DE112013000744T5

DE112013000744T5 - Strömungs-Wärmebelastung Turbolader-Turbinengehäuse-Trennwand

Info

Publication number: DE112013000744T5
Application number: DE112013000744.4T
Authority: DE
Inventors: Kiumars Shoghi; Alexandre Garcia Alcaraz; Claus Oberstebrandenburg
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-10-16
Also published as: US20150023788A1; RU2014137140A; KR20140126745A; IN2014DN07612A; WO2013130325A1; CN104114833A

Abstract

Die Neigung der Turboladerturbinen-Trennwand zur Rissbildung in dem Turbinengehäuse wird durch besseres Anpassen der Masse der Trennwand an die transiente Wärmeübertragung zwischen der Trennwand und dem Abgas, das diese entlang strömt, minimiert. Dies wird durch Bereitstellen der Trennwand mit einer Querschnittform, die im Wesentlichen von einer Log2-Kurve definiert ist, erreicht.

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft den Bedarf an einer verbesserten geteilten Turbinengehäuseauslegung eines Turboladers, um eine Neigung zur Rissinitiierung und -ausbreitung zu verringern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Turbolader sind ein Typ eines Zwangsinduktionssystems. Sie liefern Luft in einem größeren Massestrom, als bei der Ausgestaltung mit normaler Ansaugung möglich, wäre zum Motoreinlass und ermöglichen dadurch, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird, wodurch die Leistung des Motors erhöht wird, ohne dass das Gewicht des Motors signifikant vergrößert wird. Dadurch kann die Verwendung eines kleineren turboaufgeladenen Motors ermöglicht werden, der einen Motor mit einer normalen Ansaugung und einer größeren physischen Größe ersetzt, wodurch die Masse und der aerodynamische vordere Bereich des Fahrzeugs verkleinert werden.
Bei Turboladern wird der Abgasstrom aus dem Abgassammelrohr des Motors verwendet, um ein Turbinenrad (10) anzutreiben, das sich in einem Turbinengehäuse (2) befindet. Sobald das Abgas das Turbinenrad durchlaufen hat und das Turbinenrad Energie aus dem Abgas extrahiert hat, verlässt das verbrauchte Abgas das Turbinengehäuse durch den Ausströmkörper und wird zu dem Abgasvorrohr und normalerweise zu Nachbehandlungsvorrichtungen des Fahrzeugs geleitet, wie z. B. Katalysatoren, Partikelabscheider und NO_x-Abscheider. Die Energie, die aus dem Turbinenrad (10) extrahiert wird, wird in eine Drehbewegung umgesetzt, durch die ein Kompressorrad angetrieben wird. Das Kompressorrad saugt Luft in den Turbolader, verdichtet diese Luft und liefert sie zu der Einlassseite des Motors.
Motorabgas besteht aus einer Mischung aus Stationärdruck- und gepulstem Abgas, dessen Impulse gleichphasig, nicht gleichphasig oder zeitvariabel sein können. Die Charakteristiken der Impulse sind generell von der Auspuff-Zeitsteuerung, den Strömungscharakteristiken des Verbrennungskammer-Abgases (d. h. 1 oder 2 Ventile) und der Drehzahl des Motors abhängig. Bei Motoren mit niedriger Drehzahl können diese Impulse ziemlich klar voneinander getrennt sein.
Bei Motoren mit hoher Drehzahl gehen diese Impulse ineinander über, um vorwiegend einen nahezu stationären Druck in Richtung des oberen Endes des Drehzahlbereich zu erzeugen, am unteren Ende des Drehzahlbereichs können die Impulse jedoch immer noch ziemlich klar voneinander getrennt sein.
Turbinengehäuse stehen in mehreren Basistypen zur Verfügung: offen, wie in 2A gezeigt ist; meridional geteilt, wie in 2B gezeigt ist; und zweiströmig. Bei einem offenen Turbinengehäuse ist es möglich, dass sich die Impulse aus dem Abgassammelrohr des Motors vermischen, wodurch ein relativ stationäres Abgas dem Turbinenrad zugeführt wird. Wenn die Impulse, die in der Verbrennungskammer erzeugt werden, signifikant voneinander getrennt sind, zum Beispiel bei Dieselmotoren mit niedriger Drehzahl, werden die Impulse aus einem Teil (zum Beispiel den vorderen drei Zylindern eines Sechszylindermotors) des Motors vorzugsweise von den Impulsen aus dem anderen Teil (bei dem oben beschriebenen Beispiel den hinteren drei Zylindern eines Sechszylindermotors) entmischt gehalten. Die Entmischung der Impulsenergie kann durch das Abgassammelrohr hindurch bis zum Fuß des Turbinengehäuses beibehalten werden, und die Entmischung kann durch Verwendung einer Trennwand, die die Diffusoren innerhalb des Turbinengehäuses voneinander trennt, im Turbinengehäuse beibehalten werden. Typischerweise wird diese Entmischung in separaten Diffusoren den ganzen Weg nahezu bis zum Eingang des Turbinenrads beibehalten.
Der Spalt zwischen der hinteren Kante der Trennwand und dem Eingang des Turbinenrads ist typischerweise als ein Kompromiss zwischen dem Nutzbarmachen der größten Impulsenergie aus dem extrahierten Abgasstrom und dem Minimieren der Anregung am Turbinenrad gewählt. Typischerweise beträgt dieser Spalt 10% bis 15% des Durchmessers des Turbinenrads.
Wenn ein (meridional) geteiltes Turbinengehäuse verwendet wird, werden die Impulse aus der Verbrennung im Motor im Turbinengehäuse gehalten, werden dann von dem Turbinenrad absorbiert und werden schließlich in Drehenergie umgewandelt, die letztlich die Kompressorstufe antreibt. Die Energie, die aus den Impulsen abgeleitet wird, ist zusätzlich zu der Energie vorgesehen, die absorbiert würde, wenn die Strömung eine stationäre Strömung wäre, so dass der Wirkungsgrad der Turbinenstufe erhöht wird. Es ist ferner wichtig, darauf hinzuweisen, dass einige aerodynamische Auslegungen von Turbinenrädern bei der Umwandlung dieser Abgasimpulse in Drehenergie besser sind als andere Auslegungen.
Die Auslegung des Turbinengehäuses spielt eine fundamentale Rolle beim Wirkungsgrad der Turbinenstufe. Merkmale, die zum Wirkungsgrad der Turbinenstufe beitragen, umfassen: den benetzten Flächenbereich (denjenigen Teil des Turbinengehäuses, der durch den Abgasstrom in den Turbinendiffusoren benetzt wird), das Profil der Wände, die zur ”Düse” führen, die Auslegung der Trennwand, die Positionierung der Trennwand relativ zu den anderen Teilen der ”Düse”, den Abstand der hinteren Kante der Trennwand zum Eingang des Turbinenrads, die Form der hinteren Kante der Trennwand und das A/R des Turbinengehäuses.
Ein Teil der physischen Auslegung des Turbinengehäuses ist ein Diffusor, dessen Funktion es ist, die Bedingungen für den Einlass in das Turbinenrad zu steuern, dass z. B. die Einlassströmungsbedingungen die effizienteste Übertragung von Kraft aus der Energie im Abgas in Kraft, die von dem Turbinenrad entwickelt wird, ermöglichen. Theoretisch wird der ankommende Abgasstrom aus dem Motor gleichförmig von dem Diffusor zu einem Vortex geliefert, der mittig auf der Turbinenradachse angeordnet ist. Zu diesem Zweck verkleinert sich der Querschnittbereich des Diffusors graduell und kontinuierlich, bis er null wird. Die innere Abgrenzung des Diffusors kann ein perfekter Kreis sein, der als der Basiskreis definiert ist; oder er kann in bestimmten Fällen, wie z. B. bei einem Doppeldiffusor, eine Spirale mit minimalem Durchmesser beschreiben, jedoch nicht kleiner sein als: 110% bis 115% des Turbinenraddurchmessers. Der Diffusor ist durch den sich verkleinernden Radius der äußeren Abgrenzung des Diffusors und durch die innere Abgrenzung, wie oben beschrieben ist, in einer Ebene, die auf der ”X-Y”-Achse definiert ist, und in den Querschnittbereichen an jeder Station in der Ebene, die die ”Z”-Achse durchläuft, definiert. Die ”Z”-Achse verläuft rechtwinklig zu der Ebene, die von der ”X-Y”-Achse definiert ist und ist auch die Achse des Turbinenrads.
Die Auslegungsentwicklung des Diffusors wird bei Scheibe ”A” initiiert, die als der Winkelbezugswert für den Diffusor definiert ist. Dieser Bezugswert ist als die Scheibe bei einem Winkel von ”P” Grad über der ”X”-Achse des Turbinengehäuses definiert und umfasst die ”X”-Achsen-, ”Y”-Achsen- und ”Z”-Achsen-Details der Diffusorform.
Die Größe und Form des Diffusors sind wie folgt definiert: der weitverbreitete Ausdruck A/R stellt das Verhältnis des Teilbereichs bei Scheibe ”A” dividiert durch den Abstand von dem Zentroiden des abgeschatteten Strömungsbereichs (110) zur Turbo-Mittellinie dar. In 2A und 2B, die ein offenes Turbinengehäuse bzw. ein geteiltes Turbinengehäuse darstellen, bestimmen die Zentroiden (112, 113) den Abstand R_A und R_B zur Turbomittellinie. Bei unterschiedlichen Teilen einer Familie von Turbinengehäusen bleibt die generelle Form die gleiche, der Bereich an Scheibe ”A” wie auch der Abstand R_A sind jedoch unterschiedlich. Das A/R-Verhältnis wird generell als der ”Name” für ein spezifisches Turbinengehäuse verwendet, um dieses Turbinengehäuse von anderen der gleichen Familie (mit anderen A/R-Verhältnissen) zu unterscheiden. In 2A ist der Diffusor derjenige mit einer angemessen kreisförmigen Ausgestaltung. In 2B ist der Diffusor derjenige eines geteilten Turbinengehäuses, bei dem die Form zwangsweise im Wesentlichen dreieckig ist. Obwohl die Bereiche bei Scheibe ”A” für beide Diffusoren die gleichen sind, sind die Formen unterschiedlich und sind die Radien der Zentroiden unterschiedlich (aufgrund der Diffusorform), so dass die A/Rs unterschiedlich sind. Scheibe ”A” ist um einen Winkel ”P” von der ”X”-Achse versetzt. Das Turbinengehäuse ist dann geometrisch in gleiche radiale Scheiben mit gleichen Radien (häufig 30°, somit bei [30x +P]°) unterteilt, und die Bereiche und Radien werden zusammen mit anderen geometrischen Definitionen, wie z. B. Eckenradien, definiert. Aus dieser Definition werden Splines von Punkten entlang den Diffusorwänden erzeugt, wodurch die vollständige Form des Diffusors definiert wird. Die Wanddicke wird der inneren Diffusorform hinzuaddiert, und mittels dieses Verfahrens wird ein Turbinengehäuse definiert.
Die theoretisch optimierte Diffusorform für einen vorgegebenen Bereich ist die eines kreisförmigen Querschnitts, da dieser den minimalen Flächenbereich besitzt, bei dem Reibungsverluste des Fluids minimiert werden. Der Diffusor agiert jedoch nicht selbständig, sondern ist Teil eines Systems; somit beeinflussen die Anforderungen der Strömung in den Ebenen von Scheibe ”A” zu der Zunge die Leistung der Turbinenstufe. Diese Anforderungen führen häufig zu Kompromissen, wie z. B. architektonischen Anforderungen außerhalb des Turbinengehäuses, Verfahren zur Lokalisierung und Montieren des Turbinengehäuses am Lagergehäuse, und der Übergang von Scheibe ”A” zu dem Turbinenfuß (7) führt zu Turbinengehäusen-Diffusoren mit rechteckigem oder dreieckigem sowie kreisförmigem Profil oder Kombinationen von sämtlichen Formen.
Einige Teile des Diffusors, die in 4 gezeigt sind und die eine Wirkung auf die Strömung und somit den Wirkungsgrad des Turbinengehäuseteils der Turbinenstufe haben, sind: das Dach des Diffusors (13); die Fläche (19) der Trennwand (16); die hintere Kante oder Spitze (21) der Trennwand; die Außenwand des Diffusors (23); die Innenwand des Diffusors (22); der Radius (15) zwischen der Fläche (19) der Trennwand (16) und dem Dach (13) des Diffusors; der Radius zwischen dem Dach (13) des Diffusors und der Außenwand (22); der Strömungsbereich (25) zwischen dem Übergang der Trennwand (16) zu der hinteren Kante oder Spitze (21) der Trennwand; die Seitenwände (22, 23), wenn sie sich der hinteren Kante oder Spitze der Trennwand nähern; und die Form und Position der Seitenwand, wenn sie in die vordere Kante des Turbinenrads eintritt.
Angesichts der aerodynamischen Empfindlichkeit der verschiedenen Teile, die zu dem vorgesehenen Diffusor beitragen, sind die Formen von verschiedenen Segmenten der Trennwand ebenfalls von Bedeutung.
Da die Trennwand Teil einer aerodynamischen Vorrichtung ist, sollte die hintere Kante (21) so spitz wie möglich sein (wie zum Beispiel die hintere Kante eines Flügels). Obwohl diese Auslegungsfacette eine effiziente Aerodynamik bietet (die Abströmung von der hinteren Kante wird nicht turbulent, da sich die Strömung von einer Seite der Seitenwand mit der Strömung von der anderen Seite verbindet), wird durch den dünnen Abschnitt um die Schnittstelle der zwei Seiten der hinteren Kante herum dieser Bereich sehr anfällig für Risse. Typischerweise ist die innere Abgrenzung der Trennwand auf einen bestimmten Radius (18) zur Turboladerachse (1) gesetzt. Die gegossene Form der hinteren Kante der Trennwand ist typischerweise die einer Parabel oder eines Radius plus Spline, die sich beide tangential zu der generell radialen Außenfläche (19) der Trennwand verhalten.
Ein Problem bei diesem Teil des Turbinengehäuses besteht darin, dass dann, wenn geschmolzenes Eisen in einen Sandformkörper gegossen wird, die Metallschlacke (die eine Form von Schlacke ist) aus der Reaktion des geschmolzenen Gusseisens mit Mg, O₂, S und Si in den hinteren Kantenteil der Trennwand geschoben wird. Die Schlackenbildungen ähneln Rissen oder Lamellengrafit in der Struktur, was bedeutet, dass der Teil des Turbinengehäuses, der dem Turbinenrad am nächsten ist, eine niedrige Schlag- und Ermüdungsfestigkeit aufweist, was zu einer Beschädigung des Turbinenrads durch Fremdkörper (foreign object damage – FOD) führen kann. Infolge dieser metallurgischen Situation werden die hinteren Kanten tendenziell dicker ausgelegt als aerodynamisch wünschenswert ist.
Die Dicke der Trennwand ist ein Beeinträchtigung des Volumens des Diffusors, was bedeutet, dass bei einem geteilten Turbinengehäuse mit demselben Diffusor-Querschnittbereich wie demjenigen eines offenen (d. h. nicht geteilten) Turbinengehäuses die Außenflächen größer sein müssen als es bei einem offenen Turbinengehäuse der Fall ist. Infolgedessen sind viele Trennwände parallel oder nahezu parallel angeordnet, wie in 1 und 4 gezeigt ist, weisen jedoch in jedem Fall primär planare Flächen auf. Das in 4 gezeigte Beispiel ist das einer parallelen Trennwand mit einer parabolischen hinteren Kante.
Durch die aerodynamische Wechselwirkung des unteren (d. h. desjenigen Teils, der sich näher an der hinteren Kante (21) der Trennwand befindet als am Dach des Diffusors) Teils der Trennwand und der Seitenwände (22 und 23) des Diffusors und insbesondere die Wechselwirkung zwischen der hinteren Kante (21) der Trennwand und dem unteren Teil (24) der Seitenwand (23) auf der Seite des Ausströmkörpers, der typischerweise die Ausströmkörper-Kehle genannt wird, wird eine aerodynamische ”Düse” gebildet, die eine große Wirkung auf die Strömung in das Turbinenrad (10) hat.
Obwohl die Auslegung der Elemente eines Turbinengehäuse-Diffusors auf +/–0,02 Millimeter genau sein kann, gibt es beim Herstellprozess mehrere Schritte, die dazu führen, dass die Abweichung größer wird.
Da das typische Gusseisen-Turbinengehäuse in einem Sandformkörper gegossen wird, führt der Prozess zum Ausbilden des Formkörpers aus einem ”oberen Formkasten” und einem ”unteren Formkasten”, die jeweils aus gegenüberliegenden Seiten eines Modells gebildet sind, gegebenenfalls zusammen mit dem Einsetzen von Kernen zu einer mangelhaften Ausrichtung miteinander, was als Kernversatz bekannt ist, der zu einer Ungenauigkeit bei dem Gussteil führt. Eine weitere Quelle für eine Ungenauigkeit ist die Tatsache, dass der Formkörper typischerweise aus grünem Gießereisand gebildet ist, der eine Korngröße von ungefähr 220 μm bis 250 μm aufweist, und somit besteht nicht nur eine inhärente Ungenauigkeit zwischen Teilen des Formkörpers, sondern auch beim Oberflächenzustand. Die typische Gussgenauigkeit für Teile, wie z. B. Turbinengehäuse, liegt zwischen 0,7 mm und 1,5 mm.
Das Wärmefeld innerhalb eines Turbinengehäuses ist winkelmäßig und radial ungleichförmig. In einem winkelmäßigen Sinn befindet sich der heißeste Teil am Turbinenfuß, wo das Abgas in das Turbinengehäuse eintritt; die Temperatur kühlt sich ab, wenn sich der Diffusor in Richtung der Zunge verkleinert. In einem radialen Sinn steigt die Temperatur, wenn das Abgas vom Dach des Diffusors in Richtung des Rads strömt. Infolge dieser Ungleichheiten neigt bei dem Turbinengehäuse der Diffusor unter Wärmebelastung dazu, sich abzuwickeln. Grafisch gesehen ist das Turbinengehäuse wie ein Schneckenhaus gewickelt, und die thermischen Kräfte bewirken tendenziell, dass sich das Schneckenhaus abwickelt. Die Trennwand zusammen mit den Seitenwänden beschränkt das Abwickeln des Diffusors. Die Seitenwände sind mit Bändern mit großer Masse verbunden, die ein Abwickeln tendenziell einschränken. Die Trennwand eines geteilten Turbinengehäuses ist zwar an ihrem größten Durchmesser dahingehend eingeschränkt, dass sie in die Diffusorwand übergeht, sie ist jedoch an ihrem Innendurchmesser nicht eingeschränkt und verjüngt sich in Richtung dieses Mindestdurchmessers; somit können an dieser Stelle durch die Wärmebelastungen Zuglasten aufgebracht werden, die sich als im Wesentlichen radiale Risse offenbaren. Ferner, da die Trennwand eine niedrigere thermisch wirksame Masse aufweist als die anderen im Wesentlichen parallelen Wände, erwärmt sich die Trennwand schneller und kühlt schneller ab; dadurch wird eine größere Niederzyklusermüdung in der Trennwand und somit eine Neigung zur Rissbildung erzeugt.
3 zeigt eine geschnittene Endansicht einer Trennwand, bei der das Turbinengehäuse rechtwinklig zur Turboladerachse geschnitten ist, um die Trennwand zu zeigen. Die Trennwand ist nicht zu Ansichtszwecken geschnitten. Die Risse (20) sind typische Risse, die auftreten, wenn der Turbolader und insbesondere das Turbinengehäuse einem Test bei beschleunigten Erwärmungs- und Kühlzyklen unterzogen werden, der dazu ausgelegt ist, die Wirkung solcher Temperaturschwankungen zu verstärken. Diese Risse sind Risse, die typischerweise in im Feld arbeitenden Turboladern zu finden sind und die die Ergebnisse des Beschleunigungstests bestätigen. Bei diesem Test variieren die Abgastemperaturen in dem Fuß des Turbinengehäuses von 200°C bis 800°C mit einer sehr ausgeprägten Veränderung der Temperatur von einem Extrem zum anderen, sie werden zuerst auf einer extremen Temperatur gehalten und dann zu der anderen extremen Temperatur zurückgeführt, bei der sie wieder auf der Temperatur gehalten werden. Ein 10-Minuten-Zyklus wird viele Male wiedeholt, und dann wird das Turbinengehäuse auf Risse untersucht.
Typischerweise werden Turbinengehäuse entweder aus Gusseisen mit Kugelgraphit oder Gusseisen mit einem hohen Gehalt an Silizium-Molybdän (high-silicon molybdenum – HSM) gegossen, wobei die Wahl des Materials von der Abgastemperatur oder von der Charakteristik des Temperaturzyklus, dem das Turbinengehäuse ausgesetzt ist, abhängig ist. Bei höheren Temperaturen wird häufig Gusseisen mit höheren Nickellegierungen, wie z. B. Ni-Resist und nicht rostende Stähle verwendet; häufig weisen diese Legierungen jedoch eine geringere Dehnungsfähigkeit auf als HSM, so dass die Neigung der Trennwand zur Rissbildung steigt.
Somit zeigt sich, dass Bedarf an einer besseren Auslegung der Trennwand bei einem geteilten Turbinengehäuse besteht, mit der die Neigung der Trennwand zur Rissbildung minimiert wird.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Herkömmlicherweise wurde bei Berücksichtigung der aerodynamischen Funktion der Trennwand zum Entmischen der Abgasimpulse in den separaten Diffusoren (111) und zum Halten der Flächen der hinteren Kante (21) das Auslegen der Trennwand in den Händen der Aerodynamik-Konstrukteure belassen. Folglich sind die Außenflächen (19) der Trennwand im Wesentlichen parallel zueinander ausgelegt, und manchmal sind sie als gerade Linien eines ”V”, die in der Richtung der hinteren Kante der Trennwand konvergent sind, ausgelegt. In jedem Fall ist die Masseverteilung in der Trennwand im Wesentlichen linear, da beide Flächen der Seiten der Trennwand linear sind.
Die Erfinder haben begonnen, die Lebensdauer der Trennwand durch Auslegen der Trennwand von einem thermodynamischen statt einem rein aerodynamischen Ausgangspunkt aus zu verbessern. Die Erfinder haben bei der Entwicklung dieser Erfindung eine Vielzahl von Trennwandformen auf der Basis von unterschiedlichen Definitionen von Kurven untersucht und erkannt, dass es in der Tat möglich ist, eine Trennwand in einem Turbinengehäuse eines Turboladers auszulegen, die in der Lage ist, der Neigung zur Rissbildung zu widerstehen.
Die Erfinder haben festgestellt, dass quantitativ Wärmeenergie exponentiell zum Abgas geleitet wird, so dass die transiente Wärmeübertragung von der Trennwand eine exponentielle Funktion ist, während die Masse der Trennwand eine lineare Funktion ist. Die Erfinder haben diese Diskrepanz erkannt und begonnen, eine Trennwand so auszulegen, dass die Masse der Trennwand und die transiente Wärmeübertragung von der Trennwand besser zusammenpassen.
Wie in 5 gezeigt ist, sind die Flächen (44) des mittleren Teils der Trennwand als Log₂-Kurven um die im Wesentlichen radiale Längsachse (26) der Trennwand (16) herum ausgelegt. Die Log₂-Kurve verhält sich tangential zu dem Wurzelradius (14), wobei sich die Tangente an der Schnittstelle der Fläche (44) der erfindungsgemäßen Trennwand und des Dachs (13) des Diffusors befindet. Vorzugsweise schneidet die Log₂-Kurve auch die radiale Achse (26) der Trennwand an der Schnittstelle der Innendurchmesser-Abgrenzung (18) der Trennwand und der Achse (26) der Trennwand. Vorzugsweise ist die Form des hinteren Kantenteils (21) der Trennwand innerhalb der Definition der Form der Flächen der Seiten (44) der Trennwand definiert. In anderen Fällen kann die hintere Kante der erfindungsgemäßen Trennwand als eine Parabel, ein Radius oder ein Spline plus ein Radius sein, und in diesem Fall verhielte sich die erfindungsgemäße Log₂-Kurve tangential zur Definition der hinteren Kante. Die innere Abgrenzung der hinteren Kante wäre immer noch vom Radius von der Mittelachse (1) des Turboladers zur hinteren Kante (18) definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist als Beispiel und nicht als Einschränkung in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile bezeichnen und in denen:
1 einen Schnitt eines Turbinengehäuseendes eines Turboladers zeigt;
2A, B Schnittansichten von Diffusoren zeigt;
3 eine freiliegende Trennwand mit typischen Rissen zeigt;
4 eine Schnittansicht einer Trennwand und eines Diffusors nach dem Stand der Technik zeigt;
5 eine Schnittansicht der Trennwand und des Diffusors nach der Erfindung zeigt;
6 die Konstruktion mehrerer Trennwandprofile zeigt; und
7 eine vergrößerte Ansicht mit Darstellung der Abgrenzungen der Trennwandeinhüllenden zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Geteilte Turbinengehäuse in Turboladern werden verwendet, um in der Turbine die Impulsenergie aufrechtzuerhalten, die aus der Verbrennung im Zylinderkopf eines Motors mit niedriger Drehzahl stammt. Die Abgasimpulse pflanzen sich das Abgassammelrohr entlang fort, und wenn sie die Turbine erreichen, hält das geteilte Turbinengehäuse die Impulse, um eine gepulste Strömung gegenüber einer stationären Strömung zu dem Turbinenrad zu liefern. Diese gepulste Energie wird dann von dem Turbinenrad in eine Drehenergie umgewandelt.
In einem aerodynamische Sinn bilden die Form der Trennwand nahe der hinteren Kante (21) und die Form der Fläche der Außenwände (22, 23) des Diffusors eine Düse zum Führen des Abgasstroms in das Turbinenrad (10). Infolge dieser aerodynamischen Anforderung ist die Auslegung der Trennwand, deren Funktion es ist, die Impulse in den separaten Diffusoren (111) zu entmischen und die Flächen der hinteren Kante (21) zu halten, historisch in den Händen der Aerodynamik-Konstrukteure belassen worden. Die Erfinder haben begonnen, die Lebensdauer der Trennwand mittels eines anderen Ansatzes zu verbessern – durch Auslegen einer Trennwand von einem thermodynamischen Ausgangspunkt aus.
Typischerweise ist, wie in 4 gezeigt ist, die Trennwand eine im Wesentlichen parallele Wandstruktur, die an einem Ende in einer Kurve endet, welche die hintere Kante (21) der Trennwand definiert, und am anderen Ende in einer Kurve, welche von einem Wurzelradius (14) zwischen dem Dach (13) des Diffusors und der potenziell schneidenden Fläche (19) der Trennwand (16) definiert ist. Manchmal sind die Außenflächen (19) der Trennwand parallel zueinander ausgelegt; und manchmal sind sie als gerade Linien eines ”V” ausgelegt, die in der Richtung der hinteren Kante der Trennwand konvergent sind. Generell existieren unabhängig von der Auslegung der Trennwand immer sowohl eine Massedifferenz als auch eine thermodynamische Diskrepanz zwischen der Trennwand und den Außenwänden des Diffusors.
Bekannterweise verläuft die Masseverteilung in der Trennwand im Wesentlichen linear, da beide Flächen der Seiten der Trennwand linear sind. Quantitativ wird Wärmenergie exponentiell zum Abgas geleitet, so dass die transiente Wärmeübertragung von der Trennwand eine exponentielle Funktion ist, während die Masse der Trennwand eine lineare Funktion ist. Die Erfinder haben diese Diskrepanz erkannt und begonnen, eine Trennwand auszulegen, bei der die Masse der Trennwand und die transiente Wärmeübertragung von der Trennwand besser zusammenpassen.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in 5 gezeigt ist, sind die Flächen (44) des mittleren Teils der Trennwand als Log₂-Kurven um die im Wesentlichen radiale Achse (26) der Trennwand (16) herum ausgelegt. Die Log₂-Kurve verhält sich tangential zum Wurzelradius (14), der sich an der Schnittstelle der Fläche (44) der erfindungsgemäßen Trennwand und dem Dach (13) des Diffusors befindet. Bei dem bevorzugten Fall der erfindungsgemäßen Trennwand schneidet die Log₂-Kurve auch die radiale Achse (26) der Trennwand an der Schnittstelle der Innendurchmesser-Abgrenzung (18) der Trennwand und der Achse (26) der Trennwand. In dem bevorzugten Fall ist die Form des hinteren Kantenteils (21) der Trennwand innerhalb der Definition der Form der Flächen der Seiten (44) der Trennwand definiert. In anderen Fällen kann die hintere Kante der erfindungsgemäßen Trennwand als eine Parabel, ein Radius oder ein Spline plus ein Radius sein, und in diesem Fall verhielte sich die erfindungsgemäße Log₂-Kurve tangential zur Definition der hinteren Kante. Die innere Abgrenzung der hinteren Kante würde immer noch von dem Radius (18) von der Mittelachse (1) des Turboladers definiert.
Die Erfinder haben bei der Entwicklung dieser Erfindung mehrere Trennwandformen auf der Basis von unterschiedlichen Definitionen von Kurven untersucht. Wie in 6 gezeigt ist, ist die dem Stand der Technik entsprechende Trennwand von einer parabolischen hinteren Kante (49) definiert, die sich tangential zu einem Paar von Flächen (48) verhält, welche parallel zueinander angeordnet sind. Die Erfinder haben Trennwände mit nicht-parallelen Seitenflächen, d. h. Log₃-Kurven (46), Log₄-Kurven (47) und Log₂-Kurven (45), untersucht, die alle in 6 gezeigt sind, bevor sie festgestellt haben, dass eine signifikante Verbesserung beim Widerstand gegen Rissinitiierung und -ausbreitung in der Trennwand mit Trennwänden, die die Form einer Log₂-Kurve aufweisen, gewährleistet werden konnte. Jede der Alternativen, die in 6 gezeigt sind, weist eine innere Abgrenzung an dem oben genannten Radius (18) auf, wobei der Radius als ein vorbestimmtes Verhältnis des Turbinenraddurchmessers und einer äußeren Abgrenzung festgelegt ist, welche von der Schnittstelle der besonderen Definition der Kurven (46, 47 oder 48) der Trennwand (16) und den Wurzelradien (14), die die Kurven (46, 47 oder 48) mit dem Dach (13) des Diffusors verbinden, festgelegt ist. Somit sind die Länge/Abgrenzungen der Außenfläche (44) der erfindungsgemäßen Trennwand festgelegt.
Da die Exaktheit der Flächen der Seiten der erfindungsgemäßen Trennwand (44) relativ zu einer perfekten Form durch den Herstellprozess aus praktischen Gründen verschlechtert wird, ist eine Herstellgrenze von +/–10% bei einer im Wesentlichen axialen Verschiebung der ausgelegten Außenflächen (44) der Trennwand im Rahmen der Definition der Erfindung akzeptabel (d. h. plus 5% der Gesamtwanddicke pro Seite = 10%; minus 5% der Gesamtwanddicke pro Seite ebenfalls = 10%). Wie in 7 gezeigt ist, ist die erweiterte Verschiebung der ausgelegten Außenfläche (Auslegungsdicke plus 5% pro Seite) als die Kurve (54) gezeigt, und die verengte Verschiebung der ausgelegten Fläche (Auslegungsdicke minus 5% pro Seite) ist als die Kurve (55) gezeigt.
Die im Wesentlichen radiale Abgrenzung der breiteren verschobenen Fläche (54) ist wie folgt definiert: die im Wesentlichen radiale äußere Abgrenzung der erfindungsgemäßen Fläche ist die Schnittstelle des Wurzelradius (14) der Fläche des Dachs (13) des Diffusors mit der größeren Verschiebung der ausgelegten Außenfläche (54). Die im Wesentlichen radiale innere Abgrenzung der erfindungsgemäßen Fläche ist die Schnittstelle der größeren Verschiebung der ausgelegten Außenfläche (54) und einer Linie (56), die 25% der im Wesentlichen axialen Länge von der Schnittstelle des Wurzelradius (14) mit der größeren Verschiebung der ausgelegten Fläche (54) und der Schnittstelle der im Wesentlichen radialen Achse (26) der Trennwand mit der oben definierten inneren Abgrenzung (18) der hinteren Kante der Trennwand darstellt.
Die im Wesentlichen radiale Abgrenzung der kleineren verschobenen Fläche (55) ist wie folgt definiert: die im Wesentlichen radiale äußere Abgrenzung der erfindungsgemäßen Fläche ist die Schnittstelle des Wurzelradius (14) der Fläche des Dachs (13) des Diffusors mit der kleineren Verschiebung der ausgelegten Außenfläche (55). Die im Wesentlichen radiale innere Abgrenzung der erfindungsgemäßen Kurve ist die Schnittstelle der kleineren Verschiebung der ausgelegten Außenfläche (54) und einer Linie (56), die 25% der im Wesentlichen axialen Länge von der Schnittstelle des Wurzelradius (14) mit der kleineren Verschiebung der ausgelegten Fläche (55) und der Schnittstelle der im Wesentlichen radialen Achse (26) der Trennwand mit der oben definierten inneren Abgrenzung (18) der hinteren Kante der Trennwand darstellt. Ein Abschnitt der Kreisringe, die die so definierten oben genannten Abschnittsabgrenzungen darstellen, ist als abgeschattete Bereiche in 7 gezeigt.

Claims

Turbinengehäuse eines Turboladers, das ein Gehäuse umfasst, welches eine Gehäuseachse aufweist und dazu ausgebildet ist, ein drehbar montiertes Turbinenrad aufzunehmen, und in dem ein Diffusor definiert ist, der um die Gehäuseachse herum angeordnet ist und zum Austragen von Abgas zu dem Turbinenrad vorgesehen ist, wobei der Diffusor von einer Trennwand meridional geteilt ist und erste und zweite Diffusordurchgänge bildet, wobei die Trennwand eine Querschnittform aufweist, die im Wesentlichen von einer Log₂-Kurve definiert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Länge L, gemessen von dem Dach (13) des Diffusors zu der hinteren Kante (18) des Diffusors, aufweist und wobei der Querschnitt von mindestens 50% der Länge der Trennwand L im Wesentlichen von einer Log₂-Kurve definiert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Länge L, gemessen von dem Dach (13) des Diffusors zu der hinteren Kante (18) des Diffusors, aufweist und wobei der Querschnitt von mindestens 65% der Länge der Trennwand L im Wesentlichen von einer Log₂-Kurve definiert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Länge L, gemessen von dem Dach (13) des Diffusors zu der hinteren Kante (18) des Diffusors, aufweist und wobei der Querschnitt von mindestens 75% der Länge der Trennwand L im Wesentlichen von einer Log₂-Kurve definiert ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Länge L, gemessen von dem Dach (13) des Diffusors zu der hinteren Kante (18) des Diffusors, aufweist und wobei der Querschnitt von mindestens 50% der Länge der Trennwand L mit ±5% auf jeder Seite in eine von einer Log₂-Kurve definierte Einhüllende fällt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Länge L, gemessen von dem Dach (13) des Diffusors zu der hinteren Kante (18) des Diffusors, aufweist und wobei der Querschnitt von mindestens 65% der Länge der Trennwand L mit ±5% auf jeder Seite in eine von einer Log₂-Kurve definierte Einhüllende fällt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Länge L, gemessen von dem Dach (13) des Diffusors zu der hinteren Kante (18) des Diffusors, aufweist und wobei der Querschnitt von mindestens 75% der Länge der Trennwand L mit ±5% auf jeder Seite in eine von einer Log₂-Kurve definierte Einhüllende fällt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Querschnittform der Trennwand um eine Längsachse der Trennwand herum symmetrisch ist.
Turboladereinrichtung, die eine Kompressorabdeckung, ein Kompressorrad, das zum Drehen in der Kompressorabdeckung montiert ist, ein Turbinengehäuse, ein Turbinenrad, das zum Drehen in dem Turbinengehäuse montiert ist, einen Verbrennungslufteinlass, der ermöglicht, dass Luft zu dem Kompressor geleitet wird, einen Verbrennungsluftauslass, der ermöglicht, dass Luft von dem Kompressor zu einem Motor geführt wird, ein Abgassammelrohr zum Leiten von Abgasen von dem Motor zu dem Turbinenrad, um das Turbinenrad zu drehen, aufweist, wobei das Abgassammelrohr in mindestens zwei Leitungen geteilt ist, um eine gegenseitige Störung von Abgasen zwischen Zylindern zu verhindern, wobei ein Turbinendiffusor intern von einer Trennwand geteilt ist, um eine Kontinuität mit Auslassströmungswegen der Abgassammelrohr-Leitungen aufrechtzuerhalten, bevor die Abgase zu der Turbine geführt werden, wobei die Trennwand eine Querschnittform aufweist, die im Wesentlichen von einer Log₂-Kurve definiert ist.