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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader.
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Hintergrund des Standes der Technik
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Für Fahrzeugturbolader (Patentdokumente 1 und 2) verwendete Turbinen sind auf diesem technischen Gebiet bekannt. Eine in Patentdokument 1 offenbarte Diagonalströmungsturbine ist so angedacht, dass die Form eines einlassseitigen Randes eines Flügels effektiv beim Liefern eines Arbeitsfluides von einer Nabenseite und einer Mantelseite fungiert. Anders ausgedrückt wird der Einfallverlust bei der Diagonalströmungsturbine reduziert. Eine Diagonalströmungsturbine ist in Patentdokument 2 offenbart und reduziert den Einfallverlust. Der Einfall in Patentdokument 2 bezieht sich auf die Differenz zwischen dem Strömungswinkel des Abgases und dem Einlassmetallwinkel eines Flügelblattes.
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Dokumente des Standes der Technik
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Patentdokumente
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- Patent Dokument 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung JP 2009-281197 A
- Patent Dokument 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldung JP 2012-177355 A
- Patent Dokument 3: JP 2016 56 804 A
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JP 2016 56 804 A offenbart einen Turbolader mit einem Turbinenrad mit vorderen Rändern zum Empfangen eines Arbeitsfluides von einem ersten Spiralströmungspfad und einem zweiten Spiralströmungspfad, wobei das Turbinenrad in einem Gehäuse so angeordnet ist, dass es von dem ersten Spiralströmungspfad und dem zweiten Spiralströmungspfad umgeben ist. Das Turbinenrad hat Flügelblätter mit den vorderen Rändern. Das Gehäuse hat einen Mantel, der die Flügelblätter bedeckt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Einige Turbolader haben einen sogenannten Zwillingsspiralströmungspfad, der aus zwei Spiralpfaden zusammengesetzt ist. Ein Turbolader mit einem Zwillingsspiralströmungspfad stellt ein Arbeitsfluid von jedem Spiralströmungspfad zu vorderen Rändern von Rotorflügelblättern des Turboladers bereit. Der Relativzustand zwischen der Strömung des Arbeitsfluides, das von den Spiralströmungspfaden bereitgestellt wird, und den Flügelblättern beeinflusst die Effizienz des Turboladers. Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader zu schaffen, der eine Effizienz verbessern kann durch Fokussieren auf den Relativzustand zwischen der Strömung des Arbeitsfluides, die von den Spiralströmungspfaden bereitgestellt wird, und den Flügelblättern.
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Lösung des Problems
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Diese Aufgabe ist durch einen Turbolader mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Effekte der Erfindung
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Gemäß dem Turbolader der vorliegenden Erfindung wird die Effizienz verbessert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Turboladers der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Darstellung eines vergrößerten Querschnitts des Hauptabschnittes aus 1.
- 3(a) zeigt eine graphische Darstellung zur Beschreibung von A/R-Werten.
- 3(b) zeigt eine schematische Darstellung zur Beschreibung von Strömungswinkeln.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Beschreibung von Neigungen eines vorderen Randes eines Flügelblattes.
- 5 zeigt eine graphische Darstellung zur Beschreibung von Flügelblattwinkeln.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein Turbolader gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat ein Gehäuse mit einem ersten Spiralströmungspfad und einem zweiten Spiralströmungspfad, die so ausgebildet sind, dass sie eine vorbestimmte Achse umgeben; und ein Turbinenrad mit vorderen Rändern zum Empfangen eines Arbeitsfluides von dem ersten Spiralströmungspfad und dem zweiten Spiralströmungspfad, wobei das Turbinenrad in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass es von dem ersten Spiralströmungspfad und dem zweiten Spiralströmungspfad mit der Achse als eine Drehachse umgeben ist. Das Turbinenrad hat Flügelblätter mit den vorderen Rändern und eine Nabe, die Basisenden der Flügelblätter umfasst. Das Gehäuse hat einen Mantel, der die Flügelblätter bedeckt. Jeder vordere Rand umfasst einen ersten Abschnitt für ein Empfangen des Arbeitsfluides, das aus dem ersten Spiralströmungspfad herausströmt, und einen zweiten Abschnitt, der weiter zu dem Mantel als der erste Abschnitt angeordnet ist, um das Arbeitsfluid zu empfangen, dass aus dem zweiten Spiralströmungspfad herausströmt. Der erste Abschnitt ist in Bezug auf eine virtuelle Ebene, die die Achse aufweist, in einer Richtung geneigt ist, die entgegengesetzt zu einer Drehrichtung des Turbinenrades. Der zweite Abschnitt ist in Bezug auf die virtuelle Ebene in der Drehrichtung geneigt.
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Bei diesem Turbolader ist jeder vordere Rand, der das Arbeitsfluid von den Spiralströmungspfaden empfängt, abschnittsweise (teilweise) in Bezug auf die virtuelle Ebene geneigt, die die Achse umfasst. Genauer gesagt ist der erste Abschnitt des vorderen Randes, der das Arbeitsfluid von dem ersten Spiralströmungspfad empfängt, in Bezug auf die virtuelle Ebene in der Richtung geneigt, die entgegengesetzt zu der Drehrichtung des Turbinenrades ist. Ein derartiger erster Abschnitt ermöglicht, dass das Arbeitsfluid von dem ersten Spiralströmungspfad durch das Flügelblatt empfangen wird, während eine Strömungsabtrennung des Arbeitsfluides vermieden wird. Außerdem ist der zweite Abschnitt des vorderen Randes, der das Arbeitsfluid von dem zweiten Spiralströmungspfad empfängt, in Bezug auf die virtuelle Ebene in der Drehrichtung des Turbinenrades geneigt. Ein derartiger zweiter Abschnitt ermöglicht, dass das Arbeitsfluid von dem zweiten Spiralströmungspfad durch das Flügelblatt empfangen wird, während eine Strömungsabtrennung des Arbeitsfluides vermieden wird. Als ein Ergebnis wird die Effizienz des Turboladers verbessert.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann jeder vordere Rand einen dritten Abschnitt aufweisen, der zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ausgebildet ist und der einen Bereich hat, der parallel zu der virtuellen Ebene ist. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Arbeitsfluid durch das Flügelblatt empfangen wird, während in vorteilhafter Weise die Abtrennung des Arbeitsfluides unterdrückt wird. Somit wird die Effizienz des Turboladers verbessert. Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wenn eine Länge jedes vorderen Randes von der Nabe zu dem Mantel 1 beträgt, kann der erste Abschnitt einen ersten Referenzpunkt aufweisen, der auf eine Position an dem vorderen Rand bei einer Länge von 1/4 von der Nabe festgelegt ist. Der zweite Abschnitt kann einen zweiten Referenzpunkt aufweisen, der auf eine Position an dem vorderen Rand bei einer Länge von 3/4 von der Nabe festgelegt ist. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Arbeitsfluid durch das Flügelblatt empfangen wird, während eine Abtrennung des Arbeitsfluides noch besser unterdrückt wird. Somit wird die Effizienz des Turboladers noch weiter verbessert.
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Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann die Differenz zwischen einem ersten Flügelblattwinkel des vorderen Randes an dem ersten Referenzpunkt und einem zweiten Flügelblattwinkel des vorderen Randes an dem zweiten Referenzpunkt 1 bis 10° betragen. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Arbeitsfluid durch das Flügelblatt empfangen wird, während die Abtrennung des Arbeitsfluides sogar noch besser vermieden wird. Somit wird die Effizienz des Turboladers noch weiter verbessert.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann an jedem vorderen Rand eine Länge von der Achse zu dem vorderen Rand entlang der Achse konstant sein. Auch dieser Aufbau ermöglicht, dass das Abtrennen des Arbeitsfluides unterdrückt wird. Somit wird die Effizienz des Turboladers verbessert.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse eine Trennwand aufweisen, die den ersten Spiralströmungspfad und den zweiten Spiralströmungspfad voneinander trennt, und die Richtung, in der sich die Trennwand erstreckt, kann in Bezug auf eine virtuelle Ebene, die senkrecht zu der Achse ist, unter einem Winkel von 30 bis 50° geneigt sein. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Gehäuse klein gestaltet wird.
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Der Turbolader gemäß der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Gleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen in der Beschreibung der Zeichnungen und eine wiederholte Erläuterung unterbleibt.
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Wie dies in 1 gezeigt ist, wird ein Turbolader 1 beispielsweise in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges angewendet. Beispielsweise wird der Turbolader 1 in einem kleinen Verbrennungsmotor angewendet. Der Turbolader 1 hat eine Turbine 2, einen Kompressor 3 und einen Verbindungsabschnitt 4.
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Die Turbine 2 hat ein Turbinengehäuse 6 und ein Turbinenrad 7. Das Turbinengehäuse 6 hat einen Spiralabschnitt 8, der sich in einer Umfangsrichtung entlang eines Innenumfangsrandes erstreckt. Der Spiralabschnitt 8 führt ein Arbeitsfluid zu dem Turbinenrad 7. Das Turbinenrad 7 ist relativ zu dem Turbinengehäuse 6 drehbar montiert. Das Turbinenrad 7 wandelt Energie, die das Arbeitsfluid hat, in Drehenergie um. Das Turbinenrad 7 ist an einem Ende einer Welle 9 montiert. Ein Kompressorrad 11 des Kompressors 3 ist an dem anderen Ende der Welle 9 montiert. Die Welle 9 ist durch ein Lager 12 drehbar gestützt. Das Lager 12 ist zwischen dem Turbinenrad 7 und dem Kompressorrad 11 angeordnet. Das Lager 12 ist in einem Lagergehäuse 14 des Verbindungsabschnittes 4 angeordnet. Der Verbindungsabschnitt 4 ist zwischen dem Turbinengehäuse 6 und einem Kompressorgehäuse 13 montiert.
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In dem Turbolader 1 wird das Arbeitsfluid, das von einem (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor abgegeben wird, zu dem Turbinenrad 7 über das Turbinengehäuse 6 geliefert. Das Turbinenrad 7 wandelt dann die Energie, die das Arbeitsfluid hat, in Drehenergie der Welle 9 um. Wenn sich die Welle 9 dreht, dreht sich das Kompressorrad 11. Das Kompressorrad 11 komprimiert das Fluid (beispielsweise Luft), das zu dem Verbrennungsmotor geliefert wird, unter Verwendung der Drehenergie.
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Der Aufbau der Turbine 2 ist nachstehend detailliert beschrieben.
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Die Turbine 2 ist dem Kompressor 3 zugewandt, wobei das Lagergehäuse 14 sich zwischen ihnen befindet. Wie dies in 2 gezeigt ist, umfasst die Turbine 2 das Turbinengehäuses 6 und das Turbinenrad 7. Das Turbinengehäuse 6 ist ein Basiskörper der Turbine 2. In dem Turbinengehäuse 6 ist das Turbinenrad 7 untergebracht. Das Turbinengehäuse 6 empfängt das von dem Verbrennungsmotor abgegebene Arbeitsfluid und führt dann das Arbeitsfluid zu dem Turbinenrad 7.
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Das Turbinengehäuse 6 hat eine Gehäuseendfläche 16, den Spiralabschnitt 8, der das Arbeitsfluid zu dem Turbinenrad 7 führt, und einen Mantel 17, der dem Turbinenrad 7 zugewandt ist.
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Die Turbinenendfläche 16 ist dem Kompressor 3 zugewandt. Die Gehäuseendfläche 16 ist eine Fläche an einer entgegengesetzten Seite entlang einer Drehachse AX von einem Auslass 18 zum Ausgeben des Arbeitsfluides. Die Gehäuseendfläche 16 ist nahe einer Referenzebene K1.
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Der Spiralabschnitt 8 ist ein Strömungspfad, der so ausgebildet ist, dass er die Drehachse AX umgibt. Der Spiralabschnitt 8 ist von der Gehäuseendfläche 16, einer Gehäuseseitenfläche 21 und dem Mantel 17 umgeben. Somit ist der Spiralabschnitt 8 nicht an einer Seite des Kompressors 3 jenseits der Position der Gehäuseendfläche 16 ausgebildet. Das heißt, der Spiralabschnitt 8 ragt nicht signifikant über die Referenzebene K1 zu dem Kompressor 3 vor. Dieser Aufbau ermöglicht, dass eine (nicht gezeigte) G-Kupplung zum Befestigen des Turbinengehäuses 6 an dem Lagergehäuse 14 verwendet wird.
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Der Spiralabschnitt 8 hat einen nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 (erster Spiralstimmungspfad) und einen mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 (zweiter Spiralströmungspfad). Der nabenseitige Spiralströmungspfad 22 ist der Strömungspfad, der nahe zu der Referenzebene K1 ist. Der mantelseitige Spiralströmungspfad 23 ist der Strömungspfad, der von der Referenzebene K1 weiter beabstandet ist als der nabenseitige Spiralströmungspfad 22. Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist der Spiralabschnitt 8 nicht an der Seite des Kompressors 3 jenseits der Referenzebene K1 ausgebildet. Beim Ausbilden der beiden Strömungspfade für einen derartigen Spiralabschnitt 8 ist es schwierig, sie in der gleichen Form auszubilden. Ein Abstand von einem Schwerpunkt (geometrischer Schwerpunkt; Centroid) S1 des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 zu der Drehachse AX ist der Abstand R1. Ein Abstand von einem Schwerpunkt S2 des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 zu der Drehachse AX ist der Abstand R2. Der Abstand R1 unterscheidet sich von dem Abstand R2. Die Differenz zwischen den Abständen R1 und R2 beeinflusst den Zustand des Arbeitsfluides, das aus den Spiralströmungspfaden 22, 23 herausströmt.
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Der nabenseitige Spiralströmungspfad 22 und der mantelseitige Spiralströmungspfad 23 sind voneinander durch eine Trennwand 24 getrennt. Die Trennwand 24 erstreckt sich diagonal zu der Referenzebene K1. Genauer gesagt beträgt ein Winkel C1, der zwischen der Richtung, in der sich die Trennwand 24 erstreckt, und der Referenzebene K1 ausgebildet ist, 30 bis 50°.
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Der Mantel 17 ist dem Turbinenrad 7 zugewandt. Ein Strömungspfad wird somit zwischen dem Mantel 17, einem Paar an benachbarten Flügelblättern 29 und einer Nabe 25 ausgebildet. Ein kleiner Zwischenraum ist zwischen dem Mantel 17 und dem Turbinenrad 7 vorgesehen. Als ein Ergebnis dreht sich das Turbinenrad 7 um die Drehachse AX relativ zu dem Mantel 17.
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Das Turbinenrad 7 hat die Nabe 25, die seinen Hauptkörper ausbildet, und die Flügelblätter 29, die an der Nabe 25 ausgebildet sind. Die Nabe 25 ist ein Rotationskörper (Umlauffestkörper), der erlangt wird durch Drehen einer vorbestimmten Kurve (Nabenlinie) um die Drehachse AX. Die Welle 9 ist an einer Turbinenendseite (Turbinenendfläche) 19 der Nabe 25 ausgebildet. Die Flügelblätter 29 sind an einer geneigten Fläche 31 der Nabe 25 aufrechtstehend ausgebildet. Die Nabe 25 und die Flügelblätter 29 sind einstückig ausgebildet. Die Nabe 25 und die Flügelblätter 29 drehen sich als ein Körper miteinander. Das heißt, die Basisenden der Flügelblätter 29 sind die Enden, die proximal zu der Nabe 25 sind. Die entgegengesetzten distalen Enden sind proximal zu dem Mantel angeordnet. Die Flügelblätter 29 sind somit zwischen der Nabe 25 und dem Mantel 17 angeordnet.
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Jedes der Flügelblätter 29 hat einen vorderen Rand 26, der das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 und dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 empfängt, einen hinteren Rand 27, der sich an einer Seite befindet, von der das Arbeitsfluid abgegeben wird, und einen Seitenrand 28, der den vorderen Rand 26 mit dem hinteren Rand 27 verbindet. Der vordere Rand 26 ist somit einem Auslass des Spiralabschnittes 8 zugewandt. Der Seitenrand 28 ist dem Mantel 17 zugewandt. Der Auslass des Spiralabschnittes 8 hat einen nabenseitigen Auslass und einen mantelseitigen Auslass. Das heißt, in dem Turbolader 1 empfängt jedes Flügelblatt 29 das Arbeitsfluid, das von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 herausströmt, und das Arbeitsfluid, das von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 herausströmt. Der Turbolader 1 mit einem derartigen Aufbau ist als ein Turbolader der Zwillingsspiralart bekannt.
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Bei dem Turbolader 1 der Zwillingsspiralart treten eine Strömung des Arbeitsfluides von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 in das Turbinenrad 7 und eine Strömung des Arbeitsfluides von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 in das Turbinenrad 7 abwechselnd auf. Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors niedrig ist, sind die Zeitspanne, während der das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 in das Turbinenrad 7 strömt, und die Zeitspanne, während der das Arbeitsfluid von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 in das Turbinenrad 7 strömt, relativ lang. Im Gegensatz dazu sind, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors hoch ist, die Zeitspanne, während der das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 in das Turbinenrad 7 strömt, und die Zeitspanne, während der das Arbeitsfluid von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 in das Turbinenrad 7 strömt, relativ kurz.
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Die Strömung des Arbeitsfluides von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 zu den Flügelblättern 29 ist nachstehend beschrieben. Die Strömung des Arbeitsfluides, das von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 zu den Flügelblättern 29 strömt, ist ebenfalls beschrieben. Die Strömung des Arbeitsfluides ist durch einen „Strömungswinkel α“ gezeigt. Zunächst ist ein A/R-Wert als ein Parameter definiert. Der A/R-Wert ist für den nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 und den mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 definiert. Querschnittsflächen A1, A2 sind Querschnittsflächen der Spiralströmungspfade an sogenannten Brückenpfeilerorten (Keil, der der Strömung wiedersteht) oder Kielorten. Die Abstände R1, R2 (siehe
2) sind Abstände von der Drehachse AX zu den Schwerpunkten S1, S2 der Querschnittsflächen an den Brückenpfeilerorten. Unter Verwendung dieser Variablen wird ein Strömungswinkel α1 des Arbeitsfluides, das von dem Spiralströmungspfad 22 geliefert wird, anhand der Formel (1) bestimmt, wobei 0° vorliegt, wenn die Richtung der Strömung radial ist. Ein Strömungswinkel α2 des Arbeitsfluides, das von dem Spiralströmungspfad 23 geliefert wird, wird anhand der Formel (2) bestimmt, wobei 0° vorliegt, wenn die Richtung der Strömung radial ist.
Formel 1
Formel 2
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Nunmehr wird angenommen, dass die Höhen b der Spiralströmungspfade, die zu den Flügelblättern 29 strömen, die gleichen sind. Auf der Basis dieser Annahme neigt, wenn die A/R-Werte der Formeln (1) und (2) groß sind, die Richtung der Strömung des Arbeitsfluides, das zu einem Flügelblatt 100 strömt, zu einer radialen Richtung (siehe Pfeil Y103), wie dies in 3(b) gezeigt ist. Im Gegensatz dazu neigt, wenn die A/R-Werte gering sind, die Strömungsrichtung des Arbeitsfluides, das zu den Flügelblättern 100 strömt, zu der Umfangsrichtung (siehe Pfeil Y100).
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3(a) zeigt die A/R-Werte des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 (Graph G3a) und die A/R-Werte des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 (Graph G3b). Der mantelseitige Spiralströmungspfad 23 ist näher zu der Drehachse AX als der nabenseitige Spiralströmungspfad 22. Das heißt, der Abstand R2 des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 ist kürzer als der Abstand R1 des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22. Somit sind, wie dies anhand der Graphen G3a, G3b in 3(a) gezeigt ist, die A/R-Werte des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 (Graph G3b) größer als die A/R-Werte des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 (Graph G3a). Beispielsweise betragen die A/R-Werte des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 110% bis 130% der A/R-Werte des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22.
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Die Differenz in den A/R-Werten kann in die Differenz der Strömungswinkel α anhand der Formeln (1), (2) umgewandelt werden. Wenn die A/R-Werte des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 110% bis 130% der A/R-Werte des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 wie vorstehend beschrieben betragen, beträgt die Differenz der Strömungswinkel α 1 bis 10°. Somit unterscheiden sich, wie dies in 3(b) gezeigt ist, die Strömungsrichtungen (Pfeile Y100, Y101) des Arbeitsfluides, das zu den Flügelblättern 29 von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 strömt, von den Strömungsrichtungen (Pfeile Y102, Y103) des Arbeitsfluides, das zu den Flügelblättern 29 von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 strömt.
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Es ist erwünscht, dass die Abtrennung der Strömung des Arbeitsfluides von den Flügelblättern 29 unterdrückt wird, um die Effizienz des Turboladers 1 zu verbessern. Der Abschnitt (erster Abschnitt), der das Arbeitsfluid empfängt, das von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 hereinströmt, hat somit eine Form, die für den Strömungswinkel α des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 geeignet ist. Außerdem hat der Abschnitt (zweiter Abschnitt), der das Arbeitsfluid empfängt, das von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 hereinströmt, eine Form, die für den Strömungswinkel α des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 geeignet ist.
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Folglich unterscheidet sich die Form des vorderen Randes 26 von jedem Flügelblatt 29 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Spannenrichtung (Spannenweitenrichtung). Die Spannenrichtung ist die Richtung von der Nabenseite zu der Mantelseite an dem vorderen Rand 26. Unter Bezugnahme auf 4, in der ein vergrößerter Abschnitt Z aus 2 gezeigt ist, strömt das Arbeitsfluid des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 zu dem Flügelblatt 29 entlang einer Richtung (Pfeil Y1) so, dass es einer Drehrichtung T folgt. Das Arbeitsfluid des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 strömt zu dem Flügelblatt 29 entlang einer Richtung (Pfeil Y2) so, dass es der radialen Richtung folgt. Um diesen Richtungen zu entsprechen, ist die Nabenseite des vorderen Randes 26 in einer Richtung geneigt, die zu der Drehrichtung T entgegengesetzt ist, und ist die Mantelseite in der Drehrichtung T geneigt.
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Die Form des vorderen Randes 26 ist nachstehend detailliert beschrieben, während Parameter aufgezeigt sind, die die Form des vorderen Randes 26 definieren.
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Die Nabenseite des vorderen Randes 26 ist in der Richtung geneigt, die zu der Drehrichtung T entgegengesetzt ist, und die Mantelseite ist in der Drehrichtung T geneigt, wie dies vorstehend beschrieben ist. Diese Neigung ist anhand eines „Flügelblattwinkels β“ gezeigt. Der „Flügelblattwinkel β“ wird anhand der Formel (3) bestimmt.
Formel 3
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Ein Meridian W (siehe 2), der sich von dem vorderen Rand 26 zu dem hinteren Rand 27 des Flügelblattes 29 erstreckt, ist nachstehend beschrieben. Ein in dem Meridian W umfasster Punkt P ist definiert. Die Koordinaten des Punktes P unter Verwendung eines zylindrischen Koordinatensystems relativ zu der Drehachse AX sind anhand einer radialen Koordinate r und einer Umfangskoordinate 8 gezeigt. Die Länge von dem vorderen Rand 26 zu einem Punkt P ist eine Meridianebenenlänge m.
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5 zeigt eine graphische Darstellung, die die Verteilung der Flügelblattwinkel β des vorderen Randes 26 zeigt. Die horizontale Achse zeigt den Flügelblattwinkel β. Die vertikale Achse zeigt die Position an dem vorderen Rand 26. Beispielsweise repräsentiert das Bodenende (0%) die Nabenseite, und das obere Ende (100%) repräsentiert die Mantelseite.
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Eine graphische Darstellung G5 zeigt die Verteilung der Flügelblattwinkel β des vorderen Randes 26 des Turbinenrades 7 gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem Graphen G5 hat der vordere Rand 26 des Turbinenrades 7 der vorliegenden Erfindung verschiedene Flügelblattwinkel β an verschiedenen Positionen. Der Graph G5 ist kontinuierlich und umfasst eine Nullposition P5 (siehe Punkt D1 in 5), an dem der Flügelblattwinkel β null beträgt. Der Absolutwert des Flügelblattwinkels β nimmt von der Nullposition P5 zu der Nabenseite hin zu. In ähnlicher Weise nimmt der Absolutwert des Flügelblattwinkels β von der Nullposition P5 zu der Mantelseite hin zu. Jedoch ist die Polarität des Flügelblattwinkels β an der Mantelseite entgegengesetzt zu der Polarität des Flügelblattwinkels β an der Nabenseite. Dies zeigt, dass die Neigungsrichtungen des vorderen Randes 26 an der Nabenseite und an der Mantelseite über die Nullposition P5 zueinander entgegengesetzt sind.
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Der Graph G5 ist nachstehend detaillierter beschrieben. Die Position der Nabe 25 (Punkt P3 in 4) ist null (Punkt D2 in 5), und die Position des Mantels 17 (Punkt P4 in 4) ist 100 (Punkt D3 in 5). Außerdem ist ein Punkt, an dem der Abstand von der Nabe 25 25 beträgt, ein erster Referenzpunkt P1 (Punkt D4 in 5). Außerdem ist ein Punkt, an dem der Abstand von der Nabe 25 75 beträgt, ein zweiter Referenzpunkt P2 (D5 in 5). Der erste Referenzpunkt P1 ist ein repräsentativer Punkt, der das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 an dem vorderen Rand 26 empfängt. In ähnlicher Weise ist der zweite Referenzpunkt P2 ein repräsentativer Punkt, der das Arbeitsfluid von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 an dem vorderen Rand 26 empfängt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung den ersten Referenzpunkt P1 und den zweiten Referenzpunkt P2 wie vorstehend dargelegt aufzeigt, sind diese nicht auf jene Werte beschränkt. Der Aufbau des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 und des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23 ermöglichen, dass der erste Referenzpunkt P1 und der zweite Referenzpunkt P2 an dem vorderen Rand 26 vorbestimmte Werte haben. Beispielsweise können der erste Referenzpunkt P1 und der zweite Referenzpunkt P2 an Positionen in dem Bereich von 0 bis 50 von der Nabenseite angeordnet sein. Außerdem kann der erste Referenzpunkt P1 an einer Position in dem Bereich von 0 bis 50 von der Nabenseite angeordnet sein, und der zweite Referenzpunkt P2 kann an einer Position in dem Bereich von 50 bis 100 von der Nabenseite angeordnet sein. Darüber hinaus können der erste Referenzpunkt P1 und der zweite Referenzpunkt P2 an Positionen in dem Bereich von 50 bis 100 von der Nabenseite angeordnet sein.
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Der Absolutwert (|β1-β2|) der Differenz zwischen einem ersten Flügelblattwinkel β1 an dem ersten Referenzpunkt P1 und einem zweiten Flügelblattwinkel β2 an dem zweiten Referenzpunkt P2 beträgt ungefähr 1 bis 10°. Diese Differenz entspricht der vorstehend beschriebenen Differenz der Strömungswinkel α.
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Anders ausgedrückt umfasst, wenn eine Länge des vorderen Randes 26 von der Nabe 25 zu dem Mantel 17 die Größe 1 hat, ein erster Abschnitt B1 den ersten Referenzpunkt P1, der auf eine Position an dem vorderen Rand 26 bei einer Länge 1/4 von der Nabe 25 gesetzt ist. Außerdem umfasst ein zweiter Abschnitt B2 den zweiten Referenzpunkt P2, der auf eine Position an dem vorderen Rand 26 bei einer Länge 3/4 von der Nabe 25 gesetzt ist. Darüber hinaus ist ein dritter Abschnitt B3, an dem der Flügelblattwinkel β null ist, zwischen dem ersten Abschnitt B1 und im zweiten Abschnitt B2 vorgesehen.
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Der Betrieb und die Vorteile des Turboladers 1 der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben.
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Bei diesem Turbolader ist der vordere Rand 26, der das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 und dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 empfängt, abschnittsweise in Bezug auf eine virtuelle Ebene K2 geneigt, die die Drehachse AX umfasst. Genauer gesagt ist der erste Abschnitt B1 des vorderen Randes, der das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 empfängt, in Bezug auf die virtuelle Ebene K2 in der Richtung geneigt, die zu der Drehrichtung T des Turbinenrades 7 entgegengesetzt ist. Ein derartiger erster Abschnitt B1 ermöglicht, dass das Arbeitsfluid von dem nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 durch das Turbinenrad 7 empfangen wird, während die Strömungsabtrennung des Arbeitsfluides vermieden wird. Außerdem ist der zweite Abschnitt B2 des vorderen Randes, der das Arbeitsfluid von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 empfängt, in Bezug auf die virtuelle Ebene K2 in der Drehrichtung T des Turbinenrades 7 geneigt. Ein derartiger zweiter Abschnitt B2 ermöglicht, dass das Arbeitsfluid von dem mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 durch die Flügelblätter 29 empfangen wird, während eine Strömungsabtrennung des Arbeitsfluides vermieden wird. Das Arbeitsfluid kann somit durch die Flügelblätter 29 empfangen werden, während eine Abtrennung des Arbeitsfluides vermieden wird. Als ein Ergebnis wird die Effizienz des Turboladers 1 verbessert.
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Der vordere Rand 26 ist zwischen dem ersten Abschnitt B1 und dem zweiten Abschnitt B2 ausgebildet. Der vordere Rand 26 umfasst den dritten Abschnitt B3, der parallel zu der virtuellen Ebene K2 ist. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Arbeitsfluid durch die Flügelblätter 29 empfangen wird, während in vorteilhafter Weise eine Abtrennung des Arbeitsfluides vermieden wird. Die Effizienz des Turboladers 1 wird somit verbessert.
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Wenn die Länge des vorderen Randes 26 von der Nabe 25 zu dem Mantel 17 die Größe 1 hat, umfasst der erste Abschnitt B1 den ersten Referenzpunkt P1, der auf eine Position an dem vorderen Rand 26 bei einer Länge 1/4 von der Nabe 25 festgelegt ist. Der zweite Abschnitt B2 umfasst den zweiten Referenzpunkt P2, der auf eine Position an dem vorderen Rand 26 bei einer Länge 3/4 von der Nabe 25 festgelegt ist. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Arbeitsfluid durch die Flügelblätter 29 empfangen wird, während die Abtrennung des Arbeitsfluides noch besser vermieden wird. Somit wird die Effizienz des Turboladers 1 noch weiter verbessert.
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Die Differenz zwischen dem ersten Flügelblattwinkel β1 des vorderen Randes 26 an dem ersten Referenzpunkt P1 und dem zweiten Flügelblattwinkel β2 des vorderen Randes 26 an den zweiten Referenzpunkt P2 beträgt zwischen 1 bis 10°. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Arbeitsfluid durch die Flügelblätter 29 empfangen wird, während die Abtrennung des Arbeitsfluides sogar noch besser vermieden wird. Somit wird die Effizienz des Turboladers sogar noch weiter verbessert.
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An dem vorderen Rand 26 ist die Länge von der Drehachse AX zu dem vorderen Rand 26 entlang der Drehachse AX konstant. Dieser Aufbau ermöglicht ebenfalls, dass das Abtrennen des Arbeitsfluides vermieden wird. Die Effizienz des Turboladers 1 wird somit verbessert.
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Das Turbinengehäuse 6 hat die Trennwand 24, die den nabenseitigen Spiralströmungspfad 22 und den mantelseitigen Spiralströmungspfad 23 voneinander trennt. Die Richtung, in der sich die Trennwand 24 erstreckt, ist in Bezug auf die Referenzebene K1 senkrecht zu der Drehachse AX bei einem Winkel von 30 bis 50° geneigt. Dieser Aufbau ermöglicht, dass das Turbinengehäuse 6 minimal (mit einer kleinen Größe) gestaltet wird.
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Der Turbolader 1 der vorliegenden Erfindung ist vorstehend detailliert beschrieben. Jedoch ist der Turbolader 1 der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehend dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt. Viele Variationen des Turboladers 1 der vorliegenden Erfindung sind möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Es sollte hierbei beachtet werden, dass die Definition der Querschnittsfläche des nabenseitigen Spiralströmungspfades 22 und der Querschnittsfläche des mantelseitigen Spiralströmungspfades 23, wie sie vorstehend dargelegt sind, nachstehend erläutert ist. Das heißt, die Querschnittsfläche einer Spirale ist die Fläche an jeder Umfangsposition, die durch Innenwände eines Spiralabschnittes und gerade Linien (gestrichelte Linien L1, L2 in 2) umgeben ist, die die kürzesten Abstände zwischen einem Mittelsteg (Trennwand 24) und einer gegenüberliegenden Wand haben, die einer Lagergehäuseseite und einer Turbinenauslassseite zugewandt ist. Anders ausgedrückt kann die Querschnittsfläche der Spirale die Fläche an jeder Umfangsposition sein, die durch Innenwände eines Turbinengehäuses und gerade Linien (gestrichelte Linien L1, L2 in 2) umgeben ist, die die kürzesten Abstände zwischen dem Mittelsteg und jeder Wandfläche sind, die dem Mittelsteg an der Lagergehäuseseite und der Turbinenauslassseite gegenübersteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbolader
- 2
- Turbine
- 3
- Kompressor
- 4
- Verbindungsabschnitt
- 6
- Turbinengehäuse
- 7
- Turbinenrad
- 8
- Spiralabschnitt
- 9
- Welle
- 11
- Kompressorrad
- 12
- Lager
- 13
- Kompressorgehäuse
- 14
- Lagergehäuse
- 16
- Gehäuseendfläche
- 17
- Mantel
- 18
- Auslass
- 19
- Turbinenendfläche
- 21
- Gehäuseseitenfläche
- 22
- nabenseitiger Spiralströmungspfad
- 23
- mantelseitiger Spiralströmungspfad
- 24
- Trennwand
- 29
- Flügelblatt
- 26
- vorderer Rand
- 27
- hinterer Rand
- 28
- Seitenrand
- 25
- Nabe
- 31
- geneigte Fläche
- AX
- Drehachse
- T
- Drehrichtung
- P1
- erster Referenzpunkt
- P2
- zweiter Referenzpunkt
- B1
- erster Abschnitt
- B2
- zweiter Abschnitt
- B3
- dritter Abschnitt
- K2
- virtuelle Ebene
- α
- Strömungswinkel
- β
- Flügelblattwinkel
- r
- Radialkoordinate
- m
- Meridianebenenlänge
- θ
- Umfangskoordinate
