandshalter ausgebildet sind, die im kalten Zustand zwischen Leitschaufellagerring und Topring auf Zug vorgespannt befestigt sind.
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Bisher wurden die Breite des Einlass-Ringkanals und das Schaufelspiel mit einem starren Bauteil (Abstandshalter, Spacer) definiert. Eine höhere Genauigkeit vom Abstandshalter und von den Leitschaufeln sind für eine korrekte Funktionsweise des Leitschaufelverstellmechanismus erforderlich, damit die Leitschaufeln nicht klemmen und Strömungsverluste zwischen Leitschaufeln und Topring bzw. Leitschaufellagerring reduziert werden können. Diese hochgenauen Bauteile verursachen jedoch auch hohe Kosten.
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Erfindungsgemäß werden nunmehr die starren Abstandshalter des Standes der Technik durch Federabstandshalter ersetzt. Die Federabstandshalter werden im kalten Zustand zwischen Leitschaufellagerring und Topring auf Zug vorgespannt befestigt. Hierdurch wird das Schaufelspiel auf ein Minimum reduziert, da der Topring durch die vorgespannten Federabstandshalter gegen die Leitschaufeln vorgespannt ist und somit diese mit ihren sich gegenüberliegenden Stirnseiten am Leitschaufellagerring einerseits und am Topring andererseits anliegen. Da sich die Federhöhe (Höhe der Federabstandshalter) an die Ausdehnung der Leitschaufeln anpasst, kommt es nicht mehr zu einem Klemmen der Leitschaufeln, so dass dadurch die hochgenauen Bauteile des Standes der Technik nicht mehr benötigt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird daher die Klemmgefahr der Leitschaufeln verhindert bzw. reduziert. Dank der Minimierung des Leitschaufelspieles wird der Strömungsverlust zwischen den Leitschaufeln und dem Topring bzw. dem Leitschaufellagerring reduziert. Die Kosten von Leitschaufeln, Topring und Abstandshaltern fallen somit niedriger aus, da für die Teile keine hohen Genauigkeiten mehr erforderlich sind.
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Was die Ausbildung der Federabstandshalter anbetrifft, so finden vorzugsweise Schraubenfedern Verwendung. Andere Federformen, wie Blattfedern, Federklammern, sind erfindungsgemäß ebenfalls möglich.
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Was die Anzahl der Federabstandshalter anbetrifft, so finden vorzugsweise mindestens drei Abstandshalter Verwendung, es können jedoch vorteilhaft auch zum Beispiel 4, 5 oder mehr, vorzugsweise in äquidistantem Abstand zueinander über den Umfang des Leitschaufellagerrings verteilt angeordnete Federabstandshalter zum Einsatz kommen. Die Befestigung der Federabstandshalter am Leitschaufellagerring und/oder am Topring kann vorzugsweise durch Pressen, Nieten, Schweißen erfolgen.
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Der Leitschaufelverstellmechanismus ist vorzugsweise als sogenannte VTG-Kartusche ausgebildet, die sich dadurch auszeichnet, das hierbei insbesondere zumindest der Leitschaufellagerring, der Topring, die Leitschaufeln und die Federabstandshalter sowie ggf. der Verstellring, zu einer eigenständigen vormontierbaren Baugruppe zusammengefasst sind.
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Bei der vorliegenden Erfindung sind die Federabstandshalter im auf Zug vorgespannten kalten Zustand zwischen beiden Ringen befestigt, wodurch, wie erwähnt, sich die Federhöhe an die Breite der zwischen Schaufellagerring und Topring angeordneten Leitschaufeln, die durch Wärmedehnung im Betrieb zunehmen kann, anpasst.
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Eine weitere Verbesserung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Topring relativ zum Leitschaufellagerring schwimmend gelagert und der Leitschaufellagerring relativ zum Lagergehäuse zentriert ist. Die Federabstandshalter sind dabei auch quer zur Hauptdehnungsrichtung elastisch, sodass sich eine schwimmende Lagerung des Toprings in Bezug auf den Leitschaufellagerring und quer zur Hauptachse des Turboladers, die der Drehachse des Turboladerläufers entspricht, und rotatorisch um die Hauptachse ergibt. Eine solche schwimmende Lagerung ist gewollt, um damit ggf. auftretende Spannungen am Topring zu reduzieren. Der Topring kann sich daher, zumindest in geringem Maße, relativ zum Leitschaufellagerring schwimmend quer und rotatorisch zur Hauptachse des Turboladers bewegen.
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Zur Positionsbestimmung des Leitschaufelverstellmechanismus bzw. der VTG-Kartusche in Bezug zum Turbinengehäuse bzw. zum Lagergehäuse des Turboladers ist eine Zentrierung und ggf. Festlegung des Leitschaufellagerringes im Turbinengehäuse bzw. im Lagergehäuse vorteilhaft.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht eines Leitschaufelverstellmechanismus eines Abgasturboladers des Standes Technik; und
- 2 eine Ansicht eines Leitschaufelverstellmechanismus eines erfindungsgemäß ausgebildeten Abgasturboladers.
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Bezugszeichen werden in den Figuren der Zeichnung durchgehend einheitlich zugeordnet.
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Der in den Figuren dargestellte Leitschaufelverstellmechanismus ist als VTG-Kartusche, also als eigenständige Baugruppe ausgebildet. Er besitzt einen Leitschaufellagerring 1, einen mit Abstand dazu gegenüberliegend angeordneten Topring 4 und eine Vielzahl von dazwischen angeordneten Leitschaufeln 2. Leitschaufellagerring 1 und Topring 4 sind durch Abstandshalter 3, sogenannte Spacer im Abstand zueinander fest verbunden. Auf der dem Topring 4 abgewandten Seite des Leitschaufellagerrings 1 ist der Verstellring 5 und die darin eingreifenden Verstellhebel 6 der Leitschaufeln 2 angeordnet. Diese konventionelle Ausführung der VTG-Kartusche macht ein Leitschaufelspiel 8 der Leitschaufeln 2 zwischen Leitschaufellagerring 1 und Topring 4 erforderlich.
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Ein solcher Leitschaufelverstellmechanismus ist aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei finden starre Abstandshalter 3 Verwendung, die die bei 5 dargestellte Breite des Einlass-Ringkanals zwischen Leitschaufellagerring 1 und Topring 4 definieren. Die Abstandshalter 3 sind hierbei so angeordnet, dass sie Leitschaufellagerring 1 und Topring 4 fest miteinander verbinden. Es kommt hierbei auf eine hohe Genauigkeit von Abstandshaltern 3 und Leitschaufeln 2 an, damit die Leitschaufeln nicht klemmen und Strömungsverluste zwischen Leitschaufeln und Topring bzw. Leitschaufellagerring möglichst geringgehalten werden. Die bisher hierfür verwendeten hochgenauen Bauteile verursachen jedoch hohe Kosten.
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2 zeigt einen Leitschaufelverstellmechanismus, ebenfalls in Ausführung einer VTG-Kartusche und in weitgehender Übereinstimmung mit der Ausführung der 1 .Bei der in 2 dargestellten Ausführung sind jedoch die Abstandshalter auf erfindungsgemäße Weise als Federabstandshalter 3a ausgebildet, diese sind im kalten Zustand zwischen Leitschaufellagerring 1 und Topring 4 auf Zug vorgespannt befestigt. Die Befestigung der Federabstandshalter 3a am Leitschaufellagerring 1 und Topring 4 erfolgt hierbei beispielsweise durch Pressen Nieten oder Schweißen. Durch die vorgespannten Federabstandshalter kann das Leitschaufelspiel weitgehend beseitigt werden, da sich die Höhe der Federabstandshalter 3a an die Ausdehnung der Leitschaufeln 2 anpasst. Die Leitschaufeln 2 klemmen daher auch bei Wärmeausdehnung im Betrieb nicht mehr.
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Bei der hier dargestellten Ausführungsform finden Schraubenfedern als Federabstandshalter Verwendung.
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Die vorstehend beschriebene Konstruktion ist so ausgeführt, dass der Topring 4 relativ zum Leitschaufellagerring 1 schwimmend gelagert ist, damit die Spannungen am Topring 4 reduziert werden. Der Topring 4 kann sich daher relativ zum Leitschaufellagerring 1 auch in Querrichtung bewegen. Eine zusätzliche Zentrierung des Leitschaufellagerringes 1 zum Lagergehäuse ist vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitschaufellagerring
- 2
- Leitschaufeln
- 3
- Abstandshalter
- 3a
- Federabstandshalter
- 4
- Topring
- 5
- Verstellring
- 6
- Verstellhebel
- 7
- Breite des Einlass-Ringkanals
- 8
- Leitschaufelspiel
