DE112021006686T5

DE112021006686T5 - Turbine

Info

Publication number: DE112021006686T5
Application number: DE112021006686.2T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ogilvie; Alan Haigh; Matthew Mills
Original assignee: Cummins Ltd
Current assignee: Cummins Ltd
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-10-12
Also published as: GB202020039D0; WO2022129923A1; GB2602093A

Abstract

Offenbart wird ein Diffusor für eine Turbine. Der Diffusor umfasst einen Einlass, einen Auslass, eine Diffusorwand und eine Reduktionsmittelsperre. Der Einlass weist eine erste Querschnittsfläche auf und ist zur Aufnahme von Fluid konfiguriert. Der Auslass steht in Fluidverbindung mit dem Einlass und besitzt eine zweite Querschnittsfläche, wobei die zweite Querschnittsfläche größer ist als die erste Querschnittsfläche. Der Auslass ist vom Einlass beabstandet. Die Diffusorwand erstreckt sich zwischen dem Einlass und dem Auslass und definiert eine Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche. Die Reduktionsmittelsperre erstreckt sich mindestens teilweise von der Außenfläche der Diffusorwand weg. Die Reduktionsmittelsperre definiert eine Sperrfläche, die für den Durchgang von Flüssigkeiten undurchlässig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor, eine Turbinengehäuseanordnung, ein Adapterelement, eine Turbinenanordnung und zugehörige Verfahren zum Zusammenbau und/oder zur Fertigung.
Verbrennungsmotoren, wie z. B. Dieselmotoren, können Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Partikel und Stickoxidverbindungen (NOX) im Abgas emittieren. Weltweit gibt es eine Reihe von gesetzlichen Vorschriften zur Regelung der Abgasnormen, und diese Vorschriften werden immer strenger, insbesondere in Bezug auf die Stickoxidemissionen (NOX). Zur Verringerung der NOX-Emissionen können Motorenhersteller die Abgasrückführung und die selektive katalytische Reduktion (SCR) einsetzen.
Selektive katalytische Reduktion (SCR) ist eine Abgasnachbehandlung, bei der NOX mit Hilfe eines Katalysators und eines Reduktionsmittels in weniger reaktive Verbindungen wie z. B. zweiatomigen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Ein flüssiges Reduktionsmittel, wie z. B. wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak oder Harnstoff, die alle gemeinhin als Diesel Exhaust Fluid (DEF) bezeichnet werden, wird in den Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators eingespritzt.
Um die Stickoxide des Abgases wirksam umzuwandeln, ist die richtige Menge DEF für die gegebenen Betriebsbedingungen erforderlich, und es muss ebenfalls eine effiziente Vermischung des DEF mit dem Abgasstrom erfolgen.
Es ist bekannt, DEF in den Abgasstrom einer Turbine zu dosieren, wie z. B. in einen Dosierbecher, um die NOX-Emissionen zu verringern. Die bestehenden Lösungen weisen jedoch nicht die gewünschte Leistung und/oder Langlebigkeit auf.
Es ist ebenfalls bekannt, einen Diffusor innerhalb eines Turbinengehäuses und/oder eines Adapterelements bereitzustellen. Die vorhandenen Diffusoren können jedoch die Installation eines Dosiersystems, wie die oben beschriebenen DEF-Dosiersysteme, erschweren.
Es besteht die Notwendigkeit, eine alternative Lösung bereitzustellen, die einen oder mehrere der Nachteile der bekannten Anordnungen überwindet, unabhängig davon, ob sie in diesem Dokument oder erwähnt werden, oder nicht.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Diffusor für eine Turbine bereitgestellt, wobei der Diffusor Folgendes umfasst:

einen Einlass, der eine erste Querschnittsfläche aufweist und zur Aufnahme von Fluid konfiguriert ist;
einen Auslass, der in Fluidverbindung mit dem Einlass steht und eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist und der Auslass vom Einlass beabstandet ist;
eine Diffusorwand, die sich zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt und eine Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche definiert; und
eine Reduktionsmittelsperre, die sich mindestens teilweise von der Außenfläche der Diffusorwand aus weg erstreckt, wobei die Reduktionsmittelsperre eine für den Durchgang von Flüssigkeiten undurchlässige Sperrfläche definiert.

Der Diffusor bezieht sich auf eine Komponente, die im Allgemeinen im Querschnitt divergiert. Der Diffusor definiert eine Längsachse, die sich entlang einer Länge des Diffusors erstrecken kann. Diese Längsachse kann sich zwischen Mittelpunkten der Einlass- und Auslassquerschnitte des Diffusors erstrecken. Die Längsachse kann ebenfalls die Achse sein, um die sich ein stromaufwärts gelegenes Turbinenrad dreht. Die Geschwindigkeit des Fluids, das von der Turbine durch den Einlass des Diffusors aufgenommen wird, kann im Allgemeinen entlang der Länge des Diffusors abnehmen, in dem Maße, in dem die Querschnittsfläche des Diffusors in Richtung des Auslasses zunimmt. Gleichzeitig kann sich der statische Druck der Strömung erhöhen. Die Diffusorwand kann als Innenwand bezeichnet werden.
Der Diffusor kann innerhalb eines Turbinenadapterelements montiert werden. Der Diffusor kann einstückig mit einem Turbinenadapterelement gebildet werden. Der Diffusor kann innerhalb eines Turbinengehäuses montiert werden. Der Diffusor kann einen Montageflansch umfassen. Der Montageflansch kann in ein Turbinengehäuse eingreifen oder für den Eingriff darin konfiguriert sein.
Der Einlass des Diffusors kann an einem äußeren Ende des Diffusors bereitgestellt sein. Der Auslass des Diffusors kann an einem gegenüberliegenden äußeren Ende des Diffusors bereitgestellt sein. Der Diffusor kann ein allgemein kegelstumpfförmiger Körper sein. Die Wand kann sich durchgehend zwischen dem Einlass und dem Auslass erstrecken. So kann die Wand eine geschlossene innere Geometrie des Diffusors zwischen dem Einlass und dem Auslass definieren. Die Innenfläche kann sich auf ein Inneres der Wand beziehen, während sich die Außenfläche auf ein Äußeres der Wand beziehen kann.
Die Reduktionsmittelsperre kann ansonsten als ein Damm oder eine Harnstoffsperre bezeichnet werden.
Die Reduktionsmittelsperre kann auf eine Ebene normal zur Längsachse ausgerichtet sein. Alternativ dazu kann die Reduktionsmittelsperre in Bezug auf eine Ebene normal zur Längsachse winklig oder geneigt sein.
Die Reduktionsmittelsperre kann sich bis zu etwa 90° um eine Längsachse erstrecken. Die Reduktionsmittelsperre kann sich bis zu etwa 180° um die Längsachse erstrecken. Es ist wünschenswert, dass die Reduktionsmittelsperre mindestens die unterste Position der Außenfläche der Diffusorwand einnimmt, wenn sich der Diffusor in einer Einbauausrichtung befindet. Die Reduktionsmittelsperre kann sich um die Längsachse um mindestens etwa 30°, vorzugsweise 45° oder mehr, erstrecken.
Die Reduktionsmittelsperre kann eine konstante Dicke (in einer axialen Richtung) aufweisen. Alternativ dazu kann die Reduktionsmittelsperre eine variable Dicke (in einer axialen Richtung) aufweisen. Die Dicke kann entlang einer Ausdehnung der Reduktionsmittelsperre variieren. Die Reduktionsmittelsperre kann eine einheitliche Höhe aufweisen (z. B. in einer radialen Richtung). Alternativ kann die Reduktionsmittelsperre eine variable Höhe entlang einer Ausdehnung der Reduktionsmittelsperre aufweisen. Die Ausdehnung kann in Umfangsrichtung gemessen werden. Die Reduktionsmittelsperre kann mindestens an der untersten Position der Reduktionsmittelsperre (z. B. dort, wo sich die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft am ehesten ansammelt) eine größere Dicke und/oder Höhe aufweisen. Man kann sagen, dass die Reduktionsmittelsperre von der Außenfläche der Diffusorwand vorspringt. In einigen Anordnungen kann sich die Sperrfläche zwischen der Diffusorwand und einer Außenwand (z. B. eines Turbinengehäuses oder eines Adapterelements) erstrecken.
Vorteilhafterweise verringert die Reduktionsmittelsperre das Risiko, dass flüssiges Reduktionsmittel mit dem (gegossenen) Turbinengehäuse in Kontakt kommt, wodurch das Risiko verringert wird, dass das flüssige Reduktionsmittel das Turbinengehäuse korrodiert. Die Reduktionsmittelsperre bildet sozusagen eine Art Dichtung.
Vorteilhafterweise verringert die Reduktionsmittelsperre das Risiko, dass Reduktionsmittel (und/oder Nebenprodukte des Reduktionsmittels) entlang der Diffusorwand austritt. Dies mindert Korrosionsprobleme, die auftreten können, wenn das flüssige Reduktionsmittel und/oder die Nebenprodukte zur Turbine fließen und unter Umständen mit dem gegossenen Turbinengehäuse der Turbine in Berührung kommen. Einige Reduktionsmittel, wie z. B. Harnstoff, können ätzende Säuren bilden, wie z. B. Isocyansäure und Cyanursäure, die der Robustheit der Materialien, aus denen das Turbinengehäuse besteht, abträglich sein können. Zu den Umständen, unter denen das flüssige Reduktionsmittel mit dem Turbinengehäuse in Berührung kommen kann, gehören z. B. das Abschalten des Motors und, falls der Diffusor in einem Fahrzeugmotor bereitgestellt ist, wenn das Fahrzeug entweder bergauf oder bergab fährt (sodass das flüssige Reduktionsmittel aufgrund der Schwerkraft entlang der Diffusorwand zur Turbine fließt). Es ist zu erkennen, dass die Art der Montage der Turbine in Bezug auf den Motor einen Einfluss darauf hat, ob die Fahrt bergauf oder bergab problematisch ist.
Vorteilhafterweise bedeutet der Einbau der Reduktionsmittelsperre, dass bekannte und korrosionsanfällige Materialien wie z. B. Gusseisen weiterhin zuverlässig in eine Turbine eingebaut werden können, in der Reduktionsmittel in einen Abgasstrom dosiert wird.
Undurchlässig für den Durchgang von Flüssigkeiten bedeutet, dass Flüssigkeiten nicht über oder durch die Sperrfläche fließen können. Solche Flüssigkeiten schließen Reduktionsmittelflüssigkeit und/oder Nebenprodukte wie z. B. Säuren ein.
Der Diffusor ist vorzugsweise aus korrosions- und erosionsbeständigen Materialien (wie z. B. Edelstahl) hergestellt.
Die Reduktionsmittelsperre kann in Bezug auf den Auslass des Diffusors axial vertieft sein.
Die in Bezug auf den Auslass des Diffusors axial vertiefte Reduktionsmittelsperre kann ansonsten als in Bezug auf eine axial äußere Fläche des Diffusors vertiefte Reduktionsmittelsperre beschrieben werden. Mit anderen Worten springt mindestens ein Abschnitt des Diffusors über die Reduktionsmittelsperre hervor. Die vertiefte Geometrie kann eine Tasche oder einen Graben definieren, in der/dem das Reduktionsmittel zwischen der Sperrfläche und einer oder mehreren umgebenden Wänden gebunden ist.
Vorteilhafterweise wird durch die Vertiefung der Reduktionsmittelsperre das Risiko einer Beschädigung der Reduktionsmittelsperre verringert. Ferner kann ein größeres Volumen an Reduktionsmittel daran gehindert werden, in das Turbinengehäuse zu gelangen, indem beispielsweise die Reduktionsmittelsperre ein größeres Flüssigkeitsvolumen sperren kann. Ein axiales Vertiefen der Reduktionsmittelsperre in Bezug auf den Auslass des Diffusors kann ebenfalls aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein (z. B. kann eine Verschiebung der Reduktionsmittelsperre nach innen die Formgebung und/oder die Gießvorgänge erleichtern).
Die Sperrfläche kann im Wesentlichen eben sein.
Da die Sperrfläche im Wesentlichen eben ist, kann sie auch als im Wesentlichen flach beschrieben werden. Die Sperrfläche kann vollständig eben sein.
Das Bereitstellen einer im Wesentlichen ebenen Sperrfläche kann vorteilhaft das Ausmaß verbessern, in dem die Sperrfläche in der Lage ist, den Durchgang von Reduktionsmittel zu verhindern. Die Geometrie ist ebenfalls leicht gießbar, insbesondere, wenn sich die Fläche kontinuierlich zwischen der Außenfläche der Diffusorwand und einem Montagerand erstreckt.
Der Auslass kann entlang einer Längsachse vom Einlass beabstandet sein, wobei die Sperrfläche im Wesentlichen normal zur Längsachse verläuft.
Das im Wesentlichen normal zur Längsachse Bereitstellen der Sperrfläche, ist so zu verstehen, dass die Sperrfläche im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse bereitgestellt ist.
Vorteilhafterweise sorgt die Geometrie für eine verbesserte Reduktionsmittelsperr-Funktion. Das Bereitstellen der Sperrfläche normal zur Achse bedeutet ebenfalls, dass die Reduktionsmittelsperre nicht in eine stromabwärts gelegene Leitung (oder eine andere Anschlussleitung) vorspringt und im Transit besser geschützt ist. Dies ist nützlich, wenn die stromabwärts gelegene Leitung, möglicherweise durch einen Dritten, mit der Komponente verbunden wird, in welcher der Diffusor in einem späteren Zusammenbauschritt bereitgestellt wird.
Die Sperrfläche kann in Bezug auf einen axial äußeren Abschnitt der Reduktionsmittelsperre vertieft sein, wobei die Reduktionsmittelsperre eine Tasche definiert.
Die Tasche bezieht sich auf ein durch die Reduktionsmittelsperre definiertes Volumen, in dem gesperrtes Fluid-Reduktionsmittel gespeichert werden kann. Dies bedeutet vorteilhafterweise, dass selbst bei einem in Bezug auf die Menge großen Reduktionsmittelvolumen verhindert werden kann, dass eine größere Menge an Reduktionsmittel in das Turbinengehäuse gelangt. Durch den Einbau der Tasche wird die Gefahr verringert, dass Reduktionsmittel um die Reduktionsmittelsperre herumfließt.
Die Tasche kann eine im Wesentlichen konstante Tiefe in axialer Richtung aufweisen. Alternativ dazu kann die Tasche eine variable Tiefe in axialer Richtung aufweisen. Vorzugsweise ist die Tiefe der Tasche an der untersten Position der Reduktionsmittelsperre am größten, wo sich die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft am ehesten ansammelt. Die Variation der Taschentiefe kann dadurch erreicht werden, dass die Sperrfläche in der untersten Position näher an dem Turbinenrad positioniert wird (z. B. indem sie in axialer Richtung „nach hinten“ bewegt wird). Alternativ kann die Variation der Taschentiefe auch dadurch erreicht werden, dass die Sperrfläche distal zur untersten Position (z. B. an einer höchsten Position) vom Turbinenrad weg positioniert wird (z. B. indem die „Enden“ der Reduktionsmittelsperre „nach vorne“ bewegt werden).
Die Sperrfläche kann flach sein. Die Sperrfläche kann konturiert sein. Die Reduktionsmittelsperre kann eine Mulde definieren, was den Vorteil hat, dass mehr Flüssigkeit gesammelt werden kann, ohne an der Reduktionsmittelsperre vorbei auszutreten. Die Reduktionsmittelsperre kann eine oder mehrere Nuten umfassen.
Der Diffusor kann eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen, die sich von der Außenfläche der Diffusorwand weg erstrecken, wobei die Vielzahl von Vorsprüngen die Reduktionsmittelsperre umfasst.
Vorteilhafterweise wird durch das Bereitstellen einer Vielzahl von Vorsprüngen, die sich von einer Außenfläche der Diffusorwand aus weg erstrecken, das Innere des Diffusors nicht unterbrochen. Das heißt, die Innenfläche der Diffusorwand wird durch das Vorhandensein der Vorsprünge nicht unterbrochen, was andernfalls zu einer Verringerung der Effizienz führen könnte.
Die Vielzahl von Vorsprüngen kann eine in Umfangsrichtung verteilte Anordnung von Vorsprüngen definieren.
Anders ausgedrückt, kann eine Vielzahl von allgemein umlaufenden Vorsprüngen in einer Umfangsverteilung bereitgestellt werden.
Der Diffusor kann ferner einen Montagerand umfassen, der so konfiguriert ist, dass er in ein Turbinengehäuseelement eingreift.
Der Montagerand kann ansonsten als ein Montageflansch beschrieben werden. Insbesondere kann der Montagerand so konfiguriert sein, dass er in eine Vertiefung des Turbinengehäuses eingreift. Der Montagerand kann sich in einer ringförmigen Weise um die Längsachse erstrecken.
Vorteilhafterweise stellt der Montagerand ein axiales Ausrichtungsmerkmal bereit, mit dem der Diffusor in Bezug auf das Turbinengehäuse axial positioniert werden kann. Der Montagerand kann eine oder mehrere Öffnungen definieren, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Bypasskanal in Fluidverbindung stehen, wenn es sich bei der Turbine um eine Wastegate-Turbine handelt. Vorteilhafterweise kann der Rand daher die Montage des Diffusors erleichtern und gleichzeitig den Durchgang des dorthin geleiteten Bypass-Abgasstroms ermöglichen.
Die Reduktionsmittelsperre kann sich zwischen der Außenfläche der Diffusorwand und dem Montagerand erstrecken.
Die Reduktionsmittelsperre, die sich zwischen der Außenfläche der Diffusorwand und dem Montagerand (optional einem angrenzenden Abschnitt davon) erstreckt, bedeutet, dass die Reduktionsmittelsperre effektiv eine Speiche oder Strebe bildet, die sich zwischen der Diffusorwand und dem Montagerand erstreckt. Anders ausgedrückt, verbindet die Reduktionsmittelsperre die Diffusorwand mit dem Montagerand.
Die Reduktionsmittelsperre, die sich zwischen der Außenfläche der Diffusorwand und dem Montagerand erstreckt, kann eine massive Sperre sein, z. B. kann die Reduktionsmittelsperre über die gesamte radiale Ausdehnung zwischen der Innen- und der Außenwand massiv sein. Mit anderen Worten: Die Sperrfläche kann sich über einen Großteil oder die gesamte Reduktionsmittelsperre erstrecken.
Der Diffusor kann möglicherweise nur über die Reduktionsmittelsperre an der Innenfläche der Außenwand befestigt sein. Das heißt, die Reduktionsmittelsperre kann das einzige Mittel sein, durch das der Diffusor mit der Außenwand verbunden ist. Alternativ dazu kann die Reduktionsmittelsperre eine von mehreren verschiedenen Streben oder Speichen sein, die den Diffusor mit der Außenwand verbinden. Die Reduktionsmittelsperre und andere Streben oder Speichen können in einer in Umfangsrichtung verteilten Anordnung um die Längsachse herum bereitgestellt sein.
In der Wand des Diffusors kann eine Öffnung für die Dosierstruktur bereitgestellt sein, wobei die Reduktionsmittelsperre die Öffnung für die Dosierstruktur in Umfangsrichtung überlappt.
Die Dosierstruktur bezieht sich auf eine Komponente, die Reduktionsmittel in einen Fluidstrom dosieren kann. Für die Zwecke dieses Dokuments kann das Reduktionsmittel z. B. Dieselabgasfluid (DEF) wie z. B. Harnstoff einschließen. Das Reduktionsmittel kann daher flüssig sein. Das Reduktionsmittel kann durch die Dosierstruktur fließen und aus der Dosierstruktur in Richtung des Einlasses des Diffusors ausgestoßen werden. Insbesondere kann das Reduktionsmittel in Richtung eines Turbinenrads ausgestoßen werden, und zwar in Richtung eines Dosierbechers, der einen Teil des Turbinenrads bilden kann. In ihrer einfachsten Form kann die Dosierstruktur ein Rohr sein, durch welches das Reduktionsmittel strömt und ausgestoßen wird bzw. aus dem es austritt. Das Reduktionsmittel kann aktiv durch die Dosierstruktur gepumpt werden, z. B. durch eine Pumpe, oder es kann durch Schwerkraft aus der Dosierstruktur herausrieseln.
Die Öffnung in der Dosierstruktur kann eine Bohrung sein. Alternativ kann die Öffnung der Dosierstruktur ein Schlitz sein.
Die Reduktionsmittelsperre, welche die Öffnung der Dosierstruktur in Umfangsrichtung überlappt, soll bedeuten, dass, wenn man sie normal zur Längsachse betrachtet, die Position der Reduktionsmittelsperre in Umfangsrichtung mindestens teilweise mit der Position der Öffnung der Dosierstruktur in Umfangsrichtung gemeinsam ist. Dies bedeutet vorteilhafterweise, dass das Reduktionsmittel im Wesentlichen daran gehindert wird, entlang der Diffusorwand und durch die Öffnung der Dosierstruktur zu fließen, wo es mit dem Turbinengehäuse in Kontakt kommen kann. Dies ist besonders vorteilhaft, da typischerweise ein Abstand zwischen dem Inneren der Öffnung der Dosierstruktur und einer Außenseite der Dosierstruktur besteht. Dies liegt mindestens daran, dass die Dosierstruktur im Betrieb auf das Turbinenrad gerichtet sein kann und daher eine Biegung oder eine andere nicht lineare Ausdehnung aufweisen kann.
Die Reduktionsmittelsperre kann eine Öffnung in unmittelbarer Nähe der Diffusorwand umfassen, wobei die Öffnung so konfiguriert ist, dass ein Bypassgasstrom durch sie hindurchfließen kann.
Die Öffnung der Reduktionsmittelsperre kann ansonsten als ein Fenster oder eine Apertur beschrieben werden. Vorteilhafterweise ermöglicht das Vorhandensein der Öffnung den Durchfluss von Bypassgasen aus dem Bypasskanal durch diese hindurch. Vorteilhafterweise verringert das Vorhandensein der Sperrfläche das Risiko, dass Reduktionsmittel an der Diffusorwand entlang passiert und das Turbinengehäuse korrodiert, während gleichzeitig das Ausmaß reduziert wird, in dem das Vorhandensein der Reduktionsmittelsperre den Durchgang der Bypassströmung beeinträchtigt (und den Wirkungsgrad der Turbine verlangsamt).
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Turbinengehäuseanordnung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

ein Turbinengehäuse; und
den Diffusor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei
der Diffusor an dem und mindestens teilweise innerhalb des Turbinengehäuses montiert ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Adapterelement für ein Turbinengehäuse bereitgestellt, wobei das Adapterelement Folgendes umfasst:

einen ersten Verbindungsabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er in das Turbinengehäuse eingreift;
einen zweiten Verbindungsabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er in eine Leitung eingreift;
eine Außenwand, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt erstreckt; und
den Diffusor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.

Das Adapterelement bezieht sich auf eine Komponente, die zwischen einer Turbine und einer stromabwärts gelegenen Leitung bereitgestellt ist. Das Adapterelement kann beispielsweise eine Turbine und einen Abgaskrümmer oder ein Abgasrohr miteinander verbinden. Das Adapterelement kann an einem Ende in ein Turbinengehäuse eingreifen. Das Adapterelement kann an einem gegenüberliegenden Ende in eine Leitung eingreifen.
Der erste und/oder der zweite Verbindungsabschnitt erleichtern die Verbindung des Adapterelements mit einer benachbarten Komponente. Der erste Verbindungsabschnitt kann als dem zweiten Verbindungsabschnitt gegenüberliegend bezeichnet werden, da sie jeweils an oder in unmittelbarer Nähe der Enden der Außenwand bereitgestellt sein können. Der erste Verbindungsabschnitt kann so konfiguriert sein, dass er in ein Turbinengehäuse der Turbine eingreift. Der zweite Verbindungsabschnitt kann so konfiguriert sein, dass er in eine Leitung, wie z. B. ein Rohr und/oder einen Verteiler, eingreift. Der Verbindungsabschnitt kann einen Flansch umfassen. Der Flansch kann so konfiguriert sein, dass er von einer Bandschelle, wie z. B. einer Mannan-Schelle, gehalten wird. Im Betrieb kann der Flansch mit einem Flansch der Leitung in Eingriff gebracht werden.
Das Adapterelement kann ein allgemein kegelstumpfförmiger Körper sein. In anderen Anordnungen kann das Adapterelement ein im Allgemeinen rohrförmiger Körper sein. Somit kann man sagen, dass das Adapterelement ein erstes und ein zweites Ende umfasst. Der erste Verbindungsabschnitt kann an dem ersten Ende bereitgestellt sein. Der zweite Verbindungsabschnitt kann am zweiten Ende bereitgestellt sein. Die Außenwand kann eine massive Wand sein, die sich kontinuierlich zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt erstreckt. Die Außenwand stellt vorteilhafterweise eine schützende oder abschirmende Funktion bereit, da die Außenwand diejenige Wand sein kann, die im Betrieb Verunreinigungen und/oder Beschädigungen von außen ausgesetzt ist. Anders ausgedrückt, kann der Diffusor durch die Außenwand abgeschirmt werden.
Der Diffusor kann einstückig mit der Außenwand gebildet sein. Man könnte dies auch so beschreiben, dass der Diffusor und die Außenwand eine monolithische Komponente bilden. Der Diffusor und die Außenwand können daher als ein einziger und einheitlicher Körper beschrieben werden. Das heißt, dass möglicherweise keine Verbindungslinie zwischen den beiden Komponenten vorhanden ist. Ein separates Verfahren zur Verbindung der Komponenten muss nicht unbedingt erforderlich sein. Die Komponenten können von vornherein aneinandergefügt sein. Dies kann durch ein additives Fertigungs- oder Gussverfahren erreicht werden.
Der Auslass des Diffusors kann axial innerhalb eines Auslasses des Adapterelements vertieft sein. Dies kann ansonsten so beschrieben werden, dass der Auslass des Diffusors in Bezug auf den Auslass des Adapterelements axial vertieft ist. Anders ausgedrückt, kann der Auslass des Diffusors so beschrieben werden, dass er sich sowohl radial als auch axial innerhalb des Auslasses des Adapterelements befindet. Anders ausgedrückt, springt der Auslass des Adapterelements effektiv über den Auslass des Diffusors hervor.
Vorteilhafterweise wird der Diffusor, vor allem der Diffusorauslass, durch die Außenwand geschützt, indem der Diffusorauslass innerhalb der Außenwand, insbesondere des Adapterelementauslasses, vertieft ist. Das heißt, dass die Innenwand des Diffusors, die in Bezug auf den Diffusor relativ dünn sein kann und ansonsten im Betrieb beschädigt werden könnte, durch die Außenwand vor äußeren Stößen, Schlägen und anderen Beschädigungen geschützt wird.
Die Reduktionsmittelsperre kann sich zwischen der Diffusorwand und der Außenwand erstrecken.
Die Sperrfläche kann sich zwischen der Diffusorwand und der Außenwand erstrecken.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Turbinenanordnung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

eine Turbine; und
den Diffusor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, die Turbinengehäuseanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung oder das Adapterelement gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.

Die Turbine kann ein Turbinenrad und ein Turbinengehäuse umfassen. Das Turbinenrad kann im Allgemeinen von dem Turbinengehäuse umschlossen sein.
Das Adapterelement kann in das Turbinengehäuse eingreifen. Insbesondere kann der erste Verbindungsabschnitt des Adapterelements in das Turbinengehäuse eingreifen. Im Falle eines Diffusors kann ein Diffusor in das Turbinengehäuse eingreifen. Alternativ dazu kann der Diffusor im Inneren eines Adapterelements bereitgestellt werden.
Die Turbine kann einen Teil eines Turboladers bilden. Alternativ kann die Turbine auch eine Leistungsturbine sein.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Turbolader bereitgestellt, der Folgendes umfasst:

einen Verdichter;
ein Lagergehäuse; und
die Turbinenanordnung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung, wobei die Turbine und der Verdichter in Leistungsverbindung stehen.

Der Turbolader kann ein Turbolader mit fester Geometrie sein. Der Turbolader kann ein Turbolader mit variabler Geometrie sein. Der Turbolader kann ein Wastegate-Turbolader sein.
Der Turbolader kann Teil einer Motoranordnung sein. Die Motoranordnung kann Teil eines Fahrzeugs, wie z. B. eines Automobils, sein. Die Motoranordnung kann eine statische Anwendung aufweisen, wie z. B. in einer Pumpenanordnung oder in einem Generator.
Die Turbine kann ein Turbinenrad umfassen, wobei das Turbinenrad auf derselben Welle wie das Verdichterrad gelagert ist. Ein Abgasstrom kann zum Antrieb des Turbinenrads verwendet werden, um das Verdichterrad in Drehung zu versetzen.
Der Verdichter kann über ein Lagergehäuse an der Turbine gesichert sein.
Der stromabwärtige Auslass des Verdichters kann in Fluidverbindung mit einem Einlasskrümmer eines Motors stehen. Der Verdichter kann dazu verwendet werden, dem Motor einen Aufladedruck bereitzustellen. Ein Motor, der den Turbolader umfasst, kann gegenüber einem Motor ohne Turbolader eine bessere Leistung bereitstellen, da die aus den Zylindern ausgestoßenen Abgase zum Antrieb des Turbinenrads und damit des Verdichterrads verwendet werden. Mit anderen Worten: Die sonst im Abgasstrom verschwendete Energie wird genutzt, um die Luft, die im Zyklus der Verbrennung verwendet wird, unter Druck zu setzen.
Eine Leitung, die einen Teil des Abgassystems des Motors bildet, kann stromabwärts des Diffusors und/oder des Adapterelements angeschlossen sein.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Diffusor für eine Turbine bereitgestellt, wobei der Diffusor Folgendes umfasst:

einen Einlass, der eine erste Querschnittsfläche aufweist und zur Aufnahme von Fluid konfiguriert ist;
einen Auslass, der in Fluidverbindung mit dem Einlass steht und eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist und der Auslass vom Einlass beabstandet ist;
eine Diffusorwand, die sich zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt und eine Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche definiert;
einen Montagerand, der sich von der Diffusorwand aus weg erstreckt und so konfiguriert ist, dass er in ein Turbinengehäuse eingreift; und
ein Aufnahmemerkmal, das in dem Montagerand definiert ist und konfiguriert ist, um ein Klemmelement aufzunehmen; oder
ein Klemmelement, das von dem Montagerand vorspringt, wobei das Klemmelement Folgendes definiert:
- eine Bohrung, die zur Aufnahme eines Befestigungselements hierdurch konfiguriert ist; und
- eine Eingriffsfläche, die so konfiguriert ist, dass sie in ein Montagemerkmal eines Turbinengehäuses eingreift.

Der Diffusor bezieht sich auf eine Komponente, die im Allgemeinen im Querschnitt divergiert. Der Diffusor definiert eine Längsachse, die sich über die Länge des Diffusors erstrecken kann. Diese Längsachse kann sich zwischen Mittelpunkten der Einlass- und Auslassquerschnitte des Diffusors erstrecken. Die Längsachse kann ebenfalls die Achse sein, um die sich ein stromaufwärts gelegenes Turbinenrad dreht. Die Geschwindigkeit des Fluids, das von der Turbine durch den Einlass des Diffusors aufgenommen wird, kann im Allgemeinen entlang der Länge des Diffusors abnehmen, in dem Maße, in dem die Querschnittsfläche des Diffusors in Richtung des Auslasses zunimmt. Gleichzeitig kann sich der statische Druck der Strömung erhöhen.
Der Diffusor kann innerhalb eines Turbinenadapterelements montiert werden. Der Diffusor kann einstückig mit einem Turbinenadapterelement gebildet werden. Der Diffusor kann innerhalb eines Turbinengehäuses montiert werden. Der Diffusor kann einen Montageflansch umfassen. Der Montageflansch kann in ein Turbinengehäuse eingreifen oder für den Eingriff darin konfiguriert sein.
Der Einlass des Diffusors kann an einem äußeren Ende des Diffusors bereitgestellt sein. Der Auslass des Diffusors kann an einem gegenüberliegenden äußeren Ende des Diffusors bereitgestellt sein. Der Diffusor kann ein allgemein kegelstumpfförmiger Körper sein. Die Diffusorwand kann sich durchgehend zwischen dem Einlass und dem Auslass erstrecken. So kann die Diffusorwand eine geschlossene innere Geometrie des Diffusors zwischen dem Einlass und dem Auslass definieren. Die Innenfläche kann sich auf ein Inneres der Diffusorwand beziehen, während sich die Außenfläche auf ein Äußeres der Diffusorwand beziehen kann.
Das Klemmelement stellt ein bequemes Mittel zur Befestigung des Diffusors an der umgebenden Komponente (z. B. einem Turbinengehäuse) bereit. Das Klemmelement stellt sowohl eine axiale als auch eine rotatorische Begrenzung/Ausrichtung des Diffusors bereit. Die Verwendung des Befestigungselements, das sich durch die Bohrung hindurch erstreckt, bedeutet ebenfalls, dass bei der Anordnung Presspassungen mit relativ hoher Kraft, wie sie in der Technik bekannt sind, vermieden werden können.
Das Befestigungselement kann ein versenktes Befestigungselement sein. Das Befestigungselement kann eine Schraube sein. Das Montagemerkmal des Turbinengehäuses kann mit einer Bohrung, wie z. B. einer Gewindebohrung, bereitgestellt sein. Dies kann das Einsetzen des Befestigungselements erleichtern. Die Bohrung des Klemmelements kann eine versenkte Bohrung sein.
Das Klemmelement kann ansonsten als Befestigungslasche oder -vorsprung bezeichnet werden. Das Klemmelement kann als Verriegelungselement oder Halterung beschrieben werden. Das Klemmelement kann länglich sein und eine relativ geringe Dicke aufweisen. Das Klemmelement kann bogenförmig sein und eine relativ geringe Dicke aufweisen. Das Klemmelement kann eine Dichtung oder ein anderes Dichtelement umfassen. Das Klemmelement kann als eine Unterlegscheibe bereitstellend beschrieben werden. Das Klemmelement kann als quaderförmige Unterlegscheibe beschrieben werden.
Das Klemmelement kann eine vom Diffusor getrennte Komponente sein (z. B. ein eigenständiges Teil). In solchen Fällen kann der Diffusor das Aufnahmemerkmal umfassen, um mindestens einen Teil des Klemmelements aufzunehmen. Das Aufnahmemerkmal kann z. B. eine Vertiefung sein. Das Aufnahmemerkmal kann das Klemmelement in einer axialen Richtung und/oder in einer Ebene normal zur Längsachse positionieren. Das Klemmelement kann einstückig mit dem Diffusor gebildet sein (z. B. einstückig mit dem Montagerand). In solchen Fällen kann das Klemmelement über den Montagerand vorspringen.
Vorteilhafterweise wird durch die Verwendung des Klemmelements ein genaueres und wiederholbareres Mittel zum Positionieren und Sichern des Diffusors bereitgestellt. Wenn das Klemmelement ein einziger Befestigungspunkt des Diffusors am Turbinengehäuse ist, werden Probleme mit der Wärmeausdehnung aufgrund des einzigen Befestigungspunkts gemildert (z. B. können unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten im Betrieb auftreten, ohne dass Komponenten beschädigt werden).
Die Verwendung des Klemmelements, ob als separate Komponente oder nicht, ist besonders vorteilhaft in einer Turbinengehäuseanordnung, in der die Turbine ein Wastegate umfasst. Dies gilt insbesondere wegen des Vorhandenseins des Bypasskanals, der um eine Außenseite der Diffusorwand definiert ist.
Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung wird eine Turbinengehäuseanordnung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

den Diffusor gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung, wobei der Diffusor das Aufnahmemerkmal umfasst;
ein Turbinengehäuse, umfassend ein Montagemerkmal;
Ein Befestigungselement; und
ein Klemmelement, wobei das Klemmelement Folgendes definiert:
- eine Bohrung, die so konfiguriert ist, dass sie das Befestigungselement hierdurch aufnimmt; und
eine Eingriffsfläche, die so konfiguriert ist, dass sie mit dem Montagemerkmal eines Turbinengehäuses in Eingriff kommt, wobei
das Klemmelement in das Aufnahmemerkmal des Diffusors und das Montagemerkmal des Turbinengehäuses eingreift und in seiner Position durch das Befestigungselement gesichert ist, um den Diffusor an dem und mindestens teilweise innerhalb des Turbinengehäuses zu montieren.

Die Turbinenanordnung kann einen Teil einer Turbine bilden. Die Turbine kann einen Teil eines Turboladers bilden. Alternativ kann die Turbine auch eine Leistungsturbine sein.
Das Montagemerkmal kann eine Vertiefung umfassen. Die Vertiefung kann axial sein. Die Vertiefung kann das Klemmelement aufnehmen.
Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung wird eine Turbinengehäuseanordnung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

den Diffusor gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung, wobei der Diffusor das Klemmelement umfasst;
ein Turbinengehäuse, das ein Montagemerkmal umfasst; und
ein Befestigungselement, wobei
das Klemmelement in das Montagemerkmal des Turbinengehäuses eingreift und durch das Befestigungselement in seiner Position gesichert ist, um den Diffusor am und mindestens teilweise im Inneren des Turbinengehäuses zu montieren.

Das Befestigungselement kann durch die Bohrung des Klemmelements aufgenommen werden, und ein Drehmomentübertragungsmerkmal des Befestigungselements kann sich in unmittelbarer Nähe des Auslasses des Diffusors befinden.
Das Drehmomentübertragungsmerkmal kann eine Vertiefung in einem Kopf des Befestigungselements sein. Das Befestigungselement kann ein Bolzen sein. Das Befestigungselement kann eine Maschinenschraube sein. Das Drehmomentübertragungsmerkmal kann eine Kreuzkopfvertiefung oder eine Flachkopfvertiefung sein, die zur Aufnahme eines jeweiligen Schraubendrehers oder eines anderen Handwerkzeugs konfiguriert ist. Das Drehmomentübertragungsmerkmal, das sich in unmittelbarer Nähe des Auslasses des Diffusors befindet, soll bedeuten, dass das Drehmomentübertragungsmerkmal vom Auslass des Diffusors aus sichtbar und somit zugänglich ist. Vorteilhafterweise bedeutet dies, dass der Verschluss von einem Benutzer betätigt werden kann, wenn der Diffusor in situ installiert wird.
Das Montagemerkmal des Turbinengehäuses kann eine Lasche sein. Die Lasche kann andernfalls als ein Vorsprung beschrieben werden.
Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenbau der Turbinengehäuseanordnung gemäß dem siebten oder achten Aspekt bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

i) Einsetzen des Diffusors mindestens teilweise in das Turbinengehäuse und Ausrichten des Aufnahmemerkmals oder des Klemmelements mit dem Montagemerkmal;
ii) Zwängen der Eingriffsfläche des Klemmelements in Eingriff mit dem Montagemerkmal; und
iii) Sichern des Klemmelements in Position unter Verwendung des Befestigungselements.

Die Ausrichtung von Schritt i) kann eine axiale und/oder rotatorische Ausrichtung einschließen. Die Ausrichtungshandlung des Aufnahmemerkmals, oder Klemmelements, kann durch Drehen des Diffusors bewirkt werden. Die axiale Ausrichtung des Diffusors kann durch den Eingriff des Montagerandes in eine Vertiefung im Turbinengehäuse erleichtert werden. Der Eingriff des Montagerandes in die Vertiefung kann als Druckverbindung beschrieben werden.
Schritt ii) kann ferner das Einsetzen des Klemmteils in das Aufnahmemerkmal des Diffusors umfassen (in Ausführungsformen, bei denen das Klemmelement vom Diffusor getrennt ist). Das Klemmelement kann als von dem Aufnahmemerkmal aufgenommen beschrieben werden.
Schritt iii) kann das Eintreiben eines Befestigungselements durch das Klemmelement und in das Montagemerkmal umfassen, um den Diffusor am Turbinengehäuse zu fixieren. Handelt es sich bei dem Befestigungselement um einen Bolzen, kann das Befestigungselement durch das Klemmelement geführt werden (z. B. durch eine Bohrung mit einem größeren Durchmesser als demjenigen des Befestigungselements) und dann in das Montagemerkmal getrieben werden.
Vorteilhafterweise stellt das Verfahren eine Möglichkeit bereit, den Diffusor am Turbinengehäuse zu fixieren, einschließlich der axialen und rotatorischen Ausrichtung, ohne Verwendung einer Presspassung oder Ähnlichem. Das Verfahren ist somit einfacher und wiederholbarer im Vergleich zu Anordnungen nach dem Stand der Technik, die Verfahren verwenden, die eine hohe Einsetzkraft erfordern (und die zu einer Beschädigung des Diffusors führen können).
Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung wird ein Bausatz bereitgestellt, der Folgendes umfasst:

den Diffusor gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung; und
das Turbinengehäuse gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung; und
optional das Klemmelement gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung.

Gemäß einem elften Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das computerausführbare Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, ein Gerät zur additiven Fertigung zu steuern, um den Diffusor gemäß dem ersten oder sechsten Aspekt der Erfindung oder das Adapterelement gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung herzustellen.
Gemäß einem zwölften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Diffusors gemäß dem ersten oder sechsten Aspekt der Erfindung oder des Adapterelements gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung mittels additiver Fertigung bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

Erzielen einer elektronischen Datei, die eine Geometrie des Diffusors oder des Adapterelements darstellt; und
Steuern eines Geräts zur additiven Fertigung, um in einem oder mehreren additiven Fertigungsschritten den Diffusor oder das Adapterelement entsprechend der in der elektronischen Datei vorgegebenen Geometrie herzustellen.

Die optionalen und/oder bevorzugten Merkmale für jeden Aspekt der hierin dargelegten Erfindung sind gegebenenfalls auch auf beliebige andere Aspekte der Erfindung anwendbar.
Es werden nun besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, wobei folgendes gilt:

ist eine seitliche Querschnittsansicht eines bekannten Turboladers mit variabler Geometrie;
ist eine Perspektivansicht eines Teils eines alternativen bekannten Turboladers, der ein Wastegate enthält;
ist eine perspektivische Schnittansicht einer Turbinenanordnung, die ein Adapterelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einschließt;
ist eine Perspektivansicht des einzeln dargestellten Adapterelements von ;
ist eine Schnittansicht eines einzeln dargestellten Adapterelements gemäß einer anderen Ausführungsform;
ist eine Endansicht des Adapterelements von ;
ist eine seitliche Schnittansicht einer Turbinenanordnung, die einen Diffusor enthält, gemäß einer anderen Ausführungsform,
ist eine Endansicht der in gezeigten Turbinenanordnung;
ist eine Endansicht einer Turbinenanordnung mit eingebautem Diffusor gemäß einer anderen Ausführungsform;
ist eine seitliche Schnittansicht einer Anordnung von Turbinengehäuse und Leitung gemäß einer anderen Ausführungsform,
ist eine Endansicht der Turbinengehäuseanordnung von ;
ist eine Endansicht des einzeln dargestellten Turbinengehäuses von und ; und
ist eine vergrößerte Perspektivansicht eines Teils des Diffusors und des Klemmelements der und .

ist eine seitliche Querschnittsansicht eines bekannten Turboladers mit variabler Geometrie. Der Turbolader umfasst ein Turbinengehäuse 1 (mit variabler Geometrie) und ein Verdichtergehäuse 2, die durch ein zentrales Lagergehäuse 3 miteinander verbunden sind. Eine Welle 4 erstreckt sich vom Turbinengehäuse 1 zum Verdichtergehäuse 2 durch das Lagergehäuse 3. An einem Ende der Welle 4 ist ein Turbinenrad 5 zur Rotation innerhalb des Turbinengehäuses 1 montiert, und am anderen Ende der Welle 4 ist ein Verdichterrad 6 zur Rotation innerhalb des Verdichtergehäuses 2 montiert. Das Turbinenrad 5 und das Verdichterrad 6 stehen somit in Leistungsverbindung miteinander. Die Welle 4 dreht sich um die Turboladerachse 4a auf Anordnungen von Lagern, die sich im Lagergehäuse 3 befinden.
Das Turbinengehäuse 1 definiert eine Einlassschnecke 7, an die Gas aus einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) abgegeben wird. Das Abgas strömt von der Einlassschnecke 7 über einen ringförmigen Einlasskanal 9 und das Turbinenrad 5 zu einem axialen Auslasskanal 8. Der Einlasskanal 9 wird auf einer Seite durch eine Fläche 10 einer radialen Wand eines beweglichen ringförmigen Wandelements 11, allgemein als „Düsenring“ bezeichnet, und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine ringförmige Abdeckung 12 definiert, welche die dem Düsenring 11 zugewandte Wand des Einlasskanals 9 bildet. Die Abdeckung 12 deckt die Öffnung einer ringförmigen Vertiefung 13 im Turbinengehäuse 1 ab.
Der Düsenring 11 trägt eine Anordnung von in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Einlassschaufeln 14, von denen sich jede über den Einlasskanal 9 erstreckt. Die Schaufeln 14 sind so ausgerichtet, dass sie das durch den Einlasskanal 9 strömende Gas in die Drehrichtung des Turbinenrads 5 umlenken. Wenn sich der Düsenring 11 in unmittelbarer Nähe der ringförmigen Abdeckung 12 befindet, springen die Schaufeln 14 durch entsprechend konfigurierte Schlitze in der Abdeckung 12 in die Vertiefung 13 vor.
Die Position des Düsenrings 11 wird durch eine Anordnung von Stellgliedern des Typs gesteuert, der in US 5,868,552 offenbart ist. Ein Stellglied (nicht gezeigt) kann die Position des Düsenrings 11 über eine Stellgliedausgangswelle (nicht gezeigt) einstellen, die mit einem Joch 15 verbunden ist. Das Joch 15 wiederum greift in axial verlaufende Betätigungsstäbe 16 ein, die den Düsenring 11 tragen. Dementsprechend kann durch entsprechende Ansteuerung des Stellantriebs (der beispielsweise pneumatisch oder elektrisch sein kann) die axiale Position der Stäbe 16 und damit des Düsenrings 11 gesteuert werden.
Die Drehzahl des Turbinenrads 5 hängt von der Geschwindigkeit des Gases ab, das durch den ringförmigen Einlasskanal 9 passiert. Bei einem festen Massendurchsatz des in den Einlasskanal 9 strömenden Gases ist die Gasgeschwindigkeit eine Funktion der Breite des Einlasskanals 9, wobei die Breite durch Steuern der axialen Position des Düsenrings 11 einstellbar ist. zeigt den ringförmigen Einlasskanal 9 vollständig geöffnet. Der Einlasskanal 9 kann auf ein Minimum geschlossen werden, indem die Stirnfläche 10 des Düsenrings 11 in Richtung der Abdeckung 12 bewegt wird.
Der Düsenring 11 weist axial verlaufende, radial innere und äußere Ringflansche 17 und 18, die sich in einen im Turbinengehäuse 1 bereitgestellten ringförmigen Hohlraum 19 hinein erstrecken, auf. Ein innerer und ein äußerer Dichtungsring 20 und 21 sind bereitgestellt, um den Düsenring 11 in Bezug auf die innere bzw. äußere Ringfläche des ringförmigen Hohlraums 19 abzudichten, während der Düsenring 11 in die Lage versetzt wird, innerhalb des ringförmigen Hohlraums 19 zu gleiten. Der innere Dichtungsring 20 wird innerhalb einer ringförmigen Nut gestützt, die in der radial inneren Ringfläche des Hohlraums 19 gebildet ist, und liegt an dem inneren Ringflansch 17 des Düsenrings 11 an. Der äußere Dichtungsring 20 ist innerhalb einer ringförmigen Nut gestützt, die in der radial äußeren Ringfläche des Hohlraums 19 gebildet ist, und liegt am äußeren Ringflansch 18 des Düsenrings 11 an.
Das von der Einlassschnecke 7 zum Auslasskanal 8 strömende Gas passiert über das Turbinenrad 5, und folglich wird ein Drehmoment auf die Welle 4 ausgeübt, um das Verdichterrad 6 anzutreiben. Durch die Drehung des Verdichterrads 6 innerhalb des Verdichtergehäuses 2 wird die in einem Lufteinlass 22 vorhandene Umgebungsluft unter Druck gesetzt und die unter Druck stehende Luft zu einer Luftauslassschnecke 23 abgegeben, von der aus sie einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zugeführt wird.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Anmeldung steht der Einbau eines Diffusors stromabwärts des Turbinenrades. Dies wird im Zusammenhang mit und folgenden beschrieben und veranschaulicht.
Indem wir uns nun zuwenden, wird eine Perspektivansicht eines alternativen bekannten Turboladers bereitgestellt.
Wie der im Zusammenhang mit beschriebene Turbolader umfasst auch der Turbolader der eine Turbine 50, die ein Turbinengehäuse 52 umfasst. Der Turbolader umfasst ferner einen Verdichter 54 und ein Lagergehäuse 56 (die in nur teilweise sichtbar sind). Ein primärer Unterschied zwischen den bekannten Anordnungen aus und besteht darin, dass die in gezeigte Turbine 50 ein Wastegate 58 enthält. Im Betrieb wird das Wastegate 58 betätigt, um das Abgas um das Turbinenrad 60 herumzuleiten und dadurch den Massendurchsatz des Abgases einzustellen, das über das Turbinenrad 60 expandiert wird. Dies wiederum erleichtert die Steuerung der Drehzahl (z. B. U/Min.) des Turbinenrads 60.
Wenn das Wastegate 58 mindestens teilweise betätigt wird, um einen Strömungsumleitungskanal zu öffnen, wird der gesamte Abgasstrom in zwei Abgasströme aufgeteilt. Ein erster Strom ist ein Abgasstrom, der über das Turbinenrad 60 expandiert wird. Ein zweiter Strom ist der eines Bypassstroms, der das Wastegate 58 passiert hat (nachdem er um das Turbinenrad 60 herum umgeleitet wurde).
ist eine perspektivische Schnittansicht eines Teils einer Turbinenanordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Turbinenanordnung 100 umfasst eine Turbine 102 und ein Adapterelement 104.
Die Turbine 102 umfasst ein Turbinengehäuse 106 und ein Turbinenrad 108. Das Turbinenrad 108 umfasst in der veranschaulichten Ausführungsform ebenfalls einen Dosierbecher 110.
Betrachtet man das Adapterelement 104 im Detail, so umfasst das Adapterelement ein erstes Ende 112 und ein zweites Ende 114. Das Adapterelement 104 erstreckt sich entlang einer Längsachse 116. Die Längsachse 116 ist ebenfalls die Achse, um die sich das Turbinenrad 108 dreht. In anderen Ausführungsformen ist dies jedoch möglicherweise nicht der Fall. Zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 112, 114 erstreckt sich eine Außenwand 118. In der veranschaulichten Anordnung sind ein erster und ein zweiter Verbindungsabschnitt 120, 122 in unmittelbarer Nähe des ersten und des zweiten Endes 112, 114 bereitgestellt. Die Außenwand 118 erstreckt sich daher ebenfalls zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt 120, 122. Der erste und der zweite Verbindungsabschnitt 120, 122 nehmen die Form von Flanschen an, die in benachbarte Komponenten eingreifen. Der erste Verbindungsabschnitt 120 greift in das Turbinengehäuse 106 ein. Der zweite Verbindungsabschnitt 122 greift in eine Leitung (nicht dargestellt) ein, durch die das Abgas strömt, nachdem es über das Turbinenrad 108 expandiert wurde.
Das Adapterelement 104 umfasst ferner einen Diffusor 124. Der Diffusor 124 ist im Allgemeinen kegelstumpfförmig, sodass er im Querschnitt im Allgemeinen divergiert, wenn er sich vom Turbinenrad 108 entlang der Längsachse 116 wegbewegt. Der Diffusor 124 ist einstückig mit der Außenwand 118 gebildet, sodass die Außenwand 118 und der Diffusor 124 einen einzigen Körper bilden. Zwischen dem Diffusor 124 und der Außenwand 118 ist möglicherweise keine Verbindungslinie vorhanden.
Der Diffusor umfasst einen Einlass 126, der zur Aufnahme von Fluid aus der Turbine 106 konfiguriert ist. In der veranschaulichten Ausführungsform nimmt der Einlass 126 die Form einer allgemein kreisförmigen Öffnung an. Fluid, das über das Turbinenrad 108 expandiert wurde, strömt über den Einlass 126 durch den Diffusor 124. Der Einlass 126 kann in unmittelbarer Nähe des ersten Endes 112 des Adapterelements 104 bereitgestellt werden. Der Einlass 126 kann ebenfalls als ein Einlass des Adapterelements 104 im Allgemeinen betrachtet werden.
An einem Ende des Diffusors 124, das sich distal zur der Turbine 106 befindet, ist ein Auslass 128 bereitgestellt. Der Auslass 128 kann als in unmittelbarer Nähe des zweiten Endes 114 des Adapterelements 104 bereitgestellt bezeichnet werden. Abgas, das in den Einlass 126 des Diffusors 124 einströmt, verlässt den Diffusor 124 über den Auslass 128. Der Einlass 126 definiert eine erste Querschnittsfläche und der Auslass 128 definiert eine zweite Querschnittsfläche. Die zweite Querschnittsfläche ist größer als die erste Querschnittsfläche. Der Auslass 128 ist von dem Einlass 126 (entlang der Längsachse 116) beabstandet.
Der Diffusor 124 umfasst ferner eine Wand 130, die als Innenwand 130 bezeichnet werden kann, die sich zwischen dem Einlass 126 und dem Auslass 128 erstreckt. Die Innenwand 130 definiert eine Innenfläche 130a und eine Außenfläche 130b. Die Innenfläche 130b ist die Oberfläche in unmittelbarer Nähe des Fluidstroms stromabwärts des Turbinenrads 108, und die Außenfläche 130b ist die Oberfläche in unmittelbarer Nähe der Außenwand 118.
Der Diffusor 124 umfasst ferner eine Dosierstruktur 132. Die Dosierstruktur 132 ist so konfiguriert, dass sie Reduktionsmittel aufnimmt und ausstößt. Für die Zwecke dieses Dokuments kann das Reduktionsmittel z. B. Dieselabgasfluid (DEF) wie z. B. Harnstoff einschließen. Das Reduktionsmittel kann daher flüssig sein. Das Reduktionsmittel erleichtert die selektive katalytische Reduktion (SCR), bei der schädliche NOx-Emissionen in weniger reaktive Verbindungen aufgespalten werden.
Die Dosierstruktur 132 kann als das Reduktionsmittel in einer flüssigen Form in den Abgasstrom stromabwärts des Turbinenrads 108 einspritzend bezeichnet werden. Anders ausgedrückt, wird das Reduktionsmittel in einen Abgasstrom eingespritzt, der über das Turbinenrad 108 expandiert worden ist. Insbesondere kann die Dosierstruktur 132 einen Strom von flüssigem Reduktionsmittel in Richtung des Dosierbechers 110 im Turbinenrad 108 leiten. Im Betrieb, wenn sich das Turbinenrad 108 dreht, kann der Dosierbecher 110 das flüssige Reduktionsmittel wirksam zerstäuben, das dann axial und radial auswärts in den Abgasstrom verteilt wird. Die Dosierung des Reduktionsmittels stromabwärts der Turbine 106 ist vorteilhaft, da sich dieser Punkt im System stromaufwärts der SCR-Katalysatoren befindet.
Es ist zwar bekannt, Reduktionsmittel in einen im Turbinenrad gebildeten Dosierbecher zu dosieren, doch gibt es bei bestehenden Lösungen eine Reihe von Problemen. Zum Beispiel kann bei bestehenden Lösungen ein Rohr durch eine Öffnung im Turbinengehäuse und/oder im Diffusor eingesetzt werden. Da das Rohr jedoch im Allgemeinen zum Turbinenrad hin abgewinkelt sein muss (z. B. L-förmig), ist die Öffnung im Allgemeinen länglich. Wenn das flüssige Reduktionsmittel unter bestimmten Umständen durch den Schlitz an der Außenseite des Rohrs fließt und mit dem Turbinengehäuse aus Metallguss in Berührung kommt, kann es zu Problemen kommen. Dies liegt mindestens daran, dass einige flüssige Reduktionsmittel, wie z. B. Harnstoff, bei der Verwendung Nebenprodukte bilden können, die für Turbinengehäuse korrosiv sein können. Solche Nebenprodukte schließen zum Beispiel Isocyansäure und Cyanursäure ein. Turbinengehäuse aus Metallguss können besonders anfällig für Korrosion durch solche Nebenprodukte sein, aber auch Turbinengehäuse, die nach anderen Verfahren und aus anderen Materialien hergestellt werden, können ähnlich anfällig sein. Bei den in diesem Dokument erwähnten Turbinengehäusen aus Metallguss kann es sich um Turbinengehäuse aus Gusseisen handeln. Turbinengehäuse können ebenfalls vergleichsweise teure Komponenten sein, sodass eine Korrosionsvermeidung oder -reduzierung auch aus Kostengründen wünschenswert ist.
Die in veranschaulichte Dosierstruktur 132 ist mindestens mit der Innenfläche 130a der Innenwand 130 einstückig gebildet. Somit kann man sagen, dass die Dosierstruktur 134 einstückig mit dem Diffusor 124 (und allgemeiner mit dem Adapterelement 104) gebildet ist. Vorteilhafterweise bedeutet die einstückig gebildete Beschaffenheit der Dosierstruktur 132 und der Innenwand 130, dass Reduktionsmittel und/oder zugehörige Nebenprodukte daran gehindert werden, durch/an der Innenwand 130 (des Diffusors 124) vorbei auszutreten und mit dem Turbinengehäuse 106 aus Metallguss in Kontakt zu kommen.
In der veranschaulichten Anordnung umfasst die Dosierstruktur 132 eine Strebe 134 und ein Dosierauslassrohr 136. Die Strebe 134 und das Dosierauslassrohr 136 können ansonsten als erster und zweiter Abschnitt der Dosierstruktur 132 beschrieben werden. Die Strebe 134 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Innenwand 130 des Diffusors 124. Das Dosierauslassrohr 136 erstreckt sich von der Strebe 134 weg. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst das Dosierauslassrohr 136 ferner einen Düsenabschnitt 138. Der Düsenabschnitt 138 kann ansonsten als Auslassabschnitt oder als Verlängerungsleitung beschrieben werden. Obwohl in nicht sichtbar, definiert das Dosierauslassrohr 136, insbesondere der Düsenabschnitt 138 davon, einen Fluidauslass in Form einer Öffnung, durch die das Reduktionsmittel in Richtung des Turbinenrades 108 ausgestoßen wird. Diese Öffnung ist in sichtbar und mit 139 bezeichnet. Im Betrieb wird ein Strom von Reduktionsmittel (in nicht gezeigt) aus der Dosierstruktur 132 ausgestoßen und trifft auf den Dosierbecher 110. Der Reduktionsmittelstrom wird dann in den Abgasstrom 148 zerstäubt. Der Düsenabschnitt 138 springt vorteilhaft in den Dosierbecher 110 hinein vor. In anderen Ausführungsformen kann der Düsenabschnitt 138 weggelassen werden, und der Abschnitt 135 des Dosierauslassrohrs 136, der mit der Strebe 134 einstückig gebildet ist, kann den Fluidauslass definieren. Das Dosierauslassrohr 136 ist in einem spitzen Winkel zur Längsachse 116 bereitgestellt, wie durch die Rohrachse 117 in angezeigt. Die Neigung des Dosierauslassrohrs 136 trägt vorteilhaft dazu bei, dass Flüssigkeit in den Fluidauslass zurückläuft (d. h., nicht aus dem Dosierauslassrohr 136 austritt).
Obwohl in nicht veranschaulicht, nimmt die Dosierstruktur 132 Reduktionsmittel aus einer externen Reduktionsmittelquelle auf, wie z. B. einem Tank. Das Reduktionsmittel kann von einer externen Quelle durch die Dosierstruktur 132 gepumpt werden. Alternativ kann das Reduktionsmittel durch Schwerkraft zugeführt werden, je nach Ausrichtung der Dosierstruktur 132.
Zurück zu : Der Diffusor umfasst ferner eine Reduktionsmittelsperre 144, die einen besonderen Schwerpunkt der vorliegenden Anwendung darstellt. Bei der Reduktionsmittelsperre 144 handelt es sich um ein Sperrmittel oder ein Sperrelement, welches das Risiko verringert, dass flüssiges Reduktionsmittel mit dem Turbinengehäuse 106 in Berührung kommt (z. B. indem es zwischen der Außenwand 118 und der inneren (Diffusor-)Wand 130 hindurchtritt). Die Gefahr, dass flüssiges Reduktionsmittel mit dem Turbinengehäuse 106 aus Metallguss in Berührung kommt, ist größer, wenn das Adapterelement 104 einen Teil eines Motors in einem Fahrzeug bildet, das sich bergauf oder bergab bewegt (abhängig von der Einbaulage). Das Risiko ist ebenfalls größer, wenn der Diffusor 124 bei einer zu niedrigen Temperatur arbeitet. Wenn die Temperatur des Diffusors 124 nicht hoch genug ist, kann das im Abgasstrom zerstäubte Reduktionsmittel an der Innenwand 130 kondensieren. Das kondensierte Reduktionsmittel kann sich an einem tiefsten Punkt des Diffusors 124 sammeln und dann entlang der Innenwand 130 fließen und (unerwünschterweise) mit dem Turbinengehäuse 106 in Kontakt kommen. Die Innenwand 130 kann als Diffusorwand bezeichnet werden.
Das Vorhandensein der Reduktionsmittelsperre 144 verringert das Risiko, dass Reduktionsmittel in flüssiger Form, das sich im Abgassystem ansammelt, an der Außenwand 118 entlangfließt und mit dem Turbinengehäuse 106 in Kontakt kommt. Die Reduktionsmittelsperre 144 verringert somit das Risiko, dass kondensiertes Reduktionsmittel und/oder Nebenprodukte bei bestimmten Ausrichtungen in die Turbine gelangen.
In der veranschaulichten Anordnung ist die Reduktionsmittelsperre 144 ein massiver Vorsprung (d. h., sie weist keine Öffnungen auf). Somit überspannt eine Sperrfläche 145 der Reduktionsmittelsperre 144, die für den Durchgang von Flüssigkeiten undurchlässig ist, effektiv die gesamte Reduktionsmittelsperre 144. Die Reduktionsmittelsperre 144 erstreckt sich zwischen der Innenfläche 118a der Außenwand 118 und der Außenfläche 130b der Innenwand 130. Die Reduktionsmittelsperre 144 springt von einem Abschnitt eines Umfangs der Innenfläche 118a der Außenwand 118 vor. Die Reduktionsmittelsperre 144 kann als bogenförmig beschrieben werden (z. B. in einer Ebene normal zur Längsachse 116). In anderen Anordnungen sind Abschnitte der Reduktionsmittelsperre 144 in unmittelbarer Nähe der Außenfläche 130b der Innenwand 130 möglicherweise nicht massiv (siehe z. B. und Öffnung 533). Das heißt, die Reduktionsmittelsperre 144, insbesondere ihre Sperrfläche 145, erstreckt sich möglicherweise nicht vollständig von der Außenfläche 130b der Innenwand 130 aus weg. Die Reduktionsmittelsperre 144 kann jedoch in unmittelbarer Nähe eines radial äußersten Punktes, an dem sie an die angrenzende Oberfläche angrenzt, massiv sein. Das heißt, die Reduktionsmittelsperre 144 und die Sperrfläche 145 davon können sich von der Außenfläche 130b der Innenwand 130 bis zur angrenzenden, radial äußeren Fläche (z. B. der Innenfläche 118a der Außenwand 118 in dieser Ausführungsform) erstrecken.
In der Ausrichtung nach würde sich das flüssige Reduktionsmittel an der untersten Position innerhalb des Adapterelements 104 sammeln. Es ist daher vorteilhaft, die Reduktionsmittelsperre 144 an der Umfangsposition einzubauen, wo sich am ehesten Reduktionsmittelflüssigkeit ansammelt. Dies kann jedoch bei verschiedenen Anordnungen und Ausrichtungen unterschiedlich sein.
Da sich die Reduktionsmittelsperre 144 zwischen der Innenwand 130 und der Außenwand 118 erstreckt, stellt die Reduktionsmittelsperre 144 ebenfalls eine Speichen- oder Strebenfunktion bereit.
Die Reduktionsmittelsperre 144 ist in Bezug auf das zweite Ende 114 des Adapterelements 104 vertieft, um die Herstellung (und insbesondere die Form- und/oder Gießspeisung) zu erleichtern.
Zwischen der Innen- und der Außenwand 130, 118 ist ein Spalt bereitgestellt. Der Spalt hat die Form einer allgemein ringförmigen Vertiefung 146. Wie angeregt, erstreckt sich die ringförmige Vertiefung 146 um die Längsachse 116. Bei der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich bei der Turbine 102 um eine Turbine mit fester Geometrie. Somit enthält die Turbine 102 kein Wastegate. Im Gegensatz zu der in gezeigten Anordnung nach dem Stand der Technik, bei der es ein Wastegate 58 und einen Bypassstrom gibt, der sich mit einem Hauptabgasstrom verbindet, würde die in gezeigte Anordnung im Betrieb einen einzigen Abgasstrom leiten, der im Allgemeinen mit 148 bezeichnet ist und der über, oder durch die Turbine 102, fließt. Da das gesamte Abgas durch den Diffusor 124 strömt (d. h., innerhalb der Innenwand 130 gebunden ist), definiert die ringförmige Vertiefung 146 keinen aktiven Strömungsweg an sich. Das heißt, dass kein Abgas aktiv durch die ringförmige Vertiefung 146 geleitet wird. Stattdessen definiert die ringförmige Vertiefung 146 einen Lufthohlraum, der einen isolierenden Mantel um den Diffusor 124 definiert. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur des Diffusors 124 relativ hoch gehalten wird, indem die Menge an Wärme, die vom Diffusor 124 weggeleitet wird, reduziert wird. Es ist jedoch zu erkennen, dass in anderen Anordnungen, wie in Verbindung mit den beschrieben wird, eine ringförmige Vertiefung stattdessen einen Bypasskanal definieren könnte, wo die betreffende Turbine ein Wastegate enthält. Die ringförmige Vertiefung 146 hat vorzugsweise einen Radius von mindestens 5 mm, noch bevorzugter von mindestens 6 mm, um die Herstellung zu erleichtern.
Der Vollständigkeit halber greift in der veranschaulichten Anordnung das Adapterelement 104 in die Turbine 102 (genauer gesagt in das Turbinengehäuse 106 davon) ein und ist mittels einer Bandschelle 152 (wie z. B. einer Marman-Schelle) an dieser gesichert. Die Bandschelle 152 zieht den ersten Verbindungsabschnitt 120 (in dieser Anordnung einen Flansch) des Adapterelements 104 zu einem entsprechenden Flansch 107 des Turbinengehäuses 106 hin und in Eingriff mit diesem. Dadurch werden die Flansche in Anlage zueinander gebracht, um das Adapterelement 104 am Turbinengehäuse 106 zu sichern. Ein derartiges Befestigungsmittel, z. B. eine Bandschelle, kann verwendet werden, um den zweiten Verbindungsabschnitt 122 des Adapterelements 104 an einer stromabwärts gelegenen Leitung zu sichern (in nicht gezeigt).
Es wird erwogen, das Adapterelement 104 durch ein Guss- (z. B. Feinguss) oder additives Fertigungsverfahren (z. B. 3D-Druck, wie z. B. Binder-Jetting) herzustellen. Derartige Verfahren stellen eine größere Flexibilität hinsichtlich der Geometrien der Merkmale bereit, die in das Adapterelement 104 eingebracht werden können.
In ist das Adapterelement 104 aus in einer Einzelansicht gezeigt. ist eine Perspektivansicht des Adapterelements 104 von einem Einlassende 126 des Diffusors 124 aus betrachtet. ist eine Perspektivansicht des Adapterelements 104 von einem Auslassende 128 des Diffusors 124 aus betrachtet.
In sind die Streben 154, 156 zu sehen, die in nicht sichtbar sind. Die Streben 154, 156 sind Beispiele für Vorsprünge, die sich von einer Außenfläche 130b der Innenwand 130 weg erstrecken. Die Streben 154, 156 stützen in Kombination mit der Reduktionsmittelsperre 144 den Diffusor 124 innerhalb der Außenwand 118. Die Streben 154, 156 und die Reduktionsmittelsperre 144 sind in Umfangsrichtung um die Längsachse verteilt (die in den und aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen ist). Es ist zu erkennen, dass in anderen Anordnungen die Anzahl und/oder Verteilung der Vorsprünge variiert werden kann. Die Streben 154, 156 können so geformt sein, dass sie den Bypassstrom leiten, wenn das Adapterelement 104 einen Teil eines Wastegate-Turboladers bildet (zum Beispiel). In anderen Ausführungsformen können die Streben 154, 156 weggelassen werden, sodass die Reduktionsmittelsperre 144 das einzige Mittel ist, mit dem die Innenwand 130 innerhalb der Außenwand 118 gestützt wird. zeigt ebenfalls einen Verlängerungsabschnitt 143 der Dosierstruktur 136, der sich zwischen der Innen- und der Außenwand 130, 118 erstreckt. Im Betrieb kann das Reduktionsmittel durch den Verlängerungsabschnitt 143, die Strebe 134 und das Dosierauslassrohr 136 fließen. Der Düsenabschnitt 138 des Dosierauslassrohrs 136 und die Fluidöffnung 139 sind ebenfalls in zu sehen. Ebenfalls veranschaulicht ist der Abschnitt 135 des Dosierauslassrohrs 136, der einstückig mit der Strebe 134 gebildet ist.
ist eine seitliche Schnittansicht eines Adapterelements 300 gemäß einer anderen Ausführungsform. Das Adapterelement 300 weist viele gemeinsame Merkmale mit dem zuvor beschriebenen Adapterelement 104 auf, sodass diese Merkmale hier nicht näher beschrieben werden.
Wie das zuvor beschriebene Adapterelement 104 wird das Adapterelement 300 im Betrieb zwischen einer Turbine und einer stromabwärts gelegenen Leitung installiert (beide sind in nicht gezeigt).
Das Adapterelement 300 umfasst einen ersten Verbindungsabschnitt 301 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 303. Der erste und der zweite Verbindungsabschnitt 301, 303 sind so konfiguriert, dass sie jeweils in eine Turbine und eine Leitung eingreifen. Zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt 301, 303 erstreckt sich eine Außenwand 306. Die Verbindungsabschnitte 301, 303 nehmen die Form von Flanschen an. Es können jedoch ansonsten auch andere Verbindungsabschnitte eingebaut werden. Die Verbindungsabschnitte 301, 303 sind an gegenüberliegenden Enden der Außenwand 306 bereitgestellt.
Wie das Adapterelement 104 umfasst auch das Adapterelement 300 einen einstückig gebildeten Diffusor 304. Der Diffusor 304 umfasst eine Innenwand 302. Die Innenwand 302 kann als Diffusorwand bezeichnet werden. Ebenfalls eingebaut ist eine Dosierstruktur 312, die einstückig mit der Innenwand 302 (und damit dem Diffusor 304 und dem Adapterelement 300 im Allgemeinen) gebildet ist. Darüber hinaus ist die Dosierstruktur 312 in dieser Ausführungsform ebenfalls einstückig mit der Außenwand 306 gebildet.
Die Dosierstruktur 312 umfasst eine Strebe 313 und ein Dosierauslassrohr 315. In einem Ende des Dosierauslassrohrs 315 ist ein Fluidauslass 319 definiert. Eine Reduktionsmittelleitung 320 verläuft durch die gesamte Dosierstruktur 312. Durch die Reduktionsmittelleitung 320 wird flüssiges Reduktionsmittel von einer Reduktionsmittelquelle (nicht gezeigt) aufgenommen und dann durch den Fluidauslass 319 in Richtung des Turbinenrads (nicht gezeigt) ausgestoßen. Die Dosierstruktur 312 kann über eine Halterung 322 mit einer Reduktionsmittelquelle verbunden sein.
Der Diffusor 304 und das Adapterelement 300 umfassen einen Einlass 316. Der Diffusor 304 umfasst ferner einen Auslass 318. Der Einlass 316 definiert eine erste Querschnittsfläche und der Auslass 318 definiert eine zweite Querschnittsfläche. Die zweite Querschnittsfläche ist größer als die erste Querschnittsfläche. Der Auslass 318 ist von dem Einlass 316 entlang der Längsachse 116 beabstandet. Das Adapterelement 300 umfasst ferner einen Auslass 320.
Das Adapterelement 300 umfasst ferner eine Vielzahl von Vorsprüngen, die sich von der Innenwand 302 bis zur Außenwand 306 erstrecken. Ein erster derartiger Vorsprung, der eine Reduktionsmittelsperre ist, ist mit 308 gekennzeichnet. Die Reduktionsmittelsperre 308 definiert eine Sperrfläche 309, die für den Durchgang von Flüssigkeiten hierdurch undurchlässig ist. Wie bereits beschrieben, verringert die Reduktionsmittelsperre 308 im Betrieb das Risiko, dass flüssiges Reduktionsmittel entlang des Adapterelements 300 fließt und ein Turbinengehäuse aus Gussmetall berührt (mit dem das Adapterelement 300 im Betrieb in Eingriff steht). Die Reduktionsmittelsperre 308 erstreckt sich nur um einen Abschnitt des durch die Längsachse 116 definierten Umfangs. Das heißt, die Reduktionsmittelsperre 308 erstreckt sich nicht vollständig um das Adapterelement 300, sondern nur zwischen einem Abschnitt des Umfangs jeder der Innen- und der Außenwand 302, 306. Die Reduktionsmittelsperre 308 ist ebenfalls in veranschaulicht. Durch die Reduktionsmittelsperre 308 wird hinter der Reduktionsmittelsperre 308 ein Hohlraum 324 definiert. In anderen Ausführungsformen kann der Hohlraum 324 jedoch mit Material gefüllt sein (d. h., es ist möglicherweise kein solcher Hohlraum 324 vorhanden).
Das Adapterelement 300 umfasst ferner eine Schaufel 314, die sich zwischen der Außenfläche 302b der Innenwand 302 und der Innenfläche 306a der Außenwand 306 erstreckt.
ist eine Endansicht des Adapterelements 300, betrachtet von der Auslassseite 320 (wie in gezeigt). veranschaulicht die Reduktionsmittelsperre 308, die sich jeweils zwischen der Innen- und der Außenwand 302 bzw. 306 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die Sperrfläche 309 zwischen der Innen- und der Außenwand 302, 306 über einen Abschnitt des Umfangs des Diffusorauslasses 318. Die Dosierstruktur 312 ist ebenfalls gezeigt, wobei die Strebe 313 sich von der Innenwand 302 weg erstreckt. Das Dosierauslassrohr 315 erstreckt sich von der Strebe 313 weg. Der Vollständigkeit halber ist die Schaufel 314 in weggelassen.
ist eine geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Turbinenanordnung 500 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung 500 umfasst eine Turbine 502 (in teilweise sichtbar) und einen Diffusor 504. Die Turbine 502 umfasst ein Turbinengehäuse 506 und ein Turbinenrad 508 (die beide in nur teilweise sichtbar sind). Das Turbinenrad 508 umfasst einen Dosierbecher 510. Das Turbinenrad 508 dreht sich um eine Achse, die mit der Längsachse 116 kollinear ist. Man kann daher sagen, dass sich das Turbinenrad 508 um die Längsachse 116 dreht.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen bildet der Diffusor 504 bei der vorliegenden Ausführungsform keinen Teil eines Adapterelements. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Diffusor 504 stattdessen direkt vom Turbinengehäuse 506 gestützt und in dessen Innerem montiert. Dies wird nachstehend ausführlich beschrieben. Weitere wichtige Unterscheidungsmerkmale schließen die Tatsache ein, dass es sich bei der Dosierstruktur 512 um eine separate Anordnung handelt, die durch Öffnungen sowohl im Turbinengehäuse 506 als auch im Diffusor 504 (insbesondere durch dessen Wand 518) eingesetzt wird. Die Dosierstruktur 512 umfasst eine Strebe 514 und ein Dosierauslassrohr 516, wobei ein Fluidauslass (in nicht gezeigt) in Richtung des Dosierbechers 510 zeigt und in dessen Innerem aufgenommen wird. Die separate Beschaffenheit der Dosierstruktur 512 ist kein Schwerpunkt der vorliegenden Anwendung.
Der Diffusor 504 umfasst einen Einlass 505, der eine erste Querschnittsfläche definiert, und einen stromabwärts gelegenen Auslass 507, der eine zweite Querschnittsfläche definiert. Wie in veranschaulicht, ist die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche. Der Auslass 507 ist vom Einlass 505 entlang der Längsachse 116 getrennt.
Die Turbine 502 ist eine Wastegate-Turbine. Somit fließen im Betrieb zwei Abgasflüsse durch die Anordnung 500: ein primärer Abgas- oder Kemabgasfluss 518 und ein Bypass- oder Sekundärstrom 520a, 520b. Die Flüsse können auch als Ströme beschrieben werden, z. B. als ein erster und ein zweiter Strom.
Der primäre Abgasfluss 518 fließt durch den Diffusor 504 (nachdem er über das Turbinenrad 508 expandiert wurde). Der Bypassfluss 520a, 520b fließt zwischen dem Diffusor 504 und dem Turbinengehäuse 506 (nachdem er über ein Wastegate [in nicht gezeigt] um das Turbinenrad 508 herum umgeleitet wurde). Es ist zu erkennen, dass es sich bei dem Bypassfluss um ein im Allgemeinen ringförmiges Flussfeld handelt. Der Bypassfluss 520a, 520b erstreckt sich zwischen einer Wand 522 des Diffusors 504 und dem Turbinengehäuse 506 (insbesondere einem Auslassabschnitt 506a des Turbinengehäuses 506). Die Wand 522 kann als Diffusorwand bezeichnet werden. Der Bypassfluss 520a, 520b kann als durch einen Bypasskanal 524 fließend bezeichnet werden, der eine im Allgemeinen ringförmige Vertiefung oder ein Hohlraum ist, der zwischen einer Außenfläche 522b der Wand 522 des Diffusors 504 und dem Turbinengehäuse 506 definiert ist.
Eine Vielzahl von Vorsprüngen erstreckt sich von einer Außenwand 522a der Wand 522 weg. Diese Vorsprünge können auch als sich von dem Diffusor 504 weg erstreckend bezeichnet werden. Die verschiedenen Arten von Vorsprüngen werden nun der Reihe nach beschrieben.
Der Diffusor 504 ist über einen Montageflansch 528, der auch als Montagerand beschrieben werden kann, innerhalb des Turbinengehäuses 506 montiert. Der Diffusor 504, insbesondere sein Montageflansch 528, greift in eine im Turbinengehäuse 506 (vorzugsweise in unmittelbarer Nähe eines Auslassendes davon) definierte Vertiefung 530 ein. Die Vertiefung 530 ist in der veranschaulichten Ausführungsform eine ringförmige Vertiefung. Der Montageflansch 528 greift in das Turbinengehäuse 506 ein. Der Montageflansch 528 ist über einen oder mehrere Vorsprünge mit der Wand 522 des Diffusors verbunden. Die Vorsprünge können allgemein umlaufende Vorsprünge und/oder eine Reduktionsmittelsperre umfassen. Diese werden im Zusammenhang mit den und folgenden ausführlicher beschrieben. Der Montageflansch 528 ist ein ringförmiger Körper, der sich um die Wand 522 herum erstreckt.
Bezugnehmend auf wird eine Endansicht von einem Auslassende der Turbinenanordnung 500 (z. B. von der rechten Seite, mit Blick auf die linke Seite von bereitgestellt. Das Turbinenrad 508, der Dosierbecher 510 und die Dosierstruktur 512 sind ebenfalls in zu sehen.
Wie in gezeigt, ist der Montageflansch 528 über eine Vielzahl von Vorsprüngen 532, 534, 536 (von denen in nur drei beschriftet sind) mit der Außenfläche 522b der Wand 522 verbunden. Die Vorsprünge 532, 534, 536 sind im Allgemeinen umlaufende Vorsprünge und erstrecken sich um einen Teil des Umfangs um die Längsachse 116. Da sich die Vorsprünge 532, 534, 536 zwischen der Wand 522 und dem Montageflansch 528 erstrecken, können die Vorsprünge 532, 534, 536 als Streben, Speichen oder Stützen beschrieben werden. Die Vorsprünge 532, 534, 536 erleichtern zusammen mit dem Montageflansch 528 die Montage und Ausrichtung des Diffusors 504 innerhalb des Turbinengehäuses 506.
Ebenfalls in zu sehen ist eine Reduktionsmittelsperre 539. Die Reduktionsmittelsperre 539 umfasst die Sperrflächen 540, 541 und den Vorsprung 534 (der ebenfalls eine jeweilige Sperrfläche definiert). Die vorgenannten Sperrflächen können gemeinsam als eine einzige Sperrfläche bezeichnet werden.
Wie oben beschrieben, erstreckt sich der Vorsprung 534 vollständig oder durchgehend zwischen der Innenwand 522 und dem Montageflansch 528. Der Vorsprung 534 kann daher als Befestigung des Montageflansches 528 an der Innenwand 522 angesehen werden. Die Sperrflächen 540, 541 springen von einem radial äußeren Abschnitt des Montageflansches 528 in Richtung der Längsachse vor, erstrecken sich aber nur teilweise darüber. Die Sperrflächen 540, 541 definieren somit Öffnungen 533, 535. Der Bypassfluss, der durch den Bypasskanal 524 fließt, verlässt die Anordnung 500 über die Öffnungen 533, 535.
Wie bereits beschrieben, verringert die Reduktionsmittelsperre 540 das Risiko, dass flüssiges Reduktionsmittel in Richtung des Turbinengehäuses 506 aus Metallguss fließt und mit diesem in Berührung kommt, was andernfalls zu Korrosion am Turbinengehäuse 506 führen könnte. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Reduktionsmittelsperre 540 nicht vollständig zwischen der Wand 522 und dem Montageflansch 528 entlang ihrer Umfangsausdehnung. Stattdessen erstreckt sich die Reduktionsmittelsperre 540, insbesondere ihre Sperrflächen 540, 541, nur teilweise zwischen der Wand 522 und dem Montageflansch 528, und zwar von einem radial äußeren Abschnitt des Montageflansches 540 aus. In anderen Ausführungsformen kann sich die Reduktionsmittelsperre 540 vollständig zwischen der Wand 522 und dem Montageflansch 528 erstrecken (z. B. über den gesamten Bypasskanal 524). Vorteilhafterweise stellen die Öffnungen 533, 535 einen Durchflussweg für den Bypassstrom bereit, wodurch der Druckabfall über den Montageflansch 528 verringert wird (und somit jede Verringerung des Turbinenwirkungsgrads, die sich aus dem Vorhandensein der Reduktionsmittelsperre 540 ergibt, reduziert wird).
Die Öffnungen 533, 535 (von denen in nur zwei beschriftet sind) können ansonsten so beschrieben werden, dass sie zwischen den Vorsprüngen 532, 534, 536 definiert sind.
In ist ebenfalls eine Dosierstrukturöffnung 544 zu sehen. Die Öffnung 544 der Dosierstruktur hat die Form einer Bohrung, welche die Wand 522 (die als Diffusorwand bezeichnet werden kann) durchdringt oder sich durch sie hindurch erstreckt. Wie in angezeigt, ist die Dosierstrukturöffnung 544 größer als eine Außenseite der Dosierstruktur 512 (die in der dargestellten Ausführungsform die Form eines Rohres annimmt). Es ist vorteilhaft, die Reduktionsmittelsperre 540 so auszurichten, dass sie die Dosierstrukturöffnung 544 mindestens teilweise in Umfangsrichtung überlappt. Dadurch wird das Risiko verringert, dass Reduktionsmittel-Fluid durch eine ähnliche, durch das Turbinengehäuse 506 bereitgestellte Dosierstrukturöffnung austritt. Eine Überlappung in Umfangsrichtung kann ansonsten so beschrieben werden, dass die Reduktionsmittelsperre 540 mindestens einen Teil der gleichen Winkelausdehnung um die Längsachse 116 einnimmt wie die Dosierstrukturöffnung 544.
Die Sperrflächen 540, 541 sind in im Wesentlichen eben. Das heißt, die Sperrflächen 540, 541 sind im Allgemeinen flach. Darüber hinaus verlaufen diese Flächen im Allgemeinen normal zur Längsachse 116. Vorteilhafterweise verringern die flachen Flächen das Risiko, dass Flüssigkeit an der Reduktionsmittelsperre 540 vorbei austritt. Dies wird erreicht, während Bypassabgase weiterhin um die Reduktionsmittelsperre 540 herum oder durch die Öffnungen 533, 535 über die Reduktionsmittelsperre 540 strömen können. In der veranschaulichten Ausführungsform erstrecken sich die Sperrflächen 540, 541 in der gleichen Ebene wie eine Stirnfläche des Vorsprungs 534. Das heißt, die Kombination aus den Sperrflächen 540, 541 und der Stirnfläche des Vorsprungs 534 bildet eine durchgehende Fläche. In anderen Ausführungsformen können die Sperrflächen hinter oder vor dem Vorsprung 534 bereitgestellt werden.
Die Sperrfläche(n) kann (können) eine konstante axiale Ausdehnung aufweisen (z. B. in einer einzigen Ebene normal zur Längsachse 116 liegen). Alternativ dazu kann die axiale Position der Sperrfläche(n) entlang der Ausdehnung der Sperrfläche(n) variieren. Zum Beispiel kann die Sperrfläche an einem tiefsten Punkt der Reduktionsmittelsperre (der ein Mittelpunkt der Reduktionsmittelsperre in einer Ebene normal zur Längsachse 116 sein kann) axial weiter vom Auslass 507 entfernt sein als an den äußeren Enden der Reduktionsmittelsperre. Dadurch kann an der untersten Stelle der Reduktionsmittelsperre ein größeres Volumen definiert werden, in dem Flüssigkeit „gehalten“ oder zurückgehalten werden kann. Dies hat den Vorteil, dass mehr Flüssigkeit an einer Stelle zurückgehalten werden kann, an der sich die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft am ehesten ansammelt.
ist eine Endansicht von einem Auslassende einer Turbinenanordnung 600 gemäß einer anderen Ausführungsform betrachtet. Die Turbinenanordnung 600 umfasst die in den und beschriebene Turbine 502, einschließlich des Turbinengehäuses 506, des Turbinenrades 508, des Dosierbechers 510 und der Dosierstruktur 512.
Die Turbinenanordnung 600 umfasst ferner einen Diffusor 602, der eine Wand 604 umfasst, die als Diffusorwand beschrieben werden kann. Der Diffusor 602 weist viele gemeinsame Merkmale mit dem Diffusor 504 auf, und nur die Unterschiede werden im Einzelnen beschrieben.
Der Diffusor 602 umfasst einen Montageflansch 606. Der Montageflansch 606 greift in das Turbinengehäuse 506 ein, um den Diffusor 602 in situ zu montieren. Eine Vielzahl von Vorsprüngen 610, 612, 614, 616 erstreckt sich zwischen der Wand 604 (insbesondere einer Außenfläche 604b) und dem Montageflansch 606. Wie in Verbindung mit den und beschrieben, sind zwischen den Vorsprüngen 610, 612, 614, 616 Öffnungen 618, 620, 622, 624 definiert, durch die ein Bypassstrom passieren kann.
Der unterste Vorsprung 610 ist, wie in veranschaulicht, eine Reduktionsmittelsperre 610. Die Reduktionsmittelsperre 610 umfasst eine Sperrfläche 611. Die Sperrfläche 611 erstreckt sich bogenförmig zwischen den Vorsprüngen 610a, 610b, welche äußere Enden der Reduktionsmittelsperre 610 definieren. Die Vorsprünge 610a, 610b stellen ebenfalls eine Sperrfunktion bereit und können daher als einen Teil der Sperrfläche 611 oder als weitere jeweilige Sperrflächen definierend betrachtet werden. Die Reduktionsmittelsperre 610, und damit die Sperrfläche 611, erstreckt sich durchgehend zwischen dem Montageflansch 606 und der Außenfläche 604b der Wand 606. Dies ist vorteilhaft für die Gießbarkeit, da die durchgehende Reduktionsmittelsperre 610 leicht gegossen werden kann. Die Sperrfläche 611 der Reduktionsmittelsperre 610 ist in Bezug auf die Vorsprünge 610a, 610b (axial) vertieft. Die Vorsprünge 610a, 610b definieren axial äußere Flächen oder Abschnitte der Reduktionsmittelsperre 610. Die axiale Vertiefung der Sperrfläche 611 kann als Definition einer Tasche für die Sammlung von Reduktionsmittel beschrieben werden. Die Vertiefung oder Tasche stellt vorteilhafterweise ein größeres Volumen zum „Sammeln“ von flüssigem Reduktionsmittel bereit. In anderen Ausführungsformen kann die Reduktionsmittelsperre 611 im Wesentlichen mit den anderen Vorsprüngen 612, 614, 616 ausgerichtet sein (z. B. nicht vertieft, und es wird keine Tasche definiert).
Wie im Zusammenhang mit beschrieben, ist in der Wand des Diffusors eine Dosierstrukturöffnung 635 bereitgestellt. Vorteilhafterweise überlappt die Reduktionsmittelsperre 610 die Dosierstrukturöffnung 635 in Umfangsrichtung.
ist eine Querschnitts-Seitenansicht eines Teils einer Turbinengehäuseanordnung 700 gemäß einer anderen Ausführungsform. In ist ebenfalls ein Abschnitt einer stromabwärts gelegenen Leitung 702 zu sehen. Die Turbinengehäuseanordnung 700 umfasst einen Diffusor 704 und ein Turbinengehäuse 706. Der Vollständigkeit halber ist ebenfalls eine Längsachse 116 angezeigt.
Der Diffusor 704 hat viele Merkmale mit den zuvor beschriebenen Diffusoren gemeinsam. Der Diffusor 704 umfasst eine Diffusorwand 708, die eine Innen- und eine Außenfläche 708a, 708b definiert. Die Diffusorwand 708 erstreckt sich zwischen einem Auslass 710 des Diffusors 704 und einem Einlass (der in nicht sichtbar ist, sich aber links von der angezeigten Schnittlinie 712 befinden würde). Wie durch einen sich verjüngenden Abschnitt 714 der Diffusorwand 708 schematisch angezeigt ist, definiert der Auslass 710 des Diffusors 704 eine Querschnittsfläche, die größer ist als die durch den Einlass definierte Querschnittsfläche. Das heißt, dass die von der Diffusorwand 708 definierte Querschnittsfläche im Allgemeinen vom Einlass zum Auslass 710 zunimmt.
Im Betrieb strömt das Abgas, das über das Turbinenrad (in nicht sichtbar) expandiert wurde, durch den Diffusor 704, wobei die Geschwindigkeit im Allgemeinen abnimmt, während der statische Druck der Strömung aufgrund der variierenden Querschnittsfläche im Inneren des Diffusors 704 zunimmt. Ein Beispiel für einen solchen Kern- oder Primärabgasfluss ist in mit 716 gekennzeichnet. Bypassabgase 740, die durch einen Bypasskanal 742 strömen, sind ebenfalls angezeigt. Der Bypasskanal 742 erstreckt sich zwischen der Außenfläche 708b der Diffusorwand 708 und dem Turbinengehäuse 706 (genauer gesagt einer Innenfläche 707 davon).
Wie andere Ausführungsformen, die bereits in diesem Dokument beschrieben wurden, umfasst der Diffusor 704 ferner einen Montagerand 718. Der Montagerand 718 erstreckt sich allgemein ringförmig um die Längsachse 116. Der Montagerand 718 kann ansonsten als Montageflansch bezeichnet werden. Im Betrieb wird der Montagerand 718 von einer entsprechenden Vertiefung 720 im Turbinengehäuse 706 aufgenommen. Die Vertiefung 720 erleichtert die axiale und radiale Ausrichtung des Diffusors 704 innerhalb des Turbinengehäuses 706. Die Vertiefung 720 erstreckt sich mindestens teilweise ringförmig um die Längsachse 116.
Von besonderer Bedeutung in ist die Art und Weise, in welcher der Diffusor 704 am und teilweise innerhalb des Turbinengehäuses 706 montiert ist. Bei Anordnungen nach dem Stand der Technik können Diffusoren in ein Turbinengehäuse mittels Presspassung eingebracht werden. Dies kann jedoch aufgrund der hohen Kräfte, die bei der Installation erforderlich sind, zu Problemen führen und ebenfalls die Installation von z. B. Dosiersystemen erschweren. Darüber hinaus erfordert das Einbringen mittels Presspassung des Diffusors in das Turbinengehäuse eine spezielle Ausrüstung, und ist möglicherweise vorzuziehen, dass der Diffusor an einem anderen Ort am Turbinengehäuse befestigt werden kann, und zwar möglicherweise von einer anderen Partei.
Der Diffusor 704 ist, wie in gezeigt, über eine Halterung am Turbinengehäuse 706 montiert. Ein Klemmelement 722, das in den Montagerand 718 und das Turbinengehäuse 706 eingreift, wird verwendet, um die Ausrichtung des Diffusors 704 in Bezug auf das Turbinengehäuse 706 und die Befestigung des Diffusors 704 am Turbinengehäuse 706 zu erleichtern. Wie im Zusammenhang mit späteren Abbildungen näher beschrieben (und in in einer vergrößerten Ansicht gezeigt), umfasst das Klemmelement 722 eine Bohrung 723, die so konfiguriert ist, dass sie ein Befestigungselement 724 durch sie hindurch aufnehmen kann. In der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich bei der Bohrung 723 um eine Senkbohrung und bei dem Befestigungselement 724 um einen Senkkopfbolzen. Es ist zu erkennen, dass Variationen möglich sind (z. B. kann die Bohrung nicht versenkt sein und das Befestigungselement könnte eine Schraube oder ähnliches sein). Ebenfalls zu beachten ist, dass in der veranschaulichten Ausführungsform das Klemmelement 722 eine separate Komponente sowohl des Diffusors 704 als auch des Turbinengehäuses 706 ist. In anderen Ausführungsformen kann das Klemmelement jedoch einstückig mit dem Diffusor 704 gebildet sein
Um zu zurückzukehren, wird das Befestigungselement 724 durch die Bohrung 723 (des Klemmelements 722) eingesetzt und in ein Montagemerkmal 726 des Turbinengehäuses 706 (ebenfalls in gezeigt) getrieben. Das Montagemerkmal 726 umfasst eine (axiale) Vertiefung 727 und eine Bohrung 729 (wie ebenfalls in gezeigt). Die Bohrung 729 ist entlang einer Mittellinienanzeige 735 bereitgestellt.
Das Klemmelement 722 definiert eine Eingriffsfläche 728. Die Eingriffsfläche 728 ist so konfiguriert, dass sie in das Montagemerkmal 726 des Turbinengehäuses 706 eingreift. Insbesondere ist die Eingriffsfläche 728 so konfiguriert, dass sie in eine Endfläche 730 der Vertiefung 727 des Montagemerkmals 726 eingreift. Die Eingriffsfläche 728 ist ebenfalls so konfiguriert, dass sie in eine Außenfläche einer Vertiefung 764 eingreift, die in dem Montagerand 718 des Diffusors 704 definiert ist (wie in gezeigt).
Das Klemmelement 722 definiert ferner eine Außenfläche 732. Die Außenfläche 732 kann ansonsten als (axiale) Endfläche des Klemmelements 722 beschrieben werden. Im Betrieb liegt die Außenfläche 732 des Klemmelements 722 bündig mit einer umgebenden oder äußeren Fläche 733 des Turbinengehäuses 706 oder in Bezug auf diese vertieft. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Außenfläche 732 des Klemmelements 722 in Bezug auf die Außenfläche 733 des Turbinengehäuses 706 axial vertieft. Auf diese Weise wird zwischen den Außenflächen 732, 733 des Klemmelements 722 und dem Turbinengehäuse 706 jeweils ein Hohlraum 731 definiert. Da die Außenfläche 732 des Klemmelements 722 mit der Außenfläche 733 bündig oder in Bezug auf diese vertieft ist, kann die Leitung 702 vorteilhafterweise in dichtendem Eingriff mit der Turbinengehäuseanordnung 700 bereitgestellt werden. Die Außenfläche 733 des Turbinengehäuses 706 ist in einem Montageflansch 736 des Turbinengehäuses 706 definiert. Der Montageflansch 736 kann als Verbindungsabschnitt bezeichnet werden.
Im Betrieb liegt die Außenfläche 733 des Montageflansches 736 des Turbinengehäuses 706 dichtend an der Dichtfläche 734 eines Montageflansches 738 der Leitung 702 an. Dadurch wird vorteilhafterweise die Gefahr des Austretens von Fluiden, wie z. B. der Bypassabgase 740 (die durch den Bypasskanal 742 strömen), verringert. Darüber hinaus ermöglicht das Klemmelement 722 (wenn es in Bezug auf die Außenfläche 733 des Turbinengehäuses 706 bündig oder vertieft ist) die Verwendung eines Befestigungsmittels, wie z. B. einer Mannan-Schelle, das weiterhin über den Flanschen 636, 638 des Turbinengehäuses 606 bzw. der Leitung 602 gesichert werden kann, während es Fluidleckagen über die Oberflächen weiterhin reduziert oder verhindert werden.
Eine Dichtung oder ein anderes Dichtelement kann in dem zwischen dem Klemmelement 722 und der Leitung 702 definierten Hohlraum 723 bereitgestellt werden, um die Dichtung dazwischen zu verbessern und das Austreten von Fluid darüber zu verringern. Ähnlich kann eine Dichtung oder ein anderes Dichtelement um den Umfang des Klemmelements 722 bereitgestellt werden.
Das Klemmelement 722 stellt ein vorteilhaftes Mittel dar, um den Diffusor 704 am und teilweise innerhalb des Turbinengehäuses 706 zu befestigen. Die Verwendung einer Presspassung zum Befestigen des Diffusors 704 am Turbinengehäuse 706 kann vermieden werden, da das Klemmelement 722 stattdessen zur Sicherung des Diffusors 704 verwendet wird. Darüber hinaus kann der Diffusor 704 aufgrund der Verwendung des Befestigungselements 724 ohne Spezialausrüstung an einem anderen Ort als demjenigen des restlichen Installationsprozesses installiert werden. Dies ist vorteilhaft, wenn beispielsweise ein Dritter seine eigene Diffusorkonstruktion installieren möchte. Ferner ist es vorteilhaft, dass das Klemmelement 722 sowohl eine Ausrichtungs- als auch eine Befestigungsfunktion bereitstellt. Die Ausrichtung wird sowohl in axialer Richtung (z. B. entlang der Längsachse 116) als auch in Umfangsrichtung bereitgestellt (so kann z. B. die Drehung des Diffusors 704 um die Längsachse 116 verringert oder ganz verhindert werden). Das Klemmelement 722 stellt daher eine wünschenswerte Genauigkeit bereit, wenn der Diffusor 704 am Turbinengehäuse 706 befestigt wird.
Das Klemmelement 722 kann so beschrieben werden, dass es eine unterlegscheibenähnliche Funktion bereitstellt, indem es eine durch das Befestigungselement 724 bereitgestellte Rückhaltefläche bzw. Eingriffsfläche effektiv verlängert.
Wie in angezeigt, sind das Klemmelement 722 und andere Merkmale, die mit der Befestigung des Diffusors 704 verbunden sind, in einer oberen Position in Bezug auf die Längsachse 116 bereitgestellt. Anders ausgedrückt, wird der Diffusor 704 von einer oberen oder 12-Uhr-Position des Diffusors 704 aus gesichert. Dies ist vorteilhaft, da sich, wie bereits beschrieben, Reduktionsflüssigkeit und/oder Nebenprodukte aufgrund der Schwerkraft in einer unteren Position ansammeln können. Diese Flüssigkeiten können zu Korrosion führen. Eine Versetzung/Positionierung der Komponenten außerhalb des Bereichs, in dem sich die Flüssigkeiten aufgrund der Schwerkraft ansammeln können, ist daher wünschenswert, um das Risiko der Korrosion dieser Komponenten zu verringern. Ferner könnte die Montageanordnung einen Leckagepfad für Flüssigkeiten bereitstellen, über den die Flüssigkeiten mit dem Turbinengehäuse in Kontakt kommen könnten, was ein Korrosionsrisiko darstellen würde.
ist eine Endansicht der Turbinengehäuseanordnung 700 von einem Auslassende 710 aus betrachtet. Zur bequemeren Veranschaulichung ist die Leitung 702 nicht dargestellt.
zeigt den Montageflansch 736 des Turbinengehäuses 706, der sich um die Längsachse 116 erstreckt. Ebenfalls gezeigt ist der Montagerand 718, der sich von der Diffusorwand 708 im Allgemeinen radial auswärts erstreckt. In dem Montagerand 718 ist eine Vielzahl von Öffnungen 746, 748, 750, 752, 754, 756, 758, 760 bereitgestellt. Die Öffnungen sind so konfiguriert, dass Bypassgase (z. B. 740 aus durch den Montagerand 718 über die Öffnungen strömen können. Die Öffnungen stehen daher in Fluidverbindung mit dem Bypasskanal 742. Der Bypasskanal 742 erstreckt sich im Allgemeinen ringförmig um die Längsachse 116.
zeigt ebenfalls das Klemmelement 722. Wie in angezeigt, springt das Klemmelement 722 radial auswärts über den Montagerand 718 hinaus (und ist eine vom Diffusor 704 getrennte Komponente) vor. Das Befestigungselement 724 ist ebenfalls gezeigt und besteht in der veranschaulichten Ausführungsform aus einem Bolzen. In anderen Ausführungsformen können auch andere Befestigungsmittel wie z. B. Schrauben oder Nieten verwendet werden. In der veranschaulichten Ausführungsform wird ein einziges Befestigungselement 724 verwendet. Vorteilhafterweise reduziert die Verwendung eines einzigen Befestigungselements die Anzahl der Komponenten und bedeutet, dass die Installation schneller erfolgt, als wenn weitere Komponenten vorhanden sind. Dies wird erreicht, während der Diffusor 704 immer noch ausreichend am Turbinengehäuse 706 festgesteckt oder gehalten wird. Ein Kopf des Bolzens ist auf den Auslass 710 des Diffusors 704 ausgerichtet. Das in mit 762 gekennzeichnete Drehmomentübertragungsmerkmal des Befestigungselements 724 nimmt die Form einer Vertiefung in einem Kopf des Bolzens an. Diese Ausrichtung des Drehmomentübertragungsmerkmals 762 stellt beispielsweise den Zugang für ein Werkzeug, wie z. B. einen Kreuzschlitz- oder Schlitzschraubendreher, bereit, mit dem das Befestigungselement 724 in das Eingriffsmerkmal (nicht gezeigt) des Turbinengehäuses 706 getrieben werden kann.
ist eine Endansicht des einzeln dargestellten Montageflansches 736 des Turbinengehäuses 706. Somit entspricht im Wesentlichen der , wobei alle anderen Komponenten weggelassen wurden.
Ohne die anderen Komponenten ist das Montagemerkmal 726 des Turbinengehäuses 706 sichtbar. Wie in Verbindung mit den und beschrieben, ist das Montagemerkmal 726 so konfiguriert, dass es in die Eingriffsfläche 728 des Klemmelements 722 eingreift, und stellt ebenfalls Material für den Eingriff des Befestigungselements bereit. Das Montagemerkmal 726 nimmt die Form eines radialen Vorsprungs an, der sich in Richtung der Längsachse 116 auswärts von einem ansonsten inneren Radius 737 des Montageflansches 736 erstreckt. Das Montagemerkmal umfasst ebenfalls die axiale Vertiefung 727 und die Bohrung 723. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Montagemerkmal 726 ein singulärer Vorsprung. Es ist jedoch zu erkennen, dass in anderen Ausführungsformen eine Vielzahl solcher Vorsprünge eingebaut werden könnte. Ähnlich könnte eine Vielzahl von Klemmelementen und Befestigungselementen an verschiedenen Punkten um die Längsachse 116 herum verwendet werden, um den Diffusor an seinem Platz zu sichern. Die Verwendung einer Vielzahl von Klemmelementen/Befestigungselementen in einer unsymmetrischen Anordnung stellt vorteilhaft eine Rotationsausrichtungsfunktion bereit. Das heißt, dass der Diffusor 704 nur in der „richtigen“ Ausrichtung eingesetzt werden kann (andernfalls kann die Vielzahl der Befestigungselemente nicht eingesetzt werden). Es ist zu erkennen, dass Änderungen der Größe und/oder Lage der Vielzahl von Öffnungen 746, 748, 750, 752, 754, 756, 758, 760 erforderlich sein können, um eine Vielzahl von Klemmelementen/Befestigungselementen unterzubringen. Die Fläche 733 des Montageflansches 736 ist bis auf das Montagemerkmal 726 vollständig ringförmig. Das heißt, die Fläche 733 ist im Querschnitt zwischen zwei konzentrischen Kreisen mit unterschiedlichen Durchmessern definiert.
zeigt das Klemmelement 722 zusammen mit dem umgebenden Montagerand 718 des Diffusors 704 detaillierter.
Das Klemmelement 722 ist in der im Montagerand 718 bereitgestellten Vertiefung 764 zu sehen. Die Vertiefung 764 ist ein Beispiel für ein Aufnahmemerkmal, das zur Aufnahme des Klemmelements 722 konfiguriert ist. Das Klemmelement 722 springt radial von einem Umfang des Montagerandes 718 oder darüber hinaus vor. Das Befestigungselement 724 springt durch das Klemmelement 722 hindurch (insbesondere durch eine Bohrung davon [Bohrung in nicht sichtbar, aber in mit 723 gekennzeichnet]) vor, und ein Drehmomentübertragungsmerkmal 762 (in Form einer sechskantigen Vertiefung) ist ebenfalls sichtbar. Wie in zu erkennen ist, ist die Außenfläche 732 des Klemmelements 722 in Bezug auf die umgebende Außenfläche 739 des Diffusors 704 axial vertieft.
Das Klemmelement 722 springt radial auswärts aus dem Inneren der im Montagerand 718 bereitgestellten Vertiefung 764 hervor. Die Vertiefung 764 ist eine allgemein axiale Vertiefung und bedeutet vorteilhafterweise, dass die Endfläche (732 in des Klemmelements 722 mit der Außenfläche 733 des Montageflansches 736 des Turbinengehäuses 706 bündig ist oder in Bezug darauf vertieft ist. Dies stellt eine verbesserte Dichtung über die Verbindung zwischen dem Turbinengehäuse 706 und der Leitung 702 (insbesondere zwischen den jeweiligen Montageflanschen 736, 738 davon) bereit. Die Vertiefung 764 entspricht im Allgemeinen einer äußeren Geometrie des Klemmelements 722. Die Vertiefung 764 ist ebenfalls ein Beispiel für ein Aufnahmemerkmal, in dem das Klemmelement 722 mindestens teilweise aufgenommen und ausgerichtet wird.
Wenn das Klemmelement 722 in der Vertiefung 764 im Diffusor 704 und in dem (ebenfalls als Vertiefung gebildeten) Montagemerkmal 726 im Turbinengehäuse 706 aufgenommen wird, wird der Montagerand 718 gegen die entsprechende Vertiefung 720 im Turbinengehäuse 706 gezwängt. Auf diese Weise wird der Diffusor 704 in seiner Position in dem/in Bezug auf das Turbinengehäuse 706 gesichert. Wenn das Klemmelement 722 in seiner Position gesichert ist (z. B. über das Befestigungselement 724), kann der Diffusor 704 aufgrund der „Verriegelungsfunktion“ des Klemmelements 722 (das den Diffusor 704 effektiv am Turbinengehäuse 706 sichert) nicht vom Turbinengehäuse gelöst werden.
Aufgrund der Ausrichtung des Befestigungselements 724 ist das Drehmomentübertragungsmerkmal 762 im Betrieb von einem Auslassende der Turbinengehäuseanordnung aus zugänglich. Somit kann das Befestigungselement 724 in das Turbinengehäuse 606 getrieben werden, während sich der Diffusor 604 in situ befindet.
Ein Verfahren zum Einbau wird nun in Zusammenhang mit den bis beschrieben.
In einem ersten Installationsschritt wird der Diffusor 704 mindestens teilweise in das Turbinengehäuse 706 eingesetzt. Das heißt, der Diffusor 704 wird radial und mindestens teilweise axial in das Innere des Turbinengehäuses 706 eingesetzt. Insbesondere wird der Diffusor 704 innerhalb des Innenradius 737 des Turbinengehäuses 706 eingesetzt (wie in gezeigt). Der Diffusor 704 wird allgemein entlang der Längsachse 116 in Richtung des Turbinengehäuses 706 gezwängt, bis der Montagerand 718 in die entsprechende Vertiefung 720 im Turbinengehäuse 706 eingreift. Der Diffusor 704 wird ebenfalls in Umfangsrichtung so ausgerichtet (z. B. gedreht), dass die Vertiefung 764 im Montagerand 718 (siehe ) das Montagemerkmal 726 des Turbinengehäuses 706 (siehe ) in Umfangsrichtung überlappt. Es wird daran erinnert, dass in der veranschaulichten Ausführungsform das Montagemerkmal 726 die axiale Vertiefung 727 umfasst. Das Klemmelement 722 wird dann sowohl über die Vertiefung 764 im Diffusor 704 als auch über die Vertiefung im Montagemerkmal 726 im Turbinengehäuse 706 positioniert. Mit anderen Worten, das Klemmelement 722 sitzt innerhalb der Vertiefungen 764, 727. In dieser Position ist die Bohrung 723 des Klemmelements 722 im Allgemeinen konzentrisch mit der Bohrung 729 im Montagemerkmal 726. Das Befestigungselement 724 wird dann in das Montagemerkmal 726, insbesondere in dessen Bohrung 729, durch Aufbringen eines Drehmoments über das Drehmomentübertragungsmerkmal 762 im Befestigungselement 724 eingetrieben. Handelt es sich bei dem Befestigungselement 724 um einen Bolzen, kann die Bohrung 729 mit einem Gewinde versehen sein. Sobald das Befestigungselement 724 in die Bohrung 729 getrieben ist, wird das Klemmelement 722 an seinem Platz gesichert. Insbesondere wird das Klemmelement 722 in Eingriff mit der Vertiefung 764 (des Diffusors 704) und mit der Vertiefung 727 (des Turbinengehäuses 706) gesichert. Der Diffusor 704, insbesondere sein Montagerand 718, ist somit sandwichartig zwischen der Vertiefung 720 des Turbinengehäuses 706 und dem Klemmelement 722 angeordnet. Der Diffusor 704 ist somit am Turbinengehäuse 706 fixiert, um die die Turbinengehäuseanordnung 700 zu bilden. Nachfolgende Zusammenbauschritte können dann das Befestigen der Leitung 702 durch das Ineinandergreifen jeweils der Montageflansche 736, 738 des Turbinengehäuses 706 und der Leitung 702 einschließen.
Es ist zu erkennen, dass das obige Verfahren bei Anordnungen, bei denen das Klemmelement 722 einstückig mit dem Diffusor 704 gebildet ist, leicht variieren kann. Beispielsweise muss das Klemmelement nicht in die Vertiefung im Diffusor eingesetzt werden (da das Klemmelement einstückig mit dem Diffusor gebildet ist). Ähnlich können sich die Schritte je nach Art des verwendeten Befestigungselements ändern. Wenn beispielsweise ein Niet oder ein Stift verwendet wurde, muss das Befestigungselement möglicherweise nicht durch eine oder mehrere der Bohrungen „getrieben“ werden. Das allgemeine Prinzip der Ausrichtung des Diffusors 704 in Bezug auf das Turbinengehäuse 706 und der anschließenden Sicherung des Befestigungselements durch das Klemmelement bleibt jedoch dasselbe.
Die vorgenannte Anordnung hat den Vorteil, dass der Diffusor 704 nicht in das Turbinengehäuse 706 mittels Presspassung eingebracht werden muss. Das Verfahren erfordert ebenfalls nur einfache Werkzeuge, wie z. B. einen Schraubendreher oder ein anderes Handwerkzeug, um das Befestigungselement in Position zu treiben. Das Klemmelement und das Befestigungselement stellen nicht nur einen axialen Rückhalt bereit, sondern auch eine Rotationsbegrenzung, um den Diffusor in seiner Position zu sichern.
Der Eingriff zwischen der Vertiefung 720 und dem Montagerand 718 kann als eine Druckverbindung beschrieben werden. Dies kann unter dem Gesichtspunkt der Wärmeausdehnung eine vorteilhafte Leistung bereitstellen. Die Vertiefung 764 kann aus dem Diffusor 704 spanabhebend herausgearbeitet werden. Das Klemmelement kann aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem hergestellt sein.
Die Adapterelemente 104, 200, 300 und die Diffusoren 504, 602, 704 können durch ein additives Fertigungsverfahren oder durch ein Feingussverfahren hergestellt werden. Die Adapterelemente 104, 200, 300 und Diffusoren 504, 602, 704 können aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. Vorteilhaft ist, dass Edelstahl korrosionsbeständig ist (z. B. gegenüber Reduktionsmittel).
Die Diffusoren 504, 602 können durch Einbringen mittels Presspassung, ein Befestigungselement oder auf andere Art und Weise am Turbinengehäuse gesichert werden.
Ein gängiges Beispiel für die additive Fertigung ist der 3D-Druck; es gibt jedoch auch andere Verfahren der additiven Fertigung. Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing sind ebenfalls Begriffe, die verwendet werden können, um additive Fertigungsverfahren zu beschreiben.
Der hier verwendete Begriff „additive Fertigung“ bezieht sich im Allgemeinen auf Fertigungsverfahren, wobei aufeinanderfolgende Materialschichten aufeinander bereitgestellt werden, um eine dreidimensionale Komponente Schicht für Schicht „aufzubauen“ oder „additiv zu fertigen“. Dies steht im Vergleich zu einigen subtraktiven Verfahren (wie z. B. dem Fräsen oder Bohren), wobei zur Herstellung des Teils nacheinander Material abgetragen wird. Die aufeinanderfolgenden Schichten verschmelzen im Allgemeinen zu einer monolithischen Komponente, die eine Vielzahl einstückig gebildeten Teilkomponenten aufweisen kann. Insbesondere kann es das Herstellungsverfahren ermöglichen, dass ein Beispiel der Offenlegungsschrift einstückig gebildet wird und eine Vielzahl von Merkmalen einschließt, die nicht möglich sind, wenn frühere Fertigungsverfahren verwendet werden.
Die hier beschriebenen additiven Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung in jeder geeigneten Größe und Form mit verschiedenen Merkmalen, die mit früheren Fertigungsverfahren möglicherweise nicht möglich waren. Mit der additiven Fertigung können komplexe Geometrien ohne den Einsatz von Werkzeugen, Formen oder Vorrichtungen und mit wenig oder gar keinem Abfallmaterial hergestellt werden. Anstelle der Bearbeitung von Komponenten aus massiven Kunststoff- oder Metallblöcken, von denen ein Großteil weggeschnitten und entsorgt wird, wird bei der additiven Fertigung nur das Material verwendet, das für die Formgebung des Teils erforderlich ist.
Geeignete additive Fertigungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift schließen z. B. Schmelzablagerungs-Modeling (FDM), selektives Lasersintern (SLS), 3D-Drucken wie z. B. durch Tintenstrahlen und Laserstrahlen, Stereolithografie (SLA), direktes selektives Lasersintern (DSLS), Elektronenstrahlsintern (EBS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), additive Fertigung mit Elektronenstrahl (EBAM), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM) ein, Direkte Metallablagerung (DMD), Digitale Lichtverarbeitung (DLP), Kontinuierliche Digitale Lichtbearbeitung (CDLP), Direktes Selektives Laserschmelzen (DSLM), Selektives Laserschmelzen (SLM), Direktes Metall-Laserschmelzen (DMLM), Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Werkstoffstrahlen (MJ), Nanopartikelstrahlen (NPJ), Drop On Demand (DOD), Binder-Jetting (BJ), Multi Jet Fusion (MJF), Fertigung laminierter Objekte (LOM) und andere bekannte Verfahren. Das Binder-Jetting hat sich als besonders effektiv für die Herstellung der hierin beschriebenen Komponenten erwiesen.
Die hier beschriebenen additiven Fertigungsverfahren können für die Bildung von Komponenten aus jedem geeigneten Material verwendet werden. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um Metall oder ein anderes geeignetes Material handeln, das in fester, flüssiger oder pulverförmiger Form, in Form von Blechen, Drähten oder in jeder anderen geeigneten Form oder Kombination davon vorliegen kann. Insbesondere können die hier beschriebenen additiv gefertigten Komponenten gemäß beispielhaften Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands teilweise, vollständig oder aus einer Kombination von Materialien gebildet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf reine Metalle, Nickellegierungen, Chromlegierungen, Titan, Titanlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, Edelstahl und Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis (z. B. solche, die unter dem Namen Inconel® von Special Metals Corporation erhältlich sind). Diese Materialien sind Beispiele für Materialien, die sich für die Verwendung in additiven Fertigungsverfahren eignen, die für die Fertigung von beschriebenen Beispielen geeignet sein können.
Wie oben erwähnt, ermöglicht das hier beschriebene additive Fertigungsverfahren die Bildung einer einzigen Komponente aus mehreren Materialien. Daher können die hier beschriebenen Beispiele aus allen geeigneten Mischungen der oben genannten Materialien gebildet werden. So kann eine Komponente beispielsweise mehrere Schichten, Segmente oder Teile einschließen, die mit unterschiedlichen Materialien, Verfahren und/oder auf verschiedenen additiven Fertigungsmaschinen gebildet werden. Auf diese Weise können Komponenten konstruiert werden, die unterschiedliche Materialien und Materialeigenschaften aufweisen, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Obwohl die hier beschriebenen Komponenten vollständig durch additive Fertigungsverfahren konstruiert werden, sollte zusätzlich erkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen alle oder ein Abschnitt dieser Komponenten durch Gießen, maschinelle Bearbeitung und/oder andere geeignete Fertigungsverfahren gebildet werden können. In der Tat kann jede geeignete Kombination von Materialien und Verfahren verwendet werden, um diese Komponenten zu bilden.
Bei additiven Fertigungsverfahren werden typischerweise Komponenten auf der Grundlage dreidimensionaler (3D-)Informationen, beispielsweise eines dreidimensionalen Computermodells (oder einer Konstruktionsdatei), der Komponente hergestellt.
Dementsprechend schließen die hier beschriebenen Beispiele nicht nur Produkte oder Komponenten ein, wie sie hier beschrieben sind, sondern auch Verfahren zur Herstellung solcher Produkte oder Komponenten durch additive Fertigung und Computersoftware, Firmware oder Hardware zur Steuerung der Herstellung solcher Produkte durch additive Fertigung.
Die Struktur eines oder mehrerer Teile des Produkts kann digital in Form einer Konstruktionsdatei dargestellt werden. Eine Konstruktionsdatei oder CAD-Datei (Computer Aided Design) ist eine Konfigurationsdatei, die eine oder mehrere der Oberflächen- oder Volumenkonfigurationen der Form des Produkts codiert. Das heißt, eine Konstruktionsdatei stellt die geometrische Anordnung oder Form des Produkts dar.
Konstruktionsdateien können jedes heute bekannte oder später entwickelte Dateiformat annehmen. Beispielsweise können Konstruktionsdateien im Stereolithographie- oder „Standard Tessellation Language“-Format (.stl) vorliegen, das für die Stereolithographie-CAD-Programme von 3D Systems entwickelt wurde, oder im Additive Manufacturing File-Format (.amf), einer Norm der American Society of Mechanical Engineers (ASME), bei der es sich um ein erweiterbares, auf XML basierendes Format handelt, das es jeder CAD-Software ermöglichen soll, die Form und die Zusammensetzung eines beliebigen dreidimensionalen Objekts zu beschreiben, das mit einem beliebigen Drucker zur additiven Fertigung hergestellt werden soll.
Weitere Beispiele für Konstruktionsdateiformate schließen AutoCAD-Dateien (.dwg), Blender-Dateien (.blend), Parasolid-Dateien (.x_t), 3D Manufacturing Format-Dateien (.3mf), Autodesk-Dateien (3ds), Collada-Dateien (.dae) und Wavefront-Dateien (.obj) ein, obwohl es noch viele andere Dateiformate gibt.
Konstruktionsdateien können mit Hilfe von Modellierungssoftware (z. B. CAD-Modellierung) und/oder durch Scannen der Produktoberfläche zur Messung der Oberflächenkonfiguration des Produkts erstellt werden.
Nach dem Erzielen einer Konstruktionsdatei kann diese in eine Reihe von computerausführbaren Anweisungen umgewandelt werden, die, sobald sie von einem Prozessor ausgeführt werden, diesen veranlassen, ein Gerät zur additiven Fertigung zu steuern, um ein Produkt entsprechend der in der Konstruktionsdatei vorgegebenen geometrischen Anordnung herzustellen. Bei der Konvertierung kann die Konstruktionsdatei in Scheiben oder Schichten umgewandelt werden, die nacheinander von dem additiven Fertigungsgerät gebildet werden. Die Anweisungen (auch bekannt als geometrischer Code oder „G-Code“) können auf das spezifische Gerät zur additiven Fertigung kalibriert werden und können die genaue Position und Menge des Materials angeben, das in jeder Phase des Fertigungsprozesses gebildet werden soll. Wie oben beschrieben, kann die Bildung durch Ablagerung, durch Sintern oder durch jede andere Form von additiven Fertigungsverfahrens erfolgen.
Der Code oder die Anweisungen können je nach Bedarf zwischen verschiedenen Formaten übersetzt, in eine Reihe von Datensignalen umgewandelt und übertragen, als eine Reihe von Datensignalen empfangen und in Code umgewandelt, gespeichert usw. werden. Die Anweisungen können eine Eingabe für das additive Fertigungssystem sein und von einem Teilekonstrukteur, einem Anbieter von geistigem Eigentum (IP), einem Konstruktionsunternehmen, dem Betreiber oder Eigentümer des additiven Fertigungssystems oder aus anderen Quellen stammen. Ein System zur additiven Fertigung kann die Anweisungen ausführen, um das Produkt mit Hilfe einer der hierin offengelegten Technologien oder Verfahren zu fertigen.
Konstruktionsdateien oder computerausführbare Anweisungen können in einem (transienten oder nicht-transienten) computerlesbaren Speichermedium (z. B. Speicher, Speichersystem usw.) gespeichert werden, das Code oder computerlesbare Anweisungen speichert, die das herzustellende Produkt darstellen. Wie bereits erwähnt, definieren der Code oder die computerlesbaren Anweisungen das Produkt, das bei Ausführung des Codes oder der Anweisungen durch ein additives Fertigungssystem zur physischen Erzeugung des Objekts verwendet werden kann. Beispielsweise können die Anweisungen ein genau definiertes 3D-Modell des Produkts einschließen und aus einer Vielzahl bekannter CAD-Software-Systeme wie z. B. AutoCAD®, TurboCAD9, DesignCAD 3D Max usw. generiert werden. Alternativ kann ein Modell oder Prototyp der Komponente gescannt werden, um die dreidimensionalen Informationen der Komponente zu bestimmen.
Dementsprechend kann durch die Steuerung eines Geräts zur additiven Fertigung gemäß den computerausführbaren Anweisungen das Gerät zur additiven Fertigung angewiesen werden, ein oder mehrere Teile des Produkts auszudrucken. Diese können entweder in zusammengebauter oder nicht zusammengebauter Form gedruckt werden. So können beispielsweise verschiedene Abschnitte des Produkts separat (als ein Bausatz von nicht zusammengebauten Teilen) gedruckt und anschließend zusammengebaut werden. Alternativ können die verschiedenen Teile in zusammengebauter Form gedruckt werden.
In Anbetracht der obigen Ausführungen schließen Ausführungsformen Verfahren zur Herstellung mittels additiver Fertigung ein. Dies schließt die Schritte ein, eine Konstruktionsdatei zu erzielen, die das Produkt darstellt, und ein Gerät zur additiven Fertigung anzuweisen, das Produkt in zusammengesetzter oder nicht zusammengesetzter Form gemäß der Konstruktionsdatei zu fertigen. Das Gerät zur additiven Fertigung kann einen Prozessor einschließen, der so konfiguriert ist, dass er die Konstruktionsdatei automatisch in computerausführbare Anweisungen zur Steuerung der Fertigung des Produkts umwandelt. In diesen Ausführungsformen kann die Konstruktionsdatei selbst automatisch die Herstellung des Produkts bewirken, sobald sie in die Vorrichtung zur additiven Fertigung eingegeben wird. Dementsprechend kann in dieser Ausführungsform die Konstruktionsdatei selbst als computerausführbare Anweisungen betrachtet werden, die das Gerät zur additiven Fertigung zur Fertigung des Produkts veranlassen. Alternativ kann die Konstruktionsdatei durch ein externes Rechensystem in Anweisungen umgewandelt werden, wobei die daraus resultierenden computerausführbaren Anweisungen der additiven Fertigungsvorrichtung bereitgestellt werden.
In Anbetracht der obigen Ausführungen kann die Konstruktion und Fertigung von Implementierungen des Gegenstands und der in dieser Spezifikation beschriebenen Schritte unter Verwendung digitaler elektronischer Schaltkreise oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware, einschließlich der in dieser Spezifikation offengelegten Strukturen und ihrer strukturellen Äquivalente, oder in Kombinationen von einem oder mehreren von ihnen realisiert werden. Die Hardware kann zum Beispiel Prozessoren, Mikroprozessoren, elektronische Schaltungen, elektronische Komponenten, integrierte Schaltungen usw. einschließen. Implementierungen des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstands können unter Verwendung eines oder mehrerer Computerprogramme, d. h., eines oder mehrerer Module von Computerprogrammanweisungen, realisiert werden, die auf einem Computerspeichermedium codiert sind, um von einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt zu werden oder um dessen Schritte zu steuern. Alternativ oder zusätzlich können die Programmanweisungen auf einem künstlich erzeugten, fortgepflanzten Signal codiert werden, z. B. einem maschinell erzeugten elektrischen, optischen oder elektromagnetischen Signal, das erzeugt wird, um Informationen zur Übertragung an ein geeignetes Empfangsgerät zur Ausführung durch ein Datenverarbeitungsgerät zu codieren. Ein Computerspeichermedium kann ein computerlesbares Speichergerät, ein computerlesbares Speichersubstrat, eine Speicheranordnung oder -vorrichtung mit wahlfreiem oder seriellem Zugriff oder eine Kombination aus einem oder mehreren davon sein oder darin eingeschlossen sein. Außerdem kann ein Computerspeichermedium, auch wenn es sich nicht um ein fortgepflanztes Signal handelt, eine Quelle oder ein Ziel von Computerprogrammanweisungen sein, die in einem künstlich erzeugten fortgepflanzten Signal codiert sind. Das Computerspeichermedium kann ebenfalls aus einer oder mehreren separaten physischen Komponenten oder Medien bestehen oder in diese eingeschlossen sein (z. B. mehrere CDs, Disketten oder andere Speichervorrichtungen).
Obwohl die Technologie der additiven Fertigung hier so beschrieben wird, dass sie die Herstellung komplexer Objekte durch den Aufbau von Objekten Punkt für Punkt, Schicht für Schicht, typischerweise in vertikaler Richtung, ermöglicht, sind andere Verfahren der Herstellung möglich und fallen in den Anwendungsbereich des vorliegenden Gegenstands. Obwohl sich die Ausführungen in diesem Dokument auf die Zugabe von Material zur Bildung aufeinanderfolgender Schichten beziehen, erkennt der Fachmann, dass die hier offengelegten Verfahren und Strukturen mit jeder beliebigen additiven Fertigungstechnik oder anderen Fertigungstechnologien durchgeführt werden können.
Die beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen sind als veranschaulichenden und nicht als restriktiven Charakters zu betrachten, wobei es sich versteht, dass nur bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, und dass alle Änderungen und Modifizierungen, welche in den Anwendungsbereich der in den Patentansprüchen definierten Erfindungen in den Schutzumfang eingeschlossen werden sollen. In Bezug auf die Ansprüche wird beabsichtigt, dass, wenn Begriffe wie „ein“, „eine“, „mindestens ein/e“, oder „mindestens ein Abschnitt“ verwendet werden, um ein Merkmal einzuleiten, keine Absicht besteht, den Anspruch einzig auf ein solches Merkmal zu beschränken, es sei denn, der Anspruch würde spezifisch das Gegenteil besagen. Wenn Wendungen wie „mindestens ein Abschnitt“ und/oder „ein Abschnitt“ verwendet werden, kann das Element einen Abschnitt und/oder das gesamte Element einschließen, es sei denn, es würde spezifisch das Gegenteil besagt.
Optionale und/oder bevorzugte Merkmale wie hierin dargelegt können gegebenenfalls entweder einzeln oder in Kombination miteinander und insbesondere in den in den beigefügten Patentansprüchen dargelegten Kombinationen verwendet werden. Die optionalen und/oder bevorzugten Merkmale für jeden Aspekt der hierin dargelegten Erfindung sind gegebenenfalls auch auf beliebige andere Aspekte der Erfindung anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5868552 [0102]

Claims

Diffusor für eine Turbine, wobei der Diffusor Folgendes umfasst: einen Einlass, der eine erste Querschnittsfläche aufweist und zur Aufnahme von Fluid konfiguriert ist; einen Auslass, der in Fluidverbindung mit dem Einlass steht und eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist und der Auslass vom Einlass beabstandet ist; eine Diffusorwand, die sich zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt und eine Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche definiert; und eine Reduktionsmittelsperre, die sich mindestens teilweise von der Außenfläche der Diffusorwand aus weg erstreckt, wobei die Reduktionsmittelsperre eine für den Durchgang von Flüssigkeiten undurchlässige Sperrfläche definiert.
Diffusor nach Anspruch 1, wobei die Reduktionsmittelsperre in Bezug auf den Auslass des Diffusors axial vertieft ist.
Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sperrfläche im Wesentlichen eben ist.
Diffusor nach Anspruch 3, wobei der Auslass von dem Einlass entlang einer Längsachse beabstandet ist und wobei die Sperrfläche im Wesentlichen normal zu der Längsachse ist.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sperrfläche in Bezug auf einen axial äußeren Abschnitt der Reduktionsmittelsperre vertieft ist und die Reduktionsmittelsperre eine Tasche definiert.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor eine Vielzahl von Vorsprüngen umfasst, die sich von der Außenfläche der Diffusorwand weg erstreckt, und wobei die Vielzahl von Vorsprüngen die Reduktionsmittelsperre umfasst.
Diffusor nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl der Vorsprünge eine in Umfangsrichtung verteilte Anordnung von Vorsprüngen definiert.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor ferner einen Montagerand umfasst, der so konfiguriert ist, dass er in ein Turbinengehäuseelement eingreift.
Diffusor nach Anspruch 8, wobei sich die Reduktionsmittelsperre zwischen der Außenfläche der Diffusorwand und dem Montagerand erstreckt.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dosierstrukturöffnung durch die Diffusorwand bereitgestellt ist und wobei die Reduktionsmittelsperre die Dosierstrukturöffhung in Umfangsrichtung überlappt.
Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reduktionsmittelsperre eine Öffnung in unmittelbarer Nähe der Diffusorwand umfasst, wobei die Öffnung so konfiguriert ist, dass sie einen Strom von Bypassgas hier hindurch ermöglicht.
Turbinengehäuseanordnung, Folgendes umfassend: ein Turbinengehäuse; und den Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei der Diffusor an dem und mindestens teilweise innerhalb des Turbinengehäuses montiert ist.
Adapterelement für ein Turbinengehäuse, wobei das Adapterelement Folgendes umfasst: einen ersten Verbindungsabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er in das Turbinengehäuse eingreift; einen zweiten Verbindungsabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er in eine Leitung eingreift; eine Außenwand, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt erstreckt; und den Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Adapterelement nach Anspruch 13, wobei sich die Reduktionsmittelsperre zwischen der Diffusorwand und der Außenwand erstreckt.
Adapterelement nach Anspruch 14, wobei sich die Sperrfläche zwischen der Diffusorwand und der Außenwand erstreckt.
Turbinenanordnung, Folgendes umfassend: eine Turbine; und den Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 12 oder das Adapterelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15.
Turbolader, Folgendes beinhaltend: einen Verdichter; ein Lagergehäuse; und die Turbinenanordnung nach Anspruch 16, wobei die Turbine und der Verdichter in Leistungsverbindung stehen.
Diffusor für eine Turbine, wobei der Diffusor Folgendes umfasst: einen Einlass, der eine erste Querschnittsfläche aufweist und zur Aufnahme von Fluid konfiguriert ist; einen Auslass, der in Fluidverbindung mit dem Einlass steht und eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist und der Auslass vom Einlass beabstandet ist; eine Diffusorwand, die sich zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt und eine Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche definiert; einen Montagerand, der sich von der Diffusorwand aus weg erstreckt und so konfiguriert ist, dass er in ein Turbinengehäuse eingreift; und ein Aufnahmemerkmal, das in dem Montagerand definiert ist und konfiguriert ist, um ein Klemmelement aufzunehmen; oder ein Klemmelement, das von dem Montagerand vorspringt, wobei das Klemmelement Folgendes definiert: eine Bohrung, die zur Aufnahme eines Befestigungselements hierdurch konfiguriert ist; und eine Eingriffsfläche, die so konfiguriert ist, dass sie in ein Montagemerkmal eines Turbinengehäuses eingreift.
Turbinengehäuseanordnung, Folgendes umfassend: den Diffusor gemäß Anspruch 18, wobei der Diffusor das Aufnahmemerkmal umfasst; ein Turbinengehäuse, umfassend ein Montagemerkmal; ein Befestigungselement; und ein Klemmelement, wobei das Klemmelement Folgendes definiert: eine Bohrung, die so konfiguriert ist, dass sie das Befestigungselement hierdurch aufnimmt; und eine Eingriffsfläche, die so konfiguriert ist, dass sie mit dem Montagemerkmal eines Turbinengehäuses in Eingriff kommt, wobei das Klemmelement in das Aufnahmemerkmal des Diffusors und das Montagemerkmal des Turbinengehäuses eingreift und in seiner Position durch das Befestigungselement gesichert ist, um den Diffusor an dem und mindestens teilweise innerhalb des Turbinengehäuses zu befestigen.
Turbinengehäuseanordnung, Folgendes umfassend: den Diffusor nach Anspruch 18, wobei der Diffusor das Klemmelement umfasst; ein Turbinengehäuse, das ein Montagemerkmal umfasst; und ein Befestigungselement; wobei das Klemmelement in das Montagemerkmal des Turbinengehäuses eingreift und durch das Befestigungselement in seiner Position gesichert ist, um den Diffusor am und mindestens teilweise im Inneren des Turbinengehäuses zu befestigen.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Befestigungselement durch die Bohrung des Klemmelements hindurch aufgenommen wird und wobei sich ein Drehmomentübertragungsmerkmal des Befestigungselements in unmittelbarer Nähe des Auslasses des Diffusors befindet.
Verfahren zum Zusammenbau der Turbinengehäuseanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Einsetzen des Diffusors mindestens teilweise in das Turbinengehäuse und Ausrichten des Aufnahmemerkmals, oder Klemmelements, mit dem Montagemerkmal; ii) Zwängen der Eingriffsfläche des Klemmelements in Eingriff mit dem Montagemerkmal; und iii) Sichern des Klemmelements in Position unter Verwendung des Befestigungselements.
Bausatz von Teilen, Folgendes umfassend: den Diffusor nach Anspruch 18; und das Turbinengehäuse nach Anspruch 19; und optional das Klemmelement nach Anspruch 18.
Computerprogramm, umfassend computerausführbare Anweisungen, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, ein Gerät zur additiven Fertigung zu steuern, um den Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 18, oder das Adapterelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, zu fertigen.
Verfahren zur Fertigung des Diffusors nach einem der Ansprüche 1 bis 11, oder 18 oder des Adapterelements nach einem der Ansprüche 13 bis 15, mittels additiver Fertigung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzielen einer elektronischen Datei, die eine Geometrie des Diffusors oder des Adapterelements darstellt; und Steuern eines Geräts zur additiven Fertigung, um in einem oder mehreren additiven Fertigungsschritten den Diffusor oder das Adapterelement entsprechend der in der elektronischen Datei vorgegebenen Geometrie zu fertigen.