DE112012001912T5

DE112012001912T5 - Turbolader mit zweiflutigem Turbinengehäuse

Info

Publication number: DE112012001912T5
Application number: DE112012001912.1T
Authority: DE
Inventors: Abraham C. Narehood; Vahidin Alajbegovic; John P. Watson
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2014-01-30
Also published as: RU2013158217A; CN107476836B; CN107476836A; CN103534461B; KR20140033455A; US20140093364A1; CN103534461A; WO2012170754A1; KR101924920B1; US9932843B2

Abstract

Ausführungen der vorliegenden Offenbarung richten sich auf Turbinenaufbauten für Turboladersysteme. Bei einigen Ausführungen umfassen Turbinengehäuse einen Körper, der einen Einlass zur Fluidverbindung mit einer Fluidquelle definiert, und eine Wand, wobei die Wand den Einlass in einen inneren Einlass und einen äußeren Einlass teilt, und einen Fluidführungsaufbau, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Fluidführungsaufbau mehrere Schaufeln umfasst, die in dem Gehäuse eine innere Spirale und eine äußere Spirale abgrenzen, wobei die innere Spirale in Fluidverbindung mit dem inneren Einlass steht, und die äußere Spirale in Fluidverbindung mit dem äußeren Einlass steht, wobei jede Schaufel der mehreren Schaufeln in einem jeweiligen Winkel in Bezug auf eine radiale Richtung fixiert ist, wobei die mehreren Schaufeln einen Fluidstrom von der äußeren Spirale zu der inneren Spirale führen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Turboladen und genauer zweiflutige Turbinen für Turbolader.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Turbolader umfassen typischerweise eine Turbine, die mit einem ersten Ende einer montierten drehbaren Welle gekoppelt ist, und einen Kompressor, der mit einem zweiten Ende der Welle gekoppelt ist. Der Kompressor umfasst im Allgemeinen ein Kompressorrad, das von einem Kompressorgehäuse umschlossen ist, und die Turbine umfasst im Allgemeinen ein Turbinenrad, das von einem Turbinengehäuse umschlossen ist. Während der Verwendung werden Abgase, die durch einen Verbrennungsmotor erzeugt werden, verwendet, um das Turbinenrad anzutreiben, das wiederum das Kompressorrad antreibt. Der Kompressor erhöht den Druck der Luft, die in den Motor gelangt, so dass eine größere Menge an Sauerstoff für die Verbrennung bereitgestellt werden kann, als bei einem Saugmotor im Allgemeinen möglich ist (diese Wirkung kann für Dieselmotoren, die häufig ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis benötigen, das die stöchiometrische Grenze für eine saubere Verbrennung übersteigt, besonders vorteilhaft sein). Diese durch den Kompressor bereitgestellte Druckerhöhung wird gewöhnlich als ”Ladedruck” bezeichnet.
Turbinen umfassen Turbinengehäuse, die so gestaltet sind, dass sie das Turbinenrad aufnehmen und einen Strom des Abgases zu dem Turbinenrad einbringen. Bei einigen Fällen einer hohen Belastung (z. B. hohen Motorgeschwindigkeiten) zwingt die Energie des strömenden Abgases, das dem Turbinenrad bereitgestellt wird, wenn sie ungesteuert bleibt, den Kompressor, mehr Ladedruck zu erzeugen, als der Motor sicher aushalten kann. Dieser Zustand wird als ”Überladung” bezeichnet.
Eine Überladung wurde herkömmlich durch Bereitstellen eines Abgasbypasses oder ”Wastegates” verhindert. Das Wastegate ist so gestaltet, dass es die Energie, die der Turbine bereitgestellt wird, begrenzt, indem es einen Teil des strömenden Abgases von der Turbine weg leitet (d. h., umlenkt). Turbolader, die mit einem Wastegate versehen sind, sind jedoch gewöhnlich für einen niedrigeren Durchflusszustand (z. B. einen Zustand einer geringen Belastung oder Motorgeschwindigkeit) dimensioniert, was bei oder nahe an der Nennleistung ein bedeutendes Umlenken erforderlich macht. Das Umlenken bei der Nennleistung führt häufig zu einem schlechten Kraftstoffverbrauch, da der Verlust an Durchflussmenge durch eine Erhöhung des Expansionsverhältnisses über die Turbine ausgeglichen werden muss. Als Ergebnis steigt der Druck stromaufwärts von der Turbine an, was zu vermehrten Pumpverlusten für den Motor führt.
In der letzten Zeit wurde eine variable Turbinengeometrie (VTG) verwendet, um eine Überladung zu verhindern (die VTG kann auch verwendet werden, um das negative Druckgefälle zu erzeugen, das erforderlich ist, um Abgas zurück in den Ansaugkrümmer zu treiben, eine Dieselemissionsstrategie, die als ”AGR” bezeichnet wird). Die VTG verwendet einen Satz von beweglichen Schaufeln, die in dem Turbinengehäuse angeordnet sind, um den Ladedruck durch Verändern der Geometrie des Innenraums des Turbinengehäuses zu steuern, wodurch der Druck des strömenden Abgases, das zu dem Turbinenrad eingebracht wird, reguliert wird. Obwohl die VTG wirksam ist, ist sie häufig sehr komplex und erfordert komplizierte Steuersysteme. Die Anzahl an kleinen beweglichen Teilen, Sensoren und Steuerungen macht sie teurer und schwerer zu warten als andere Turbolader.
Es wird ständig nach Verbesserungen für leistungsfähigere, kostenwirksamere und anpassungsfähigere Turbolader gesucht, die sowohl für Nieder- als auch für Hochbelastungsbedingungen eine ausreichende Ladedrucksteuerung bereitstellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach einigen Gesichtspunkten umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Turbinengehäuse für einen Turbolader. Bei einigen Ausführungen umfasst ein Turbinengehäuse einen Körper, der einen Einlass zur Fluidverbindung mit einer Fluidquelle definiert, und eine Wand, wobei die Wand den Einlass in einen inneren Einlass und einen äußeren Einlass teilt, und einen Fluidführungsaufbau, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Fluidführungsaufbau mehrere Schaufeln umfasst, die in dem Gehäuse eine innere Spirale und eine äußere Spirale abgrenzen, wobei die innere Spirale in einer Fluidverbindung mit dem inneren Einlass steht, und die äußere Spirale in einer Fluidverbindung mit dem äußeren Einlass steht, wobei jede Schaufel der mehreren Schaufeln in einem jeweiligen Winkel in Bezug auf eine radiale Richtung fixiert ist, wobei die mehreren Schaufeln den Fluidstrom von der äußeren Spirale zu der inneren Spirale führen.
Nach einigen Gesichtspunkten umfasst der Fluidführungsaufbau ferner eine Leitplatte, die an dem Körper befestigt ist. Nach einigen Gesichtspunkten sind die Schaufeln jeweils an der Leitplatte befestigt. Nach einigen Gesichtspunkten sind die Schaufeln jeweils einstückig mit der Leitplatte ausgeführt.
Nach einigen Gesichtspunkten ist wenigstens eine der Schaufeln in einem ausgewählten Winkel in Bezug auf das radiale Zentrum des Turbinenrads positioniert. Nach einigen Gesichtspunkten liegt der ausgewählte Winkel zwischen ungefähr 30° und ungefähr 80°. Nach einigen Gesichtspunkten liegt der ausgewählte Winkel zwischen ungefähr 40° und ungefähr 70°. Nach einigen Gesichtspunkten liegt der ausgewählte Winkel zwischen ungefähr 50° und 60°. Nach einigen Gesichtspunkten ist jede der Schaufeln in dem ausgewählten Winkel positioniert. Nach einigen Gesichtspunkten umfasst der ausgewählte Winkel einen ersten ausgewählten Winkel und wenigstens eine andere Schaufel ist in einem zweiten ausgewählten Winkel in Bezug auf das radiale Zentrum der Turbinenschaufel positioniert. Nach einigen Gesichtspunkten ist der ausgewählte Winkel von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen.
Nach einigen Gesichtspunkten sind die Schaufeln so positioniert, dass sie einen Einfallswinkel des Fluidstroms in Bezug auf ein Turbinenrad bereitstellen. Nach einigen Gesichtspunkten beträgt der Einfallswinkel höchstens ungefähr 10°.
Nach einigen Gesichtspunkten ist der jeweilige Winkel jeder Schaufel bereitgestellt, um eine Fluidstromtrennung über die Schaufel hinweg zu verhindern.
Nach einigen Gesichtspunkten umfasst wenigstens eine der Schaufeln eine nicht symmetrische tragflächenförmige Schaufel.
Nach einigen Gesichtspunkten umfasst der Einlass einen inneren Fluiddurchgang und einen äußeren Fluiddurchgang und steht der innere Fluiddurchgang in einer Fluidverbindung mit der inneren Spirale.
Nach einigen Gesichtspunkten umfasst das Gehäuse ferner einen Ventilaufbau zur Regulierung der Fluidverbindung zwischen dem äußeren Einlass und der äußeren Spirale, wobei der Ventilaufbau einen Schieber umfasst, der zwischen einer vollständig geschlossenen Position, um einen Fluidstrom durch den äußeren Einlass zu verhindern, und einer vollständig geöffneten Position, um einen Fluidstrom durch den äußeren Einlass zu ermöglichen, beweglich ist. Nach einigen Gesichtspunkten beträgt der jeweilige Winkel der Schaufeln von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ungefähr 60°, und der Schieber ist in einer zu 80% offenen Stellung positioniert, um eine Spitzenleistungsfähigkeit des Turboladers bereitzustellen. Nach einigen Gesichtspunkten beträgt der jeweilige Winkel der Schaufeln von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ungefähr 55°, und der Schieber ist in einer zu 80% offenen Stellung positioniert, um eine Spitzenleistungsfähigkeit des Turboladers bereitzustellen. Nach einigen Gesichtspunkten beträgt der jeweilige Winkel der Schaufeln von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ungefähr 50°, und der Schieber ist in einer zu ungefähr 100% offenen Stellung positioniert, um eine Spitzenleistungsfähigkeit des Turboladers bereitzustellen.
Nach einigen Gesichtspunkten umfasst ein Turbolader wie hier offenbarte Ausführungen eines Gehäuses.
Nach einigen Gesichtspunkten werden Ausführungen eines Verfahrens zur Herstellung eines Turboladergehäuses bereitgestellt. Nach einigen Gesichtspunkten umfasst ein Verfahren das Bilden des Körpers, wobei der Körper einen Einlass zur Fluidverbindung mit einer Fluidquelle definiert, und einer Wand, wobei die Wand den Einlass in einen inneren Einlass und einen äußeren Einlass teilt, das Montieren des Fluidführungsaufbaus, wobei der Fluidführungsaufbau die mehreren Schaufeln umfasst, die jeweils in einem jeweiligen Winkel in Bezug zu einer radialen Richtung fixiert sind, und das derartige Befestigen des Fluidführungsaufbaus in dem Körper, so dass die mehreren Schaufeln in dem Gehäuse eine innere Spirale und eine äußere Spirale abgrenzen, wobei die innere Spirale in einer Fluidverbindung mit dem inneren Einlass steht, und die äußere Spirale in einer Fluidverbindung mit dem äußeren Einlass steht, wobei die mehreren Schaufeln dazu betriebsfähig sind, den Fluidstrom von der äußeren Spirale zu der inneren Spirale zu führen.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen offensichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Turbinenaufbaus für Turboladersysteme.
2 ist eine Querschnittansicht des beispielhaften Turbinenaufbaus von 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Fluidführungsaufbaus, der Leitschaufeln umfasst.
4A ist eine Draufsicht auf den Fluidführungsaufbau von 3, der Leitschaufeln umfasst.
4B ist ein Teil der Draufsicht von 4A, der den Fluidstrom über die Leitschaufeln zeigt.
5A ist eine Draufsicht auf die Leitplatte von 3 ohne die Leitschaufeln.
5B ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Leitschaufel.
6A ist eine vordere perspektivische Ansicht einer zweiten beispielhaften Leitplatte, die einstückig ausgeführte Leitschaufeln umfasst.
6B ist eine hintere perspektivische Ansicht der Leitplatte von 6A.
7A ist eine Querschnittansicht des beispielhaften Turbinenaufbaus von 1, die einen ersten beispielhaften Fluidstrom darstellt.
7B ist eine Querschnittansicht des beispielhaften Turbinenaufbaus von 1, die einen zweiten beispielhaften Fluidstrom darstellt.
8 ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte modulare Leitplatte.
9A ist eine vordere perspektivische Ansicht der modularen Leitplatte von 8.
9B ist eine hintere perspektivische Ansicht der modularen Leitplatte von 8.
10 ist eine Querschnittansicht der modularen Leitplatte von 8, die in dem Turbinenaufbau von 1 angeordnet ist.
11A ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte modulare Leitplatte, die Leitschaufeln umfasst, welche in einer logarithmischen Schneckenanordnung angeordnet sind.
11B ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte modulare Leitplatte, die Leitschaufeln und Teilerschaufeln umfasst.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen geben gleiche Elemente an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind im Allgemeinen auf Turbinenaufbauten für Turboladersysteme gerichtet, die eine Doppelspiralenanordnung zur selektiven Bereitstellung mehrerer Fluidstromwege zum Antrieb eines Turbinenrads umfassen. Im Besonderen umfassen Ausführungen der vorliegenden Offenbarung mehrere Leitschaufeln, die in einem Turbinengehäuse angeordnet sind, um eine innere Spirale und eine äußere Spirale abzugrenzen. Die Leitschaufeln richten den Fluidstrom von der äußeren Spirale zu der inneren Spirale und letztendlich zu dem Turbinenrad. Bei einigen Ausführungen sind die Leitschaufeln so gestaltet und positioniert, dass ein gewünschter Einfallswinkel auf das Turbinenrad bereitgestellt wird, um eine Fluidstromtrennung über die Leitschaufeln hinweg zu verhindern und/oder einen gewünschten Drosselbereich zwischen den Leitschaufeln bereitzustellen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Turbinenaufbaus 100, und 2 ist eine Querschnittansicht des beispielhaften Turbinenaufbaus 100. Der Turbinenaufbau 100 kann ein Bestandteil eines Turboladersystems oder eines Turboladersatzes sein. Zum Beispiel kann der Turbinenaufbau 100 eine passende Umschließung für ein Turbinenrad 102 (in 2 schematisch dargestellt) bereitstellen. In diesem Sinne kann ein Bestandteil als einzelner Bestandteil oder Kombination von miteinander gekoppelten Bestandteilen mit verschiedenen regelmäßigen und unregelmäßigen Formen bereitgestellt sein. Bei dem Beispiel von 1 und 2 ist der Turbinenaufbau 100 so gestaltet, dass er einen Strom eines mit Druck beaufschlagten Fluids (z. B. Abgasprodukte eines Verbrennungsmotors) zu dem Turbinenrad 102 leitet. Genauer umfasst der Turbinenaufbau 100 ein oder mehrere physische Merkmale (z. B. Flächen, Elemente, Aufbauten usw.), die nachstehend näher beschrieben sind, und die so geformt, positioniert und/oder angeordnet sind, dass ein Strom von mit Druck beaufschlagtem Fluid, der in das Gehäuse eindringt, zu dem Turbinenrad 102 geführt wird. Das Fluid kann eine Flüssigkeit, ein Gas, Dampf oder jede beliebige Mischung oder Kombination davon sein.
Der Turbinenaufbau 100 umfasst einen Körper 104, der sowohl einen Einlassventilaufbau 106 als auch einen Führungsaufbau 108 hält. Während der Verwendung ist der Körper 104 mit einer Fluidquelle (z. B. einem mit einem Motor gekoppelten Abgaskrümmer) gekoppelt, die den Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids bereitstellt. Der Körper 104 kann durch eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung (z. B. eine oder mehrere dazwischenliegende Verbindungen) zwischen einem oder mehreren Objekten oder Bestandteilen mit der Fluidquelle gekoppelt sein. Wenn der Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids in einen Innenraum des Körpers 104 gelangt, reguliert der Einlassventilaufbau 106 den Fluidstrom durch einen oder mehrere Teile eines Einlasses. Der Führungsaufbau 108 führt den Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids von dem Einlass zu dem Turbinenrad 102.
Bei einigen Ausführungen kann der Körper 104 verschiedene regelmäßige oder unregelmäßige Formen aufweisen. Zum Beispiel können Teile des Körpers 104 gerade, gebogen oder eine Kombination von beidem sein. Entsprechend kann der Körper 104 mit jeder beliebigen geeigneten Form oder Größe bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist der Körper 104 wie gezeigt unregelmäßig geformt und umfasst sowohl im Wesentlichen gerade als auch gebogene Flächen. Zusätzlich ist der Körper 104 bei diesem Beispiel passend dimensioniert, um in einem Motorraum eines Motorfahrzeugs angeordnet zu werden. Der Körper 104 umfasst eine Innenfläche 110 und eine Außenfläche 112, die einen oder mehrere Teile des Körpers 104 definieren. Im Allgemeinen kann der Körper 104 aus einem Stoff bestehen, der ein oder mehrere Materialien enthält, die in Bezug auf typische Abgasprodukte eines Verbrennungsmotors größtenteils chemisch inert sind.
Bei einigen Ausführungen kann die Innenfläche 110 und/oder die Außenfläche 112 eine Beschichtung umfassen, die in Bezug auf typische Abgasprodukte eines Verbrennungsmotors größtenteils chemisch inert ist. Bei einigen Ausführungen umfassen die Innenfläche 110 und die Außenfläche 112 einen oder mehrere aufgeraute und/oder im Wesentlichen glatte Abschnitte. Zum Beispiel kann die Innenfläche 110 einen oder mehrere glatte Abschnitte umfassen, um jegliche Reibungsdruckverluste (z. B. Druckverluste), die das durch den Innenraum des Körpers 104 strömende mit Druck beaufschlagte Fluid erfährt, zu begrenzen. Bei einigen Beispielen umfasst die Außenfläche 112 einen oder mehrere aufgeraute Abschnitte, um eine vermehrte Kühlwirkung auf den Körper 104 bereitzustellen. Zum Beispiel können die aufgerauten Abschnitte einen Wirbelstrom in einem Kühlfluid (z. B. Luft, Öl usw.), das über die Außenfläche 112 strömt, fördern, wodurch die Rate der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlfluid und dem Körper 104 erhöht wird.
Wie gezeigt umfasst der Körper 104 einen Fluideinlass 114, einen Fluidauslass 116, ein Kopplungselement 118, einen Ventilraum 120 und einen Innenraum 122, deren Einzelheiten nachstehend beschrieben sind. Bei dem veranschaulichten Beispiel ermöglicht der Fluideinlass 114, dass der durch die Fluidquelle bereitgestellte Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids in den Innenraum 122 des Körpers 104 gelangt. Zum Beispiel kann der Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids durch eine Öffnung 124, die in dem Fluideinlass 114 definiert ist, verlaufen. Die Öffnung 124 kann eine passende Form (z. B. rund, elliptisch, vieleckig oder eine Kombination von geraden und gekrümmten Kanten umfassend) umfassen und von einer passenden Größe (z. B. Fläche) sein, um zu ermöglichen, dass der Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids mit einer gewählten Durchflussmenge in den Innenraum 122 gelangt.
Der Fluideinlass 114 ist geteilt, um einen inneren Einlass 126 und einen äußeren Einlass 128 bereitzustellen. Der innere Einlass 126 ist durch die Außenfläche einer Innenwand 130 und die Innenfläche einer Trennwand 132 (siehe 2) begrenzt. Der äußere Einlass 128 ist durch die Außenfläche der Trennwand 132 und die Innenfläche 110 begrenzt. Wie gezeigt steht der innere Einlass 126 in einer Fluidverbindung mit einer inneren Spirale 158 des Körpers 104, und steht der äußere Einlass 128 durch den Betrieb des Einlassventilaufbaus 106 in einer selektiven Fluidverbindung mit einer äußeren Spirale 160 des Körpers 104, wie nachstehend ausführlicher besprochen wird. Jede aus der inneren Spirale 158 und der äußeren Spirale 160 kann als spiralförmiger oder verdrehter Durchgang, Kanal oder Gehäuse zur Aufnahme und Führung eines Fluidstroms bereitgestellt sein. Bei dem veranschaulichten Beispiel stellt der innere Einlass 126 in Verbindung mit der inneren Spirale des Körpers 104 einen primären Pfad für den Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids zu dem Turbinenrad 102 bereit. Zusätzlich zu dem primären Pfad stellt der äußere Einlass 128 in Verbindung mit der äußeren Spirale 160 einen Zusatzpfad für den Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids zu dem Turbinenrad 102 bereit. Wie gezeigt umfassen die inneren und die äußeren Flächen, die den inneren und den äußeren Einlass 126, 128 begrenzen, eine Krümmung, die der Krümmung der inneren Spirale 158 und der äußeren Spirale 160 entspricht, wodurch der Druckverlust, den ein zu dem Turbinenrad 102 strömendes mit Druck beaufschlagtes Fluid erfährt, begrenzt wird.
Der Fluideinlass 114 kann so mit der Fluidquelle gekoppelt oder verbunden sein, dass der Fluideinlass 114 und die Fluidquelle miteinander in eine Fluidverbindung gebracht sind. Der Fluideinlass 114 umfasst ferner einen Flansch 134, um den Fluideinlass 114 mit der Fluidquelle zu verbinden. Der Flansch 134 umfasst Öffnungen 136, die ein oder mehrere mechanische Befestigungsmittel (nicht gezeigt) aufnehmen, um den Fluideinlass 114 mit der Fluidquelle zu verbinden. Die mechanischen Befestigungsmittel koppeln zwei oder mehr Elemente aneinander und können einen Schraubenbolzen, einen Still, einen Niet, einen Draht, eine Schweißung oder jede beliebige Kombination dieser Elemente umfassen.
Der Fluidauslass 116 ermöglicht, dass der Strom des Fluids den Innenraum 122 verlässt, nachdem er das Turbinenrad 102 angetrieben hat. Zum Beispiel kann der ausgestoßene Strom des Fluids durch eine Öffnung verlaufen, die durch den Fluidauslass 116 definiert wird. Die Öffnung kann eine passende Form (z. B. rund, elliptisch, vieleckig oder eine Kombination von geraden und gekrümmten Kanten umfassend) und Größe umfassen, um zu ermöglichen, dass der ausgestoßene Strom des Fluids den Innenraum 122 verlasst. Wie in 1 gezeigt ist das Kopplungselement 118 als axialer Vorsprung bereitgestellt. Das Kopplungselement 118 kann äußerliche Merkmale umfassen, die mit komplementären Merkmalen eines Auspuffbestandteils eingreifen können. Bei einigen Beispielen ist das Kopplungselement 118 so gestaltet, dass ein oder mehr Dichtungselemente (z. B. Metalldichtungen, Dichtringdichtungen usw.) darum herum gehalten werden, um eine Abdichtung zu einem Auspuffbestandteil vorzunehmen und einen Ausstoß des Fluidstroms in die Atmosphäre zu verhindern.
Wie in 2 gezeigt definiert der Ventilraum 120 einen Innenraum 142, der eine passende Form und Größe umfasst, um einen oder mehrere Bestandteile des Einlassventilaufbaus 106 aufzunehmen. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist der Innenraum 142 ausreichend groß, um zu ermöglichen, dass der Einlassventilaufbau 106 zwischen einer geschlossenen Position und einer vollständig geöffneten Position betätigt wird. Eine geöffnete Position kann jede beliebige Ventilposition umfassen, die einen Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 und in die äußere Spirale 160 ermöglicht. Die geschlossene Position umfasst eine Ventilposition, in der der Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 blockiert ist. Wenn sich das Einlassventil 106 in der geschlossenen Position befindet, ist die äußere Spirale 160 von dem äußeren Einlass 128 abgetrennt und ist der Fluidstrom zu der äußeren Spirale 160 unterbunden. Wenn sich das Einlassventil 106 in einer geöffneten Position befindet, steht die äußere Spirale 160 in einer Fluidverbindung mit dem äußeren Einlass 128. Das Einlassventil 106 kann zwischen der geschlossenen Position und der vollständig geöffneten Position verstellt werden, um den Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 von einem minimalen Fluidstrom bis zu einem maximalen Fluidstrom zu regulieren. Der Ventilraum 120 umfasst einen Flansch (nicht gezeigt) mit Öffnungen 144, die ein oder mehrere Befestigungsmittel (nicht gezeigt) zum Anschließen und drehbaren Halten des Einlassventils 106 in dem Ventilraum 120 aufnehmen, wie nachstehend ausführlicher besprochen wird.
Der Innenraum 122 kann eine geeignete Form und Größe zur Aufnahme des Turbinenrads 102 und des Fluidführungsaufbaus 108 umfassen. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist der Innenraum 122 auch passend geformt, um die Fähigkeit des Fluidführungsaufbaus 108, den Strom des Fluids von dem Fluideinlass 114 zu dem Turbinenrad 102 zu führen, zu steigern. Zum Beispiel und wie in 2 gezeigt umfasst der Innenraum 122 einen schneckenförmigen Querschnitt, der zu dem Turbinenrad 102 führt.
Der Einlassventilaufbau 106 umfasst eine Basisplatte 148, eine Kopplung 150 und einen Schieber 152. Die Basisplatte 148 ist fest mit dem Körper 104 gekoppelt und stellt eine strukturelle Basis für ein oder mehrere andere Elemente des Einlassventils 106 bereit. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist die Basisplatte 148 an dem Flansch des Ventilraums 120 montiert und unter Verwendung mechanischer Befestigungsmittel 146, die durch die Öffnungen 144 aufgenommen werden, fest mit dem Körper 104 verbunden. Die Kopplung 150 stellt eine mechanische Verbindung zwischen dem Schieber 152 und der Basisplatte 148 bereit. Zum Beispiel ist ein erster Abschnitt der Kopplung 150 mit der Basisplatte 148 gekoppelt und ein zweiter Abschnitt der Kopplung 150 mit dem Schieber 152 gekoppelt. Bei diesem Beispiel umfasst die Kopplung 150 eine Welle, die drehbar an der Basisplatte 148 angebracht ist (zum Beispiel über eine oder mehrere Buchsen, Lager usw.). Ein Ende des Schiebers 152 ist so mit der Welle gekoppelt, dass das Drehen der Welle dem Schieber 152 eine Gelenkbewegung vermittelt (siehe 2). Der Schieber 152 dient als strukturelles Mittel für den Fluidzugang durch den äußeren Einlass 128 zu der äußeren Spirale 160. Zum Beispiel ist der Schieber 152 dann, wenn sich das Einlassventil 106 in einer geschlossenen Position befindet, über den äußeren Einlass 128 hinweg positioniert, wodurch ein Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 blockiert oder verhindert wird. Wenn das Einlassventil 106 in eine geöffnete Position verstellt wird, bewegt sich der Schieber 152 von dem äußeren Einlass 128 weg, um einen Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 zu ermöglichen (siehe 2). Das Einlassventil 106 kann von der geschlossenen Position zu mehreren geöffneten Positionen verstellt werden. Bei einer oder mehreren geöffneten Positionen wird der Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 wenigstens teilweise blockiert; und bei einer oder mehreren anderen geöffneten Positionen (z. B. einer vollständig geöffneten Position) wird der Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 im Wesentlichen nicht blockiert. Das Verstellen des Einlassventils 106 kann durch einen Aktuator (nicht gezeigt), der betrieblich mit der Kopplung 150 gekoppelt ist, bewerkstelligt werden. Der Aktuator kann durch jede beliebige passende Quelle betrieben werden (z. B. eine mechanische Kopplung, elektrischen Strom, Hydraulikfluiddruck und/oder pneumatischen Druck).
Eine Position des Schiebers 152 kann in Form eines Prozentsatzes der Öffnung in Bezug auf eine vollständig geöffnete Position (100% offen) und eine vollständig geschlossene Position (0% offen) bereitgestellt werden. Die Position kann eine unbegrenzte Anzahl an Positionen zwischen der vollständig geöffneten Position (100% offen) und der vollständig geschlossenen Position (0% offen) umfassen. Beispielhafte Positionen zwischen der vollständig geöffneten Position (100% offen) und der vollständig geschlossenen Position (0% offen) können 20% offen, 50% offen und 80% offen umfassen.
Das Einlassventil 106 reguliert während der Verwendung den Strom des Fluids durch einen oder mehrere Abschnitte des Fluideinlasses 114. Genauer ist das Einlassventil 106 so gestaltet, dass es den Strom des Fluids durch den äußeren Einlass 128 selektiv reguliert. Bei dem veranschaulichten Beispiel befindet sich das Einlassventil 106 in der vollständig geschlossenen Position (0% offen), wodurch der Fluidstrom durch den äußeren Einlass 128 blockiert wird. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, den Durchfluss des Fluids, das auf das Turbinenrad 102 trifft, zu regulieren (z. B. um eine Überladung zu verhindern). Der Durchfluss kann durch Einstellen des Einlassventils 106 auf eine geöffnete Position (z. B. > 0% offen) reguliert werden, wodurch die gesamte Beschränkung für den Strom, die durch den Körper 104 bereitgestellt wird, verringert wird, indem einem Teil des Fluids gestattet wird, durch einen Zusatzpfad, der durch den äußeren Einlass 128 hindurch bereitgestellt wird, zu strömen. Als Ergebnis kann der Druck stromaufwärts von dem Turbinenrad 102 wesentlich verringert werden. Diese Verringerung des Ausdehnungsverhältnisses kann zu einer Verringerung der Extraktion von Arbeit durch das Turbinenrad 102 führen, was den Ladedruck, der dem Motor durch den Turbolader bereitgestellt wird, begrenzt. Der Durchfluss kann auch durch Einstellen des Einlassventils 106 von einer geöffneten Position (z. B. 20% offen, 50% offen usw.) auf eine wenigstens teilweise geschlossene Position (d. h., jede beliebige Ventilposition, die weniger offen ist, als die vorhergehende Ventilposition) reguliert werden. Das Schließen des Einlassventils 106 kann sowohl die Durchflussbeschränkung als auch die Turbinenarbeitsextraktion erhöhen, was zu einem Anstieg des Ladedrucks, der durch den Turbolader bereitgestellt wird, führt.
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 3 bis 4B werden perspektivische Ansichten des Fluidführungsaufbaus 108 und Draufsichten darauf bereitgestellt. Der Fluidführungsaufbau 108 ist so gestaltet, dass er den Strom des Fluids von dem Fluideinlass 114 zu dem Turbinenrad 102 führt. Genauer umfasst der Fluidführungsaufbau 108 einen oder mehrere nachstehend ausführlicher beschriebene Bestandteile, die so geformt, positioniert und/oder angeordnet sind, dass das Fluid zu dem Turbinenrad 102 hin geführt wird. Bei dem veranschaulichten Beispiel umfasst der Fluidführungsaufbau 108 eine Leitplatte 154a und mehrere Fluidführungselemente, die als Leitschaufeln 156a bereitgestellt sind. Der Fluidführungsaufbau 108 ist so mit dem Körper 104 gekoppelt, dass die Leitschaufeln 156a in dem Innenraum 122 angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt trennen die Leitschaufeln 156a einen Teil des Innenraums ab, um die innere Spirale 158 und die äußere Spirale 160 (siehe 2) zu definieren.
5A ist eine Draufsicht auf die Leitplatte 154a. Die Leitplatte 154a kann eine geeignete Form und Größe umfassen, um die Leitschaufeln 156a in einer ausgewählten Gestaltung anzubringen und zu fixieren. Zum Beispiel, und wie dargestellt, ist die Leitplatte 154a in der Form einer krummlinigen Platte bereitgestellt, die eine Öffnung 162 und Schlüsselnuten 164 definiert. Wie gezeigt ist die Öffnung 162 kreisförmig und von ausreichender Größe, um das Turbinenrad 102 aufzunehmen. Die Schlüsselnuten 164 nehmen Teile der Leitschaufeln 156a so auf, dass die Leitschaufeln 156a in einer ausgewählten Ausrichtung drehbar an der Leitplatte 154a fixiert sind. Bei dem veranschaulichten Beispiel umfassen die Schlüsselnuten 164 nicht kreisförmige Öffnungen, um eine Drehbewegung der Leitschaufeln 156a zu verhindern. Die Schlüsselnuten 164 sind in der Leitplatte 154a von einem von einer Mitte 161 der Öffnung 162 genommenen Radius 159 verschoben angeordnet. Das heißt, die Schlüsselnuten 164 sind in Bezug auf die Mitte 161 der Öffnung 162 entlang eines spiralförmigen Pfads 163 angeordnet. Folglich sind die Leitschaufeln 156a dann, wenn die Leitschaufeln 156a in den Schlüsselnuten 164 fixiert sind, von der radialen Richtung verschoben entlang des spiralförmigen Pfads 163 angeordnet. Wie hier ausführlicher besprochen wird, kann die ausgewählte Ausrichtung der Leitschaufeln 156a einen ausgewählten Winkel in Bezug auf den Radius 159 von der Mitte 161 der Öffnung 162 umfassen.
5B ist eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel 156a. Die Leitschaufel 156a umfasst eine Schaufelsäule 166, die mit einem Schaufelkörper 168 gekoppelt ist. Die Schaufelsäule 166 kann durch jedes beliebige bekannte Verfahren (z. B. Schweißen, Kleben usw.) mit dem Schaufelkörper 168 gekoppelt sein. Alternativ sind die Schaufelsäule 166 und der Schaufelkörper 168 bei manchen Ausführungen als einzelner Bestandteil ausgeführt (z. B. durch Gießen). Die Schaufelsäule 166 umfasst eine geeignete Form und Größe, um fest in einer Schlüsselnut 164 angeordnet zu werden. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist das untere Ende der Schaufelsäule 166 passend geformt und dimensioniert, um in eine Schlüsselnut 164 pressgepasst zu werden. Bei einigen Beispielen ist die Schaufelsäule so gestaltet, dass sie einem heftigen Biegen oder Scherbeanspruchungen, die durch den Strom des Fluids über die Fluidanlageflächen des Schaufelkörpers 168 erfahren werden, widerstehen kann. Die Schaufelsäule 166 umfasst einen inneren Flansch 170 und einen äußeren Flansch 172, um die Belastung, die während der Verwendung durch den Schaufelkörper 168 zu der Schaufelsäule 166 weitergegeben wird, zu verteilen. Bei einigen Beispielen ist ein Kanal 174 über den Schaufelkörper 168 hinweg definiert, um einen unbehinderten Fluidweg für den Strom des Fluids entlang einer Längsrichtung des Schaufelkörpers 168 bereitzustellen. Bei einigen Ausführungen ist der Kanal 174 durch Seitenschienen erweitert, um ein Auslaufen des mit Druck beaufschlagten Fluids um die Leitschaufel 156a zu verhindern.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 5B umfasst der Schaufelkörper 168 eine innere Fluidanlagefläche 176, eine äußere Fluidanlagefläche 178, eine Seitenfläche 180, eine Vorderkante 182 und eine Abströmkante 184. Die Geometrie des Schaufelkörpers 168 (z. B. die Kombination aus der Dicke, der Wölbung usw.) ist bereitgestellt, um während der Verwendung bestimmte Fluiddurchflusseigenschaften zu erzielen. Zum Beispiel kann der Schaufelkörper 168 eine nicht symmetrische Tragflächenform aufweisen, um parasitäre Verluste in dem Fluidstrom zu verringern. Tragflächenförmige Leitschaufeln können auch für ein sanftes Einmischen des Fluids, das von der äußeren Spirale 160 zu der inneren Spirale 158 strömt, wenn sich das Einlassventil 106 in der geöffneten Stellung befindet, sorgen. Ferner ist die Geometrie des Schaufelkörpers 168 bei dem veranschaulichten Beispiel bereitgestellt, um eine Trennung des Stroms des Fluids sowohl von der inneren als auch der äußeren Fluidanlagefläche 176, 178 zu verhindern. Bei einigen Ausführungen umfassen die innere und die äußere Fluidanlagefläche 176, 178 glatte Flächen, um eine Fluidstromtrennung zu verhindern.
Wie oben beschrieben, und bei einigen Ausführungen, können die Leitschaufeln 156a als Bestandteile, die von der Leitplatte 154a getrennt sind, gebildet werden und können anschließend damit gekoppelt werden. 6A und 6B veranschaulichen jedoch, dass Leitschaufeln 156b bei einigen anderen Beispielen einstückig mit einer Leitplatte 154b ausgeführt sein können. Das heißt, die Leitplatte 154b und die Leitschaufeln 156b können als einzelner Bestandteil gebildet sein. Wie in 6A und 6B gezeigt sind die Leitplatte 154b und die Leitschaufeln 156b ähnlich wie die Leitplatte 154a und die Leitschaufeln 156a gestaltet. Die Leitschaufeln 156b können ähnlich wie die Leitschaufeln 156a aufgebaut sein und können wenigstens eine innere Fluidanlagefläche, eine äußere Fluidanlagefläche, eine Vorderkante und eine Abströmkante umfassen. Es kann vorteilhaft sein, die Leitplatte 154b und die Leitschaufeln 156b als einzelnes einstückiges Teil auszuführen. Zum Beispiel kann das Bilden der Leitplatte und der Leitschaufeln auf diese Weise ein strukturelles Versagen unterbinden oder verhindern, indem die Verbindung zwischen diesen Bestandteilen beseitigt wird. Als anderes Beispiel kann die Herstellungseffizienz verbessert werden und können die Kosten verringert werden, da auf eine Montage der Leitschaufeln an der Leitplatte verzichtet wird.
Nachstehend werden besondere Merkmale der Leitschaufeln und/oder der Anordnung der Leitschaufeln in Bezug zueinander wie auch Merkmale des Fluidstroms besprochen. In einigen Fällen, und beispielhaft, wird auf die Leitschaufeln 156a Bezug genommen, In einigen Fällen, und ebenfalls beispielhaft, wird auf die Leitschaufeln 156b Bezug genommen. In einigen Fällen, und ebenfalls beispielhaft, wird auf Leitschaufeln 156c (8 bis 12B) Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass die Leitschaufelmerkmale und die Merkmale des Fluidstroms auf Anordnungen, die die Leitschaufeln 156a, die Leitschaufeln 156b und/oder die Leitschaufeln 156c umfassen, anwendbar sind.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 bis 4A teilen die Leitschaufeln 156a einen Teil des Innenraums 122 in die innere Spirale 158 und die äußere Spirale 160. Bei dem veranschaulichten Beispiel sind die Leitschaufeln 156a in einer schneckenartigen Anordnung (z. B. einer logarithmischen Schnecke) angeordnet. Wie gezeigt sind die Leitschaufeln 156a so positioniert, dass zwischen der Abströmkante 184 einer Leitschaufel 156a und der Vorderkante 182 einer nachfolgenden Leitschaufel 156a jeweilige Verengungsbereiche 186a bis 186f (siehe 4A) definiert sind. Bei einigen Beispielen können die Leitschaufeln 156a so positioniert sein, dass eine Größe eines jeden der Verengungsbereiche 186a bis 186f gleich ist. Auf diese Weise kann der Turbinenaufbau 100 auf Basis der Motorbetriebsbedingungen so abgestimmt werden, dass bestimmte gewünschte Durchflusseigenschaften und/oder Leistungsfähigkeiten erzielt werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Leitschaufeln 156a sind an der Leitplatte 154a von einer radialen Richtung 188 des Turbinenrads 102 verschoben angeordnet (siehe 2 und 4A). Die radiale Richtung 188 erstreckt sich von einem Mittelpunkt 161 oder einer Drehachse des Turbinenrads 102. Die Leitschaufeln 156a sind in einem ausgewählten Winkel α in Bezug auf die radiale Richtung 188 und eine Mittellinie 190 der Leitschaufel 156a angeordnet. Bei dem veranschaulichten Beispiel erstreckt sich die Mittellinie 190 zwischen einem Mittelpunkt der Schaufelsäule 166 und der Abströmkante 184. Bei einigen Beispielen ist jede Leitschaufel 156a in dem gleichen Schaufelwinkel α wie jede andere Leitschaufel 156a angeordnet. Bei anderen Beispielen ist jede Leitschaufel 156a in einem jeweiligen Schaufelwinkel α angeordnet, der sich von Schaufelwinkeln der anderen Leitschaufeln 156a unterscheiden kann. Der (die) Schaufelwinkel α kann (können) so gewählt sein, dass gewünschte Durchflusseigenschaften erzielt werden. Zum Beispiel kann der (können die) Schaufelwinkel α einen Einfallswinkel für den Fluidstrom bestimmen (wie nachstehend ausführlich besprochen wird) und/oder die Größe der Verengungsbereiche 186a bis f bestimmen.
Die Leitschaufeln 156a können auch so positioniert sein, dass sie jeweilige Überlappungsbereiche 187a bis f bilden. Die Überlappungsbereiche 187a bis 187f können eine Länge der Verengungsbereiche 186a bis 186f definieren und dabei helfen, den Fluidstrom zu der inneren Spirale 158 zu beschränken, indem sie eine ”Überlagerung” zwischen der inneren und der äußeren Spirale 158, 160 behindern (oder sogar verhindern). Zum Beispiel können die Überlappungsbereiche 187a bis 187f wie in 4B gezeigt verhindern, dass ein Fluidstrom, der durch die innere Spirale 158 strömt, durch den Verengungsbereich zwischen den Schaufeln und in die äußere Spirale 160 strömt.
Die Leitschaufeln 156a führen den Strom des Fluids zu dem Turbinenrad 102 und stellen gewünschte Fluiddurchflusseigenschaften bereit. Der (die) Schaufelwinkel α kann (können) so gewählt werden, dass der Strom des Fluids von dem inneren Einlass 126 in einem bestimmten Einfallswinkel in Bezug auf das Turbinenrad 102 zu dem Turbinenrad 102 geführt wird (d. h., dem Winkel, mit dem das Fluid mit einer Fläche einer Turbinenschaufel in Kontakt gelangt). Der Einfallswinkel kann bestimmen, wie effizient ein bestimmtes Turbinenrad durch den mit Druck beaufschlagten Fluidstrom angetrieben wird. Zum Beispiel kann die Gestaltung des Turbinenrads einen optimalen Einfallswinkel bestimmen. Daher kann bei einigen Beispielen eine hohe Turbinenradleistungsfähigkeit erzielt werden, indem ein passender Schaufelwinkel gewählt wird, um den Fluidstrom mit dem optimalen Einfallswinkel zu dem Turbinenrad zu führen. Im Besonderen wird ein Fluidstrom mit einem kleineren Einfallswinkel verglichen mit einem Fluidstrom mit einem größeren Einfallswinkel eine größere tangentiale Komponente aufweisen. Wenn die Leitschaufeln 156a in einem größeren Schaufelwinkel α eingerichtet sind, wird der Einfallswinkel kleiner sein, als wenn die Schaufeln in einem kleineren Schaufelwinkel α eingerichtet sind.
Jeder Schaufelwinkel α kann unter einer oder mehreren Betriebsbedingungen einen optimalen Einfallswinkel für ein bestimmtes Turbinenrad bereitstellen (einige Schaufelwinkel α können unter nur einer Betriebsbedingung einen optimalen Einfallswinkel bereitstellen). Somit kann es vorteilhaft sein, die Leitschaufeln 156a derart fest auf der Leitplatte 154 zu positionieren, dass der Schaufelwinkel α konstant gehalten wird, um unter einer oder mehreren ausgewählten Betriebsbedingungen einen optimalen Einfallswinkel zu erzielen, während eine Verschlechterung der Stufenleistung vermieden wird. Bei einigen Beispielen kann der (können die) Schaufelwinkel so gewählt sein, dass der Strom des mit Druck beaufschlagten Fluids mit einer bestimmten Geschwindigkeit von dem äußeren Einlass 128 zu dem Turbinenrad 102 geführt wird. Wenn die Leitschaufeln 156a zum Beispiel so eingerichtet sind, dass sie einen verhältnismäßig großen Schaufelwinkel α aufweisen, sind die Verengungsbereiche 186a bis 186f verhältnismäßig klein. Die Verengungsbereiche 186a bis 186f wirken als Düsen, um den Fluidstrom zu dem Turbinenrad 102 zu beschleunigen.
Der (die) Schaufelwinkel α kann (können) auch so gewählt sein, dass jedwede Durchflussbeschränkung und/oder Stromtrennung minimiert wird, während der Strom des Fluids von der äußeren Spirale 160 zu dem Turbinenrad 102 geführt wird. Wenn die Leitschaufeln 156a zum Beispiel so eingerichtet sind, dass sie einen verhältnismäßig kleinen Schaufelwinkel α aufweisen, sind die Verengungsbereiche 186a bis 186f verhältnismäßig groß (verglichen mit Verengungsbereichen, die durch einen verhältnismäßig großen Schaufelwinkel erzielt werden). Fluid, das durch einen verhältnismäßig großen Verengungsbereich 186a bis 186f strömt, wird eine geringere Durchflussbeschränkung erfahren, als Fluid, das durch einen verhältnismäßig kleinen Verengungsbereich strömt. Doch wenn der Schaufelwinkel α zu groß oder zu klein ist, können unerwünschte Durchflusseigenschaften auftreten, was zu Ineffizienzen führt. Zum Beispiel kann es zu einer unerwünschten Stromtrennung an den Leitschaufelflächen kommen und/oder kann es zu einer unerwünschten Durchflussbeschränkung zwischen den Leitschaufeln kommen.
Bei einigen Beispielen ist der Schaufelwinkel α zwischen etwa 30° und 80° bereitgestellt. Bei einigen Beispielen ist der Schaufelwinkel α zwischen etwa 40° und 70° bereitgestellt. Bei einigen Beispielen ist der Schaufelwinkel α zwischen etwa 50° und 60° bereitgestellt. Bei einigen Beispielen kann der Schaufelwinkel α für eine oder mehrere Leitschaufeln verglichen mit einer oder mehreren anderen Leitschaufeln unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann jede Leitschaufel so eingerichtet sein, dass sie in Bezug auf die Schaufelwinkel der anderen Leitschaufeln einen einzigartigen Schaufelwinkel aufweist. Als anderes Beispiel können Leitschaufeln in einer ersten Gruppe von Leitschaufeln jeweils in einem ersten Schaufelwinkel eingerichtet sein, und können Leitschaufeln in einer zweiten Gruppe von Leitschaufeln jeweils in einem zweiten Schaufelwinkel eingerichtet sein, der sich von dem ersten Schaufelwinkel unterscheidet.
Es versteht sich, dass der oder die Schaufelwinkel von Betriebsumgebung zu Betriebsumgebung unterschiedlich sein kann oder können. Zum Beispiel kann ein erster Turbolader, der den Turbinenaufbau 100 umfasst, in einem ersten Motorsystem bereitgestellt sein, und kann ein zweiter Turbolader, der den Turbinenaufbau 100 umfasst, in einem zweiten Motorsystem bereitgestellt sein. Das erste Motorsystem kann andere Betriebseigenschaften als das zweite Motorsystem aufweisen. Folglich kann der (können die) Schaufelwinkel in dem ersten Turbolader so definiert sein, dass gewünschte Durchflusseigenschaften und Leistungsfähigkeiten bereitgestellt werden, die für das erste Motorsystem speziell sind. Der (die) Schaufelwinkel in dem zweiten Turbolader kann (können) so definiert sein, dass gewünschte Durchflusseigenschaften und Leistungsfähigkeiten bereitgestellt werden, die für das zweite Motorsystem speziell sind.
Der Fluidführungsaufbau 108 ermöglicht die leistungsfähige und kostenwirksame Herstellung von Turboladern mit verschiedenen Durchflusseigenschaften und die Maßschneiderung auf unterschiedliche Betriebsumgebungen. Zum Beispiel kann ein erster Fluidführungsaufbau 108 bereitgestellt werden, der (einen) Schaufelwinkel umfasst, der (die) für eine erste Betriebsumgebung erwünscht ist (sind). Es kann ein zweiter Fluidführungsaufbau 108 bereitgestellt werden, der (einen) Schaufelwinkel umfasst, der (die) für eine zweite Betriebsumgebung erwünscht ist (sind). Es können ein erster Turbinenaufbau 100 und ein zweiter Turbinenaufbau 100 bereitgestellt werden, die im Allgemeinen die gleiche Gestaltung aufweisen können. Der erste Fluidführungsaufbau 108 kann in den ersten Turbinenaufbau 100 eingebaut werden, und der zweite Fluidführungsaufbau 108 kann in den zweiten Turbinenaufbau 100 eingebaut werden, um letztendlich einen ersten und einen zweiten Turbolader bereitzustellen, die für eine erste bzw. eine zweite Betriebsumgebung maßgeschneidert sind. Als anderes Beispiel können Leitschaufeln mit unterschiedlichen Schaufelformen verwendet werden, um Turbolader bereitzustellen, die auf bestimmte Betriebsbedingungen maßgeschneidert sind. Auf diese Weisen ermöglicht der Fluidführungsaufbau 108 die Verwendung einer gemeinsamen Gehäusegestaltung, um maßgeschneiderte Durchflusseigenschaften bereitzustellen.
7A ist eine Querschnittansicht des Turbinenaufbaus 100, die einen beispielhaften Fluidstrom durch den Körper 104 und zu dem Turbinenrad 102 hin veranschaulicht, wenn sich das Ventil 106 in einer geschlossenen Position befindet. 7B ist eine Querschnittansicht des Turbinenaufbaus 100, die einen beispielhaften Fluidstrom durch den Körper 104 und zu dem Turbinenrad 102 hin veranschaulicht, wenn sich das Ventil 106 in einer geöffneten Position befindet.
Der Turbinenaufbau 100 kann so gestaltet sein, das er bei bestimmten Parameter eine Spitzenleistungsfähigkeit des entsprechenden Turboladers bereitstellt. Beispielhafte Parameter können die Position des Schiebers 152 und den Schaufelwinkel α umfassen. Bei einigen Ausführungen kann die Spitzenleistungsfähigkeit des entsprechenden Turboladers mit einem Schaufelwinkel von ungefähr 60° und einer zu ungefähr 80% offenen Schieberposition bereitgestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Spitzenleistungsfähigkeit des entsprechenden Turboladers mit einem Schaufelwinkel von ungefähr 55° und einer zu ungefähr 80% offenen Schieberposition bereitgestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Spitzenleistungsfähigkeit des entsprechenden Turboladers mit einem Schaufelwinkel von ungefähr 50° und einer zu ungefähr 100% offenen Schieberposition bereitgestellt werden.
8 und 9A bis 9B sind eine Draufsicht und perspektivische Ansichten einer beispielhaften modularen Leitplatte 154c, die die Leitschaufeln 156c umfasst. Bei diesem Beispiel sind die Leitschaufeln 156c einstückig mit der modularen Leitplatte 154c ausgeführt. Wie gezeigt umfasst die modulare Leitplatte 154c einen Anbringungsflansch 192 zur Befestigung der modularen Leitplatte 154c an dem Körper 104. Die modulare Leitplatte 154c umfasst auch eine Fläche 194, die sich von dem Anbringungsflansch 192 erstreckt und in einer im Wesentlichen flachen Fläche, an der die Leitschaufeln 156c gebildet sind, endet. Bei diesem Beispiel ist eine schräge Nut 196 bereitgestellt und in der Nähe eines äußeren umfänglichen Rands der Fläche 194 positioniert. Die Nut 196 kann so gestaltet sein, dass sie den eintretenden Fluidstrom durch den Fluideinlass 114 beeinflusst. Zum Beispiel kann die Nut 196 dabei helfen, Fluid, das in den Fluideinlass 114 eindringt, in die innere Spirale 158 zu führen.
Bei einigen Beispielen stellt die modulare Leitplatte 154c ein Kopplungselement zum Verbinden des Körpers 104 mit einem geeigneten Lagergehäuse (nicht gezeigt) bereit. Zum Beispiel umfasst die modulare Leitplatte 154c Anschlussmerkmale 198, die sich von dem Flansch 192 nach außen erstrecken. Bei diesem Beispiel sind die Anschlussmerkmale 198 bereitgestellt, um standardgemäße V-Band-Verbindungsstücke aufzunehmen, doch können auch andere Gestaltungen (z. B. Schraubverbindungen) bereitgestellt sein.
Bei einigen Ausführungen kann die modulare Leitplatte 154c als Dichtungselement für den Turbinenaufbau 100 dienen. Zum Beispiel kann die modulare Leitplatte 154c eine Dichtungsfläche 200 (siehe 9A) umfassen. 10 ist eine Querschnittansicht der modularen Leitplatte 154c, die in einer abgedichteten Beziehung mit dem Körper 104 montiert ist. Wie gezeigt trifft eine Dichtungsfläche 202 des Anbringungsflanschs 192 auf eine entsprechende Dichtungsfläche 206 des Körpers 104. Eine andere Dichtungsfläche 208 des Körpers 104 trifft auf die Dichtungsfläche 200. Bei einigen Ausführungen kann zwischen der modularen Leitplatte 154c und dem Körper 104 ein Dichtungselement 210 montiert werden, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel ist das Dichtungselement bei diesem Beispiel in der Form eines ringförmigen Dichtungsrings (z. B. einer C-Dichtung) bereitgestellt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 8, 9A und 9B können die Leitschaufeln 156c in einer gewählten Gestaltung angeordnet werden, um gewünschte Fluiddurchflusseigenschaften zu erzielen (wie oben ausführlich besprochen ist). Die Geometrie der Leitschaufeln 156c (z. B. die Abströmkante, die Vorderkante, die innere und die äußere Anlagefläche) können ebenfalls für die gleichen Zwecke gestaltet werden. Bei einigen Beispielen kann jede der Leitschaufeln 156c mit einer jeweiligen Geometrie versehen sein. Zum Beispiel kann jede der Leitschaufeln 156 eine unterschiedliche wirksame Länge 212a bis 212g (z. B. der Abstand zwischen der Vorderkante und der Abströmkante des Leitschaufelkörpers) umfassen. Genauer, und bei einigen Beispielen, nehmen die wirksamen Längen der Leitschaufeln 156c von der ersten Leitschaufel 156c bis zu der letzten Leitschaufel 156c in der Richtung des Fluidstroms verlaufend ab. Bei einigen Beispielen kann die Abnahme der wirksamen Länge für jede nachfolgende Leitschaufel zwischen etwa 1% und 15% (z. B. zwischen etwa 2% und 8%) betragen. Zum Beispiel kann die wirksame Länge 212b um zwischen etwa 1% und 15% kürzer als die wirksame Länge 212a sein. Das Bereitstellen von Leitschaufeln mit progressiv abnehmenden wirksamen Längen kann Strömungswirbel verringern oder verhindern. Zum Beispiel kann das Verringern der wirksamen Längen der Leitschaufeln dabei helfen, Strömungswirbel zu verhindern, die sich aufgrund eines fortlaufend abnehmenden Umdrehungsradius (schärferer Wendungen) mit dem Verlauf des Gases durch den logarithmisch schneckenförmigen Strömungsweg entwickeln können. Die progressiv kürzeren Schaufeln weisen inhärent kleinere Wölbungsradien auf, die dem sich verengenden Wenderadius des Gasstroms entsprechen. Die progressiv kürzeren Schaufeln können auch Packungsbeschränkungen entgegenkommen (zum Beispiel durch Bereitstellen einer Schaufelschnecke, die in den Innenraum 122 des Körpers 104 passt).
Wie oben bemerkt kann die räumliche Beziehung zwischen der Abströmkante einer Leitschaufel und der Vorderkante einer nachfolgenden Leitschaufel den Fluidstrom zwischen der inneren und der äußeren Spirale beeinflussen. Diese Beziehungen können in Form des Verengungsbereichs und/oder des Überlappungsbereichs zwischen aufeinanderfolgenden Leitschaufeln beschrieben werden. Bei einigen Ausführungen können diese Beziehungen einzeln definiert werden, so dass jeder Verengungs- oder Überlappungsbereich mit einer Größe hergestellt ist, die sich von anderen Verengungs- oder Überlappungsbereichen unterscheidet. Zum Beispiel nehmen in dem Beispiel, das in 8 dargestellt ist, die Überlappungen, und folglich die Verengungsbereiche, die zwischen benachbarten Leitschaufeln definiert sind, von der am weitesten stromaufwärts befindlichen Leitschaufel zu der am weitesten stromabwärts befindlichen Leitschaufel ab. Durch unabhängiges Definieren der räumlichen Beziehung zwischen benachbarten Leitschaufeln kann Veränderungen im Fluidstrom um die innere und die äußere Spirale entsprochen werden.
Bei einigen Ausführungen kann die modulare Leitplatte 154c eine Kombination von fluidleitenden Bestandteilen (z. B. den Leitschaufeln 156c) umfassen, die andernfalls gesondert aufgenommen sind. Das Gestalten der modularen Leitplatte 154c auf diese Weise stellt ein in gewöhnliche Hardware (z. B. den Körper 104) eingebautes einzelnes Element bereit, das die Turboladerleistungsfähigkeit (z. B. die Durchflusskapazität, Effizienzplanverschiebungen usw.) verändern kann. Bei einigen Beispielen können verschiedene modulare Leitplatten bereitgestellt sein, wobei jede der modularen Leitplatten so gestaltet ist, dass ausgewählte Durchflusseigenschaften erzielt werden (indem sie zum Beispiel über eine bestimmte Leitschaufelanordnung verfügen). Dadurch kann ein Turbolader durch Einbauen einer modularen Leitplatte mit einer ersten Gestaltung anstelle einer zweiten modularen Leitplatte mit einer zweiten Gestaltung, die sich von der ersten Gestaltung unterscheidet, auf bestimmte Motorparameter abgestimmt werden.
Wie oben ausführlich beschrieben wurde können die Geometrie und die Anordnung (z. B. der Schaufelwinkel) der Leitschaufeln 156a, 156b, 156c verschiedene Fluiddurchflusseigenschaften bestimmen. Bestimmte Fluiddurchflusseigenschaften können auch durch die Anzahl der Schaufeln, die in der Schneckengestaltung bereitgestellt sind, beeinflusst werden. 11A ist eine Draufsicht auf eine beispielhafte Leitplatte 154g, die vier Leitschaufeln 156c umfasst, welche in einer logarithmischen Schneckenanordnung angeordnet sind. Wie gezeigt sind die Verengungsbereiche zwischen den Leitschaufeln 156c aufgrund der verhältnismäßig geringen Anzahl der Leitschaufeln 156c verhältnismäßig groß. Die großen Verengungsbereiche können eine verhältnismäßig große Durchflusskapazität gestatten, indem sie eine geringe Durchflussbeschränkung bieten. In einigen Fällen können sich jedoch aus der stufigen Veränderung im Fluidstrom zwischen der äußeren Spirale und der inneren Spirale an jedem der Verengungsbereiche Unzulänglichkeiten ergeben.
11B ist eine Vorderansicht einer beispielhaften Leitplatte 154h, die eine schneckenförmige Anordnung von Leitschaufeln 156c trägt, welche jener der Leitplatte 154g ähnlich ist. Die Leitplatte 154h umfasst jedoch ferner mehrere Teilerschaufeln 156d. Bei dem dargestellten Beispiel sind zwischen den Leitschaufeln 156c drei Teilerschaufeln 156d bereitgestellt. Man versteht jedoch, dass zwischen benachbarten Leitschaufeln andere passende Zahlen von Teilerschaufeln, z. B. eine oder mehrere, bereitgestellt sein können. Jede Teilerschaufel 156d kann eine Geometrie aufweisen, die den Leitschaufeln 156c ähnlich ist. Die Geometrie der Teilerschaufeln 156d kann sich auch von den Leitschaufeln 156c unterscheiden. Bei einigen Beispielen kann das Hinzufügen der Teilerschaufeln 156d das Verschmelzen des Fluidstroms zwischen der äußeren Spirale und der inneren Spirale auf Kosten einer erhöhten Durchflussbeschränkung glätten. Und obwohl die Teilerschaufeln 156d bei diesem Beispiel in jedem der Verengungsbereiche zwischen den Leitschaufeln 156c bereitgestellt sind, sind ferner auch andere Gestaltungen möglich. Zum Beispiel können die Teilerschaufeln 156d bei einigen Ausführungen zwischen nur einem oder zwei Verengungsabschnitten angeordnet sein.
Es wurde eine Anzahl von Ausführungen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dennoch wird sich verstehen, dass verschiedenste Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Entsprechend liegen andere Ausführungen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

Turbinengehäuse für einen Turbolader, wobei das Gehäuse Folgendes umfasst: einen Körper, der einen Einlass zur Fluidverbindung mit einer Fluidquelle definiert, und eine Wand, wobei die Wand den Einlass in einen inneren Einlass und einen äußeren Einlass teilt; und einen Fluidführungsaufbau, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Fluidführungsaufbau mehrere Schaufeln umfasst, die in dem Gehäuse eine innere Spirale und eine äußere Spirale abgrenzen, wobei die innere Spirale in Fluidverbindung mit dem inneren Einlass steht, und die äußere Spirale in Fluidverbindung mit dem äußeren Einlass steht, wobei jede Schaufel der mehreren Schaufeln in einem jeweiligen Winkel in Bezug auf eine radiale Richtung fixiert ist, wobei die mehreren Schaufeln den Fluidstrom von der äußeren Spirale zu der inneren Spirale führen.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei der Fluidführungsaufbau ferner eine Leitplatte umfasst, die an dem Körper befestigt ist, wobei die mehreren Schaufeln an der Leitplatte befestigt sind.
Turbinengehäuse nach einem oder mehreren von Anspruch 1 und 2, wobei wenigstens eine der Schaufeln in einem ausgewählten Winkel in Bezug auf das radiale Zentrum des Turbinenrads positioniert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 3, wobei der ausgewählte Winkel zwischen ungefähr 30° und ungefähr 80° liegt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 3, wobei der ausgewählte Winkel zwischen ungefähr 40° und ungefähr 70° liegt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 3, wobei der ausgewählte Winkel zwischen ungefähr 50° und 60° liegt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 3, wobei jede der Schaufeln in dem ausgewählten Winkel positioniert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 3, wobei der ausgewählte Winkel einen ersten ausgewählten Winkel umfasst, und wobei wenigstens eine andere Schaufel in einem zweiten ausgewählten Winkel in Bezug auf das radiale Zentrum des Turbinenrads positioniert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 3, wobei der ausgewählte Winkel von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und einer Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ist.
Turbinengehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schaufeln so positioniert sind, dass sie einen Einfallswinkel des Fluidstroms in Bezug auf ein Turbinenrad bereitstellen.
Turbinengehäuse nach Anspruch 10, wobei der Einfallswinkel höchstens ungefähr 10° beträgt.
Turbinengehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, wobei der jeweilige Winkel jeder Schaufel bereitgestellt ist, um eine Fluidstromtrennung über die Schaufel hinweg zu verhindern.
Turbinengehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, wobei wenigstens eine der Schaufeln eine nicht symmetrische tragflächenförmige Schaufel umfasst.
Turbinengehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Einlass einen inneren Fluiddurchgang und einen äußeren Fluiddurchgang umfasst, und wobei der innere Fluiddurchgang in einer Fluidverbindung mit der inneren Spirale steht.
Turbinengehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend einen Ventilaufbau zur Regulierung der Fluidverbindung zwischen dem äußeren Einlass und der äußeren Spirale, wobei der Ventilaufbau einen Schieber umfasst, der zwischen einer vollständig geschlossenen Position, um einen Fluidstrom durch den äußeren Einlass zu verhindern, und einer vollständig geöffneten Position, um einen Fluidstrom durch den äußeren Einlass zu ermöglichen, beweglich ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 15, wobei der jeweilige Winkel der Schaufeln von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ungefähr 60° beträgt, und der Schieber in einer zu 80% offenen Stellung positioniert ist, um eine Spitzenleistungsfähigkeit des Turboladers bereitzustellen.
Turbinengehäuse nach Anspruch 15, wobei der jeweilige Winkel der Schaufeln von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ungefähr 55° beträgt, und der Schieber in einer zu 80% offenen Stellung positioniert ist, um eine Spitzenleistungsfähigkeit des Turboladers bereitzustellen.
Turbinengehäuse nach Anspruch 15, wobei der jeweilige Winkel der Schaufeln von einer radialen Linie, die durch einen Mittelpunkt einer Turbinenradöffnung und einen Mittelpunkt der Schaufel verläuft, und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Schaufel und eine Abströmkante der Schaufel verläuft, gemessen ungefähr 50° beträgt, und der Schieber in einer zu ungefähr 100% offenen Stellung positioniert ist, um eine Spitzenleistungsfähigkeit des Turboladers bereitzustellen.
Turbolader, umfassend ein Turbinengehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden des Körpers, wobei der Körper einen Einlass zur Fluidverbindung mit einer Fluidquelle definiert, und einer Wand, wobei die Wand den Einlass in einen inneren Einlass und einen äußeren Einlass teilt; Montieren des Fluidführungsaufbaus, wobei der Fluidführungsaufbau die mehreren Schaufeln umfasst, die jeweils in einem jeweiligen Winkel in Bezug zu einer radialen Richtung fixiert sind; und derartiges Befestigen des Fluidführungsaufbaus in dem Körper, dass die mehreren Schaufeln in dem Gehäuse eine innere Spirale und eine äußere Spirale abgrenzen, wobei die innere Spirale in einer Fluidverbindung mit dem inneren Einlass steht, und die äußere Spirale in einer Fluidverbindung mit dem äußeren Einlass steht, wobei die mehreren Schaufeln dazu betriebsfähig sind, den Fluidstrom von der äußeren Spirale zu der inneren Spirale zu führen.