EP2791476A1 - Turbine für einen abgasturbolader - Google Patents

Turbine für einen abgasturbolader

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Publication number
EP2791476A1
EP2791476A1 EP12805584.5A EP12805584A EP2791476A1 EP 2791476 A1 EP2791476 A1 EP 2791476A1 EP 12805584 A EP12805584 A EP 12805584A EP 2791476 A1 EP2791476 A1 EP 2791476A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
adjusting element
exhaust gas
closed position
guide
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Withdrawn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
EP12805584.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Ihli
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 EP2791476A1 publication Critical patent/EP2791476A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure

Definitions

  • the invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1.
  • DE 10 2008 053 169 A1 discloses a turbine for an exhaust gas turbocharger with a variable turbine geometry, which has guide vanes.
  • the vanes are rotatably supported between a vane carrier and a cover plate.
  • Guide vanes serve to divert exhaust gas of an internal combustion engine so that the exhaust gas can flow to a turbine wheel of the turbine in a streamlined manner.
  • Turbine housing of the turbine immovable guide vanes known, which by means of a cover in a first position at least partially covered and in
  • At least a second position of the cover are releasable.
  • the cover is in the axial direction of the turbine relative to the
  • Such a turbine for an exhaust gas turbocharger comprises a turbine housing, which has a receiving space for a turbine wheel of the turbine.
  • the turbine further comprises at least two vanes arranged upstream of the turbine wheel for diverting exhaust gas to be supplied to the turbine wheel.
  • the vanes are immovable relative to the turbine housing, i. firmly and follow in the circumferential direction of
  • At least one adjusting element is provided, by means of which a flow cross section of the turbine through which the exhaust gas can flow is variably adjustable.
  • the adjusting element is movable relative to the turbine housing between at least one closing position which narrows the flow cross-section and at least one open position which releases the flow cross-section in contrast.
  • the adjusting element is arranged at least in the closed position in a space bounded in the circumferential direction by the guide elements between the guide elements.
  • the actuating element does not cover the guide elements upstream or downstream of the guide elements but fluidly blocks the intermediate space between the guide elements at least partially in the closed position or releases the intermediate space at least partially in the open position.
  • the low complexity of the turbine according to the invention comes her
  • the actuator can also be made particularly time and cost.
  • a further advantage is that no function gaps are provided between the guide elements and at these subsequent wall regions of the turbine, which would lead to flow losses.
  • the guide elements can at least substantially without the exhaust gas
  • the turbine is preferably a radial turbine, in which the turbine wheel is at least substantially flowed in the radial direction of the exhaust gas.
  • it may be a so-called mixed-flow turbine, in which the turbine wheel is flowed by the exhaust gas obliquely to the radial direction and obliquely to the axial direction. If the actuating element is located at least partially in the intermediate space, then this can impart an axial component to the at least essentially radial flow when the exhaust gas from the actuating element and the guide elements in the direction of the
  • the adjusting element is at least in a region of the adjusting element, in which the adjusting element is arranged between the guide elements, the outer peripheral side formed as a straight circular cylinder.
  • the adjusting element may be designed differently on the outer peripheral side of a straight circular cylinder.
  • the control element can thus be configured as required in terms of its outer contour to represent advantageous flow conditions.
  • the adjusting element at least in the region of the adjusting element, in which the adjusting element is arranged between the guide elements, an actuating element outer contour, which is formed as at least substantially corresponding counter-contour with a respective Leitelementau touchkontur the guide elements.
  • the flow cross-section is maximally narrowed in the closed position and maximally released in the open position.
  • the actuating element is adjustable in at least one intermediate position between the open position and the closed position, wherein the flow cross-section is released in the intermediate position relative to the closed position and narrowed relative to the open position.
  • the actuator is in a plurality of intermediate positions and at least substantially continuously between the closed position and the
  • a cover member is arranged on the adjusting element, which is arranged at least in the closed position in the intermediate space and by means of which, at least in the closed position a flow-through by exhaust, first portion of the gap in the axial direction of a in the axial direction of the first Subarea subsequent, second subarea of the
  • Interspace is fluidly isolated.
  • undesirable large expansion losses can be avoided, especially when the flow of the exhaust gas, a very strong axial component is impressed after the exhaust flows from the actuator and the guide elements.
  • an adjusting element is assigned to each intermediate space, by means of which the associated intermediate space and thus the respectively associated flow cross-section can be narrowed in the closed position and released in the open position on the other hand.
  • each actuator Preferably, a separate cover is provided on each actuator.
  • the control elements can also be assigned to the control elements common, one-piece cover. This keeps the number of parts of the turbine low.
  • the adjusting elements are preferably arranged on a common actuating element, for example an adjusting ring.
  • the adjusting elements can be formed separately from one another and separately from the actuating element and connected to the actuating element.
  • the actuators are integrally formed with the actuator, i. the adjusting elements are also integrally formed with each other.
  • the cover at least partially a
  • the adjusting element or the adjusting elements are also movable in the radial direction.
  • the movement of the adjusting element can be adapted to the at least substantially designed as a three-dimensional blading guide elements and / or to the flow of the exhaust gas, especially in a mixed-flow turbine.
  • the turbine can be adapted very well to different exhaust gas mass flows and operated efficiently.
  • FIG. 1 shows a detail of a schematic cross-sectional view of a turbine for an exhaust gas turbocharger, which comprises an adjusting element for variably setting an effective flow cross-section of the turbine, wherein the actuating element is arranged at least in its closed position in a gap between two vanes;
  • Fig. 5 shows a detail of a schematic longitudinal sectional view of another
  • Embodiment of the turbine according to FIGS. 1 to 4; 6 shows a detail of a schematic and developed longitudinal sectional view of the turbine of FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a detail of a schematic and developed longitudinal sectional view of a further embodiment of the turbine according to FIG. 6;
  • FIG. 11 in fragmentary form a schematic longitudinal sectional view of the turbine
  • FIG. 12 shows a detail of a schematic cross-sectional view of another
  • Fig. 1 shows a detail of a turbine for an exhaust gas turbocharger
  • the turbine comprises a turbine housing, not shown in FIG. 1, with a receiving space in which a
  • Turbine wheel is added.
  • the turbine wheel is rotatable relative to the turbine housing about an axis of rotation.
  • the exhaust gas turbocharger also includes a compressor with a compressor wheel, which is drivable by the turbine wheel.
  • the turbine wheel and the compressor wheel are rotatably connected to a shaft.
  • the turbine housing has at least one feed channel, via which exhaust gas can be supplied to the receiving space and the turbine wheel.
  • the feed channel is designed as an annular channel and extends in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference.
  • In the feed duct guide vanes 10 of the turbine are arranged. The vanes 10 serve to divert the exhaust, so that the exhaust gas
  • the guide vanes 10 follow each other in the circumferential direction of the turbine wheel. In Fig. 1, only two vanes 10 are shown. It is understood that the turbine may include more than two vanes 10.
  • the guide vanes 10 are preferably arranged distributed in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference at least substantially uniformly and each have an airfoil.
  • a gap 14 is bounded in the circumferential direction of the guide vanes 10, through which the exhaust gas can flow on its way to the turbine wheel. In other words, the exhaust gas flows through one
  • a gap 14 is shown. If more than two guide vanes 10 are provided, a plurality of intermediate spaces 14 and thus several are correspondingly also
  • the multiple flow cross sections form a so-called effective
  • the turbine can be variably adjusted.
  • the turbine can be adapted to different exhaust gas mass flows and thus to different operating points of the internal combustion engine.
  • Intermediate space 14 associated bolt 16 is provided. If a plurality of intermediate spaces 14 are provided, then it is understood that each of the intermediate spaces 14 is assigned a respective pin 16. It is understood that what has been described above and below about the bolt 16 can also be applied to the plurality of bolts 16.
  • the bolt 16 is between a maximum effective flow cross-section releasing open position and the effective flow cross-section maximum narrowing closed position in the axial direction of the turbine displaced. Further, the bolt 16 can be adjusted at least substantially continuously between the closed position and the open position and adjusted accordingly in several intermediate positions between the open position and the closed position.
  • the bolt 16 is arranged in the intermediate space 14 between the guide vanes 10.
  • the guide vanes 10 are fixed relative to the turbine housing and, for example, integrally formed with the turbine housing or by means of a guide grid, which is inserted into the turbine housing and formed separately from the turbine housing.
  • the bolt 16 is at least substantially in the form of a straight circular cylinder, at least in the region in which it is arranged or can be arranged in the intermediate space 14.
  • Guide vanes 10 and a second distance s2 between the bolt 16 and the other vane 10 is shown.
  • the distances s1, s2 can be different from one another.
  • the second distance s2 is greater than the first distance s1.
  • the distances s1, s2 can also be at least substantially equal. It is also possible that the first distance s1 is greater than the second distance s2.
  • the bolt 16 is arranged particularly close to the guide vanes 10.
  • the bolt 16 can be formed differently on the outer peripheral side of a straight circular cylinder at least in the region in which it is arranged or can be arranged in the intermediate space 14.
  • the bolt 16 may also be formed on the outer peripheral side at least substantially elliptical or at least substantially adapted in terms of its outer contour to outer contours of the guide vanes 10.
  • the outer contour of the bolt 16 may be formed as a counter contour (negative contour) corresponding at least substantially to the outer contours of the guide vanes 10.
  • the turbine housing is designated by 18.
  • the pin 16 can be movably supported relative to the turbine housing 18 on the turbine housing 18.
  • FIG. 6 shows a plurality of bolts 16, which are displaceable relative to the turbine housing 18 in the axial direction by means of a sliding ring 20 common to the bolt 16.
  • the bolts 16 are formed separately from the sliding ring 20 and secured to the sliding ring 20.
  • the bolts 16 receptacles 22,
  • the plurality of bolts 16 can be adjusted by means of only a single actuator via the sliding ring 20 in the axial direction.
  • the sliding ring 20 integrally with the bolts 16.
  • the bolts 16 are also integrally formed with each other.
  • the bolts 16 are respective ones
  • the guide vanes 10 are formed by means of a guide grid, which is used as an insert element in the turbine housing 18.
  • the guide grid is integrally formed. However, it may also be formed in two or more pieces.
  • the bolt 16 can be passed through a passage opening of the guide grid, in order to project into the intermediate space 14 via the passage opening.
  • FIG. 9 shows a possibility of sealing the guide grid or, in the present case, the turbine housing 18 against the bolt 16 passing through the guide grid or the turbine housing 18.
  • a sealing element 24 is provided, which is accommodated on the one hand in receiving grooves of the turbine housing 18 (or the guide grid) and on the other hand bears against the bolt 16.
  • the sealing element 24 may be a piston ring.
  • a respective cover element 26 is arranged on each bolt 16, by means of which the intermediate space 14 is fluidic in a first partial region 28 through which exhaust gas can flow and in a second partial region 30 adjoining the first partial region 28 in the axial direction is divisible.
  • the intermediate space 14 is fluidic in a first partial region 28 through which exhaust gas can flow and in a second partial region 30 adjoining the first partial region 28 in the axial direction is divisible.
  • the second portion 30 can be flowed through by the exhaust gas or at least substantially not.
  • Covering 26 can be avoided undesirably large expansion losses when the exhaust flows from the guide vanes 10 and of the guide vanes 10 in the axial direction subsequent walls of the turbine.
  • cover elements 26 may also be integrally formed with each other, whereby a one-piece
  • cover elements 26 which are integral with one another, on the bolts 16 in such a way that relative movements are possible, for example due to thermal expansions and / or deformations during operation of the turbine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem einen Aufnahmeraum für ein Turbinenrad der Turbine aufweisenden Turbinengehäuse (18), mit wenigstens zwei stromauf des Turbinenrads angeordneten, in Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinander folgenden und relativ zum Turbinengehäuse (18) festen Leitschaufeln (10) zum Ableiten von dem Turbinenrad zuzuführenden Abgas und mit wenigstens einem Stellelement (16), mittels welchem ein von dem Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Turbine variabel einstellbar und welches in axialer Richtung der Turbine zwischen wenigstens einer den Strömungsquerschnitt verengenden Schließstellung und wenigstens einer den Strömungsquerschnitt demgegenüber freigebenden Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse (18) bewegbar ist, wobei das Stellelement (16) zumindest in der Schließstellung in einem in Umfangsrichtung von den Leitelementen (10) begrenzten Zwischenraum (14) zwischen den Leitelementen (10) angeordnet ist.

Description

Turbine für einen Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 10 2008 053 169 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie, welche Leitschaufeln aufweist. Die Leitschaufeln sind drehbar zwischen einem Leitschaufelträger und einer Deckscheibe gelagert. Die
Leitschaufeln dienen dazu, Abgas einer Verbrennungskraftmaschine abzuleiten, so dass das Abgas ein Turbinenrad der Turbine strömungsgünstig anströmen kann.
Da die Leitschaufeln von dem Abgas umströmt werden, werden die Leitschaufeln mit sehr hohen Abgastemperaturen beaufschlagt. Um nun ein Verklemmen der Leitschaufeln zu vermeiden, sind sogenannte Funktionsspalte zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufelträger sowie zwischen den Leitschaufeln und der Deckscheibe vorzusehen. Durch diese Funktionsspalte können sich die Leitschaufeln aufgrund der
Temperaturbeaufschlagung ausdehnen, ohne dass es zu einem Verklemmen kommt. Diese Funktionsspalte sind sowohl bei Dieselmotoren als auch bei Ottomotoren vonnöten. Bei Ottomotoren kommt es zu besonders hohen Abgastemperaturen, insbesondere im Vergleich zu Dieselmotoren, so dass insbesondere bei Ottomotoren die Funktionsspalte sehr groß auszubilden sind.
Alternativ zu drehbaren Leitschaufeln ist die Verwendung von relativ zu einem
Turbinengehäuse der Turbine unbewegbaren Leitschaufeln bekannt, welche mittels eines Abdeckelements in einer ersten Stellung zumindest teilweise abdeckbar und in
wenigstens einer zweiten Stellung des Abdeckelements demgegenüber freigebbar sind. Das Abdeckelement ist dabei in axialer Richtung der Turbine relativ zu dem
Turbinengehäuse verschiebbar. Durch ein solches Schiebeelement können die eingangs geschilderten Funktionsspalte, welche zu unerwünschten Strömungsverlusten führen können, vermieden werden. Das die Leitschaufeln abdeckende bzw. in radialer Richtung überdeckende Schiebeelement weist jedoch eine relativ hohe Komplexität auf, was zu hohen Kosten für die Turbine führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche effizient an unterschiedliche Abgasmassenströme anpassbar ist und nur geringe Kosten 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 für ein Turbinenrad der Turbine aufweist. Die Turbine umfasst ferner wenigstens zwei stromauf des Turbinenrads angeordnete Leitschaufeln zum Ableiten von dem Turbinenrad zuzuführenden Abgas. Die Leitschaufeln sind dabei relativ zum Turbinengehäuse unbewegbar, d.h. fest und folgen in Umfangsrichtung des
Turbinenrads aufeinander.
Darüber hinaus ist wenigstens ein Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein von dem Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Turbine variabel einstellbar ist. Das Stellelement ist zwischen wenigstens einer den Strömungsquerschnitt verengenden Schließstellung und wenigstens einer den Strömungsquerschnitt demgegenüber freigebenden Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Stellelement zumindest in der Schließstellung in einem in Umfangsrichtung von den Leitelementen begrenzten Zwischenraum zwischen den Leitelementen angeordnet ist. Mit anderen Worten sind der Strömungsquerschnitt und damit der Bereich der Leitelemente, über den das Abgas dem Aufnahmeraum bzw. dem Turbinenrad zugeführt wird, mittels Bewegen des Stellelements in dem
Zwischenraum zwischen den Leitelementen variabel einstellbar. Das Stellelement überdeckt dabei die Leitelemente nicht stromauf oder stromab der Leitelemente sondern versperrt den Zwischenraum zwischen den Leitelementen fluidisch zumindest teilweise in der Schließstellung bzw. gibt den Zwischenraum demgegenüber zumindest teilweise in der Offenstellung frei. Dadurch kann die erfindungsgemäße Turbine bedarfsgerecht an unterschiedliche
Abgasmassenströme angepasst und auch bei unterschiedlichen Abgasmassenströmen, d.h. bei hohen Abgasmassenströmen und bei demgegenüber geringen
Abgasmassenströmen effizient betrieben werden. Diese variable Einstellbarkeit der erfindungsgemäßen Turbine ist auf relativ einfache, kostengünstige und
bauraumgünstige Weise geschaffen.
Die geringe Komplexität der erfindungsgemäßen Turbine kommt ihrer
Funktionserfüllungssicherheit zugute, da die Gefahr einer Fehlfunktion des Stellelements, beispielsweise infolge eines Verklemmens, sehr gering ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einem Ottomotor, bei welchem besonders hohe Abgastemperaturen vorkommen und bei welchem das Stellelement mit besonders hohen Temperaturen beaufschlagt wird. Es versteht sich jedoch, dass die erfindungsgemäße Turbine auch bei einem Dieselmotor, Diesottomotor oder bei anderweitigen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, verwendbar ist.
Aufgrund der Einfachheit des Stellelements und damit der Turbine kann das Stellelement auch besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass zwischen den Leitelementen und sich an diese anschließende Wandungsbereiche der Turbine keine Funktionsspalte vorgesehen sind, welche zu Strömungsverlusten führen würden. Die Leitelemente können das Abgas zumindest im Wesentlichen ohne
Sekundärströmungsverluste und somit zumindest im Wesentlichen vollständig ableiten und dem Turbinenrad strömungsgünstig zuführen. Dies ist dem effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine zuträglich.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest in der Schließstellung ein erster Abstand zwischen dem Stellelement und einem ersten der Leitelemente von einem zweiten Abstand zwischen dem Stellelement und dem zweiten Leitelement
unterschiedlich. So können besonders günstige Strömungsbedingungen für das Abgas eingestellt werden. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb der Turbine.
Bei der Turbine handelt es sich vorzugsweise um eine Radialturbine, bei welcher das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Abgas angeströmt wird. Ebenso kann es sich um eine sogenannte Mixed-Flow-Turbine handeln, bei welcher das Turbinenrad von dem Abgas schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung angeströmt wird. Befindet sich das Stellelement zumindest teilweise in dem Zwischenraum, so kann dies der zumindest im Wesentlichen radialen Strömung eine axiale Komponente aufprägen, wenn das Abgas von dem Stellelement und den Leitelementen in Richtung des
Turbinenrads abströmt. Daraus können vorteilhafte Strömungsbedingungen insbesondere für die Mixed-Flow-Turbine resultieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Stellelement zumindest in einem Bereich des Stellelements, in welchem das Stellelement zwischen den Leitelementen angeordnet ist, außenumfangsseitig als ein gerader Kreiszylinder ausgebildet. Dadurch kann das Stellelement zeit- und kostengünstig hergestellt werden. Dies führt zu besonders geringen Kosten der gesamten Turbine. Ferner sind dadurch besonders günstige Strömungsbedingungen für das Abgas realisiert.
Alternativ kann das Stellelement zumindest in dem Bereich des Stellelements, in welchem das Stellelement zwischen den Leitelementen angeordnet ist, außenumfangsseitig von einem geraden Kreiszylinder unterschiedlich ausgebildet sein. Das Stellelement kann somit hinsichtlich seiner Außenkontur bedarfsgerecht zur Darstellung vorteilhafter Strömungsbedingungen ausgestaltet werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Stellelement zumindest in dem Bereich des Stellelements, in welchem das Stellelement zwischen den Leitelementen angeordnet ist, eine Stellelementaußenkontur auf, welche als mit einer jeweiligen Leitelementaußenkontur der Leitelemente zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die
Stellelementaußenkontur zumindest bereichsweise formentsprechend an die jeweilige Leitelementaußenkontur angepasst. Dadurch kann der Strömungsquerschnitt besonders effizient verengt bzw. versperrt werden, was mit einem effizienten Betrieb der Turbine einhergeht.
Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt in der Schließstellung maximal verengt und in der Offenstellung maximal freigegeben. Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Stellelement in wenigstens eine Zwischenstellung zwischen der Offenstellung und der Schließstellung einstellbar ist, wobei der Strömungsquerschnitt in der Zwischenstellung gegenüber der Schließstellung freigegeben und gegenüber der Offenstellung verengt ist. Vorzugsweise ist das Stellelement in einer Mehrzahl von Zwischenstellungen und zumindest im Wesentlichen kontinuierlich zwischen der Schließstellung und der
Offenstellung verstellbar. So kann die Turbine besonders bedarfsgerecht und variabel an eine Vielzahl von unterschiedlichen Abgasmassenströmen angepasst und effizient betrieben werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist an dem Stellelement ein Abdeckelement angeordnet, welches zumindest in der Schließstellung in dem Zwischenraum angeordnet ist und mittels welchem zumindest in der Schließstellung ein von Abgas durchströmbarer, erster Teilbereich des Zwischenraums in axialer Richtung von einem sich in axialer Richtung an den ersten Teilbereich anschließenden, zweiten Teilbereich des
Zwischenraums fluidisch getrennt ist. Mittels des Abdeckelements können unerwünscht große Expansionsverluste vermieden werden, insbesondere wenn der Strömung des Abgases eine sehr starke axiale Komponente aufgeprägt wird nachdem das Abgas von dem Stellelement und den Leitelementen abströmt.
Sind mehr als zwei Leitelemente und damit mehr als ein Zwischenraum zwischen den Leitelementen vorgesehen, so ist vorzugsweise jedem Zwischenraum ein Stellelement zugeordnet, mittels welchem der zugehörige Zwischenraum und damit der jeweils zugehörige Strömungsquerschnitt in der Schließstellung verengt und in der Offenstellung demgegenüber freigegeben werden kann.
Vorzugsweise ist dabei an jedem Stellelement ein separates Abdeckelement vorgesehen. Den Stellelementen kann auch ein den Stellelementen gemeinsames, einstückiges Abdeckelement zugeordnet sein. Dies hält die Teileanzahl der Turbine gering.
Zum einfachen und gleichzeitigen Bewegen der Stellelemente sind diese vorzugsweise an einem gemeinsamen Betätigungselement, beispielsweise einem Verstellring, angeordnet. Dabei können die Stellelemente separat voneinander und separat von dem Betätigungselement ausgebildet und mit dem Betätigungselement verbunden sein.
Dadurch sind die separat voneinander ausgebildeten Stellelemente über das
Betätigungselement miteinander verbunden.
Alternativ ist es möglich, dass die Stellelemente einstückig mit dem Betätigungselement ausgebildet sind, d.h. die Stellelemente sind auch einstückig miteinander ausgebildet.
Vorzugsweise weist das Abdeckelement zumindest bereichsweise eine
Abdeckelementaußenkontur auf, welche als mit einer jeweiligen Leitelementaußenkontur der Leitelemente zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist. Dadurch kann der Zwischenraum effizient fluidisch unterteilt werden, was mit vorteilhaften Strömungsbedingungen einhergeht. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Stellelement bzw. sind die Stellelemente auch in radialer Richtung bewegbar. Dadurch kann die Bewegung des Stellelements an die zumindest im Wesentlichen als dreidimensionale Beschaufelung ausgebildeten Leitelemente und/oder an die Strömung des Abgases insbesondere bei einer Mixed-Flow-Turbine angepasst werden. Somit kann die Turbine sehr gut an unterschiedliche Abgasmassenströme angepasst und effizient betrieben werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiter 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 Kombiration, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader, welche ein Stellelement zum variablen Einstellen eines effektiven Strömungsquerschnitts der Turbine umfasst, wobei das Stellelement zumindest in seiner Schließstellung in einem Zwischenraum zwischen zwei Leitschaufeln angeordnet ist;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 1 und 2;
Fig. 4 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 1 bis 3;
Fig. 5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 1 bis 4; Fig. 6 ausschnittsweise eine schematische und abgewickelte Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 5;
Fig. 7 ausschnittsweise eine schematische und abgewickelte Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 6;
Fig. 8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 5;
Fig. 9 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 8;
Fig. 10 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 2;
Fig. 11 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine
gemäß Fig. 10; und
Fig. 12 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 10 und 11.
Die Fig. 1 zeigt ausschnittsweise eine Turbine für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, dient. Die Turbine umfasst ein in der Fig. 1 nicht dargestelltes Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum, in welchem ein
Turbinenrad aufgenommen ist. Das Turbinenrad ist relativ zu dem Turbinengehäuse um eine Drehachse drehbar. Der Abgasturbolader umfasst auch einen Verdichter mit einem Verdichterrad, welches von dem Turbinenrad antreibbar ist. Dazu sind das Turbinenrad und das Verdichterrad drehfest mit einer Welle verbunden.
Das Turbinengehäuse weist wenigstens einen Zuführkanal auf, über welchen dem Aufnahmeraum und dem Turbinenrad Abgas zuführbar ist. Der Zuführkanal ist dabei als Ringkanal ausgebildet und erstreckt sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang. In dem Zuführkanal sind Leitschaufeln 10 der Turbine angeordnet. Die Leitschaufeln 10 dienen dazu, das Abgas abzulenken bzw. abzuleiten, so dass das Abgas
strömungsgünstig Laufradschaufeln 12 (Fig. 5) des Turbinenrads anströmen kann.
Dadurch wird das Turbinenrad effizient angetrieben, was zu einem effizienten Betrieb der gesamten Turbine führt.
Die Leitschaufeln 10 folgen dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinander. In der Fig. 1 sind lediglich zwei Leitschaufeln 10 dargestellt. Es versteht sich, dass die Turbine mehr als zwei Leitschaufeln 10 umfassen kann. Die Leitschaufeln 10 sind dabei vorzugsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet und weisen jeweils ein Tragflächenprofil auf.
Zwischen den Leitschaufeln 10 ist in Umfangsrichtung von den Leitschaufeln 10 ein Zwischenraum 14 begrenzt, durch welchen das Abgas bei seinem Weg zum Turbinenrad hindurchströmen kann. Mit anderen Worten durchströmt das Abgas einen
Strömungsquerschnitt des Zwischenraums 14 und damit der Turbine. In der Fig. 1 ist der eine Zwischenraum 14 gezeigt. Sind mehr als zwei Leitschaufeln 10 vorgesehen, so sind entsprechend auch mehrere Zwischenräume 14 und somit mehrere
Strömungsquerschnitte vorgesehen, welche von dem Abgas zu durchströmen sind. Die mehreren Strömungsquerschnitte bilden einen sogenannten effektiven
Strömungsquerschnitt der Turbine, welcher von Abgas durchströmbar ist.
Durch Einstellen des effektiven Strömungsquerschnitts, d.h. durch Verengen und demgegenüber Erweitern des effektiven Strömungsquerschnitts kann das
Aufstauverhalten der Turbine variabel eingestellt werden. Dadurch kann die Turbine an unterschiedliche Abgasmassenströme und somit an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
Zum variablen Einstellen des effektiven Strömungsquerschnitts ist nun ein dem
Zwischenraum 14 zugeordneter Bolzen 16 vorgesehen. Sind mehrere Zwischenräume 14 vorgesehen, so versteht es sich, dass jedem der Zwischenräume 14 ein jeweiliger Bolzen 16 zugeordnet ist. Es versteht sich, dass das zuvor und im Folgenden zu dem Bolzen 16 Geschilderte auch auf die Mehrzahl an Bolzen 16 angewendet werden kann.
Der Bolzen 16 ist zwischen einer den effektiven Strömungsquerschnitt maximal freigebenden Offenstellung und einer den effektiven Strömungsquerschnitt maximal verengenden Schließstellung in axialer Richtung der Turbine verschiebbar. Ferner kann der Bolzen 16 zumindest im Wesentlichen kontinuierlich zwischen der Schließstellung und der Offenstellung verstellt und entsprechend auch in mehrere Zwischenstellungen zwischen der Offenstellung und der Schließstellung eingestellt werden.
Zumindest in der Schließstellung sowie in den Zwischenstellungen, in denen der effektive Strömungsquerschnitt gegenüber der Offenstellung verengt ist, ist der Bolzen 16 in dem Zwischenraum 14 zwischen den Leitschaufeln 10 angeordnet. Dadurch ist eine besonders einfache und robuste variable Turbinengeometrie der Turbine dargestellt. Die Leitschaufeln 10 sind dabei relativ zu dem Turbinengehäuse fest und beispielsweise einstückig mit dem Turbinengehäuse oder mittels eines Leitgitters, welches in das Turbinengehäuse eingesetzt und separat von dem Turbinengehäuse ausgebildet ist, gebildet.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der Bolzen 16 zumindest in dem Bereich, in welchem er im Zwischenraum 14 angeordnet ist bzw. angeordnet werden kann, zumindest im Wesentlichen als gerader Kreiszylinder ausgebildet.
In der Fig. 2 ist ein erster Abstand s1 zwischen dem Bolzen 16 und einer der
Leitschaufeln 10 sowie ein zweiter Abstand s2 zwischen dem Bolzen 16 und der anderen Leitschaufel 10 dargestellt. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, können die Abstände s1 , s2 voneinander unterschiedlich sein. Vorliegend ist der zweite Abstand s2 größer als der erste Abstand s1. In Zusammenschau mit Fig. 1 ist erkennbar, dass die Abstände s1 , s2 auch zumindest im Wesentlichen gleich sein können. Ebenso möglich ist es, dass der erste Abstand s1 größer ist als der zweite Abstand s2. Gemäß Fig. 3 ist der Bolzen 16 besonders nahe an den Leitschaufeln 10 angeordnet.
Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, kann der Bolzen 16 zumindest in dem Bereich, in welchem er im Zwischenraum 14 angeordnet ist bzw. angeordnet werden kann, außenumfangsseitig von einem geraden Kreiszylinder unterschiedlich ausgebildet sein. Der Bolzen 16 kann auch außenumfangsseitig zumindest im Wesentlichen elliptisch ausgebildet oder hinsichtlich seiner Außenkontur an Außenkonturen der Leitschaufeln 10 zumindest im Wesentlichen angepasst sein. Mit anderen Worten kann die Außenkontur des Bolzens 16 als zumindest im Wesentlichen mit den Außenkonturen der Leitschaufeln 10 korrespondierende Gegenkontur (Negativkontur) ausgebildet sein. In der Fig. 5 ist das Turbinengehäuse mit 18 bezeichnet. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, kann der Bolzen 16 relativ zum Turbinengehäuse 18 bewegbar am Turbinengehäuse 18 geführt gelagert sein.
Die Fig. 6 zeigt eine Mehrzahl von Bolzen 16, welche mittels eines den Bolzen 16 gemeinsamen Schieberings 20 in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse 18 verschiebbar sind. Die Bolzen 16 sind dabei von dem Schiebering 20 separat ausgebildet und am Schiebering 20 befestigt. Dazu weisen die Bolzen 16 Aufnahmen 22,
insbesondere Nuten, auf, in welche der Schiebering 20 eingreift. So können die mehreren Bolzen 16 mittels lediglich eines einzigen Stellglieds über den Schiebering 20 in axialer Richtung verstellt werden.
Alternativ zur separaten Ausgestaltung der Bolzen 16 vom Schiebering 20 ist es gemäß Fig. 7 möglich, den Schiebering 20 mit den Bolzen 16 einstückig auszubilden. Dabei sind die Bolzen 16 auch einstückig miteinander ausgebildet.
Wie den Fig. 6 und 7 zu entnehmen ist, sind den Bolzen 16 jeweilige
Durchgangsöffnungen des Turbinengehäuses 18 zugeordnet, über die die Bolzen 16 in die jeweiligen Zwischenräume hineinragen können.
Gemäß Fig. 8 sind die Leitschaufeln 10 mittels eines Leitgitters gebildet, welches als Einsatzelement in das Turbinengehäuse 18 eingesetzt ist. Vorliegend ist das Leitgitter einstückig ausgebildet. Es kann jedoch auch zwei- oder mehrstückig ausgebildet sein. Der Bolzen 16 kann durch eine Durchgangsöffnung des Leitgitters hindurchgeführt werden, um über die Durchgangsöffnung in den Zwischenraum 14 hineinzuragen.
Die Fig. 9 zeigt eine Möglichkeit, das Leitgitter bzw. vorliegend das Turbinengehäuse 18 gegen den das Leitgitter bzw. das Turbinengehäuse 18 durchdringenden Bolzen 16 abzudichten. Zur Abdichtung ist ein Dichtungselement 24 vorgesehen, welches einerseits in Aufnahmenuten des Turbinengehäuses 18 (bzw. des Leitgitters) aufgenommen ist und andererseits an dem Bolzen 16 anliegt. Bei dem Dichtungselement 24 kann es sich um einen Kolbenring handeln. Durch diese Abdichtung ist es vermieden, dass Abgas vom Zwischenraum 14 über die mit dem Bolzen 16 korrespondierende Durchgangsöffnung des Turbinengehäuses 18 bzw. des Leitgitters strömt und somit am Turbinenrad vorbei oder ungerichtet auf das Turbinenrad strömt. Gemäß den Fig. 10 und 11 ist an jedem Bolzen 16 ein jeweiliges Abdeckelement 26 angeordnet, mittels welchem der Zwischenraum 14 in einen von Abgas durchströmbaren, ersten Teilbereich 28 und in einen sich in axialer Richtung an den ersten Teilbereich 28 anschließenden, zweiten Teilbereich 30 fluidisch unterteilbar ist. Je nach Abstand des Bolzens 16 von den Leitschaufeln 10 kann auch der zweite Teilbereich 30 von dem Abgas durchströmt werden oder zumindest im Wesentlichen nicht. Mittels des
Abdeckelements 26 können unerwünscht große Expansionsverluste vermieden werden, wenn das Abgas von den Leitschaufeln 10 und von sich an die Leitschaufeln 10 in axialer Richtung anschließenden Wandungen der Turbine abströmt.
Anstelle der jeweiligen, einzelnen Abdeckelemente 26 können die Abdeckelemente 26 auch einstückig miteinander ausgebildet sein, wodurch ein einstückiges
Gesamtabdeckelement gebildet ist. Dies ist in der Fig. 12 gezeigt.
Wie in der Fig. 12 durch Bereiche B angedeutet ist, ist es dabei von Vorteil, die miteinander einstückigen Abdeckelemente 26 derart an den Bolzen 16 anzuordnen, dass Relativbewegungen beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnungen und/oder aufgrund von Deformationen während des Betriebs der Turbine möglich sind.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem einen Aufnahmeraum für ein
Turbinenrad der Turbine aufweisenden Turbinengehäuse (18), mit wenigstens zwei stromauf des Turbinenrads angeordneten, in Umfangsrichtung des Turbinenrads aufeinander folgenden und relativ zum Turbinengehäuse (18) unbewegbaren
Leitschaufeln (10) zum Ableiten von dem Turbinenrad zuzuführenden Abgas und mit wenigstens einem Stellelement (16), mittels welchem ein von dem Abgas
durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Turbine variabel einstellbar und welches in axialer Richtung der Turbine zwischen wenigstens einer den Strömungsquerschnitt verengenden Schließstellung und wenigstens einer den Strömungsquerschnitt demgegenüber freigebenden Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse (18) bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellelement (16) zumindest in der Schließstellung in einem in Umfangsrichtung von den Leitelementen (10) begrenzten Zwischenraum (14) zwischen den
Leitelementen (10) angeordnet ist. .
2. Turbine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest in der Schließstellung ein erster Abstand (s1 ) zwischen dem Stellelement (16) und einem ersten der Leitelemente (10) von einem zweiten Abstand (s2) zwischen dem Stellelement (16) und dem zweiten Leitelement (10) unterschiedlich ist.
3. Turbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellelement (16) zumindest in einem Bereich des Stellelements (16), in welchem das Stellelement (16) zwischen den Leitelementen (10) angeordnet ist,
außenumfangsseitig als ein gerader Kreiszylinder ausgebildet ist.
4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellelement (16) zumindest in einem Bereich des Stellelements (16), in welchem das Stellelement (16) zwischen den Leitelementen (10) angeordnet ist,
außenumfangsseitig von einem geraden Kreiszylinder unterschiedlich ausgebildet ist.
5. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellelement (16) zumindest in einem Bereich des Stellelements (16), in welchem das Stellelement (16) zwischen den Leitelementen (10) angeordnet ist, eine
Stellelementaußenkontur aufweist, welche als mit einer jeweiligen
Leitelementaußenkontur der Leitelemente (10) zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist.
6. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Stellelement (16) ein Abdeckelement (26) angeordnet ist, welches zumindest in der Schließstellung in dem Zwischenraum (14) angeordnet ist und mittels welchem zumindest in der Schließstellung ein von Abgas durchströmbarer, erster Teilbereich (28) des Zwischenraums (14) in axialer Richtung von einem sich in axialer Richtung an den ersten Teilbereich (28) anschließenden, zweiten Teilbereich (30) des
Zwischenraums (14) fluidisch getrennt ist.
7. Turbine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abdeckelement (26) zumindest bereichsweise eine Abdeckelementaußenkontur aufweist, welche als mit einer jeweiligen Leitelementaußenkontur der Leitelemente (10) zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist.
8. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellelement (16) auch in radialer Richtung bewegbar ist.
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