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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Turbolader und insbesondere auf Schaufelaggregate für Turbolader mit variabler Turbinengeometrie.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Turbolader sind ein Typ eines Systems für das erzwungene Ansaugen. Sie führen Luft mit einer größeren Dichte als die, die in der normalen Ansaugkonfiguration möglich sein würde, dem Kraftmaschineneinlass zu, was ermöglicht, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird und folglich die Pferdestärken der Kraftmaschine erhöht werden, ohne das Gewicht der Kraftmaschine signifikant zu vergrößern. Eine kleinere Kraftmaschine mit Turbolader, die eine Kraftmaschine mit normaler Ansaugung mit einer größeren physischen Größe ersetzt, verringert die Masse und kann den aerodynamischen Frontbereich des Fahrzeugs verkleinern.
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In 1 verwendet ein Turbolader (10) die Abgasströmung vom Auslasskrümmer der Kraftmaschine, um ein Turbinenrad (12) anzutreiben, das sich in einem Turbinengehäuse (14) befindet, um eine Turbinenstufe (16) zu bilden. Die durch das Turbinenrad (12) extrahierte Energie wird in eine Drehbewegung umgesetzt, die dann ein Kompressorrad (18) antreibt, das sich in einer Kompressorabdeckung (20) befindet, um eine Kompressorstufe (22) zu bilden. Das Kompressorrad (18) saugt Luft in den Turbolader (10), komprimiert diese Luft und führt sie der Einlassseite der Kraftmaschine zu.
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Turbolader mit variabler Geometrie verwenden typischerweise mehrere drehbare Schaufeln (24), um die Strömung des Abgases zu steuern, die auf das Turbinenrad (12) auftrifft und die Leistung der Turbinenstufe (16) steuert. Diese Schaufeln (24) steuern deshalb außerdem das durch die Kompressorstufe (22) erzeugte Druckverhältnis. In Kraftmaschinen, die die Erzeugung von NOx unter Verwendung von Hochdruck-Abgasrückführungstechniken (HP-AGR-Techniken) steuern, stellt die Funktion der Schaufeln (24) in einem VTG außerdem ein Mittel zum Steuern und Erzeugen eines Abgasgegendrucks bereit.
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Eine Anordnung schwenkbarer Schaufeln (24) befindet sich zwischen einem im Allgemeinen ringförmigen oberen Leitschaufelkranz (UVR) (26) und einem im Allgemeinen ringförmigen unteren Leitschaufelkranz (LVR) (28). Jede Schaufel dreht sich auf einem Paar gegenüberliegender Achsen (30) (2), die von der Schaufel (24) vorstehen, wobei sich die Achsen auf einer gemeinsamen Achse befinden. Jede Achse (30) befindet sich in einer entsprechenden Öffnung im LVR (28) und einer entsprechenden Öffnung im UVR (30). Die Winkelorientierung des UVR (26) bezüglich des LVR (28) ist so gesetzt, dass die komplementären Öffnungen in den Leitschaufelkränzen (26, 28) mit der Achse der Achsen (30) der Schaufel (24) konzentrisch sind, wobei die Schaufel (24) frei ist, sich um die Achse (32) der beiden Achsen (30) zu drehen, die zu der nun festgesetzten Mittellinie der beiden Öffnungen konzentrisch ist. Jeder Achse (30) auf der UVR-Seite der Schaufel (24) steht durch den UVR (26) vor und ist an einem Schaufelarm (34) befestigt, der die Drehposition der Schaufel (24) bezüglich der Leitschaufelkränze (26, 28) steuert. Typischerweise gibt es einen separaten Kranz, der alle Schaufelarme (34) über kleine Gleitblöcke (48) in Einklang steuert. Dieser Unisonring (50) ist durch einen Aktuator gesteuert, der betriebstechnisch verbunden ist, um den Unisonring (50) zu drehen. Der Aktuator ist typischerweise durch die elektronische Steuereinheit (ECU) der Kraftmaschine gesteuert. Die Anordnung, die aus den mehreren Schaufeln (24) und den beiden Leitschaufelkränzen (26, 28) besteht, ist typischerweise als das Schaufelaggregat bekannt.
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In einem Schaufelaggregat ist der Zwischenraum zwischen den drehbaren Schaufeln (24), spezifischer zwischen den Seitenteilen (36) der Schaufeln (24) und den Innenflächen (38, 40) des oberen und des unteren Leitschaufelkranzes (26, 28) ein Hauptbeitragender zu einem Verlust von Wirkungsgrad sowohl bei der Steuerung des Abgases, dem erlaubt wird, auf das Turbinenrad (12) aufzutreffen, als auch bei der Erzeugung des Gegendrucks stromaufwärts des Turbinenrades (12). Die Zwischenräume zwischen den Seitenteilen (36) der Schaufeln und den komplementären Innenflächen (38, 40) der Leitschaufelkränze (26, 28) sollten auf einem Minimum gehalten werden, um den Wirkungsgrad des Schaufelaggregats zu erhöhen.
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Das Minimieren derartiger Zwischenräume kann jedoch schwierig sein. Weil das Turbinengehäuse (14) in einer radialen Ebene nicht symmetrisch rund ist und weil der Wärmefluss innerhalb des Turbinengehäuses (14) außerdem nicht symmetrisch ist, ist das Turbinengehäuse (14) asymmetrischen Beanspruchungen und einer asymmetrischen Wärmeverformung unterworfen. Die Wärmeverformung in dem Turbinengehäuse (14) wird zu dem Schaufelaggregat übertragen, was verursachen kann, dass das Schaufelaggregat verschleißt, steckenbleibt oder vollständig blockiert. Folglich muss das Schaufelaggregat auf eine Weise, die die Übertragung der thermisch verursachten Verzerrung minimiert, in dem Turbinengehäuse (14) genau angeordnet und eingeschränkt werden.
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Folglich gibt es einen Bedarf an einer Schaufelaggregatkonfiguration, die derartige Sorgen minimieren kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Ausführungsformen sind auf Systeme zum Minimieren des Zwischenraums zwischen den Seitenteilen der Schaufeln und den Innenflächen der Leitschaufelkränze in einem Schaufelaggregat für einen Turbolader mit variabler Geometrie gerichtet. Gemäß den Ausführungsformen hier ist eine abschleifbare Beschichtung auf eine Innenfläche eines oberen Leitschaufelkranzes, eine Innenfläche eines unteren Leitschaufelkranzes und/oder die Oberfläche(n) der Seitenteile einer Schaufel aufgebracht. Auf diese Weise kann ein sehr kleiner Zwischenraum hergestellt werden, ohne die richtige Funktion der Schaufeln während des Turboladerbetriebs zu stören. Im Ergebnis kann es Gewinne beim Wirkungsgrad geben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung ist beispielhaft und ohne Einschränkung in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile angeben und worin:
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1 eine Querschnittsansicht eines typischen Turboladers mit variabler Geometrie ist;
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2 eine Querschnittsansicht eines typischen Schaufelaggregats zeigt; und
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3 eine Ansicht eines zusammengebauten Schaufelaggregats zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die hier beschriebenen Anordnungen beziehen sich auf ein System und ein Verfahren für eine Leitschaufelkranzanordnung. Hier sind ausführliche Ausführungsformen offenbart; es ist jedoch selbstverständlich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft vorgesehen sind. Deshalb sind die hier offenbarten spezifischen strukturellen und funktionalen Einzelheiten nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine Grundlage für die Ansprüche und als eine repräsentative Grundlage, um es einem Fachmann auf dem Gebiet zu lehren, die Aspekte hier in praktisch jeder geeigneten ausführlichen Struktur verschieden zu verwenden. Ferner sind die hier verwendeten Begriffe und Redewendungen nicht einschränkend vorgesehen, sondern stattdessen, um eine verständliche Beschreibung der möglichen Implementierungen bereitzustellen. Die Anordnungen sind in 3 gezeigt, wobei aber die Ausführungsformen nicht auf die veranschaulichte Struktur oder Anwendung eingeschränkt sind.
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Gemäß den Ausführungsformen hier ist eine abschleifbare Beschichtung auf eine oder mehrere der Oberflächen aufgebracht, die den Zwischenraum zwischen den Schaufeln und den Leitschaufelkränzen definieren. In 3 ist ein Abschnitt eines Schaufelaggregats (50) gezeigt. Für die Zwecke der Klarheit ist nur eine Schaufel (24) gezeigt. Eine abschleifbare Beschichtung (52) kann auf wenigstens einen Abschnitt der Innenfläche (40) des LVR (28), wenigstens einen Abschnitt der Innenfläche (38) des UVR (26) und/oder auf wenigstens einen Abschnitt einer oder beider Oberflächen (36) der Seitenteile der Schaufeln (24) aufgebracht sein. In einer Ausführungsform kann die abschleifbare Beschichtung (52) auf die Innenflächen (38, 40) der Leitschaufelkränze (26, 28), aber nicht auf die Oberflächen (36) der Seitenteile der Schaufeln (24) aufgebracht sein.
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Die abschleifbare Beschichtung (52) kann in jeder geeigneten Dicke auf der behandelten Oberfläche bereitgestellt sein. Die Dicke der abschleifbaren Beschichtung (52) kann über der Oberfläche im Wesentlichen gleichmäßig sein. Alternativ kann die Dicke der Beschichtung (52) an einem oder mehreren Orten variieren. Wenn die Beschichtung (52) auf mehrere die Beschichtung definierende Oberflächen aufgetragen ist, kann die Dicke der Beschichtung (52) auf einer der die Beschichtung definierenden Oberflächen im Wesentlichen gleich der Dicke der Beschichtung (52) auf einer weiteren der die Beschichtung definierenden Oberflächen sein. Alternativ kann die Dicke der Beschichtung (52) auf einer der die Beschichtung definierenden Oberflächen von der Dicke der Beschichtung (52) auf einer weiteren der die Beschichtung definierenden Oberflächen verschieden sein.
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Die abschleifbare Beschichtung (52) kann irgendein geeignetes Material sein, das den Schleifkontakt zwischen den Seitenteilen (36) der Schaufeln und den Innenflächen (38, 40) der Leitschaufelkränze (26, 28) ermöglichen kann. In einer Ausführungsform kann die abschleifbare Beschichtung (52) Metco 480NS sein, das von Sulzer Metco (US) Inc., Westbury, New York, verfügbar ist. Eine derartige Beschichtung kann eine sphäroidische, gasverdüste Legierung sein, die 95 Nickel und 5 Aluminium umfasst. Die Partikelgröße kann im Bereich von etwa 45 μm bis etwa 90 μm und/oder etwa –170 +325 Maschenweite liegen (z. B. etwa 90 oder mehr des Materials kann durch ein Sieb mit 170 Maschenweite hindurchgehen und durch ein Sieb mit 350 Maschenweite gehalten werden). Die abschleifbare Beschichtung kann dicht und beständig gegen Oxidation sein. Die Beschichtung kann Temperaturen von wenigstens etwa 800°C (1470°F) widerstehen. Die Beschichtung kann selbstbindend sein und kann während des Spritzens eine exotherme Reaktion durchlaufen, was zu einer hervorragenden Verbindung mit dem Substrat führt. Es können zu Metco 480NS ähnliche Materialien verwendet werden.
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Zusätzliche Beispiele geeigneter abschleifbarer Besichtigungen enthalten Aluminium-Silicium-Legierung/Polymer-Verbundwerkstoffe, Aluminium-Silicium-Legierung/Graphit-Verbundwerkstoffe, Nickel/Graphit-Verbundwerkstoffe, Aluminiumbronze/Polymer-Verbundwerkstoffe, Nickel-Chrom-Aluminium/Bornitrid-Verbundwerkstoffe, Nickel-Chrom-Aluminium/Bentonit-Verbundwerkstoffe, einen porös gespritzten Nickel/Aluminium-Verbundwerkstoff, einen porös gespritzten Nickel-Chrom-Aluminium-Verbundwerkstoff, MCrAlY/BN/Polyester-Verbundwerkstoffe und yttriumoxid-stabilisierte Zirkoniumoxid-Keramik/Polyester-Verbundwerkstoffe (YSZ-Keramik/Polyester-Verbundwerkstoffe). Derartige Beschichtungen können durch thermisches Spritzen aufgebracht werden.
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In einer Ausführungsform kann die abschleifbare Beschichtung (52) ein abschleifbares Zirkoniumoxid-Polymer-Keramik-Pulver sein. Ein derartiges Pulver kann durch thermisches Spritzen aufgebracht werden. Beispiele derartiger Beschichtungen enthalten DURABLADE 2192, Sulzer Metco 2395 und/oder Sulzer Metco 2460NS, die von Sulzer Metco (US) Inc., Westbury, New York, verfügbar sind.
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DURABLADE 2192 kann etwa 9,5% Dy2O3, etwa 4,5% Polymer und 0,7 hBN umfassen, wobei der Rest im Wesentlichen ZrO2 (mit einem Maximum von 2,5 Gew.-% Hafnium) umfassen kann. Die nominelle Verteilung der Partikelgröße kann etwa –176 +11 μm mit einem Durchschnitt von etwa 65 μm betragen. Die Gebrauchstemperatur kann kleiner als oder gleich etwa 1150°C (2100°F) sein. DURABLADE 2192 kann eine Porosität von etwa 25–35% besitzen. Es kann eine Härte von 70-90 HR15Y besitzen. Es kann eine Beschichtungsfestigkeit von größer als 3 MPa (435 psi) besitzen.
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Sulzer Metco 2395 kann etwa 7,5% Y2O3, etwa 4,5% Polymer und 0,7 hBN umfassen, wobei der Rest im Wesentlichen ZrO2 (mit einem Maximum von 2,5 Gew.-% Hafnium) umfassen kann. Die nominelle Verteilung der Partikelgröße kann etwa –176 +11 μm mit einem Durchschnitt von etwa 57 μm betragen. Die Gebrauchstemperatur kann kleiner als oder gleich etwa 1150°C (2100°F) sein. Sulzer Metco 2395 kann eine Porosität von etwa 25–40% besitzen. Es kann eine Härte von 70-90 HR15Y besitzen. Es kann eine Beschichtungsfestigkeit von größer als 3 MPa (435 psi) besitzen.
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Sulzer Metco 2460NS kann etwa 7,5 Y2O3, etwa 4,5 Polymer und etwa 4 Bindemittel umfassen, wobei der Rest im Wesentlichen ZrO2 (mit einem Maximum von 2,5 Gew.-% Hafnium) umfassen kann. Die nominelle Verteilung der Partikelgröße kann etwa –176 +11 μm mit einem Durchschnitt von etwa 74 μm betragen. Die Gebrauchstemperatur kann kleiner als oder gleich etwa 1150°C (2100°F) sein. Sulzer Metco 2460NS kann eine Porosität von etwa 15-30 besitzen. Es kann eine Härte von 80-95 HR15Y besitzen. Es kann eine Beschichtungsfestigkeit von größer als 4 MPa (580 psi) besitzen.
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Weitere geeignete abschleifbare Beschichtungen enthalten TECH 17, TECH 28 und/oder TECH 40, die von Bodycote K-Tech Ltd., Cheshire, England verfügbar sind. Eine Beschichtung, die TECH 17 umfasst, kann eine Dicke von weniger als etwa 5 μm besitzen. Die maximale Härte kann etwa 2600 Hv betragen. Eine TECH 28-Beschichtung kann eine Dicke von etwa 50 bis etwa 100 μm mit einer Härte von etwa 1850 Hv besitzen. TECH 40 kann eine Beschichtungsdicke von etwa 50 bis etwa 100 μm mit einer Härte von etwa 2850 Hv besitzen.
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Materialien, die zu jenen ähnlich sind, die oben aufgelistet sind, können außerdem geeignet sein. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht auf irgendein spezielles Material eingeschränkt. Wenn die abschleifbare Beschichtung (52) auf mehrere die Beschichtung definierende Oberflächen aufgebracht ist, kann das Material der Beschichtung (52) auf einer der die Beschichtung definierenden Oberflächen das gleiche wie das Material der Beschichtung (52) auf einer weiteren der die Beschichtung definierenden Oberflächen sein. Alternativ kann das Material der Beschichtung (52), die auf eine der die Beschichtung definierenden Oberflächen aufgebracht ist, anders als das Material der Beschichtung (52) sein, die auf eine weitere der die Beschichtung definierenden Oberflächen aufgebracht ist.
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Die abschleifbare Beschichtung (52) kann auf irgendeine geeignete Weise auf eine oder mehrere den Zwischenraum definierenden Oberflächen aufgebracht sein. Sobald die abschleifbare Beschichtung (52) aufgebracht worden ist, kann sie bei Bedarf bearbeitet werden. Das Schaufelaggregat (50) kann mit einer Presspassung zwischen den den Zwischenraum definierenden Oberflächen zusammengebaut werden. Als ein Beispiel kann eine Presspassung zwischen den nicht beschichteten Seitenteilen (36) der Schaufeln und dem beschichteten oberen Leitschaufelkranz (26) und/oder dem beschichteten unteren Leitschaufelkranz (28) vorhanden sein. Bevor das Schaufelaggregat (50) in dem Turbinengehäuse (14) installiert wird, kann das Schaufelaggregat (50) in einer Montagevorrichtung installiert werden und Vibration oder Schwingungen unterworfen werden. Auf diese Weise können die Schaufeln (24) die abschleifbare Beschichtung (52) einschneiden und können einen Zwischenraum von im Wesentlichen null oder einen sehr kleinen Zwischenraum dazwischen herstellen, während immer noch ermöglicht ist, dass die Schaufeln (24) während des Turboladerbetriebs richtig funktionieren.
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Während des Turboladerbetriebs minimiert der kleine Zwischenraum die Undichtigkeit der Abgasströmung durch den Raum zwischen den Seitenteilen (36) der Schaufeln und den Innenflächen (38, 40), wobei dadurch der Wirkungsgrad und die Leistung verbessert werden. Es wird ferner erkannt, dass, falls sich der Zwischenraum zwischen den Seitenteilen (36) der Schaufeln und den Innenflächen (38, 40) während des Turboladerbetriebs verringert, die Schaufeln (24) mit der abschleifbaren Beschichtung (52) in Kontakt gelangen können. In einem derartigen Fall können die Schaufeln (24) die abschleifbare Beschichtung (52) weiter abschleifen, ohne die Funktion der Schaufeln (24) erheblich zu behindern.
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Die Begriffe ”ein” und ”eine”, wie sie hier verwendet werden, sind als eins oder mehr als eins definiert. Der Begriff ”mehrere”, wie er hier verwendet wird, ist als zwei oder mehr als zwei definiert. Der Begriff ”ein weiterer”, wie er hier verwendet wird, ist als wenigstens ein zweiter oder mehr definiert. Die Begriffe ”enthaltend” und/oder ”besitzend”, wie sie hier verwendet werden, sind als umfassend definiert (d. h. offene Sprache).
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Die hier beschriebenen Aspekte können in anderen Formen und Kombinationen verkörpert sein, ohne vom Erfindungsgedanken oder dessen wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Folglich wird selbstverständlich erkannt, dass die Ausführungsformen nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Einzelheiten eingeschränkt sind, die lediglich beispielhaft angegeben sind, und dass verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche möglich sind.
