DE4303520C1 - Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine - Google Patents
Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine AbgasturbineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen verstellbaren Strömungs
leitapparat für eine Abgasturbine eines Abgasturboladers einer
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 34 192 C ist eine im wesentlichen radial durch
strömte Turbine einer Turbomaschine mit einem verstellbaren Strö
mungsleitapparat der gattungsgemäßen Art bekannt. In einem ein
flutigen Turbinengehäuse befindet sich ein radialer, spiralförmi
ger Strömungsleitkanal, der einen an das Laufrad der Turbine mün
denden Zuströmquerschnitt aufweist, wobei zwischen dem Turbinen-
Gehäuse und dem Laufrad eine parallel zur Laufradlängsachse ver
schiebliche Hülse angeordnet ist, über die der Zuströmquerschnitt
regelbar ist, wobei die Hülse mit einer von deren Mantelfläche
radial abragenden Trennwand verbunden ist, durch die der Durch
flußquerschnitt des spiralförmigen Strömungsleitkanales einstell
bar ist. Die Hülse ist mit einer axial verschieblichen Welle zur
Verschiebung der Trennwand verbunden.
Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE
26 33 587 C2, DE 37 34 386 A1 und EP 00 81 255 A1 verwiesen.
Ein Nachteil von Strömungsleitapparaten der gattungsgemäßen Art
ist deren komplizierter Aufbau mit einer hohlen Turbinenwelle, in
der eine axial verschiebliche Welle zur Steuerung der Trennwand
angeordnet ist. Zudem entstehen durch den komplizierten Aufbau
hohe Fertigungskosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine möglichst einfach und
kompakt so auszubilden, daß dieser in Serienstückzahlen kosten
günstig herstellbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des verstellbaren
Strömungsleitapparates liegt darin, daß durch die mit der axial
verschieblichen Hülse verbundene und von dieser abragende Trenn
wand das Volumen des spiralförmigen Strömungsleitkanales steuer
bar ist.
Bei teilweiser Abriegelung des Zuströmquerschnittes am Laufrad
eintritt kommt es durch die gleichzeitige Verringerung des Durch
flußquerschnittes des spiralförmigen Strömungsleitkanales zu ei
nem wesentlich geringeren Querschnittssprung zwischen Strömungs
leitkanal und Zuströmquerschnitt. Hierdurch werden sowohl die
Drosselverluste an der Umlaufkante des dem Zuströmquerschnitt zu
gewandten Hülsenendes als auch die durch Falschanströmung entste
henden Gitterverluste des Laufradgitters wesentlich reduziert.
Ein weiterer Vorteil der Volumenregelung des spiralförmigen Strö
mungsleitkanales besteht in einer Verbesserung des Instationär
verhaltens der Turbine. So entsteht bei Öffnung des Zuströmquer
schnittes des Laufrades durch die Hülse und bei gleichzeitiger
Vergrößerung des Durchflußquerschnittes des spiralförmigen Strö
mungsleitkanales durch die sich mit der Hülse bewegende Trennwand
eine wesentlich kontinuierlichere Leistungsentfaltung als bei
bisher bekannten Strömungsleitapparaten.
Des weiteren ergibt sich ein wesentlicher Kostenvorteil durch die
erfindungsgemäße Anordnung des Spiralbandes in einem geteilten,
außen zylinderförmigen Turbinengehäuse, das innen einen Ringkanal
aufweist, der den spiralförmigen Strömungsleitkanal umfaßt. Bei
generell besseren Fertigungsbedingungen gegenüber spiralförmigen
Gehäusen kann bei derartigen Turbinengehäusen die Teilungsfuge
zwischen den beiden Turbinengehäuseteilen in einfacher Weise
durch eine ringförmige Dichtung abgedichtet werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungsleitapparates
liegt darin, daß die Temperaturausdehnung der ringförmigen Trenn
wand wesentlich gleichförmiger ist als bei spiralförmigen Trenn
wänden, wodurch die Gefahr eines Verklemmens der Hülse geringer
ist.
Durch den erfindungsgemäßen Strömungsleitapparat ergibt sich zu
dem eine Wärmeisolierung des Strömungsleitkanals, da durch das
Spiralband zwischen diesem und der Turbinengehäuseinnenwand ein
wärmeisolierend wirkender Leerraum gebildet ist. Durch die bes
sere Wärmeisolierung ist die Temperaturabschwächung im Abgasstrom
geringer, wodurch eine höhere Turbineneintrittstemperatur und da
mit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreichbar ist.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bringt eine noch
größere Flexibilität der Leistungsregelung im Instationärbetrieb
der Abgasturbine.
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3
ist es möglich, einen Bremsspaltquerschnitt für eine Motorbremse
darzustellen. Dadurch kann eine separate Ausbildung einer Brems
klappe entfallen.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus dem
übrigen Unteranspruch und der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand dreier Ausführungs
beispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Meridianschnitt einer zweiflutigen Turbi
nenstufe eines Abgasturboladers einer Brennkraft
maschine mit einem einen radialen, spiralförmigen
Strömungsleitkanal umfassenden Ringkanal und ei
nem diagonalen, spiralförmigen Strömungsleitkanal
mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleit
apparat bei vollständig geöffneten Zuströmquer
schnitt beider Fluten,
Fig. 2 einen Meridianschnitt analog Fig. 1 mit vollstän
dig geschlossenem Zuströmquerschnitt des radi
alen, spiralförmigen Strömungsleitkanales und
geöffneter diagonaler Flut,
Fig. 3 einen Meridianschnitt analog Fig. 1, jedoch mit
einem ringförmigen diagonalen Strömungsleitkanal,
Fig. 4 einen Meridianschnitt analog Fig. 3, jedoch mit
vollständig geschlossenem Zuströmquerschnitt des
radialen, spiralförmigen Strömungsleitkanales und
mit einem durch den Strömungsleitapparat spiral
förmig ausgebildeten diagonalen Strömungsleitka
nal,
Fig. 5 einen Meridianteilschnitt einer Turbinenstufe
eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäß
ausgestalteten Strömungsleitapparat, durch den
der Durchflußquerschnitt sowohl des radialen Strö
mungsleitkanals als auch der diagonalen Flut re
gelbar ist und wobei der radiale Strömungsleit
kanal vollständig versperrt und die diagonale
Flut bis auf einen Bremsspalt für den Motorbrems
betrieb verriegelt ist,
Fig. 6 eine Darstellung analog zu Fig. 5 mit geöffnetem
radialen Strömungsleitkanal und geöffneter dia
gonaler Flut.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Meridianschnitt einer Turbinen
stufe 1 eines Abgasturboladers für zwei verschiedene Stellungen
eines erfindungsgemäßen Strömungsleitapparates 2, wobei die
Turbinenstufe 1 ein zweiflutiges Turbinengehäuse 3 mit Fluten 4
und 5 und ein Laufrad 6 in prinzipiell bekannter Weise umfaßt.
Das Turbinengehäuse 3 ist an einem nicht näher dargestellten
Lagergehäuse 7 des Abgasturboladers angeflanscht. Das Laufrad 6
sitzt auf einer Welle 8, die mit einem nicht dargestellten Lauf
rad einer Verdichterstufe verbunden ist.
Die erste Flut 4 wird von einem einen radialen, spiralförmigen
Strömungsleitkanal 9 umfassenden Ringkanal 10 gebildet, der das
Laufrad 6 umschließt. Die zweite Flut 5 ist ein diagonal an das
Laufrad 6 mündender Spiralkanal 11.
Ein Zuströmquerschnitt 12a des radialen Strömungsleitkanales 9
zum Laufrad 6 ist über eine parallel zur Laufradlängsachse 13
verschiebliche Hülse 14 regelbar, die in einer Ringführung 15
nebst Konturring 16 in bekannter Weise geführt und über ein
nicht dargestelltes Stellglied in ebenfalls bekannter Weise in
Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine
verschiebbar ist.
Der Strömungsleitapparat 2 besteht aus der Hülse 14 und einer
ringförmigen Trennwand 17, die etwas rechts des dem Zuström
querschnitt 12a zugewandten Endes der Hülse 14 von deren Man
telfläche radial nach außen zur Turbinengehäuseinnenseite 18
abragt. An der Trennwand 17 ist ein parallel zur Laufradlängs
achse 13 ausgerichtetes Spiralband 19 befestigt, das mit dem
Turbinengehäuse 3 den spiralförmigen Strömungsleitkanal 9 bil
det. Weiters wird durch die Trennwand 17 vom Ringkanal 10 eine
ringförmige Kammer 20 abgeteilt.
Der spiralförmige Strömungsleitkanal 9 ist zwischen der Trenn
wand 17 und der Turbinengehäuseinnenseite 18 mit einer Keramik
dichtung 21 abgedichtet. Der Druckausgleich zwischen Kammer 20
und Strömungsleitkanal 9 erfolgt im nicht dargestellten Ein
strömstutzenbereich der Turbinenstufe 1.
In dem Turbinengehäuse 3 befindet sich eine Spiralnut 22, in
der das Spiralband 19 parallel zur Laufradlängsachse 13 geführt
wird. Im Düsenbereich des diagonal an das Laufrad 6 mündenden
Spiralkanales 11 sind Leitschaufeln 30 angeordnet, die mit dem
Turbinengehäuse 3 und mit der die beiden Fluten 4 und 5 tren
nenden Gehäusewand 27 verbunden sind.
In Fig. 1 ist der Zuströmquerschnitt 12a des radialen, spiral
förmigen Strömungsleitkanales 9 und der Zuströmquerschnitt 12b
des diagonalen Spiralkanales 11 vollständig geöffnet. Der Ab
gasstrom geht sowohl über die radiale Flut 4 als auch die dia
gonale Flut 5 des Turbinengehäuses 3. Der Durchflußquerschnitt
des radialen Strömungsleitkanales 9 ist, dem vollständig ge
öffneten Zuströmquerschnitt 12a entsprechend, relativ weit
freigegeben. Die gezeigte Darstellung ist typisch für einen
hohen Teillastbereich der Brennkraftmaschine.
Für Vollast und somit maximaler Abgasmenge wird der Strömungs
leitapparat 2 von der in Fig. 1 gezeigten Position noch bis zu
einem Anschlag 23 nach rechts geschoben, wodurch das Schluck
vermögen des spiralförmigen Strömungsleitkanales 9 noch weiter
gesteigert wird.
Die in Fig. 2 gezeigte Stellung des Strömungsleitapparates 9
ist für einen geschlossenen Zuströmquerschnitt 12a gezeichnet.
Das Laufrad 6 wird also nur diagonal angeströmt, wie dies bei
spielsweise beim schnellen Beschleunigen des Laufrades 6 oder
bei geringen Abgasmengen im stationären Betrieb vorteilhaft
ist.
Im Teillastbereich der Brennkraftmaschine wird in einer Posi
tion des Strömungsleitapparates 2 zwischen den in Fig. 1 und 2
gezeigten Stellungen der Zuströmquerschnittes 12a durch den
Strömungsleitapparat 2 teilweise geöffnet und bei gleichzeitig
verhältnismäßig geringem Schluckvermögen des Strömungsleitka
nales 9 das Abgas relativ hoch beschleunigt. Nach der Beschleu
nigung wird durch die große Umfangsgeschwindigkeitskomponente
des Abgases ein hoher Laufradeintrittsdrall erzielt, was den
Wirkungsgrad der Turbinenstufe erhöht.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in einer analogen Darstellung der Fig.
1 und 2 eine konstruktive Variante der Turbine 1 mit ei
nem ringförmigen, diagonalen Strömungsleitkanal 24. Gleiche
Teile aus den Fig. 1 und 2 werden mit gleichen Bezugsziffern
gekennzeichnet.
Der diagonale Strömungsleitkanal 24 erstreckt sich in radialer
Richtung des Laufrades auf den Durchmesser des Ringkanales 10.
Dadurch ist ein parallel zur Laufradlängsachse 13 ausgerich
tetes Spiralband 25, welches zusammen mit einem Teil des Tur
binengehäuses 3 und der Trennwand 17 den radialen, spiralför
migen Strömungsleitkanal 9 einfaßt, über eine spiralförmige
Durchführung 26 im Turbinengehäuse 3 in den ringförmigen, dia
gonalen Strömungsleitkanal 24 einschiebbar. Die Durchführung 26
unterbricht eine die beiden Fluten 4 und 5 trennende Gehäuse
wand 27, die durch die Durchführung 26 in zwei spiralförmige
Gehäusewandteile 28 und 29 geteilt ist. Hierbei wird das Ge
häusewandteil 29 von im Düsenbereich des diagonalen Strömungs
leitkanales 24 angeordneten Leitschaufeln 30 getragen, die mit
dem Turbinengehäuse 3 und dem Gehäusewandteil 29 fest verbunden
sind.
Fig. 5 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Meri
dianschnitt einer zweiflutigen Turbine 31 eines Abgas
turboladers mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse 35 und mit
einem erfindungsgemäß ausgestalteten Strömungsleitapparat 32,
durch den der Durchflußquerschnitt sowohl eines radialen, spi
ralförmigen Strömungsleitkanals 33 als auch einer diagonalen,
spiralförmigen Flut 34 regelbar ist und wobei der radiale Strö
mungsleitkanal 33 vollständig versperrt und die diagonale Flut
34 bis auf einen Bremsspalt B für den Motorbremsbetrieb ver
riegelt ist.
Das Turbinengehäuse 35 besitzt analog zur Darstellung von Fig.
1 einen Ringkanal 55, der den spiralförmigen Strömungsleitkanal
33 umschließt.
Die Turbinenstufe 31 besteht aus einem Turbinengehäuse 35 mit
zwei zusammengeflanschten Turbinengehäuseteilen 36 und 37 und
einem Laufrad 38, das auf einer Welle 39 befestigt ist, die mit
einem Laufrad einer nicht dargestellten Verdichterstufe ver
bunden ist.
Im Mündungsbereich 40 der diagonalen Flut 34 befinden sich Leit
schaufeln 41, die mit dem Turbinengehäuseteil 37 verbunden sind
und einen Innenring 42 tragen.
Der Zuströmquerschnitt 43 des radialen Strömungsleitkanales 33
zum Laufrad 38 ist über eine parallel zur Laufradlängsachse 44
verschiebliche und im Turbinengehäuseteil 36 geführte Hülse 45
regelbar.
Eine ebenfalls parallel zur Laufradlängsachse 44 verschiebbare
Büchse 46, die zwischen Hülse 45 und Konturring 47 geführt wird
und durch einen Ringspalt 48 zwischen Innenring 42 und Turbi
nengehäuseteil 36 führbar ist, dient der Einstellung des Zu
strömquerschnittes 49 der diagonalen Flut 34.
Der Strömungsleitapparat 32 besteht aus der Büchse 46, der Hül
se 45 und einer ringförmigen Trennwand 50, die etwas rechts des
dem Zuströmquerschnitt 43 zugewandten Endes der Hülse 45 von
deren Mantelfläche radial nach außen zur Turbinengehäuseinnen
seite 51 abragt. An der Trennwand 50 ist ein parallel zur Lauf
radlängsachse 44 ausgerichtetes Spiralband 52 befestigt,
das in einer Spiralnut 53 des Turbinengehäuseteils 37 geführt
wird. Die Trennwand 50 bildet mit einem Teil des Turbinenge
häuses 35 und dem Spiralband 52 den spiralförmigen Strömungs
leitkanal 33. Weiters wird durch die Trennwand 50 vom Ringkanal
55 eine ringförmige Kammer 54 abgeteilt.
In Fig. 6 ist der Meridianschnitt der Turbinenstufe 31 analog
zu Fig. 5 dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugs
ziffern gekennzeichnet sind. In dieser Darstellung ist der Strö
mungsleitapparat mit vollständig geöffnetem radialen Strömungs
leitkanal 33 und geöffneter diagonaler Flut 34 sowie geöffneten
Zuströmquerschnitten 43 und 49 dargestellt.
Ausgehend von einer Position des Strömungsleitapparates 32 ge
mäß Fig. 6 ist auch eine Einstellung des Zuströmquerschnittes
43 durch die Büchse 46, bei unveränderter Position der Hülse 45
nebst Trennwand 50 und Spiralband 52 möglich.
Eine Dichtung 56 zwischen ringförmiger Trennwand 50 und Turbi
nengehäuseteil 37 dichtet die Kammer 54 gegen den spiralför
migen Strömungsleitkanal 33 ab.
Ein Gleitzapfen 57, an dessen Unterseite eine Exzenterplatte 58
befestigt ist, befindet sich in einer Bohrung 59 in der Hülse
45. Die Exzenterplatte 58 wird von einer Exzenterkulisse 60 der
Büchse 46 aufgenommen, während der Gleitzapfen 57 von einer
parallel zur Laufradlängsachse 44 verlaufenden Kulisse 61 des
Turbinengehäuseteils 36 geführt wird.
Bei der Drehung des Gleitzapfens 57 mit Exzenterplatte 58
bleibt die Hülse 45 ortsfest, während die Büchse 46 durch die
Drehung der Exzenterplatte 58 gemäß vorgegebener Bahn der Ex
zenterkulisse 60 eine axiale Verschiebebewegung ausführt.
Eine Verschiebung des Gleitzapfens 57 nebst Exzenterplatte 58
parallel zur Laufradlängsachse 44 bewegt Hülse 45 und Büchse 46
gleichzeitig, wenn Drehung und Axialverschiebung des Gleitzap
fens 57 mit der Bahn der Exzenterkulisse 60 abgestimmt sind.
An dem Gleitzapfen 57 wird ein nicht dargestelltes Gestänge
angelenkt, das mit einem ebenfalls nicht dargestellten hydrau
lischen oder pneumatischen Steller verbunden ist, der in Ab
hängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine betä
tigt wird.
Claims (4)
1. Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine eines
Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, wobei das Laufrad der
Abgasturbine von einem Turbinengehäuse mit mindestens einem ra
dialen Strömungsleitkanal umgeben ist, der einen an das Laufrad
mündenden Zuströmquerschnitt aufweist, wobei zwischen dem Turbi
nengehäuse und dem Laufrad mindestens eine parallel zur Laufrad
längsachse verschiebliche Hülse angeordnet ist, über die der Zu
strömquerschnitt regelbar ist und wobei die Hülse mit einer von
deren Mantelfläche zur Turbinengehäuseinnenseite radial abragen
den Trennwand verbunden ist, durch die der Durchflußquerschnitt
des spiralförmigen Strömungsleitkanales einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennwand (17, 50) ringförmig ausgebildet ist und an die
ser ein parallel zur Laufradlängsachse (13, 44) ausgerichtetes
Spiralband (19, 25, 52) befestigt ist, das mit einem Teil des Tur
binengehäuses (3, 35) und der Trennwand (17, 50) den spiralförmigen
Strömungsleitkanal (9, 33) bildet und das Turbinengehäuse (3, 35)
einen den spiralförmigen Strömungsleitkanal (9, 33) umfassenden
Ringkanal (10, 55) aufweist, der sich in radialer Richtung minde
stens entlang eines Umfangsteils des Strömungsleitkanales (9, 33)
über diesen hinaus erstreckt.
2. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer zweiflutigen Turbine (1, 31) mit einer diago
nal an das Laufrad (6, 38) mündenden Flut (5, 34) zusätzlich zur
Hülse (14, 45) eine parallel zur Laufradlängsachse (13, 44) und un
abhängig von der Hülse (14, 45) verschiebbare Büchse (46) ange
ordnet ist, durch die der Durchflußquerschnitt der diagonal an
das Laufrad (6, 38) mündenden Flut (5, 34) einstellbar ist.
3. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Hülse (14, 45) und die Büchse (46) ein Bremsspalt
querschnitt (B) für eine Motorbremse darstellbar ist.
4. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach einem der Ansprüche 1
bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer zweiflutigen Turbine (1) mit einer diagonal
an das Laufrad mündenden Flut (5) mit Gehäusewandteil (29) das
Spiralband (25) durch eine spiralförmige Durchführung (26) in dem
Gehäusewandteil (29) in den Strömungsleitkanal (24) der diagona
len Flut (5) schiebbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4303520A DE4303520C1 (de) | 1993-02-06 | 1993-02-06 | Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4303520C1 true DE4303520C1 (de) | 1994-09-22 |
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ID=6479830
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DE4303520A Expired - Fee Related DE4303520C1 (de) | 1993-02-06 | 1993-02-06 | Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbine |
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