DE19936507A1

DE19936507A1 - Turbinenleitschaufel für einen Abgas-Turbolader

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Publication number: DE19936507A1
Application number: DE19936507A
Authority: DE
Original assignee: 3K Warner Turbosystems GmbH
Current assignee: 3K Warner Turbosystems GmbH
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2001-02-15
Also published as: JP2003506615A; DE60026849D1; EP1200713A1; DE60026849T2; WO2001011197A1; EP1200713B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel für einen Abgas-Turbolader. DOLLAR A Um die Herstellungskosten zu senken, ohne den Wirkungsgrad nenenswert zu beeinträchtigen, wird die Turbinenleitschaufel mit den folgenden Merkmalen ausgestattet: DOLLAR A mit einem Schaufelblatt; DOLLAR A mit einem das Schaufelblatt tragenden Schaufelschaft; DOLLAR A das Schaufelblatt besteht aus einem Blechstreifen; DOLLAR A das Schaufelblatt weist zwei Kanten auf, die senkrecht zur Drehachse des Schaufelschaftes verlaufen (Längskanten), zwei Kanten, die parallel zur Drehachse des Schaufelschaftes verlaufen oder gegen die Drehachse des Schaufelschaftes geneigt sind (Querkanten), sowie zwei Breitflächen, die jeweils in Ebenen liegen, die ihrerseits zur Drehachse des Schaufelschaftes parallel verlaufen; DOLLAR A Schaufelblatt und Schaufelschaft sind miteinander verlötet oder verschweißt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel für einen Abgas-Turbolader. Abgas-Turbolader sind beispielsweise aus DE 199 24 228 A1 bekannt geworden.

PKW-Motoren haben bekanntlich einen großen Drehzahlbereich. Deshalb ist es notwendig, daß der Abgas-Turbolader bei nahezu konstantem Ladedruck in einem möglichst weitem Drehzahlbereich regelbar ist. Eine energetisch günstige Regelung ermöglicht eine optimale Nutzung der Abgasenergie. Hierzu werden verstellbare Turbinenleitschaufeln verwendet. Diese ermöglichen einen großen Regelbereich und zugleich einen hohen Wirkungsgrad. Die Leitschaufeln sind in einem Kranz angeordnet. Jede Schaufel umfaßt ein Schaufelblatt und einen Schaufelschaft, die drehfest miteinander verbunden sind. Dem Leitschaufelkranz ist ein Verstellring zugeordnet. Durch Verdrehen des Verstellringes wird jeder Schaufelschaft um die eigene Längsachse verdreht, und damit wird der Anstellwinkel des Schaufelblattes verändert.

Der Gestaltung des Schaufelblattes wird große Bedeutung beigemessen. Es hat im allgemeinen die Form des Tragflügels eines Flugzeuges. Die Schaufelblätter werden gegossen, und die Schaufelschäfte werden mit den Blättern drehfest verbunden, beispielsweise durch Einschrauben. Auch ist es bekannt, die komplette Schaufel einschließlich Schaufelschaft und Schaufelblatt aus einem Gußteil herzustellen. In jedem Falle ist das Herstellungsverfahren des Gießens ein aufwendiges und teures Verfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Turbinenleitschaufeln für Abgas- Turbolader derart zu gestalten, daß die Herstellungskosten gesenkt werden können, das aber der Wirkungsgrad wenigstens annähernd erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Der Erfinder hat erkannt, daß auch bei einer Gestaltung der Schaufel, insbesondere des Schaufelblattes, gemäß Anspruch 1 der Wirkungsgrad des Ausnutzens der Abgasenergie im wesentlichen erhalten bleibt. Die Schaufelform ist somit extrem einfach, da das Schaufelblatt nämlich nur aus einem Blechstreifen besteht. Die Herstellung ist extrem kostengünstig, da die einzelnen Blechstreifen aus Stangenmaterial heruntergeschnitten werden können.

Gewisse Wirkungsgradverbesserungen lassen sich dadurch erzielen, daß die Kantenflächen der Querkanten unter einem gewissen Winkel zu den Breitflächen des Schaufelblattes verlaufen. Auch lassen sich unter gewissen Umständen Verbesserungen erzielen, wenn man beim Schaufelblatt von der Rechteckform abweicht.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1-4 zeigen eine Turbinenleitschaufel mit verschiedenen Winkeln der Querkantenflächen.

Fig. 5 zeigt ein trapezförmiges Schaufelblatt - in Draufsicht auf die Breitfläche gesehen.

Fig. 6 zeigt ein parallelogrammförmiges Schaufelblatt - in Richtung auf die Breitfläche gesehen.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Anzahl von Schaufelblättern, heruntergeschnitten von einem Blechband.

Fig. 8 stellt eine herkömmliche Turbinenleitschaufel dar, in Richtung der Drehachse des Schaufelschaftes gesehen.

Fig. 9 verdeutlicht in einem Diagramm den Abgasdurchsatz in Abhängigkeit der Expansionsverhältnisse für eine konventionelle Turbinenleitschaufel und eine erfindungsgemäß gestaltete Turbinenleitschaufel.

Fig. 10 verdeutlicht einander gegenübergestellt den Turbinenwirkungsgrad in Abhängigkeit des Abgasdurchsatzes für eine konventionelle Turbinenleitschaufel und erfindungsgemäß gestalteter Turbinenleitschaufel.

Fig. 11 verdeutlicht anhand einer Tabelle die Randbedingungen des durchgeführten Zyklustestes.

In Fig. 1a sieht man eine Turbinenleitschaufel mit einem Schaufelblatt 1 und einem Schaufelschaft 2, und zwar in Blickrichtung auf die Drehachse 2.1 des Schaufelschaftes.

In Fig. 1b sieht man die Turbinenleitschaufel gemäß Fig. 1a in einer Draufsicht auf die eine Breitfläche 1.1.1 des Schaufelblattes 1.

Das Schaufelblatt 1 weist zwei Längskanten 1.2.1, 1.2.2 auf, sowie zwei Querkanten 1.3.1, 1.3.2. Im allgemeinen sind die Längskanten länger als die Querkanten.

Im Bereich der Querkanten befinden sich Querkantenflächen 1.4.1, 1.4.2. Im vorliegenden Falle verlaufen diese unter einem Winkel von 20 Grad zu den Breitflächen. Andere Winkel sind möglich, beispielsweise 15 oder 30 Grad.

Dabei sind beide Querkantenflächen 1.4.1, 1.4.2 unter demselben Winkel zu den Breitflächen 1.1.1, 1.1.2 angeordnet.

Die Verbindung zwischen Schaufelblatt 1 und Schaufelschaft 2 ist im vorliegenden Falle durch Schweißen gemäß dem Wolfram-Inertgas-Verfahren hergestellt. Sie kann auch hergestellt werden durch Hartlöten oder durch Schweißen gemäß dem Argon-Verfahren.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 2a und 2b sind die beiden Querkantenflächen 1.3.1, 1.3.2 wiederum unter einem nicht-rechten Winkel gegen die Breitflächen 1.1.1, 1.1.2 angeordnet. Die Neigung der genannten Querkantenflächen ist jedoch in diesem Falle eine andere, als im Falle der Fig. 1a und 1b.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3a, 3b verlaufen die beiden Querkantenflächen 1.1.1, 1.1.2 zwar auch jeweils unter Winkeln zu den Breitflächen 1.4.1, 1.4.2, jedoch verlaufen die beiden Querkantenflächen nicht in zueinander parallelen Ebenen.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 4a und 4b verlaufen die beiden Querkantenflächen wiederum in Ebenen, die nicht parallel zueinander sind. Diese Ausführungsform ist analog jener gemäß der Fig. 3a und 3b, jedoch mit jeweils umgekehrten Neigungen der Querkantenflächen.

Die in Fig. 5 dargestellte Trapezform der Breitflächen kann in manchen Fällen vorteilhaft sein. Dabei kann der Schaufelschaft 2 an der einen oder an beiden Längskanten 1.2.1, 1.2.2 angesetzt sein (NFZ).

Desgleichen kann die Parallelogrammform gemäß Fig. 6 in manchen Fällen vorteilhaft sein.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Schaufeln ist die Herstellung besonders einfach und kostengünstig. Die Schaufelblätter können nämlich von einem fortlaufenden Blechband heruntergeschnitten werden. Das Blechband kann von einer Rolle ablaufen, deren Anfang einer Schneideinrichtung zugefördert wird. Dabei erfolgt das Zerlegen des Blechbandes in Blechstreifen zweckmäßigerweise derart, daß die gewünscht Schaufelblattform gewonnen wird. Will man beispielsweise ein Schaufelblatt erzeugen, das - in Draufsicht auf die Breitfläche - parallelogrammförmig ist, so wird das Schneidwerkzeug derart angeordnet, daß die Schneidkante unter dem gewünschten Parallelogrammwinkel in Bezug auf die Förderrichtung des Blechstreifens verläuft. Das Schneidwerkzeug wird bei jedem Schneidvorgang abgesenkt, um das Blechband zu durchtrennen. Bei dem Schneidvorgang steht das Blechband still.

Will man hingegen ein Schaufelblatt erzeugen, das trapezförmig ist, so muß das Schneidwerkzeug zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneidvorgängen außerdem noch um eine Achse verschwenkt werden, die in Absenkrichtung des Schneidwerkzeuges verläuft.

Fig. 9 zeigt den Vergleich des Abgasdurchsatzes in Abhängigkeit der Expansionsverhältnisse der Turbine zwischen der konventionellen Turbinenleitschaufel und den vier untersuchten Varianten.

Fig. 10 zeigt den Vergleich des Turbinenwirkungsgrades η in Abhängigkeit des Abgasdurchsatzes zwischen der konventionellen Turbinenleitschaufel und den vier untersuchten Varianten. Es zeigt sich, daß die Variante B das beste Ergebnis erzielt und praktisch gleichwertig mit der Originalschaufel ist.

Fig. 11 verdeutlicht die Definition des durchgeführten Zyklustests. Die Höchsttemperatur von 980°C im 2. Schritt weist darauf hin, daß die Blechschaufeln auch für Ottoanwendungen geeignet sind.

Bezugszeichenliste

1

Schaufelblatt

1.1.1

Breitfläche

1.1.2

Breitfläche

1.2.1

Längskante

1.2.2

Längskante

1.3.1

Querkante

1.3.2

Querkante

1.4.1

Querkantenfläche

1.4.2

Querkantenfläche

2

Schaufelschaft

2.1

Drehachse des Schaufelschaftes

Claims

1. Turbinenleitschaufel für einen Abgas-Turbolader;

1. 1.1 mit einem Schaufelblatt (1);
2. 1.2 mit einem das Schaufelblatt tragenden Schaufelschaft (2);
3. 1.3 das Schaufelblatt (1) besteht aus einem Blechstreifen;
4. 1.4 das Schaufelblatt (1) weist zwei Kanten (1.2.1, 1.2.2) auf, die senkrecht zur Drehachse (2.1) des Schaufelschaftes (2) verlaufen (Längskanten), zwei Kanten (1.3.1, 1.3.2), die parallel zur Drehachse (2.1) des Schaufelschaftes (2) verlaufen oder gegen die Drehachse (2.1) des Schaufelschaftes (2) geneigt sind (Querkanten), sowie zwei Breitflächen (1.1.1, 1.1.2), die jeweils in Ebenen liegen, die ihrerseits zur Drehachse (2.1) des Schaufelschaftes parallel verlaufen;
5. 1.5 Schaufelblatt (1) und Schaufelschaft (2) sind miteinander verlötet oder verschweißt.

2. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) eine gleichmäßige Dicke aufweist.

3. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) profiliert ist.

4. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) - in Draufsicht auf eine Breitfläche (1.1.1, 1.1.2) gesehen - die Form eines Rechteckes hat.

5. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) - in Draufsicht auf eine Breitfläche (1.1.1, 1.1.2) gesehen - die Form eines Trapezes hat.

6. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (1) - in Draufsicht auf eine der Breitflächen (1.1.1, 1.1.2) gesehen - die Form eines Parallelogrammes hat.

7. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Querkantenflächen (1.4.1, 1.4.2) des Schaufelblattes (1) unter einem Winkel zu den Breitflächen (1.1.1, 1.1.2) verläuft.

8. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Querkantenflächen (1.4.1, 1.4.2) unter denselben Winkeln zu den Breitflächen (1.1.1, 1.1.2) verlaufen.

9. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Querkantenflächen (1.4.1, 1.4.2) unter verschiedenen Winkeln zu den Breitflächen (1.1.1, 1.1.2) verlaufen.

10. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch kennzeichnet, daß ein stirnseitiges Ende des Schaufelschaftes (2) gabelförmig geschlitzt ist, und das die beiden Zinken der Gabel das Schaufelblatt (1) zwischen sich einschließen.

11. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenleitschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 11.1 die Schaufelblätter (1) werden dadurch hergestellt, daß ein Blechband durch Abschneiden in Blechstreifen zerlegt wird, die - in Draufsicht auf die Breitfläche gesehen - der Gestalt des zu erzeugenden Schaufelblattes (1) entsprechen;
2. 11.2 jedes so gewonnene Schaufelblatt (1) wird mit einem Schaufelschaft (2) drehfest verbunden.