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Die
vorliegende Patentanmeldung dibetrifft die am 16. Januar 2001 eingereichte
US-PS 6419464 und die am 1. März
2002 eingereichte US-PS 6729134 mit dem Titel „Improved Vane Variable Nozzle
Turbocharger".
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Turbolader
mit variabler Geometrie und insbesondere eine verbesserte Schaufelausführung für Schaufeln
für mehrere
schwenkbare aerodynamische Schaufeln, die in einem Turbolader mit
variabler Geometrie zwecks Maximierung der Strömungseffizienz im Turbolader
angeordnet sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Turbolader
für Benzin-
und Diesel-Verbrennungsmotoren sind in der Technik bekannte Vorrichtungen,
die zur Druckbeaufschlagung oder Verstärkung des Einlassluftstroms
verwendet werden, der unter Verwendung des Wärme- und des volumetrischen
Stroms des den Motor verlassenden Abgases zu einer Brennkammer des
Motors geleitet wird. Insbesondere wird das den Motor verlassende
Abgas so in ein Turbinengehäuse
eines Turboladers geleitet, dass ein Drehen einer abgasbetriebenen
Turbine in dem Gehäuse
bewirkt wird. Die abgasbetriebene Turbine ist an einem Ende einer
Welle angebracht, die einem an einem gegenüberliegenden Ende der Welle
angebrachten und in einem Verdichtergehäuse untergebrachten Radialluftverdichter
gemein ist. Somit bewirkt die Drehwirkung der Turbine auch ein Drehen
des Luftverdichters im Verdichtergehäuse des Turboladers, das vom
Turbinengehäuse
getrennt ist. Der Drehvorgang des Luftverdichters bewirkt, dass
Einlassluft in das Verdichtergehäuse
eintritt und in einem gewünschten
Ausmaß mit
Druck beaufschlagt oder verstärkt
wird, bevor sie mit Kraftstoff vermischt und in der Motorbrennkammer
verbrannt wird.
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Bei
einem Turbolader ist es oft wünschenswert,
den Abgasstrom zur Turbine zu steuern, um den Wirkungsgrad oder
den Betriebsbereich des Turboladers zu verbessern. Turbolader mit
variabler Geometrie (VGTs – variable
geometry turbochargers) sind dazu konfiguriert worden, diesen Bedarf
zu erfüllen.
Eine solche VGT-Art ist eine solche, die eine variable Abgasdüse aufweist
und als Turbolader mit variablen Düsen bezeichnet werden. Bei
Turboladern mit variablen Düsen
sind andere Konfigurationen von variablen Düsen eingesetzt worden, um den
Abgasstrom zu steuern. Bei einem Lösungsansatz zur Erzielung von
Abgasstromsteuerung bei solchen VGTs werden mehrere schwenkbare
Schaufeln verwendet, die ringförmig
um den Turbineneinlass herum angeordnet sind. Die schwenkbaren Schaufeln
werden gemeinhin zum Ändern
des Halsquerschnitts der Durchgänge
zwischen den Schaufeln gesteuert, wodurch sie zur Steuerung des
Abgasstroms in die Turbine funktionieren.
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Um
den ordnungsgemäßen und
zuverlässigen
Betrieb solcher VGTs zu gewährleisten,
ist es wichtig, dass die einzelnen Schaufeln in dem Turbinengehäuse so konfiguriert
und montiert werden, dass sie sich als Reaktion auf eine gewünschte Abgasstromsteuerbetätigung frei
bewegen oder frei schwenken können.
Da diese schwenkbaren Schaufeln während des Turboladerbetriebs
Millionen von Hochtemperaturzyklen ausgesetzt sind, ist es erforderlich,
dass ein jeder solcher Schwenkmechanismus unter solchen Temperaturzyklusbedingungen wiederholt
funktionieren kann, ohne irgendein das Material betreffendes oder
mechanisches Problem oder Versagen zu erfahren, das mit den Temperaturzyklen
in Verbindung steht.
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Bekannte
VGTs mit mehreren Schaufeln enthalten Schaufeln, die so konfiguriert
sind, dass sie eine davon nach vorne ragende Welle aufweisen, wobei
jede solche Welle in einer jeweiligen Wellenöffnung in einem Turbinengehäuse oder
in einer Düsenwand
angeordnet ist. Obgleich die Schaufeln gemeinhin so betätigt werden,
dass sie gegenüber
ihren Wellen in den jeweiligen Öffnungen
schwenken, ist entdeckt worden, dass solch ein Schaufelbefestigungs-
und Schwenkmechanismus mit seinen eigenen Problemen behaftet ist.
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Um
eine freie Schwenkbewegung der Schaufelwelle mit der Öffnung zu
gewährleisten,
ist es wesentlich, dass die Welle vollkommen senkrecht von der Schaufel
vorragt, um dadurch ein unerwünschtes
Festfressen oder irgendeine andere Beeinträchtigung der Schaufelschwenkbewegung
zu vermeiden. Manchmal sind Sekundärbegradigungs- oder -bearbeitungsvorgänge erforderlich,
um die senkrechte Ausrichtung der Schaufelwellen zu gewährleisten,
wobei diese Sekundärvorgänge sowohl zeitaufwendig
als auch kostspielig sein können.
Darüber
hinaus kann diese Art von Schaufelbefestigungs- und -schwenkmechanismus
eine hohe Freitraglast auf der Schaufelwelle erzeugen, wenn sie
betätigt
wird, die auch eine freie Schaufelschwenkbewegung beeinträchtigen
und letztendlich zu einem Versagen des Schaufelmaterials oder zu
einem mechanischen Versagen führen
kann.
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Ein
Beispiel für
solch einen VGT ist einer, der einen in einem Turboladergehäuse des
Turboladers angeordneten beweglichen Verstellring und mehrere drehbar
in dem Gehäuse
angeordnete und mit dem Verstellring verbundene Schaufeln umfasst.
Die mehreren Schaufeln sind in dem Turbinengehäuse zwischen dem Abgaseinlass
und einem Turbinenrad angeordnet. Der Verstellring wird zur gemeinsamen Drehung
der Schaufeln aus einer geschlossenen Position (in der der Durchfluss
des Abgases zum Turbinenrad begrenzt wird) in eine geöffnete Position
(in der der Durchfluss des Abgases zum Turbinenrad ermöglicht wird)
zwecks Steuerung des Turboladers zur Funktion auf eine Art und Weise,
die eine Optimierung des Luftstroms zum Motor unterstützt, betätigt. Ein
Beispiel für
solch einen VGT wird in der US-PS 6,269,642 offenbart.
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In
solch bekannten VGTs verwendete Schaufeln sind dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine aerodynamische Aslim®-Schaufelform,
das heißt
ein dünnes
Schaufelblatt oder eine geringe radiale Dicke (die als ihr dickster
Bereich zwischen einer Schaufelaußenfläche und einer Schaufelinnenfläche definiert
wird), aufweisen. Allgemein weist eine herkömmliche Schaufel eine Schaufelblattdicke von
weniger als ca. 0,14 auf, und diese kann in einem Bereich von ca.
dem 0,05- bis dem 0,14-Fachen der Länge der Schaufel (gemessen
zwischen der Eintritts- und Austrittskante der Schaufel) liegen.
Obgleich solche herkömmlichen
Schaufeln mit schlankem oder dünnem
Schaufelblatt dazu nützlich
sind, einen aerodynamischen Spitzenwirkungsgrad in einem VGT bereitzustellen,
beschränkt
diese besondere Schaufelausführung
das Strömungsreduzierverhältnis und
den Turbinenwirkungsgrad im ganzen Bewegungsbereich für die Schaufeln
im Turbolader.
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Deshalb
ist es wünschenswert,
dass ein Schaufelschwenkmechanismus zur Verwendung mit einem Turbolader
mit variabler Düse
so ausgeführt ist,
dass er im Vergleich zu herkömmlichen
Schaufelschwenkmechanismen eine verbesserte Schaufelbetriebszuverlässigkeit
bereitstellt. Des Weiteren ist es wünschenswert, dass eine verbesserte
Schaufelkonfiguration hergestellt wird, die einen Halsquerschnitt bereitstellt,
der ähnlich
oder besser ist als der der herkömmlichen
Schaufelkonfiguration mit schlankem Schaufelblatt, während sie
gleichzeitig im Vergleich zur herkömmlichen Schaufelkonfiguration
mit schlankem Schaufelblatt ein verbessertes Halsquerschnitts-Reduzierverhältnis und
einen verbesserten Turbinenwirkungsgrad im ganzen Schaufelbewegungsbereich
bereitstellt.
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Die
JP 2000 291440 beschreibt eine Schaufel mit variabler Düse mit Blättern, die
zwischen über einen
Wellenteil des Blatts mit einem Zahnrad verbundenen ringförmigen Stützplatten
drehbar gestützt werden,
so dass sich die Richtung der Blätter
bei Drehung des Zahnrads ändert,
um den Lufteinlass zu verändern.
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Die
JP 2001 173449 beschreibt Leitschaufeln, die so geformt sind, dass
sich ihre Breite von der Welle weg verjüngt, um zwischen der Schaufel
und dem Lagergehäuse
einen Zwischenraum zu bilden, der sich zur Schaufelspitze hin vergrößert, um
so den Gleitwiderstand der Schaufel beim Drehen zu reduzieren, während der
Wirkungsgrad des Turboladers aufrechterhalten wird.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Turboladeranordnung mit variabler Geometrie
bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Turbinengehäuse mit
einem Abgaseinlass und einem Auslass, einem mit dem Einlass verbundenen
Diffusor und einer in dem Turbinengehäuse neben dem Diffusor angeordneten
Düsenwand;
ein in dem Turbinengehäuse getragenes
und an einer Welle befestigtes Turbinenrad; mehrere in dem Turbinengehäuse zwischen
dem Abgaseinlass und dem Turbinenrad angeordnete Schaufeln, wobei
jede Schaufel Folgendes umfasst: eine neben dem Turbinenrad ausgerichtete
innere Schaufelblattfläche;
eine gegenüber
der inneren Schaufelblattfläche
ausgerichtete äußere Schaufelblattfläche, wobei
die innere und die äußere Schaufelblattfläche eine
Schaufelblattdicke definieren; eine entlang einer ersten inneren
und äußeren Schaufelblattflächenverbindungsstelle
angeordnete Eintrittskante; eine entlang einer zweiten inneren und äußeren Schaufelblattflächenverbindungsstelle
angeordnete Austrittskante; und ein in einer ersten axialen Schaufelfläche im Wesentlichen
parallel zur Düsenwand
angeordnetes Loch zur Aufnahme eines jeweiligen Stifts darin, wobei
der Stift von der Düsenwand zum
Turbinenrad ragt; wobei die Schaufel eine Schaufelblattdicke aufweist,
die größer als
ca. das 0,16-Fache einer Länge
der Schaufel, wie zwischen der Schaufeleintritts- und -austrittskante
gemessen, ist; und wobei die innere Schaufelblattfläche einen konvexen
Flächenteil
und einen konkaven Flächenteil
umfasst, die jeweils von der Schaufeleintrittskante zur Schaufelaustrittskante
verlaufen. Somit sind verbesserte Schaufeln der Erfindung zur Verwendung
in einem VGT ausgeführt,
und mehrere solche verbesserte Schaufeln sind im Turbinengehäuse zwischen
dem Abgaseinlass und dem Turbinenrad angeordnet.
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Die
Schaufeleintrittskante oder -nase ist entlang einer ersten Verbindungsstelle
der inneren und der äußeren Schaufelblattfläche angeordnet,
und eine Schaufelaustrittskante ist entlang einer zweiten Verbindungsstelle
der inneren und äußeren Fläche angeordnet.
Des Weiteren enthält
jede Schaufel eine Betätigungsnase,
die sich von einer zweiten axialen Schaufelfläche gegenüber der ersten erstreckt.
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Ein
Schlüsselmerkmal
der verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sie eine Schaufelblattdicke aufweisen, die größer ist als die der Aslim®-Schaufeln.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung kann die verbesserte Schaufel eine komplex geformte
Innenfläche
aufweisen, wobei sich ein konvexer Teil neben der Schaufeleintrittskante
und ein konkaver Teil neben der Schaufelaustrittskante befindet. Die
konvexe Fläche
weist vorzugsweise einen Krümmungsradius
auf, der kleiner ist als ca. das 0,8-Fache der Schaufellänge.
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Jede
Schaufel kann eine Schaufelblattdicke in einem Bereich von ca. dem
0,16- bis dem 0,5-Fachen der Länge
der Schaufel aufweisen.
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Vorzugsweise
ist die Düsenwand
mit dem Turbinengehäuse
integral.
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Bei
einer Ausführungsform
enthält
jede Schaufel eine zweite axiale Fläche gegenüber der ersten axialen Fläche. Mindestens
ein Teil der ersten und der zweiten axialen Fläche der Schaufel kann einen
ausgehöhlten
Bereich enthalten. Die zweite axiale Fläche enthält eine längliche Nase, die davon nach
außen
ragt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser
verständlich;
darin zeigen:
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1 eine
isometrische Explosionsdarstellung eines Turbinegehäuses für einen
Turbolader mit variabler Geometrie, der herkömmliche Schaufeln einsetzt;
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2 ist
eine Draufsicht eines Verstellrings mit Schlitzen, die den Eingriff
mit Nasen von schaftlosen, schlanken Schaufeln in verschiedenen
Schaufelbetriebspositionen zeigt;
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3 ist
eine Detailansicht der schaftlosen schlanken Schaufel von 2;
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4 ist
eine Detailansicht einer verbesserten Schaufel, die gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung ausgeführt
ist;
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5A bis 5C sind
Seitenaufrisse verschiedener verbesserter Schaufelausführungen
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine schematische Explosionsdarstellung der verbesserten Schaufel
der vorliegenden Erfindung bei Montage in ein Turboladergehäuse;
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7 ist
eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform von verbesserten
Schaufeln der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen;
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8 ist
eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform von verbesserten
Schaufeln der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen;
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9 ist
eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform von verbesserten
Schaufeln der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen;
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10 ist
eine graphische Darstellung die Halsquerschnitt gegenüber Schaufeldrehung-Vergleichsdaten für die herkömmliche
schlanke Schaufel gegenüber
der verbesserten Schaufelausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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11 ist
eine graphische Darstellung, die Wirkungsgrad gegenüber Strömungsdaten
für die herkömmliche
schlanke Schaufel gegenüber
der verbesserten Schaufelausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung ausgeführte
Erfindung umfasst eine verbesserte Schaufel zur Verwendung in einem
VGT, der mit einer schaftlosen Ausführung konfiguriert ist und
eine) modifiziertes) Schaufelblattprofil und -dicke zwecks Minimierung
unerwünschter
aerodynamischer Wirkungen und Verbesserung des Betriebswirkungsgrads
aufweist, wodurch zum Beispiel im Vergleich zu herkömmlichen
Schaufeln mit Aslim®-Schaufelblattdicke eine
verbesserte Halsquerschnittsreduzierung bereitgestellt wird.
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Ein
VGT umfasst allgemein ein mittleres Gehäuse mit einem an einem Ende
befestigten Turbinengehäuse
und einem an einem gegenüberliegenden
Ende befestigten Verdichtergehäuse.
Eine Welle ist drehbar in einer im mittleren Gehäuse enthaltenen Lageranordnung
angeordnet. Eine Turbine oder ein Turbinenrad ist an einem Wellenende
befestigt und im Turbinengehäuse
angeordnet, und ein Verdichterlaufrad ist an einem gegenüberliegenden
Wellenende befestigt und im Verdichtergehäuse angeordnet. Das Turbinen-
und das Verdichtergehäuse
sind durch sich zwischen den benachbarten Gehäusen erstreckende Schrauben
am mittleren Gehäuse
befestigt.
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1 zeigt
einen Teil eines bekannten VGTs 10, der ein Turbinengehäuse 12 mit
einem standardmäßigen Einlass 14 zur
Aufnahme eines Abgasstroms und einen Auslass 16 zum Leiten
von Abgas zum Abgassystem des Motors aufweist. Ein Diffusor ist
mit dem Abgaseinlass verbunden, und eine integrale Düsenaußenwand
ist im Turbinegehäusegussteil
neben dem Diffusor enthalten. Ein Turbinenrad 17 und Wellenanordnung 18 wird
im Turbinengehäuse 12 getragen.
Abgas oder ein anderes hochenergetisches Gas, das den Turbolader
versorgt, tritt durch den Einlass 14 in das Turbinengehäuse ein
und wird für
eine im Wesentlichen radiale Zuführung
zum Turbinenrad durch einen Umfangsdüseneintritt 20 durch den
Diffusor im Turbinengehäuse
verteilt.
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Mehrere
Schaufeln 22 sind unter Verwendung von senkrecht von den
Schaufeln vorstehenden Wellen 26 an einer in das Turbinengehäuse hineingearbeiteten
Düsenwand 24 angebracht.
Die herkömmlicherweise
bei solchen VGTs verwendeten Schaufeln sind die oben erwähnten Ausführungen
mit geringer Schaufelblattdicke. Die Wellen 26 stehen mit
jeweiligen Öffnungen 28 in
der Düsenwand
in Dreheingriff. Die Schaufeln enthalten jeweils Betätigungsnasen 30,
die von einer Seite gegenüber
den Wellen vorragen und durch jeweilige Schlitze 32 in
einem als eine zweite Düsenwand
dienenden Verstellring 34 in Eingriff genommen werden.
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Eine
(nicht gezeigte) Betätigeranordnung
ist mit dem Verstellring 34 verbunden und so ausgeführt, dass
sie den Ring in die eine oder andere Richtung dreht, je nachdem,
wie erforderlich, um die Schaufeln radial nach außen oder
nach innen zu bewegen und so die Menge an Abgasströmung zur
Turbine zu erhöhen
oder zu verringern. Mit Drehen des Verstellrings wird bewirkt, dass
sich die Schaufelnasen 30 in ihren jeweiligen Schlitzen 32 von
einem Schlitzende zu einem gegenüberliegenden
Schlitzende bewegen. Da die Schlitze radial entlang dem Verstellring
ausgerichtet sind, bewirkt die Bewegung der Schaufelnasen 30 in
den jeweiligen Schlitzen 32 ein Schwenken der Schaufeln über Drehung
der Schaufelwellen in ihren jeweiligen Öffnungen und ihre Bewegung
radial nach außen
oder nach innen in Abhängigkeit
von der Drehrichtung des Verstellrings. Beispiele für bekannte
VGTs, die solche Elemente umfassen, werden in den US-PS 4,679,984;
4,804,316 und 6,269,642, auf die hiermit Bezug genommen wird, offenbart.
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2 zeigt
das allgemeine Bewegungsmuster herkömmlicher schlanker Schaufeln 36,
wie sie in dem oben beschriebenen und dargestellten VGT verwendet
werden, wenn sie von dem Verstellring betätigt werden. Dieses Bewegungsmuster
ist jedoch sowohl für
Konfigurationen schlanker Schaufeln als auch die gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung hergestellte verbesserte Schaufelausführung, wie
sie mit VGTs verwendet wird, allgemein das gleiche. Jede Schaufelnase 42 ist
in einem jeweiligen länglichen
Schlitz 38 des Verstellrings 40 angeordnet. In
einer geschlossenen Position AA@ ist die Schaufelnase 42 neben
einem ersten Ende 44 des Schlitzes 38 angeordnet.
Diese Position wird als eine geschlossene Position bezeichnet, weil
die Schaufel nicht radial nach außen auf geweitet ist, wodurch
sie der Begrenzung des Abgasstroms zur Turbine dient. In einer Zwischenposition
AB@ ist der Verstellring 40 um ein ausreichendes Maß gedreht
worden, so dass die Schaufelnase 42 im Schlitz 38 von
dem ersten Schlitzende 44 in eine mittlere Position des
Schlitzes bewegt worden ist. Die Bewegung der Schaufelnase wird
durch den Schwenkvorgang der Schaufel bezüglich der Düsenwand bereitgestellt, wodurch
die Schaufel um ein gegebenes Ausmaß radial nach außen gedreht
werden kann. In der Position AB@ dient das radiale Zwischenvorragen
der Schaufel der Vergrößerung des
Abgasstroms zur Turbine im Vergleich zur geschlossenen Position
AA@. In der Position AC@ ist der Verstellring nun in eine maximale
Position gedreht worden, wodurch eine Bewegung der Schaufelnase 42 im
Schlitz 38 zu einem zweiten Ende 46 bewirkt wird.
Solch eine weitere Schaufelbewegung wird wiederum durch die Schwenkanordnung
zwischen der Schaufel und der Düsenwand
erleichtert, wodurch die Schaufel radial nach außen in eine Maximalposition
gedreht werden kann. In der Position AC@ dient das maximale radiale
Vorragen der Schaufel der Vergrößerung des
Abgasstroms zur Turbine im Vergleich zur Zwischenposition AA@.
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Wie
bezüglich
des Stands der Technik oben erwähnt,
erfordert ein ordnungsgemäßer Betrieb
bekannter VGTs mit den mehreren beweglichen Schaufeln wie oben beschrieben
und in 1 dargestellt, dass die Schaufeln gegenüber der
Düsenwand
frei schwenken können,
wenn sie durch den Verstellring betätigt werden. Solch eine freie
Schwenkbewegung erfordert, dass die Schaufelwellen sich nicht festfressen
oder sonst wie in ihrer Drehbewegung in ihren jeweiligen Düsenlöchern eingeschränkt werden.
Die bekannte Schaufelausführung
kann zu Beeinträchtigungen
der freien Schaufelschwenkbewegung führen, wenn die von jeder Schaufel
vorragende Welle nicht vollkommen senkrecht ist. Darüber hinaus
kann die bekannte Schaufelausführung
durch die relativ große
Freitragbelastung, die aufgrund des Schaufelwellen- und Lochbefestigungsmechanismus
auf die Schaufel ausgeübt
wird, zu einer Beeinträchtigung der
freien Schaufelschwenkbewegung führen.
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3 zeigt
eine Ashaftless®-
oder Astemless®-Schaufel 50 der
vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit einem VGT mit einer radialen
Innenfläche 52,
einer gegenüberliegenden
radialen Außenfläche 54 und
axialen Flächen 56 und 58.
Diese Schaufelflächen
sind bezüglich
der Schaufelanordnung in dem Turbinengehäuse definiert. Die Schaufel 50 enthält eine
Eintrittskante oder Nase 60 und eine Austrittskante 62 an
einander gegenüberliegenden gemeinsamen
Enden der radialen Innen- und
Außenfläche 52 und 54.
Wie hier verwendet, wird der Begriff Eintrittskante zur Bezeichnung
eines abgerundeten Nasenteils der Schaufel verwendet und soll kein scharfes
oder abrupt abgewinkeltes Flächenmerkmal betreffen.
Die Schaufel enthält
eine Nase 64, die von der axialen Fläche 58 nach außen weg
ragt und neben der Eintrittskante 60 angeordnet ist, wobei
diese Nase zum Zusammenwirken mit einem Verstellringschlitz auf
die oben beschriebene Weise zur Erleichterung der Schaufelbetätigung konfiguriert
ist.
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Im
Gegensatz zu der oben beschriebenen und in den 1 und 2 dargestellten
bekannten Schaufelausführung
enthält
die Schaufel 50 keine Welle. Stattdessen sind die Schaufeln
der vorliegenden Erfindung mit einem in der axialen Fläche 56 ausgebildeten
Loch 64 ausgeführt,
das dazu bemessen und konfiguriert ist, der Anordnung eines jeweiligen
Stifts 68 darin (siehe 3) Rechnung
zu tragen, wobei der Stift von der Turbinegehäusedüsenwand senkrecht nach außen weg
ragt. Mit einer solchen Konfiguration wird die Schaufelschwenkbewegung
gegenüber
der Düsenwand
durch die relative Drehbewegung zwischen dem festgelegten Stift
und dem Loch in der Schaufel bereitgestellt. Der durch den in dem
Loch in der drehbaren Schaufel festgelegten Wandstift vorgesehene
Schwenkmechanismus verringert das Ausmaß der Freitragbelastung der
Schaufel im Vergleich zu bekannten Schaufelausführungen und -befestigungsmechanismen,
wodurch er dazu dient, potentielle Beeinträchtigungen einer effizienten
Schaufelbewegung und eines effizienten Schaufelbetriebs zu verringern
und/oder zu beseitigen.
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Jeder
Stift 68 kann dazu konfiguriert sein, durch Presspassung
oder durch ein anderes herkömmliches
Befestigungsverfahren an der Düsenwand
befestigt zu werden, und ist in einem im Wesentlichen kreisförmigen Muster,
das mit der gewünschten
beabstandeten Schaufelanordnung zusammenfällt, in der Düsenwand
positioniert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Stift 68 mit
einer abgestuften Ausführung
mit zwei verschiedenen Durchmessern konfiguriert, wobei ein erster
Abschnitt 70 mit vergrößertem Durchmesser
so bemessen und konfiguriert ist, dass er eine sichere Presspassungsbefestigung
in der Düsenwand
bereitstellt, und wobei ein zweiter Abschnitt 72 mit verringertem Durchmesser
so bemessen und konfiguriert ist, dass er von der Düsenwand
nach außen
vorragt und in das Schaufelloch 66 passt, um eine Drehbewegung damit
bereitzustellen. Wie unten besser beschrieben, kann bei anderen
Schaufelausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der Stift jedoch einen gleichförmigen Durchmesser,
das heißt
eine nicht abgestufte Ausführung,
aufweisen.
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Die
Schaufel 50 ist so konfiguriert, dass sie eine relativ
geringe Schaufelblattdicke aufweist, wie sie zwischen der radialen
Innen- und Außenfläche 52 und 54 gemessen
wird. Bei einer Ausführungsform, bei
der die Schaufellänge
ca. 52 mm beträgt
(wie entlang einer Geraden zwischen der Schaufeleintrittskante und
der Schaufelaustrittskante gemessen), betrug die Schaufelblattdicke
zum Beispiel ca. 5 mm oder weniger als das 0,1-Fache der Länge. Bei
Ausführungsbeispielen
beträgt
die Schaufelblattdicke für eine
solche schlanke Schaufelausführung
weniger als ca. das 0,14-Fache der Länge der Schaufel und liegt
zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem 0,05- bis dem 0,14-Fachen
der Länge
der Schaufel.
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Die
relativ geringe Schaufelblattdicke für die Schaufel 50 ist
ein Ergebnis der im Verhältnis
allmählich
gekrümmten
Außen-
und Innenschaufelblattfläche 54 und 52 der
Schaufel. Die Schaufel 50 zeichnet sich dadurch aus, dass
sie eine durchgehende konvexe Außenfläche, die durch einen relativ
großen Krümmungsradius
definiert wird, und eine durchgehende konkave Innenfläche, die
durch einen ähnlich großen Krümmungsradius
definiert wird, aufweist. Der Krümmungsradius
der Schaufelaußenfläche 54 für solch
eine schlanke Schaufelausführung
kann größer sein
als ca. das 0,8-Fache
der Länge
der Schaufel und kann zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem
0,8- bis dem 1,5-Fachen der Länge
der Schaufel liegen. Der Krümmungsradius
der Schaufelinnenfläche 52 für solch
eine schlanke Schaufelausführung
kann größer sein
als einmal die Länge
der Schaufel und zum Beispiel in einem Bereich von ca. einmal bis
dem 1,8-Fachen der Länge
der Schaufel liegen. Bei einer Ausführungsform, bei der die Schaufellänge ca.
52 mm beträgt,
weist die Schaufelaußenfläche 54 zum
Beispiel einen Krümmungsradius
von ca. 57 mm auf, und die Schaufelinnenfläche 52 weist einen
Krümmungsradius
von 68 mm auf. Darüber
hinaus weist die Schaufeleintrittskante 60 solch einer Schaufel 50 eine
abrupt abgerundete Form auf, die durch einen relativ geringen Radius
definiert wird.
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4 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer verbesserten Schaufel 80 der vorliegenden Erfindung,
die wie die oben beschriebene und in 3 dargestellte
Schaufel 50 eine radiale Innenfläche 82, eine gegenüberliegende
radiale Außenfläche 84,
axiale Flächen 86 und 88,
eine Eintrittskante oder Nase 90, eine Austrittskante 92,
eine Betätigungsnase 94 und
ein Stiftloch 96 aufweist. Die Schaufel 80 ist
allgemein auf die gleiche Weise wie die Schaufel 50 konfiguriert,
um mit dem Verstellring und dem Turbinengehäuse zusammenzuwirken und in
dem Turbinengehäuse
zur Steuerung des Abgasstroms zum Turbinenrad gedreht zu werden.
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Im
Gegensatz zur schlanken Schaufel 50 weist die verbesserte
Schaufel 80 ein anderes Schaufelblattprofil und eine Schaufelblattdicke
als die schlanke Schaufel auf. Die verbesserte Schaufel der vorliegenden
Erfindung enthält
eine Außenfläche 84 mit
einem erhöhten
Grad an radialer Krümmung, das
heißt
einem verringerten Krümmungsradius,
im Vergleich zu einer herkömmlichen
Schaufel mit geringer Schaufelblattdicke. Der verringerte Krümmungsradius
stellt ein äußeres Schaufelblattprofil
mit einer übertriebenen
Kurve im Vergleich zur im Verhältnis allmählich gekrümmten Außenfläche der
herkömmlichen
schlanken Schaufel bereit. Des Weiteren dient der verringerte Krümmungsradius
der Vergrößerung der
Radial- oder Schaufelblattdicke der Schaufel.
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In
einem Beispiel der ersten Ausführungsform
kann eine verbesserte Schaufel der vorliegenden Erfindung eine Schaufelblatt-
oder radiale Dicke aufweisen, die größer als ca. das 0,16-Fache
der Länge
der Schaufel sein und zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem
0,16- bis dem 0,50-Fachen der Länge
der Schaufel (wie durch eine Gerade zwischen der Eintritts- und
der Austrittskante der Schaufel gemessen) liegen kann. In einem
Beispiel, in dem die Schaufellänge
ca. 47 mm beträgt,
beträgt
die Schaufelblattdicke ca. 12 mm oder das 0,25-Fache der Schaufellänge. Es
versteht sich, dass die genaue Schaufelblattdicke von verbesserten
Schaufeln der vorliegenden Erfindung in diesem allgemeinen Bereich
in Abhängigkeit
von der bestimmten VGT- und Motoranwendung variieren kann und wird.
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Wie
oben erwähnt,
umfasst die erste Ausführungsform
der verbesserten Schaufel 80 der vorliegenden Erfindung
eine Schaufelblattaußenfläche 84 mit
einem relativ geringen Krümmungsradius.
Bei einer beispielhaften ersten Ausführungsform kann eine verbesserte
Schaufel der vorliegenden Erfindung eine Schaufelblattaußenfläche aufweisen,
die durch einen Krümmungsradius
von weniger als ca. dem 0,8-Fachen der Schaufellänge, zum Beispiel von ca. dem
0,1- bis dem 0,8-Fachen der Schaufellänge, definiert wird. Die erste
Ausführungsform
der verbesserten Schaufel 80 weist eine Schaufelblattinnenfläche 82 auf,
die fast linear aussieht und eine konvexe Fläche aufweist, die durch einen
relativ großen
Krümmungsradius
definiert wird. In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die verbesserte
Schaufel eine Schaufelblattinnenfläche aufweisen, die durch einen Krümmungsradius
von über
dem 2-Fachen der Schaufellänge
definiert wird. Bei einer Ausführungsform,
bei der die Schaufellänge
ca. 47 mm beträgt, weist
die Schaufelaußenfläche 84 zum
Beispiel einen Krümmungsradius
auf, der ca. 28 mm beträgt,
und die Schaufelinnenfläche 82 weist
einen Krümmungsradius
von ca. 207 mm auf.
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Darüber hinaus
weist die verbesserte Schaufel 80 der vorliegenden Erfindung
eine Eintrittskante 90 auf, die durch einen relativ großen Krümmungsradius
im Vergleich zur herkömmlichen
Schaufel mit schlankem Schaufelblatt gekennzeichnet ist, um die Auftreffwirkungen
durch den Strömungsbereich
der Schaufel zu minimieren.
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Die 5A bis 5C zeigen
die erste Ausführungsform
der Schaufel der vorliegenden Erfindung (wie in 4 gezeigt)
im Vergleich zu zwei anderen verbesserten Schaufelausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. 5A zeigt
die erste Ausführungsform
der verbesserten Schaufel 100 der vorliegenden Erfindung,
wie durch die relativ große Schaufelblattdicke
zwischen der Innen- und der Außenfläche 102 und 104 und
durch die gekrümmte
Außenfläche 104 mit
dem allgemein kontinuierlichen kleinen Radius und die gekrümmte Innenfläche 102 mit
dem allgemein kontinuierlichen großen Radius gekennzeichnet.
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5B zeigt
eine zweite Ausführungsform der
verbesserten Schaufel 106 der vorliegenden Erfindung, die
eine Außenfläche 108,
eine Innenfläche 110,
eine Eintrittskante 112, eine Austrittskante 114, eine
Betätigungsnase 116 und
ein Stiftloch 118 umfasst. Die zweite Ausführungsform
der Schaufel umfasst eine Eintrittskante und eine Innenfläche, die
jeweils anders geformt sind als die der ersten Ausführungsform.
Insbesondere zeichnet sich die Eintrittskante 112 dadurch
aus, dass sie einen größeren Krümmungsradius
aufweist, so dass sich ein benachbarter Teil ihrer Außenfläche 108 in
einem größeren Abstand
von der Betätigungsnase 116 befindet,
wodurch die Schaufelblattdicke der Schaufel neben der Eintrittskante
vergrößert wird.
Eine beispielhafte zweite Schaufelausführungsform weist eine Eintrittskante 112 auf,
die durch einen Krümmungsradius
definiert werden kann, der mindestens ca. das 1,1-Fache des der
Eintrittskante für
die Schaufel der ersten Ausführungsform
beträgt
und zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem 1,1- bis dem 1,8-Fachen
des der ersten Ausführungsform
der verbesserten Schaufel liegt.
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Darüber hinaus
weist die Innenfläche 110 statt
einer kontinuierlichen konvexen Form (d.h., die durch einen einzigen
Krümmungsradius
definiert wird) eine komplexe Form auf, die durch mindestens zwei
verschieden geformte Abschnitte definiert wird. Ausgehend von der
Eintrittskante 112 weist die Innenfläche einen konvex geformten
Teil 120 auf, der durch einen Krümmungsradius definiert wird,
der größer ist
als der der Eintrittskante, um die Eintrittskante in die Innenfläche zu konturieren
oder übergehen
zu lassen. Der konvex geformte Teil 120 erstreckt sich von
der Eintrittskante 116 bis knapp an der Nase 116 vorbei.
Ausgehend von dem konvex geformten Teil 102 weist die Innenfläche einen
konkav geformten Teil 122 auf, der sich zur Austrittskante 122 der Schaufel
erstreckt.
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Die
vergrößerte und
nach oben ausgerichtete Eintrittskante und die komplexe Form der
Innenfläche
dieser zweiten Schaufelausführungsform
dienen dazu, im Vergleich zur verbesserten Schaufel der ersten Ausführungsform
zusätzliche
aerodynamische Wirkungen bereitzustellen. Die Schaufel erzeugt ein
komplexes Druckfeld, das in das Schaufelsystem eintritt, es durchläuft und
daraus austritt. Die Integration des Flächendrucks multipliziert mit
seinem Abstand zum Drehpunkt um die gesamte Schaufel herum führt zu einem
Nettodrehmoment der Schaufel. Diesem Drehmoment muss von der Schaufelnase
und dem Betätigungssystem
entgegengewirkt werden und ist ein Schlüsselfaktor bei der Bemessung
der Betätigungskraft
und weiterhin ein bedeutender Einfluss beim Verschleiß des Schaufelmechanismus.
Das Druckfeld verändert
sich deutlich im gesamten Schaufelbetriebsbereich. Eine ausführliche
Untersuchung dieser Phänomene
zeigt, dass große
Schaufelschließkräfte erzeugt
werden können, wenn
sich die Schaufeln in der weiter geschlossenen Position befinden,
da dann eine bedeutende Beschleunigung des Stroms vorliegt und sich
folglich ein Druckabfall durch die Schaufel ergibt. Durch gezielte Auslegung
der Konvergenz des Durchgangs kann die Rate, mit der sich der Strom
durch den Durchgang beschleunigt, gesteuert werden, wodurch der Druck
und somit das Nettodrehmoment der Schaufel gesteuert werden kann.
Durch Steuern des Nettodrehmoments der Schaufel können die
Kräfte
in dem Schaufelsystem minimiert werden, was zu verringertem Verschleiß und einem
kleineren Betätigungssystem
führt.
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Die
komplexe und konturierte Form der Innenfläche 110 dient der
Vergrößerung des
Strömungsdurchgangs
für das
Abgas entlang der Schaufel vor Eintritt in den Halsquerschnitt.
Darüber
hinaus beeinflusst die besonders konturierte Form der Innenfläche 110 das
Nettodrehmoment an der Schaufel insofern, als es ein Nettodrehmoment
in die entgegengesetzte Richtung bereitstellt.
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Zusammen
dienen die Eintrittskante der zweiten Schaufelausführungsform
und die Innenfläche
dazu, die Höhe
des Druckabfalls durch die Schaufeln im Betrieb zu verringern, da
das zwischen den Schaufeln passierende Abgas als konvergierender
Durchfluss statt paralleler Durchfluss passiert, wodurch Abgasgeschwindigkeiten
stromaufwärts des
Halses deutlich reduziert werden, was zu geringeren Gasreibungsverlusten
durch den Schaufeldurchgang führt.
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5C zeigt
eine dritte Ausführungsform der
verbesserten Schaufel 124 der vorliegenden Erfindung mit
einer Außenfläche 126,
einer Innenfläche 128,
einer Eintrittskante 130, einer Austrittskante 132,
einer Betätigungsnase 134 und
einem Stiftloch 136. Wie die zweite Schaufelausführungsform
umfasst die Schaufel der dritten Ausführungsform auch eine Eintrittskante
und eine Innenfläche,
die anders geformt sind als die der ersten Ausführungsform. Insbesondere zeichnet
sich die Eintrittskante 130 dadurch aus, dass sie einen
etwas kleineren Krümmungsradius
aufweist, und die Innenfläche
umfasst eine komplexe Form, die durch drei verschieden geformte
Abschnitte charakterisiert werden kann.
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Statt
durch einen kontinuierlichen konvexen Bogen (das heißt durch
einen einzigen Krümmungsradius)
definiert zu werden, weist die Innenfläche 128 eine komplexe
Form auf, die durch mindestens drei verschieden geformte Abschnitte
definiert wird. Ausgehend von der Eintrittskante 130 weist
die Innenfläche
einen nach unten geneigten allgemein planaren Abschnitt 138 auf,
der sich von der Schaufeleintrittskante neben der Nase 134 in
einem Winkel von ca. 45 Grad weg erstreckt. Der geneigte Abschnitt 138 erstreckt
sich für
weniger als ca. 1/4 der Gesamtstrecke entlang der Innenfläche und
geht in einen konvexen Abschnitt 140 über. Der konvexe Abschnitt
wird durch einen Krümmungsradius
definiert, der allgemein kleiner ist als der zur Definition des
Bogens der Außenfläche 126 verwendete.
Der konvexe Abschnitt 140 erstreckt sich entlang der Innenfläche zu ungefähr der Mitte
der Schaufel und definiert einen Punkt maximaler Schaufelblattdicke
für die
Schaufel. Somit weist die Schaufel der dritten Ausführungsform
eine größere Schaufelblattdicke
auf als sowohl die erste und die zweite Schaufelausführungsform.
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Zusammen
verleihen der geneigte Abschnitt 138 und der konvexe Abschnitt
einem stromaufwärtigen
Teil der Schaufel im Vergleich zu entweder der ersten oder der zweiten
verbesserten Schaufelausführungsform
einen eindeutig nach unten verlaufenden Vorstand. Diese Ausführung gewährleistet
aerodynamische Verbesserungen, die denen der zweiten Schaufelausführungsform ähneln, nur
etwas ausgeprägter
sind, wie zum Beispiel einen erhöhten
Wirkungsgrad aufgrund des reduzierten Druckabfalls an der Schaufel.
Die Merkmale dieser besonderen Ausführung bestanden darin, den
konvergierenden Durchgang ausgeprägter zu machen, die zuvor erwähnte Wirkung
zu verstärken
und den Strom zu einem radialeren Eintritt zu verschieben, wo der
optimale Strömungswinkel
in einer weiter geschlossenen Schaufelposition auftritt.
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6 zeigt
die Anordnung einer verbesserten gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung ausgeführten
Schaufel 150 in einem VGT-Turbinengehäuse 152 durch Verwendung
eines geeignet bemessenen und geformten Stifts 154. Obgleich ein
abgestufter Stift oben zur Verwendung mit der schlanken Schaufel
von 3 beschrieben worden war, sind die oben offenbarte
erste, zweite und dritte verbesserte Schaufelausführungsform
so ausgeführt,
dass sie durch einen Stift mit einem einzigen Durchmesser schwenkbar
am Turbinengehäuse
befestigt sind. Der in 6 dargestellte Stift 154 enthält einen
Widerhakenkopf 156 zwecks Bereitstellung einer dauerhaften
Presspassung in einem im Turbinengehäuse ausgebildeten Loch 158.
Nach einer solchen Befestigung werden die verbesserten Schaufeln
der vorliegenden Erfindung montiert, installiert und funktionieren
im VGT auf die oben beschriebene Weise.
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7 zeigt
das Bewegungsmuster verbesserter Schaufeln 160 der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in den 4 und 5A dargestellt
sind, wenn sie im VGT angeordnet und durch den oben beschriebenen
und dargestellten Verstellring betätigt sind. Um darzustellen,
in welcher Beziehung die Schaufeln im VGT zueinander stehen, wird
ein Paar benachbarter Schaufeln für jede verschiedene Betriebsposition
vorgesehen. In einer geschlossenen Position AA@ werden die Schaufeln durch
den Verstellring (durch Zusammenwirken der Nase im Schlitz) betätigt, um
jede Schaufeleintrittskante radial nach innen zum Turbinenrad zu
positionieren, wodurch sie dazu dienen, den Abgasstrom durch die
Schaufeln und zur Turbine zu sperren und zu begrenzen. In einer
Zwischenposition AB@ wird der Stellring ausreichend weit gedreht,
um die Schaufeleintrittskante radial nach außen zu bewegen, wodurch es
den Schaufeln ermöglicht
wird, den Abgasstrom zur Turbine im Vergleich zur geschlossenen
Position AA@ zu vergrößern. In
der Position AC@ wird der Verstellring in eine Maximalposition gedreht,
wodurch bewirkt wird, dass die Schaufeln 160 radial nach
außen
in eine maximale Position schwenken, wodurch im Vergleich zur Zwischenposition
AA@ ein maximaler Abgasstrom zur Turbine bereitgestellt wird.
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In
der geschlossenen Position AA@ ist zu sehen, dass der Abgasstromkanal 161 zwischen
den benachbarten Schaufeln durch einander gegenüberliegende, im wesentlichen
parallele Flächen
definiert wird, die aus der äußeren und
inneren Schaufelblattfläche 162 und 164 der
Schaufel bestehen. Wie oben erwähnt,
führt dieser
parallele Gasdurchgang zu einem großen Druckverlust im Turbinegehäuse. Ein Druckverlust
durch die Schaufeln reduziert das Druckdifferenzpotential der Turbine,
wodurch der Wirkungsgrad verringert wird.
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8 zeigt
das Bewegungsmuster verbesserter Schaufeln 166 der vorliegenden
Erfindung der zweiten Ausführungsform,
die in 5B dargestellt sind, wenn sie
in dem VGT angeordnet und durch den oben beschriebenen und dargestellten
Verstellring betätigt
sind. Die verbesserte Schaufel der zweiten Ausführungsform wird auf die gleiche
Weise betätigt,
wie oben für
die verbesserte Schaufel der ersten Ausführungsform beschrieben. Ein
Schlüsselmerkmal
der zweiten verbesserten Schaufelausführungsform besteht (im Gegensatz
zur ersten Schaufelausführungsform)
darin, dass man, wenn sie in der Position AA@ angeordnet ist, sehen
kann, dass der Abgasstromkanal 168 zwischen benachbarten Schaufeln
durch einander gegenüberliegende
konvergierende Flächen
definiert wird, die durch die äußere und
innere Schaufelblattfläche 170 und 172 der Schaufel
gebildet werden.
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Insbesondere
ist bei Anordnung in geschlossener Position @A@ die Austrittskante 171 einer Schaufel
neben dem konvexen Teil 173 der inneren Fläche einer
benachbarten Schaufel angeordnet, um den Abgasstrom zu sperren.
Wie oben erwähnt
führt dieser
konvergierende Gaskanal im Vergleich zur verbesserten Schaufel der
ersten Ausführungsform zu
einem verminderten Druckverlust in dem Turbinegehäuse.
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9 zeigt
das Bewegungsmuster der verbesserten Schaufeln 174 der
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 5C dargestellt
werden, wenn sie in dem VGT angeordnet und durch den oben beschriebenen
und dargestellten Verstellring betätigt sind. Die verbesserte
Schaufel der dritten Ausführungsform
wird auf die gleiche Weise betätigt,
wie oben für
die erste und zweite verbesserte Schaufelausführungsform beschrieben. Wie
die zweite Schaufelausführungsform
stellt die dritte verbesserte Schaufelausführungsform (wenn sie in geschlossener
Position AA@ angeordnet ist) einen Abgasstromkanal 176 zwischen
benachbarten Schaufeln bereit, der durch einander gegenüberliegende
konvergierende Flächen
definiert wird, die durch die äußere und
innere Schaufelblattfläche 178 und 180 der
Schaufel gebildet werden.
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Insbesondere
ist die Austrittskante 182 einer Schaufel bei Anordnung
in geschlossener Position @A@ neben dem konvexen Teil 184 der
Innenfläche einer
benachbarten Schaufel angeordnet, um den Abgasstrom zu sperren.
Wie oben erwähnt,
führt dieser
konvergierende Gaskanal im Vergleich zur verbesserten Schaufel der
ersten Ausführungsform
zu einem verminderten Druckverlust im Turbinegehäuse.
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Allgemein
verwendet die verbesserte Schaufelausführung der vorliegenden Erfindung
den Sperreffekt eines äußerst dicken
Schaufelblatts, um eine stärkere
Querschnittsreduzierung für
ein festgelegtes Schaufeldrehungsausmaß zu erzeugen. Die vergrößerte Dicke
eines Schaufelblatts in einer Kaskade wirkt sich bei einer geschlossenen
@ Schaufelposition viel stärker
auf einen Halsquerschnitt aus als in der geöffneten @ Schaufelposition.
Durch beträchtliches
Vergrößern der Dicke
der Schaufel und leichtes Vergrößern der
axialen Breite der Schaufel wird der gleiche maximale Halsquerschnitt
erreicht.
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Wenn
sich die Schaufeln in die geschlossene Position drehen, wird der
Halsquerschnitt mit einer größeren Geschwindigkeit
verkleinert. Dies führt
zu dem zusätzlichen
Vorteil, dass für
eine festgelegte Querschnittsreduzierung weniger Drehung der Schaufel
erforderlich ist. Eine verringerte Drehung der Schaufeln führt zu weniger
Abweichung von dem optimalen Strömungsvektor
(ca. 70 Grad von radial), wodurch der theoretische Wirkungsgrad
verbessert wird.
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10 ist
eine graphische Darstellung der Änderung
des Halsquerschnitts als eine Funktion der Schaufeldrehung für jede der
schlanken Schaufeln und verbesserten Schaufeln der vorliegenden
Erfindung. Die graphische Darstellung zeigt, dass für eine gegebene
Schaufeldrehung von ca. 1,5 Grad bis 20 Grad die verbesserte Schaufelausführung der
vorliegenden Erfindung ein größeres Ausmaß von Halsquerschnitt
bereitstellt als die herkömmliche
schlanke Schaufelausführung.
Das Halsquerschnitts-Reduzierverhältnis (maximaler
Querschnitt geteilt durch minimaler Querschnitt) wird von 4,3 für die schlanke Schaufel
bis 8,7 für
die verbesserte Schaufelausführung
der vorliegenden Erfindung erhöht.
Dies wird für 20
Grad Schaufeldrehung gezeigt.
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11 ist
eine graphische Darstellung der Differenz des Wirkungsgrads als
eine Funktion von Strömung
für jede
der schlanken Schaufeln und der verbesserten Schaufeln der vorliegenden
Erfindung. Die graphische Darstellung zeigt, dass für eine gegebene
Strömung
die verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung einen höheren Wirkungsgrad liefern
als die schlanken Schaufeln. Obgleich die maximale Strömung, die
unter Verwendung der verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung
erreicht werden kann, geringer ist als die der schlanken Schaufeln,
ist der Wirkungsgrad höher
und breiter. Darüber
hinaus ist die Strömungskurve
für die
verbesserten Schaufeln zu niedrigeren Strömungswerten versetzt, die einen
höheren
Betriebswirkungsgrad bei niedrigeren Motorbetriebsbereichen anzeigen.
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Die
verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung können aus
den gleichen Materialarten und auf die gleiche Weise hergestellt
sein wie die zur Herstellung der Schaufeln nach dem Stand der Technik
verwendeten. Die Schaufeln können
eine im Wesentlichen massive Ausführung aufweisen oder mit einer
ausgehöhlten
Ausführung
konfiguriert sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die verbesserten
Schaufeln mit ausgehöhlten
axialen Flächen
konfiguriert. Die ausgehöhlte
Ausführung wird
bevorzugt, da sich herausgestellt hat, dass sie eine bessere Formbarkeit
und einen höheren
Steifigkeitsgrad bietet, kostengünstiger
herzustellen ist und im Vergleich zu herkömmlichen Schaufeln nach dem Stand
der Technik eine reduzierte Masse aufweisen.
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Nachdem
nun die Erfindung ausführlich
beschrieben worden ist, wie von den Patentgesetzen erfordert, sind
für Fachleute
Modifikationen und die Verwendung von Äquivalenten bei den besonderen hier
offenbarten Ausführungsformen
offensichtlich. Solche Modifikationen liegen im Schutzbereich und in
der Absicht der vorliegenden Erfindung, der bzw. die in den Ansprüchen definiert
wird.