-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Turbine und einen Turbolader. Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Wirkung der Priorität basierend auf der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-044156 , die am 17. März 2021 eingereicht wurde und deren Inhalt hierin aufgenommen ist.
-
Technischer Hintergrund
-
Einige Turbinen, die in einem Turbolader und dergleichen umfasst sind, sind von einer Bauart, bei der ein Gas in ein Turbinenschaufelrad von einer radial äußeren Seite strömt. Als solch eine Bauart einer Turbine offenbart beispielsweise Patentliteratur 1 eine Radialturbine, in der ein Gas in einer radialen Richtung strömt. Es sei angemerkt, dass Turbinen, in die ein Gas in einer Richtung strömt, die mit Bezug zu der Radialrichtung geneigt ist, als Diagonalströmungsturbinen bezeichnet werden.
-
Zitierungsliste
-
Patentliteratur
-
-
Zusammenfassung
-
Technisches Problem
-
In Turbinen von einer Bauart, bei der ein Gas in ein Turbinenschaufelrad von einer radial äußeren Seite strömt, kann an einem Gaseinlassabschnitt des Turbinenschaufelrads (und zwar an einem Abschnitt des Turbinenschaufelrads, in den das Gas strömt), in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, eine Ablösung der Gasströmung auftreten und ein Wirbel kann erzeugt werden. Falls eine Ablösung der Gasströmung an dem Gaseinlassabschnitt in dem Turbinenschaufelrad auftritt, verringert sich die Effizienz der Turbine.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Turbine und einen Turbolader vorzusehen, die eine Effizienz der Turbine verbessern können.
-
Lösung des Problems
-
Um den vorstehenden Nachteil zu lösen, hat eine Turbine der vorliegenden Offenbarung: einen Turbinenschneckenströmungspfad; ein Turbinenschaufelrad, das an einer radial inneren Seite mit Bezug zu dem Turbinenschneckenströmungspfad angeordnet ist; und eine Schaufel, die in dem Turbinenschaufelrad umfasst ist, wobei die Schaufel eine vordere Kante hat, die zu einer Seite entgegengesetzt zu einer Drehrichtungsseite des Turbinenschaufelrads geneigt ist, während sich die vordere Kante von einer Nabenseite zu einer Deckwandseite erstreckt, wobei die vordere Kante einen Neigungswinkel hat, der größer als 0° und geringer als oder gleich wie 45° mit Bezug zu einer Axialrichtung des Turbinenschaufelrads ist, aus Sicht in der Radialrichtung.
-
Der Neigungswinkel der vorderen Kante kann innerhalb eines Bereichs von 10° bis 30° sein.
-
Die vordere Kante kann eine lineare Form haben.
-
Um den vorstehenden Nachteil zu lösen, hat der Turbolader der vorliegenden Offenbarung die vorstehend beschriebene Turbine.
-
Wirkungen der Offenbarung
-
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Effizienz einer Turbine verbessert werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
- 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Turbolader gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
- 2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in 1.
- 3 ist eine Auszugsansicht eines Teils von 1, der mit einer Einpunkt-Strich-Linie gekennzeichnet ist.
- 4 ist eine Seitenansicht, die ein Turbinenschaufelrad gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
- 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel einer vorderen Kante und dem Unterschied einer Effizienz einer Turbine darstellt.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Abmessungen, Materialien, andere spezifische nummerische Werte und dergleichen, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, sind lediglich ein Beispiel zum Erleichtern eines Verständnisses, und die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, außer es ist anderweitig spezifiziert. Es sei angemerkt, dass, in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen, Komponenten mit im Wesentlichen der gleichen Funktion und dem gleichen Aufbau mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und redundante Erklärungen sind weggelassen. Eine Darstellung von Komponenten, die sich nicht direkt auf die vorliegende Offenbarung beziehen, ist weggelassen.
-
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Turboladers TC. Nachstehend ist eine Beschreibung unter der Voraussetzung gegeben, dass die Richtung eines Pfeils L, der in 1 dargestellt ist, die linke Seite des Turboladers TC ist. Eine Beschreibung ist unter der Voraussetzung gegeben, dass die Richtung eines Pfeils R, der in 1 dargestellt ist, die rechte Seite des Turboladers TC ist. Wie in 1 dargestellt ist, hat der Turbolader TC einen Turboladerhauptkörper 1. Der Turboladerhauptkörper 1 hat ein Lagergehäuse 3, ein Turbinengehäuse 5 und ein Kompressorgehäuse 7. Das Turbinengehäuse 5 ist mit der linken Seite des Lagergehäuses 3 durch einen Befestigungsmechanismus 9 verbunden. Das Kompressorgehäuse 7 ist mit der rechten Seite des Lagergehäuses 3 durch einen Befestigungsbolzen 11 verbunden. Der Turbolader TC hat eine Turbine T und einen Zentrifugalkompressor C. Die Turbine T hat das Lagergehäuse 3 und das Turbinengehäuse 5. Der Zentrifugalkompressor C hat das Lagergehäuse 3 und das Kompressorgehäuse 7.
-
Ein Vorsprung 3a ist an einer äußeren gekrümmten Fläche des Lagergehäuses 3 ausgebildet. Der Vorsprung 3a ist an einer Seite näher zu dem Turbinengehäuse 5 ausgebildet. Der Vorsprung 3a steht in einer Radialrichtung des Lagergehäuses 3 vor. Ein Vorsprung 5a ist an einer äußeren gekrümmten Fläche des Turbinengehäuses 5 ausgebildet. Der Vorsprung 5a ist an einer Seite näher zu dem Lagergehäuse 3 ausgebildet. Der Vorsprung 5a steht in einer radialen Richtung des Turbinengehäuses 5 vor. Das Lagergehäuse 3 und das Turbinengehäuse 5 sind durch den Befestigungsmechanismus 9 aneinander bandbefestigt. Der Befestigungsmechanismus 9 ist beispielsweise eine G-Kopplung. Der Befestigungsmechanismus 9 klemmt die Vorsprünge 3a und 5a.
-
Ein Lagerloch 3b ist in dem Lagergehäuse 3 ausgebildet. Das Lagerloch 3b geht durch den Turbolader TC in der Links-Rechts-Richtung hindurch. Ein Lager ist in dem Lagerloch 3b angeordnet. Eine Welle 13 ist durch das Lager hindurch eingesetzt. Das Lager stützt schwenkbar die Welle 13 in einer frei drehbaren Weise. Das Lager ist ein Gleitlager. Jedoch ist das Lager nicht darauf beschränkt und kann ein Wälzlager sein. An einem linken Ende der Welle 13 ist ein Turbinenschaufelrad 15 vorgesehen. Das Turbinenschaufelrad 15 ist in dem Turbinengehäuse 5 in einer frei drehbaren Weise beherbergt. An einem rechten Ende der Welle 13 ist ein Kompressorlaufrad 17 vorgesehen. Das Kompressorlaufrad 17 ist in dem Kompressorgehäuse 7 in einer frei drehbaren Weise untergebracht.
-
Ein Ansauganschluss 19 ist in dem Kompressorgehäuse 7 ausgebildet. Der Ansauganschluss 19 öffnet zu der rechten Seite des Turboladers TC. Der Ansauganschluss 19 ist mit einem Luftfilter (nicht dargestellt) verbunden. Zugewandte Flächen des Lagergehäuses 3 und des Kompressorgehäuses 7 bilden einen Diffusorströmungspfad 21. Der Diffusorströmungspfad 21 beaufschlagt die Luft mit Druck. Der Diffusorströmungspfad 21 ist in einer ringförmigen Form ausgebildet. Der Diffusorströmungspfad 21 ist mit dem Ansauganschluss 19 über das Kompressorlaufrad 17 an der radial inneren Seite in Verbindung.
-
Ein Kompressorschneckenströmungspfad 23 ist in dem Kompressorgehäuse 7 ausgebildet. Der Kompressorschneckenströmungspfad 23 ist in einer ringförmigen Form ausgebildet. Der Kompressorschneckenströmungspfad 23 ist an einer äußeren Seite in der Radialrichtung der Welle 13 mit Bezug zu dem Diffusorströmungspfad 21 positioniert. Der Kompressorschneckenströmungspfad 23 ist mit einem Ansauganschluss einer Maschine (nicht dargestellt) und dem Diffusorströmungspfad 21 in Verbindung. Wenn das Kompressorlaufrad 17 dreht, wird die Luft von dem Ansauganschluss 19 in das Kompressorgehäuse 7 gesaugt. Die angesaugte Luft wird mit Druck beaufschlagt und beschleunigt in dem Prozess des Strömens zwischen Schaufeln des Kompressorlaufrads 17. Die mit Druck beaufschlagte und beschleunigte Luft wird durch den Diffusorströmungspfad 21 und den Kompressorschneckenströmungspfad 23 weiter mit Druck beaufschlagt. Die mit Druck beaufschlagte Luft wird zu dem Ansauganschluss der Maschine geführt.
-
In dem Turbinengehäuse 5 sind ein Abgabeströmungspfad 25, eine Unterbringungseinheit 27 und ein Abgasströmungspfad 29 ausgebildet. Der Abgabeströmungspfad 25 öffnet zu der linken Seite des Turboladers TC. Der Abgabeströmungspfad 25 ist mit einer Abgasreinigungsvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Der Abgabeströmungspfad 25 ist mit der Unterbringungseinheit 27 in Verbindung. Der Abgabeströmungspfad 25 ist fortlaufend mit der Unterbringungseinheit 27 in der Drehachsenrichtung des Turbinenschaufelrads 15. Die Unterbringungseinheit 27 bringt das Turbinenschaufelrad 15 unter. Der Abgasströmungspfad 29 ist an einer radial äußeren Seite mit Bezug zu dem Turbinenschaufelrad 15 ausgebildet. Der Abgasströmungspfad 29 ist in einer ringförmigen Form ausgebildet. Der Abgasströmungspfad 29 hat einen Turbinenschneckenströmungspfad 29a. Der Turbinenschneckenströmungspfad 29a ist mit der Unterbringungseinheit 27 in Verbindung. Das heißt das Turbinenschaufelrad 15 ist an einer radial inneren Seite mit Bezug zu dem Turbinenschneckenströmungspfad 29a angeordnet.
-
Der Abgasströmungspfad 29 ist mit einem Abgassammler der Maschine (nicht dargestellt) in Verbindung. Das Abgas, das von dem Abgassammler der Maschine (nicht dargestellt) abgegeben wird, wird zu dem Abgabeströmungspfad 25 über den Abgasströmungspfad 29 und die Unterbringungseinheit 27 geführt. Das Abgas, das zu dem Abgabeströmungspfad 25 geführt wird, dreht das Turbinenschaufelrad 15 in dem Prozess des Strömens durch dieses hindurch.
-
Die Drehkraft des Turbinenschaufelrads 15 wird über die Welle 13 zu dem Kompressorlaufrad 17 übertragen. Wenn das Kompressorlaufrad 17 dreht, wird die Luft mit Druck beaufschlagt, wie vorstehend beschrieben ist. In dieser Weise wird die Luft zu dem Ansauganschluss der Maschine geführt.
-
2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in 1. In 2 ist, hinsichtlich des Turbinenschaufelrads 15, nur der Außenumfang als ein Kreis dargestellt. Wie in 2 dargestellt ist, ist der Abgasströmungspfad 29 an der radial äußeren Seite der Unterbringungseinheit 27 (und zwar der radial äußeren Seite des Turbinenschaufelrads 15) ausgebildet. Der Abgasströmungspfad 29 hat den Turbinenschneckenströmungspfad 29a, einen Verbindungsabschnitt 29b, einen Abgaseinleitungsanschluss 29c und einen Abgaseinleitungspfad 29d.
-
Der Verbindungsabschnitt 29b ist in einer ringförmigen Form über den gesamten Umfang der Unterbringungseinheit 27 ausgebildet. Der Turbinenschneckenströmungspfad 29a ist an einer radial äußeren Seite des Turbinenschaufelrads 15 mit Bezug zu dem Verbindungsabschnitt 29b positioniert. Der Turbinenschneckenströmungspfad 29a ist ringförmig über den gesamten Umfang des Verbindungsabschnitts 29b (und zwar den gesamten Umfang der Unterbringungseinheit 27) ausgebildet. Der Verbindungsabschnitt 29b verbindet die Unterbringungseinheit 27 mit dem Turbinenschneckenströmungspfad 29a. Ein Zungenabschnitt 31 ist in dem Turbinengehäuse 5 ausgebildet. Der Zungenabschnitt 31 ist an einem Ende an der stromabwärtigen Seite des Turbinenschneckenströmungspfads 29a vorgesehen und teilt in einen Abschnitt an der stromabwärtigen Seite und einen Abschnitt an der stromaufwärtigen Seite des Turbinenschneckenströmungspfads 29a.
-
Der Abgaseinleitungsanschluss 29c öffnet zu der Außenseite des Turbinengehäuses 5. Ein Abgas, das von dem Abgassammler der Maschine (nicht dargestellt) abgegeben wird, wird zu dem Abgaseinleitungsanschluss 29c eingeleitet. Der Abgaseinleitungspfad 29d ist zwischen dem Abgaseinleitungsanschluss 29c und dem Turbinenschneckenströmungspfad 29a ausgebildet. Der Abgaseinleitungspfad 29d verbindet den Abgaseinleitungsanschluss 29c und den Turbinenschneckenströmungspfad 29a. Der Abgaseinleitungspfad 29d ist beispielsweise in einer linearen Form ausgebildet. Der Abgaseinleitungspfad 29d führt das Abgas, das von dem Abgaseinleitungsanschluss 29c eingeleitet worden ist, zu dem Turbinenschneckenströmungspfad 29a. Der Turbinenschneckenströmungspfad 29a führt das Abgas, das von dem Abgaseinleitungspfad 29d eingeleitet worden ist, zu der Unterbringungseinheit 27 über den Verbindungsabschnitt 29b.
-
Ein Umgehungsströmungspfad 33 ist in dem Turbinengehäuse 5 ausgebildet. Ein Einlassende OP des Umgehungsströmungspfads 33 öffnet zu dem Abgasströmungspfad 29 (im Speziellen zu dem Abgaseinleitungspfad 29d). Ein Auslassende des Umgehungsströmungspfads 33 öffnet zu dem Abgabeströmungspfad 25 (siehe 1). Der Umgehungsströmungspfad 33 stellt eine Verbindung zwischen dem Abgaseinleitungspfad 29d und dem Abgabeströmungspfad 25 her (verbindet diese). Ein Wastegate-Anschluss WP (siehe 1) ist an dem Auslassende des Umgehungsströmungspfads 33 ausgebildet. Ein Wastegate-Ventil WV (siehe 1), das in der Lage ist, den Wastegate-Anschluss WP zu öffnen und zu schließen, ist an dem Auslassende des Umgehungsströmungspfads 33 angeordnet. Das Wastegate-Ventil WV ist im Inneren des Abgabeströmungspfads 25 angeordnet. Wenn das Wastegate-Ventil WV den Wastegate-Anschluss WP öffnet, gestattet der Umgehungsströmungspfad 33 ein Strömen eines Teils des Abgases durch den Abgaseinleitungspfad 29d, um die Unterbringungseinheit 27 (und zwar das Turbinenschaufelrad 15) zu umgehen und in den Abgabeströmungspfad 25 zu strömen.
-
In der Turbine T wird, durch Steuern des Öffnungs- und Schließbetriebs des Wastegate-Anschlusses WP, die Strömungsrate des Abgases, das in das Turbinenschaufelrad 15 einströmt, eingestellt. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Turbine T eine Turbine mit variabler Kapazität. Der Umgehungsströmungspfad 33 und das Wastegate-Ventil WV entsprechen einem Strömungsrateneinstellungsmechanismus zum Einstellen der Strömungsrate des Abgases, das in das Turbinenschaufelrad 15 strömt. Jedoch ist der Strömungsrateneinstellungsmechanismus nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt, wie später beschrieben wird.
-
3 ist ein Auszugsdiagramm eines Abschnitts von 1, der mit einer Strichlinie mit einem abwechselnd langen und kurzen Strich gekennzeichnet ist. Wie in 3 dargestellt ist, hat das Turbinenschaufelrad 15 eine Nabe 15a und eine Vielzahl von Schaufeln 15b. Nachstehend werden die Axialrichtung, die Umfangsrichtung und die Radialrichtung des Turbinenschaufelrads 15 auch einfach als die Axialrichtung, die Umfangsrichtung und die Radialrichtung bezeichnet. Die Nabe 15a ist mit dem linken Ende der Welle 13 verbunden (siehe 1). Der Außendurchmesser der Nabe 15a verringert sich mit Annäherung an die linke Seite des Turboladers TC. Eine Vielzahl von Schaufeln 15b ist an der äußeren gekrümmten Fläche der Nabe 15a vorgesehen. Die Vielzahl von Schaufeln 15b sind in Abständen in der Umfangsrichtung vorgesehen. Eine Schaufel 15b ist ausgebildet, um sich von der äußeren gekrümmten Fläche der Nabe 15a radial nach außen zu erstrecken. Die äußere Kante der Schaufel 15b hat eine vordere Kante LE und eine hintere Kante TE.
-
Die vordere Kante LE ist eine stromaufwärtige Kante der Schaufel 15b in der Strömungsrichtung des Abgases. Die vordere Kante LE ist eine Kante der Schaufel 15b an der Seite des Turbinenschneckenströmungspfads 29a. Ein Abgas strömt zu der vorderen Kante LE von dem Turbinenschneckenströmungspfad 29a. Das heißt der Abschnitt des Turbinenschaufelrads 15, wo vordere Kanten LE angeordnet sind, korrespondiert zu dem Einlassabschnitt (und zwar einem Abschnitt des Turbinenschaufelrads 15, in den das Abgas strömt) des Abgases in dem Turbinenschaufelrad 15. Die vordere Kante LE ist an der rechten Endseite der Schaufel 15 ausgebildet. Die vordere Kante LE erstreckt sich in der Axialrichtung des Turbinenschaufelrads 15 aus Sicht in der Umfangsrichtung. In dem Beispiel von 3 ist die vordere Kante LE radial nach außen geneigt, während sie sich in der Axialrichtung erstreckt. Jedoch kann die vordere Kante LE, aus Sicht in der Umfangsrichtung, parallel zu der Axialrichtung sein.
-
Das rechte Ende der vorderen Kante LE ist ein nabenseitiges Ende P1 (und zwar ein Ende an der Seite der Nabe 15a). Das linke Ende der vorderen Kante LE ist ein deckbandseitiges Ende P2 (und zwar ein Ende an einer Seite des Deckbands 27a, das ein Abschnitt des Turbinengehäuses 5 ist, wobei der Abschnitt die Unterbringungseinheit 27 ausbildet). Die vordere Kante LE erstreckt sich von dem nabenseitigen Ende P1 zu dem deckbandseitigen Ende P2.
-
Die hintere Kante TE ist eine stromabwärtige Kante der Schaufel 15b in der Strömungsrichtung des Abgases. Die hintere Kante TE ist eine Kante der Schaufel 15b an der Seite des Abgabeströmungspfads 25. Das Abgas strömt von der hinteren Kante TE zu dem Abgabeströmungspfad 25 aus. Die hintere Kante TE ist an der linken Endseite der Schaufel 15b ausgebildet. Die hintere Kante TE erstreckt sich in der Radialrichtung aus Sicht in der Umfangsrichtung. Im Speziellen erstreckt sich die hintere Kante TE in der Radialrichtung, während sie in der Umfangsrichtung verdreht ist.
-
Ein Abschnitt der Außenumfangskante der Schaufel 15b zwischen der vorderen Kante LE und der hinteren Kante TE erstreckt sich entlang des Deckbands 27a des Turbinengehäuses 5.
-
Wie durch einen Pfeil FD in 3 gekennzeichnet ist, strömt das Abgas in das Turbinenschaufelrad 15 von der radial äußeren Seite. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Turbine T eine radiale Turbine. Es sei angemerkt, dass die Turbine T eine Diagonalströmungsturbine sein kann, in die das Abgas von der radial äußeren Seite in einer Richtung strömt, die mit Bezug zu der Radialrichtung geneigt ist.
-
Hier kann in der Turbine T der Bauart, bei der Abgas in das Turbinenschaufelrad 15 von der radial äußeren Seite strömt, an dem Einlassabschnitt des Abgases in dem Turbinenschaufelrad 15, in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, eine Ablösung der Gasströmung auftreten, und ein Wirbel kann erzeugt werden. In der Turbine T, die eine Turbine mit variabler Kapazität ist, variieren Betriebsbedingungen (im Speziellen beispielsweise die Strömungsrate des Abgases, das in das Turbinenschaufelrad 15 strömt) über einen breiten Bereich. Deshalb ist es in der Turbine T, die eine Turbine mit variabler Kapazität ist, besonders wahrscheinlich, dass eine Ablösung der Gasströmung an dem Einlassabschnitt des Abgases in dem Turbinenschaufelrad 15 auftritt. Solch eine Ablösung der Gasströmung verursacht eine Verringerung der Effizienz der Turbine T. In der Turbine T, die eine Turbine mit variabler Kapazität ist, gibt es eine besonders hohe Notwendigkeit, die Effizienz der Turbine T zu verbessern.
-
Deshalb sind in der Turbine T gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Formen der Schaufeln 15b des Turbinenschaufelrads 15 konzipiert, um die Effizienz der Turbine T zu verbessern. Nachstehend wird die Form einer Schaufel 15b des Turbinenschaufelrads 15 im Detail mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
-
4 ist eine Seitenansicht, die das Turbinenschaufelrad 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt. Eine vordere Kante LE einer Schaufel 15b des Turbinenschaufelrads 15 ist zu einer Seite entgegengesetzt zu einer Seite einer Drehrichtung RD des Turbinenschaufelrads 15 geneigt, mit Erstreckung von der Seite der Nabe 15a zu der Seite des Deckbands 27a. Das heißt in jeder der Schaufeln 15b ist die Umfangsposition eines nabenseitigen Endes P1 einer vorderen Kante LE vorauseilend in der Drehrichtung RD mit Bezug zu der Umfangsposition eines deckbandseitigen Endes P2 der vorderen Kante LE. In dem Beispiel von 4 ist die Drehrichtung R eine Gegenuhrzeigersinnrichtung, wenn das Turbinenschaufelrad 15 von der linken Seite (und zwar von oben in 4) des Turboladers TC angesehen wird.
-
Eine vordere Kante LE hat eine lineare Form. Im Speziellen erstreckt sich eine vordere Kante LE entlang einer geraden Linie, die ein nabenseitiges Ende P1 und ein deckbandseitiges Ende P2 verbindet. Jedoch ist die Form der vorderen Kante LE nicht auf die lineare Form beschränkt. Beispielsweise kann ein Teil der vorderen Kante LE gekrümmt oder gebogen sein.
-
Der Erfinder hat durch Durchführen einer Strömungsanalysesimulation herausgefunden, dass die Effizienz der Turbine T in Abhängigkeit des Neigungswinkels a1 der vorderen Kante LE mit Bezug zu einer Axialrichtung AD des Turbinenschaufelrads 15, aus Sicht in der Radialrichtung, variiert. In der Strömungsanalysesimulation wurden der Zustand der Gasströmung in dem Turbinenschaufelrad 15, wenn der Neigungswinkel a1 in verschiedenen Weisen variiert wird (beispielsweise die Richtung, die Geschwindigkeit, die Entropie und weitere), und die Effizienz der Turbine T berechnet. Insbesondere wurde es klar von der Strömungsanalysesimulation, dass die Effizienz der Turbine T in einem Fall verbessert ist, in dem die vordere Kante LE zu der Seite entgegengesetzt zu der Seite der Drehrichtung RD des Turbinenschaufelrads 15 geneigt ist, während sich die vordere Kante LE von der Seite der Nabe 15a zu der Seite des Deckbands 27a erstreckt, und der Neigungswinkel a1 innerhalb eines spezifischen Bereichs festgelegt ist. Als eine Folge ist in der Turbine T gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE größer als 0° und gleich wie oder kleiner als 45°. Als eine Folge ist die Effizienz der Turbine T verbessert.
-
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel a1 [°] der vorderen Kante LE und dem Unterschied einer Effizienz ΔE [%] der Turbine T darstellt. 5 ist ein Graph, der durch die Strömungsanalysesimulation erhalten wird. Der Unterschied einer Effizienz ΔE der Turbine T ist ein Änderungsbetrag der Effizienz der Turbine T bei jedem Neigungswinkel a1 mit Bezug zu der Effizienz der Turbine T eines Falls, in dem der Neigungswinkel a1 0° ist. Das heißt der Unterschied einer Effizienz ΔE wird durch Subtrahieren der Effizienz der Turbine T des Falls, in dem der Neigungswinkel a1 0° ist, von der Effizienz der Turbine T bei jedem Neigungswinkel a1 erhalten. Die Effizienz der Turbine T ist das Verhältnis von Energie, die durch die Turbine T erzeugt wird, zu Energie, die zu der Turbine T eingegeben wird.
-
Gemäß dem Graphen, der in 5 dargestellt ist, kann gesehen werden, dass die Effizienz der Turbine T in einem Fall höher ist, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE größer als 0° und geringer als oder gleich wie 45° ist, im Vergleich zu einem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 geringer als oder gleich wie 0° ist, oder einem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 größer als 45° ist. Es sei angemerkt, dass der Fall, in dem der Neigungswinkel a1 geringer als oder gleich 0° ist, ein Fall ist, in dem die vordere Kante LE parallel zu der Axialrichtung AD ist, oder ein Fall ist, in dem die vordere Kante LE zu der Seite der Drehrichtung RD des Turbinenlaufrads 15 geneigt ist, während sie sich von der Seite der Nabe 15a zu der Seite des Deckbands 27a erstreckt.
-
In der Strömungsanalysesimulation wurde beobachtet, dass in dem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE größer als 0° und geringer als oder gleich wie 45° ist, eine Ablösung der Gasströmung und eine Erzeugung eines Wirbels, der durch die Ablösung verursacht wird, in dem Abschnitt unterdrückt werden, in dem die vordere Kante LE in dem Turbinenschaufelrad 15 angeordnet ist (und zwar dem Einlassabschnitt des Abgases in dem Turbinenschaufel 15). Das heißt es ist denkbar, dass in dem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE größer als 0° und geringer als oder gleich wie 45° ist, die Ablösung der Gasströmung unterdrückt wird, und somit ist, als eine Folge, die Effizienz der Turbine T verbessert.
-
Gemäß der Strömungsanalysesimulation kann man sehen, dass in einem Fall, in dem die vordere Kante LE zu der Seite entgegengesetzt zu der Seite der Drehrichtung RD des Turbinenschaufelrads 15 geneigt ist, während sie sich von der Seite der Nabe 15a zu der Seite des Deckbands 27a erstreckt, der Stoß, wenn das Abgas, das von der vorderen Kante LE1 einströmt, mit der Schaufel 15b kollidiert, abgeschwächt wird und eine Erzeugung eines Wirbels der Strömung des Abgases unterdrückt wird. Darüber hinaus kann man sehen, dass in einem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE übermäßig groß ist, die Strömung des Abgases weniger wahrscheinlich entlang der Schaufel 15b folgt, nachdem das Abgas, das von der vorderen Kante LE eingeströmt ist, mit der Schaufel 15b kollidiert ist, und eine Ablösung der Gasströmung tritt wahrscheinlicher auf.
-
In dem Graphen, der in 5 dargestellt ist, hat in einem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 ungefähr 20° ist, der Unterschied einer Effizienz ΔE der Turbine T den maximalen Wert. Wie vorstehend beschrieben ist, kann man gemäß dem Graphen, der in 5 dargestellt ist, sehen, dass sich die Effizienz der Turbine T insbesondere in einem Fall verbessert, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE innerhalb eines Bereichs von 10° bis 30° ist.
-
In der Strömungsanalysesimulation konnte man sehen, dass in dem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE innerhalb des Bereichs von 10° bis 30° ist, eine Ablösung der Gasströmung und eine Erzeugung eines Wirbels, der durch die Ablösung verursacht wird, wirksam in dem Abschnitt unterdrückt werden, in dem die vordere Kante LE in dem Turbinenschaufelrad 15 angeordnet ist (und zwar in dem Einlassabschnitt des Abgases in dem Turbinenschaufelrad 15). Das heißt es ist denkbar, dass in dem Fall, in dem der Neigungswinkel a1 der vorderen Kante LE innerhalb des Bereichs von 10° bis 30° ist, die Ablösung der Gasströmung effizient unterdrückt wird, und somit wird die Effizienz der Turbine T wirksam verbessert.
-
Wie vorstehend beschrieben ist, hat in der Turbine T eine vordere Kante LE eine lineare Form. Dies macht es möglich, eine Verbesserung der Effizienz der Turbine T in geeigneter Weise umzusetzen, durch Optimieren des Neigungswinkels a1 auf der Basis des Wissens, das von der Strömungsanalysesimulation erhalten wird.
-
Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden sind, ist es natürlich zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es ist klar, dass der Fachmann sich verschiedene Modifikationen oder Variationen innerhalb des Umfangs, der in den Ansprüchen beschrieben ist, erdenken kann, und es ist zu verstehen, dass sie natürlich auch innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Offenbarung sind.
-
In der vorstehenden Beschreibung ist das Beispiel beschrieben worden, in dem die Turbine T von einer Bauart mit einer einzelnen Schnecke ist (einer Bauart, bei der die Anzahl von Turbinenschneckenströmungspfaden 29a eins ist), jedoch ist die Bauart der Turbine T nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann die Turbine T von einer Doppelschneckenbauart (einer Bauart, bei der zwei Turbinenschneckenströmungspfade 29a mit der Unterbringungseinheit 27 bei unterschiedlichen Umfangspositionen verbunden sind) oder von einer Zwillingsschneckenbauart sein (einer Bauart, bei der zwei Turbinenschneckenströmungspfade 29a Seite an Seite in der Axialrichtung angeordnet sind).
-
Das Beispiel ist vorstehend beschrieben worden, in dem der Umgehungsströmungspfad 33 und das Wastegate-Ventil WV als der Strömungsrateneinstellungsmechanismus zum Einstellen der Strömungsrate des Abgases, das in das Turbinenschaufelrad 15 strömt, verwendet werden. Jedoch ist der Strömungsrateneinstellungsmechanismus nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann, als der Strömungsrateneinstellungsmechanismus, ein Mechanismus verwendet werden, der eine Vielzahl von variablen Düsenschaufeln hat, die in der Lage sind, die Querschnittsfläche eines Strömungspfads an der stromaufwärtigen Seite mit Bezug zu dem Turbinenschaufelrad 15 einzustellen. Die Vielzahl von variablen Düsenschaufeln ist an der radial äußeren Seite mit Bezug zu dem Turbinenschaufelrad 15 vorgesehen. Die Vielzahl von variablen Düsenschaufeln ist in Abständen in der Umfangsrichtung des Turbinenschaufelrads 15 vorgesehen. Wenn die variablen Düsenschaufeln drehen, variiert die Querschnittsfläche des Strömungspfads an der stromaufwärtigen Seite des Turbinenschaufelrads 15 in Abhängigkeit des Drehwinkels der variablen Düsenschaufeln. Als eine Folge wird die Strömungsrate des Abgases, das in das Turbinenschaufelrad 15 einströmt, eingestellt. Es sei angemerkt, dass die Turbine T nicht mit dem Strömungsrateneinstellungsmechanismus versehen sein muss. Sowohl der Strömungsrateneinstellungsmechanismus, der das Wastegate-Ventil WV hat, als auch der Strömungsrateneinstellungsmechanismus, der die variablen Düsenschaufeln hat, kann an der Turbine T vorgesehen sein.
-
Das Beispiel ist vorstehend beschrieben worden, in dem die Turbine T in dem Turbolader TC umfasst ist. Jedoch kann die Turbine T in einer Vorrichtung umfasst sein, die anders ist als der Turbolader TC.
-
Bezugszeichenliste
-
- 15
- Turbinenschaufelrad
- 15a
- Nabe
- 15b
- Schaufel
- 27a
- Deckband
- 29a
- Turbinenschneckenströmungspfad
- AD
- Axialrichtung
- LE
- vordere Kante
- RD
- Drehrichtung
- T
- Turbine
- TC
- Turbolader
- a1
- Neigungswinkel
-
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
-
- JP 2021044156 [0001]
- WO 2014128898 A [0003]
