DE112015001237B4

DE112015001237B4 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE112015001237B4
Application number: DE112015001237.0T
Authority: DE
Inventors: Marc Gugau; Alessio Scheri
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: WO2015179353A1; JP2017516012A; CN106460520B; DE112015001237T5; US20170107896A1; KR102301070B1; KR20170007346A; CN106460520A; JP6572243B2; US10280833B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader (1), umfassend einen Verdichter (2) mit einem Verdichterrad (3), eine Turbine (4) mit einem Turbinenrad (5) und einem Turbinengehäuse (6), eine das Verdichterrad (3) mit dem Turbinenrad (5) verbindende Welle (7), und eine Anzahl von S>=2 im Turbinengehäuse (6) ausgebildeter Fluten (13, 14) zum Führen des Abgases auf das Turbinenrad (5), wobei entlang der Welle (7) vom Verdichter (2) zur Turbine (4) eine Axialrichtung (8) definiert ist, senkrecht zur Axialrichtung (8) eine Radialrichtung (9) definiert ist, und um die Axialrichtung (8) entgegen der Rotationsrichtung des Turbinenrades (5) eine Umfangsrichtung (10) definiert ist, wobei jede Flut (13, 14) das Turbinenrad (5) über seine gesamte Breite in Axialrichtung (8) und über ein Segment bezogen auf die Umfangsrichtung (10) anströmt, wobei das Turbinenrad (5) eine Anzahl von Z>=10 Turbinenschaufeln (12) umfasst, und wobei die Turbinenschaufeln (10) als Hauptschaufeln (22) und Zwischenschaufeln (23) ausgebildet sind, wobei sich die Zwischenschaufeln (23), zumindest an ihren nabenseitigen Enden (24), in Axialrichtung (8) zum Turbinenaustritt hin nicht so weit erstrecken wie die Hauptschaufeln (22). Eine radiale Innenseite jeder Flut (13, 14) endet mit einer Zunge (17) und wobei an einer Zungenspitze (18) der Zunge (17), eine Halsquerschnittsfläche A1 der jeweiligen Flut definiert ist, und wobei zwischen turbinenaustrittseitigen Kanten (19) der Hauptschaufeln (22) Teilflächen (21) definiert sind, die in Summe eine engste Strömungsaustrittquerschnittsfläche A2 ergeben, wobei gilt: A2/A1 >=S · 0,9.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader. Insbesondere wird ein kleinbauender Abgasturbolader vorgestellt, der bei Personenkraftwagen eingesetzt wird.
In Abgasturboladern nach dem Stand der Technik wird über zumindest eine Volute Abgas auf ein Turbinenrad des Abgasturboladers geleitet. Bekannt ist es, zur Stoßaufladung in einer Volute zwei Fluten mittels eines Trennsteges voneinander zu trennen. Die beiden Fluten können zu unterschiedlichen Zylindern des zugehörigen Verbrennungsmotors führen. Bei dieser Anordnung sind die beiden Fluten in Axialrichtung des Turboladers nebeneinander angeordnet, so dass die einzelne Flut nicht die gesamte Breite des Turbinenrades anströmt. Problematisch ist dabei, dass der Trennsteg stets einen gewissen Teil des Turbinenrades verdeckt und dieser Teil nicht direkt anströmbar ist. Um eine gewisse Stabilität und Dauerfestigkeit sicherzustellen, kann der Trennsteg nicht beliebig dünn ausgestaltet sein.
In der WO 2014/038054 A1 wird eine Mischströmungsturbine bereitgestellt, bei der Zwischenschaufeln mit einer Zwischenhöhe zwischen den Hauptschaufeln der Mischströmungsturbine vorgesehen sind, wodurch eine Impulsschaufel-Turbinencharakteristik verbessert und das Trägheitsmoment für eine Rotorschaufel als Ganzes verringert wird, wodurch der Wirkungsgrad und das Einschwingverhalten verbessert werden. Die Strömungsturbine umfasst bewegliche Turbinenschaufeln, ein Turbinengehäuse, eine Spiraltrennwand, die eine Spiralkammer trennt, einen abdeckungsseitigen Einlasskanal, der auf der Seite der abdeckungsseitigen Trennwandoberfläche ausgebildet ist, und einen nabenseitigen Einlasskanal, der auf der Seite der nabenseitigen Trennwandfläche ausgebildet ist. Die beweglichen Schaufeln weisen Hauptschaufeln auf, die so ausgebildet sind, dass sie eine Höhe aufweisen, die den gesamten Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche der Nabe und der inneren Umfangsfläche eines Mantelabschnitts überspannt, und Zwischenschaufeln, die in Umfangsrichtung zwischen den Hauptschaufeln angeordnet sind und so angeordnet sind, dass sie sich vom Einlass der Hauptschaufeln zu einem Zwischenabschnitt der Hauptschaufeln erstrecken und eine Zwischenhöhe bezüglich der Höhe der Hauptschaufeln aufweisen. Ein Fluid strömt von dem nabenseitigen Einströmungskanal durch Vorderkanten der Zwischenschaufeln ein.
Die DE 11 2010 003 626 T5 bezieht sich auf eine Abgas-Zuführvorrichtung eines Turbinenrades eines Abgasturboladers mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist eine erste Flut und eine zweite Flut auf, sowie einen mit einem Verbrennungsmotor verbindbaren Abgaskrümmer. Der Abgaskrümmer weist eine erste Krümmerflut auf, welche erste Zylinder des Verbrennungsmotors zur Bildung einer ersten Krümmer-Abgaslauflänge verbindet, und weist eine zweite Krümmerflut auf, welche zweite Zylinder zur Bildung einer zweiten Krümmer-Abgaslauflänge verbindet, wobei durch Kombination der Krümmerfluten mit den Spiralfluten des Turbinengehäuses nahezu gleiche Gesamt-Abgaslauflängen beider Fluten entstehen. Des Weiteren wird ein Abgasturbolader mit einer Abgas-Zuführvorrichtung für ein Turbinenrad offenbart.
In der DE 42 42 494 C1 wird ein verstellbarer Strömungsleitapparat für ein Laufrad einer von Abgasen einer Brennkraftmaschine betriebenen Strömungsmaschine offenbart, wobei der Strömungsleitapparat einen ringförmigen Einsatz zwischen mehreren spiralförmigen Leitkanälen der Strömungsmaschine und dem Laufrad mit mindestens teilweise radialer Durchströmungsrichtung umfasst. In dem ringförmigen Einsatz sind über dessen Umfang Strömungsleitelemente verteilt angeordnet, die ein Leitgitter bilden und eine Strömungsverbindung zwischen den spiralförmigen Leitkanälen und dem Laufrad der Strömungsmaschine herstellen. Der ringförmige Einsatz ist Bestandteil einer in Richtung der Laufradlängsachse verschiebbaren Verstellhülse. Um für mehrflutige Strömungsmaschinen einen möglichst einfachen und gleichzeitig im Verhältnis zu bisher bekannten Lösungen sehr variablen Strömungsleitapparat unter Vermeidung der Nachteile des bisherigen Standes der Technik darzustellen, wird vorgeschlagen, dass der Einsatz in Ringsektoren mit unterschiedlich ausgebildeten Leitgittersektoren derart eingeteilt ist, dass durch die Strömung in den spiralförmigen Leitkanälen gleichzeitig unterschiedliche Leitgitter beaufschlagbar sind.
Die DE 102 20 097 A1 betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad, welches mehrere Turbinenradschaufeln aufweist. Die Turbine weist wenigstens eine Anströmflut auf, welche so angeordnet ist, dass das Turbinenrad im Wesentlichen radial angeströmt wird. Am Übergang der wenigstens einen Anströmflut zu dem Turbinenrad ist ein Bremsgitter zur Ermöglichung eines Bremsbetriebs angeordnet. In denjenigen Bereichen sämtlicher Turbinenradschaufeln, die im Bremsbetrieb einer maximalen Vibrationsauslenkung unterworfen sind, ist eine Bohrung angeordnet, durch welche ein Dämpfungsdraht zur Verbindung sämtlicher Turbinenradschaufeln verläuft. Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Abgasturbolader anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und wartungsarmem Betrieb eine Stoßaufladung ermöglicht, gleichzeitig kleinbauend ist und insbesondere in Personenkraftwagen eingesetzt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zum Gegenstand.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Abgasturbolader, vorzugsweise für einen Personenkraftwagen, umfassend einen Verdichter mit einem Verdichterrad und eine Turbine mit einem Turbinenrad. Das Turbinenrad ist in einem Turbinengehäuse angeordnet. Mittels einer Welle ist das Verdichterrad mit dem Turbinenrad verbunden. Das Turbinenrad wird mittels Abgas, beispielsweise aus einem Verbrennungsmotor, angeströmt. Dadurch wird die Welle und somit auch das Verdichterrad in Rotation versetzt. Über das Verdichterrad wird Ladeluft, beispielsweise für den Verbrennungsmotor, verdichtet. In dem Turbinengehäuse sind zumindest zwei Fluten zum Führen des Abgases auf das Turbinenrad ausgebildet. Die Anzahl der Fluten wird als „S“ bezeichnet. Die Welle erstreckt sich in Richtung vom Verdichter zur Turbine in einer Axialrichtung. Diese Axialrichtung liegt auf der Achse der Welle bzw. der Achse des Turbinenrades und des Verdichterrades. Senkrecht zur Axialrichtung ist eine Radialrichtung definiert. Um die Axialrichtung herum, entgegen der Rotationsrichtung des Turbinenrades, ist eine Umfangsrichtung definiert. Jede der zumindest zwei Fluten strömt das Turbinenrad über seine gesamte Breite an. Die Breite des Turbinenrades ist in Axialrichtung definiert. Des Weiteren strömt jede Flut das Turbinenrad über ein Segment, bezogen auf die Umfangsrichtung, an. Bei Verwendung von zwei Fluten strömt also jede Flut das Turbinenrad über 180 ° und über seine gesamte Breite an. Erfindungsgemäß sind keine zwei in Axialrichtung benachbarte Fluten vorgesehen, die über einen Trennsteg unterteilt sind. Dadurch ist das Turbinenrad nicht teilweise vom Trennsteg verdeckt.
Die jeweiligen Fluten enden an ihrer radialen Innenseite mit einer sogenannten Zunge. Es muss beachtet werden, dass diese Zunge zumindest teilweise eine optimale Anströmung des Turbinenrades verhindert. Da hier zumindest zwei Fluten vorgesehen sind, die um 180° versetzt auf das Turbinenrad wirken, gibt es zwei solcher Zungen, die die optimale Anströmung des Turbinenrades negativ beeinflussen. Insbesondere bei kleinbauenden Abgasturboladern und entsprechend kleinen Turbinenrädern macht sich dieser negative Einfluss bemerkbar. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei einer entsprechend hohen Anzahl an Turbinenschaufeln, von zumindest zehn Stück, eine ausreichend gute Anströmung des Turbinenrades, selbst mit den um 180° versetzten Fluten, erreicht werden kann. Die Anzahl der Turbinenschaufeln wird im Folgenden als „Z“ bezeichnet. Besonders bevorzugt sind zumindest zwölf, weiter bevorzugt zumindest vierzehn, Turbinenschaufeln vorgesehen.
An Abgasturboladern wird üblicherweise eine sogenannten engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche definiert. Diese engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche wird am Turbinenaustritt an den turbinenaustrittseitigen Kanten der Turbinenschaufeln gemessen. Die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche wird dabei senkrecht zu den Schaufelflächen gemessen und ist als die lichte Weite der Einzelflächen zwischen den Turbinenschaufeln definiert. Je mehr Turbinenschaufeln auf dem Turbinenrad angeordnet sind, desto geringer wird die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche, da jeweils die Dicke der turbinenaustrittseitigen Kante die Strömungsaustrittsquerschnittsfläche verringert. Für den optimalen Betrieb eines Abgasturboladers ist jedoch eine gewisse engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche vorteilhaft. Deshalb werden erfindungsgemäß Hauptschaufeln und Zwischenschaufeln des Turbinenrades verwendet. Die Zwischenschaufeln erstrecken sich, zumindest an ihren nabenseitigen Enden, in Axialrichtung nicht soweit wie die Hauptschaufeln. Dadurch ist sichergestellt, dass die Zwischenschaufeln die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche nicht beeinflussen. Die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche ist folglich an den turbinenaustrittseitigen Kanten der Hauptschaufeln definiert und wird auch nur durch die Dicken der turbinenaustrittseitigen Kanten der Hauptschaufeln negativ beeinflusst.
Insbesondere ist vorgesehen, dass jeweils zwischen zwei Hauptschaufeln eine Zwischenschaufel angeordnet ist. Bei der verwendeten Gesamtzahl von zumindest zehn Turbinenschaufeln ergibt sich somit eine Verwendung von fünf Hauptschaufeln und fünf Zwischenschaufeln. Insbesondere ist vorgesehen, zumindest sechs Hauptschaufeln und zumindest sechs Zwischenschaufeln, besonders bevorzugt zumindest sieben Hauptschaufeln und zumindest sieben Zwischenschaufeln zu verwenden.
Wie eingangs erwähnt, endet die radiale Innenseite einer jeden Flut mit einer sogenannten Zunge. Das Ende der Zunge ist als Zungenspitze definiert. An dieser Zungenspitze, ist eine Halsquerschnittsfläche A1 der jeweiligen Flut definiert. Eine imaginäre Gerade in Radialrichtung durch die Achse des Turbinenrades liegt in der Halsquerschnittsfläche A1. Die oben erwähnte engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche an den turbinenaustrittseitigen Kanten der Turbinenschaufeln wird als A2 bezeichnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass folgendes gilt: A2/A1 ≥ S · 0,9, vorzugsweise A2/A1 ≥ S · 1,0. Durch dieses Verhältnis von Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2 zu Halsquerschnittsfläche A1 der einzelnen Flut ist ein optimaler Betrieb des Abgasturboladers sichergestellt. Insbesondere die hierfür relativ kleine engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2 wird durch Verwendung der oben erwähnten Zwischenschaufeln erreicht. Allerdings kann auch durch entsprechende Ausformung der Turbinenschaufeln das Verhältnis, ohne Verwendung von Zwischenschaufeln, erreicht werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass am Turbinenrad, gemessen bis zu den radialen Enden der Turbinenschaufeln ein Turbinenradeintrittsdurchmesser D definiert ist. Bei Verwendung der Hauptschaufeln und der Zwischenschaufeln ist der Turbinenradeintrittsdurchmesser D bis zu den radialen Enden der Hauptschaufeln definiert. Es gilt bevorzugt: S · A1/D ≤ 15 mm, vorzugsweise S · A1/D ≤ 12 mm. Diese Größenangabe definiert insbesondere, dass es sich um einen kleinen Abgasturbolader mit entsprechend kleinem Turbinenrad handelt. Insbesondere bei dieser Größe eines Abgasturboladers sollte die erfindungsgemäße Anordnung der Fluten, in Verbindung mit den zumindest zehn Turbinenschaufeln, angewandt werden, um einen möglichst guten Wirkungsgrad zu erreichen.
Des Weiteren ist bevorzugt eine Verkürzung zumindest einer Zunge einer Flut vorgesehen. Die Zungenspitze einer Flut bildet einen geometrischen Referenzpunkt. Ausgehend von diesem Referenzpunkt endet die nächste Flut bei 360 °/S, gemessen in Umfangsrichtung. Bei Verwendung von zwei Fluten endet also die eine Flut bei 0 ° und die andere Flut bei 180 °. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zungenspitze der zweiten Flut um einen Winkel α in Umfangsrichtung verkürzt ist. Für diesen Winkel α gilt bevorzugt: (360 °/Z) - 5 ° ≥ α ≥ 5 °. Insbesondere diese Verkürzung um zumindest 5 ° verringert das Risiko eines Schaufelschwingungsbruchs.
Für die Ausbildung der Fluten und Voluten sind insbesondere die folgenden Bauarten bevorzugt vorgesehen: Gemäß einer ersten Variante wird pro Flut eine eigene Volute im Turbinengehäuse ausgebildet. Es gibt also zumindest zwei Voluten, die insbesondere um 180 ° versetzt, vom Verbrennungsmotor zum Abgasturbolader führen. In jeder Volute ist eine Flut ausgebildet.
In der zweiten Variante ist bevorzugt vorgesehen, dass eine gemeinsame Volute für beide Fluten im Turbinengehäuse ausgebildet ist. In dieser einen Volute befindet sich ein Steg, der die beiden Fluten derart voneinander trennt, so dass die eine Flut radial innerhalb der anderen Flut angeordnet ist. Der Steg geht zum Turbinenrad hin in die Zunge der äußeren Flut über.
Der Abgasturbolader wird insbesondere für Verbrennungsmotoren mit einer geraden Anzahl an Zylindern verwendet. Welche Flut mit welchem Zylinder verbunden wird, bleibt dabei freigestellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematisch vereinfachte Ansicht des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß allen Ausführungsbeispielen;
2 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht durch die Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, in welchem das Turbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln dargestellt ist;
3 das Turbinenrad des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 das Turbinenrad des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in welchem die Turbinenschaufeln erfindungsgemäß als Zwischenschaufeln und Hauptschaufeln ausgebildet sind;
5 einen Schnitt durch die Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, in welchem die Turbinenschaufeln erfindungsgemäß als Zwischenschaufeln und Hauptschaufeln ausgebildet sind;
6 einen Schnitt durch die Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, in welchem die Turbinenschaufeln erfindungsgemäß als Zwischenschaufeln und Hauptschaufeln ausgebildet sind.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines Abgasturboladers 1 im Detail erläutert. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau des Abgasturboladers 1 für alle Ausführungsbeispiele.
Gemäß 1 weist der Abgasturbolader 1 einen Verdichter 2 mit einem Verdichterrad 3 auf. Des Weiteren ist eine Turbine 4 mit einem Turbinenrad 5 und einem Turbinengehäuse 6 vorgesehen. Auf dem Turbinenrad 5 sind mehrere Turbinenschaufeln 12 ausgebildet. Eine Welle 7 verbindet das Verdichterrad 3 mit dem Turbinenrad 5.
In dem Turbinengehäuse 6 sind zwei Fluten 13, 14 ausgebildet. Über diese Fluten 13, 14 wird Abgas auf das Turbinenrad 5 geleitet. Dadurch wird das Turbinenrad 5 in Rotation versetzt. Über die Welle 7 wird somit auch das Verdichterrad 3 in Rotation versetzt. Über das Verdichterrad 3 wird Luft angesaugt und verdichtet.
Die Welle 7 erstreckt sich in einer Axialrichtung 8. Die Axialrichtung 8 liegt auf der Achse 11 des Turbinenrades 5. Die Axialrichtung 8 ist vom Verdichter 2 in Richtung der Turbine 4 definiert. Senkrecht auf der Axialrichtung 8 steht eine Radialrichtung 9. Um die Axialrichtung 8 ist eine Umfangsrichtung 10 definiert. Die Umfangsrichtung 10 ist entgegen der Rotationsrichtung des Turbinenrades 5 definiert.
2 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch die Turbine 4 des Abgasturboladers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Zu sehen ist, dass im ersten Ausführungsbeispiel im Turbinengehäuse 6 zwei Voluten 15, 16 ausgebildet sind. In jeweils einer Volute 15, 16 befindet sich eine Flut 13, 14.
Über die Fluten 13, 14 bzw. die Voluten 15, 16 wird das Turbinenrad 5 jeweils über seine gesamte Breite, definiert in Axialrichtung 8, angeströmt. Jede Flut 13, 14 strömt das Turbinenrad 5 über ein Segment von 180° an.
Die jeweilige radiale Innenseite der Fluten 13, 14 endet mit einer Zunge 17. Das Ende der Zunge 17 wird als Zungenspitze 18 definiert.
Auf dem Turbinenrad 5 sind zehn Turbinenschaufeln 12 vorgesehen.
3 zeigt im Detail das Turbinenrad 5. Jede der Turbinenschaufeln 12 weist eine turbinenaustrittseitige Kante 19 auf. Diese turbinenaustrittseitige Kante 19 steht in etwa senkrecht zur Achse 11 und ist mit einer Nabe 20 des Turbinenrades 5 verbunden. Eine engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2 setzt sich zusammen aus zehn Teilflächen 21. Jede Teilfläche 21 wird an der jeweiligen turbinenaustrittseitigen Kante 19 senkrecht zur Fläche der Turbinenschaufel 12 gemessen. Die Summe dieser hier zehn Teilflächen 21 bildet die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2. Anhand der Darstellung in 3 ist gut zu erkennen, dass jede verwendete Turbinenschaufel 12, insbesondere durch ihre Dicke, die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2 reduziert.
Eine Halsquerschnittsfläche A1 der jeweiligen Flut 13, 14 ist an den Zungenspitzen 18 definiert. Das Verhältnis A2/A1 ist vorzugsweise größer oder gleich 2 0,9, vorzugsweise 2 . 1,0.
4 zeigt ein Turbinenrad 5 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Turbinenrad 5 sind die Turbinenschaufeln 12 als Hauptschaufeln 22 und Zwischenschaufeln 23 ausgebildet. Jeweils zwischen zwei Hauptschaufeln 22 befindet sich eine Zwischenschaufel 23. Es sind sieben Hauptschaufeln 22 und entsprechend sieben Zwischenschaufeln 23 vorgesehen.
Entscheidend bei dem Turbinenrad 5 gemäß 4 ist, dass die nabenseitigen Enden 24 der Zwischenschaufeln 23 in Axialrichtung 8 nicht so weit ragen wie die Hauptschaufeln 22. Für die Berechnung der engsten Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2 sind folglich die turbinenaustrittseitigen Kanten 19 der Hauptschaufeln 22 ausschlaggebend. Die engste Strömungsaustrittsquerschnittsfläche A2 wird durch die Konstruktion der Zwischenschaufeln 23 nicht negativ beeinflusst. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verhältnis von A2/A1 ≥ S · 0,9, vorzugsweise A2/A1 ≥ S · 1,0 gut zu realisieren.
5 zeigt zum zweiten Ausführungsbeispiel die Konstruktion des Turbinengehäuses 6. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist eine gemeinsame Volute 15 für beide Fluten 13, 14 ausgebildet. Die Volute 15 ist mittels eines Steges 25 in die beiden Fluten 13, 14 unterteilt. Der Steg 25 ist so angeordnet, dass die beiden Fluten 13, 14 in Radialrichtung 9 zueinander benachbart sind. Dadurch ist es möglich, dass jede der Fluten 13, 14 auf die volle Breite des Turbinenrades 5 wirkt. Wie die 5 zeigt, geht der Steg 25 in die Zunge der äußeren Flut 14 über.
6 zeigt zum dritten Ausführungsbeispiel die Konstruktion des Turbinengehäuses 6. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht dem zweiten Ausführungsbeispiel, bis auf folgenden Unterschied: Im dritten Ausführungsbeispiel ist, genauso wie in 2, die Zunge 17 einer Flut 14 verkürzt. Die Zungenspitze 18 der ersten Flut 13 bildet einen geometrischen Referenzpunkt. Ausgehend von diesem Referenzpunkt endet die nächste Flut bei 360 °/S, gemessen in Umfangsrichtung. Bei Verwendung von zwei Fluten 13, 14 endet also die erste Flut 13 bei 0 ° und die zweite Flut 14 bei 180 °. Dabei ist die Zungenspitze 18 der zweiten Flut 14 um einen Winkel α in Umfangsrichtung verkürzt. Für diesen Winkel α gilt bevorzugt: (360 °/Z) - 5 ° ≥ α ≥ 5 °. Insbesondere diese Verkürzung um zumindest 5 ° verringert das Risiko eines Schaufelschwingungsbruchs.
Die hier gezeigten Abgasturbolader 1 sind insbesondere für kleine Bauarten vorgesehen. Dabei ist insbesondere ein relativ kleines Turbinenrad 5 beabsichtigt. 1 zeigt einen Turbinenradeintrittsdurchmesser D des Turbinenrades 5. Dieser Durchmesser D liegt vorzugsweise bei max. 35 mm.
Die Bauart des Turbinenrades 5 mit den Hauptschaufeln 22 und die Zwischenschaufeln 23 kann auch im ersten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden. Genauso ist es möglich, in der Bauart des Turbinengehäuses 6 gemäß 5 oder 6 ein Turbinenrad 5 gemäß 3 einzusetzen.

Claims

Abgasturbolader (1), umfassend einen Verdichter (2) mit einem Verdichterrad (3), eine Turbine (4) mit einem Turbinenrad (5) und einem Turbinengehäuse (6), eine das Verdichterrad (3) mit dem Turbinenrad (5) verbindende Welle (7), und eine Anzahl von S >= 2 im Turbinengehäuse (6) ausgebildeter Fluten (13, 14) zum Führen des Abgases auf das Turbinenrad (5), wobei entlang der Welle (7) vom Verdichter (2) zur Turbine (4) eine Axialrichtung (8) definiert ist, senkrecht zur Axialrichtung (8) eine Radialrichtung (9) definiert ist, und um die Axialrichtung (8) entgegen der Rotationsrichtung des Turbinenrades (5) eine Umfangsrichtung (10) definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Flut (13, 14) das Turbinenrad (5) über seine gesamte Breite in Axialrichtung (8) und über ein Segment bezogen auf die Umfangsrichtung (10) anströmt, wobei das Turbinenrad (5) eine Anzahl von Z >= 10 Turbinenschaufeln (12) umfasst, und wobei die Turbinenschaufeln (12) als Hauptschaufeln (22) und Zwischenschaufeln (23) ausgebildet sind, wobei sich die Zwischenschaufeln (23), zumindest an ihren nabenseitigen Enden (24), in Axialrichtung (8) zum Turbinenaustritt hin nicht so weit erstrecken wie die Hauptschaufeln (22), wobei eine radiale Innenseite jeder Flut (13, 14) mit einer Zunge (17) endet und an einer Zungenspitze (18) der Zunge (17), eine Halsquerschnittsfläche A1 der jeweiligen Flut (13, 14) definiert ist, und dass zwischen turbinenaustrittseitigen Kanten (19) der Hauptschaufeln (22) Teilflächen (21) definiert sind, die in Summe eine engste Strömungsaustrittquerschnittsfläche A2 ergeben, wobei gilt: A2/A1 >= S · 0,9.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei Hauptschaufeln (22) eine Zwischenschaufel (23) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass A2/A1 >= S · 1,0.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Turbinenrad (5), gemessen bis zu den radialen Enden der Turbinenschaufeln (12), ein Turbinenradeintrittsdurchmesser D definiert ist, wobei gilt: S · A1/D <= 15 mm.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Turbinenrad (5), gemessen bis zu den radialen Enden der Hauptschaufeln (22), ein Turbinenradeintrittsdurchmesser D definiert ist, wobei gilt: S · A1/D <= 15 mm.
Abgasturbolader nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei gilt: S · A1/D <= 12 mm.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungenspitze (18) einer Flut (13) einen geometrischen Referenzpunkt bildet und ausgehend von diesem Referenzpunkt die nächste Flut (14) bei 360 °/S gemessen in Umfangsrichtung (10) endet, wobei die Zungenspitze (18) dieser nächsten Flut (14) um einen Winkel α in Umfangsrichtung (10) verkürzt ist, und wobei gilt: (360 °/Z) - 5 ° >= α >= 5 °.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Flut (13, 14) eine eigene Volute (15, 16) im Turbinengehäuse (6) ausgebildet ist, wobei die Voluten (15, 16) in Umfangsrichtung (10) um 360 °/S versetzt angeordnet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Turbinengehäuse (6) zumindest eine Volute (15) ausgebildet ist, wobei in der Volute (15) zwei Fluten (13, 14) durch einen Steg (25) getrennt sind, so dass eine Flut (14) radial außerhalb der anderen Flut (13) angeordnet ist.