DE112019006711T5

DE112019006711T5 - Leitschaufel

Info

Publication number: DE112019006711T5
Application number: DE112019006711.7T
Authority: DE
Inventors: Bipin Gupta; Toyotaka Yoshida; Yosuke DAMMOTO; Yoji AKIYAMA; Jain Sambhav
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2021-09-30
Also published as: JPWO2020174550A1; JP7148706B2; US20220120190A1; CN113439156A; CN113439156B; WO2020174550A1; US11753960B2

Abstract

Eine Leitschaufel eines Turboladers mit variabler Geometrie weist auf: einen Leitschaufelkörper, der drehbar in einem Abgasdurchgang angeordnet ist, der zwischen einer Ummantelungsfläche und einer Nabenfläche definiert ist; und eine Flosse, die an mindestens einer von einer Druckfläche oder einer Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist und innerhalb eines Bereichs von 0,6 L von einer Hinterkante des Leitschaufelkörpers angeordnet ist, wobei sich L auf eine Sehnenlänge des Leitschaufelkörpers bezieht. Die Flosse erfüllt eine Beziehung von 0,3 L≤X, wobei sich X auf eine Länge der Flosse entlang einer Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers bezieht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Leitschaufel für einen Turbolader mit variabler Geometrie.
HINTERGRUND
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 einer Leitschaufel eines solchen Turboladers mit variabler Geometrie ist in Patentdokument 1 offenbart.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: US70305826B
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Zu lösende Probleme
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. Aufgrund des Unterschieds in der Strömungsrate oder dem Druck des in die Spalte strömenden Abgases kann die Leitschaufel durch eine Kraft in Richtung der Drehachse bewegt werden. Daher kann, wenn sich der Öffnungsgrad der Leitschaufel ändert, während die Leitschaufel beispielsweise mit einer Leitschaufelplatte auf der Seite der Ummantelungsfläche oder einer Leitschaufelbefestigung auf der Seite der Nabenfläche in Kontakt ist, Reibung Verschleiß verursachen.
In dieser Hinsicht offenbart das Patentdokument 1 eine Konfiguration zur Abschwächung der Druckdifferenz, die auf beiden Seiten der Leitschaufel erzeugt wird, indem ein Verbindungsloch im Ventilkörper der Leitschaufel vorgesehen wird, um die Seite der Ummantelung und die Seite der Nabe zu verbinden, aber es offenbart keine Erkenntnisse zum Steuern der auf die Leitschaufel aufgrund der Druckdifferenz ausgeübten Kraft wie gewünscht.
In Anbetracht der obigen Ausführungen ist es eine Aufgabe zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, eine Leitschaufel bereitzustellen, die eine Kraft steuern kann, die in Richtung der Rotationsachse der Leitschaufel in einem Turbolader mit variabler Geometrie aufgebracht wird.
Lösung der Probleme
(1) Ein Leitschaufelkörper gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Leitschaufelkörper 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 eine Flosse, die an mindestens einer von einer Druckfläche oder einer Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist und innerhalb eines Bereichs von 0,6 L von einer Hinterkante des Leitschaufelkörpers angeordnet ist, wobei sich L auf eine Sehnenlänge des Leitschaufelkörpers bezieht. Die Flosse erfüllt eine Beziehung von 0,3 L≤X, wobei sich X auf eine Länge der Flosse entlang einer Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers bezieht.
Mit der obigen Konfiguration (1) kann die Flosse, die an mindestens einer der Druckfläche oder der Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist, eine Kraft auf den Leitschaufelkörper in Richtung der Rotationsachse der Leitschaufel ausüben, die die Abgasströmung schneidet, wenn das Abgas durch den Abgasdurchgang strömt. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Ummantelungsfläche oder der Nabenfläche und dem Leitschaufelkörper in geeigneter Weise gesteuert werden, indem die Befestigungsposition und die Form der Flosse nach Bedarf gestaltet werden, und somit kann der Verschleiß an der Ummantelungsfläche, der Nabenfläche oder dem Leitschaufelkörper, der durch den Kontakt zwischen der Ummantelungsfläche oder der Nabenfläche und dem Leitschaufelkörper verursacht wird, wirksam unterdrückt werden. Da die Flosse innerhalb eines Abstands von 0,6 L von der Hinterkantenseite angeordnet ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases schneller ist als an der Vorderkante, und die Länge X der Flosse entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 0,3 L oder mehr beträgt, kann die Kraft in Richtung der Rotationsachse wirksam erzeugt werden.
(2) In einigen Ausführungsformen, in der obigen Konfiguration (1), kann die Flosse eine Beziehung von 0,1<(H_max/X)<0,3 erfüllen, wobei Hmax sich auf eine maximale Höhe der Flosse von der Druckfläche oder der Saugfläche bezieht, auf der die Flosse vorhanden ist.
Mit der obigen Konfiguration (2), da die maximale Höhe Hmax der Flosse mehr als 0,1X beträgt, kann die Kraft in Richtung der Rotationsachse effektiv aus der Abgasströmung erzeugt werden. Da Hmax weniger als 0,3 X beträgt, können Interferenzen zwischen benachbarten Leitschaufeln unterdrückt werden, wenn die Ausgangsleistung des Turboladers mit variabler Geometrie gering ist, d.h. wenn der Öffnungsgrad der Leitschaufeln gering ist.
(3) In einigen Ausführungsformen, in der obigen Konfiguration (1) oder (2), kann die Flosse eine Beziehung von -10°<α<10° erfüllen, wobei α sich auf einen Ablenkungswinkel der Flosse in Bezug auf die Sehnenrichtung bezieht.
Wenn der Ablenkungswinkel der Flosse in Bezug auf die Strömung zu groß ist, kann der Druckverlust zunehmen und die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie abnehmen. In dieser Hinsicht kann bei der obigen Konfiguration (3), da der Ablenkungswinkel α der Flosse in Bezug auf die Abgasströmung innerhalb von ±10° eingestellt ist, der Druckverlust der Abgasströmung verringert werden, während die Kraft in Richtung der Rotationsachse auf den Leitschaufelkörper aufgebracht wird.
(4) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (3), kann ein hinterer Endabschnitt der Flosse an der Hinterkante des Leitschaufelkörpers angeordnet sein.
Mit der obigen Konfiguration (4) kann, da sich der hintere Endabschnitt der Flosse an der Hinterkante befindet, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases schneller ist als an der Vorderkante, die Kraft in Richtung der Rotationsachse wirksam erzeugt werden.
(5) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (4), kann die Flosse so angeordnet sein, dass ein hinterer Endabschnitt der Flosse näher an der Nabenfläche liegt in Bezug auf einen vorderen Endabschnitt der Flosse.
Mit der obigen Konfiguration (5) wird zumindest ein Teil des Abgases, das von der Vorderkantenseite strömt, von der Flosse in Richtung der Nabenfläche geleitet, während es sich zur Hinterkante, d.h. stromabwärts, bewegt. Bei diesem Vorgang nimmt auf der Nabenflächenseite der Flosse die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ab und der Druck wird relativ hoch, während auf der Ummantelungsflächenseite der Flosse die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zunimmt und der Druck relativ niedrig wird. Somit kann die Flosse eine Kraft auf den Leitschaufelkörper in Richtung der Ummantelungsfläche ausüben.
(6) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (4), kann die Flosse so angeordnet sein, dass ein hinterer Endabschnitt der Flosse näher an der Ummantelungsfläche liegt in Bezug auf einen vorderen Endabschnitt der Flosse.
Mit der obigen Konfiguration (6) wird zumindest ein Teil des Abgases, das von der Vorderkantenseite strömt, von der Flosse in Richtung der Ummantelungsfläche geleitet, während es sich zur Hinterkante, d.h. stromabwärts, bewegt. Bei diesem Vorgang nimmt auf der Ummantelungsflächenseite der Flosse die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ab und der Druck wird relativ hoch, während auf der Nabenflächenseite der Flosse die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zunimmt und der Druck relativ niedrig wird. Somit kann die Flosse eine Kraft auf den Leitschaufelkörper in Richtung der Nabenfläche ausüben.
(7) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (4), kann die Flosse entlang der Sehnenrichtung angeordnet sein.
Mit der obigen Konfiguration (7) wird beispielsweise, wenn Vorsprünge an der Ummantelungsfläche oder der Nabenfläche vorhanden sind, eine Druckdifferenz zwischen dem Bereich, in dem die Vorsprünge (engl. bosses) auf beiden Seiten der Flosse vorhanden sind, und dem Bereich, in dem keine Vorsprünge vorhanden sind, erzeugt, so dass die entlang der Sehnenrichtung angeordnete Flosse eine Kraft auf den Leitschaufelkörper in der Richtung entlang der Rotationsachse des Leitschaufelkörpers ausüben kann.
(8) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (7), kann die Flosse eine erste Flosse aufweisen, die an der Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist.
Die Befestigungsposition der Flosse an dem Leitschaufelkörper kann die Druckfläche oder die Saugfläche des Leitschaufelkörpers sein. In dieser Hinsicht haben intensive Forschungen des Erfinders ergeben, dass die an der Druckfläche angebrachte Flosse einen größeren Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie hat als die an der Saugfläche angebrachte. Somit kann mit der obigen Konfiguration (8), da die erste Flosse an der Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist, die Kraft entlang der Rotationsachse in geeigneter Weise auf den Leitschaufelkörper ausgeübt werden, während der Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie unterdrückt wird.
(9) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (7), kann die Flosse eine zweite Flosse aufweisen, die an der Druckfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist.
Wie oben in (8) beschrieben, ist, wenn die Flosse an der Druckfläche angebracht ist, der Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie größer als wenn die Flosse an der Saugfläche angebracht ist. Wenn jedoch beispielsweise die maximale Höhe Hmax der Flosse reduziert wird oder die Länge X der Flosse entlang der Sehnenrichtung im Vergleich zu dem Fall, in dem die Flosse an der Saugfläche angeordnet ist, verringert wird, ist es möglich, eine Kompatibilität zwischen der Kraft in Richtung der Rotationsachse und der Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie zu erreichen. Somit kann bei der Konfiguration, bei der die zweite Flosse an der Druckfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist, wie in dem obigen (9), die Kraft entlang der Rotationsachse auf den Leitschaufelkörper ausgeübt werden, während die Flexibilität des Designs verbessert wird.
(10) In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (7), kann die Flosse eine erste Flosse aufweisen, die an der Saugfläche angeordnet ist, und eine zweite Flosse, die an der Druckfläche angeordnet ist.
Mit der obigen Konfiguration (10) ist es, da die Flossen sowohl an der Saugfläche als auch an der Druckfläche angeordnet sind, möglich, die Kraft in Richtung der Rotationsachse genauer oder in einem besseren Gleichgewicht zu steuern, wobei sowohl die Abgasströmung auf der Saugflächenseite als auch die Abgasströmung auf der Druckflächenseite berücksichtigt wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem beispielsweise keine Flosse vorhanden ist oder in dem die Flosse nur an der Saugfläche oder der Druckfläche angeordnet ist.
Vorteilhafte Effekte
Zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt eine Leitschaufel bereit, die eine Kraft zur Bewegung des Leitschaufelkörpers in Richtung der Rotationsachse des Leitschaufelkörpers in einem Turbolader mit variabler Geometrie steuern kann.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer Turbine eines Turboladers mit variabler Geometrie einschließlich einer Leitschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt, wenn die Leitschaufel von der Saugflächenseite aus betrachtet wird.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt, wenn die Leitschaufel von der Hinterkantenseite aus betrachtet wird.
6 ist ein Diagramm, das die Abgasströmung auf der Saugflächenseite der Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Abgasströmung auf der Saugflächenseite der Leitschaufel in einem Vergleichsbeispiel, und (B) zeigt die Abgasströmung auf der Saugflächenseite der Leitschaufel in einer Ausführungsform.
7 ist ein Diagramm, das den statischen Druck zeigt, der bei einer Ausführungsform auf die Fläche der Leitschaufel wirkt; (A) zeigt den Zustand von der Ummantelungsseite aus betrachtet, und (B) zeigt den Zustand von der Nabenseite aus betrachtet.
8 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt, wenn die Leitschaufel von der Saugflächenseite aus betrachtet wird.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Seitenansicht von der Ummantelungsseite, (B) ist eine Unteransicht von der Druckflächenseite, und (C) ist eine Ansicht von der Hi nterka ntenseite.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Ansicht von der Hinterkantenseite, und (B) ist eine Unteransicht von der Druckflächenseite.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Ansicht von der Hinterkantenseite, und (B) ist eine Untersicht von der Druckflächenseite.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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.
Zunächst wird eine schematische Konfiguration eines Turboladers mit variabler Geometrie beschrieben, auf den eine Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewendet wird.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Turbine eines Turboladers mit variabler Geometrie, die eine Leitschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Turbine 2 eines Turboladers mit variabler Geometrie 1 ein Turbinengehäuse 3 mit einem spiralförmigen Turbinengehäuse 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 (engl. turbine scroll) zu dem Turbinenrad 5 strömt.
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.
Der variable Leitschaufelmechanismus 6 umfasst eine Leitvorrichtung 10, eine Leitschaufelbefestigung 13, die am Lagergehäuse 7 befestigt ist, und eine Leitschaufelplatte 14, die so angeordnet ist, dass sie der Leitschaufelbefestigung 13 gegenüberliegt.
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.
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.
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.
Als nächstes wird die Leitschaufel 11 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt. Wie in 3 dargestellt, ist die Leitschaufel 11 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leitschaufel 11 des Turboladers mit variabler Geometrie 1 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 einer Flosse 50, die an mindestens einer der Druckfläche 32 oder der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist.
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 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.
Die Flosse 50 in der vorliegenden Offenbarung ist konvex an der Druckfläche 32 oder der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 mit einer Längsrichtung in der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 ausgebildet. In einigen Ausführungsformen kann der Leitschaufelkörper 31 einstückig mit der Flosse 50 ausgebildet sein. Die Flosse 50 ist in einem Bereich von 0,6 L von der Hinterkante 35 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet, wobei sich L auf die Sehnenlänge des Leitschaufelkörpers 31 bezieht.
Ferner erfüllt die Flosse 50 eine Beziehung von 0,3 L≤X, wobei X sich auf die Länge der Flosse 50 entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 bezieht. Mit anderen Worten, die Flosse 50 ist relativ näher an der Hinterkante 35 an der Druckfläche 32 oder der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet und erfüllt den folgenden Ausdruck (i): $0 < X/L < 0,6$
Somit ist es bei der Konfiguration, bei der die Flosse 50 an mindestens einer der Druckfläche 32 oder der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist, möglich, eine Kraft entlang der Erstreckungsrichtung der Leitschaufelwelle 12 aufzubringen, die mit der Rotationsachse der Leitschaufel 11 zusammenfällt, die die Abgasströmung G zum Leitschaufelkörper 31 schneidet, wenn das Abgas G durch den Abgasdurchgang 16 strömt. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Ummantelungsfläche 41 oder der Nabenfläche 43 und dem Leitschaufelkörper 31 in geeigneter Weise gesteuert werden, indem die Befestigungsposition und die Form der Flosse 50 nach Bedarf gestaltet werden, und somit kann der Verschleiß an der Ummantelungsfläche 41, der Nabenfläche 43 oder dem Leitschaufelkörper 31, der durch den Kontakt zwischen der Ummantelungsfläche 41 oder der Nabenfläche 43 und dem Leitschaufelkörper 31 verursacht wird, wirksam unterdrückt werden. Da die Flosse 50 innerhalb eines Abstands von 0,6 L von der Seite der Hinterkante 35 angeordnet ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G schneller ist als an der Vorderkante 34, und die Länge X der Flosse 50 entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 0,3 L oder mehr beträgt, kann die Kraft in Richtung der Rotationsachse 26 wirksam erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen, in der obigen Konfiguration, zum Beispiel wie in 3 dargestellt, kann die Flosse 50 eine Beziehung des folgenden Ausdrucks (ii) erfüllen: $0,1 < (H_{max} /X) < 0,3$
wobei H sich auf die Höhe der Flosse 50 von der Druckfläche 32 oder der Saugfläche 33 bezieht, auf der sich die Flosse 50 befindet, und Hmax sich auf den Maximalwert davon (d.h. die maximale Höhe der Flosse 50) bezieht.
Die sehnenmäßige Position des oberen Abschnitts, an dem die Flosse 50 die maximale Höhe Hmax hat, ist nicht begrenzt. Mit anderen Worten, der obere Abschnitt der Flosse 50 kann sich in der Nähe eines vorderen Endabschnitts 51, eines mittleren Abschnitts oder eines hinteren Endabschnitts 52 in einem Erstreckungsbereich der Flosse 50 in Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 befinden.
Mit der Konfiguration, bei der die maximale Höhe Hmax der Flosse 50 mehr als 0,1 X beträgt, kann die Kraft entlang der Erstreckungsrichtung der Leitschaufelwelle 12 effektiv von der Abgasströmung G erzeugt werden. Wenn Hmax hingegen weniger als 0,3 X beträgt, können Interferenzen zwischen benachbarten Leitschaufeln 11 unterdrückt werden, wenn die Ausgangsleistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 niedrig ist, d.h. wenn der Öffnungsgrad der Leitschaufeln 11 niedrig ist.
4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt, wenn die Leitschaufel von der Saugflächenseite aus betrachtet wird. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform zeigt, wenn die Leitschaufel von der Hinterkantenseite aus betrachtet wird.
In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel wie in den 4 und 5 dargestellt, kann die Flosse 50 eine Beziehung des folgenden Ausdrucks (iii) erfüllen: $- 10 ° < α < 10 °$
wobei sich α auf den Ablenkungswinkel der Erstreckungsrichtung der Flosse 50 in Bezug auf die Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 bezieht.
In diesem Fall kann die Flosse 50 in einer geraden Linie (flache Platte) entlang der Längsrichtung davon ausgebildet sein. Alternativ kann die Flosse 50 eine in der Breitenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 vom vorderen Endabschnitt 51 zum hinteren Endabschnitt 52 gekrümmte Form haben. Wenn die Flosse 50 eine in Breitenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 gekrümmte Form hat, kann -10°<α<10° erfüllt sein, wenn man beispielsweise annimmt, dass α der Ablenkungswinkel des Teils der Kante der Flosse 50 ist, die sich in der Richtung erstreckt, die am meisten von der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 versetzt ist.
Wenn der Ablenkungswinkel der Flosse 50 in Bezug auf die Strömung zu groß ist, kann der Druckverlust zunehmen und die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 kann abnehmen. In dieser Hinsicht kann mit der Konfiguration, bei der der Ablenkungswinkel α der Erstreckungsrichtung der Flosse 50 in Bezug auf die Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 3110°<α<10° erfüllt, da der Ablenkungswinkel α der Flosse 50 in Bezug auf die Abgasströmung G innerhalb von ±10° eingestellt ist, der Druckverlust der Abgasströmung G verringert werden, während die Kraft in der Richtung der Rotationsachse 26 auf den Leitschaufelkörper 31 aufgebracht wird.
In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel, wie in 3 bis 5 dargestellt, kann der hintere Endabschnitt 52 der Flosse 50 an der Hinterkante 35 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Flosse 50 so angeordnet sein, dass der hintere Endabschnitt 52 mit der Hinterkante 35 des Leitschaufelkörpers 31 verbunden ist und kann sich so erstrecken, dass er sich dem mittleren Abschnitt des Leitschaufelkörpers 31 in Sehnenrichtung von der Hinterkante 35 in Richtung der Vorderkante 34 des Leitschaufelkörpers 31 nähert.
Da sich der hintere Endabschnitt 52 der Flosse 50 an der Hinterkante 35 befindet, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G schneller ist als an der Vorderkante 34, kann bei dieser Konfiguration die Kraft in Erstreckungsrichtung der Leitschaufelwelle 12 wirksam erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel wie in den 4 und 5 dargestellt, kann die Flosse 50 so angeordnet sein, dass der hintere Endabschnitt 52 der Flosse 50 näher an der Nabenfläche 43 liegt in Bezug auf den vorderen Endabschnitt 51 der Flosse 50.
Mit anderen Worten, die Flosse 50 kann in einem Winkel zur Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet sein, wobei der hintere Endabschnitt 52 stärker zur Nabenfläche 43 geneigt ist als der vordere Endabschnitt 51.
Mit Bezug auf die 6 und 7 wird die Veränderung der Strömung des Abgases G durch die an der Leitschaufel 11 angeordnete Flosse 50 beschrieben. 6 und 7 zeigen die Größe der Stromlinien bzw. den statischen Druck, wenn die Flosse 50 an der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 so angeordnet ist, dass der hintere Endabschnitt 52 näher an der Nabenfläche 43 ist in Bezug auf den vorderen Endabschnitt 51.
Zunächst ist 6 ein Diagramm, das die Abgasströmung auf der Saugflächenseite der Leitschaufel zeigt; (A) zeigt die Abgasströmung auf der Saugflächenseite der Leitschaufel in einem Vergleichsbeispiel, und (B) zeigt die Abgasströmung auf der Saugflächenseite der Leitschaufel in einer Ausführungsform.
In 6(A) und 6(B) ist die linke Seite die Seite der Ummantelungsfläche 41, und die rechte Seite ist die Seite der Nabenfläche 43. An der Saugfläche 33 der Leitschaufel 11 ohne die Flosse 50, die in 6(A) dargestellt ist, weist das Abgas G, das von der Seite der Vorderkante 34 (d. h. der stromaufwärts gelegenen Seite der Abgasströmung G) strömt, Stromlinien auf, die sich in der Nähe des mittleren Abschnitts in Breitenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 sammeln, und die Hauptströmung des Abgases G existiert in der Nähe des mittleren Abschnitts in Breitenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 von der Vorderkante 34 zur Hinterkante 35. Andererseits, wie in 6(B) gezeigt, wenn die Flosse 50 an der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist, strömt das von der Flosse 50 geleitete Abgas G auf der Seite der Hinterkante 35 näher zur Nabenfläche 43. In diesem Fall bewirkt die Änderung in der Abgasströmung G eine Kraft auf die Ummantelungsfläche 41, die auf den Leitschaufelkörper 31 wirkt.
7 ist ein Diagramm, das den statischen Druck zeigt, der in einer Ausführungsform auf die Fläche der Leitschaufel wirkt; (A) zeigt den Zustand von der Ummantelungsseite aus betrachtet, und (B) zeigt den Zustand von der Nabenseite aus betrachtet. Unter Bezugnahme auf 7(A) und 7(B) ist der statische Druck auf der Seite der Ummantelungsfläche 41 der Flosse 50 niedriger als auf der Seite der Nabenfläche 43 der Flosse 50. Daher wirkt in diesem Fall eine Kraft von der Seite der Nabenfläche 43 zur Seite der Ummantelungsfläche 41 auf den Leitschaufelkörper 31.
Mit der Konfiguration, bei der der hintere Endabschnitt 52 der Flosse 50 in Bezug auf die Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 in Richtung der Nabenfläche 43 geneigt ist, wird zumindest ein Teil des von der Seite der Vorderkante 34 strömenden Abgases G durch die Flosse 50 in Richtung der Nabenfläche 43 geleitet, während es sich zur Hinterkante 35, d.h. stromabwärts, bewegt. Bei diesem Vorgang nimmt auf der Seite der Nabenfläche 43 der Flosse 50 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G ab und der Druck wird relativ hoch, während auf der Seite der Ummantelungsfläche 41 der Flosse 50 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G zunimmt und der Druck relativ niedrig wird. Somit kann die Flosse 50 eine Kraft auf den Leitschaufelkörper 31 in Richtung der Ummantelungsfläche 41 ausüben.
8 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt, wenn die Leitschaufel von der Saugflächenseite aus betrachtet wird.
Wie in 8 nicht einschränkend dargestellt, kann die Flosse 50 in einigen Ausführungsformen in einer der obigen Konfigurationen so angeordnet sein, dass der hintere Endabschnitt 52 der Flosse 50 näher an der Ummantelungsfläche 41 liegt in Bezug auf den vorderen Endabschnitt 51 der Flosse 50.
Mit anderen Worten, die Flosse 50 kann in einem Winkel zur Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet sein, wobei der hintere Endabschnitt 52 stärker zur Ummantelungsfläche 41 geneigt ist als der vordere Endabschnitt 51.
Mit der Konfiguration, bei der der hintere Endabschnitt 52 der Flosse 50 in Bezug auf die Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 in Richtung der Ummantelungsfläche 41 geneigt ist, wird zumindest ein Teil des von der Seite der Vorderkante 34 strömenden Abgases G durch die Flosse 50 in Richtung der Ummantelungsfläche 41 geleitet, während es sich zur Hinterkante 35, d.h. stromabwärts, bewegt. Bei diesem Vorgang nimmt auf der Seite der Ummantelungsfläche 41 der Flosse 50 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G ab und der Druck wird relativ hoch, während auf der Seite der Nabenfläche 43 der Flosse 50 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G zunimmt und der Druck relativ niedrig wird. Somit kann die Flosse 50 eine Kraft auf den Leitschaufelkörper 31 in Richtung der Ummantelungsfläche 41 ausüben.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Seitenansicht von der Ummantelungsseite, (B) ist eine Unteransicht von der Druckflächenseite, und (C) ist eine Ansicht von der Hinterkantenseite. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Ansicht von der Hinterkantenseite, und (B) ist eine Unteransicht von der Druckflächenseite. 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Form der Leitschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; (A) ist eine Ansicht von der Hinterkantenseite, und (B) ist eine Untersicht von der Druckflächenseite.
In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen, wie zum Beispiel in den 3 bis 11(B) dargestellt, kann die Flosse 50 eine erste Flosse 50A aufweisen, die an der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist.
Mit anderen Worten, jede der Leitschaufeln 11 kann die Flosse 50 (erste Flosse 50A) nur an der Saugfläche 33 der Leitschaufel 11 aufweisen.
Die Befestigungsposition der Flosse 50 an dem Leitschaufelkörper 31 kann die Druckfläche 32 oder die Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 sein. In dieser Hinsicht haben intensive Forschungen des Erfinders ergeben, dass die an der Druckfläche 32 angebrachte Flosse 50 einen größeren Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 hat als die an der Saugfläche 33 angebrachte. Somit kann, wie oben beschrieben, mit der Konfiguration, in der die erste Flosse 50A an der Saugfläche 33 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist, die Kraft entlang der Erstreckungsrichtung der Leitschaufelwelle 12 in geeigneter Weise auf den Leitschaufelkörper 31 aufgebracht werden, während der Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 unterdrückt wird.
In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel wie in 9(A) bis 9(C), 10(A), 10(B), 11(A) und 11(B) dargestellt, kann die Flosse 50 eine zweite Flosse 50B aufweisen, die an der Druckfläche 32 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist.
Mit anderen Worten, jede der Leitschaufeln 11 kann die Flosse 50 (zweite Flosse 50B) nur an der Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 aufweisen.
Wie oben beschrieben, ist, wenn die Flosse 50 an der Druckfläche 32 angebracht ist, der Einfluss auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 größer, als wenn die Flosse 50 an der Saugfläche 33angebracht ist. Wenn jedoch beispielsweise die maximale Höhe Hmax der Flosse 50 reduziert wird oder die Länge X der Flosse 50 entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 im Vergleich zu dem Fall, in dem die Flosse an der Saugfläche 33 angeordnet ist, verringert wird, ist es möglich, eine Kompatibilität zwischen der Kraft in der Erstreckungsrichtung der Leitschaufelwelle 12 und der Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 zu erreichen. Somit kann bei der Konfiguration, bei der wie oben beschrieben die zweite Flosse 50B an der Druckfläche 32 des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet ist, die Kraft entlang der Rotationsachse 26 auf den Leitschaufelkörper 31 ausgeübt werden, während die Flexibilität des Designs verbessert wird.
In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen, kann die Flosse 50 eine erste Flosse 50A aufweisen, die an der Saugfläche 33 angeordnet ist, und eine zweite Flosse 50B, die an der Druckfläche 32 angeordnet ist.
Mit anderen Worten kann jede der Leitschaufeln 11 die Flossen 50 sowohl an der Saugfläche 33 als auch an der Druckfläche 32 der Leitschaufel 11 aufweisen (die erste Flosse 50A an der Saugfläche 33 angeordnet und die zweite Flosse 50B an der Druckfläche 32 angeordnet). In diesem Fall können die erste Flosse 50A und die zweite Flosse 50B in Bezug auf die Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 zur gleichen Seite der Nabenfläche 43 oder der Ummantelungsfläche 41 geneigt sein, oder jede kann zu einer anderen Seite geneigt sein.
Wenn die Flossen 50 sowohl an der Druckfläche 32 als auch an der Saugfläche 33 angeordnet sind, kann die Länge X jeder Flosse 50 in Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 oder die Höhe H jeder Flosse 50 auf die gleiche Größe eingestellt werden. Alternativ kann, wie oben beschrieben, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Einfluss der Druckfläche 32 auf die Leistung des Turboladers mit variabler Geometrie 1 größer ist als der der Saugfläche 33, die Länge X oder die Höhe H der zweiten Flosse 50B, die an der Druckfläche 32 angeordnet ist, kleiner gestaltet werden als die Länge X oder die Höhe H der ersten Flosse 50A, die an der Saugfläche 33 angeordnet ist.
Somit ist es mit der Konfiguration, bei der die Flossen 50 sowohl an der Saugfläche 33 als auch an der Druckfläche 32 angeordnet sind, möglich, die Kraft in der Erstreckungsrichtung der Leitschaufelwelle 12 genauer oder in einem besseren Gleichgewicht zu steuern, wobei sowohl die Abgasströmung auf der Seite der Saugfläche 33 als auch die Abgasströmung auf der Seite der Druckfläche 32 berücksichtigt wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem zum Beispiel keine Flosse 50 vorhanden ist oder in dem die Flosse 50 nur an einer der Saugfläche 33 oder der Druckfläche 32 angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen, in einer der obigen Konfigurationen, zum Beispiel, wie nicht einschränkend in 10(A) und 10(B) dargestellt, kann die Flosse 50 entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 angeordnet sein.
Mit anderen Worten kann die Flosse 50 in einer geraden Linie (flache Platte) mit einer Längsrichtung entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 ausgebildet sein.
Somit wird mit der Konfiguration, die die entlang der Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers 31 angeordnete Flosse 50 aufweist, wenn Vorsprünge (nicht dargestellt) auf der Ummantelungsfläche 41 oder der Nabenfläche 43 vorhanden sind, eine Druckdifferenz zwischen dem Bereich, in dem die Vorsprünge auf beiden Seiten der Flosse 50 vorhanden sind, und dem Bereich, in dem keine Vorsprünge vorhanden sind, erzeugt, so dass es möglich ist, eine Kraft auf den Leitschaufelkörper 31 in der Richtung entlang der Rotationsachse des Leitschaufelkörpers 31 aufzubringen.
Zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt die Leitschaufel 11 bereit, die eine Kraft zur Bewegung des Leitschaufelkörpers 31 in Richtung der Rotationsachse des Leitschaufelkörpers 31 in dem Turbolader mit variabler Geometrie 1 steuern kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden oben im Detail beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und verschiedene Änderungen und Modifikationen können implementiert werden.
Bezugszeichenliste

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
23: Nabe
25: Turbinenschaufel
31: Leitschaufelkörper
32: Druckfläche
33: Saugfläche
34: Vorderkante
35: Hinterkante
41: Ummantelungsfläche
43: Nabenfläche
50: Flosse
50A: Erste Flosse
50B: Zweite Flosse
51: Vorderer Endabschnitt
52: Hinterer Endabschnitt
53: Druckfläche
54: Saugfläche
H: Flossenhöhe
L: Sehnenlänge (Leitschaufelkörper)
G: Abgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 70305826 B [0003]

Claims

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 eine Flosse, die an mindestens einer von einer Druckfläche oder einer Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist und innerhalb eines Bereichs von 0,6 L von einer Hinterkante des Leitschaufelkörpers angeordnet ist, wobei sich L auf eine Sehnenlänge des Leitschaufelkörpers bezieht, wobei die Flosse eine Beziehung von 0,3 L≤X erfüllt, wobei sich X auf eine Länge der Flosse entlang einer Sehnenrichtung des Leitschaufelkörpers bezieht.
Leitschaufel nach Anspruch 1, wobei die Flosse eine Beziehung von 0,1<(H_max/X)<0,3 erfüllt, wobei Hmax sich auf eine maximale Höhe der Flosse von der Druckfläche oder der Saugfläche bezieht, auf der die Flosse vorhanden ist.
Leitschaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flosse eine Beziehung von -10°<α<10° erfüllt, wobei α sich auf einen Ablenkungswinkel der Flosse in Bezug auf die Sehnenrichtung bezieht.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein hinterer Endabschnitt der Flosse an der Hinterkante des Leitschaufelkörpers angeordnet ist.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Flosse so angeordnet ist, dass ein hinterer Endabschnitt der Flosse näher an der Nabenfläche liegt in Bezug auf einen vorderen Endabschnitt der Flosse.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Flosse so angeordnet ist, dass ein hinterer Endabschnitt der Flosse näher an der Ummantelungsfläche liegt in Bezug auf einen vorderen Endabschnitt der Flosse.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Flosse entlang der Sehnenrichtung angeordnet ist.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Flosse eine erste Flosse aufweist, die an der Saugfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Flosse eine zweite Flosse aufweist, die an der Druckfläche des Leitschaufelkörpers angeordnet ist.
Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Flosse aufweist: eine erste Flosse, die an der Saugfläche angeordnet ist, und eine zweite Flosse, die an der Druckfläche angeordnet ist.