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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Leitschaufel für einen Turbolader mit variabler Geometrie.
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HINTERGRUND
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In den letzten Jahren wurden verschiedene Turbolader mit variabler Geometrie entwickelt, die die Strömungseigenschaften von Abgas durch Einstellen des Leitschaufelöffnungsgrads ändern können, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Eine Konfiguration eines solchen Turboladers mit variabler Geometrie ist in Patentdokument 1 offenbart.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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Patentdokument 1:
W02006/032827A
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Zu lösende Probleme
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Eine Leitschaufel eines Turboladers mit variabler Geometrie ist drehbar in einem Abgasdurchgang angeordnet, der zwischen einer Ummantelungsfläche und einer Nabenfläche definiert ist, und es gibt auf beiden Seiten der Leitschaufel Spalte zwischen jeder Seite und der Ummantelungsfläche oder der Nabenfläche. Ferner wird der Leitschaufel von einer Rotationswelle auf mindestens einer der Seiten der Ummantelungsfläche oder der Nabenfläche getragen und ist so konfiguriert, dass er den Leitschaufelöffnungsgrad ändert, indem er um die Rotationswelle gedreht wird.
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Wenn die Ausgangsleistung des Turboladers mit variabler Geometrie gering ist, ist der Öffnungsgrad der Leitschaufel gering, und der Abgasströmung in die Spalte auf beiden Seiten des Leitschaufels, wie oben beschrieben, hat einen relativ großen Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie.
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In dieser Hinsicht hat die herkömmliche Leitschaufel, wie sie im Patentdokument 1 offenbart ist, einen Flanschabschnitt am Ende der Leitschaufel auf der Seite der Rotationswelle, und die Abgasströmung in den Spalt auf einer Seite, wo die Rotationswelle und der Flanschabschnitt vorhanden sind, ist schlechter als die Abgasströmung in den Spalt auf der anderen Seite. Daher kann die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie bei niedriger Leistung abnehmen. Das Patentdokument 1 offenbart jedoch keine Erkenntnisse zur Verbesserung der Abgasströmung in den Spalt um die Rotationswelle unter den Spalten auf beiden Seiten der Leitschaufel.
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In Anbetracht der obigen Ausführungen ist es eine Aufgabe von mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, eine Leitschaufel bereitzustellen, die die Abgasströmung um die Leitschaufel in einem Turbolader mit variabler Geometrie verbessern kann.
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Lösung der Probleme
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(1) Eine Leitschaufel gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Leitschaufel eines Turboladers mit variabler Geometrie, aufweisend: einen Leitschaufelkörper, der drehbar in einem Abgasdurchgang angeordnet ist, der zwischen einer Ummantelungsfläche und einer Nabenfläche definiert ist; und einen Flanschabschnitt, der an mindestens einer von einer ummantelungsseitigen Endfläche oder einer nabenseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers vorgesehen ist und um ein Rotationszentrum des Leitschaufelkörpers herum ausgebildet ist. Der Flanschabschnitt ist so ausgebildet, dass er den folgenden Ausdruck (i) oder (ii) erfüllt:
wobei R1 der kürzeste Abstand von dem Rotationszentrum zu einer Außenkante des Flanschabschnitts auf der Hinterkantenseite und auf einer Saugfläche der Leitschaufel ist, R2 der kürzeste Abstand von dem Rotationszentrum zu der Außenkante des Flanschabschnitts auf der Vorderkantenseite und auf der Saugfläche der Leitschaufel ist, R3 der kürzeste Abstand von dem Rotationszentrum zu der Außenkante des Flanschabschnitts auf der Vorderkantenseite und auf einer Druckfläche der Leitschaufel ist, und R4 der kürzeste Abstand von dem Rotationszentrum zu der Außenkante des Flanschabschnitts auf der Hinterkantenseite und auf der Druckfläche der Leitschaufel ist.
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Da bei der obigen Konfiguration (1) R1 kleiner als R2 ist, strömt das Abgas, das von stromaufwärts auf der Saugfläche strömt und in der Nähe des Rotationszentrums vorbeigeht, leicht in den Spalt zwischen der Ummantelungsfläche oder der Nabenfläche und der Leitschaufel, wo die Rotationswelle angeordnet ist, stromabwärts des Flanschabschnitts 50, so dass es möglich ist, die Abgasströmung um das Rotationszentrum zu verbessern. Da R4 kleiner als R3 ist, kann das von der Saugflächenseite in den Spalt einströmende Abgas reibungslos (engl. smoothly) in den Abgasdurchgang auf der Druckflächenseite stromabwärts des Flanschabschnitts 50 ausströmen. Da die Abgasströmung um den Flanschabschnitt der Leitschaufel oder der Rotationswelle verbessert werden kann, kann somit die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie bei niedriger Leistung verbessert werden.
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(2) In einigen Ausführungsformen in der obigen Konfiguration (1) kann der Flanschabschnitt eine abgasdurchgangsseitige Flanschfläche enthalten, die dem Abgasdurchgang zugewandt ist, und die abgasdurchgangsseitige Flanschfläche kann einen Kantenabschnitt enthalten, der in einer konvexen Bogenform ausgebildet ist, die in den Abgasdurchgang ragt.
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Mit der Konfiguration, bei der der Kantenabschnitt der abgasdurchgangsseitigen Flanschfläche des Flanschabschnitts in einer konvexen Bogenform ausgebildet ist, die in den Abgasdurchgang ragt, wie in dem Obigen (2), ist es möglich, das Abgas, das entlang der abgasdurchgangsseitigen Flanschfläche und dann in den Spalt auf der Rotationswellenseite der Leitschaufel strömt, wirksam daran zu hindern, getrennt zu werden, wenn es durch den Kantenabschnitt der durchgangsseitigen Flanschfläche verläuft. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Turbulenzen und Verwirbelungen, die durch die Trennung verursacht werden, unterdrückt werden, so dass die Abgasströmung durch den Spalt verbessert werden kann und die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie bei niedriger Leistung verbessert werden kann.
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(3) In einigen Ausführungsformen in der obigen Konfiguration (1) oder (2) kann der Flanschabschnitt an der nabenseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers ausgebildet sein.
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Mit der obigen Konfiguration (3) ist es möglich, den oben in (1) oder (2) beschriebenen Effekt bei der Leitschaufel mit dem Flanschabschnitt an der nabenseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers zu erzielen.
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(4) In einigen Ausführungsformen in der obigen Konfiguration (1) oder (2) kann der Flanschabschnitt an der ummantelungsseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers ausgebildet sein.
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Mit der obigen Konfiguration (4) ist es möglich, den oben in (1) oder (2) beschriebenen Effekt bei der Leitschaufel mit dem Flanschabschnitt an der ummantelungsseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers zu erzielen.
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(5) In einigen Ausführungsformen in der obigen Konfiguration (1) oder (2) kann der Flanschabschnitt an der nabenseitigen Endfläche und der ummantelungsseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers ausgebildet sein.
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Mit der obigen Konfiguration (5) ist es möglich, den oben in (1) oder (2) beschriebenen Effekt bei der Leitschaufel mit dem Flanschabschnitt an der nabenseitigen Endfläche und der ummantelungsseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers zu erzielen.
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(6) In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (
1) bis (
5) kann der Flanschabschnitt den folgenden Ausdruck (iii) erfüllen.
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Mit der obigen Konfiguration (6) ist es möglich, das Abgas effizient um den Flanschabschnitt herum zu verteilen, zum Beispiel, wenn der Turbolader mit variabler Geometrie mit einer großen Differenz zwischen der Strömungsrate des in die Saugfläche strömenden Abgases und der Strömungsrate des in die Druckfläche strömenden Abgases betrieben wird.
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(7) In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen (
1) bis (
5) kann der Flanschabschnitt den folgenden Ausdruck (iv) erfüllen.
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Mit der obigen Konfiguration (7) ist es möglich, das Abgas effizient um den Flanschabschnitt herum zu verteilen, zum Beispiel, wenn der Turbolader mit variabler Geometrie mit einer großen Differenz zwischen der Strömungsrate des in die Saugfläche strömenden Abgases und der Strömungsrate des in die Druckfläche strömenden Abgases betrieben wird.
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Vorteilhafte Effekte
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Zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt eine Leitschaufel bereit, die die Abgasströmung um die Leitschaufel in einem Turbolader mit variabler Geometrie verbessern kann.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht einer Turbine eines Turboladers mit variabler Geometrie, die eine Leitschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
- 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei die Saugfläche von der Rotationswellenseite und der Vorderkantenseite aus gesehen dargestellt ist.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, die den Zustand von der Leitschaufelwelle aus gesehen zeigt.
- 5 ist ein Diagramm, das die Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Ansicht von der Vorderkantenseite, und (B) ist eine Ansicht von der Saugflächenseite.
- 6 ist ein Konturdiagramm, das die Größe der Entropie auf der Druckflächenseite der Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, und (B) zeigt die herkömmliche Leitschaufel als Vergleichsbeispiel.
- 7 ist ein Konturdiagramm, das den Druck um die Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, und (B) zeigt die herkömmliche Leitschaufel als Vergleichsbeispiel.
- 8 ist ein Konturdiagramm, das die Stromlinien um die Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, und (B) zeigt die herkömmliche Leitschaufel als Vergleichsbeispiel.
- 9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
- 10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
- 11 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Es ist beabsichtigt, dass Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsformen beschrieben werden, nur als illustrativ zu verstehen sind und nicht dazu dienen, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen.
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Zunächst wird eine schematische Konfiguration eines Turboladers mit variabler Geometrie beschrieben, auf den eine Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewendet wird.
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Turbine eines Turboladers mit variabler Geometrie, die eine Leitschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Turbine 2 eines Turboladers 1 mit variabler Geometrie ein Turbinengehäuse 3 mit einem spiralförmigen Turbinengehäuse 4 (engl. turbine scroll 4), ein Turbinenrad 5, das drehbar an der radial inneren Seite des Turbinengehäuses 3 angeordnet ist, und einen variablen Leitschaufelmechanismus 6 zum Steuern der Strömungsdurchgangsfläche des Abgases G, das von dem Turbinengehäuse 4 zu dem Turbinenrad 5 strömt.
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Das Turbinenrad 5 enthält eine Nabe 23, die drehbar in einem Lagergehäuse 7 gelagert ist, und eine Vielzahl von Schaufeln 25 (Turbinenschaufeln), die am Außenumfang der Nabe 23 in Intervallen in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Der variable Leitschaufelmechanismus 6 enthält eine Leitvorrichtung 10, eine Leitschaufelbefestigung 13, die an dem Lagergehäuse 7 befestigt ist, und eine Leitschaufelplatte 14, die so angeordnet ist, dass sie der Leitschaufelbefestigung 13 mit einem Abstand gegenüberliegt.
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In dieser Offenbarung wird ein Trennabschnitt, der die Leitschaufelplatte 14 und das das Turbinenrad 5 umgebende Turbinengehäuse 3 umfasst, als Ummantelung (engl. shroud) bezeichnet, die Fläche der Leitschaufelplatte 14, die der Leitschaufelbefestigung 13 zugewandt ist, wird als Ummantelungsfläche 41 bezeichnet, und die Fläche der Leitschaufelbefestigung 13, die der Leitschaufelplatte 14 zugewandt ist, wird als Nabenfläche 43 bezeichnet.
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Die Leitvorrichtung 10 hat eine Vielzahl von Leitschaufeln 11, die so angeordnet sind, dass sie das Turbinenrad 5 umgeben, und eine Leitschaufelwelle 12, die an jeder Leitschaufel 11 befestigt ist. Jede Leitschaufelwelle 12 ist drehbar an der Leitschaufelbefestigung 13 gelagert. Jede Leitschaufelwelle 12 ist über einen Verbindungsmechanismus 15 mit einem Stellglied (nicht dargestellt) verbunden. Jede Leitschaufelwelle 12 wird durch das vom Stellglied bereitgestellte Drehmoment gedreht. Mit der Drehung jeder Leitschaufelwelle 12 dreht sich auch die Leitschaufel 11.
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Wie in 2 dargestellt, ist zwischen benachbarten Leitschaufeln 11, 11 ein Abgasdurchgang 16 gebildet, durch den das Abgas G, das das Turbinengehäuse 4 durchlaufen hat, strömt. Über den Abgasdurchgang 16 hat eine Seite des Turbinengehäuses 4 auf der äußeren Umfangsseite einen hohen Druck aufgrund des Abgases G, und eine Seite des Turbinenrads 5 auf der inneren Umfangsseite einen niedrigen Druck. Das Abgas G, das das Turbinengehäuse 4 durchströmt hat, strömt unter einem bestimmten Strömungswinkel in den Abgasdurchgang 16. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck an einer Druckfläche 32 (später beschrieben) der Leitschaufel 11, die der Strömung zugewandt ist, erhöht, während der Druck an einer Saugfläche 33 (später beschrieben) niedrig ist.
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Als nächstes wird die Leitschaufel 11 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben.
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3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei die Saugfläche von der Rotationswellenseite und der Vorderkantenseite aus gesehen dargestellt ist. 4 ist eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, die den Zustand von der Leitschaufelwelle aus gesehen zeigt.
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Wie in 3 dargestellt, ist die Leitschaufel 11 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leitschaufel 11 des Turboladers 1 mit variabler Geometrie und umfasst einen Leitschaufelkörper 31, der drehbar in dem Abgasdurchgang 16 angeordnet ist, der zwischen der Ummantelungsfläche 41 und der Nabenfläche 43 definiert ist, und einen Flanschabschnitt 50, der an mindestens einer der ummantelungsseitigen Endfläche 51 oder einer nabenseitigen Endfläche des Leitschaufelkörpers vorgesehen ist und um das Rotationszentrum C des Leitschaufelkörpers 31 herum ausgebildet ist.
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Der Leitschaufelkörper 31 weist ein durch die Druckfläche 32, die der Druckfläche 32 gegenüberliegende Saugfläche 33, die Vorderkante 34 und die Hinterkante 35 definiertes Profil auf. Der Leitschaufelkörper 31 wird von der Leitschaufelbefestigung 13 über die als Rotationswelle dienende Leitschaufelwelle 12 in der Richtung senkrecht zur Sehnenrichtung und parallel zur Vorderkante 34 oder zur Hinterkante 35 (d.h. in der Breitenrichtung des Leitschaufelkörpers 31) zwischen der Vorderkante 34 und der Hinterkante 35 in Sehnenrichtung drehbar gelagert.
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Der Flanschabschnitt 50 ist im Allgemeinen an der nabenseitigen Endfläche 52 oder der ummantelungsseitigen Endfläche 51 des Leitschaufelkörpers 31 an der Seite vorgesehen, an der sich der Verbindungsmechanismus 15 oder die Leitschaufelwelle 12 befindet, und hat die Funktion eines Deckels, der verhindert, dass Abgas G in den Raum strömt, in dem der Verbindungsmechanismus 15 untergebracht ist.
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Wie zum Beispiel in
4 gezeigt, ist der Flanschabschnitt
50 der vorliegenden Offenbarung so geformt, dass er den folgenden Ausdruck (i) oder (ii) erfüllt:
wobei R1 der kürzeste Abstand vom Rotationszentrum
C zur Außenkante
58 des Flanschabschnitts
50 auf der Seite der Hinterkante
35 und auf der Saugfläche
33 der Leitschaufel
11 ist (beispielsweise als erster Quadrant bezeichnet), R2 der kürzeste Abstand zur Außenkante
58 des Flanschabschnitts
50 auf der Seite der Vorderkante
34 und auf der Saugfläche
33 ist (beispielsweise als zweiter Quadrant bezeichnet), R3 der kürzeste Abstand zur Außenkante
58 des Flanschabschnitts
50 auf der Seite der Vorderkante
34 und auf der Druckfläche
32 der Leitschaufel
11 ist (beispielsweise als dritter Quadrant bezeichnet), und R4 der kürzeste Abstand zur Außenkante
58 des Flanschabschnitts
50 auf der Seite der Hinterkante
35 und auf der Druckfläche
32 ist (beispielsweise als vierter Quadrant bezeichnet).
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Mit anderen Worten, ist der Flanschabschnitt 50 in der vorliegenden Offenbarung asymmetrisch auf der Seite der Vorderkante 34 und der Seite der Hinterkante 35 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 und einschließlich der Achse der Leitschaufelwelle 12 (eine Ebene senkrecht zur Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 und durch die Y- Achse) gebildet, so dass der kürzeste Abstand zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Hinterkante 35 kleiner ist als der kürzeste Abstand zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34.
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Der oben beschriebene Flanschabschnitt 50 kann so konfiguriert sein, dass beispielsweise die Verbindung oder Begrenzung zwischen der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 und der Saugfläche 33 oder der Druckfläche 32 auf der Seite der Hinterkante 35 einen geringeren Abstand von dem Rotationszentrum C hat als die Verbindung oder Begrenzung zwischen der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 und der Saugfläche 33 oder der Druckfläche 32 auf der Seite der Vorderkante 34 (siehe zum Beispiel R1, R2 in 9, R3, R4 in 10, R1, R2 und R3, R4 in 11).
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Der Flanschabschnitt 50 kann jedoch so konfiguriert sein, dass die Verbindung oder Begrenzung zwischen der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 und der Saugfläche 33 oder der Druckfläche 32 auf der Seite der Hinterkante 35 einen größeren Abstand von dem Rotationszentrum C hat als die Verbindung oder Begrenzung zwischen der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 und der Saugfläche 33 oder der Druckfläche 32 auf der Seite der Vorderkante 34. In diesem Fall kann der Flanschabschnitt 50 so ausgebildet sein, dass beispielsweise in der axialen Ansicht der Leitschaufelwelle 12 die Außenkante 58 auf der Seite der Hinterkante 35 eine geringere Neigung zur Sehnenrichtung aufweist als auf der Seite der Vorderkante 34 (siehe beispielsweise 3, 4 und 5(B)).
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Ein solcher Flanschabschnitt 50 kann so konfiguriert sein, dass die Außenkante 58 mit der Saugfläche 33 und der Druckfläche 32 des Leitschaufelkörpers 31 in einer gleichmäßigen (engl. smooth) Kurve in der axialen Ansicht der Leitschaufelwelle 12 kontinuierlich ist. Genauer gesagt können die Endabschnitte der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 an der Saugfläche 33 auf der Seite der Vorderkante 34 und der Seite der Hinterkante 35 so konfiguriert sein, dass sie sich jeweils mit einer gleichmäßigen Kurve, die in Richtung des Abgasdurchgangs 16, dem der Endabschnitt zugewandt ist, konkav ist, zu der Saugfläche 33 fortsetzen. Ferner können die Endabschnitte der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Druckfläche 32 auf der Seite der Vorderkante 34 und der Seite der Hinterkante 35 so gestaltet sein, dass sie sich jeweils mit einer gleichmäßigen Kurve, die in Richtung des Abgasdurchgangs 16, dem der Endabschnitt zugewandt ist, konkav ist, zu der Druckfläche 32 fortsetzen.
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Da bei der obigen Konfiguration R1 kleiner als R2 ist, strömt das Abgas G, das von stromaufwärts an der Saugfläche 33 strömt und in der Nähe des Rotationszentrums C vorbeigeht, leicht in den Spalt 18 zwischen der Ummantelungsfläche 41 oder der Nabenfläche 43 und der Leitschaufel 11, wo die Leitschaufelwelle 12 (Rotationswelle) angeordnet ist, stromabwärts des Flanschabschnitts 50, so dass es möglich ist, die Abgasströmung G um das Rotationszentrum C zu verbessern. Da R4 kleiner als R3 ist, kann das Abgas G, das von der Seite der Saugfläche 33 in den Spalt 18 strömt, reibungslos in den Abgasdurchgang 16 auf der Seite der Druckfläche 32 stromabwärts des Flanschabschnitts 50 ausströmen. Da die Abgasströmung G um den Flanschabschnitt 50 der Leitschaufel 11 oder der Leitschaufelwelle 12 verbessert werden kann, kann die Leistung des Turboladers 1 mit variabler Geometrie (insbesondere die Leistung des Turboladers 1 mit variabler Geometrie bei niedriger Leistung) verbessert werden.
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5 ist ein Diagramm, das die Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Ansicht von der Vorderkantenseite, und (B) ist eine Ansicht von der Saugflächenseite.
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In einigen Ausführungsformen in der obigen Konfiguration, zum Beispiel wie in 5(A) und 5(B) dargestellt, umfasst der Flanschabschnitt 50 eine abgasdurchgangsseitige Flanschfläche 55, die dem Abgasdurchgang 16 zugewandt ist. Die abgasdurchgangsseitige Flanschfläche 55 kann einen Flanschabschnitt 56 aufweisen, der in einer konvexen Bogenform ausgebildet ist, die in den Abgasdurchgang 16 ragt.
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Der Kantenabschnitt 56 ist in einer konvexen Form ohne Ecken (oder abgerundete Ecken aufgrund einer gleichmäßigen, gekrümmten Oberfläche) ausgebildet, im Vergleich zu dem herkömmlichen Flanschabschnitt, der eine zylindrische oder konische Form mit einem Grat oder einer Begrenzung hat, wo sich der Umfangsabschnitt und der Bodenabschnitt in einem vorbestimmten Winkel schneiden. Der Kantenabschnitt 56 ist so ausgebildet, dass beispielsweise mit zunehmender Entfernung vom Rotationszentrum C der Abstand von der Endfläche des Leitschaufelkörpers 31 auf der Seite, auf der sich die Leitschaufelwelle 12 befindet (z. B. die nabenseitige Endfläche 52, wenn die Leitschaufelwelle 12 auf der Seite der Nabenfläche 43 angeordnet ist, und die ummantelungsseitige Endfläche 51, wenn die Leitschaufelwelle 12 auf der Seite der Ummantelungsfläche 41 angeordnet ist), progressiv abnimmt.
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Der Kantenabschnitt 56 kann an mindestens einem Teil der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 oder als gleichmäßige, gekrümmte Fläche über den gesamten Umfang der Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 ausgebildet sein.
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Die Krümmung des Kantenabschnitts 56 auf der Seite der Vorderkante 34 des Flanschabschnitts 50 kann die gleiche oder eine andere sein als die Krümmung des Kantenabschnitts 56 auf der Seite der Hinterkante 35 desselben. Ferner kann die Krümmung des Kantenabschnitts 56 beispielsweise auf der Seite der Vorderkante 34 oder der Seite der Hinterkante 35 gleichmäßig sein oder an jedem Punkt teilweise unterschiedlich sein, und sie kann frei eingestellt werden, so dass die Punkte gleichmäßig (engl. smoothly) und kontinuierlich ausgebildet sind.
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Mit Bezug auf die 6, 7 und 8 wird die Wirkung des Flanschabschnitts 50 mit der obigen Konfiguration beschrieben.
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6 ist ein Konturdiagramm, das die Größe der Entropie auf der Druckflächenseite der Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, und (B) zeigt die herkömmliche Leitschaufel als Vergleichsbeispiel. 7 ist ein Konturdiagramm, das den Druck um die Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, und (B) zeigt die herkömmliche Leitschaufel als Vergleichsbeispiel. 8 ist ein Konturdiagramm, das die Stromlinien um die Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform, und (B) zeigt die herkömmliche Leitschaufel als Vergleichsbeispiel.
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Zunächst, unter Bezugnahme auf die 6(A) und 6(B), ist zu erkennen, dass die Entropie des Bereichs P1, der sich auf der Seite der Hinterkante 35 der Leitschaufelwelle 12 auf der Druckfläche 32 der in 6(A) gezeigten Leitschaufel 11 der vorliegenden Offenbarung befindet, geringer ist als die Entropie des Bereichs P2, der sich auf der Seite der Hinterkante 35 der Leitschaufelwelle 12 auf der Druckfläche 32 der herkömmlichen Leitschaufel befindet, die als Vergleichsbeispiel in 6(B) gezeigt ist. Die Figur zeigt, wie viel Verlust in der Abgasströmung G auftritt. Je höher die Entropie, desto größer ist der Verlust. Daher kann aus den 6(A) und 6(B) erkannt werden, dass der Strömungsverlust des Abgases G durch den Einsatz der Leitschaufel 11 der vorliegenden Offenbarung einschließlich des Flanschabschnitts 50 erheblich verringert werden kann.
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Ferner, unter Bezugnahme auf die 7(A) und 7(B), ist zu erkennen, dass der Druck des Bereichs P3, der sich auf der Seite der Hinterkante 35 der Leitschaufelwelle 12 auf der Druckfläche 32 der in 7(A) gezeigten Leitschaufel 11 der vorliegenden Offenbarung befindet, höher ist als der Druck des Bereichs P4, der sich auf der Seite der Hinterkante 35 der Leitschaufelwelle 12 auf der Druckfläche 32 der herkömmlichen Leitschaufel befindet, die als Vergleichsbeispiel in 7(B) gezeigt ist. Daher kann aus den 7(A) und 7(B) erkannt werden, dass der Druckverlust des Abgases G, das um den Flanschabschnitt 50 verläuft, durch die Verwendung der Leitschaufel 11 der vorliegenden Offenbarung einschließlich des Flanschabschnitts 50 erheblich reduziert werden kann.
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Ferner, unter Bezugnahme auf die 8(A) und 8(B), ist zu erkennen, dass in dem Bereich P6, der sich auf der Seite der Hinterkante 35 der Leitschaufelwelle 12 auf der Druckfläche 32 der herkömmlichen Leitschaufel befindet, die als Vergleichsbeispiel in 8(B) gezeigt ist, nur wenige (oder fast keine) Stromlinien der Abgasströmung G vorhanden sind, die durch den Bereich P6 verlaufen, so dass die Form des herkömmlichen Flanschabschnitts eine Trennung in der Abgasströmung G verursacht und die Strömung um den Flanschabschnitt verschlechtert. Im Gegensatz dazu sind auf der in 8(A) gezeigten Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 der vorliegenden Offenbarung effektive Stromlinien vorhanden, die die Abgasströmung G durch den Bereich P5 anzeigen, der sich auf der Seite der Hinterkante 35 der Leitschaufelwelle 12 befindet. Daher kann aus den 8(A) und 8(B) erkannt werden, dass die Strömung des Abgases G, das um den Flanschabschnitt 50 verläuft, durch den Einsatz der Leitschaufel 11 der vorliegenden Offenbarung einschließlich des Flanschabschnitts 50 erheblich verbessert werden kann.
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Somit ist es mit der Konfiguration, bei der der Kantenabschnitt 56 der abgasdurchgangsseitigen Flanschfläche 55 des Flanschabschnitts 50 in einer konvexen Bogenform ausgebildet ist, die in den Abgasdurchgang 16 ragt, möglich, das Abgas G, das entlang der abgasdurchgangsseitigen Flanschfläche 55 und dann in den Spalt 18 auf der Leitschaufelwelle 12, die als die Rotationswelle der Leitschaufel 11 dient, strömt, wirksam daran zu hindern, getrennt zu werden, wenn es durch den Kantenabschnitt 56 der durchgangsseitigen Flanschfläche 55 verläuft. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Turbulenzen und Verwirbelungen, die durch die Trennung verursacht werden, unterdrückt werden, so dass die Abgasströmung G durch den Spalt 18 verbessert werden kann, und die Leistung des Turboladers 1 mit variabler Geometrie bei niedriger Leistung kann verbessert werden.
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In einigen Ausführungsformen kann in einer der oben genannten Konfigurationen, zum Beispiel wie in 5(A) und 5(B) dargestellt, der Flanschabschnitt 50 an der nabenseitigen Endfläche 52 des Leitschaufelkörpers 31 ausgebildet sein.
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Mit dieser Konfiguration ist es möglich, den in der oben beschriebenen Ausführungsform beschriebenen Effekt bei der Leitschaufel 11 mit dem Flanschabschnitt 50 an der nabenseitigen Endfläche 52 des Leitschaufelkörpers 31 zu erzielen.
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Ferner, in einigen Ausführungsformen in einer der oben genannten Konfigurationen, kann der Flanschabschnitt 50 an der ummantelungsseitigen Endfläche 51 des Leitschaufelkörpers 31 ausgebildet sein. Die Auswirkung der Anordnung des Flanschabschnitts 50 an der ummantelungsseitigen Endfläche 51 auf die Strömung des Abgases G im Abgasdurchgang 16 ist die gleiche wie bei Anordnung des Flanschabschnitts 50 an der nabenseitigen Endfläche 52, wie oben beschrieben, und eine Beschreibung wird daher weggelassen-
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Mit der obigen Konfiguration, bei der der Flanschabschnitt 50 an der ummantelungsseitigen Endfläche 51 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist, ist es möglich, den in der oben beschriebenen Ausführungsform beschriebenen Effekt in der Leitschaufel 11 zu erzielen, die den Flanschabschnitt 50 an der ummantelungsseitigen Endfläche 51 des Leitschaufelkörpers 31 aufweist.
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9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
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In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel wie in den 9 und 10 dargestellt, kann der Flanschabschnitt 50 an der nabenseitigen Endfläche 52 und der ummantelungsseitigen Endfläche 51 des Leitschaufelkörpers 31 ausgebildet sein.
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Mit anderen Worten kann der Flanschabschnitt 50 auf jeder Seite des Leitschaufelkörpers 31 in der Breitenrichtung ausgebildet sein.
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Mit der obigen Konfiguration, bei der der Flanschabschnitt 50 auf jeder Seite des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist, ist es möglich, den in der oben beschriebenen Ausführungsform beschriebenen Effekt bei der Leitschaufel mit dem Flanschabschnitt an der nabenseitigen Endfläche 52 und der ummantelungsseitigen Endfläche 51 des Leitschaufelkörpers 31 zu erzielen.
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In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel wie in
9 dargestellt, kann der Flanschabschnitt
50 den folgenden Ausdruck (iii) erfüllen.
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Insbesondere kann der Flanschabschnitt 50 gemäß einigen Ausführungsformen so konfiguriert sein, dass der kürzeste Abstand R2 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Saugfläche 33 (beispielsweise der zweite Quadrant) größer ist als der kürzeste Abstand R3 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 (beispielsweise der dritte Quadrant).
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In dem in 9 gezeigten Beispiel ist der Flanschabschnitt 50, der den Ausdruck (iii) erfüllt, sowohl auf der ummantelungsseitigen Endfläche 51 als auch auf der nabenseitigen Endfläche 52 angeordnet, aber der Flanschabschnitt 50, der den Ausdruck (iii) erfüllt, kann auf der ummantelungsseitigen Endfläche 51 oder der nabenseitigen Endfläche 52 angeordnet sein.
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Somit ist es mit der Konfiguration, bei der der kürzeste Abstand R2 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Saugfläche 33 größer ist als der kürzeste Abstand R3 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 (R2>R3), möglich, das Abgas G effizient um den Flanschabschnitt 50 zu verteilen, zum Beispiel, wenn der Turbolader 1 mit variabler Geometrie mit einer großen Differenz zwischen der Strömungsrate des Abgases G, das in die Saugfläche 33 strömt, und der Strömungsrate des Abgases G, das in die Druckfläche 32 strömt, betrieben wird (zum Beispiel, wenn die einströmende Menge des Abgases G auf der Seite der Saugfläche 33 größer ist als die einströmende Menge des Abgases G auf der Seite der Druckfläche 32).
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In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel wie in den
10 bis
11 dargestellt, kann der Flanschabschnitt
50 den folgenden Ausdruck (iv) erfüllen.
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Insbesondere kann der Flanschabschnitt 50 gemäß einigen Ausführungsformen so konfiguriert sein, dass der kürzeste Abstand R2 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Saugflächen 33 (beispielsweise der zweite Quadrant) kleiner ist als der kürzeste Abstand R3 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 (beispielsweise der dritte Quadrant).
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Beispielsweise kann der Flanschabschnitt 50, wie in 10 gezeigt, sowohl an der ummantelungsseitigen Endfläche 51 als auch an der nabenseitigen Endfläche 52 angeordnet sein. Alternativ kann der Flanschabschnitt 50, wie im Beispiel von 11 gezeigt, auf der ummantelungsseitigen Endfläche 51 oder der nabenseitigen Endfläche 52 angeordnet sein.
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Somit ist es mit der Konfiguration, bei der der kürzeste Abstand R2 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Saugfläche 33 kleiner ist als der kürzeste Abstand R3 zur Außenkante 58 des Flanschabschnitts 50 auf der Seite der Vorderkante 34 und auf der Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 (R2<R3), möglich, das Abgas G effizient um den Flanschabschnitt 50 zu verteilen, zum Beispiel, wenn der Turbolader 1 mit variabler Geometrie mit einer großen Differenz zwischen der Strömungsrate des Abgases G, das in die Saugfläche 33 strömt, und der Strömungsrate des Abgases G, das in die Druckfläche 32 strömt, betrieben wird (zum Beispiel, wenn die einströmende Menge des Abgases G auf der Seite der Druckfläche 32 größer ist als die einströmende Menge des Abgases G auf der Seite der Saugfläche 33).
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Zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt die Leitschaufel 11 bereit, die die Abgasströmung G um die Leitschaufel 11 in dem Turbolader 1 mit variabler Geometrie verbessern kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbolader mit variabler Geometrie
- 2
- Turbine
- 3
- Turbinengehäuse (Ummantelung)
- 4
- Turbinengehäuse
- 5
- Turbinenrad (Turbinenrotor)
- 6
- Variabler Leitschaufelmechanismus
- 7
- Lagergehäuse
- 10
- Leitvorrichtung
- 11
- Leitschaufel
- 12
- Leitschaufelwelle (Rotationswelle)
- 13
- Leitschaufelbefestigung
- 14
- Leitschaufelplatte
- 15
- Verbindungsmechanismus
- 16
- Abgasdurchgang
- 18
- Spalt
- 23
- Nabe
- 25
- Turbinenschaufel
- 31
- Leitschaufelkörper
- 32
- Druckfläche
- 33
- Saugfläche
- 34
- Vorderkante
- 35
- Hinterkante
- 41
- Ummantelungsfläche
- 43
- Nabenfläche
- 50
- Flanschabschnitt
- 51
- Ummantelungsseitige Endfläche
- 52
- Nabenseitige Endfläche
- 55
- Abgasdurchgangsseitige Flanschfläche
- 56
- Kantenabschnitt
- 58
- Außenkante
- L
- Sehnenlänge (Leitschaufelkörper)
- G
- Abgas
- C
- Rotationszentrum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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