DE112020002877T5

DE112020002877T5 - Turbolader

Info

Publication number: DE112020002877T5
Application number: DE112020002877.1T
Authority: DE
Inventors: Isao Morita; Richard Morrison; Stephen Spence
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2022-03-10
Also published as: WO2020250635A1; US11821339B2; JPWO2020250635A1; CN113994072A; JP7248113B2; US20220090506A1

Abstract

Ein Turbolader (1) weist Folgendes auf: eine Mischströmungsturbine (31), die ein Turbinenrad (35) aufweist; ein Turbinengehäuse (33), das konfiguriert ist, das Turbinenrad (35) aufzunehmen, das einen Gasdurchgang (42) aufweist, der sich zu einer Vorderkante (39a) einer Schaufel (39) des Turbinenrads (35) erstreckt; und Düsenleitschaufeln (73), die in der Umfangsrichtung des Turbinenrads (35) in dem Gasdurchgang (42) angeordnet sind, wobei zwei gegenseitig Benachbarte der Düsenleitschaufeln dazwischen eine Verengung (74) ausbilden. Eine jede Düsenleitschaufel (73) ist bezüglich einer Hinterkante (73a) der Düsenleitschaufel als ein Verdrehzentrum verdreht, sodass eine Breite der Verengung (74) auf der Statorseite enger wird als auf der Nabenseite.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Turbolader, der eine Mischströmungsturbine aufweist.
STAND DER TECHNIK
Als Turbinen, die in Rotationsmaschinen wie etwa Turboladern verwendet werden, sind zwei Arten von Turbinen, d.h. eine Radialströmungsturbine und eine Mischströmungsturbine, bekannt. Es ist zudem allgemein bekannt, dass die Mischströmungsturbine leichter als die Radialturbine mit der gleichen Kapazität gemacht werden kann und ein exzellentes transientes Ansprechen hat. Patentliteratur 1 offenbart einen Turbolader, der eine Mischströmungsturbine verwendet.
ZITIERUNGSLISTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2012-102745
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Im Allgemeinen neigt eine Erhöhung eines relativen Strömungswinkels (Anstellwinkel) eines Arbeitsfluids bezüglich einer Schaufel eines Rads dazu, auf einer Saugseite der Schaufel eine Strömungsablösung zu bewirken. Das Auftreten der Ablösung aufgrund der Erhöhung des relativen Strömungswinkels erhöht den Verlust einer Turbineneffizienz (sogenannter Anstellverlust).
Da ein Drehradius, der bei der Mischströmungsturbine durch eine Vorderkante der Schaufel definiert ist, von einer Statorseite des Rads zu einer Nabenseite des Rads abnimmt, nimmt zudem eine Umfangsgeschwindigkeit der Vorderkante von der Statorseite zu der Nabenseite ab. Mit dieser Abnahme nimmt der relative Strömungswinkel des Arbeitsfluids von der Statorseite zu der Nabenseite zu, sodass die Ablösung dazu neigt, in einer Region aufzutreten, die näher an der Nabenseite ist. Dementsprechend ist es strukturell wahrscheinlicher, dass das Rad der Mischströmungsturbine, während es die oben beschriebenen Vorteile hat, den Anstellverlust weiter erhöht als jenen einer Radialturbine, die den gleichen Durchmesser hat.
Die vorliegende Offenbarung ist in Hinsicht der obigen Umstände gemacht worden. Das heißt, es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Turbolader vorzusehen, der in der Lage ist, während eines Verwendens der Charakteristiken einer Mischströmungsturbine einen Anstellverlust zu verringern.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Turbolader, der Folgendes aufweist: eine Mischströmungsturbine die ein Turbinenrad aufweist; ein Turbinengehäuse, das konfiguriert ist, das Turbinenrad aufzunehmen, das einen Gasdurchgang aufweist, der sich zu einer Vorderkante einer Schaufel des Turbinenrads erstreckt; und Düsenleitschaufeln, die in dem Gasdurchgang vorgesehen sind und in der Umfangsrichtung des Turbinenrads angeordnet sind, wobei zwei gegenseitig Benachbarte der Düsenleitschaufeln dazwischen eine Verengung ausbilden; wobei eine jede Düsenleitschaufel bezüglich einer Hinterkante der Düsenleitschaufel als ein Drehzentrum verdreht ist, sodass eine Breite der Verengung auf einer Statorseite enger wird als auf einer Nabenseite.
Eine jede Düsenleitschaufel kann in dem Gasdurchgang drehbar vorgesehen sein. Eine jede Düsenleitschaufel kann an dem Gasdurchgang fixiert sein.
Wenn eine Länge der Verengung entlang einer Anordnungsrichtung der Düsenleitschaufeln eine Verengungsbreite ist, kann die Verengungsbreite auf der Nabenseite zu einem Wert eingestellt sein, der größer als einmal und nicht größer als zweimal die Verengungsbreite an einem Zentrum in einer Spannrichtung ist. Die Verengungsbreite kann von der Nabenseite der Düsenleitschaufel zu der Statorseite der Düsenleitschaufel monoton abnehmen.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, einen Turbolader vorzusehen, der in der Lage ist, einen Anstellverlust zu verringern, während ein Vorteil der Charakteristiken der Mischströmungsturbine genommen wird.
Figurenliste

1 ist eine vordere Schnittansicht (Meridianansicht) eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2(a) und 2(b) sind Schaubilder, die Düsenleitschaufeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen. 2(a) ist ein Schaubild der Düsenleitschaufeln bei Betrachtung aus einer Axialrichtung eines Turbinenrads. 2(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Verengung, die durch die Düsenleitschaufeln ausgebildet ist.
3 ist ein Graph, der Änderungen eines relativen Strömungswinkels (Anstellwinkel) entlang einer Vorderkante einer Turbinenschaufel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung für ein jedes von mehreren Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnissen zeigt.
4(a) und 4(b) sind Schaubilder, die Stromlinien und eine Verteilung von Entropie (statische Entropie) eines Arbeitsfluids in der Umgebung der Vorderkante der Turbinenschaufel darstellen. 4(a) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms an dem Auslegungspunkt 1,0 beträgt und 4(b) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms an dem Auslegungspunkt 1,9 beträgt.
5(a) und 5(b) sind Schaubilder, die Stromlinien und eine Verteilung von Entropie (statische Entropie) eines Arbeitsfluids in der Umgebung der Vorderkante der Turbinenschaufel darstellen. 5(a) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms an dem Nichtauslegungspunkt 1,0 beträgt. 5(b) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms an dem Nichtauslegungspunkt 1,9 beträgt.
6 ist ein Graph, der Effizienzen der Mischströmungsturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei welcher das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms zu 1,0, 1,3 und 1,9 eingestellt ist, für einen jeden von dem Niedergeschwindigkeitsbereich (LSR), dem Mittelgeschwindigkeitsbereich (MSR) und dem Hochgeschwindigkeitsbereich (HSR) zeigt.
7 ist eine vordere Schnittansicht (Meridianansicht) einer Mischströmungsturbine in einem Turbolader eines variablen Geometriesystems gemäß einer Modifikation der vorliegenden Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Zur Erleichterung der Erläuterung zeigt in den Zeichnungen „L“ eine Linksrichtung an, „R“ zeigt eine Rechtsrichtung an, „ID“ zeigt eine Richtung radial einwärts an, „OD“ zeigt eine Richtung radial auswärts an, „RD“ zeigt eine Drehrichtung des Turbinenrads (Rotorwelle) an und „SD“ zeigt eine Spannrichtung einer Düsenleitschaufel an.
Der Turbolader 1 dieser Ausführungsform ist beispielsweise an einem Fahrzeug oder einem Schiff montiert. Der Turbolader 1 lädt (verdichtet) Luft, die einer Kraftmaschine zuzuführen ist, indem Druckenergie von Abgas (ein Beispiel eines Gases) aus einer Kraftmaschine (nicht gezeigt) verwendet wird.
1 ist eine vordere Schnittansicht (Meridianansicht) des Turboladers 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 2(a) und 2(b) sind Schaubilder, die Düsenleitschaufeln 73 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellen. 2(a) ist ein Schaubild der Düsenleitschaufeln 73 bei Betrachtung aus einer Axialrichtung des Turbinenrads 35. 2(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Verengung 74, die durch die Düsenleitschaufeln 73 ausgebildet ist. Wie in 1 gezeigt ist, weist der Turbolader 1 ein Lagergehäuse 3 auf. In dem Lagergehäuse 3 sind ein Radiallager 5 und ein Paar Schublager 7 vorgesehen. Die Lager 5 und 7 sind mit einer Rotorwelle (Turbinenwelle) 9, die sich in der Axialrichtung erstreckt, drehbar vorgesehen. In anderen Worten ist die Rotorwelle 9 in dem Lagergehäuse 3 durch eine Vielzahl von Lagern 5, 7 drehbar vorgesehen.
Ein Verdichter 11 befindet sich in 1 auf der rechten Seite des Lagergehäuses 3. Der Verdichter 11 verwendet eine Zentrifugalkraft, um Luft zu verdichten. Der Verdichter 11 weist ein Verdichtergehäuse 13 und ein Verdichterrad 15 auf, das in dem Verdichtergehäuse 13 drehbar aufgenommen ist. Das Verdichterrad 15 ist mit einem rechten Ende der Rotorwelle 9 verbunden und dreht zusammen mit der Rotorwelle 9 und einem Turbinenrad 35, wie später beschrieben ist. Das Verdichterrad 15 weist eine Verdichterscheibe 17 auf. Die Nabenfläche 17h der Verdichterscheibe 17 erstreckt sich von der rechten Seite radial auswärts (radial außenseitig des Verdichterrads 15). Ferner sind Verdichterschaufeln 19 an Intervallen in der Umfangsrichtung einstückig an der Nabenfläche 17h der Verdichterscheibe 17 ausgebildet.
Ein Lufteinlass 21 ist in dem Verdichtergehäuse 13 auf einer Einlassseite (bei Betrachtung aus der Luftströmungsrichtung einer stromaufwärtigen Seite) eines Verdichterrads 15 ausgebildet. Der Lufteinlass 21 ist mit einem Luftreiniger (nicht gezeigt) zum Reinigen von Luft verbunden. Ein Diffusordurchgang 23 ist zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem Verdichtergehäuse 13 ausgebildet. Der Diffusordurchgang 23 ist kreisringartig ausgebildet und auf einer Auslassseite (bei Betrachtung aus einer Luftströmungsrichtung einer stromabwärtigen Seite) des Verdichterrads 15 positioniert. Der Diffusordurchgang 23 verdichtet die Luft, die von dem Verdichterrad 15 abgegeben wird, während sie verzögert wird.
Ein Verdichterschneckendurchgang 25 ist innerhalb des Verdichtergehäuses 13 ausgebildet. Der Verdichterschneckendurchgang 25 erstreckt sich spiralartig und steht mit dem Diffusordurchgang 23 in Verbindung. Ein Luftauslass 27 ist an einer geeigneten Position des Verdichtergehäuses 13 ausgebildet. Der Luftauslass 27 ist zum Abgeben von verdichteter Luft zu der Außenseite des Verdichtergehäuses 13 ausgebildet und ist mit einem Ansaugkrümmer (nicht gezeigt) der Kraftmaschine verbunden.
Eine Dichtungsplatte 29 ist auf der rechten Seite des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Die Dichtungsplatte 29 ist kreisringartig ausgebildet, um eine Leckage von verdichteter Luft zu der Seite des Schublagers 7 zu verhindern.
Wie in 1 gezeigt ist, befindet sich eine Mischströmungsturbine 31 auf der linken Seite des Lagergehäuses 3. Die Mischströmungsturbine 31 erzeugt eine Drehkraft (ein Drehmoment), indem Druckenergie von Abgas aus einer Kraftmaschine (nicht gezeigt) verwendet wird.
Die Mischströmungsturbine 31 weist ein Turbinengehäuse 33 und ein Turbinenrad 35 auf, das drehbar in dem Turbinengehäuse 33 aufgenommen ist. Das Turbinenrad 35 ist mit einem linken Ende der Rotorwelle 9 verbunden und dreht zusammen mit der Rotorwelle 9 und dem Verdichterrad 15.
Das Turbinenrad 35 weist eine Turbinenscheibe 37 auf. Die Nabenfläche 37h der Turbinenscheibe 37 erstreckt sich von der linken Seite (einer Seite in der Axialrichtung des Turbinenrads 35) radial auswärts (radial außenseitig des Turbinenrads 35). Ferner sind Turbinenschaufeln (Schaufeln) 39 einstückig an der Nabenfläche 37h der Turbinenscheibe 37 ausgebildet. Wie oben beschrieben ist, ist die Turbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Mischströmungsturbine. Dementsprechend erstreckt sich eine Vorderkante 39a der Turbinenschaufel 39 von einer Statorseite davon zu einer Nabenseite davon, sodass sie sich einer Achse C nähert. Die Vorderkante 39a ist bezüglich der Achse C geneigt.
Ein Gaseinlass 41 ist an einer geeigneten Position des Turbinengehäuses 33 ausgebildet. Ein Gaseinlass 41 ist zum Einleiten von Abgas in das Turbinengehäuse 33 ausgebildet und ist mit einem Abgaskrümmer (nicht gezeigt) der Kraftmaschine verbunden.
Ein Turbinenschneckendurchgang 43 ist in dem Turbinengehäuse 33 auf einer Einlassseite (bei Betrachtung aus einer Strömungsrichtung von Abgas einer stromaufwärtigen Seite) des Turbinenrads 35 ausgebildet. Der Turbinenschneckendurchgang 43 ist in einer Spiralform ausgebildet und steht über einen Gasdurchgang 42 mit einem Gaseinlass 41 in Verbindung.
Der Gasdurchgang 42 erstreckt sich von dem Turbinenschneckendurchgang 43 radial einwärts und öffnet zu der Vorderkante 39a der Turbinenschaufel 39. Der Gasdurchgang 42 weist eine nabenseitige Innenwand 44 als ein erstes Wandelement und eine statorseitige Innenwand 46 als ein zweites Wandelement auf.
Die nabenseitige Innenwand 44 befindet sich konzentrisch zu dem Turbinenrad 35 und erstreckt sich zu dem Turbinenrad 35. Die nabenseitige Innenwand 44 ist separat von dem Turbinengehäuse 33 vorgesehen und hat beispielsweise eine Kreisringform. Eine Innenumfangskante der nabenseitigen Innenwand 44 ist in eine Außenumfangskante einer Wärmeabschirmungsplatte 49 eingepasst.
Die statorseitige Innenwand 46 erstreckt sich bezüglich der nabenseitigen Innenwand 44 mit einem vorbestimmten Intervall in der Axialrichtung zu dem Turbinenrad 35. Die statorseitige Innenwand 46 kann einstückig mit dem Turbinengehäuse 33 ausgebildet sein. Ansonsten kann sie separat von dem Turbinengehäuse 33 vorgesehen sein und kann an dem Turbinengehäuse 33 befestigt sein.
Ein Gasausgabeanschluss 45 ist in dem Turbinengehäuse 33 auf einer Auslassseite (bei Betrachtung aus einer Strömungsrichtung von Abgas einer stromabwärtigen Seite) des Turbinenrads 35 ausgebildet. Der Gasausgabeanschluss 45 ist ausgebildet, um das Abgas aus dem Turbinengehäuse 33 auszugeben, und ist über ein Verbindungsrohr (nicht gezeigt) mit einem Katalysator (nicht gezeigt) verbunden.
Eine Wärmeabschirmungsplatte 49 ist auf der linken Seitenfläche des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Die Wärmeabschirmungsplatte 49 ist kreisringartig ausgebildet, um Wärme von der Seite des Turbinenrads 35 abzuschirmen. Eine Wellenunterlegscheibe 51 ist zwischen der linken Seitenfläche des Lagergehäuses 3 und einem Außenkantenabschnitt der Wärmeabschirmungsplatte 49 vorgesehen.
Düsenleitschaufeln 73 sind in dem Gasdurchgang 42 vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Düsenleitschaufeln 73 in der Umfangsrichtung des Turbinenrads 35 angeordnet. Die Düsenleitschaufeln 73 sind an der nabenseitigen Innenwand 44 fixiert und liegen an der statorseitigen Innenwand 46 an. Die Düsenleitschaufeln 73 können einstückig mit der nabenseitigen Innenwand 44 ausgebildet sein. Ansonsten können die Düsenleitschaufeln 73 getrennt von der statorseitigen Innenwand 46 sein. In diesem Fall ist der Abstand zwischen diesen zweien beispielsweise durch Begrenzungen beim Montieren, Spezifikationen oder Ähnlichem definiert. Die statorseitige Innenwand 46 kann separat von dem Turbinengehäuse 33 ausgebildet sein und kann an dem Turbinengehäuse 33 befestigt sein. In diesem Fall können die Düsenleitschaufeln 73 an der statorseitigen Innenwand 46 fixiert sein. Wie in 2(a) gezeigt ist, hat eine jede Düsenleitschaufel 73 von einer statorseitigen Endfläche (Endbereich) 73s zu einer nabenseitigen Endfläche (Endbereich) 73h die gleiche Sehnenlänge. Eine jede Düsenleitschaufel 73 hat die gleiche Schaufelform (Tragflügelform). Die Sehnenlängen oder die Schaufelform der Düsenleitschaufeln 73 müssen von der statorseitigen Endfläche 73s zu der nabenseitigen Endfläche 73h nicht gleich sein.
Wie in 2(a) gezeigt ist, erstreckt sich eine Hinterkante 73b in einer Richtung, die senkrecht zu einer Ebene ist, auf welcher die Düsenleitschaufeln 73 angeordnet sind. In anderen Worten ist die Hinterkante 73b parallel zu der Achse C des Turbinenrads 35 vorgesehen. Eine jede Düsenleitschaufel 73 ist bezüglich einer Hinterkante 73b der Düsenleitschaufel 73 als ein Verdrehzentrum verdreht, sodass eine Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite enger wird als eine Verengungsbreite O₁ auf der Nabenseite, d.h., sodass die Breite der Verengung 74 auf der Statorseite enger wird als auf der Nabenseite. In anderen Worten verdreht sich der Tragflügel (Tragflügelquerschnitt) einer jeden Düsenleitschaufel 73 von der nabenseitigen Endfläche (Endbereich) 73h zu der statorseitigen Endfläche (Endbereich) 73s radial einwärts um die Hinterkante 73b als das Drehzentrum. Wie später beschrieben ist, ist die Verengungsbreite eine Länge der Verengung 74 entlang einer Anordnungsrichtung der Düsenleitschaufeln 73.
Weil die Düsenleitschaufeln 73 verdreht sind, wie oben beschrieben ist, ist in der Meridianebene die Vorderkante 73a einer jeden Düsenleitschaufel 73 bezüglich der Achse C des Turbinenrads 35 geneigt, sodass das statorseitige Ende radial einwärts des nabenseitigen Endes positioniert ist (siehe 2).
Zwei gegenseitig benachbarte Düsenleitschaufeln 73, 73 der Düsenleitschaufeln 73 bilden dazwischen eine Verengung 74 aus. Die Verengung 74 ist an einer Position ausgebildet, wo das Intervall zwischen einer Druckseite (Überdruckfläche) 73c einer Düsenleitschaufel 73 der zwei obigen Düsenleitschaufeln 73, 73 und einer Saugseite (Unterdruckfläche) 73d der anderen Düsenleitschaufel 73 der zwei obigen Düsenleitschaufeln 73, 73 am engsten wird. Eine „Druckseite der anderen Düsenleitschaufel 73“ ist beispielsweise eine Hinterkante 73b der Düsenleitschaufel 73.
Wie oben beschrieben ist, ist die Hinterkante 73b das Verdrehzentrum der Vorderkante 73a. Daher sind die Saugseite 73d und die Druckseite 73c, welche zwei Seitenflächen der Düsenleitschaufel 73 sind, hinsichtlich der Hinterkante 73b bezüglich der nabenseitigen Innenwand 44 und der statorseitigen Innenwand 46 geneigt. Dementsprechend wird die Form der Verengung 74, wie in 2(b) gezeigt ist, ein Trapez, bei welchem ein Boden davon auf der Nabenseite länger ist als ein Boden davon auf der Statorseite.
In der vorliegenden Ausführungsform ist, wenn eine Länge der Verengung 74 entlang der Anordnungsrichtung der Düsenleitschaufeln 73 als eine Verengungsbreite O_h definiert ist, eine Verengungsbreite O₁ auf der Nabenseite (d.h., O_h = O₁) zu einem Wert eingestellt, der größer als einmal und nicht größer als zweimal eine Verengungsbreite O_0,5 (d.h., O_h = O_0,5) an dem Zentrum in der Spannrichtung SD ist. Beispielsweise sind eine Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite (d.h., O_h = O₂) und die Verengungsbreite O₁ auf der Nabenseite zu Werten eingestellt, sodass ihre Summe gleich bis zweimal die Zentrumsverengungsbreite O_0,5 ist. Darüber hinaus nimmt die Verengungsbreite O_h von der Statorseite zu der Nabenseite monoton zu und nimmt in der Mitte nicht ab.
Wie oben beschrieben ist, ist die Düsenleitschaufel 73 verdreht, sodass beim Annähern von der Hinterkante 73b zu der Vorderkante 73a die Neigung der Düsenleitschaufel 73 in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Drehrichtung RD des Turbinenrads 35 ist, bezüglich der Vorderkante 73a zunimmt.
Dementsprechend ändert sich der Strömungswinkel des Arbeitsfluids, nachdem es durch die Verengung 74 geht, entlang der Spannrichtung SD der Düsenleitschaufel 73 und zudem ändert sich der relative Strömungswinkel (Anstellwinkel) bezüglich der Turbinenschaufel 39 entlang der Vorderkante 39a. Insbesondere ist die Änderung des relativen Strömungswinkels von der Statorseite zu der Nabenseite kleiner als jene in einem Fall, wo die Düsenleitschaufel 73 nicht verdreht wäre.
3 ist ein Graph, der Änderungen des relativen Strömungswinkels (Anstellwinkel) entlang der Vorderkante 39a der Turbinenschaufel 39 für ein jedes von mehreren Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnissen Oms zeigt. Dieser Graph zeigt ihre Beziehung an dem Auslegungspunkt. Die Spannweite der vertikalen Achse ist normiert. Je näher der Wert an 0 ist, desto näher ist daher die Position an der Nabenseite. Andersherum, je näher der Wert an 1 ist, desto näher ist die Position an der Statorseite.
Das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms in der Figur repräsentiert das Verhältnis der Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite zu der Verengungsbreite O_0,5 an dem Zentrum in der Spannrichtung SD. Wenn beispielsweise Oms 1,9 beträgt, ist die Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite 1,9-mal die Zentrumsverengungsbreite O_0,5. Wenn Oms 1,0 beträgt, ist eine Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite gleich der Verengungsbreite O_0,5. Dies bedeutet, dass die Düsenleitschaufel 73 nicht verdreht ist.
Die Analyse von 3 wurde unter einer Bedingung erhalten, bei welcher die Summe der Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite und der Verengungsbreite O₁ auf der Nabenseite eingestellt war, gleich bis zweimal die Zentrumsverengungsbreite O_0,5 zu sein. Daher ist die Fläche der Verengung 74 ungeachtet von Änderungen der Verengungsbreite O₂ auf der Statorseite und der Verengungsbreite O₁ auf der Nabenseite konstant. Das heißt, diese Ergebnisse repräsentieren einen Vergleich zwischen Turbinen der gleichen Kapazität, weil der Gesamtbetrag von Arbeitsfluid, das durch die Düsenleitschaufel 73 geht, auch wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms einen beliebigen Wert hat, annähernd unverändert ist.
Aus 3 kann gefunden werden, dass die Änderung des relativen Strömungswinkels von der Statorseite zu der Nabenseite im Vergleich zu dem Fall, wo die Düsenleitschaufel 73 nicht verdreht ist (d.h., Oms = 1,0), beim weiteren Verdrehen der Düsenleitschaufel 73 kleiner wird. Dementsprechend kann eine Erzeugung oder ein Wachstum einer Ablösung auf der Nabenseite des Turbinenrads 35 unterdrückt werden, indem die Düsenleitschaufeln 73 in der Mischströmungsturbine verdreht werden, und im Ergebnis kann ein Anstellverlust verringert werden.
4(a) und 4(b) sind Schaubilder, die die Stromlinien und eine Verteilung von Entropie (statische Entropie) des Arbeitsfluids G in der Umgebung der Vorderkante 39a (LE) der Turbinenschaufel 39 darstellen. 4(a) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms an dem Auslegungspunkt 1,0 beträgt. 4(b) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms an dem Auslegungspunkt 1,9 beträgt. 5(a) und 5(b) sind Schaubilder, die die Stromlinie und eine Verteilung von Entropie (statische Entropie) des Arbeitsfluids G in der Umgebung der Vorderkante 39a (LE) der Turbinenschaufel 39 zeigen. 5(a) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis O_ms an dem Nichtauslegungspunkt 1,0 beträgt. 5(b) ist das Schaubild, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis O_ms an dem Nichtauslegungspunkt 1,9 beträgt. Jegliche Figuren sind durch eine dreidimensionale stationäre viskose CFD-Analyse erhalten und zeigen die Vorderkante 39a (LE) der Turbinenschaufel 39, wenn die normierte Spannweite 0,1 beträgt. Ferner zeigt ein Ausdruck „PS“ die Druckseite (Überdruckfläche) der Turbinenschaufel 39 an und ein Ausdruck „SS“ zeigt die Saugseite (Unterdruckfläche) der Turbinenschaufel 39 an.
Im Fokus auf den Umfang der Vorderkante 39a (LE) in 4(a) bis 5(b) wurde gefunden, dass, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms 1,9 beträgt, der relative Strömungswinkel (Anstellwinkel) des Arbeitsfluids G kleiner ist als jener, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms 1,0 beträgt, und die Konzentration des Arbeitsfluids ist zudem abgebaut. Darüber hinaus ist, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms 1,9 beträgt, die Region, in welcher die Entropie vergleichsweise hoch ist, enger als jene, wenn das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms 1,0 beträgt, und es wurde gefunden, dass die Region, in welcher eine Ablösung auftritt, verringert ist und der Energieverlust unterdrückt ist.
Dementsprechend kann die Verdrehung der Düsenleitschaufeln 73 in der Mischströmungsturbine, wie aus diesen Figuren anerkannt ist, das Auftreten oder Wachstum einer Ablösung auf der Nabenseite des Turbinenrads 35 unterdrücken, wodurch der Anstellverlust verringert wird.
6 ist ein Graph, der Effizienzen der Mischströmungsturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei welcher das Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis Oms zu 1,0, 1,3 und 1,9 eingestellt ist, für einen jeden des Niedergeschwindigkeitsbereichs (LSR), des Mittelgeschwindigkeitsbereichs (MSR) und des Hochgeschwindigkeitsbereichs (HSR) zeigt. Wie in dieser Figur gezeigt ist, wurde gefunden, dass die Effizienz der Mischströmungsturbine beim Vergrößern des Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnisses Oms besser ist. Außerdem wird diese Tendenz in allen Umfangsgeschwindigkeitsbereichen beobachtet.
(Modifiziertes Beispiel)
Die Düsenleitschaufel 73 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die Verwendung als die fixierte Düsenleitschaufel beschränkt, die oben beschrieben ist, und kann als eine variable Düsenleitschaufel konfiguriert sein, die in der variablen Düseneinheit verwendet wird. Das heißt, die Düsenleitschaufel 73 kann in dem Gasdurchgang 42 drehbar vorgesehen sein. Wenn die Düsenleitschaufel 73 eine variable Düsenleitschaufel ist, kann sie konfiguriert sein, die Verengung 74 auszubilden, die an einem Winkel, der in einem beliebigen Zustand von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand eingestellt ist, das vorgenannte Nabe/Verengung-Öffnungsverhältnis hat.
Beispielsweise kann die Düsenleitschaufel 73 auf eine variable Düseneinheit 53 angewendet werden, die später beschrieben ist. Die variable Düseneinheit 53 ist an dem Turbolader eines variablen Geometriesystems montiert und passt eine Strömungsdurchgangsfläche von Abgas an, das der Seite des Turbinenrads 35 zugeführt wird.
Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, in welchem die Düsenleitschaufel 73 auf die variable Düseneinheit 53 angewendet wird. 7 ist eine vordere Schnittansicht (Meridianansicht) einer Mischströmungsturbine in einem Turbolader eines variablen Geometriesystems gemäß einer Modifikation der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 7 gezeigt ist, ist in dem Turbinengehäuse 33 ein Düsenring 55 als ein erstes Wandelement radial auswärts von (d.h., auf der Einlassseite von) dem Turbinenrad 35 vorgesehen. Der Düsenring 55 befindet sich über einen Stützring 57 konzentrisch zu dem Turbinenrad 35. Der Düsenring 55 ist beispielsweise in einer Kreisringform ausgebildet. Eine Innenumfangskante des Düsenrings 55 ist in die Außenumfangskante der Wärmeabschirmungsplatte 49 eingepasst. Erste Stützlöcher 59 sind ausgebildet, die an gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung durch den Düsenring 55 durchdringen. Eine Außenumfangskante des Stützrings 57 ist durch das Lagergehäuse 3 und das Turbinengehäuse 33 zwischengeordnet.
Ein Statorring 61 ist als ein zweites Wandelement an einer Position vorgesehen, die in der Axialrichtung von dem Düsenring 55 getrennt ist. Der Statorring 61 ist konzentrisch zu dem Düsenring 55 vorgesehen und ist über Verbindungsstifte 63 mit dem Düsenring 55 integriert. In anderen Worten ist der Statorring 61 in der Axialrichtung des Turbinenrads 35 von dem Düsenring 55 beabstandet, um dem Düsenring 55 zugewandt zu sein. Der Statorring 61 ist beispielsweise in einer Kreisringform ausgebildet. Zweite Stützlöcher 65 sind ausgebildet, die durch den Statorring 61 durchdringen. Die zweiten Stützlöcher 65 sind an gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung ausgebildet, um zu den ersten Stützlöchern 59 des Düsenrings 55 ausgerichtet zu sein. Die Verbindungsstifte 63 haben eine Funktion, einen Abstand zwischen einer gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings 55 und einer gegenüberliegenden Fläche des Statorrings 61 einzustellen.
Der Statorring 61 hat auf einer Seite der Innenumfangskante davon einen Statorabschnitt 67. Der Statorabschnitt 67 ist in einer Zylinderform ausgebildet, um Außenkanten der Turbinenschaufeln 39 abzudecken. Der Statorabschnitt 67 steht in der Linksrichtung (eine Seite in der Axialrichtung des Turbinenrads 35) vor und ist innerhalb eines Stufenabschnitts 47 des Turbinengehäuses 33 positioniert. Eine Ringnut 69 ist an einer Außenumfangsfläche des Statorabschnitts 67 des Statorrings 61 ausgebildet. Ferner sind an einer Innenumfangsfläche des Stufenabschnitts 47 des Turbinengehäuses 33 Dichtungsringe 71 vorgesehen. Die Dichtungsringe 71 sind in Kontakt mit und drücken durch ihre eigenen elastischen Kräfte (d.h., elastische Kräfte der Dichtungsringe 71) gegen die Innenumfangsfläche, um eine Leckage von Abgas von der Seite des Turbinenschneckendurchgangs 43 zu unterdrücken. Innenumfangskanten der Dichtungsringe 71 sind in die Ringnut 69 des Statorrings 61 eingepasst.
Wie in 7 gezeigt ist, bilden der Düsenring 55 und der Statorring 61 den Gasdurchgang 42. Die Düsenleitschaufeln 73 sind als variable Düsenleitschaufeln umfangsmäßig in dem Gasdurchgang 42 (in anderen Worten zwischen dem Düsenring 55 und dem Statorring 61) angeordnet. Eine jede Düsenleitschaufel 73 kann um eine Achse gedreht (geschwenkt) werden, die parallel zu der Achse C des Turbinenrads 35 ist.
Eine erste Schaufelwelle 75 ist einstückig an der rechten Seitenfläche einer jeden Düsenleitschaufel 73 ausgebildet, welche dem Düsenring 55 zugewandt ist. Die erste Schaufelwelle 75 ist durch das entsprechende erste Stützloch 59 des Düsenrings 55 drehbar abgestützt. Eine zweite Schaufelwelle 77 ist konzentrisch zu der ersten Schaufelwelle 75 einstückig an der linken Seitenfläche einer jeden Düsenleitschaufel 73 ausgebildet, welche dem Statorring 61 zugewandt ist. Die zweite Schaufelwelle 77 ist durch das entsprechende zweite Stützloch 65 des Statorrings 61 drehbar abgestützt. Eine jede Düsenleitschaufel 73 hat einen ersten Flanschabschnitt (nicht gezeigt) auf einer Basisendseite der Düsenleitschaufel 73, welcher die gegenüberliegende Fläche des Düsenrings 55 berühren kann. Eine jede Düsenleitschaufel 73 hat einen zweiten Flanschabschnitt (nicht gezeigt) auf einer Spitzenendseite der zweiten Schaufelwelle 77, welcher die gegenüberliegende Fläche des Statorrings 61 berühren kann. Es ist anzumerken, dass eine jede Düsenleitschaufel 73 ein bimodaler Typ ist, der eine erste Schaufelwelle 75 und eine zweite Schaufelwelle 77 hat, aber ein Cantilever-Typ sein kann, bei welchem die zweite Schaufelwelle 77 weggelassen ist.
Wie in 7 gezeigt ist, ist in einer kreisringförmigen Bindegliedkammer 79, die auf der gegenüberliegenden Seite der gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings 55 ausgebildet ist, ein Bindegliedmechanismus 81 zum synchronen Drehen der Düsenleitschaufeln 73 vorgesehen. Der Bindegliedmechanismus 81 hat eine bekannte Struktur, die in den japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsanmeldungen Nr. 2009-243431, 2009-243300, 2014-169642 (US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014/0248135 ) oder Ähnlichen offenbart ist. Der Bindegliedmechanismus 81 ist über den Kraftübertragungsmechanismus 83 mit einem Drehstellglied (nicht gezeigt) wie etwa einem Motor oder einem Zylinder verbunden, welches die Düsenleitschaufeln 73 in der Öffnungs-/Schließrichtung dreht.
In diesem modifizierten Beispiel können die obigen Wirkungen auch erhalten werden. Das heißt, durch die Verdrehung der Düsenleitschaufel 73 in der Mischströmungsturbine kann eine Erzeugung oder ein Wachstum einer Ablösung auf der Nabenseite des Turbinenrads 35 unterdrückt werden und im Ergebnis kann ein Anstellverlust verringert werden.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern durch die Beschreibung der Ansprüche angegeben ist und ferner alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Umfangs der Beschreibung der Ansprüche aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012102745 [0003]
JP 2009243431 [0051]
JP 2009243300 [0051]
JP 2014169642 [0051]
US 2014/0248135 [0051]

Claims

Turbolader, mit: einer Mischströmungsturbine, die ein Turbinenrad aufweist; einem Turbinengehäuse, das konfiguriert ist, das Turbinenrad aufzunehmen, das einen Gasdurchgang aufweist, der sich zu einer Vorderkante einer Schaufel des Turbinenrads erstreckt; und Düsenleitschaufeln, die in dem Gasdurchgang vorgesehen sind und in der Umfangsrichtung des Turbinenrads angeordnet sind, wobei zwei gegenseitig Benachbarte der Düsenleitschaufeln dazwischen eine Verengung ausbilden; wobei eine jede Düsenleitschaufel bezüglich einer Hinterkante der Düsenleitschaufel als ein Verdrehzentrum verdreht ist, sodass eine Breite der Verengung auf einer Statorseite enger wird als auf einer Nabenseite.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei eine jede Düsenleitschaufel in dem Gasdurchgang drehbar vorgesehen ist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei eine jede Düsenleitschaufel an dem Gasdurchgang fixiert ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn eine Länge der Verengung entlang einer Anordungsrichtung der Düsenleitschaufeln eine Verengungsbreite ist, die Verengungsbreite auf der Nabenseite zu einem Wert eingestellt ist, der größer als einmal und nicht größer als zweimal die Verengungsbreite an einem Zentrum in einer Spannrichtung ist.
Turbolader nach Anspruch 4, wobei die Verengungsbreite von der Nabenseite der Düsenleitschaufel zu der Statorseite der Düsenleitschaufel monoton abnimmt.