WO2012095212A1 - Vane device for a turbine, and such a turbine of a turbocharger - Google Patents

Vane device for a turbine, and such a turbine of a turbocharger Download PDF

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WO2012095212A1
WO2012095212A1 PCT/EP2011/071061 EP2011071061W WO2012095212A1 WO 2012095212 A1 WO2012095212 A1 WO 2012095212A1 EP 2011071061 W EP2011071061 W EP 2011071061W WO 2012095212 A1 WO2012095212 A1 WO 2012095212A1
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turbine
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guide device
blade
turbocharger
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Steffen Lippert
Martin Hopp
Jawor Seidel
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Pierburg Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a guide device for a turbine with a blade ring arranged concentrically around a central axis of a turbine housing with a plurality of guide vanes, each having a fixed first blade part on the inlet side and a movable second blade part on the outlet side, an adjusting ring, via which the second blade part is adjustable, wherein the second turbine blade part is arranged in a first position at least partially in a receptacle of the first blade part and a turbine of a turbocharger with a guide and a bypass channel between an inlet and an outlet of the turbine and a waste gate valve, which dominates the flow area of the bypass channel.
  • Adjustable guide devices prior to entry into the turbine of a turbocharger serve to control the desired turbine power and to regulate the exhaust gas backpressure for the exhaust gas recirculation.
  • the guide devices usually consist of blade rings.
  • variable blade rings which are pushed axially into the gap between the annulus and turbine wheel and thus close the gap over a certain width and rotatable blades, over which the Angle of attack is adjusted to the turbine runner. Accordingly, both gas quantities and flow directions can be regulated via the guide grids.
  • a turbocharger with a guide grid for the turbine which is constructed in two parts.
  • a fixed upstream ring is composed of a fixed distance from each other and at a fixed angle to the central axis of the turbocharger arranged blade tips together, the back sides extend to a downstream thereto arranged second ring.
  • This second ring is rotatable and has blade ends which can be rotated away from or behind the blade tips by rotation of the ring.
  • the blade tips have a recess which is formed in a shape-accurate manner to the blade ends.
  • a vane ring for turbomachines in which the guide vanes are also made in two parts, wherein the upstream part is fixed and the downstream part is rotatably arranged for this purpose.
  • the blade ring Upon actuation of the blade ring is corresponding to the inflow angle adjusted to the impeller, but the free flow cross section is only slightly changed.
  • the disadvantages that the possible Verstellvariationen the guide devices are severely limited, so that an adaptation to all operating conditions is not possible.
  • the embodiments with a rotatable blade has the disadvantage that the distance to the impeller is changed with rotation of the blades, so that at a largely closed position of the blades no optimal flow of the impeller is given more.
  • the guide vanes by means of which the flow cross-section is restricted there is a considerable loss of efficiency.
  • the second blade part is rotatably mounted in the downstream region via an adjusting pin in the adjusting ring.
  • the movement of the adjusting ring can be transmitted to the second blade part in a simple manner, wherein a rotatability of the blade part is maintained.
  • the fixed first blade part essentially has a U-shape, in the open end of which the movable second blade part can be inserted.
  • a preferred mounting of the second blade part is achieved in that the second blade part in the upstream region is guided on both sides via journals in grooves. This double-sided storage increases stability with ease of manufacture.
  • the second blade part is guided in the first blade part.
  • the first blade part is formed from a bent sheet metal. This design reduces the weight and is inexpensive to produce.
  • the first blade part is cast with one of the turbine housing parts. This reduces the necessary assembly steps and increases the durability of the blade part.
  • the bypass duct is formed in the turbine housing and has a space in which a valve body of the wastegate valve is arranged. Thus, the total space required can be reduced. At the same time accounts for additional cables and housing parts, whereby the assembly costs and manufacturing costs are reduced.
  • the waste gate valve is mounted in the turbine housing, whereby the number of necessary components and thus the assembly costs are additionally reduced.
  • FIG. 2 shows a top view of the guide device in the retracted turbine.
  • FIG. 3 schematically shows a single second blade part in side view.
  • the turbine according to the invention of an exhaust-gas turbocharger has a turbine housing 2, which is fastened to a bearing housing, not shown, of a turbocharger and which has a spiral-shaped annular channel 4 into which exhaust gas can flow via a tangential inlet 6. After radially inward, the annular channel 4 is bounded by an annular gap 8, via which the annular channel 4 is fluidically connected to an impeller chamber 10 in which an impeller 12 of the turbine is arranged. On the turbine housing 2, an outlet 14 is formed, which extends from the impeller 12, concentric to this, axially.
  • a guide device 16 is arranged, which consists of a blade rim 18, which consists of a plurality of vanes 20 which are arranged on a concentric to the impeller 12 circle.
  • Each of these guide vanes 20 consists of an inlet-side first stationary blade part 22 and an outlet-side second movable blade part 24.
  • the annular gap 8 is bounded at its lower end facing the bearing housing and at its upper end remote from the bearing housing by two rings 25, 26.
  • the first blade parts 22 are fixedly arranged between the two rings 25, 26 in the annular gap 8 and have a U-shape, the open side opposite to the exhaust gas flow is aligned obliquely in the annular gap 8, wherein each first blade portion 22 forms a receptacle 27.
  • a groove 28, 30 is formed in the rings 25, 26, which groove extends along the extent of the first blade parts 22.
  • this groove 28, 30 project journals 32, 34, which are laterally guided by the groove walls and attached to the rings 25, 26 pointing ends of the second blade parts 24 or formed integrally therewith.
  • an adjustment tap 36 is formed, which is mounted in a bearing 38 of an adjusting ring 40.
  • the adjusting ring 40 surrounds the impeller 12 on the side directed towards the bearing housing and is disposed within the ring 25, wherein the two rings 25, 40 directly adjoin one another. Accordingly, the adjusting ring 40 also forms a lower side wall of the annular gap. 8
  • the adjusting ring 40 is rotatably mounted about its axis in the turbine housing, wherein the adjusting ring 40, a lever is fixed, which in turn is coupled to an actuator, in the actuation of the adjusting ring 40 is rotated.
  • By rotating the adjusting ring 40 slide the bearing pins 32, 34 of the second blade parts 24 along the grooves 28, 30.
  • the second blade parts 24 are rotated in the receptacles 27 of the first blade parts 22, while in the opposite direction of rotation, the second blade parts 24 move out of the receptacles 27, wherein the second blade parts 24 respectively perform a combined sliding movement in the linear direction and a circular movement.
  • the entire second blade parts 24 rotate about the bearing 38, that is to say around the rear part of the blade part 24, while the front end of the second blade part 24 is moved linearly along the groove 28, 30 upon actuation of the adjusting ring 40.
  • a bypass channel 44 branches off in the region of the annular gap 8, via which the annular channel 4 or the inlet 6 is fluidically connected to the outlet 14 without the exhaust gas flow Impeller 12 would have to flow through.
  • This bypass channel 44 is formed in the turbine housing 2 and is dominated by a waste gate valve 46, which is formed in the present embodiment as a flap valve, the shaft 48 is mounted in the turbine housing 2 and extends out of the turbine housing 2 for connection to an actuator.
  • the Bypasskanai 44 has a space 50 in which a valve seat is formed, which surrounds the flow cross-section of the bypass channel 44 to be controlled and on which the shaft 48 mounted on the valve-shaped valve body 52 is rotated to block the bypass flow.
  • the efficiency can thus be improved by the additionally existing controllability over the entire load range.

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Abstract

Variable turbine impellers for improving the efficiency of turbochargers are known. However, a complete control of the flow cross-section with a simultaneous change of the incidence angle of the turbine wheel has not been known. The invention therefore proposes a vane device for a turbine, comprising a vane ring (18), which is arranged concentrically about a central axis of a turbine housing (2), with multiple guide vanes (20), each of which has a stationary first vane part (22) on the inlet side and a movable second vane part (24) on the outlet side, and an adjusting ring (40), by means of which the second vane part (24) can be adjusted, wherein the second vane part (24) lies at least partly in a receiving area (27) of the first vane part (22) in a first position. The second vane part (24) can be moved in the first vane part (22) and is connected to the adjusting ring (40) in a rotatable manner such that the second vane part (24) carries out a combined rotary and linear movement upon actuation.

Description

B E S C H R E I B U N G  DESCRIPTION
Leitvorrichtung für eine Turbine sowie derartige Turbine eines Guide device for a turbine and such a turbine
Turboladers  turbocharger
Die Erfindung betrifft eine Leitvorrichtung für eine Turbine mit einem konzentrisch um eine Mittelachse eines Turbinengehäuses angeordneten Schaufelkranz mit mehreren Leitschaufeln, die jeweils eintrittsseitig ein feststehendes erstes Schaufelteil und austrittsseitig ein bewegbares zweites Schaufelteil aufweisen, einem Verstellring, über den das zweite Schaufelteil verstellbar ist, wobei das zweite Schaufelteil in einer ersten Position zumindest teilweise in einer Aufnahme des ersten Schaufelteils angeordnet ist sowie eine Turbine eines Turboladers mit einer Leitvorrichtung und einem Bypasskanal zwischen einem Einlass und einem Auslass der Turbine und einem Waste-Gate-Ventil, welches den Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals beherrscht. The invention relates to a guide device for a turbine with a blade ring arranged concentrically around a central axis of a turbine housing with a plurality of guide vanes, each having a fixed first blade part on the inlet side and a movable second blade part on the outlet side, an adjusting ring, via which the second blade part is adjustable, wherein the second turbine blade part is arranged in a first position at least partially in a receptacle of the first blade part and a turbine of a turbocharger with a guide and a bypass channel between an inlet and an outlet of the turbine and a waste gate valve, which dominates the flow area of the bypass channel.
Es sind sowohl feste als auch verstellbare Leitvorrichtungen in Turbinen bekannt. Bei Turbinen von Turboladern für Verbrennungskraftmaschinen werden aufgrund des breiten Regelungsbereiches wegen der unterschiedlichen Lastzustände üblicherweise verstellbare Leitgitter verwendet. There are both fixed and adjustable guide devices known in turbines. In turbochargers of turbochargers for internal combustion engines usually adjustable guide gratings are used due to the wide range of control because of the different load conditions.
Verstellbare Leitvorrichtungen vor dem Eintritt in die Turbine eines Turboladers dienen zur Regelung der gewünschten Turbinenleistung sowie zur Regelung des Abgasgegendruckes für die Abgasrückführung. Die Leitvorrichtungen bestehen zumeist aus Schaufelkränzen. Bekannt sind sowohl variable Schaufelkränze, die axial in den Spalt zwischen Ringraum und Turbinenrad geschoben werden und so den Spalt über eine gewisse Breite verschließen als auch drehbare Schaufeln, über die der Anströmwinkel zum Turbinenlaufrad verstellt wird. Entsprechend können über die Leitgitter sowohl Gasmengen als auch Strömungsrichtungen reguliert werden. Um in jedem Betriebszustand einen möglichst guten Wirkungsgrad des Turboladers durch eine auch im Teillastbereich günstige Anströmung des Laufrades zu erhalten sind auch Schaufeln von Leitgittern bekannt geworden, welche aus einem feststehenden vorderen Teil bestehen, welches so angeordnet wird, dass Stoßverluste bei der Anströmung vermieden werden und einem verdrehbaren zweiten Teil bestehen, über welchen der Anströmwinkel des Laufrades verändert werden kann. Adjustable guide devices prior to entry into the turbine of a turbocharger serve to control the desired turbine power and to regulate the exhaust gas backpressure for the exhaust gas recirculation. The guide devices usually consist of blade rings. Are known both variable blade rings, which are pushed axially into the gap between the annulus and turbine wheel and thus close the gap over a certain width and rotatable blades, over which the Angle of attack is adjusted to the turbine runner. Accordingly, both gas quantities and flow directions can be regulated via the guide grids. In order to obtain the best possible efficiency of the turbocharger in any operating condition by a flow in the part load range of the impeller blades and vanes are known, which consist of a fixed front part, which is arranged so that shock losses are avoided in the flow and a rotatable second part, over which the angle of attack of the impeller can be changed.
So ist beispielsweise aus der DE 42 38 550 AI ein Turbolader mit einem Leitgitter für die Turbine bekannt, welches zweiteilig aufgebaut ist. Ein feststehender stromaufwärtiger Ring setzt sich aus in festem Abstand zueinander und unter einem festen Winkel zur Mittelachse des Turboladers angeordneten Schaufelspitzen zusammen, deren Rückseiten sich bis zu einem stromabwärtig hierzu angeordneten zweiten Ring erstrecken. Dieser zweite Ring ist drehbar und weist Schaufelenden auf, welche durch Drehung des Ringes von den Schaufelspitzen weggedreht oder hinter diese zurückgedreht werden können. Hierzu weisen die Schaufelspitzen eine Ausnehmung auf, die formgenau zu den Schaufelenden ausgebildet ist. Mit diesem Verstellring kann zwar der Einströmquerschnitt verändert werden, jedoch bleiben der Abströmwinkel und damit der Zuströmwinkel zum Laufrad konstant. For example, from DE 42 38 550 AI a turbocharger with a guide grid for the turbine is known, which is constructed in two parts. A fixed upstream ring is composed of a fixed distance from each other and at a fixed angle to the central axis of the turbocharger arranged blade tips together, the back sides extend to a downstream thereto arranged second ring. This second ring is rotatable and has blade ends which can be rotated away from or behind the blade tips by rotation of the ring. For this purpose, the blade tips have a recess which is formed in a shape-accurate manner to the blade ends. Although the inflow cross section can be changed with this adjusting ring, the outflow angle and thus the inflow angle to the impeller remain constant.
Des Weiteren ist aus der DE 35 40 401 AI ein Leitschaufelkranz für Turbomaschinen bekannt, bei dem die Leitschaufeln ebenfalls zweiteilig hergestellt sind, wobei der stromaufwärtige Teil feststehend ausgebildet ist und der stromabwärtige Teil hierzu verdrehbar angeordnet ist. Bei Betätigung des Schaufelkranzes wird entsprechend der Zuströmwinkel zum Laufrad verstellt, jedoch wird der freie Durchströmungsquerschnitt nur geringfügig verändert. Furthermore, from DE 35 40 401 AI a vane ring for turbomachines is known in which the guide vanes are also made in two parts, wherein the upstream part is fixed and the downstream part is rotatably arranged for this purpose. Upon actuation of the blade ring is corresponding to the inflow angle adjusted to the impeller, but the free flow cross section is only slightly changed.
Entsprechend bestehen bei den bekannten Ausführungen die Nachteile, dass die möglichen Verstellvariationen der Leitvorrichtungen stark eingeschränkt sind, so dass eine Anpassung an alle Betriebszustände nicht möglich ist. Insbesondere besteht bei den Ausführungen mit drehbarer Schaufel der Nachteil, dass der Abstand zum Laufrad mit Drehung der Schaufeln geändert wird, so dass bei einer weitestgehend geschlossenen Stellung der Schaufeln keine optimale Anströmung des Laufrades mehr gegeben ist. Bei den Leitgittern mittels derer der Durchströmungsquerschnitt eingeschränkt wird, besteht ein beträchtlicher Wirkungsgradverlust. Accordingly, in the known embodiments, the disadvantages that the possible Verstellvariationen the guide devices are severely limited, so that an adaptation to all operating conditions is not possible. In particular, in the embodiments with a rotatable blade has the disadvantage that the distance to the impeller is changed with rotation of the blades, so that at a largely closed position of the blades no optimal flow of the impeller is given more. In the guide vanes by means of which the flow cross-section is restricted, there is a considerable loss of efficiency.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Leitvorrichtung für eine Turbine sowie eine Turbine für einen Turbolader zu schaffen, mit der eine betriebspunktabhängige Regelung der Turbinenleistung möglich ist und die Möglichkeit zur Regelung der Abgasrückführraten erhalten bleibt. Gegebenenfalls soll zusätzlich ein Motorbremsbetrieb erzeugt werden können. Bei der Regelung der Turbine sollen möglichst geringe Kräfte auf die Schaufeln wirken und der Mechanismus zur Verstellung einfach aufgebaut sein und eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen. It is therefore the object to provide a guide device for a turbine and a turbine for a turbocharger, with the operating point-dependent control of the turbine power is possible and the possibility to control the exhaust gas recirculation rates is maintained. Optionally, in addition, an engine braking operation can be generated. In the control of the turbine as low as possible forces acting on the blades and the mechanism for adjustment should be simple and have the longest possible life.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil der Hauptansprüche 1 und 8 gelöst. Dadurch, dass das zweite Schaufelteil im ersten Schaufelteil verschiebbar ist und drehbar mit dem Verstellring verbunden ist, so dass das zweite Schaufelteil bei Betätigung eine kombinierte rotatorische und lineare Bewegung vollzieht, wird auf konstruktiv einfache Weise bei Verstellung der Schaufeln sowohl der Durchströmungsquerschnitt als auch der Abströmwinkel der Leitvorrichtung beziehungsweise der Turbine verändert. Hierdurch wird eine betriebspunktabhängige Turbinenregelung bei gleichzeitig guten erreichbaren Abgasrückführraten erzielt. Durch die Kombination dieser Leitvorrichtungsversteliung mit der Verwendung und Integration eines Waste-Gate-Ventils wird die Verwendung eines kleineren Turbinenrades ermöglicht, da dieses auch bei kleinen Volumenströmen eine höhere Leistung aufweist. Allerdings ist es dann erforderlich, bei großen Abgasströmen diese am Turbinenrad vorbeizuführen, was über das Waste-Gate-Ventil erfolgt, da andernfalls ein Überschreiten der maximal zulässigen Umfangsgeschwindigkeiten die Folge wäre. Durch die Leitvorrichtung wird zusätzlich eine optimale Anströmung des Laufrades zur Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber anderen Leitvorrichtungen sichergestellt, da Strömungsverluste reduziert werden. Des Weiteren werden die auf die Schaufeln wirkenden Kräfte verringert, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer führt. This object is achieved by the characterizing part of the main claims 1 and 8. Characterized in that the second blade part is displaceable in the first blade part and is rotatably connected to the adjusting ring, so that the second blade part performs a combined rotational and linear movement when actuated, in a structurally simple manner with adjustment of the blades, both the flow cross-section and the outlet angle changed the guide or the turbine. As a result, an operating point-dependent turbine control is achieved with good achievable exhaust gas recirculation rates. By the Combining this vane adjustment with the use and integration of a waste gate valve allows the use of a smaller turbine wheel because it has a higher performance even at low flow rates. However, in the case of large exhaust gas flows, it is then necessary to pass them past the turbine wheel, which takes place via the wastegate valve, since otherwise the maximum permissible circumferential speeds would be exceeded. In addition, an optimal flow of the impeller to increase the efficiency over other guide devices is ensured by the guide, since flow losses are reduced. Furthermore, the forces acting on the blades are reduced, resulting in an increase in life.
Vorzugsweise ist das zweite Schaufelteil im stromabwärtigen Bereich über einen Verstellzapfen im Verstellring drehbar gelagert. So kann auf einfache Weise die Bewegung des Verstellrings auf das zweite Schaufelteil übertragen werden, wobei eine Drehbarkeit des Schaufelteils erhalten bleibt. In einer weitergehenden vorteilhaften Ausführungsform weist das feststehende erste Schaufelteil im Wesentlichen eine U-Form auf, in deren offenes Ende das bewegliche zweite Schaufelteil einschiebbar ist. So kann die gesamte wirksame Länge der Schaufeln verstellt werden. Eine bevorzugte Lagerung des zweiten Schaufelteils wird dadurch erreicht, dass das zweite Schaufelteil im stromaufwärtigen Bereich beidseitig über Lagerzapfen in Nuten geführt ist. Durch diese beidseitige Lagerung erhöht sich die Stabilität bei gleichzeitig einfacher Herstellbarkeit. In einer hierzu alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Schaufelteil im ersten Schaufelteil geführt. Dies verringert die Anzahl der notwendigen Durchbrechungen des Gehäuses und reduziert zusätzlich den Montageaufwand. Selbstverständlich sind entsprechende reibungsreduzierende Maßnahmen zu treffen. Dies kann durch eine günstige Materialauswahl vorgenommen werden oder es können entsprechende Beschichtungen der aneinander entlang gleitenden und 5 lagernden Teile vorgesehen werden. Preferably, the second blade part is rotatably mounted in the downstream region via an adjusting pin in the adjusting ring. Thus, the movement of the adjusting ring can be transmitted to the second blade part in a simple manner, wherein a rotatability of the blade part is maintained. In a further advantageous embodiment, the fixed first blade part essentially has a U-shape, in the open end of which the movable second blade part can be inserted. Thus, the entire effective length of the blades can be adjusted. A preferred mounting of the second blade part is achieved in that the second blade part in the upstream region is guided on both sides via journals in grooves. This double-sided storage increases stability with ease of manufacture. In an alternative advantageous embodiment of the invention, the second blade part is guided in the first blade part. This reduces the number of necessary openings of the housing and reduces In addition, the installation effort. Of course, corresponding friction-reducing measures are to be taken. This can be done by a favorable material selection or it can be provided corresponding coatings of the sliding along each other and 5 superimposed parts.
Vorzugsweise ist das erste Schaufelteil aus einem gebogenen Blech geformt. Diese Ausführung reduziert das Gewicht und ist kostengünstig herstellbar. Preferably, the first blade part is formed from a bent sheet metal. This design reduces the weight and is inexpensive to produce.
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In einer alternativen Ausführung ist das erste Schaufelteil mit einem der Turbinengehäuseteile gegossen. Dies reduziert die notwendigen Montageschritte und erhöht die Dauerhaltbarkeit des Schaufelteils. In einer bevorzugten Ausführung der Turbine ist der Bypasskanal im Turbinengehäuse ausgebildet und weist einen Raum auf, in dem ein Ventilkörper des Waste-Gate-Ventils angeordnet ist. So kann der insgesamt benötigte Bauraum reduziert werden. Gleichzeitig entfallen zusätzliche Leitungen und Gehäuseteile, wodurch der Montageaufwand und Herstellungskosten reduziert werden.  In an alternative embodiment, the first blade part is cast with one of the turbine housing parts. This reduces the necessary assembly steps and increases the durability of the blade part. In a preferred embodiment of the turbine, the bypass duct is formed in the turbine housing and has a space in which a valve body of the wastegate valve is arranged. Thus, the total space required can be reduced. At the same time accounts for additional cables and housing parts, whereby the assembly costs and manufacturing costs are reduced.
Vorzugsweise ist das Waste-Gate-Ventil im Turbinengehäuse gelagert, wodurch die Anzahl der notwendigen Bauteile und somit der Montageaufwand zusätzlich gesenkt werden. Preferably, the waste gate valve is mounted in the turbine housing, whereby the number of necessary components and thus the assembly costs are additionally reduced.
Es wird entsprechend eine Leitvorrichtung für eine Turbine und eine derartige Turbine für einen Turbolader geschaffen, mittels derer eine vollständige Regelbarkeit des Turboladers bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades und Verkleinerung der Geometrien des Turboladers erreicht werden. Die Turbinenleistung wird betriebspunktabhängig geregelt und gleichzeitig ausreichende Druckgefälle zur Erhöhung der Abgasrückführraten erreicht. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leitvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Turbine in geschnittener Darstellung. There is accordingly provided a guide for a turbine and such a turbine for a turbocharger, by means of which a complete controllability of the turbocharger while increasing the efficiency and reducing the geometries of the turbocharger are achieved. The turbine power is controlled depending on the operating point and at the same time sufficient pressure gradient is achieved to increase the exhaust gas recirculation rates. An embodiment of a guide device according to the invention is shown in the figures and will be described below. Figure 1 shows a side view of a turbine according to the invention in a sectional view.
Figur 2 zeigt eine Kopfansicht auf die Leitvorrichtung in der Turbine mit eingefahrenen Schaufein. FIG. 2 shows a top view of the guide device in the retracted turbine.
Figur 3 zeigt schematisch eine einzelnes zweites Schaufelteil in Seitenansicht. FIG. 3 schematically shows a single second blade part in side view.
Die erfindungsgemäße Turbine eines Abgasturboladers weist ein Turbinengehäuse 2 auf, welches an einem nicht dargestellten Lagergehäuse eines Turboladers befestigt ist und welches einen spiralförmigen Ringkanal 4 aufweist, in welchen Abgas über einen tangentialen Einlass 6 einströmen kann. Nach radial innen wird der Ringkanal 4 durch einen Ringspalt 8 begrenzt, über den der Ringkanal 4 fluidisch mit einer Laufradkammer 10 verbunden ist, in der ein Laufrad 12 der Turbine angeordnet ist. Am Turbinengehäuse 2 ist ein Auslass 14 ausgebildet, der sich vom Laufrad 12 aus, konzentrisch zu diesem, axial erstreckt. The turbine according to the invention of an exhaust-gas turbocharger has a turbine housing 2, which is fastened to a bearing housing, not shown, of a turbocharger and which has a spiral-shaped annular channel 4 into which exhaust gas can flow via a tangential inlet 6. After radially inward, the annular channel 4 is bounded by an annular gap 8, via which the annular channel 4 is fluidically connected to an impeller chamber 10 in which an impeller 12 of the turbine is arranged. On the turbine housing 2, an outlet 14 is formed, which extends from the impeller 12, concentric to this, axially.
Im Ringspalt 8 ist eine Leitvorrichtung 16 angeordnet, die aus einem Schaufel kränz 18 besteht, welcher aus mehreren Leitschaufeln 20 besteht, die auf einem zum Laufrad 12 konzentrischen Kreis angeordnet sind. Jede dieser Leitschaufeln 20 besteht aus einem eintrittsseitigen ersten feststehenden Schaufelteil 22 und einem austrittsseitigen zweiten beweglichen Schaufelteil 24. Der Ringspalt 8 wird an seinem zum Lagergehäuse weisenden unteren Ende und an seinem zum Lagergehäuse entfernten, oberen Ende durch zwei Ringe 25, 26 begrenzt. Die ersten Schaufelteile 22 sind zwischen den beiden Ringen 25, 26 im Ringspalt 8 fest angeordnet und weisen eine U- Form auf, deren offene Seite entgegengesetzt zur Abgasströmung schräg im Ringspalt 8 ausgerichtet ist, wobei jedes erste Schaufelteil 22 eine Aufnahme 27 bildet. In the annular gap 8, a guide device 16 is arranged, which consists of a blade rim 18, which consists of a plurality of vanes 20 which are arranged on a concentric to the impeller 12 circle. Each of these guide vanes 20 consists of an inlet-side first stationary blade part 22 and an outlet-side second movable blade part 24. The annular gap 8 is bounded at its lower end facing the bearing housing and at its upper end remote from the bearing housing by two rings 25, 26. The first blade parts 22 are fixedly arranged between the two rings 25, 26 in the annular gap 8 and have a U-shape, the open side opposite to the exhaust gas flow is aligned obliquely in the annular gap 8, wherein each first blade portion 22 forms a receptacle 27.
Im Inneren der ersten Schaufelteile 22 ist in den Ringen 25, 26 jeweils eine Nut 28, 30 ausgebildet, die sich entlang der Ausdehnung der ersten Schaufelteile 22 erstreckt. In diese Nut 28, 30 ragen Lagerzapfen 32, 34, welche seitlich durch die Nutwände geführt sind und an den zu den Ringen 25, 26 weisenden Enden der zweiten Schaufelteile 24 befestigt beziehungsweise einstückig mit diesen ausgebildet sind. In the interior of the first blade parts 22, in each case a groove 28, 30 is formed in the rings 25, 26, which groove extends along the extent of the first blade parts 22. In this groove 28, 30 project journals 32, 34, which are laterally guided by the groove walls and attached to the rings 25, 26 pointing ends of the second blade parts 24 or formed integrally therewith.
Am entgegengesetzten, stromabwärtigen Ende des zweiten Schaufelteils 24 ist am unteren Ende ein Verstell zapfen 36 ausgebildet, der in einer Lagerstelle 38 eines Verstellringes 40 gelagert ist. Der Verstellring 40 umgibt das Laufrad 12 an der zum Lagergehäuse gerichteten Seite und ist innerhalb des Ringes 25 angeordnet, wobei die beiden Ringe 25, 40 unmittelbar aneinander grenzen. Entsprechend bildet der Verstellring 40 ebenfalls eine untere Seitenwand des Ringspaltes 8. At the opposite, downstream end of the second blade part 24 is at the lower end of an adjustment tap 36 is formed, which is mounted in a bearing 38 of an adjusting ring 40. The adjusting ring 40 surrounds the impeller 12 on the side directed towards the bearing housing and is disposed within the ring 25, wherein the two rings 25, 40 directly adjoin one another. Accordingly, the adjusting ring 40 also forms a lower side wall of the annular gap. 8
Der Verstell ring 40 ist um seine Achse drehbar im Turbinengehäuse gelagert, wobei am Verstellring 40 ein Hebel befestigt ist, der wiederum mit einem Aktuator gekoppelt ist, bei dessen Betätigung der Verstellring 40 verdreht wird. Durch das Verdrehen des Verstellringes 40 gleiten die Lagerzapfen 32, 34 der zweiten Schaufelteile 24 entlang der Nuten 28, 30. Bei der ersten Drehrichtung werden die zweiten Schaufelteile 24 in die Aufnahmen 27 der ersten Schaufelteile 22 gedreht, während sich bei entgegengesetzter Drehrichtung die zweiten Schaufelteile 24 aus den Aufnahmen 27 hinausbewegen, wobei die zweiten Schaufelteile 24 jeweils eine kombinierte Gleitbewegung in linearer Richtung und eine kreisförmige Bewegung ausführen. Die gesamten zweiten Schaufelteile 24 drehen sich um die Lagerstelle 38, also um den hinteren Teil des Schaufelteils 24, während das vordere Ende des zweiten Schaufelteils 24 linear entlang der Nut 28, 30 bei Betätigung des Verstellringes 40 bewegt wird. The adjusting ring 40 is rotatably mounted about its axis in the turbine housing, wherein the adjusting ring 40, a lever is fixed, which in turn is coupled to an actuator, in the actuation of the adjusting ring 40 is rotated. By rotating the adjusting ring 40 slide the bearing pins 32, 34 of the second blade parts 24 along the grooves 28, 30. In the first direction of rotation, the second blade parts 24 are rotated in the receptacles 27 of the first blade parts 22, while in the opposite direction of rotation, the second blade parts 24 move out of the receptacles 27, wherein the second blade parts 24 respectively perform a combined sliding movement in the linear direction and a circular movement. The entire second blade parts 24 rotate about the bearing 38, that is to say around the rear part of the blade part 24, while the front end of the second blade part 24 is moved linearly along the groove 28, 30 upon actuation of the adjusting ring 40.
Daraus folgt, dass einerseits die Länge jeder Schaufel geändert wird, was dazu führt, dass der insgesamt zur Verfügung stehende Durchströmungsquerschnitt im Spalt 8 verändert wird und andererseits der Abströmwinkel der Leitvorrichtung 16 und somit der Anströmwinkel zum Laufrad verändert wird, da die hintere Kante jeder Schaufel je weiter der zweite Schaufelteil aus dem ersten Schaufelteil 22 herausgedreht wird, in Richtung einer Tangente an einen Kreisbogen um das Laufrad 12 gedreht wird. Daraus folgt, dass bei sich ändernder Länge der Schaufel 20 der Abstand zum Laufrad 12 konstant bleibt, also unabhängig von der Lage des zweiten Schaufelteils 24 ist. It follows that on the one hand, the length of each blade is changed, which leads to the total available flow area in the gap 8 is changed and on the other hand, the outflow angle of the guide 16 and thus the angle of attack is changed to the impeller, since the trailing edge of each blade the further the second blade part is rotated out of the first blade part 22, is rotated in the direction of a tangent to a circular arc around the impeller 12. It follows that with a changing length of the blade 20, the distance to the impeller 12 remains constant, that is independent of the position of the second blade part 24.
Dies ermöglicht die Erzeugung größerer Antriebsleistungen für den Verdichter bei kleinen Abgasmassenströmen auf der Turbinenseite, da die auf die Laufradschaufeln 42, also in Umfangrichtung wirkende Komponente des Gasstroms steigt. Die Umlenkung bewirkt somit eine Erhöhung der Umfangskomponente der Geschwindigkeit des Gasstroms am Laufradeintritt und somit eine Erhöhung der Drehzahl bzw. der Turbinenleistung gleichzeitig steigt aufgrund der Querschnittsverengung der Abgasgegendruck, was eine Steigerung der Abgasrückführrate ermöglicht. This allows the generation of larger drive power for the compressor with small exhaust gas mass flows on the turbine side, since the force acting on the impeller blades 42, so in the circumferential direction component of the gas flow increases. The deflection thus causes an increase in the peripheral component of the speed of the gas flow at the impeller inlet and thus an increase in the speed or the turbine power simultaneously increases due to the cross-sectional constriction of the exhaust gas back pressure, which allows an increase in the exhaust gas recirculation rate.
Des Weiteren wird aus Figur 1 deutlich, dass im Bereich des Ringspaltes 8 in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet kurz hinter dem Einlass ein Bypasskanal 44 abzweigt, über den der Ringkanal 4 beziehungsweise der Einlass 6 mit dem Auslass 14 fluidisch verbunden ist, ohne dass der Abgasstrom das Laufrad 12 durchströmen müsste. Dieser Bypasskanal 44 ist im Turbinengehäuse 2 ausgebildet und wird von einem Waste-Gate- Ventil 46 beherrscht, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Klappenventil ausgebildet ist, dessen Welle 48 im Turbinengehäuse 2 gelagert ist und sich aus dem Turbinengehäuse 2 hinaus zur Verbindung mit einem Aktuator erstreckt. Entsprechend weist der Bypasskanai 44 einen Raum 50 auf, in dem ein Ventilsitz ausgebildet ist, der den zu beherrschenden Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals 44 umgibt und auf den der auf der Welle 48 befestigte klappenförmige Ventilkörper 52 zur Sperrung des Bypassstroms gedreht wird. Furthermore, it is clear from FIG. 1 that, viewed in the flow direction of the exhaust gas, a bypass channel 44 branches off in the region of the annular gap 8, via which the annular channel 4 or the inlet 6 is fluidically connected to the outlet 14 without the exhaust gas flow Impeller 12 would have to flow through. This bypass channel 44 is formed in the turbine housing 2 and is dominated by a waste gate valve 46, which is formed in the present embodiment as a flap valve, the shaft 48 is mounted in the turbine housing 2 and extends out of the turbine housing 2 for connection to an actuator. Accordingly, the Bypasskanai 44 has a space 50 in which a valve seat is formed, which surrounds the flow cross-section of the bypass channel 44 to be controlled and on which the shaft 48 mounted on the valve-shaped valve body 52 is rotated to block the bypass flow.
Durch die Verwendung dieses Waste-Gate-Ventils 46 kann ein kleineres Turbinenlaufrad 12 verwendet werden, was geringere Verstell wege der Leitvorrichtung 16 sowie geringere auf die Leitschaufeln 20 wirkende Kräfte zur Folge hat sowie bereits bei geringeren Volumenströmen einen entsprechend hohen Wirkungsgrad aufweist. By using this waste gate valve 46, a smaller turbine runner 12 can be used, which has less displacement paths of the guide 16 and lower acting on the vanes 20 forces result and already has a correspondingly high efficiency at lower flow rates.
Vor allem im Zusammenhang mit der möglichen Verstellung über die erfindungsgemäße Leitvorrichtung kann somit der Wirkungsgrad durch die zusätzlich vorhandene Regelbarkeit über den gesamten Lastbereich verbessert werden. Especially in connection with the possible adjustment via the guide device according to the invention, the efficiency can thus be improved by the additionally existing controllability over the entire load range.
Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Varianten innerhalb des Schutzbereichs der Hauptansprüche denkbar sind. Insbesondere wäre es denkbar die zweiten Schaufelteile ausschließlich im ersten Schaufelteil zu führen, so dass die Lagerzapfen und Nuten in den Ringen wegfielen. Allerdings sind dann entsprechend günstige Materialien für die Schaufeln auszuwählen oder Beschichtungen zur Sicherstellung der Gleitbewegung der zweiten Schaufelteile vorzusehen. Auch kann der Bypasskanai außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet werden oder die ersten Schaufelteile sowohl einstückig mit einem oder mehreren Ringen oder dem Turbinengehäuse oder separat als Blechteil hergestellt werden. It should be clear that various structural variants within the scope of the main claims are conceivable. In particular, it would be conceivable to guide the second blade parts exclusively in the first blade part, so that the bearing pins and grooves in the rings fell away. However, then appropriate materials for the blades to choose or provide coatings to ensure the sliding movement of the second blade parts. Also, the Bypasskanai can be arranged outside of the turbine housing or the first blade parts are made both integral with one or more rings or the turbine housing or separately as a sheet metal part.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT APPLICATIONS
1. Leitvorrichtung für eine Turbine mit 1. guide device for a turbine with
einem konzentrisch um eine Mittelachse eines Turbinengehäuses (2) angeordneten Schaufelkranz ( 18) mit mehreren Leitschaufeln (20), die jeweils eintrittsseitig ein feststehendes erstes Schaufelteil (22) und austrittsseitig ein bewegbares zweites Schaufelteil (24) aufweisen,  a blade ring (18) arranged concentrically around a center axis of a turbine housing (2) with a plurality of guide vanes (20), each having a fixed first blade part (22) on the inlet side and a movable second blade part (24) on the outlet side,
einem Verstellring (40), über den das zweite Schaufelteil (24) verstellbar ist,  an adjusting ring (40), via which the second blade part (24) is adjustable,
wobei das zweite Schaufelteil (24) in einer ersten Position zumindest teilweise in einer Aufnahme (27) des ersten Schaufelteils (22) angeordnet ist,  wherein the second blade part (24) is arranged in a first position at least partially in a receptacle (27) of the first blade part (22),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das zweite Schaufelteil (24) im ersten Schaufelteil (22) verschiebbar ist und drehbar mit dem Verstell ring (40) verbunden ist, so dass das zweite Schaufelteil (24) bei Betätigung eine kombinierte rotatorische und lineare Bewegung vollzieht.  the second blade part (24) in the first blade part (22) is displaceable and rotatably connected to the adjusting ring (40), so that the second blade part (24) performs a combined rotational and linear movement when actuated.
2. Leitvorrichtung für eine Turbine nach Anspruch 1, 2. guide device for a turbine according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das zweite Schaufelteil (24) im stromabwärtigen Bereich über einen Verstellzapfen (36) im Verstellring (40) drehbar gelagert ist.  the second blade part (24) is rotatably mounted in the downstream region via an adjusting pin (36) in the adjusting ring (40).
3. Leitvorrichtung für eine Turbine nach Anspruch 1 oder 2, 3. guide device for a turbine according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende erste Schaufelteil (22) im Wesentlichen eine U-Form aufweist, in deren offenes Ende das bewegliche zweite Schaufelteil (24) einschiebbar ist. characterized in that the fixed first blade part (22) has a substantially U-shape in whose open end the movable second blade part (24) can be inserted.
4. Leitvorrichtung für eine Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. guide device for a turbine according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das zweite Schaufelteil (24) im stromaufwärtigen Bereich beidseitig über Lagerzapfen (32, 34) in Nuten (28, 30) geführt ist.  the second blade part (24) in the upstream region on both sides via bearing pins (32, 34) in grooves (28, 30) is guided.
5. Leitvorrichtung für eine Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 5. guide device for a turbine according to one of claims 1 to 3, characterized in that
das zweite Schaufelteil (24) im ersten Schaufelteil (22) geführt ist.  the second blade part (24) is guided in the first blade part (22).
6. Leitvorrichtung für eine Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. guide device for a turbine according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das erste Schaufelteil (22) aus einem gebogenen Blech geformt ist.  the first blade part (22) is formed from a bent sheet metal.
7. Leitvorrichtung für eine Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Guide device for a turbine according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das erste Schaufelteil (22) mit einem der Turbinengehäuseteile (2, 25, 26) gegossen ist.  the first blade part (22) is cast with one of the turbine housing parts (2, 25, 26).
8. Turbine eines Turboladers mit einer Leitvorrichtung (16) und einem Bypasskanal (44) zwischen einem Einlass (6) und einem Auslass (14) der Turbine und einem Waste-Gate-Ventil (46), welches den Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals (44) beherrscht, 8. Turbine of a turbocharger with a guide device (16) and a bypass channel (44) between an inlet (6) and an outlet (14) of the turbine and a wastegate valve (46), which the flow cross section of the bypass channel (44) controlled,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Leitvorrichtung (16) eine Leitvorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist. the guide device (16) is a guide device (16) according to one of the preceding claims.
9. Turbine eines Turboladers nach Anspruch 8, 9. Turbine of a turbocharger according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet/ dass characterized in / that
der Bypasskanal (44) im Turbinengehäuse (2) ausgebildet ist und einen Raum (50) aufweist, in dem ein Ventilkörper (52) des Waste- Gate-Ventils (46) angeordnet ist.  the bypass passage (44) is formed in the turbine housing (2) and has a space (50) in which a valve body (52) of the waste gate valve (46) is arranged.
10. Turbine eines Turboladers nach Anspruch 9, 10. Turbine of a turbocharger according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Waste-Gate-Ventil (46) im Turbinengehäuse (2) gelagert ist.  the wastegate valve (46) is mounted in the turbine housing (2).
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