EP3601739B1 - Turbolader für eine brennkraftmaschine sowie turbinenrad - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine.
• Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO₂-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
• Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
• Ein solcher Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine ist zum Beispiel in Dokument EP 3 144 541 A1 offenbart. Dieser weist ein Lagergehäuse auf, das zwischen einer Abgasturbine mit einem Turbinenlaufrad und einem Radialverdichter mit einem Verdichterlaufrad angeordnet ist und in dem eine Läuferwelle drehbar um eine Läuferdrehachse gelagert ist, auf der das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad jeweils drehfest angeordnet sind. Das Turbinenlaufrad weist eine Laufrad-Beschaufelung auf, und ist in dem Turbinengehäuse angeordnet, welches mechanisch an dem Lagergehäuse festgelegt ist. Das Turbinenlaufrad weist Turbinenschaufeln auf, die jeweils eine Strömungseintrittskante und eine Strömungsaustrittskante aufweisen, die einen Eintrittsradius und einen Austrittsradius des Turbinenlaufrads definieren. Die Turbinenschaufeln haben eine dem Turbinengehäuse zugewandte Außenkontur, die sich von der Strömungseintrittskante bis zu der Strömungsaustrittskante erstreckt. Das Turbinengehäuse weist eine Gehäusekontur auf, die der Außenkontur der Turbinenschaufeln gegenüberliegt, wobei zwischen der Gehäusekontur und der Außenkontur ein radialer Abstand ausgebildet ist, der ein berührungsloses Drehen des Turbinenlaufrades im Turbinengehäuse ermöglicht.
• Weiterhin offenbart auch die Druckschrift US 2016 341 072 A1 einen Turbolader mit einer Abgasturbine, die ein Turbinenlaufrad aufweist, das in einem Turbinengehäuse mit einer Gehäusekontur angeordnet ist, wie bereits in dem vorausgehenden Absatz beschrieben.
• Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für einen Turbolader anzugeben, welches zu einem sicheren Betrieb eines Turboladers beiträgt.
• Es wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine , gemäß Anspruch 1, offenbart. Der Turbolader weist ein Lagergehäuse auf, in dem eine Läuferwelle drehbar um eine Läuferdrehachse gelagert ist, wobei die Läuferwelle über zumindest zwei Radiallager in dem Lagergehäuse gelagert ist. Der Turbolader weist eine Abgasturbine mit einem Turbinenrad, welches drehfest auf der Läuferwelle angeordnet ist und welches eine Laufradbeschaufelung mit mehreren Turbinenschaufeln aufweist, und mit einem Turbinengehäuse, welches mechanisch an dem Lagergehäuse festgelegt ist und welches das Turbinenrad umgibt, auf. Bezüglich einer Meridionalansicht der Abgasturbine gilt:
• Zumindest eine Turbinenschaufel des Turbinenrads weist eine Strömungseintrittskante und eine Strömungsaustrittskante für den Abgasmassenstrom auf.
• Die Strömungseintrittskante weist einen maximalen Eintrittsradius R_in auf und die Strömungsaustrittskante weist einen maximalen Austrittsradius R_out auf, jeweils bezogen auf die Läuferdrehachse.
• Die zumindest eine Turbinenschaufel weist eine dem Turbinengehäuse zugewandte Außenkontur auf, die sich von der Strömungseintrittskante bis zu der Strömungsaustrittskante erstreckt und eine axiale Erstreckungslänge L_axTip hat.
• Das Turbinengehäuse weist eine Gehäusekontur auf, die der Außenkontur gegenüberliegt.
• Die Außenkontur der zumindest einen Turbinenschaufel weist einen axialen Längenanteil L_cover der axialen Erstreckung L_axTip auf, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses am Turbinenschaufelaustritt für den Abgasmassenstrom AM.
• Zwischen der Gehäusekontur und der Außenkontur ist bezüglich der Läuferdrehachse ein geringster radialer Abstand Tip_clr ausgebildet.
• Das Turbinengehäuse und das Turbinenrad sind derart ausgebildet und zueinander abgestimmt, dass die folgende Bedingung bzw. Gleichung erfüllt ist: $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}.$$

  
• Es wurde erkannt, dass es während des Betriebs des Turboladers, beispielsweise bei Prüfstandsläufen zur Auslegung des Turboladers oder Komponenten des Turboladers wie des Läufers, zu einem Schadensfall für den Turbolader kommen kann. Beispielsweise kann es zu einem Bauteilversagen der Läuferwelle oder der Laufräder, etwa einem Wellenbruch, kommen.
• Im Falle eines Wellenbruchs der Läuferwelle kann beispielsweise das Turbinenrad nicht mehr axial durch ein Axiallager in seiner vorgesehenen Position gehalten werden. In diesem Fall würde das Turbinenrad vorwiegend durch aerodynamische Kräfte, etwa aufgrund vorherrschender Gasdrücke, in Richtung eines Turbinengehäuseausgangs für den Abgasmassenstrom bewegt. Dabei stößt der Anteil der Turbinenschaufeln des Turbinenrads, welcher einen größeren Durchmesser als ein Austrittsdurchmesser des Turbinengehäuses am stromabwärtigen Ende des Turbinenrads aufweist, am Turbinengehäuse an und behindert das Turbinenrad in seiner axialen Bewegung in Richtung Turbinengehäuseausgang. Es wurde weiter erkannt, dass, wenn dieser Anteil der Turbinenradschaufeln nicht ausreichend groß ist, die Turbinenschaufeln im Fall eines Wellenbruchs derart plastisch verformt werden, dass das Turbinenrad eine weitere, nicht gewollte axiale Verschiebung vollziehen kann.
• Nachteilig in einem solchen Fall wäre unter anderem, dass Kolbenringe von Öldichtungen ihre ursprüngliche axiale Position verlassen könnten und so eine Dichtwirkung verloren ginge. Dies hätte unter anderem die negative Folge, dass Öl in solchen Mengen austreten könnte, dass der Verbrennungsmotor, in dessen Ölkreislauf der Turbolader eingekoppelt ist, unmittelbar abgestellt werden muss, um Schäden zu vermeiden. Ein Ölaustritt sollte jedoch unbedingt oder weitestgehend vermieden werden, um zumindest Notlaufeigenschaften des Systems zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde erkannt, dass ein Wellenbruch zwischen den Öldichtungen, etwa den Kolbenringen beider Dichtungen, nachteilig ist, da neben den Laufrädern und den daran verbleibenden Wellenstummeln auch die Dichtungen den Turbolader verlassen könnten, was den beschriebenen negativen Ölverlust weiter begünstigen würde.
• Der beschriebene Turbolader sieht vor, dass Turbinenrad und Turbinengehäuse entsprechend der oben formulierten Bedingung (Gleichung) ausgelegt und angeordnet sind. Die Bedingung gibt vor, dass ein Konturverlauf des Turbinengehäuses und/oder der zumindest einen Turbinenradschaufel gezielt umgestaltet sind im Vergleich zu bekannten Turbinen. Insbesondere wird ein Längenanteil (L_cover) der Turbinenradschaufel, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses am Turbinenschaufelaustritt, derart vergrößert, dass im Falle eines Wellenbruchs ein größerer Anteil der Turbinenrad Schaufeln bei einer axialen Verschiebung plastisch verformt würde, so dass eine weitere axiale Bewegung des Turbinenrad bezüglich der Läuferdrehachse behindert oder begrenzt ist. Beispielsweise wird ausgehend von einer konventionellen Gehäusekontur im Bereich des Turbinenrads allein durch die Umgestaltung der Längenanteil der Turbinenradschaufel, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses am Turbinenschaufelaustritt, vergrößert. Mit anderen Worten ist durch die Bedingung ein Mindestwert des genannten Längenanteils der Turbinenradschaufel definiert.
• Durch eine derartige Auslegung anhand der vorgegebenen Gleichung wird dazu beigetragen, dass das Turbinenrad nach einem Wellenbruch, also in einem Schadensfall des Turboladers, einen größeren Widerstand gegen weitere axiale Verschiebung bei Kollision mit dem Gehäuse liefert. Die Gleichung ermöglicht also anhand von verschiedenen Parametern eine optimale Auslegung für Turbinenrad und Turbinengehäuse. Je nach Rahmenbedingungen für den Turbolader wie Einsatzzweck, Verwendungszweck oder anderen, können bestimmte Parameter dergleichen vorgegeben sein, wobei ein oder mehrere restliche Parameter mithilfe der Gleichung ermittelt werden können. So kann entsprechend den Rahmenbedingungen stets eine sinnvolle Abstimmung der Parameter erreicht werden. Insbesondere ist es mithilfe der Gleichung möglich, die für die obigen Vorteile und Funktionen notwendige axiale Überdeckungslänge L_cover auf einfache Art und Weise zu bestimmen.
• Ein entsprechend der Bedingungen ausgelegten Turbolader trägt dazu bei, die eingangs genannten Nachteile bei einem Schadensfall, insbesondere den genannten Wellenbruch, zu vermeiden, insbesondere, wenn das Turbinenrad nur noch radial gelagert ist. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, eine Rückenscheibe und/oder die Turbinenradschaufeln konstruktiv zu verstärken. Es ist mit anderen Worten dank der obigen Bedingung nicht notwendig, die Turbinenradschaufeln entsprechend aufzudicken. Auch ist es dank der obigen Bedingung nicht notwendig, ein niedriges Trimverhältnis, d.h. ein Verhältnis zwischen dem maximalen Austrittsradius R_out und dem maximalen Eintrittsradius R_in, vorzusehen. Dadurch können unter anderem Materialkosten eingespart werden. Beide solcher Maßnahmen wären nachteilig hinsichtlich des Leistungsverhaltens des Turboladers, beispielsweise aufgrund von höheren Massenträgheiten.
• Meridionalansicht bedeutet beispielsweise eine ebene, zweidimensionale Ansicht, in welcher eine äußerste Kontur des Turbinenrads dargestellt ist, die das Turbinenrad bei einer Rotation um die Läuferdrehachse, die auch einer Drehachse des Turbinenrad entspricht, abfährt. Die Ansicht kann auch zumindest Teile des Turbinengehäuses betreffen oder einschließen, wobei insbesondere eine Innenkontur mit minimalstem Radius bezogen auf die Drehachse im Bereich des Turbinenrads dargestellt ist, die das Turbinengehäuse bei Rotation um die Drehachse abfahren würde.
• Die der Außenkontur gegenüberliegende Gehäusekontur des Turbinengehäuses (englisch: shroud) ist korrespondierend zu der Außenkontur ausgebildet. Bei dem geringsten radialen Abstand Tip_clr bezüglich der Läuferdrehachse kann es sich um einen Abstand handeln, der über den gesamten axialen Bereich zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante, konstant ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Abstand nur abschnittsweise, in einem einzelnen Bereich oder Punkt bezüglich der Drehachse vorliegt.
• Mit dem axialen Längenanteil (L_cover) ist diejenige axiale Erstreckung der Außenkontur gemeint, in welchem ein Radius bzw. ein Durchmesser des Turbinenrads bezüglich der Läuferdrehachse größer ist als ein minimaler Durchmesser/Radius des Turbinengehäuses im Bereich eines stromabwärtigen Endes des Turbinenrads. Anders ausgedrückt ist in diesem Bereich der Durchmesser des Turbinenrads größer als ein kleinster Durchmesser des Turbinengehäuses. Mit anderen Worten handelt es sich um denjenigen axialen Bereich eines Turbinenrads, der, würde man das Turbinenrad und das Turbinengehäuse in eine Ebene normal zu der Läuferdrehachse projizieren, von dem Turbinengehäuse überdeckt oder überlappt ist. Mit wieder anderen Worten handelt es sich um denjenigen Bereich, der im Schatten des Turbinengehäuses liegt bezogen auf die Läuferdrehachse. Anders ausgedrückt hat die Außenkontur der zumindest einen Schaufel einen axialen Überdeckungsabschnitt, der dem axialen Längenanteil L_cover der axialen Erstreckung L_axTip entspricht.
• Die folgenden Ausführungsformen tragen allesamt zu den obigen Vorteilen und Funktionen bei, wobei die obige Bedingung in vorteilhafter Weise weitergebildet ist durch die Vorgabe von einem oder mehreren Grenzwerten.
• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis Tip_clr zu R_in: $\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\le \mathrm{2,5}\%$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis Tip_clr zu R_in: $\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\le \mathrm{2,0}\%$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis Tip_clr zu R_in: $\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\le \mathrm{1,5}\%$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis L_cover zu L_axtip: $\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>\mathrm{0,2}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis L_cover zu L_axtip: $\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>\mathrm{0,25}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis L_cover zu L_axtip: $\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>\mathrm{0,3}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis R_out zu R_in: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}>\mathrm{0,8}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis R_out zu R_in: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<\mathrm{0,95}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis R_out zu R_in: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<\mathrm{0,93}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis R_out zu R_in: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<\mathrm{0,92}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis R_out zu R_in: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<\mathrm{0,91}$

  

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• Gemäß einer Ausführungsform gilt für das Verhältnis R_out zu R_in: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<\mathrm{0,90}$

  

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• Das Verhältnis R_out zu R_in wird auch als Trim oder Trimverhältnis bezeichnet.
• Gemäß Ausführungsformen liegt das Trimverhältnis zwischen 0,8 und einer der weiteren, oben angegebenen Grenzen.
• Des Weiteren wird ein Turbinenrad für einen Turbolader gemäß einer der vorigen Ausführungsformen offenbart. Das Turbinenrad weist eine Laufradbeschaufelung mit mehreren Turbinenschaufeln auf. Das Turbinenrad ist derart ausgebildet, dass die folgende Bedingung erfüllt ist: $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}$$

  
• Dabei gilt bezüglich einer Meridionalansicht des Turbinenrads, dass
• zumindest eine Turbinenschaufel des Turbinenrads eine Strömungseintrittskante und eine Strömungsaustrittskante für den Abgasmassenstrom aufweist;
• R_in einen maximalen Eintrittsradius der Strömungseintrittskante und R_out einen maximalen Austrittsradius der Strömungsaustrittskante beschreibt, jeweils bezogen auf eine Drehachse des Turbinenrads;
• L_axTip eine axiale Erstreckungslänge einer Außenkontur der zumindest einen Turbinenschaufel beschreibt, wobei sich die Außenkontur von der Strömungseintrittskante bis zu der Strömungsaustrittskante erstreckt und in einem bestimmungsgemäßen Betrieb einem umgebenden Turbinengehäuse zugewandt ist;
• L_cover einen axialen Längenanteil der axialen Erstreckung L_axTip der Außenkontur beschreibt, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses am Turbinenschaufelaustritt;
• Tip_clr einen geringsten radialen Abstand zwischen einer Gehäusekontur des Turbinengehäuses, welche in dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Außenkontur gegenüberliegt, und der Außenkontur bezüglich der Läuferdrehachse beschreibt.
• Es gelten die obigen Ausführungen analog.
• Das Turbinenrad ermöglicht die oben genannten Vorteile und Funktionen.
• Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines Turboladers gemäß einer der obigen Ausführungsformen offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte:
• Ermitteln und/oder Bestimmen der Parameter des maximalen Eintrittsradius R_in, des maximalen Austrittsradius R_out, der axialen Erstreckungslänge L_axTip, des axialen Längenanteils L_cover und des geringsten radialen Abstands Tip_clr derart, dass für das Turbinenrad und das Turbinengehäuse die folgende Bedingung erfüllt ist: $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}$$
  
  und
• Fertigen des Turbinenrads und des Turbinengehäuses anhand der mittels der Bedingung ermittelten Parameter.
• Es gelten die obigen Ausführungen analog.
• Das Verfahren ermöglicht die oben genannten Vorteile und Funktionen.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, beschrieben.
• Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• In den Figuren zeigen:

Figur 1

eine schematische Schnittansicht eines Turboladers,

Figur 2 und 3

zwei schematische Schnittansichten von Abgasturbinen eines Turboladers,

Figur 4

eine schematische Schnittansicht einer Abgasturbine eines Turboladers gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Figur 5

eine Gleichung für die Auslegung der Abgasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung und

Figur 6

eine Diagrammdarstellung der Gleichung der Figur 5 mit drei beispielhaften Parameterauswahlen.

• Figur 1 zeigt schematisiert einen exemplarischen Abgasturbolader 1 in Schnittdarstellung, der eine Abgasturbine 20, einen Frischluftverdichter 30 und ein Läuferlager 40 aufweist. Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegateventil 29 ausgestattet und ein Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Frischluftverdichter 30 weist ein Schub-Umluftventil 39 auf und ein Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 weist ein Turbinenlaufrad 12 (auch Turbinenrad bezeichnet) , ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet) . Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Turboladerachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1.
• In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie in Figur 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Turbinengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 ein Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Turboladerachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
• Das Lagergehäuse 41 ist axial zwischen dem Turbinengehäuse 21 und dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet. Im Lagergehäuse 41 ist die Läuferwelle 14 des Turboladerläufers 10 sowie die erforderliche Lageranordnung zur Axiallagerung und zur Drehlagerung der Läuferwelle 14 aufgenommen.
• Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 mit einer Laufradbeschaufelung 121 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Mit anderen Worten haben das Turbinenrad 12 sowie das Verdichterrad 13 mehrere Schaufeln, die auf einer entsprechenden Nabe angeordnet sind. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 mit der Turboladerachse 2 zusammenfällt. Der Turboladerläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölanschlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
• Das Turbinengehäuse 21 weist einen oder mehrere ringförmig um die Turboladerachse 2 und das Turbinenlaufrad 12 angeordnete, sich schneckenförmig zum Turbinenlaufrad 12 hin verjüngende Abgas-Ringkanäle, sogenannte Abgasfluten 22 auf. Diese Abgasfluten 22 weisen einen jeweiligen oder gemeinsamen, tangential nach außen gerichteten Abgaszuführkanal 23 mit einem Krümmer-Anschlussstutzen 24 zum Anschluss an einen Abgaskrümmer (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf, durch den der Abgasmassenstrom AM in die jeweilige Abgasflute 22 und dann auf das Turbinenlaufrad 12 strömt. Das Turbinengehäuse 21 weist weiterhin einen Abgasabführkanal 26 auf, der vom axialen Ende des Turbinenlaufrades 12 weg in Richtung der Turboladerachse 2 verläuft und einen Auspuff-Anschlussstutzen 27 zum Anschluss an das Auspuffsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist. Über diesen Abgasabführkanal 26 wird der aus dem Turbinenlaufrad 12 austretende Abgasmassenstrom AM in das Auspuffsystem des Verbrennungsmotors abgeführt.
• Weitere Details des Turboladers 1 werden an dieser Stelle nicht näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass der in Figur 1 beschriebene Turbolader 1 exemplarisch zu verstehen ist und alternativ auch anderweitige Ausgestaltungen haben kann, ohne dass sich Einschränkungen für die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren 4 bis 6 ergeben.
• Figuren 2 und 3 zeigen jeweils in einer Meridionalansicht Abgasturbinen 20 eines Turboladers 1, die jeweils ein Turbinengehäuse 21 und ein Turbinenrad 12 mit mehreren Turbinenschaufeln 122 aufweisen. In Figur 2 ist ein Radial-Axial-Turbinenrad und in Figur 3 ist ein Radial-Turbinenrad in einem schematischen Halbschnitt dargestellt. Die Läuferdrehachse 15, die einer Drehachse 123 des Turbinenrads 12 entspricht, ist jeweils eingezeichnet. In den Darstellungen der Figuren 2 und 3 ist jeweils eine von mehreren Turbinenschaufeln 122 dargestellt, die typischerweise auf der Nabe des Turbinenrads 12 angeordnet sind.
• Die Turbinen 20 der beiden Figuren 2 und 3 werden exemplarisch anhand der Figur 2 beschrieben.
• Das Turbinenrad 12 hat ein stromaufwärtiges, axiales Ende 124 und ein stromabwärtiges, axiales Ende 125. Wie in der Meridionalansicht erkennbar, hat die dargestellte Turbinenschaufel 122, wie auch alle weiteren Turbinenschaufeln, eine Strömungseintrittskante 126 für den Abgasmassenstrom AM und eine Strömungsaustrittskante 127 für den Abgasmassenstrom AM nach dem Austritt aus dem Turbinenrad 12 bzw. aus den Turbinenschaufeln 122. Die Strömungseintrittskante 126 und/oder die Strömungsaustrittskante 127 können schräg oder andersartig, etwa parallel, zur Läuferdrehachse 15 verlaufen, wie anhand der Figuren 2 und 3 ersichtlich ist. Die Strömungseintrittskante 126 und die Strömungsaustrittskante 127 sind über eine Außenkontur 128 (englisch Tip) verbunden. Der Außenkontur 128 liegt direkt gegenüber einer Gehäusekontur 211 des Turbinengehäuses 21, welches das Turbinenrad 12 umgibt. Die Gehäusekontur 211 ist korrespondierend zu der Außenkontur 128 ausgebildet, wobei ein Verlauf der beiden Konturen 128 und 211 in der gezeigten Ansicht im Wesentlichen parallel zueinander verläuft bezüglich der Drehachse 123. Das weitere Turbinengehäuse 21 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
• Es wurde erkannt, dass sich die gezeigten Abgasturbinen 20 der Figuren 2 und 3 durch eine Mehrzahl von Parametern definieren lassen, die im Folgenden erläutert werden.
• Die Strömungseintrittskante 126 hat einen maximalen Eintrittsradius R_in und die Strömungsaustrittskante 127 hat einen maximalen Austrittsradius R_out. Die Außenkontur 128 hat bezogen auf die Drehachse 123 bzw. die Läuferdrehachse 15 eine axiale Erstreckungslänge L_axTiP. Die Außenkontur 128 hat einen axialen Längenanteil L_cover der axialen Erstreckung L_axTiP, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads 12 größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses 21 am Turbinenschaufelaustritt 129 für den Abgasmassenstrom AM. Weiterhin sind die Gehäusekontur 211 und die Außenkontur 128 so zueinander beabstandet, dass sich ein minimaler Spalt ausbildet, wobei ein geringster radialer Abstand Tip_clr zwischen der Gehäusekontur 211 und der Außenkontur 128 vorherrscht.
• Wie eingangs erwähnt, kann es bei Turboladern zu einem Schadensfall mit verschiedenen nachteiligen Folgen kommen. Anhand der Figuren 4 bis 6 werden Ausführungsbeispiele von Turbinen 20 beschrieben, die im Schadensfall des Turboladers 1 die eingangs genannten Funktionen und Vorteile ermöglichen.
• Figur 4 zeigt eine Turbine 20, die im Wesentlichen den Turbinen der Figuren 2 und 3 entspricht. Die obigen Parameterdefinitionen gelten analog. Im Unterschied zu den beschriebenen Turbinen der Figuren 2 und 3 ist die Turbine 20 so ausgebildet, dass die in Figur 5 gezeigte Gleichung erfüllt ist. Die Bedingung lautet: $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}.$$

  

  Dadurch werden die eingangs genannten Vorteile und Funktionen erreicht. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Verhältnis R_out zu R_in als Trim bezeichnet werden kann (s. Figur 5) .
• Die Auslegung und Herstellung der Turbine 20 erfolgt beispielsweise derart, dass bestimmte Parameter vorgeben sind und mittels der Bedingungen restliche Parameter ermittelt werden, um einen notwenigen Mindestwert für L_Cover zu erhalten. Vorteilhaft ist, wie auch in der Figur 4 im Unterschied zu den Beispielen der Figuren 2 und 3 zu sehen ist, dass der axiale Längenanteil L_cover vergrößert und mit dem Turbinengehäuse 21 abgestimmt ist. Dadurch hat das Turbinenrad 12 einen vergrößerten Anteil, der vom Turbinengehäuse 21 überdeckt ist.
• Figur 6 zeigt ein Diagramm, bei welchem auf der X-Achse der Trimwert und auf der Y-Achse das Verhältnis aus L_cover zu L_axTip aufgetragen sind. Beispielhaft sind drei Kurven der Gleichung gemäß Figur 5 dargestellt, die sich durch die rechts neben dem Diagramm dargestellten Prozentwerte, die sich aus dem Verhältnis Tip_clr zu R_in ergeben, unterscheiden.

Claims (10)

1. Turbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend

   - ein Lagergehäuse (41), in dem eine Läuferwelle (14) drehbar um eine Läuferdrehachse (15) gelagert ist; und

   - eine Abgasturbine (20) mit einem Turbinenrad (12), welches drehfest auf der Läuferwelle (14) angeordnet ist und welches eine Laufradbeschaufelung (121) mit mehreren Turbinenschaufeln (122) aufweist, und mit einem Turbinengehäuse (21), welches mechanisch an dem Lagergehäuse (41) festgelegt ist und welches das Turbinenrad (12) umgibt;

   wobei bezüglich einer Meridionalansicht die Abgasturbine (20)

   - zumindest eine Turbinenschaufel (122) des Turbinenrads (12) eine Strömungseintrittskante (126) und eine Strömungsaustrittskante (127) für den Abgasmassenstrom (AM) aufweist,

   - die Strömungseintrittskante (126) einen maximalen Eintrittsradius R_in aufweist und die Strömungsaustrittskante (127) einen maximalen Austrittsradius R_out aufweist, jeweils bezogen auf die Läuferdrehachse (15);

   - die zumindest eine Turbinenschaufel (122) eine dem Turbinengehäuse (21) zugewandte Außenkontur (128) aufweist, die sich von der Strömungseintrittskante (126) bis zu der Strömungsaustrittskante (127) erstreckt und eine axiale Erstreckungslänge L_axTip hat;

   - das Turbinengehäuse (21) eine Gehäusekontur (211) aufweist, die der Außenkontur (128) gegenüberliegt;

   - die Außenkontur (128) der zumindest einen Turbinenschaufel (122) einen axialen Längenanteil L_cover der axialen Erstreckung L_axTip aufweist, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses am Turbinenschaufelaustritt für den Abgasmassenstrom AM; und

   - zwischen der Gehäusekontur (211) und der Außenkontur (128) bezüglich der Läuferdrehachse (15) ein geringster radialer Abstand Tip_clr ausgebildet ist;

   und wobei die Abgasturbine dadurch gekennzeichnet ist,

   dass das Turbinengehäuse (21) und das Turbinenrad (12) derart ausgebildet und zueinander abgestimmt sind, dass die folgende Bedingung erfüllt ist:

   $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}.$$

   
2. Turbolader (1) nach Anspruch 1, wobei für das Verhältnis Tip_clr zu R_in gilt: $\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\le \mathrm{2,5}\%$

   

   :
3. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis Tip_clr zu R_in gilt: $\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\le \mathrm{2,0}\%$

   

   .
4. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis Tip_clr zu R_in gilt: $\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\le \mathrm{1,5}\%$

   

   .
5. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis L_cover zu L_axtip gilt: $\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>\mathrm{0,2}$

   

   .
6. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis L_cover zu L_axtip gilt: $\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>\mathrm{0,25}$

   

   .
7. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis L_cover zu L_axtip gilt: $\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>\mathrm{0,3}$

   

   .
8. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis R_out zu R_in gilt: $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}>\mathrm{0,8}$

   

   , bevorzugt $\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<$

   

   0,95, besonders bevorzugt $\mathrm{0,8}<\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}<\mathrm{0,95}$

   

   .
9. Turbinenrad (12) für einen Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Laufradbeschaufelung (121) mit mehreren Turbinenschaufeln (122), dadurch gekennzeichnet,

   dass das Turbinenrad (12) derart ausgebildet ist, dass die folgende Bedingung erfüllt ist: $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}$$

   

   wobei bezüglich einer Meridionalansicht des Turbinenrads (12)

   - zumindest eine Turbinenschaufel (122) des Turbinenrads (12) eine Strömungseintrittskante (126) und eine Strömungsaustrittskante (127) für den Abgasmassenstrom (AM) aufweist;

   - R_in einen maximalen Eintrittsradius der Strömungseintrittskante (126) und R_out einen maximalen Austrittsradius der Strömungsaustrittskante (127) beschreibt, jeweils bezogen auf eine Drehachse (123) des Turbinenrads (12);

   - L_axTip eine axiale Erstreckungslänge einer Außenkontur (128) der zumindest einen Turbinenschaufel (122) beschreibt, wobei sich die Außenkontur (128) von der Strömungseintrittskante (126) bis zu der Strömungsaustrittskante (127) erstreckt und in einem bestimmungsgemäßen Betrieb einem umgebenden Turbinengehäuse (21) zugewandt ist;

   - L_cover einen axialen Längenanteil der axialen Erstreckung L_axTip der Außenkontur (128) beschreibt, in welchem ein Durchmesser des Turbinenrads größer ist als ein kleinster Durchmesser DA des Turbinengehäuses am Turbinenschaufelaustritt für den Abgasmassenstrom AM;

   - Tip_clr einen geringsten radialen Abstand zwischen einer Gehäusekontur (211) des Turbinengehäuses (21), welche in dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Außenkontur (128) gegenüberliegt, und der Außenkontur (128) bezüglich der Drehachse (123) beschreibt.
10. Verfahren zum Herstellen eines Turboladers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    dass es die folgenden Schritte umfasst:

    - Ermitteln und/oder Bestimmen der Parameter des maximalen Eintrittsradius R_in, des maximalen Austrittsradius R_out, der axialen Erstreckungslänge L_axTip, des axialen Längenanteils L_cover und des geringsten radialen Abstands Tip_clr derart, dass für das Turbinenrad (12) und das Turbinengehäuse (21) die folgende Bedingung erfüllt ist: $$\frac{L_{\mathit{cover}}}{L_{\mathit{axTip}}}>1-\frac{{\mathit{Tip}}_{\mathit{clr}}}{R_{\mathit{in}}}\times \frac{3\pi }{4}\times \frac{1}{\left(1-\frac{R_{\mathit{out}}}{R_{\mathit{in}}}\right)}$$

    

    und

    - Fertigen des Turbinenrads (12) und des Turbinengehäuses (21) anhand der mittels der Bedingung ermittelten Parameter.

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