WO2011029921A2 - Leitschaufel für einen turbolader, leitschaufelanordnung, turbolader, kraftfahrzeug und verfahren - Google Patents

Leitschaufel für einen turbolader, leitschaufelanordnung, turbolader, kraftfahrzeug und verfahren Download PDF

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Holger Fäth
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Continental Automotive Gmbh
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    • 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
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved

Definitions

  • the present invention relates to a guide vane for a turbocharger.
  • the present invention further relates to a vane assembly, a turbocharger, a motor vehicle, and a method of operating such a turbocharger.
  • DE 10 2007 018 618 AI describes the well-known construction of a turbocharger for increasing the performance of a Ver ⁇ internal combustion engine of a motor vehicle, which essentially consists of a radial turbine with a turbine wheel, which is driven by the exhaust ⁇ stream of the engine, and arranged in the intake of the engine Radialver ⁇ denser for compressing fresh air with a compressor wheel, which is rotatably connected by a rotor shaft with the turbine wheel consists.
  • the rotational speed of the radial compressor and thus the so-called boost pressure are predetermined by the rotational speed of the turbine or more precisely by the exhaust gas mass flow flowing through the turbine.
  • the turbine is usually dimensioned for a medium speed and a medium power range of the internal combustion engine. This ensures a fast response of the turbocharger and thus a quick transpose a desired from the motor vehicle steering acceleration over a sufficiently small Mas ⁇ senträgheitsmoment the rotating parts of the turbocharger.
  • the turbine is operated in egg ⁇ nem average speed and power range of the internal combustion engine with a high efficiency. Problematic in this configuration, however, the full load range of the internal combustion engine. In full load operation, the speed of the turbine can rise so much that the already highly speed-stressed bearing of the rotor shaft is damaged or the allowable boost pressure of the engine is exceeded ⁇ step. This can cause serious damage to the destruction of the internal combustion engine.
  • VTG turbocharger One way to control the speed of the turbocharger and thus the boost pressure of the compressor, is the use of a turbocharger with a so-called variable Turbinengeomet ⁇ rie (VTG).
  • a VTG turbocharger has a vane ring which radially surrounds the turbine wheel.
  • the Leitschaufein are mounted with their axes of rotation on a support ring.
  • On the back of the carrier ring the axes of rotation Leit have ⁇ shoveling a guide pin which engages in an adjusting ring. All Leitschaufein be twisted simultaneously over the adjusting ring.
  • the adjusting ring is moved either by an electric servomotor or by a vacuum box.
  • the angle of attack of the guide vanes controls the direction and the flow velocity of the exhaust gas striking the turbine wheel blading.
  • a shallow angle of attack of the guide vanes a reduced inlet cross-section of the exhaust gas results.
  • the same exhaust gas mass flow into the turbine ge ⁇ long can the flow rate of the ABGA ⁇ ses must increase.
  • the impact angle of the Abgasmas ⁇ senstromes is on the turbine blading with flat vanes employed greater than steeply employed vanes.
  • a fla ⁇ cher angle of the vanes results in higher turbine speed as a steep angle of attack.
  • VTG turbocharger By the angle of attack of the vanes both a high boost pressure, for example when accelerating a motor vehicle from a standstill, as well as a reduced charge pressure, for example, during full load operation of the internal combustion engine at a constant high Ge ⁇ speed, realized.
  • a high boost pressure for example when accelerating a motor vehicle from a standstill
  • a reduced charge pressure for example, during full load operation of the internal combustion engine at a constant high Ge ⁇ speed, realized.
  • Diesel engines ⁇ find VTG turbocharger widespread application.
  • a guide vane assembly for a turbocharger with adjustable turbine geometry comprising: a plurality erfin ⁇ according to Leitschaufein, a receiving device for rotatably receiving the Leitschaufein, wherein the Leitschaufein are arranged circularly in the recording and wherein rotation ⁇ axes of the Leitschaufein are arranged parallel to each other, an adjusting device for uniform adjustment of an angle of the Leitschaufein, wherein the adjusting device is designed as an adjusting ring, an actuator for adjusting the adjusting ring and a coupling for connecting the actuator to the adjusting ring.
  • a turbocharger in particular for a motor vehicle with an inventive guide vane assembly, comprising: a turbine housing, a turbine wheel with a Turbinenbeschaufe ⁇ lung, which is arranged in the turbine housing, a Ver ⁇ tight housing, a valve disposed in the compressor housing compressor wheel and a rotor shaft, which the Turbine wheel rotatably connects to the compressor, wherein an exhaust gas flow angle of the turbine blading is adjustable by adjusting the angle of attack of the Leitschaufein.
  • a motor vehicle with such a turbocharger A method of operating such a turbocharger having a plurality of guide vanes according to the invention, wherein the plurality of vanes with exhaust gas are flowed so that the exhaust flows to a respective vane le ⁇ diglich in the nose, whereby in the nose each Guide vane is formed a negative pressure.
  • the present invention is based the idea now is, inter alia, a provision should be made at the blade leading edge of the vane along the blade leading edge réellere ⁇ ADORABLE nose. Due to the nose an under ⁇ pressure is formed during flow of the blade leading edge on the blade top. This negative pressure results in a force acting away from the blade upper side.
  • the run-flat properties of the turbocharger are improved by the guide vanes according to the invention, since in case of failure of the actuator, the vanes move automatically by acting on the blade top force in the direction of opening the variable turbine geometry.
  • Advantageous embodiments and further developments of the present invention result from the further subclaims and from the description in conjunction with the Figu ⁇ ren the drawing.
  • the nose forms a sudden cross-sectional widening of the profile. This ensures that, for a Anströ- of the vane with mung exhaust to the desired negative pressure ⁇ on the blade top side is formed.
  • the profile has a profile center line which defines a Pro ⁇ filgroundform of the vane.
  • the profile center line runs here from a first center of curvature of a first head radius in the region of the blade leading edge to a second center of curvature of a final radius in the region of a blade trailing edge opposite the blade leading edge.
  • a third Krümmungsmit- is tel Vietnamese shape spaced from the center line profile ⁇ provided.
  • the third center of curvature is provided such that the blade leading edge is formed by the ERS ⁇ th and the second head radius.
  • the second head radius is larger here than the first head radius.
  • the region of the abrupt cross-sectional widening the profile via the second tip radius is approximately perpendicular towards the profile center line and merges with the Pro ⁇ filgroundform. This ensures the fastest possible transition from the large profile thickness of the nose to the lower profile thickness of the basic profile shape. This also results in the greatest possible negative pressure on the blade upper side, as a result of which a force acting away from the blade upper side can be generated even at low flow velocities of the exhaust gas. This increases the scope of the guide vane according to the invention.
  • the third center of curvature between the profile center line and the blade top is provided. The nose is provided with respect to the blade leading edge in a front third of the profile.
  • the profile center line is a straight line or has a continuously continuous curvature.
  • the basic profile shape is represented by means of simple geometric representation. rer profile centerlines can be produced, whereby the guide vanes according to the invention can be produced in a simplified manner and the production costs are reduced.
  • an end edge of the nose is sharp-edged keptbil ⁇ det. This additionally improves the effect of the nose in terms of generating a negative pressure on the
  • the nose in the longitudinal direction of the profile starting from the blade leading edge to an extent of up to 30% to 50%, preferably 30%, of a length of the profile. This ensures that the nose always causes öff ⁇ nendes and no closing moment about the axis of rotation of the vane.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a Leitschaufei invention
  • FIG. 2 shows a schematic, enlarged sectional view of the embodiment of the guide vane according to the invention shown in FIG. 1
  • FIG. Fig. 3 is a schematic view of aconsbei
  • Fig. 4 is a schematic view of awhosbei
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a guide vane according to the invention.
  • Fig. 1 shows first a vane 1 with a
  • Blade bottom 2 and a blade top 4.
  • Blade bottom 2 and the blade top 4 form with a blade leading edge 9 and a blade trailing edge 12, the boundary of the profile 3 of the guide blade 1.
  • the Schau ⁇ felvorderkante 9 represents a leading edge of the profile 3.
  • the guide blade 1 has a profile centerline 5 a Pro ⁇ filgroundform 6 on ,
  • the profile basic shape 6 has a symmetrical thickness distribution.
  • the profile center line 5 extends from a first center of curvature 7 of a first Kopfra ⁇ dius 8 of the blade leading edge 9 to a second center of curvature 10 of an end radius 11 of the Schaufelhinterkan ⁇ te 12.
  • the curvature center line 5 is in this case by a plurality ⁇ plurality of centers of curvature of a variety of Circles which are placed tangentially on the basic profile form 6 forms.
  • the profile center line know 5 to a continu ous ⁇ curvature.
  • the profile center line ⁇ 5 also by a straight line or any other line-shaped two-dimensional shape are formed.
  • the profile 3 of the vane 1 also has an erratic
  • the nose 13 extends from the blade leading edge 9 designed as leading edge in the direction of the blade upper side 4 to the blade trailing edge 12.
  • the nose 13 is determined by a second head radius 15 on the blade leading edge 9.
  • the second head ⁇ radium 15 is preferably greater than the first head radius 8.
  • the center of curvature of the second head radius 15 is not on the profile center line 5. That is, in the area of the blade leading edge 9, the profile 3 of the guide vane differs from the symmetrical thickness distribution of the profile base mold. 6 from.
  • the abrupt cross-sectional widening 13 extends in the shape of the nose 13 from the blade leading edge 9 up to a maximum Hälf- th of the profile 3.
  • the abrupt cross ⁇ sectional enlargement 13 terminates with respect to the blade leading edge 9 in the front third of the profile 3.
  • the Leitschau ⁇ fel 1 further comprises a rotation axis 41, which is arranged in the longitudinal ⁇ direction 17 preferably in a front third of the Leitschaufei 1.
  • Vacuum 16 resulting force 40 acts away from the blade ⁇ surface 4 and generates a torque 42 about the rotation ⁇ axis 41st 2 illustrates a schematic, enlarged sectional view of the exemplary embodiment of the guide blade according to the invention shown in FIG. 1.
  • the second head radius 15 with a third center of curvature 14 are shown for clarity as full circles.
  • the third center of curvature 14 is not arranged on the profile center line 5.
  • the third center of curvature between the Profilemit ⁇ telline 5 and the blade top side 4 is preferably arranged. Relative to the longitudinal direction 17 of the profile 3, the third center of curvature 14 in relation to the blade leading edge 9 before Trains t ⁇ disposed in the front third of the profile.
  • the profile of the profile 3 in the region of the blade leading edge 9 becomes both from the first head radius 8 and the second Head radius 15 determined.
  • Starting from the blade base 2 ei ⁇ ne outer contour of the profile 3 runs over the first tip radius 8 and the second tip radius 15 through a portion 18 back to the blade top side 4.
  • the portion 18 is preferably formed perpendicular to the profile center line. 5
  • the transition 19 from the second head radius 15 to the vertical portion 18 is preferably formed sharp-edged.
  • Fig. 3 illustrates a schematic view of an exporting ⁇ approximately example of a vane assembly according to the invention.
  • Fig. 3 shows first a vane assembly 20 with a receptacle 21 for receiving a plurality of Leitschaufein 1. For simplicity, Fig. 3 shows only one vane 1. Die
  • Leitschaufein 1 have a arranged in its axis of rotation 41 bearing pin, which is arranged on a circular line 25 of the receptacle 21.
  • Fig. 3 also shows an actuator ⁇ member 22, for example in the form of an electric actuator or a hydraulic cylinder.
  • the actuator 22 is coupled via ei ⁇ ne coupling 23 and an adjusting ring, not shown in Fig. 3 with the Leitschaufein 1.
  • the coupling 23 is connected directly to the guide blade 1.
  • the actuator 22 is connected via a data line 26 to an engine control 24, for example a motor vehicle.
  • a turbine 27 Centrally in the vane assembly 20, a turbine 27 is shown with a Turbinenbeschau ⁇ sulphurization 28 of a turbocharger.
  • the Leitschaufein 1 while surrounding the turbine 27 radially.
  • This operating state of the vane arrangement 20 will occur, for example, during an acceleration of a motor vehicle.
  • Fig. 4 shows a schematic view of an exemplary embodiment of a turbocharger according to the invention.
  • An internal combustion engine 37 with four cylinders 38 is fluidically coupled via an exhaust pipe 35 with the turbine wheel 27 located in a turbine housing 30 of a turbine 29 of an exhaust gas turbocharger 39.
  • the turbine wheel 27 is rotatably connected via a Läu ⁇ ferwelle 34 with a compressor 32.
  • the compressor wheel 32 is arranged in a compressor housing 33 of a radial compressor 31 of the exhaust gas turbocharger 39.
  • the compressor 32 is via an intake manifold 36 with the
  • Internal combustion engine 37 fluidly coupled. During operation of the internal combustion engine 37 with the exhaust gas turbocharger 39, the internal combustion engine 37 provides exhaust gas to the turbine wheel 27 via the exhaust gas line 35. By the turbine wheel 27, the enthalpy of the exhaust gas is lowered and the kineti ⁇ cal and thermal energy of the exhaust gas is converted into rotational energy. The rotational energy is transmitted to the compressor wheel 32 via the rotor shaft 34. The compressor wheel 32 draws in fresh air, compresses it, and supplies the Kompri ⁇ -optimized fresh air through the intake manifold 36 to the gate 37 to Verbrennungsmo ⁇ . Due to the fact that more oxygen is present in the compressed air volume per unit volume, in the
  • Combustion engine 37 per unit of air volume more fuel to be burned. What increases the power output of the internal combustion engine 37.
  • the guide vanes according to the invention or the guide vane assembly according to the invention it is possible to operate the exhaust gas turbocharger 39 and the internal combustion engine 37 with increased safety and reliability. It continues possible by the guide vanes according to the invention that to adjust the vanes required actuator klei ⁇ ner to dimension as compared to known solutions, since the vanes have a self-opening effect and thus to their adjustment a lower force is erforder ⁇ Lich.
  • the present invention has been fully described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto, but modi ⁇ fizierbar in a variety of ways.
  • the vane has at least one Querterrorismsein ⁇ lacing.
  • a negative pressure can also be generated on the blade surface.
  • the fact that the cross section of the profile 3 of the guide vane 1 is constricted and is not extended abruptly, the profile thickness of the profile 3 can be reduced. As a result, the space requirement of the guide vane 1 is reduced.
  • the guide vane 1 has at least two jumpable cross-sectional extensions 13.
  • the listed materials, numbers and dimensions are to be understood as exemplary and serve only to explain the embodiments and further developments of the present invention.
  • the specified vane, the specified Leitschaufelan- order and the specified turbochargers are particularly advantageous ⁇ way in the automotive sector and here preferably Perso ⁇ nenkraftfuren, such as diesel or gasoline engines, can be used, but can be if needed at any other turbocharger applications use ,

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel 1 eines mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestatteten Turboladers 39, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welche ein Profil 3 mit einer Schaufelunterseite 2, einer Schaufeloberseite 4 und einer Schaufelvorderkante 9 aufweist, wobei eine sich entlang der Schaufelvorderkante 9 erstreckende Nase 13 vorgesehen ist, die sich von der Schaufelvorderkante 9 zu der Schaufeloberseite 4 hin erstreckt und die auf der Schaufeloberseite 4 bei der Anströmung der Leitschaufel 1 mit Abgas einen Unterdruck bildet. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Leitschaufelanordnung 20, einen Turbolader 39, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers.

Description

Beschreibung
Leitschaufel für einen Turbolader, Leitschaufelanordnung, Turbolader, Kraftfahrzeug und Verfahren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufel für einen Turbolader. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Leitschaufelanordnung, einen Turbolader, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers.
Die DE 10 2007 018 618 AI beschreibt den allgemein bekannten Aufbau eines Turboladers zur Leistungssteigerung eines Ver¬ brennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, der im Wesentlichen aus einer Radialturbine mit einem Turbinenrad, welches vom Abgas¬ strom des Verbrennungsmotors angetrieben wird, und einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Radialver¬ dichter zur Komprimierung von Frischluft mit einem Verdichterrad, das durch eine Läuferwelle drehfest mit dem Turbinen- rad verbunden ist, besteht.
Die Drehzahl des Radialverdichters und damit der so genannte Ladedruck ist durch die Drehzahl der Turbine oder genauer ü- ber den die Turbine durchströmenden Abgasmassenstrom vorgege- ben. Die Turbine ist zumeist für eine mittlere Drehzahl und einen mittleren Leistungsbereich des Verbrennungsmotors dimensioniert. Dadurch wird über ein ausreichend kleines Mas¬ senträgheitsmoment der drehenden Teile des Turboladers ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers und damit ein schnelles Umsetzten einer vom Kraftfahrzeuglenker gewünschten Beschleunigung erreicht. Zum Anderen wird die Turbine in ei¬ nem mittleren Drehzahl und Leistungsbereich des Verbrennungsmotors mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben. Problematisch bei dieser Konfiguration ist allerdings der Volllastbereich des Verbrennungsmotors. Im Volllastbetrieb kann die Drehzahl der Turbine derart stark ansteigen, dass die ohnehin stark drehzahlbeanspruchte Lagerung der Läuferwelle beschädigt wird oder der zulässige Ladedruck des Verbrennungsmotors über¬ schritten wird. Dies kann schwerwiegende Beschädigungen bis- hin zur Zerstörung des Verbrennungsmotors nach sich ziehen.
Eine Möglichkeit, die Drehzahl des Turboladers und damit den Ladedruck des Verdichters zu steuern, ist der Einsatz eines Turboladers mit einer so genannten variablen Turbinengeomet¬ rie (VTG) . Die US 6,709,232 beschreibt einen solchen VTG- Turbolader. Ein VTG-Turbolader weist einen Leitschaufelkranz auf, welcher das Turbinenrad radial umgibt. Die Leitschaufein sind mit ihren Drehachsen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Drehachsen der Leit¬ schaufeln einen Führungszapfen, der in einen Verstellring greift. Alle Leitschaufein werden gleichzeitig über den Verstellring verdreht. Der Verstellring wird entweder über einen elektrischen Stellmotor oder durch eine Unterdruckdose bewegt. Über den Anstellwinkel der Leitschaufein wird die Richtung und die Strömungsgeschwindigkeit des auf die Turbinen- radbeschaufelung treffenden Abgases gesteuert. Bei einem flachen Anstellwinkel der Leitschaufein ergibt sich ein redu- zierter Eintrittsquerschnitt des Abgases. Damit jedoch pro Zeiteinheit der gleiche Abgasmassenstrom in die Turbine ge¬ langen kann, muss sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abga¬ ses erhöhen. Weiterhin ist der Aufprallwinkel des Abgasmas¬ senstromes auf die Turbinenbeschaufelung bei flach angestell- ten Leitschaufein größer als bei steil angestellten Leitschaufeln. Somit führt bei der gleichen Abgasmenge ein fla¬ cher Anstellwinkel der Leitschaufein zu einer höheren Turbinendrehzahl als ein steiler Anstellwinkel. Dadurch kann bei einem VTG-Turbolader durch den Anstellwinkel der Leitschaufeln sowohl sehr schnell ein hoher Ladedruck, beispielsweise beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeuges aus dem Stand, als auch ein reduzierter Ladedruck, beispielweise beim Volllast- betrieb des Verbrennungsmotors bei einer konstant hohen Ge¬ schwindigkeit, verwirklicht werden. Insbesondere bei Diesel¬ motoren finden VTG-Turbolader sehr verbreitet Anwendung.
Als Leitschaufelprofil finden im einfachsten Fall Profile mit einer geraden Profilmittellinie und einer symmetrischen
Dickenverteilung Anwendung. Die Regelbarkeit derartiger Leitschaufelprofile ist gut. Allerdings gilt die thermodynamische und fluiddynamische Effizienz derartiger Profile, insbesonde¬ re im Anfahrbereich des Verbrennungsmotors, als begrenzt. Aus diesem Grund finden zur Optimierung der thermodynamischen und fluiddynamischen Effizienz in der VTG-Turboladertechnik verschiedenste Leitschaufelprofilvarianten, beispielsweise mit kontinuierlich gekrümmten Profilmittellinien, abschnittsweise gekrümmten Profilmittellinien, Profile mit einer unsymmetri- sehen Dickenverteilung, Profile mit einem S-Schlag, etc., Anwendung. Je nach Ausgestaltung weisen diese Profilvarianten jedoch hinsichtlich ihrer Regelbarkeit diverse Nachteile auf.
Durch die Anströmung der Leitschaufein mit Abgas ergibt sich auf der Leitschaufeloberfläche eine bestimmte Druckvertei¬ lung, die je nach Winkelstellung der Leitschaufein ein auf die Leitschaufein wirkendes öffnendes oder schließendes Mo¬ ment verursacht. Da mechanische Systeme immer zu einem gewis¬ sen Grad spielbehaftet sind, ergibt sich in dem Winkelbereich dieser Momentenumkehr eine nicht definierte Winkelstellung der Schaufeln. Diese nicht definierte Winkelstellung gilt es aus regelungstechnischer Sicht zu vermeiden. Weiterhin kann ein durch die Anstromung der Leitschaufein verursachtes schließendes Moment bei fast geschlossenen Leit¬ schaufeln zu einem selbstverstärkenden Effekt führen. D.h. wenn die Schaufeln bereits fast geschlossen sind, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases aufgrund des redu¬ zierten Strömungsquerschnittes. Dadurch erhöht sich wiederum das schließende Moment. Im ungünstigen Fall kann das Stell¬ glied zur Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufein dann nicht mehr die erforderliche Kraft zum Öffnen der Leit- schaufeln aufbringen und die Turboladerdrehzahl steigt unkontrolliert an. Außerdem sind die Notlaufeigenschaften einer derartigen schließenden Leitschaufelgeometrie als äußerst schlecht, da beispielsweise bei einem Ausfall des Stellglie¬ des die Turbinendrehzahl und damit der Ladedruck auf der Ver- dichterseite unkontrolliert ansteigt.
Die eben genannten Nachteile gilt es daher möglichst zu ver¬ meiden . Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leitschaufel bereitzustel¬ len .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Leitschaufelanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und/oder durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und/oder durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen: Eine Leitschaufel eines mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestatteten Turboladers, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welche ein Profil mit einer Schaufelunterseite, einer Schaufeloberseite und einer Schaufelvorderkante aufweist, wo- bei eine sich entlang der Schaufelvorderkante erstreckende Nase vorgesehen ist, die sich von der Schaufelvorderkante zu der Schaufeloberseite hin erstreckt und die auf der Schaufel¬ oberseite bei der Anströmung der Leitschaufel mit Abgas einen Unterdruck bildet.
Eine Leitschaufelanordnung für einen Turbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie, aufweisend: eine Vielzahl erfin¬ dungsgemäßer Leitschaufein, eine Aufnahmevorrichtung zur drehbaren Aufnahme der Leitschaufein, wobei die Leitschaufein in der Aufnahme kreisförmig angeordnet sind und wobei Dreh¬ achsen der Leitschaufein parallel zueinander angeordnet sind, eine Versteilvorrichtung zur gleichförmigen Verstellung eines Anstellwinkels der Leitschaufein, wobei die Versteilvorrichtung als Verstellring ausgebildet ist, ein Stellglied zur Verstellung des Verstellrings und eine Kopplung zur Anbindung des Stellgliedes an den Verstellring.
Ein Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung, der aufweist: ein Turbinengehäuse, ein Turbinenrad mit einer Turbinenbeschaufe¬ lung, welches in dem Turbinengehäuse angeordnet ist, ein Ver¬ dichtergehäuse, ein in dem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad und eine Läuferwelle, welche das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbindet, wobei ein Abgasan- Strömwinkel der Turbinenbeschaufelung durch eine Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufein einstellbar ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Turbolader. Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers, der eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Leitschaufeln aufweist, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln mit Abgas derart ange- strömt werden, dass das Abgas eine jeweilige Leitschaufel le¬ diglich im Bereich der Nase anströmt, wodurch im Bereich der Nase jeder Leitschaufel ein Unterdruck gebildet wird.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun unter anderem darin, an der Schaufelvorderkante der Leitschaufel eine sich entlang der Schaufelvorderkante erstre¬ ckende Nase vorzusehen. Aufgrund der Nase wird beim Anströmen der Schaufelvorderkante auf der Schaufeloberseite ein Unter¬ druck gebildet. Aus diesem Unterdruck resultiert eine von der Schaufeloberseite weg wirkende Kraft.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, eine Leitschaufel zur Verfügung zu stellen, welche über den gesamten Betriebsbereich eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie durch eine Kraft mit einer gleichen Wirkungsrichtung beaufschlagt wird. Diese Kraft bewirkt um eine Drehachse der Leitschaufel ein Moment in Richtung Öffnen der variablen Turbinengeometrie. Hierdurch kann zur Anstellung der Leitschaufeln ein geringer dimensioniertes Stellglied verwendet werden, wodurch der Turbolader insgesamt kostengünstiger herstellbar ist. Indem die Kraft über den gesamten Betriebsbereich die gleiche Wirkungsrichtung aufweist, verbessert sich die Regelcharakte¬ ristik des Turboladers signifikant, da im Betrieb des Turbo¬ laders kein Winkelbereich mit einer Undefinierten Anstellung der Leitschaufel auftritt.
Weiterhin werden durch die erfindungsgemäßen Leitschaufeln auch die Notlaufeigenschaften des Turboladers verbessert, da bei einem Ausfall des Stellgliedes die Leitschaufeln sich selbsttätig durch die an die Schaufeloberseite wirkende Kraft in Richtung Öffnen der variablen Turbinengeometrie bewegen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figu¬ ren der Zeichnung. In einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet die Nase eine sprunghafte Querschnittserweiterung des Profils. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei einer Anströ- mung der Leitschaufel mit Abgas sich der gewünschte Unter¬ druck auf der Schaufeloberseite ausbildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Profil eine Profilmittellinie auf, welche eine Pro¬ filgrundform der Leitschaufel festlegt. Die Profilmittellinie verläuft hier von einem ersten Krümmungsmittelpunkt eines ersten Kopfradius im Bereich der Schaufelvorderkante bis zu einem zweiten Krümmungsmittelpunkt eines Endradius im Bereich einer der Schaufelvorderkante gegenüberliegenden Schaufelhinterkante. Hierdurch ist mit geringem Aufwand die Grundform des Profils der Leitschaufel herstellbar, wodurch sich die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Leitschaufel weiter reduzieren lassen.
In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist im Bereich der Nase ein dritter Krümmungsmit- telpunkt eines zweiten Kopfradius beabstandet von der Profil¬ mittellinie vorgesehen. Der dritte Krümmungsmittelpunkt ist derart vorgesehen, dass die Schaufelvorderkante von dem ers¬ ten und dem zweiten Kopfradius gebildet ist. Der zweite Kopf- radius ist hier größer als der erste Kopfradius. Durch die Anordnung der Krümmungsmittelpunkte ist gewährleistet, dass mittels einfacher geometrischer Formen die Form der Nase definiert werden kann, wodurch sich ebenso die Herstellungskos- ten der erfindungsgemäßen Leitschaufel reduzieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verläuft im Bereich der sprunghaften Querschnittserweiterung das Profil über den zweiten Kopfradius in etwa senkrecht zu der Profilmittellinie hin und geht in die Pro¬ filgrundform über. Hierdurch wird ein möglichst schneller Ü- bergang von der großen Profildicke der Nase zur geringeren Profildicke der Profilgrundform gewährleistet. Es ergibt sich auch ein möglichst großer Unterdruck auf der Schaufelobersei- te, wodurch bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases eine von der Schaufeloberseite weg wirkende Kraft erzeugt werden kann. Dies vergrößert den Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Leitschaufel . In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der dritte Krümmungsmittelpunkt zwischen der Profilmittellinie und der Schaufeloberseite vorgesehen. Die Nase ist bezüglich der Schaufelvorderkante in einem vorderen Drittel des Profils vorgesehen. Hierdurch ergibt sich ein möglichst großes Drehmoment um die Drehachse der Leitschau¬ fel, wodurch bereits bei einem geringen Abgasmassenstrom ein selbsttätiges Öffnen der variablen Turbinengeometrie gewähr¬ leistet ist. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Profilmittellinie eine Gerade oder weist eine kontinuierlich durchgehende Krümmung auf. Hierdurch ist die Profilgrundform mittels einfacher geometrisch darstellba- rer Profilmittellinien herstellbar, wodurch sich die erfindungsgemäßen Leitschaufeln vereinfacht herstellen lassen und die Produktionskosten reduziert werden. In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Endkante der Nase scharfkantig ausgebil¬ det. Hierdurch verbessert sich zusätzlich die Wirkung der Nase hinsichtlich der Erzeugung eines Unterdrucks auf der
Schaufeloberseite, wodurch bereits bei geringen Anströmge- schwindigkeiten der Leitschaufel ein öffnendes Moment an der Leitschaufel erreichbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Nase in der Längsrichtung des Profils ausgehend von der Schaufelvorderkante eine Ausdehnung von bis zu 30% bis 50%, bevorzugt 30%, einer Länge des Profils auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Nase immer ein öff¬ nendes und kein schließendes Moment um die Drehachse der Leitschaufel bewirkt.
Die oben genannten Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich - sofern sinnvoll - in beliebiger Weise miteinander kombinieren . Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufei ; Fig. 2 eine schematische, vergrößerte Schnittansicht des in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitschaufel ; Fig. 3 schematische Ansicht eines Ausführungsbei
spiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanord nung; und
Fig. 4 schematische Ansicht eines Ausführungsbei
spiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
In den Figuren der Zeichnung sind - sofern nichts anderes ausgeführt ist - gleiche Bauteile, Elemente und Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Aus¬ führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufel .
Die Fig. 1 zeigt zunächst eine Leitschaufel 1 mit einer
Schaufelunterseite 2 und einer Schaufeloberseite 4. Die
Schaufelunterseite 2 und die Schaufeloberseite 4 bilden mit einer Schaufelvorderkante 9 und einer Schaufelhinterkante 12 die Begrenzung des Profils 3 der Leitschaufel 1. Die Schau¬ felvorderkante 9 stellt eine Anströmkante des Profils 3 dar. Die Leitschaufel 1 weist eine Profilmittellinie 5 einer Pro¬ filgrundform 6 auf. Die Profilgrundform 6 weist eine symmetrische Dickenverteilung auf. Die Profilmittellinie 5 verläuft von einem ersten Krümmungsmittelpunkt 7 eines ersten Kopfra¬ dius 8 der Schaufelvorderkante 9 bis zu einem zweiten Krüm- mungsmittelpunkt 10 eines Endradius 11 der Schaufelhinterkan¬ te 12. Die Krümmungsmittellinie 5 wird dabei durch eine Viel¬ zahl von Krümmungsmittelpunkten einer Vielzahl von Kreisen, welche tangential an die Profilgrundform 6 gelegt werden, ge- bildet. Bevorzugt weißt die Profilmittellinie 5 eine kontinu¬ ierliche Krümmung auf. Alternativ dazu kann die Profilmittel¬ linie 5 auch durch eine Gerade, oder jede beliebige andere linienförmige zweidimensionale Form gebildet werden. Das Pro- fil 3 der Leitschaufel 1 weist weiterhin eine sprunghafte
Querschnittserweiterung 13 in Form einer Nase 13, welche sich entlang der Schaufelvorderkante 9 erstreckt, auf. Die Nase 13 verläuft von der als Anströmkante ausgebildeten Schaufelvorderkante 9 in Richtung Schaufeloberseite 4 zu der Schaufel- hinterkante 12. Die Nase 13 ist durch einen zweiten Kopfradi- us 15 an der Schaufelvorderkante 9 bestimmt. Der zweite Kopf¬ radium 15 ist dabei bevorzugt größer als der erste Kopfradius 8. Der Krümmungsmittelpunkt des zweiten Kopfradius 15 liegt nicht auf der Profilmittellinie 5. Das heißt, im Bereich der Schaufelvorderkante 9 weicht das Profil 3 der Leitschaufel von der symmetrischen Dickenverteilung der Profilgrundform 6 ab. In einer Längsrichtung 17 der Leitschaufel 1 verläuft die sprunghafte Querschnittserweiterung 13 in Form der Nase 13 ausgehend von der Schaufelvorderkante 9 bis maximal zur Hälf- te des Profils 3. Bevorzugt endet die sprunghafte Quer¬ schnittserweiterung 13 bezogen auf die Schaufelvorderkante 9 jedoch in dem vorderen Drittel des Profils 3. Die Leitschau¬ fel 1 weist weiterhin eine Drehachse 41 auf, welche in Längs¬ richtung 17 bevorzugt in einem vorderen Drittel der Leit- schaufei 1 angeordnet ist.
Bei einer Anströmung der Leitschaufel 1 mit Abgas eines
Verbrennungsmotors auf die als Anströmkante ausgebildete Schaufelvorderkante 9 wird durch die Nase 13 auf der Schau- feloberseite 4 ein Unterdruck 16 gebildet. Eine aus diesem
Unterdruck 16 resultierende Kraft 40 wirkt von der Schaufel¬ oberfläche 4 weg und erzeugt ein Drehmoment 42 um die Dreh¬ achse 41. Fig. 2 illustriert eine schematische, vergrößerte Schnittan¬ sicht des in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitschaufei .
Fig. 2 zeigt in vergrößerter Ansicht die Schaufelvorderkante 9 der Leitschaufel 1. Der erste Kopfradius 8 mit dem ersten Krümmungsmittelpunkt 7 und der zweite Kopfradius 15 mit einem dritten Krümmungsmittelpunkt 14 sind zur Verdeutlichung als Vollkreise dargestellt. Der dritte Krümmungsmittelpunkt 14 ist nicht auf der Profilmittellinie 5 angeordnet. Bevorzugt ist der dritte Krümmungsmittelpunkt zwischen der Profilmit¬ tellinie 5 und der Schaufeloberseite 4 angeordnet. Bezüglich der Längsrichtung 17 des Profils 3 ist der dritte Krümmungs- mittelpunkt 14 in Relation zur Schaufelvorderkante 9 bevor¬ zugt in dem vorderen Drittel des Profils 3 angeordnet. Die Form der Nase 13 ergibt sich im Wesentlichen aus dem zweiten Kopfradius 15. Dadurch, dass der dritte Krümmungsmittelpunkt 14 nicht auf der Profilmittellinie 5 liegt, wird der Verlauf des Profils 3 im Bereich der Schaufelvorderkante 9 sowohl von dem ersten Kopfradius 8 als auch dem zweiten Kopfradius 15 bestimmt. Ausgehend von der Schaufelunterseite 2 verläuft ei¬ ne Außenkontur des Profils 3 über den ersten Kopfradius 8 und den zweiten Kopfradius 15 über einen Abschnitt 18 zurück zur Schaufeloberseite 4. Der Abschnitt 18 ist dabei bevorzugt senkrecht zur Profilmittellinie 5 ausgebildet. Der Übergang 19 vom zweiten Kopfradius 15 auf den senkrechten Abschnitt 18 ist bevorzugt scharfkantig ausgebildet. Dadurch, dass der Abschnitt 18 senkrecht zur Profilmittelli¬ nie 5 ausgebildet ist und dass der Übergang 19 scharfkantig ist, ergibt sich ein besonders abrupter Übergang von der sprunghaften Querschnittserweiterung 13 zu der Profilgrund- form. Hierdurch wird bereits bei geringen Anströmgeschwindig¬ keiten an der Schaufelvorderkante 9 eine von der Schaufel¬ oberseite 4 wegwirkende Kraft erzeugt. Fig. 3 illustriert eine schematische Ansicht eines Ausfüh¬ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung .
Fig. 3 zeigt zunächst eine Leitschaufelanordnung 20 mit einer Aufnahme 21 zur Aufnahme einer Vielzahl an Leitschaufein 1. Zur Vereinfachung zeigt Fig. 3 nur eine Leitschaufel 1. Die
Leitschaufein 1 weisen einen in ihrer Drehachse 41 angeordneten Lagerzapfen auf, welcher auf einer Kreislinie 25 der Aufnahme 21 angeordnet ist. Fig. 3 zeigt weiterhin ein Stell¬ glied 22, beispielsweise in Form eines elektrischen Aktuators oder eines Hydraulikzylinders. Das Stellglied 22 ist über ei¬ ne Kopplung 23 und einen in Fig. 3 nicht dargestellten Verstellring mit den Leitschaufein 1 gekoppelt. Zur vereinfachten Darstellung ist in der Fig. 3 die Kopplung 23 direkt mit der Leitschaufel 1 verbunden. Das Stellglied 22 ist über eine Datenleitung 26 mit einer Motorsteuerung 24, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verbunden. Mittig in der Leitschaufelanordnung 20 ist ein Turbinenrad 27 mit einer Turbinenbeschau¬ felung 28 eines Turboladers dargestellt. Die Leitschaufein 1 umgeben dabei das Turbinenrad 27 radial.
Die Funktionsweise der Leitschaufelanordnung 20 und der Leit¬ schaufeln 1 wird im Folgenden dargestellt.
Mittels des Stellrings können alle Leitschaufein 1 gleichzei- tig um ihre Drehachse 41 verschwenkt werden. Da die Leit¬ schaufeln 1 das Turbinenrad 27 radial umgeben, kann durch die Anstellung der Leitschaufein 1 der Strömungsquerschnitt variiert werden, welcher dem auf das Turbinenrad 27 zuströmende Abgas zur Verfügung steht. Über die Motorsteuerung 24 wird je nach Betriebszustand eines Verbrennungsmotors und Stellung eines Gaspedals des Verbrennungsmotors an das Stellglied 22 der Befehl erteilt, die Leitschaufel 1 in Richtung 43, d. h. "Schließen" oder in Richtung 44, das heißt "Öffnen" zu verstellen .
Bei geschlossenen Leitschaufeln 1 verringert sich der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt. Damit jedoch der gleiche Abgasmassenstrom durch einen verringerten Strömungsquerschnitt strömen kann, erhöht sich die Strömungsge¬ schwindigkeit. Weiterhin wird bei einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln 1 ein steiler Aufprallwinkel des Abgases auf die Turbinenbeschaufelung 28 erreicht. Dadurch steigt die Drehzahl des Turbinenrades 27 und damit die Drehzahl ei¬ nes Verdichterrades des Turboladers des Verbrennungsmotors. Dadurch erhöht sich der Ladedruck und die Leistung des
Verbrennungsmotors. Dieser Betriebszustand der Leitschaufel- anordnung 20 wird beispielsweise bei einem Beschleunigen ei- nes Kraftfahrzeuges eintreten.
Bei einer Verschwenkung der Leitschaufein 1 in Richtung 44, d. h. einem Öffnen der Leitschaufein 1 wird der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt vergrößert. Die Strö- mungsgeschwindigkeit des Abgases verringert sich und der An¬ strömwinkel, mit dem das Abgas auf die Turbinenbeschaufelung 28 trifft, wird flacher. Die Drehzahl des Turbinenrades 27 und die damit die Drehzahl des Verdichterrades und der Lade¬ druck des Verbrennungsmotors sinken. Dieser Betriebszustand wird beispielsweise bei einer schnellen konstanten Fahrt ei¬ nes Kraftfahrzeugs unter Volllast erreicht. Dadurch, dass auf der Schaufeloberseite 4 der Leitschaufeln 1 durch die sprunghafte Querschnittserweiterung in Form einer Nase des Leitschaufelprofils ein Unterdruck erzeugt wird, wirkt ein Drehmoment 42 in Richtung „Öffnen" der Leitschau- fein 1. Hierdurch wird erreicht, dass über den gesamten Betriebsbereich des Turboladers das Öffnen der Leitschaufeln 1 durch das Drehmoment 42 unterstützt wird. Das Notlaufverhal¬ ten eines mit derartigen erfindungsgemäßen Leitschaufeln 1 ausgestatteten Turboladers wird dadurch verbessert, da bei einem Ausfall des Stellgliedes 22 oder der Motorsteuerung 24 die Drehzahl des Turbinenrades 27 selbsttätig durch ein Öff¬ nen der Leitschaufeln 1 reduziert wird. Weiterhin wird dadurch, dass über den gesamten Betriebsbereich des Turboladers ein Unterdruck auf den Schaufeloberseiten der Leitschaufeln 1 herrscht und damit ein öffnendes Drehmoment 42 erzeugt wird, im Vergleich zu bekannten Leitschaufeln, welche ein schließendes Drehmoment erzeugen, verhindert, dass bei annährend geschlossenen Leitschaufeln ein sogenannter selbstverstärkender schließender Effekt auftritt. Dieser Effekt tritt vor al- lern bei Leitschaufeln auf, welche ein schließendes Drehmoment erzeugen. Bei derartigen Leitschaufeln wird durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bei annährend geschlossenen Leit¬ schaufeln das schließende Drehmoment soweit erhöht, dass das Stellglied gegebenenfalls nicht mehr die erforderliche Kraft zum Öffnen der Leitschaufeln bereitstellen kann. Somit ist es mit den erfindungsgemäßen Leitschaufeln 1 und der erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 20 möglich, über den gesamten Betriebbereich des Turboladers ein öffnendes Drehmoment an den Leitschaufein 1 zu erzeugen, wodurch die Notlaufeigen- schaffen des Turboladers signifikant verbessert werden. Wei¬ terhin wird das Regelungsverhalten des Turboladers aufgrund einer über den gesamten Betriebsbereich des Turboladers definierten Winkelstellung der Leitschaufein 1 verbessert. Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbei¬ spiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers. Ein Verbrennungsmotor 37 mit vier Zylindern 38 ist über eine Abgasleitung 35 fluidisch mit dem in einem Turbinengehäuse 30 befindlichen Turbinenrad 27 einer Turbine 29 eines Abgasturboladers 39 gekoppelt. Das Turbinenrad 27 ist über eine Läu¬ ferwelle 34 mit einem Verdichterrad 32 drehfest verbunden. Das Verdichterrad 32 ist in einem Verdichtergehäuse 33 eines Radialverdichters 31 des Abgasturboladers 39 angeordnet. Das Verdichterrad 32 ist über einen Ansaugtrakt 36 mit dem
Verbrennungsmotor 37 fluidisch gekoppelt. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 37 mit dem Abgasturbolader 39 stellt der Verbrennungsmotor 37 über die Abgasleitung 35 dem Turbinenrad 27 Abgas zur Verfügung. Durch das Turbinenrad 27 wird die Enthalpie des Abgases erniedrigt und die kineti¬ sche und thermische Energie des Abgases in Rotationsenergie umgewandelt. Die Rotationsenergie wird über die Läuferwelle 34 auf das Verdichterrad 32 übertragen. Das Verdichterrad 32 saugt Frischluft an, komprimiert diese und führt die kompri¬ mierte Frischluft über den Ansaugtrakt 36 dem Verbrennungsmo¬ tor 37 zu. Dadurch, dass in dem komprimierten Luftvolumen pro Volumeneinheit mehr Sauerstoff vorhanden ist, kann im
Verbrennungsmotor 37 pro Luftvolumeneinheit mehr Kraftstoff verbrannt werden. Wodurch sich die Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors 37 erhöht. Durch die erfindungsgemäßen Leitschaufeln bzw. die erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung ist es möglich, den Abgasturbolader 39 und den Verbrennungsmotor 37 mit einer erhöhten Sicherheit und Zuverlässigkeit zu betreiben. Weiterhin ist es durch die erfindungsgemäßen Leitschaufeln möglich, dass zur Verstellung der Leitschaufeln erforderliche Stellglied klei¬ ner zu dimensionieren als im Vergleich zu bekannten Lösungen, da die Leitschaufeln einen selbstöffnenden Effekt aufweisen und somit zu ihrer Verstellung eine geringere Kraft erforder¬ lich ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modi¬ fizierbar. Insbesondere können Merkmale der einzelnen, oben aufgeführten Ausführungsbeispiele - sofern dies technisch sinnvoll ist - beliebig miteinander kombiniert werden. In einer bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung weist die Leitschaufel 1 mindestens eine Querschnittsein¬ schnürung auf. Hierdurch kann auf der Schaufeloberfläche e- benfalls ein Unterdruck erzeugt werden. Dadurch dass der Querschnitt des Profils 3 der Leitschaufel 1 eingeschnürt ist und nicht sprunghaft erweitert ist, kann die Profildicke des Profils 3 reduziert werden. Hierdurch wird der Platzbedarf der Leitschaufel 1 verringert.
In einer weiteren bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung weist die Leitschaufel 1 mindestens zwei sprunghaf¬ te Querschnittserweiterungen 13 auf.
Die aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Er- läuterung der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung. Die angegebene Leitschaufel , die angegebene Leitschaufelan- ordnung und der angegebene Turbolader sind besonders vorteil¬ haft im Kraftfahrzeugbereich und hier vorzugsweise bei Perso¬ nenkraftfahrzeugen, beispielsweise bei Diesel- oder Ottomoto- ren, einsetzbar, lassen sich bei Bedarf allerdings auch bei beliebig anderen Turboladeranwendungen einsetzen.

Claims
Leitschaufel (1) eines mit einer variablen Turbinengeo¬ metrie ausgestatteten Turboladers (39), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welche ein Profil
(3) mit einer
Schaufelunterseite (2), einer Schaufeloberseite (4) und einer Schaufelvorderkante (9) aufweist, wobei eine sich entlang der Schaufelvorderkante (9) erstreckende Nase (13) vorgesehen ist, die sich von der Schaufelvorderkante (9) zu der Schaufeloberseite (4) hin erstreckt und die auf der Schaufeloberseite
(4) bei der Anströmung der Leitschaufel (1) mit Abgas einen Unterdruck bildet.
Leitschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nase (13) eine sprung¬ hafte Querschnittserweiterung (13) des Profils (3) bil¬ det .
Leitschaufel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Profil (3) eine Profilmittellinie
(5) aufweist, welche eine Profilgrundform
(6) der Leitschaufel (1) festlegt, wobei die Profilmittellinie (5) von einem ers¬ ten Krümmungsmittelpunkt
(7) eines ersten Kopfradius
(8) im Bereich der Schaufelvorderkante
(9) bis zu einem zweiten Krümmungsmittelpunkt
(10) eines Endradius
(11) im Bereich einer der Schaufelvorderkante (9) gegenüber liegenden Schaufelhinterkante
(12) verläuft.
Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass im Bereich der Nase (13) ein dritter Krümmungsmit¬ telpunkt (14) eines zweiten Kopfradius (15) beabstandet von der Profilmittellinie (5) vorgesehen ist, wobei der dritte Krümmungsmittelpunkt (14) derart vorgesehen ist, dass die Schaufelvorderkante (9) von dem ersten und dem zweiten Kopfradius (8, 15) gebildet ist, wobei der zwei¬ te Kopfradius (15) größer ist als der erste Kopfradius (8) .
Leitschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass im Bereich der sprunghaften Querschnittserweiterung (13) das Profil (3) über den zweiten Kopfradius (15) in etwa senkrecht zur der Profilmittellinie (5) hin ver¬ läuft und in die Profilgrundform (6) übergeht.
Leitschaufel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet dass der dritte Krümmungsmittelpunkt (14) zwi¬ schen der Profilmittellinie (5) und der Schaufelobersei¬ te (4) vorgesehen ist.
Leitschaufel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Nase (13) be¬ züglich der Schaufelvorderkante (9) in einem vorderen Drittel des Profils (3) vorgesehen ist.
Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass die Profilmittellinie (5) eine Gerade ist.
Leitschaufel nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass die Profilmittellinie (5) eine kontinuierlich durchgehende Krümmung aufweist.
Leitschaufel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass eine Endkante (19) der Nase (13) scharfkantig ausgebildet ist. Leitschaufel nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Nase
(13) in der Längsrichtung (17) des Profils (3) ausgehend von der Schaufelvorderkante (9) eine Ausdehnung von bis zu 30% bis 50%, bevorzugt 30%, einer Länge des Profils (3) auf¬ weist.
Leitschaufelanordnung (20) für einen Turbolader (39) mit verstellbarer Turbinengeometrie, aufweisend:
eine Vielzahl von Leitschaufein (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
eine Aufnahmevorrichtung (21) zur drehbaren Aufnahme der Leitschaufein (1), wobei die Leitschaufein (1) in der Aufnahme kreisförmig angeordnet sind und wobei Drehach¬ sen der Leitschaufein (1) parallel zueinander angeordnet sind,
eine Versteilvorrichtung zur gleichförmigen Verstellung eines Anstellwinkels der Leitschaufein (1), wobei die Versteilvorrichtung als Verstellring ausgebildet ist, ein Stellglied (22) zur Verstellung des Verstellrings, und
eine Kopplung (23) zur Anbindung des Stellgliedes (22) an den Verstellring.
Turbolader (39), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Leitschaufelanordnung (20) nach Anspruch 12, der aufweist :
ein Turbinengehäuse (30),
ein Turbinenrad (27) mit einer Turbinenbeschaufelung (28), welches in dem Turbinengehäuse (30) angeordnet ist ,
ein Verdichtergehäuse (33), - ein in dem Verdichtergehäuse (33) angeordnetes Verdich¬ terrad (32 ) , und
- eine Läuferwelle (34), welche das Turbinenrad (27) mit dem Verdichterrad (32) drehfest verbindet,
wobei ein Abgasanströmwinkel der Turbinenbeschaufelung (28) durch eine Verstellung des Anstellwinkels der Leit¬ schaufeln (1) einstellbar ist.
14. Kraftfahrzeug mit einem Turbolader (39) nach Anspruch 13.
15. Verfahren zum Betreiben eines Turboladers (39), der eine Vielzahl von Leitschaufeln (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist,
wobei die Vielzahl von Leitschaufeln (1) mit Abgas derart angeströmt werden, dass das Abgas eine jeweilige Leitschaufel (1) lediglich im Bereich der Nase (13) anströmt, wodurch im Bereich der Nase (13) jeder Leitschaufel (1) ein Unterdruck gebildet wird.
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