EP2788591A1 - Turbine für einen abgasturbolader - Google Patents

Turbine für einen abgasturbolader

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Publication number
EP2788591A1
EP2788591A1 EP12766889.5A EP12766889A EP2788591A1 EP 2788591 A1 EP2788591 A1 EP 2788591A1 EP 12766889 A EP12766889 A EP 12766889A EP 2788591 A1 EP2788591 A1 EP 2788591A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
guide
exhaust gas
region
guide element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12766889.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Fledersbacher
Manfred GUTHÖRLE
Torsten Hirth
Andreas MÜLLER
Timo Schulz
Carsten VAN LIL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Charging Systems International GmbH
Original Assignee
IHI Charging Systems International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Charging Systems International GmbH filed Critical IHI Charging Systems International GmbH
Publication of EP2788591A1 publication Critical patent/EP2788591A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1.
  • exhaust gas turbocharger for charging the internal combustion engines.
  • the exhaust gas turbochargers each include a turbine and a compressor.
  • the turbine is driven by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the compressor about the turbine, the compressor
  • the internal combustion engines are designed according to the so - called
  • the internal combustion engines have a very small engine displacement, but can provide relatively high specific torques and power due to the compression of the air. Because of the high specific power requirements for the exhaust gas turbocharger and
  • variable turbine in a gasoline engine inherently have a particularly large throughput spread.
  • Instationär s for example in a vehicle acceleration, it is advantageous, especially in the turbine operating range of small throughput characteristics, ie at relatively low flow cross sections of the turbine, the highest possible
  • EP 1 301 689 B1 discloses a turbine of an exhaust gas turbocharger, with a
  • Turbine housing has a receiving space for receiving a turbine wheel as well as a flood through which exhaust gas can flow.
  • the turbine further comprises a slidable in the axial direction of the guide grid, by means of which the exhaust gas flowing from the flood to the turbine wheel can be passed accordingly. This turbine has an inefficient operation.
  • Such a turbine for an exhaust-gas turbocharger comprises a turbine housing which has a receiving space for receiving a turbine wheel and at least one flood through which exhaust gas can flow. From the flood, the exhaust gas via a fluidically connected to the flow supply channel into the receiving space can be conducted.
  • At least one guide element which is fixed relative to the turbine housing and projects into the feed channel at least in a guide region is provided for guiding the exhaust gas.
  • the guide element has in the guide region, relative to the axial direction of the turbine, a first longitudinal region in which the guide element is designed differently with respect to its aerodynamic properties than in a second longitudinal region of the guide element adjoining the first longitudinal region.
  • the length ranges are with regard to their Aerodynamic properties designed such that by means of the length ranges when moving the slider element from the swirl generation by means of the first length region causing closed position in the open position, the swirl generation is at least substantially maintained.
  • the turbine according to the invention can be operated efficiently and with high turbine efficiencies. Furthermore, it has an advantageous transient behavior.
  • the slide element covers the guide element with respect to the radial direction of the turbine on only one side at least partially and at least in the
  • the slide element by means of which the second length region is covered in the closed position, is arranged only on one side of the guide element relative to the radial direction of the turbine. So leakage currents at function columns, which would be provided with a two-sided cover of the guide element, can be avoided. This benefits the efficient operation of the turbine according to the invention.
  • FIG. 1 a shows a schematic longitudinal sectional view of a turbine of an exhaust-gas turbocharger for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle;
  • FIG. 1b shows a detail of a schematic cross-sectional view of the turbine according to FIG. 1a;
  • FIG. 1 b shows a detail of a schematic cross-sectional view of the turbine according to FIG. 1a;
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of
  • Fig. 4 is a schematic diagram for illustrating the relationship between the swirl generation and the movement of an axially movable
  • FIGS. 5a-b each show a detail of a schematic longitudinal sectional view of the turbine according to FIG. 2;
  • FIG. 6a-b in each case in sections a schematic longitudinal sectional view of a
  • 7a is a schematic longitudinal sectional view of another embodiment of the
  • FIG. 7b a detail of a further schematic longitudinal sectional view of the turbine according to FIG. 7a; FIG.
  • Fig. 7c is a schematic perspective view of a guide grid of the turbine according to the
  • 8a-b are each a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of a
  • FIG. 8c shows a detail of a schematic plan view of a guide grid according to FIGS.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for illustrating the relationship between a distance of vanes of the guide grid according to FIGS. 8a-c and a width of a nozzle of a turbine according to Figures 7a-c, via which exhaust gas from a flood of the turbine flows into a receiving space for receiving a turbine wheel;
  • FIG. 11 shows a detail of a schematic plan view of a guide grid according to FIG.
  • FIG. 12 in fragmentary form a schematic longitudinal sectional view of another
  • FIG. 14 shows a detail of a schematic longitudinal sectional view of the turbine according to FIG.
  • FIG. 15 shows a detail of a schematic cross-sectional view of the turbine according to FIG.
  • FIG. 14 along the section line X-X shown in FIG. 14; FIG.
  • FIG. 16 shows a detail of a further schematic longitudinal sectional view of the turbine according to FIG. 14;
  • FIG. 17 shows a detail of a schematic cross-sectional view of the turbine according to FIG.
  • FIG. 16 along the section line X2-X2 shown in FIG. 16;
  • FIG. 18 a detail of a schematic longitudinal sectional view of another.
  • FIG. 19 is a schematic perspective view of the guide grid of the turbine according to FIG.
  • FIG. 20 in fragmentary form a schematic longitudinal sectional view of another
  • FIG. 21 is a schematic perspective view of the guide grid according to FIG. 20;
  • FIG. 21 is a schematic perspective view of the guide grid according to FIG. 20;
  • FIG. 22 is a schematic perspective view of a separator for the guide grid according to FIGS. 20 and 21; FIG.
  • FIG. 23 is a schematic plan view of the separating element according to FIG. 22; FIG.
  • 24a is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • FIG. 24b shows a further schematic perspective view of the guide grid according to FIG. 24a;
  • FIG. 24c shows a schematic longitudinal sectional view of the guide grid according to FIGS. 24a-b;
  • Fig. 25a is a schematic longitudinal sectional view of another embodiment of
  • Fig. 25b a detail of a schematic longitudinal sectional view of the turbine according to
  • Fig. 26a is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • FIG. 26b shows a schematic perspective view of the guide grid according to FIG. 26a;
  • FIG. 27 in fragmentary form a schematic longitudinal sectional view of another
  • Fig. 28a is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • FIG. 28b shows a schematic perspective view of a centering element for centering the guide grid according to FIG. 28;
  • FIG. Fig. 29 in fragmentary form a schematic longitudinal sectional view of another
  • Fig. 30 is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • Fig. 31 is a schematic perspective view of another embodiment of the
  • FIG. 32 shows a detail of a schematic longitudinal sectional view of another.
  • Embodiment of the turbine of FIG. 32 wherein the centering element is designed as a heat shield.
  • FIG. 1a shows a turbine 10 for an exhaust-gas turbocharger
  • the turbine 10 includes a
  • Turbine housing 12 which has a receiving space 14.
  • a turbine 9 of the turbine 10 In the receiving space 14 is a turbine 9 of the turbine 10 about an axis of rotation 6 relative to the
  • Turbine housing 12 is rotatably received.
  • the turbine 10 comprises a guide grid 1 arranged on a bearing housing side of the turbine 10 and comprising a plurality of guide vanes 18.
  • the turbine housing 12 further has an inflow channel 4, which can be flowed through by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the inflow channel 4 is also referred to as a volute and extends in the circumferential direction of the turbine wheel 9 over its circumference at least substantially helically.
  • a flow channel designated as feed channel 5 is fluidly connected. Via the feed channel 5, the exhaust gas flowing through the inflow channel 4 is conducted to the receiving space 14 and the turbine wheel 9.
  • the feed channel 5 can also be referred to as a nozzle.
  • the effective cross section of the feed channel 5 that is, by the nozzle width b, the Aufstau the turbine 10 is determined.
  • the effective cross section of the feed channel 5 in the turbine 10 is variably adjustable.
  • the turbine 10 comprises an axial slide 2 with a die 3, into which the guide vanes 18 can dip.
  • the axial slide 2 can in the axial direction of the turbine 10 relative to the
  • Turbine housing 12 can be moved and is between one of the effective
  • a function gap 8 is provided circumferentially between the guide grid 1 and the guide vanes 18 and the die 3.
  • the circumferential function gap 8 can lead to secondary flow losses at the guide grid 1, i. a part of
  • the guide grid 1 with the guide vanes 18 is a so-called swirl generator, which generates an entrance swirl at the inlet of the turbine wheel 9, in particular by means of the guide vanes 18.
  • the turbine wheel 9 is flowed in particularly efficiently. If the exhaust gas now flows past the guide rail 1 and does not experience the generation of swirl, this has a negative effect on the efficient operation of the turbine 10.
  • a guide comprising the guide grid 1 and the die 3 high demands on the manufacturing technology in order to safely control the high operating temperatures, especially in a gasoline engine and at the same time to keep losses in the form of secondary flow losses within narrow limits.
  • FIG. 2 shows such a turbine 10, in which the axial slide 2 is provided.
  • the turbine 10 does not comprise a guide grid 1 with guide vanes 18.
  • the axial slide 2 is thus unencumbered.
  • the nozzle width b of the feed channel 5 can be seen.
  • FIG. 2 shows a neck cross-section As of the volute 4.
  • the turbine 10 according to FIG. 2 has the problem that there is a strong dependence of the inlet spin on the turbine wheel 9 on the nozzle width b, which is due to the the machine equation described leads to a sharp slump in the turbine power respectively the turbine efficiencies at low values for the nozzle width b.
  • volute 4 produces a twist in accordance with its geometry features neck cross section A s , centroid radius R s and in connection with the nozzle width b or imposes the circumferential component c 1u on the flow of the exhaust gas.
  • FIG. 4 shows a first diagram 20, on the first abscissa 22, the nozzle width b in the direction of a first
  • Directional arrow 24 is applied increasing.
  • the angle is plotted according to a second directional arrow 28. If the axial slide 1 is closed as shown in FIG. 2, the nozzle width b is low. The angle is large, resulting in a small circumferential component c 1u . This results in low turbine power or low without the guide grid 1
  • Axial slide from the closed position i. at least substantially immediately after moving the axial slide 2 from the closed position to the open position.
  • FIGS. 6a-b This is illustrated by means of FIGS. 6a-b.
  • the guide vanes 18 of the guide grid 1 protrude only partially into the feed channel 5.
  • the exhaust gas flows exclusively via the guide vanes 18. If the axial slide 2 is moved from the closed position and is in at least one open position, in which the nozzle width b is widened compared to the closed position, then an unscrewed region of the feed channel 5 released, so that the exhaust gas both via the guide vanes 18 directed as well as undirected or only with swirl generation by the volute 4, the turbine 9 can flow.
  • FIGS. 7a-c show possibilities for avoiding or at least minimizing the described collapse of the entrance swirl and the turbine outputs.
  • the turbine 10 comprises the guide vanes 1, which are fixed relative to the turbine housing 12, with the guide vanes 18.
  • the guide vanes 18 protrude into the feed channel 5 in a guide region 30 and serve to deflect or deflect the exhaust gas ie for swirl generation.
  • the guide vanes 18 now have, based on the axial direction of the turbine 10, starting from the bearing housing side of the turbine 10, a first longitudinal region a and a second longitudinal region d adjoining it, which extend in the axial direction and adjoin one another in the axial direction.
  • the vanes 18 are in terms of their aerodynamic properties in the first
  • Length range a differently formed than in the second length range d.
  • the guide vanes 18 differ in terms of their aerodynamic properties in the length ranges a, d respectively.
  • the length ranges a, d are configured, in particular with respect to their axial extent, such that one associated with that of the turbine 10
  • the length range d assumes the function of the entrance swirl when lifting the axial slide 2 from the stop c, i. when moving the axial slide 2 from the closed position into an also the length range d at least partially releasing open position, continue to maintain and thus to keep the previously described effect and power dip low or completely avoided.
  • the vanes 18 differ in the
  • Length ranges a, d in particular with regard to their extent in the circumferential direction.
  • the guide vanes 18 are shorter in the second length range d relative to the circumferential direction than in the first length range a.
  • 18 different minimum vane spacing Sm in the lengths a, d of the vanes are shown in FIG.
  • a first minimum vane spacing s min _a in the first length range a is smaller than a second minimum vane distance s min _ d in the second length range d.
  • the effective cross section of the guide grid 1 results from the geometry parameters of the nozzle width b in
  • Vane spacing s min Vane spacing s min .
  • Length ranges a, d to make as harmonious as possible, ie a sudden or step-like change, for example, starting from the first length range a to the second length range d and thus the minimum vane spacing s min is advantageously avoided.
  • a transition region 32 by way of which the length regions a, d are connected to one another, has a radius R and is correspondingly at least essentially circular-arc-shaped.
  • Transition region 32 are designed in particular as an ellipse.
  • FIG. 9 shows in a second diagram 34 a qualitative profile of the minimum vane spacing s min , which is plotted over the nozzle width b.
  • a stepped transition characterized by a first course 36 between the length regions a, d leads to a sudden increase in the vane spacing s min .
  • a harmonic progression of the minimum vane spacing s min between the length regions a, d can be achieved.
  • a third directional arrow 38 denotes the enlargement of the radius R and a concomitant change of the first course 36 toward further courses 40.
  • a fourth directional arrow 42 indicates the successive reduction of the radius R and thus the behavior of the further courses 40 toward the first one Course 36.
  • the axial slide 2 has an end face 44 with a further radius R2.
  • the end face 44 of the axial slide 2 is at least substantially arcuate, in particular circular arc or elliptical formed.
  • the radius R is equal to the further radius R2.
  • the axial slide 2 is in its closed position on the stop c, the turbine 10th is closed, then the radii R, R2 are at least substantially
  • the advantageous embodiment of the axial extent i. the length of the second length range d.
  • the second length range d advantageously has such a length that in connection with the ratio As / Rs of the volute 4 used and that of the motor application
  • volute nozzle width bv 0 Ut e, ie at the transition of the exit of the volute 4 to the guide grid 1, yields, which leads to a predeterminable maximum value of the angle c, which is the outflow angle, from the volute 4.
  • the volute nozzle width bvoiute is so large that the angle ⁇ is less than or equal to 25 °, ie a maximum of 25 °. This is particularly the case when, as shown with reference to FIG. 12, an inner diameter D T of a partition 46, by means of which the volute 4 of the
  • Verstellraum is fluidically separated, greater than or equal to an inlet diameter D L of the guide grid 1 is. This results in particular in a minimum extension d min of the second length range d.
  • the length of the second length region d can also be selected such that the entire nozzle width b or volute nozzle width is covered by entry edges of the guide vanes bvoiute. In this case, then the
  • different length ranges a, d is the degree to which the basic profile of the guide vanes 18 on the extension of the second length range d still to
  • This degree is the reciprocal of the ratio of the profile shown in FIG. 15, of the profile completely used in the first length region a, ie, flowed around by the exhaust gas enclosed first surface FA, which runs at least substantially perpendicular to the axial direction, to the profile in the second length region d enclosed second surface FB which the axial slide 2 covers or cover in the second length range d and which in FIG. 17 can be seen.
  • the inverse of the ratio of FA to FB is thus FB / FA, with FB / FA advantageously ranging from 10% to 75% inclusive.
  • the turbine 10 according to FIG. 18 comprises a separating element f for the fluidic separation of the length regions a, d.
  • a the axial slide 2 facing surface of the separating element f serves as a stop c for the axial slide 2 in his
  • the separating element f for example, by a joining method such as
  • welding may be attached to the guide grid 1 and / or to the individual guide vanes 18.
  • the guide grid 1, in particular the guide vanes 18, have a trained by rotatory machining groove 48, in which the separating element f is engaged and fixed in its axial position.
  • FIGS. 20 to 23 show the circumferential groove 48 on the guide vanes 18, which is located directly at the transition of the two length regions a, d.
  • guide matrices for receiving the vanes 18 is also a Einrast penmesser D E , on which the separating element f can engage in the groove 48 during assembly.
  • FIGS. 26a-27 show a possibility of centering the guide grid 1 in the feed channel 5.
  • a centering insert 50 is provided, which has a first centering diameter Dza for centering the first length region a.
  • the turbine housing 12 On a side opposite the centering insert 50 side, the turbine housing 12 also has a second centering diameter D Z d, at which the second
  • Length range d is centered.
  • the guide vanes 18 of the guide grid 1 have
  • Length ranges a, d can be centered.
  • the guide vanes 18 have centering pins 52 on their end faces, which can cooperate with centering bores 54 of the centering insert 50, which is arranged on the bearing housing side.
  • the guide grid 1 is centered by means of the centering insert 50 in such a way that respective mutually facing end faces of the guide grid 1 on the one hand and the centering insert 50 on the other hand interact with one another.
  • the end faces extend obliquely to the radial direction.
  • the end faces enclose an angle of at least substantially 75 ° with the axial direction.
  • a force arrow F indicates the force and direction, with or in which the guide grid 1 is acted upon in the feed channel 5 and thus jammed or clamped.
  • the centering insert 50 is designed as a heat shield, which should avoid an undesirably high heat input from the turbine housing 12 into the bearing housing.
  • a functional integration is created, whereby the
  • Part number, the weight and the cost of the turbine 10 can be kept low.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zur Aufnahme eines Turbinenrads (9) und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut (4) aufweist, von der das Abgas über einen mit der Flut (4) fluidisch verbundenen Zuführkanal (5) in den Aufnahmeraum (14) leitbar ist, wobei wenigstens ein relativ zum Turbinengehäuse (12) festes und zumindest in einem Leitbereich (30) in den Zuführkanal (5) hineinragendes Leitelement (18) zum Leiten des Abgases vorgesehen ist, wobei das Leitelement (18) in dem Leitbereich (30) bezogen auf die axiale Richtung der Turbine (10) einen ersten Längenbereich (a) aufweist, in welchem das Leitelement (18) hinsichtlich seiner aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet ist als in einem sich an den ersten Längenbereich (a) anschließenden zweiten Längenbereich (d) in dem Leitbereich (30) des Leitelements (18).

Description

Turbine für einen Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Serienbau von Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, Abgasturbolader zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen zu verwenden. Die Abgasturbolader umfassen jeweils eine Turbine und einen Verdichter. Die Turbine ist von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Über die Turbine kann der Verdichter
angetrieben werden, um somit der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten. Dadurch kann im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie genutzt werden, so dass sich der Kraftstoffverbrauch und die C02-Emissionen gering halten lassen.
Zur Realisierung besonders geringer Kraftstoffverbräuche und damit geringer C02- Emissionen werden die Verbrennungskraftmaschinen nach dem so genannten
Downsizing-Prinzip ausgestaltet. Hierbei weisen die Verbrennungskraftmaschinen ein sehr geringes Motorhubvolumen auf, können jedoch aufgrund der Verdichtung der Luft relativ hohe spezifische Drehmomente und Leistungen bereitstellen. Wegen der hohen spezifischen Leistungen wachsen Anforderungen an die Abgasturbolader und
insbesondere an deren Turbinen. Eine nicht unerhebliche Herausforderung ist dabei die Realisierung eines guten Instationärverhaltens der Turbinen, so dass die
Verbrennungskraftmaschinen ein gutes Fahrverhalten aufweist.
Bei Ottomotoren wie auch bei Dieselmotoren werden dabei Turbinen mit variablen Turbinengeometrien eingesetzt, um die Turbinen an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassen zu können. Im Vergleich zu einem Dieselmotor muss eine variable Turbine bei einem Ottomotor prinzipbedingt jedoch eine besonders große Durchsatzspreizung aufweisen. Insbesondere zur Darstellung eines akzeptablen Instationärverhaltens, beispielsweise bei einer Fahrzeugbeschleunigung, ist es von Vorteil, insbesondere im Turbinenbetriebsbereich kleiner Durchsatzkennwerte, d.h. bei relativ geringen Strömungsquerschnitten der Turbine, möglichst hohe
Turbinenwirkungsgrade zu erzielen.
Die EP 1 301 689 B1 offenbart eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem
Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads sowie eine von Abgas durchströmbare Flut auf. Die Turbine umfasst ferner ein in axialer Richtung verschiebbares Leitgitter, mittels welchem das aus der Flut zu dem Turbinenrad strömende Abgas entsprechend geleitet werden kann. Diese Turbine weist einen nur uneffizienten Betrieb auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche einen besonders effizienten Betrieb aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut aufweist. Von der Flut ist das Abgas über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in den Aufnahmeraum leitbar.
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein relativ zum Turbinengehäuse festes und zumindest in einem Leitbereich in den Zuführkanal hineinragendes Leitelement zum Leiten des Abgases vorgesehen. Das Leitelement weist dabei in dem Leitbereich bezogen auf die axiale Richtung der Turbine einen ersten Längenbereich auf, in welchem das Leitelement hinsichtlich seiner aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet ist als in einem sich an den ersten Längenbereich anschließenden zweiten Längenbereich des Leitelements.
Vorzugsweise ist ein in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse zwischen einer einen Strömungsquerschnitt des Zuführkanals in beiden Längenbereichen und maximal freigebenden Offenstellung und einer den Strömungsquerschnitt maximal verengenden und lediglich im ersten Längenbereich freigebenden Schließstellung verschiebbares Schieberelement vorgesehen. Dabei sind die Längenbereiche hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften derart ausgestaltet, dass mittels der Längenbereiche beim Verschieben des Schieberelements aus der eine Drallerzeugung mittels des ersten Längenbereichs bewirkenden Schließstellung in die Offenstellung die Drallerzeugung zumindest im Wesentlichen beibehalten wird.
So kommt es insbesondere zu Beginn der Bewegung des Schieberelements von der Schließstellung, in welcher ein minimaler Durchsatz der Turbine eingestellt ist, in die Offenstellung nicht oder nur zu einem sehr geringen Abfall der Drallerzeugung und damit eines Eintrittsdralls der Strömung des Abgases, so dass auch die Turbinenleistung der Turbine nicht oder nicht merklich abfällt. Dadurch ist die erfindungsgemäße Turbine effizient und mit hohen Turbinenwirkungsgraden betreibbar. Ferner weist sie ein vorteilhaftes Instationärverhalten auf.
Bevorzugt deckt das Schieberelement das Leitelement bezogen auf die radiale Richtung der Turbine auf lediglich einer Seite zumindest teilweise und wenigstens in der
Schließstellung ab. Mit anderen Worten ist das Schieberelement, mittels welchem der zweite Längenbereich in der Schließstellung abgedeckt ist, bezogen auf die radiale Richtung der Turbine lediglich auf einer Seite des Leitelements angeordnet. So können Leckageströmungen an Funktionsspalten, die bei einer beidseitigen Abdeckung des Leitelements vorzusehen wären, vermieden werden. Dies kommt dem effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine zugute.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei dienen die Figuren 1 a bis 6b zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 a eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens; Fig. 1b ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 1a;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 1a-b;
Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der
Turbine gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Drallerzeugung und der Bewegung eines axial beweglichen
Schieberelements der Turbine gemäß Fig. 2;
Fig. 5a-b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 2;
Fig. 6a-b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer
weiteren Ausführungsform einer Turbine gemäß den Fig. 5a-b;
Fig. 7a eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der
Turbine gemäß Fig. 1a;
Fig. 7b ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 7a;
Fig. 7c eine schematische Perspektivansicht eines Leitgitters der Turbine gemäß den
Fig. 7a-b;
Fig. 8a-b jeweils eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines
Leitgitters gemäß Fig. 7c;
Fig. 8c ausschnittsweise eine schematische Draufsicht eines Leitgitters gemäß den
Fig. 8a-b;
Fig. 9 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen einem Abstand von Leitschaufeln des Leitgitters gemäß den Fig. 8a-c und einer Breite einer Düse einer Turbine gemäß den Fig. 7a-c, über welche Abgas von einer Flut der Turbine in einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads überströmt;
Fig. 10 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 7a-c;
Fig. 11 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht eines Leitgitters gemäß Fig.
7c;
Fig. 12 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a;
Fig. 13 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 12;
Fig. 14 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß
Fig. 12;
Fig. 15 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß
Fig. 14 entlang der in der Fig. 14 gezeigten Schnittlinie X-X;
Fig. 16 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 14;
Fig. 17 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß
Fig. 16 entlang der in der Fig. 16 gezeigten Schnittlinie X2-X2;
Fig. 18 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform einer Turbine gemäß Fig. 7a;
Fig. 19 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters der Turbine gemäß Fig.
18;
Fig. 20 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform des Leitgitters gemäß Fig. 19; Fig. 21 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß Fig. 20;
Fig. 22 eine schematische Perspektivansicht eines Trennelements für das Leitgitter gemäß den Fig. 20 und 21 ;
Fig. 23 eine schematische Draufsicht des Trennelements gemäß Fig. 22;
Fig. 24a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des
Leitgitters gemäß Fig. 21 ;
Fig. 24b eine weitere schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß Fig. 24a;
Fig. 24c eine schematische Längsschnittansicht des Leitgitters gemäß den Fig. 24a-b;
Fig. 25a eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der
Turbine gemäß Fig. 7a;
Fig. 25b ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß
Fig. 25a;
Fig. 26a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des
Leitgitters gemäß Fig. 24a;
Fig. 26b eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß Fig. 26a;
Fig. 27 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a mit dem Leitgitter gemäß den Fig. 26a-b;
Fig. 28a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des
Leitgitters gemäß Fig. 26a;
Fig. 28b eine schematische Perspektivansicht eines Zentrierelements zur Zentrierung des Leitgitters gemäß Fig. 28; Fig. 29 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a mit dem Zentrierelement gemäß Fig. 28b und dem Leitgitter gemäß Fig. 28a;
Fig. 30 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des
Leitgitters gemäß Fig. 28a;
Fig. 31 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des
Zentrierelements gemäß Fig. 28b;
Fig. 32 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a mit dem Leitgitter gemäß Fig. 30 und dem Zentrierelement gemäß Fig. 31 ; und
Fig. 33 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 32, wobei das Zentrierelement als Hitzeschild ausgebildet ist.
Die Fig. 1a zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen. Die Turbine 10 umfasst ein
Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum 14 aufweist. In dem Aufnahmeraum 14 ist ein Turbinenrad 9 der Turbine 10 um eine Drehachse 6 relativ zu dem
Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen. Die Turbine 10 umfasst ein auf einer Lagergehäuseseite der Turbine 10 angeordnetes Leitgitter 1 , welches eine Mehrzahl von Leitschaufeln 18 umfasst.
Das Turbinengehäuse 12 weist ferner einen Zuströmkanal 4 auf, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Der Zuströmkanal 4 wird auch als Volute bezeichnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads 9 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig. Mit dem Zuströmkanal 4 ist ein als Zuführkanal 5 bezeichneter Strömungskanal fluidisch verbunden. Über den Zuführkanal 5 wird das den Zuströmkanal 4 durchströmende Abgas zu dem Aufnahmeraum 14 und dem Turbinenrad 9 geleitet. Der Zuführkanal 5 kann auch als Düse bezeichnet werden. Durch einen effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5, d.h. durch dessen Düsenbreite b, wird das Aufstauverhalten der Turbine 10 bestimmt. Dabei ist der effektive Querschnitt des Zuführkanals 5 bei der Turbine 10 variabel einstellbar. Dazu umfasst die Turbine 10 einen Axialschieber 2 mit einer Matrize 3, in welche die Leitschaufeln 18 eintauchen können.
Der Axialschieber 2 kann in axialer Richtung der Turbine 10 relativ zu dem
Turbinengehäuse 12 verschoben werden und ist zwischen einer den effektiven
Querschnitt des Zuführkanals 5 maximal verengenden Schließstellung (erster
Endanschlag) und einer den effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5 maximal freigebenden Offenstellung (zweiter Endanschlag) verschiebbar. Zum Verschieben des Axialschiebers 2 und um somit das Aufstauverhalten der Turbine 10 zu variieren, ist eine Verstellmechanik 6 vorgesehen, die in einem Verstellraum 7 aufgenommen ist.
Um die Verstellbarkeit des Axialschiebers 2 während des Betriebs der Turbine 10 zu gewährleisten, ist zwischen dem Leitgitter 1 bzw. den Leitschaufeln 18 und der Matrize 3 umlaufend ein Funktionsspalt 8 vorgesehen. Der umlaufende Funktionsspalt 8 kann jedoch zu Sekundärströmungsverlusten am Leitgitter 1 führen, d.h. ein Teil des
Abgasmassenstroms strömt nicht - wie gewünscht - durch das Leitgitter 1 bzw. über die Leitschaufeln 18 gerichtet auf das Turbinenrad 9, sondern strömt über den umlaufenden Funktionsspalt 8 ungerichtet auf das Turbinenrad 9. Diese Fehlanströmung führt zwangsläufig zu unerwünscht geringen Turbinenwirkungsgraden, besonders in
Betriebsbereichen kleiner Turbinendurchsatzkennwerte, wie sie bei geschlossenem Axialschieber 2 vorkommen.
Das Leitgitter 1 mit den Leitschaufeln 18 ist dabei ein so genannter Drallerzeuger, der insbesondere mittels der Leitschaufeln 18 einen Eintrittsdrall am Eintritt des Turbinenrads 9 erzeugt. Dadurch wird das Turbinenrad 9 besonders effizient angeströmt. Strömt das Abgas nun am Leitgitter 1 vorbei und erfährt nicht die Drallerzeugung, so beeinflusst dies den effizienten Betrieb der Turbine 10 negativ.
Grundsätzlich stellt eine Leiteinrichtung umfassend das Leitgitter 1 und die Matrize 3 hohe Anforderungen an die Fertigungstechnik, um die hohen Betriebstemperaturen insbesondere bei einem Ottomotor sicher beherrschen zu können und gleichzeitig Verluste in Form der Sekundärströmungsverluste in geringen Grenzen zu halten.
Daher ist es wünschenswert, zum Einstellen des Querschnitts des Zuführkanals 5 nicht eine das Leitgitter 1 in radialer Richtung der Turbine 10 beidseitig abdeckende Matrize 3 sondern ein Abdeckelement zu verwenden, das das Leitgitter 1 lediglich auf einer Seite, g vorzugsweise in Strömungsrichtung des Abgases zu dem Turbinenrad 9 stromauf der Leitschaufeln 18, abdecken kann. Dadurch ist kein Funktionsspalt 8 vonnöten und Sekundärströmungsverluste können vermieden oder zumindest gering gehalten werden.
Die Fig. 2 zeigt eine solche Turbine 10, bei welcher der Axialschieber 2 vorgesehen ist. Die Turbine 10 umfasst jedoch kein Leitgitter 1 mit Leitschaufeln 18. Der Axialschieber 2 ist somit unbeschaufelt. In der Fig. 2 ist die Düsenbreite b des Zuführkanals 5 zu erkennen. Ferner ist der Fig. 2 ein Halsquerschnitt As der Volute 4 zu entnehmen.
Wie in Zusammenschau mit dem in der Fig. 3 gezeigten Geschwindigkeitsdreieck erkennbar ist, liegt bei der Turbine 10 gemäß Fig. 2 das Problem vor, dass eine starke Abhängigkeit des Eintrittsdralls zum Turbinenrad 9 von der Düsenbreite b besteht, die aufgrund der in der Euler'schen Maschinengleichung beschriebenen Zusammenhänge zu einem starken Einbruch der Turbinenleistung respektive der Turbinenwirkungsgrade bei geringen Werten für die Düsenbreite b führt.
In Zusammenhang mit der spezifischen Arbeit nach Euler: a u = u, 1 * c, lu— u 2-, * c 2~.u und:
Rs A 2 * U * b ergibt sich, dass die Volute 4 entsprechend ihrer Geometriemerkmale Halsquerschnitt As, Flächenschwerpunktsradius Rs sowie in Zusammenhang mit der Düsenbreite b einen Drall erzeugt bzw. der Strömung des Abgases die Umfangskomponente c1u aufprägt.
Dies ist insbesondere anhand der Fig. 4 erkennbar. Die Fig. 4 zeigt ein erstes Diagramm 20, auf dessen erster Abszisse 22 die Düsenbreite b in Richtung eines ersten
Richtungspfeils 24 ansteigend aufgetragen ist. Auf der ersten Ordinate 26 des ersten Diagramms 20 ist der Winkel gemäß einem zweiten Richtungspfeil 28 ansteigend aufgetragen. Ist der Axialschieber 1 gemäß Fig. 2 geschlossen, so ist die Düsenbreite b gering. Der Winkel ist groß, woraus eine geringe Umfangskomponente c1u resultiert. Daraus resultieren ohne das Leitgitter 1 geringe Turbinenleistungen bzw. geringe
Turbinenwirkungsgrade. Ist der Axialschieber 2 im Gegensatz dazu weiter geöffnet, so ist die Düsenbreite b groß. Der Winkel ist klein, woraus eine große Umfangskomponente Ciu resultiert. Dies bedeutet, dass die Volute 4 das Abgas entsprechend umlenkt und keine weitere Ab- bzw. Umlenkung des Abgases durch das Leitgitter 1 nötig ist.
Mit anderen Worten ist bei geringen öffnungsweiten des Axialschiebers 2 ein Ab- bzw. Umlenken der Strömung des Abgases mittels des Leitgitters 1 zweckmäßig. Bei demgegenüber großen öffnungsweiten ist dagegen die Drallerzeugung alleine über die dem Leitgitter 1 vorgeschaltete Volute 4 zu bewerkstelligen.
Zur Verdeutlichung dieser Zuordnung zwischen Düsenbreite b und Drallerzeugung ist In Fig 5a-b der Verstell bereich bzw. die Extrempositionen des Regelschiebers für die Standardausführung der Turbine dargestellt.
Aufgrund des oben geschilderten Zusammenhangs ist eine Ausführung denkbar, bei der nur in der Extremposition„geschlossener Regelschieber" die Drallerzeugung vollständig über das Leitgitter bewerkstelligt wird, bei Abheben des Regelschiebers von der stirnseitigen Anlage am Leitgitter der Drall hingegen über die Volute erzeugt wird.
Problematisch ist hierbei jedoch das Verhalten der Turbine 10 nach Abheben des
Axialschiebers von der Schließstellung, d.h. zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach Bewegen des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung in die Offenstellung. Der
Eintrittsdrall und damit die Turbinenleistung brechen zusammen, da bei einer dann vorliegenden Öffnungsweite des Axialschiebers 2 eine noch zu geringe Düsenbreite b für eine Erzeugung einer erwünschten und ausreichenden Umfangskomponente c1u noch nicht ausreicht.
Anhand der Fig. 6a-b ist dies veranschaulicht. Die Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1 ragen dabei nur bereichsweise in den Zuführkanal 5 hinein. In der Schließstellung des Axialschiebers 2 strömt das Abgas ausschließlich über die Leitschaufeln 18. Ist der Axialschieber 2 aus der Schließstellung bewegt und befindet sich in wenigstens einer Offenstellung, in welcher die Düsenbreite b gegenüber der Schließstellung erweitert ist, so ist ein unbeschaufelter Bereich des Zuführkanals 5 freigegeben, so dass das Abgas sowohl über die Leitschaufeln 18 gerichtet als auch ungerichtet bzw. lediglich unter Drallerzeugung durch die Volute 4 das Turbinenrad 9 anströmen kann.
Die Fig. 7a-c zeigen Möglichkeiten, das geschilderte Einbrechen des Eintrittsdralls und der Turbinenleistungen zu vermeiden oder zumindest sehr gering zu halten. Wie insbesondere der Fig. 7b zu entnehmen ist, umfasst die Turbine 10 das relativ zum Turbinengehäuse 12 feste Leitgitter 1 mit den Leitschaufeln 18. Die Leitschaufeln 18 ragen in einem Leitbereich 30 in den Zuführkanal 5 hinein und dienen zum Um- bzw. Ablenken des Abgases, d.h. zur Drallerzeugung.
Die Leitschaufeln 18 weisen nun bezogen auf die axiale Richtung der Turbine 10 ausgehend von der Lagergehäuseseite der Turbine 10 einen ersten Längenbereich a und einen sich daran anschließenden zweiten Längenbereich d auf, welche sich in axialer Richtung erstrecken und in axialer Richtung aneinander anschließen. Die Leitschaufeln 18 sind dabei hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften in dem ersten
Längenbereich a anders ausgebildet als in dem zweiten Längenbereich d. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Leitschaufeln 18 hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften in den Längenbereichen a, d jeweils.
Die Längenbereiche a, d sind insbesondere hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung derart ausgestaltet, dass sich ein für die der Turbine 10 zugeordnete
Verbrennungskraftmaschine erforderlicher Minimalwert des Durchsatzparameters der Turbine 10 einstellt, wenn sich der Axialschieber 2 in seiner in der Fig. 7b gezeigten Schließstellung und somit an einem axialen Anschlag c der Leitschaufeln 18 anliegt. In dieser Schließstellung strömt das Abgas aus der Volute 4 lediglich in dem Längenbereich a zum Turbinenrad 9. Dies bedeutet, dass im Schließzustand des Axialschiebers 2 der Eintrittsdrall zum Turbinenrad 9 ausschließlich über den Längenbereich a aufgebracht wird, wobei sich zumindest im Wesentlichen ideale Verhältnisse ohne
Sekundärströmungsverluste ergeben.
Dem Längenbereich d kommt dabei die Funktion zu, den Eintrittsdrall beim Abheben des Axialschiebers 2 vom Anschlag c, d.h. beim Bewegen des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung in eine auch den Längenbereich d zumindest bereichsweise freigebende Offenstellung, weiter aufrecht zu erhalten und somit den zuvor geschilderten Wirkungsund Leistungseinbruch gering zu halten oder ganz zu vermeiden.
Wie der Fig. 7c zu entnehmen ist, unterscheiden sich die Leitschaufeln 18 in den
Längenbereichen a, d insbesondere hinsichtlich ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung. Mit anderen Worten sind die Leitschaufeln 18 im zweiten Längenbereich d bezogen auf die Umfangsrichtung kürzer als im ersten Längenbereich a. Wie den Fig. 8a-9 zu entnehmen ist, sind in den Längenbereichen a, d der Leitschaufeln 18 unterschiedliche minimale Leitschaufelabstände Smin dargestellt. Ein erster minimaler Leitschaufelabstand smin_a im ersten Längenbereich a ist kleiner als ein zweiter minimaler Leitschaufelabstand smin_d im zweiten Längenbereich d. Der effektive Querschnitt des Leitgitters 1 ergibt sich dabei aus den Geometrieparametern der Düsenbreite b in
Abhängigkeit von dem Verfahrweg des Axialschiebers 2 sowie dem minimalen
Leitschaufelabstand smin. Zur Realisierung einer günstigen Turbinencharakteristik über dem gesamten Verfahrweg des Axialschiebers 2 - frei von deutlichen
Wirkungsgradeinbrüchen - ist es vorteilhaft, den Übergang zwischen den
Längenbereichen a, d möglichst harmonisch zu gestalten, d.h. eine sprunghafte bzw. stufenförmige Änderung beispielsweise ausgehend vom ersten Längenbereich a hin zum zweiten Längenbereich d und somit des minimalen Leitschaufelabstands smin ist vorteilhafterweise zu vermeiden.
Wie der Fig. 8b zu entnehmen ist, ist dabei vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Übergangsbereich 32, über den die Längenbereiche a, d miteinander verbunden sind, einen Radius R aufweist und entsprechend zumindest im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet ist. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung kann dieser
Übergangsbereich 32 insbesondere als Ellipse ausgestaltet werden.
Die Fig. 9 zeigt dabei in einem zweiten Diagramm 34 einen qualitativen Verlauf des minimalen Leitschaufelabstands smin, welcher über der Düsenbreite b aufgetragen ist. Ein durch einen ersten Verlauf 36 charakterisierter stufenförmiger Übergang zwischen den Längenbereichen a, d führt zu einem sprunghaften Anstieg des Leitschaufelabstands smin. Durch Anbringung des Radius R an den Leitschaufeln 18 kann ein harmonischer Verlauf des minimalen Leitschaufelabstands smin zwischen den Längenbereichen a, d erzielt werden. Dabei kennzeichnet ein dritter Richtungspfeil 38 die Vergrößerung des Radius R und eine damit einhergehende Veränderung des ersten Verlaufs 36 hin zu weiteren Verläufen 40. Umgekehrt dazu kennzeichnet ein vierter Richtungspfeil 42 die sukzessive Verkleinerung des Radius R und damit das Verhalten der weiteren Verläufe 40 hin zum ersten Verlauf 36.
Gemäß Fig. 10 weist der Axialschieber 2 eine Stirnseite 44 mit einem weiteren Radius R2 auf. Somit ist auch die Stirnseite 44 des Axialschiebers 2 zumindest im Wesentlichen bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig oder elliptisch, ausgebildet.
Vorteilhafterweise ist dabei der Radius R gleich dem weiteren Radius R2. Befindet sich der Axialschieber 2 in seiner Schließstellung am Anschlag c, wobei die Turbine 10 geschlossen ist, dann liegen die Radien R, R2 zumindest im Wesentlichen
deckungsgleich übereinander.
Anhand der Fig. 1 1 -13 ist die vorteilhafte Ausgestaltung der axialen Erstreckung, d.h. der Länge des zweiten Längenbereichs d, veranschaulicht. Der zweite Längenbereich d weist vorteilhafterweise eine solche Länge auf, dass sich im Zusammenhang mit dem verwendeten Verhältnis As/Rs der Volute 4 und der aus der Motoranwendung
vorgegebenen axialen Erstreckung (Länge) des ersten Längenbereichs a für die
Schließstellung eine Voluten-Düsenbreite bv0|Ute, d.h. am Übergang des Austritts der Volute 4 zum Leitgitter 1 , ergibt, die zu einem vorgebbaren Höchstwert des Winkels c , welcher der Abströmwinkel ist, aus der Volute 4 führt. Mit anderen Worten ist die Voluten- Düsenbreite bvoiute so groß, dass der Winkel αι kleiner oder gleich 25°, d.h. maximal 25°, beträgt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn, wie anhand der Fig. 12 dargestellt ist, ein Innendurchmesser DT einer Trennwand 46, mittels welcher die Volute 4 von dem
Verstellraum fluidisch getrennt ist, größer oder gleich einem Eintrittsdurchmesser DL des Leitgitters 1 ist. Daraus ergibt sich insbesondere eine minimale Erstreckung dmin des zweiten Längenbereichs d.
Wie der Fig. 13 zu entnehmen ist, kann die Länge des zweiten Längenbereichs d auch so gewählt werden, dass die gesamte Düsenbreite b bzw. Voluten-Düsenbreite bvoiute von Eintrittskanten der Leitschaufeln 18 überdeckt wird. In diesem Fall kann dann die
Trennwand 46 in radialer Richtung auf einem relativ kleinen Innendurchmesser DT enden, welcher kleiner ist als der Eintrittsdurchmesser DL des Leitgitters. Durch diese Maßnahme wird es ermöglicht, dass jeweilige Stirnseiten der Leitschaufeln 18 im zweiten
Längenbereich d an der Trennwand 46 plan anliegen bzw. zumindest im Wesentlichen nahezu anliegen, bis auf einen weiteren Funktionsspalt e, wodurch
Sekundärströmungsverluste im zweiten Längenbereich d vermieden bzw. sehr gering gehalten werden.
Hieraus ergibt sich insbesondere eine maximale axiale Erstreckung dmax des zweiten Längenbereichs d. Ein weiteres Geometriemerkmal des Leitgitters 1 mit den
unterschiedlichen Längenbereichen a, d ist der Grad, mit welchem das Grundprofil der Leitschaufeln 18 auf der Erstreckung des zweiten Längenbereichs d noch zur
Aufrechterhaltung des Dralls genutzt wird.
Dieser Grad ist der Kehrwert des Verhältnisses der in der Fig. 15 dargestellten, von dem im ersten Längenbereich a vollständig genutzten, d.h. von dem Abgas umströmten Profil umschlossenen ersten Fläche FA, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung verläuft, zur vom Profil im zweiten Längenbereich d umschlossenen zweiten Fläche FB welche der Axialschieber 2 im zweiten Längenbereich d abdeckt bzw. abdecken kann und welche in der Fig. 17 erkennbar ist. Der Kehrwert des Verhältnisses von FA zu FB ist somit FB/FA, wobei FB/FA vorteilhafterweise in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 75% liegt.
Die Turbine 10 gemäß Fig. 18 umfasst ein Trennelement f zur strömungsmäßigen Trennung der Längenbereiche a, d. Eine dem Axialschieber 2 zugewandte Fläche des Trennelements f dient dabei als Anschlag c für den Axialschieber 2 in seiner
Schließstellung.
In verschiedenen Betriebspunkten bzw. Betriebsbereichen kann, unter anderem infolge von gasdynamischen Kräften, auf das Trennelement f eine Kraft in axialer Richtung wirken, welche in Richtung des Turbinenaustritts gerichtet ist. Dies ist insbesondere unmittelbar nach Abheben des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung vom Anschlag c der Fall, d.h. das Trennelement ist vorteilhafterweise in seiner axialen Lage am Übergang der Längenbereiche a, d fixiert.
Dazu kann das Trennelement f beispielsweise durch ein Fügeverfahren wie
beispielsweise Schweißen am Leitgitter 1 und/oder an den einzelnen Leitschaufeln 18 befestigt sein.
Alternativ hierzu kann das Leitgitter 1 , insbesondere die Leitschaufeln 18, eine per rotatorische Bearbeitung ausgebildete Nut 48 aufweisen, in welche das Trennelement f eingerastet und so in seiner axialen Lage fixiert ist.
Die Fig. 20 bis 23 zeigen die umlaufende Nut 48 an den Leitschaufeln 18, die sich direkt am Übergang der beiden Längenbereiche a, d befindet. In am Trennelement f angebrachten Leitschaufelmatrizen zur Aufnahme der Leitschaufeln 18 befindet sich auch ein Einrastdurchmesser DE, auf welchem das Trennelement f in der Nut 48 bei der Montage einrasten kann.
Die Fig. 26a-27 zeigen eine Möglichkeit, das Leitgitter 1 im Zuführkanal 5 zu zentrieren. Dazu ist ein Zentriereinsatz 50 vorgesehen, welcher einen ersten Zentrierdurchmesser Dza zur Zentrierung des ersten Längenbereichs a aufweist. Auf einer dem Zentriereinsatz 50 gegenüberliegenden Seite weist das Turbinengehäuse 12 ebenso einen zweiten Zentrierdurchmesser DZd auf, an welchem der zweite
Längenbereich d zentriert wird. Die Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1 weisen
korrespondierende Stufen, Absätze oder dergleichen auf, mittels welchen die
Längenbereiche a, d zentriert werden können.
Gemäß den Fig. 28a, 28b und 29 weisen die Leitschaufeln 18 an ihren Stirnseiten Zentrierstifte 52 auf, welche mit Zentrierbohrungen 54 des Zentriereinsatzes 50, welcher auf der Lagergehäuseseite angeordnet ist, zusammenwirken können.
Gemäß den Fig. 30 bis 32 wird das Leitgitter 1 derart mittels des Zentriereinsatzes 50 zentriert, dass jeweilige, einander zugewandte Stirnseiten des Leitgitters 1 einerseits und des Zentriereinsatzes 50 andererseits miteinander zusammenwirken. Die Stirnseiten verlaufen dabei schräg zur radialen Richtung. Wie anhand eines Zentrierwinkels ß angedeutet ist, schließen die Stirnseiten mit der axialen Richtung einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 75° ein. Ein Kraftpfeil F deutet dabei die Kraft und die Richtung an, mit bzw. in welcher das Leitgitter 1 im Zuführkanal 5 beaufschlagt und so verklemmt bzw. verspannt ist.
Gemäß Fig. 33 ist der Zentriereinsatz 50 als Hitzeschild ausgebildet, welcher einen unerwünscht hohen Wärmeeintrag vom Turbinengehäuse 12 ins Lagergehäuse vermeiden soll. Dadurch ist eine Funktionsintegration geschaffen, wodurch die
Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Turbine 10 gering gehalten werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zur Aufnahme eines Turbinenrads (9) und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut (4) aufweist, von der das Abgas über einen mit der Flut (4) fluidisch verbundenen Zuführkanal (5) in den Aufnahmeraum (14) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein relativ zum Turbinengehäuse (12) festes und zumindest in einem Leitbereich (30) in den Zuführkanal (5) hineinragendes Leitelement (18) zum Leiten des Abgases vorgesehen ist, wobei das Leitelement (18) in dem Leitbereich (30) bezogen auf die axiale Richtung der Turbine (10) einen ersten Längenbereich (a) aufweist, in welchem das Leitelement (18) hinsichtlich seiner aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet ist als in einem sich an den ersten
Längenbereich (a) anschließenden zweiten Längenbereich (d) in dem Leitbereich (30) des Leitelements (18).
2. Turbine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse (12) zwischen einer einen Strömungsquerschnitt des Zuführkanals (5) maximal und in beiden Längenbereichen (a, d) freigebenden Offenstellung und einer den Strömungsquerschnitt maximal verengenden und lediglich im ersten Längenbereich (a) freigebenden Schließstellung verschiebbares Schieberelement (2) vorgesehen ist, wobei mittels der
Längenbereiche (a, d) beim Verschieben des Schieberelements (2) aus der eine Drallerzeugung mittels des ersten Längenbereichs (a) bewirkenden Schließstellung in die Offenstellung die Drallerzeugung zumindest im Wesentlichen beizubehalten ist.
3. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Längenbereiche (a, d) in axialer Richtung über einen eine wenigstens
bereichsweise zumindest im Wesentlichen bogenförmige, insbesondere
kreisbogenförmige oder elliptisch ausgebildete, erste Kontur aufweisenden
Übergangsbereich (32) miteinander verbunden sind.
4. Turbine (10) nach den Ansprüchen 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schieberelement (2) eine eine zumindest im Wesentlichen mit dem
bogenförmigen Übergangsbereich (32) korrespondierende zweite Kontur aufweisende Stirnseite (44) umfasst.
5. Turbine (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Kontur und die zweite Kontur in der Schließstellung des Schieberelements (2) zumindest im Wesentlichen deckungsgleich zueinander angeordnet sind.
6. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das sich der Leitbereich (30) des Leitelements (18) über die vollständige axiale Erstreckung des Zuführkanals (5) erstreckt, wobei eine die Flut (4) von einem
Aufnahmeraum (7) zum Aufnehmen eines Verstellmechanismus des
Schieberelements (2) fluidisch trennende Zwischenwandung (46) der Turbine (10) einen Innendurchmesser (DT) aufweist, welcher geringer ist als ein
Eintrittsdurchmesser (DL) des Leitelements (18), auf dem das Abgas in das
Leitelement (18) eintritt.
7. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kehrwert (FB/FA) des Verhältnisses (FA/FB) einer sich zumindest im
Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung erstreckenden ersten Profilfläche (FA) des Leitelements (18), welche im zweiten Längenbereich (d) in der Schließstellung mittels des Schieberelements (2) abgedeckt ist, zu einer sich zumindest im
Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung erstreckenden zweiten Profilfläche (FB) des Leitelements (18), welche in der Schließstellung des Schieberelements freigegeben ist, in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 75% liegt.
8. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Trennelement (f) vorgesehen ist, mittels welchem die Längenbereiche (a, d) fluidisch voneinander getrennt sind.
9. Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Voluten-Düsenbreite (bvoiute) so groß ist, dass der Winkel αΊ kleiner oder gleich 25° ist.
10. Turbine (10) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trennelement (f) in einer korrespondierenden Nut (48) des Leitelements (18) eingerastet ist.
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