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3 e schreibung Abgasturbolader Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader
zur Aufladung von Kolben-Verbrennungsmotoren.
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Die Turbine solcher Lader soll ein während der Arbeitsperiode eines
Zylinders stark und rasch wechselndes Energieangebot mit gutem Wirkungsgrad ausnutzen.
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Bisher sind Abgasturbinen für diesen Zweck zwar in einer dem mittleren
Volumenstrom und dem mittleren Energieinhalt der Abgase angepaßten Form ausgeführt
worden. Bei relativ kleinen Leistungen und dementsprechend kleinen Volumenströmen
erwies sich hierfür als geeignet die als Zentripetalturbine bezeichnete radial von
außen nach innen angeströmte Turbine, aus deren Laufrad die Gase axial austreten.
Auf die Anpassung und möglichst gute Ausnutzung des periodisch stark wechselnden
Energieangebotes wurde jedoch keine Rttcksioht genommen. Die Form des Laufrades
und insbesondere der Schaufeln wurde nach den selben oder ähnlichen Gesichtspunkten
angelegt wie bei stationär beaufschlagten Turbinen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Turbine des Abgasturboladers
so ZU gestalten, daß das periodisch stark wechselnde Energieangebot mit möglichst
hohem Wirkungsgrad genutzt wird.
Außerdem soll die Turbine ein möglichst kleines Gewicht und Volumen
haben
und der Turbinenläufer bei möglichst kleiner Masse vor allen auch ein möglichst
kleines Massenträgheitsmoment um die Rotationsachse, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß bei dem Abgasturbolader das Turbinenlaufrad diagonal von außen
nach innen durchströmt wird und daß die Schaufeln am Eintritt strömungsgünartig
profiliert sind mit einem Eintrittswinkel <900 gegen die Tangente an den Kreisumfang,
vorzugsweise 457OO, wobei der Außendurchmesser des Laufradaustritts der größte Durchmesser
des Rades ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erwies es sich als besonders
günstig, die Laufradschaufeln 8o zu gestalten, daß sie am Eintritt über den Laufradrücken
axial überhängen.
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Ferner ergab sich, daß es im Sinne der Erfindung günstig ist, die
Eintrittskante zur achsparallelen Richtung im Sinne der diagoaalen An- und Durchströmung
des Laufrades geneigt auszuführen.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen Figur 1 bis 8.
Anhand dieaer Zeichnungen sollen auch noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der
Erfindung erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt einen beispielsweisen Druckverlauf vor der Turbine, Fig.
2 den Wirkungsgradverlauf einer heute üblichen Abgasturbine.
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Fig. 3 zeigt das Geschwindigkeitsdreieck am Schaufeleintritt der heute
üblichen Turbine, Fig. 4 den Wirkungsgradverlauf der erfindungsgemäßen Turbine,
Fig. 5 das dazugehörige Geschwindigkeitsdreieck sowie die Schaufelform am Eintritt.
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Fig. 6 zeigt ein beispielhaftes Schnittbild einer Turbine nach der
Erfindung.
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In Fig. 7 und 8 ist eine besonders vorteilhafte Gestaltung des Turbineneintrittsgehäuses
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt den Druckverlauf vor der Turbine, wie er sich durch die
pulsierende Arbeitsweise des Kolbenverbrennungsmotors ergibt, und zwar handelt es
sich um den Verlauf des Druckes aus einem
Zylinder während des Vorauspuffs
und des Ausschubhubes über etwa 2700 Kurbelwinkel. Dieser Druckverlauf ist einmal
für die höchste Motordrehzahl Motormax und für o,5 nMOt0rmaX dargestellt. Der Kurvenverlauf
kann durch Rechteckstufen angeglichen werden. Man erkennt, daß sich außerordentlich
verschiedene Druck- = Energieangebots-Höhen über dem Kurbelwinkel bzw. der Zeit
ergeben, die mit A, B, C und D bezeichnet sind. Bisher hat man die Turbine für eine
mittlere Druckhöhe ausgelegt. Es ergaben sich damit Punkte auf der Wirkungsgradkurve
der Turbine, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind.
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Fig. 2 zeigt für die heute übliche Radialturbine den Turbinenwirkungsgrad
quT über der Kennziffer U/co, wobei u die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades am
Außendurchmesser und cO die theoretische, dem Gefälle entsprechende absolute Anströmgeschwindigkeit
des Laufrades bedeutet. Man sieht, daß der Punkt des höchsten Energieangebotes A1
nach Fig. 1 bei der Kurve der heute üblichen Radialturbine bei einem niedrigen Wirkungsgrad
liegt, während beispielsweise der einem sehr niedrigen Energieangebot entsprechende
Punkt Ci im Maximum des Wirkungsgrades liegt. Daraus ergibt sich ein ungünstiger
Gesamtwirkungsgrad, da dieser sich zwangsläufig aus dem Integral der einzelnen Rechtecke
als Maß für den Energieinhalt multipliziert mit dem jeweiligen Mengenstrom des Abgases
und dem jeweiligen Turbinenwirkungsgrad ergibt.
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Fig. 3 zeigt neben einem Schnitt durch den Eintrittsteil des Schaufelgitters
einer heute üblichen Radialturbine die Geschwindigkeitsdreiecke am Eintritt für
zwei verschiedene Druckhöhen vor der Turbine, nämlich für A1 und C1, wobei Ci nach
Fig. 1 etwa dem mittleren Wert entspricht, für den die Turbine ausgelegt ist -daher
die richtige Anströmung für die Schaufeln mit einem Eintrittswinkel z31 = 900. Als
Eintrittswinkel ist der Winkel zwischen der Schaufeltangente und der Umfangsrichtung
bezeichnet.
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Bei dem hohen Druck A1 ergibt sich die Relativgeschwindigkeit WiA>
die wegen des Eintrittsstoßes zu keiner geordneten Strömung im Laufsenaufelgitter
führen kann, so daß gerade die höchste Energiestufe A1 nur mit geringem Wirkungsgrad
ausgenutzt werden kann.
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Demgegenüber zeigt Fig. 4 die Wirkungsgradkurve einer Turbine nach
der Erfindung. Bei dieser liegt der Punkt A1 mit dem höchsten Energieangebot sowie
B1 mit dem nächstniedrigeren auf dem Gipfel der oben sehr flach verlaufenden Wirkungsgradkurve.
Der Punkt C1 von weniger großer Bedeutung liegt im abfallenden Ast, während D1 mit
sehr geringer Menge und geringem Energieinhalt einen negativen Wirkungsgrad (Abbremsung)
ergibt, der aber wegen der Geringfügigkeit des Energieanteils keine Rolle spielt.
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Fig. 5 zeigt die zugehörigen Geschwindigkeitsdreiecke am Eintritt
in das Schaufelgitter. Man erkennt, daß bei einem erfindungsgemäßen Eintrittswinkel/31
wesentlich kleiner als 900 die richtige Anströmrichtung für die Relativgeschwindigkeit
w1 liegt. Außerdem ist in der Zeichnung angedeutet, daß. die Schaufeln am Eintritt
erfindungsgemäß strömungsgünstig profiliert sind, so daß eine Abweichung von dem
Auslegungseintrittswinkel keinen so starken Wirkungegradverlust bedeutet, wie bei
einer unprofilierten Schaufel.
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Wesentlich ist aber, daß die Schaufel bzw. das ganee Laufrad nicht
für eine mittlere Druckhöhe ausgelegt ist, sondern für die Druckhöhe, bei der der
größte Anteil an Nutzarbeit bei günstigstem Wirkungsgrad gewonnen werden kann.
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Fig. 6 zeigt einen Achsschnitt durch ein Beispiel der erfindungsgemäßen
Abgasturbine des Turboladers. Sie zeigt im Schnitt das Turbinenlaufrad 1 mit den
Schaufeln 2. Die gestrichelt gezeichnete Linie 3 bedeutet die Bahn eines mittleren
Stromfadens in diesen Schnitt zirkular proJiziert. Als diagonal wird das Laufrad
bezeichnet, weil insbesondere die Anströmung und der größte Teil der Durchströmung
im gezeichneten Meridianschnitt diagonal zwischen radialer und axialer Strömung
liegt. Die Profilform und der Winkel der Schaufeln im Eintrittsteil ist schemaitisch
aus Fig. 5 zu ersehen. Fig. 6 zeigt weiterhin, daß der Austrittsaußendurchmesser
D2 des erfindungsgemäßen Laufrades der größte Durchmesser des Laufrades überhaupt
ist. Die verschiedenen Merkmale des Laufrades, insbesondere auch die diagonale Durchetrömung,
ergeben in ihrer Kombination eine Charakteristik des Turbinen-Wirkungegrade 8 über
be der Kennziffer u/eO wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, d.h. eine Charakteristik
mit einem wesentlich breiteren und flacheren Wirkungsgradmaximum als es Radialturbinen
ergeben.
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Eine weitere vorteilhafte Åusgestaltung der Erfindung ist ebenfalls
in Fig. 6 dargestellt; das Turbinenlaufrad hängt nämlich am Schaufel eintritt 4
zum Laurradrucken 5 um dae Maß lü in Richtung zur Lagerung hin über, so daß das
Maß 1 der Laufradlänge in Achsrichtung äußerst klein wird. Damit wird das Laufrad
leichter, was sich kostenmäßig wegen des hohen Preises des hochwarmfesten Werkstoffes
entscheidend auswirkt. In Verbindung mit diesem Xberhang am Eintritt ergibt sich
in weiterer Gestaltung der Erfindung, daß die Eintrittskante 4 des Laufrades im
Sinne der diagonalen Strömung zur axialen Richtung um den Winkel 6 geneigt ist.
Durch diese Neigung ergibt sich ebenfalls eine kleinere Laufradlänge entsprechend
der um den Faktor ¢os. b kleineren axialen Komponente der Eintrittskante.
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Bei Untersuchung der möglichen konstruktiven Gestaltung des Laufrades
nach der Erfindung wurde weiterhin gefunden, daß es überraschenderweise möglich
ist, trotz der Anwendung kleinerer Eintrittswinkel als 900 am Laufradaußenumfang
die Schaufelquerschnitte in achssenkrechten Schnittebenen radial anzuordnen.
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Eine solche Verbindung von Winkeln kleiner als 900 in radialer Anordnung
der Masse der Schaufeln ist bei radial angeströmten Rädern nicht möglich; sie bringt
hinsichtlich der Festigkeit des Laufrades die sonst nur dem Radialrad mit rechtwinkligem
Schaufeleintrittswinkel eigenen Vorteile.
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Bei sehr hohem Energieangebot, d.h. bei hohem in der Turbine verarbeitetem
Druckgefälle, erreicht die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad z.T. sehr hohe
Werte. Eine hohe Austrittsgeschwindigkeit muß auch u.U. zugelassen werden, um möglichst
kleine Raddurohmesser am Austritt zu erhalten. Die UmBangskomponente dieser Austrittsgeschwindigkeit
kann in einem Radialdiffusor nutzbar gemacht werden, wie er in Fig. 6 als weiteres
zusätzliches Merkmal der Erfindung dargestellt ist, Pos. 6.
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Durch die Rückgewinnung eines zeile der Austrittsgeschwindigkeit wird
am Radaustritt ein-Unterdruck gegenüber der Atmo8-phäre erreicht.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der konstruktiven Gestaltung
im Rahmen der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, daß der Laufradaustrittsdurchmesser
D2 der größte Durchmesser des Laufrades ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit,
das Spiralgehäuse 7 des Eintrittsteiles (Fig. 6) gegebenenfalls zusammen mit dem
Austrittsspiralgehäuse 6 mit dem Lagergehäuse 8 nicht lösbar oder schwer lösbar
zu verbinden. Das Turbinenlaufrad 2 kann trotzdem nach rechts ausgebaut werden.
Es ist hierzu nur ein relativ kleiner Flanschdeckel 9 erforderlich. Unter Umständen
kann das Laufrad auch durch einen zentral angeordneten kurzen Abgasstutzen ausgebaut
werden. Anstelle der in Fig. 6 gezeigten einteigigen Ausführung der Turbinen- und
Lagergehäuse kann natürlich eine Schweißverbindung oder ähnliches treten.
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In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen diagonal angeströmten Laufrad
erwies sich eine Gestaltung des Turbineneintrittsgehäusee besonders vorteilhaft,
wie sie in Fig. 7 und 8 dargestellt ist. In dem Beispiel ist angenommen, daß von
dem Motor zwei Abgasleitungen ausgehen, die am Turbineneintritt eo zusammengefaßt
werden sollen, daß auch hier eine möglichst günstige Ausnutzung der stoßweise anfallenden
Energie erfolgt. Hierzu ist das Turbineneintrittegehäuse als Spirale 25 einflutig
ausgeführt. Pig. 8 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Zeichenebene nach der Linie
A-B durch den Eintrittsteil der Spirale. Man erkennt, wie die Querschnitte Fp der
beiden Leitungsenden 26 und 27 in den Querschnitt P8p im Eintrittsteil der Spirale
übergeführt werden. Dieser Querschnitt am Spiraleneintritt entspricht den Querschnitten
Fp der einzelnen Abgasleitungen im Gehäuse so, daß die Geschwindigkeit im Querschnitt
Fp der Abgasleitung ohne wesentliche Verzögerung oder Beschleunigung in den Eintrittequerschnitt
des Spiralgehäusos übergeführt wird. Die Geschwindigkeit cp vor dem Spiraleneintritt
muß dabei so hoch sein, daß kein Rücketrömen vom Abgasstrang 26 in den Abgasstrang
27 möglich ist, wenn eine Druckwelle aus dem Strang 26 eintritt und in 27 gerade
ein Stadium geringster Strömungsenergie herrscht.
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Die Geschwindigkeit cp und der Querschnitt Fep sind weiterhin so gewählt,
daß sie direkt zur Auslegung der Spirale und des Turbinenlaufrades passen, d.h.
die Geschwindigkeit cp soll ohne wesentliche Verzögerung oder Beschleunigung und
ohne wesentliche Richtungsänderung direkt in die Geschwindigkeit c1 am Turbinenlaufrad
übergeführt werden. Die Geschwindigkeit c1 am Turbinenlaufrad soll dem Drallsatz
gehorchen, d.h. einem Potentialwirbel um die Drehachse des Laufrades entsprechen.
Daher kann ci und damit c p nur dann möglichst groß sein, wenn die mittlere Stromlinie
von cp an einen möglichst kleinen Radius rO (Fig. 7) tangiert. Es wurde gefunden,
daß dieser Radius rO höchstens dem 1,0- bis 1,4-fachen des Laufradaußenradius entsprechen
sollte, der in Fig. 7 mit r1 angedeutet ist. Ein besonders kleiner Tangierungsradius
durch die Anströmung kann dann am günstigsten ausgeführt werden, wenn ein diagonal
angeströmtes Turbinenlaufrad entsprechend der Erfindung verwendet wird. Auch kann
der Schwerpunktsradius R5 der Spirale 7, wie man aus Fig. 6 ersieht, kleiner ausgeführt
werden als bei einem vollständig radial angeströmten Rad. Bei einem radial angeströmten
Rad ist in Jedem Fall der Eintrittsdurchmesser auch wesentlich größer als der Austrittsdurchmesser
D2, wodurch der Spiralenschwerpunkt auf einen wesentlich größeren Durchmesser rückt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Diagonalrad dagegen ist der mittlere Eintrittsdurchmesaer
D1 sogar kleiner als der Austrittsaußendurchmesser D2.
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Die Erfindung ermöglicht es, durch die Kombination der laufradeigenen
Merkmale im Diagonalrad und durch die weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten, die
Eintrittsverluste am Laufrad möglichst gering zu halten, die Austrittsverluste zu
verringern und die nur pulsierend anfallende Energie der Abgase möglichst günstig
aus zu nutzen. Die gezielte Nutzung der pulsierend angebotenen Energie macht es
erst sinnvoll, vom Motor her aus der sonst verlorenen Energie durch unvollständige
Expansion höhere Druckwellen zu erzeugen. Durch Kombination solcher Maßnahmen am
Motor mit der Neuerung am Turbolader ist eine weiter gesteigerte Nutzung der Auspuffenergie
möglich. Weiter ergibt die gesteigerte Nutzung der
Vorauspuffenergie
eine verringerte Ladungswechselschleife, so daß die Turbine entsprechend weniger
Energie durch die Aus schubarbeit des Kolbens benötigt. Da die Vorauspuffenergie
weitgehend unabhängig von der Motordrehzahl ist, während die Energie aus der Aussohubarbeit
des Kolbens etwa mit der 3. Potenz der Motordrehzahl steigt, erreicht man durch
diese Maßnahme zusätzlich den Vorteil niedrigerer Ladedrücke bei hohen Motordrehzahlen
und höherer Ladebrücke bei niedrigen Motordrehzahlen. Man kann sich also zumindest
theoretisch dem Idealverhalten nähern, daß der Ladedruck bei Vollast für alle Motordrehzahlen
gleich ist; d.h.
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der Turbolader erhält die Charakteristik eines Kolbenkompressors.
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Das schon erwähnte verbesserte Trägheitsverhalten des Läufers infolge
des geringen Massenträgheitsmomentes wird bei Beschleunigungsvorgängen bei Pahrzeugmotoren
dadurch noch wesentlich.unterstützt, daß hauptsächlich die mit der Gaspedalstellung
veränderliche Vorauspuffenergie genutzt wird und weniger die erst langsam mit der
Motordrehzahl steigende Energie aus dem Ausschubhub des Kolbens.
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Als weiterer Vorteil bei der Ausführung nach dem Beispiel in Fig.
6 ergibt sich, daß der Spalt 10 zwischen den Laufradschaufeln und dem Turbinengehäuse
7 klein gehalten werden kann, da es sich ausschließlich um einen Radialspalt handelt.
Dadurch werden die Spaltverluste wesentlich verringert.
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Die Turbine nach der erfindung Iiat weiterhin den großen Vorteil,
daß sie für größere Durchsatzmengen geeignet ist als eine im Durchmesser gleiche
Radialturbine, da der Austrittsdurchmesser D2 (Fig. 6) größer ist als der mittlere
Eintrittsdurchmesser Die Der Austrittsdurchmesser bestimmt nämlich im wesentlichen
die größte Durchsatzmenge der Turbine. Ein Vorteil der Turbine nach der Erfindung
ist ferner, daß einer bestimmten - im wesentlichen durch die fliegende Masse des
Laufrades gegebenen - Größe der Lagerung und des Lagergehäuses größere Strömungsquerschnitte
zugeordnet sind als bei den üblichen Radialturbinen.