WO2013026653A1 - Variable turbinen-/verdichtergeometrie - Google Patents

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WO2013026653A1
WO2013026653A1 PCT/EP2012/064873 EP2012064873W WO2013026653A1 WO 2013026653 A1 WO2013026653 A1 WO 2013026653A1 EP 2012064873 W EP2012064873 W EP 2012064873W WO 2013026653 A1 WO2013026653 A1 WO 2013026653A1
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WO
WIPO (PCT)
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blade
vane
channel
guide
variable turbine
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/064873
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Streich
Senol Sögüt
Original Assignee
Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg filed Critical Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2013026653A1 publication Critical patent/WO2013026653A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/24—Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes

Definitions

  • the present invention relates to a variable turbine and / or compressor geometry for a charging device, in particular for an exhaust gas turbocharger, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a guide vane with a blade journal for such a variable turbine A / den emphasizergeometrie, and a charging device, in particular an exhaust gas turbocharger, with such a variable turbine-A / den emphasizergeometrie.
  • a variable turbine compressor geometry is used to control a power of a charging device for an engine.
  • a turbine of the charging device is driven by a fluid produced by the engine and transmits the energy thus obtained to a compressor of the engine.
  • the charging device is designed as an exhaust gas turbocharger, the turbine is driven by an exhaust gas of an internal combustion engine and transmits the energy thus obtained via a shaft to the compressor, which compresses the air to be supplied to the engine.
  • To control the charging device usually serves the variable turbine A / denêtrgeometrie.
  • the variable turbine geometry geometry is a means by which a cross section available to the turbine driving exhaust gas can be varied.
  • variable turbine geometry geometry has a blade bearing ring, on which guide vanes are each rotatably arranged via a blade journal.
  • the vane journal of a vane thus passes through a corresponding opening of the vane bearing ring, wherein the vanes are usually arranged in a circular manner on the vane bearing ring. are net.
  • the respective vanes are facing away from their side facing away from the blade bearing ring or from the associated blade pin outer side of a cover plate, which faces the blade bearing ring. The vanes are thus arranged between the blade bearing ring and the cover plate.
  • a control device which rotates the respective guide vanes via the associated blade journals.
  • the control device is arranged in a control chamber, which wich is expediently located on the side facing away from the vanes side of the blade bearing ring. Inner sides of the respective blade journals are thus arranged in the control chamber, wherein the inner sides of the blade journals are the sides of the blade journals facing away from the associated guide blades.
  • variable turbine geometry for a charging device
  • the variable turbine geometry is arranged on the turbine side.
  • a fluidic separation between the control chamber and a high-pressure space adjacent the turbine is realized in particular by a disk.
  • seals of the control chamber with respect to the high-pressure chamber which can be realized, for example, by the already mentioned disc, constitute an insufficient fluidic seal.
  • the existing in the high-pressure chamber exhaust gas, which is present at a pressure so can penetrate into the control room. This results in particular in that the blade pins are pressurized axially along the guide vane. As a result, the respective guide vanes are also pressed axially away from the vane bearing ring.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for a variable turbine engine geometry a charging device, in particular an exhaust gas turbocharger, an improved or at least alternative embodiment, which is characterized in particular by an improved reaction behavior and reduced wear.
  • the present invention is characterized in that an inner side of a blade pin and an outer side of an associated guide blade are fluidically connected to one another by means of a fluid connection extending along the guide blade and the blade pin, so that a pressure prevailing in a control chamber passes through the fluid present in the control chamber drives the fluid connection and thus the vane away from a cover plate.
  • the variable turbine-A / denêtrgeometrie in this case has a blade bearing ring on which a plurality of guide vanes are rotatably mounted respectively via associated blade pins. The respective blade pins are thus rotatably arranged in preferably circularly arranged on the blade bearing ring openings or bearings.
  • the respective vanes are facing away from the outer side of the cover disk on the side facing away from the vane bearing ring, the cover disk lying opposite the vane bearing ring.
  • the vanes are thus arranged between the blade bearing ring and the cover plate.
  • a rotation of the guide vanes for changing the rotational position of the guide vanes is usually carried out via a control device which can rotate the blade journals.
  • the guide vanes are thus suitably rotatably connected to the respective guide vane.
  • the guide vanes and the respective blade pins can be integrally formed.
  • the control device can be part of the variab len turbine-A / denêtrgeometrie but also be part of the charging device, for example.
  • the control device is arranged in the control chamber, wherein the control chamber is arranged on a side remote from the guide vanes side of the blade bearing ring. Inner sides of the blade pegs are now located in the control chamber, with the control device rotating the blade pegs on a portion remote from the associated vane.
  • the inside of the respective blade pin the side facing away from the associated vane side of the respective blade pin.
  • the outer sides of the guide vanes facing the cover plate, so the inner sides of the associated blade pins are arranged in the control chamber.
  • the control device thus rotates the blade pins in each case about an axis of rotation, whereby the associated guide vanes are respectively rotated about the same axis of rotation.
  • a defined by the vanes and flow-through cross-section is varied by the rotational position of the respective vanes.
  • At least one of the guide vanes and the associated blade pegs now has a channel, the channel extending from the inside of the associated blade peg to the outside of the respective guide vane.
  • the channel extends from the vane distal end of the associated vane pin to the blade end remote end of the respective vane.
  • the channel thus fluidly connects the outside of the vane with the inside of the associated vane pin and thus the control space with the outside of the vane.
  • a fluid present in the control chamber with a pressure, in particular an exhaust gas amount of an exhaust gas flows from the control chamber to the outside of the vane and causes a force acting from the cover plate in the direction of the vane force or axial force, which rubbing of the vanes, in particular the outside of the Guide vane, prevents or at least reduced against the cover disc.
  • This leads to a reaction behavior or a Hysteresis behavior of the vane is improved when changing the rotational position.
  • wear of the guide vane, in particular the outside of the vane is reduced.
  • inventive improvement in the reaction behavior of the guide vanes and the reduced wear does not necessarily require a flow of the fluid, in particular of the exhaust gas through the channel.
  • the outside of the vane penetrated by the channel has a recess or a recess.
  • the guide vane thus has on its outer side a recess into which the channel opens.
  • the recess serves in particular for the purpose of optimizing the effect of an axial force caused by the flow or by the backpressure of the exhaust gas from the control chamber to the outside and acting from the cover disk against the outside, which improves the reaction behavior and reduces wear.
  • the recess therefore increases, in particular, a surface of the outside which is relevant for the axial force and which effects an optimized reduction of the friction of the outside against the ceiling.
  • the outflow region is preferably designed aerodynamically such that the effect of the axial force is maximized or at least increased.
  • Such a configuration of the recess depends in particular on the geometric conditions of the cover plate or the guide vane.
  • An embodiment in which the recess has a peripheral edge is preferred.
  • the edge runs in particular within the outside.
  • the recess is therefore designed in particular as a cavity which serves the optimized or at least improved use of the axial force.
  • the recess of the guide vane has a form complementary to the guide vane.
  • the recess is therefore shaped in particular complementary to the outside of the guide vane. If the guide blade has, for example, a curved shape, then the recess has the same or a similar curvature.
  • the outside of the guide vanes into which the channel opens may also have a plurality of recesses.
  • the respective recesses may have the same shape or different shapes. Further, the respective recesses may be distributed arbitrarily on the outside. Embodiments are also conceivable in which two or more recesses of the outside are connected to one another.
  • the channel runs parallel to the blade journal.
  • the blade pin is preferably and suitably rotationally symmetrical.
  • Particularly preferred is therefore an embodiment in which the channel is coaxial with the blade journal.
  • the channel thus runs in particular in a straight line, with a longitudinal center axis of the channel corresponding to the axis of rotation of the blade journal or the guide blade.
  • variable turbine air compressor geometry wherein at least one of the vanes and associated blade pegs have such a channel
  • variable turbine air compressor geometry is also within the scope of this invention, such as a variable turbine air compressor geometry. in which several or all vanes and the associated blade pins have such a channel.
  • variable turbine air compressor geometries in which the blade peg and / or the associated vane have a plurality of such channels.
  • the channel extending from the outside of the vanes to the inside of the associated bucket may consist of several differently shaped sections without departing from the scope of this invention.
  • the channel can thus be partially or completely curved in particular.
  • a vane with a blade journal for a variable geometry turbocharger geometry with a channel penetrating the blade and vane from the inside to the outside as an important part of this invention, also belongs to the scope of the invention.
  • the channel is made through a bore. If the vane with the associated blade pin is formed integrally, the bore for the production of the channel is a particularly simple and economical realization of a vane according to the invention with the blade pin, in particular, if the channel is formed in a straight line.
  • Shovel and the channel is made by a casting process.
  • the vane with the blade pin and the channel is thus made in particular by a casting mold in which the channel is surrounded.
  • a charging device in particular an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, preferably of a motor vehicle, with such a variable turbine engine geometry or with at least one such vane and the associated blade journal and the channel thus also belongs to the scope of this invention.
  • 2 and 3 are each an isometric view of a vane with a
  • a charging device 1 comprises a turbine 2 and a compressor 3, the energy of the turbine 2, in particular a rotation of a turbine wheel x of the turbine 2, via a shaft 4 to the compressor 3, in particular to a compressor wheel y of the compressor 3, is transmitted. Furthermore, the charging device 1 comprises a variable turbine / compressor geometry 5, which is arranged on the turbine side and is therefore hereinafter referred to as variable turbine geometry 5. It is clear that a compressor-side arrangement as a variable compressor geometry 5 is possible.
  • the variable turbine geometry 5 comprises guide vanes 6 which are each rotatably arranged via a blade pin 7 to a blade bearing ring 8.
  • the guide vanes 6 and the associated blade pins 7 shown here are integrally formed.
  • the guide vanes 6 face the variable turbine geometry 5 on their outer side 9, facing away from the associated blade journal 7, from a shroud 10 of the shovel bearing ring 8.
  • the cover disk
  • the control device 13 thus rotates the respective blade shafts 7, which are connected non-rotatably to the associated guide blade 6, about an axis of rotation 14 of the blade shank 7 and thus about the axis of rotation 14 of the associated guide blade 6.
  • the control device 13 thus forms one through the guide vanes 6 for the turbine 2 driving fluid, in particular an exhaust gas, provided and flowed through a cross section.
  • the Respective blade pegs 7 are rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation 14.
  • a high pressure prevails in the fluid. Due to the high pressure of the fluid in the high-pressure region 15, the fluid can penetrate into the control chamber 12 despite a sealing disc 16, which is arranged on a side of the turbine 2 facing away from the high-pressure region 15 and on the blade bearing ring 8. The fluid can also reach the control chamber 12 via other paths (not shown here). Consequently, the fluid in the control chamber 12 has a high pressure.
  • At least one of the guide vanes 6 and the associated blade pin 7 now has a channel 17.
  • the channel 17 extends from the inner side 1 1 of the associated blade pin 7 to the outside 9 of the respective vane 6, wherein both shown in Fig. 1 vanes 6 and the associated blade pins 7 have such a channel 17.
  • Through the channel now takes place a pressure equalization between the control chamber 12 and the outside 9 of the respective vane 6, so that friction of the respective vane 6 and the associated outside 9 against the cover plate 10 is counteracted.
  • the fluid present in the control chamber 12 at high pressure can flow via the channel 17 from the inner side 11 of the blade pins 7 to the outer side 9 of the respectively associated stator blades 6.
  • Figures 2 and 3 show two different isometric views of such vanes 6 with such an associated blade pin 7.
  • the vane 6 and the associated blade 7 are integrally formed.
  • the blade pin 7 also has a respect to the axis of rotation 14 rotationally symmetrical shape.
  • the channel 17 extends from the inside of the blade pin 7, as shown in Fig. 2, straight to the outside 9 of the guide vane 6.
  • the channel 17 is also formed as a hollow cylinder and extends coaxially with the blade pin 7 and the axis of rotation 14.
  • a longitudinal central axis 19 of the channel 17 thus corresponds to the axis of rotation 14.
  • the channel 17 opens into a recess 20 which is arranged on the outside 9 of the guide blade 6.
  • the recess 20 in this case has a shape complementary to the curved shape of the guide blade 6.
  • the recess 20 has a closed and circumferential edge 21.
  • the recess 20 is therefore designed in particular as a cavity 22.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie (5) für eine Ladeeinrichtung (1), mit einem Schaufellagerring (8), an dem Leitschaufeln (6) jeweils über einen zugehörigen Schaufelzapfen (7) drehbar angeordnet sind. Ein verbessertes Reaktions- bzw. Hystereseverhalten sowie ein verringerter Verschleiss ergeben sich, wenn sich ein Kanal (17) durch den Schaufelzapfen (7) und die zugehörige Leitschaufel (7) hindurcherstreckt. Die Erfindung betrifft weiter eine Leitschaufel (6) mit einem zugehörigen Schaufelzapfen (7) sowie einen Kanal (17), der sich von der Innenseite (11) bis zur Außenseite (9) erstreckt. Zudem betrifft die Erfindung eine Ladeeinrichtung (1), insbesondere einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges, mit einer derartigen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie (5) bzw. mit einer derartigen Leitschaufel (6) und einem zugehörigen Schaufelzapfen (7), die von der Innenseite (11) bis zur Aussenseite (9) von einem Kanal (17) durchsetzt ist.

Description

Variable Turbinen-A/erdichtergeometrie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Turbine- und/oder Verdichtergeo- metrie für eine Ladeeinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft weiter eine Leitschaufel mit einem Schaufelzapfen für eine derartige variable Turbinen- A/erdichtergeometrie, sowie eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader, mit einer derartigen variablen Turbinen-A/erdichtergeometrie.
Eine variable Turbinen-A/erdichtergeometrie dient der Regelung einer Leistung einer Ladeeinrichtung für eine Kraftmaschine. Eine Turbine der Ladeeinrichtung wird dabei von einem von der Kraftmaschine produzierten Fluid angetrieben und überträgt die somit gewonnene Energie auf einen Verdichter der Kraftmaschine. Ist die Ladeeinrichtung als ein Abgasturbolader ausgebildet, so wird die Turbine von einem Abgas einer Brennkraftmaschine angetrieben und überträgt die somit gewonnene Energie über eine Welle auf den Verdichter, der die der Kraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet. Zur Regelung der Ladeeinrichtung dient dabei üblicherweise die variable Turbinen-A/erdichtergeometrie. Die variable Turbinen- A/erdichtergeometrie ist eine Einrichtung, mittels welcher ein dem die Turbine antreibenden Abgas zur Verfügung stehender Querschnitt variiert werden kann. Dies ist insbesondere im Fall von niedrigen Mengen des antreibenden Fluids bzw. Abgases sinnvoll, weil hier durch eine Reduzierung des Querschnitts die Leistung der Ladeeinrichtung und somit der Brennkraftmaschine erhöht werden kann. Zur Variation des Querschnitts weist die variable Turbinen- A/erdichtergeometrie einen Schaufellagerring auf, an dem Leitschaufeln jeweils über einen Schaufelzapfen drehbar angeordnet sind. Der Schaufelzapfen einer Leitschaufel durchsetzt also eine entsprechende Öffnung des Schaufellagerrings, wobei die Leitschaufeln üblicherweise kreisförmig am Schaufellagerring angeord- net sind. Die jeweiligen Leitschaufeln sind dabei auf ihrer vom Schaufellagerring bzw. vom zugehörigen Schaufelzapfen abgewandten Außenseite einer Deckscheibe zugewandt, die dem Schaufellagerring gegenüberliegt. Die Leitschaufeln sind also zwischen dem Schaufellagerring und der Deckscheibe angeordnet. Um die Drehlage der jeweiligen Leitschaufeln einzustellen, ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die jeweiligen Leitschaufeln über die zugehörigen Schaufelzapfen dreht. Die Steuereinrichtung ist dabei in einem Steuerraum angeordnet, der wich zweckmäßig auf der von den Leitschaufeln abgewandten Seite des Schaufellagerrings befindet. Innenseiten der jeweiligen Schaufelzapfen sind also im Steuerraum angeordnet, wobei die Innenseiten der Schaufelzapfen die von den zugehörigen Leitschaufeln abgewandten Seiten der Schaufelzapfen sind.
Die Anordnung einer derartigen variable Turbinengeometrie für eine Ladeeinrichtung ist bspw. aus der EP 1 925 784 A1 bekannt. Hierbei ist die variable Turbinengeometrie turbinenseitig angeordnet. Eine fluidische Trennung zwischen dem Steuerraum und einem der Turbine benachbarten Hochdruckraum ist dabei insbesondere durch eine Scheibe realisiert. Problematisch dabei ist, dass derartige Dichtungen des Steuerraums gegenüber dem Hochdruckraum, die bspw. durch die bereits erwähnte Scheibe realisiert sein können, eine unzureichende fluidische Dichtung darstellen. Das in dem Hochdruckraum vorhandene Abgas, das mit einem Druck vorliegt, kann also in den Steuerraum eindringen. Dies führt insbesondere dazu, dass die Schaufelzapfen axial entlang der Leitschaufel mit Druck beaufschlagt werden. Dadurch werden auch die jeweiligen Leitschaufeln axial weg von dem Schaufellagerring drückt. Dies führt insbesondere dazu, dass die Außenseiten der jeweiligen Leitschaufel gegen die Deckscheibe gedrückt werden. Damit ist bei der Änderung der Drehlage der jeweiligen Leitschaufel neben einem beschleunigten Verschleiß eine Reaktionseigenschaft bzw. ein Hystereseverhalten der Leitschaufeln negativ beeinträchtigt. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine variable Turbinen-A/erdichtergeometrie eine Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein verbessertes Reaktionsverhalten und einen verringerten Verschleiß auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Innenseite eines Schaufelzapfens und eine Außenseite einer zugehörigen Leitschaufel mittels einer sich entlang der Leitschaufel und dem Schaufelzapfen erstreckenden Fluid- verbindung fluidisch miteinander verbunden sind, sodass ein in einem Steuerraum herrschender Druck das im Steuerraum vorhandene Fluid durch die Fluid- verbindung und somit die Leitschaufel weg von einer Deckscheibe antreibt. Die variable Turbinen-A/erdichtergeometrie weist dabei einen Schaufellagerring auf, an dem mehrere Leitschaufeln jeweils über zugehörige Schaufelzapfen drehbar gelagert sind. Die jeweiligen Schaufelzapfen sind also drehbar in vorzugsweise kreisförmig am Schaufellagerring angeordnete Öffnungen oder Lagern angeordnet. Die jeweiligen Leitschaufeln sind dabei auf ihrer dem Schaufellagerring abgewandten Außenseite der Deckscheibe zugewandt, wobei die Deckscheibe dem Schaufellagerring gegenüberliegt. Die Leitschaufeln sind also zwischen dem Schaufellagerring und der Deckscheibe angeordnet. Eine Drehung der Leitschaufeln zur Änderung der Drehlage der Leitschaufeln erfolgt dabei üblicherweise über eine Steuereinrichtung, welche die Schaufelzapfen drehen kann. Die Leitschaufeln sind also zweckmäßig mit der jeweiligen Leitschaufel drehfest verbunden. Dabei können die Leitschaufeln und die jeweiligen Schaufelzapfen einstückig ausgebildet sein. Weiter kann die Steuereinrichtung Bestandteil der variab- len Turbinen-A/erdichtergeometrie aber beispielsweise auch Bestandteil der Ladeeinrichtung sein. Die Steuereinrichtung ist in dem Steuerraum angeordnet, wobei der Steuerraum auf einer von den Leitschaufeln abgewandten Seite des Schaufellagerrings angeordnet ist. Innenseiten der Schaufelzapfen sind nun in dem Steuerraum angeordnet, wobei die Steuereinrichtung die Schaufelzapfen an einem von der zugehörigen Leitschaufel entfernten Bereich dreht. Dabei ist die Innenseite des jeweiligen Schaufelzapfens, die von der zugehörigen Leitschaufel abgewandten Seite des jeweiligen Schaufelzapfens. Während die Außenseiten der Leitschaufeln der Deckscheibe zugewandt sind, sind also die Innenseiten der zugehörigen Schaufelzapfen im Steuerraum angeordnet. Die Steuereinrichtung dreht also die Schaufelzapfen jeweils um eine Drehachse, womit die zugehörigen Leitschaufeln jeweils um die selbe Drehachse gedreht werden. Somit wird ein von den Leitschaufeln definierter und durchströmbarer Querschnitt durch die Drehlage der jeweiligen Leitschaufeln variiert.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist nun zumindest einer der Leitschaufeln und der zugehörige Schaufelzapfen einen Kanal auf, wobei sich der Kanal von der Innenseite des zugehörigen Schaufelzapfens bis zur Außenseite der jeweiligen Leitschaufel erstreckt. Der Kanal verläuft also von den der Leitschaufel entfernten Ende des zugehörigen Schaufelzapfens bis zu dem dem Schaufelzapfen entfernten Ende der jeweiligen Leitschaufel. Der Kanal verbindet somit die Außenseite der Leitschaufel mit der Innenseite des zugehörigen Schaufelzapfens und somit den Steuerraum mit der Außenseite der Leitschaufel fluidisch. Folglich strömt ein im Steuerraum mit einem Druck vorhandenes Fluid, insbesondere eine Abgasmenge eines Abgases, vom Steuerraum bis zur Außenseite der Leitschaufel und bewirkt eine von der Deckscheibe in Richtung der Leitschaufel wirkende Kraft bzw. Axialkraft, welche ein Reiben der Leitschaufeln, insbesondere der Außenseite der Leitschaufel, gegen die Deckscheibe verhindert oder zumindest reduziert. Dies führt dazu, dass ein Reaktionsverhalten bzw. ein Hystereseverhalten der Leitschaufel bei der Änderung der Drehlage verbessert ist. Zudem ist ein Verschleiß der Leitschaufel, insbesondere der Außenseite der Leitschaufel, reduziert.
Es sei vermerkt, dass die erfindungsgemäße Verbesserung des Reaktionsverhaltens der Leitschaufeln und der verringerte Verschleiß nicht zwangsweise eine Strömung des Fluids, insbesondere des Abgases, durch den Kanal bedürfen. Diese Vorteile werden bereits durch die fluidische Verbindung der Innenseite bzw. des Steuerraums mit der Außenseite erreicht, wodurch ein Druckausgleich zwischen dem Steuerraum und der Außenseite realisiert ist, der dem jeweiligen mit Druck beaufschlagten Schaufelzapfen bzw. der zugehörigen Leitschaufeln entgegenwirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die von dem Kanal durchsetzte Außenseite der Leitschaufel eine Aussparung oder eine Vertiefung auf. Die Leitschaufel weist also auf ihrer Außenseite eine Aussparung auf, in die der Kanal mündet. Die Aussparung dient dabei insbesondere dem Zweck, die Wirkung einer durch die Strömung bzw. durch den Gegendruck des Abgases vom Steuerraum zur Außenseite verursachte und von der Deckscheibe entgegen der Außenseite wirkenden Axialkraft, welche das Reaktionsverhalten verbessert und den Verschleiß verringert, zu optimieren. Die Aussparung vergrößert also insbesondere eine für die Axialkraft relevante Fläche der Außenseite, die eine optimierte Reduzierung der Reibung der Außenseite gegen die Decke bewirkt. Dabei ist der Ausströmungsbereich vorzugsweise aerodynamisch derart ausgebildet, dass die Wirkung der Axialkraft maximiert oder zumindest erhöht ist. Eine derartige Ausbildung der Aussparung hängt dabei insbesondere von den geometrischen Gegebenheiten der Deckscheibe bzw. der Leitschaufel ab. Bevorzugt wird dabei eine Ausführungsform, bei der die Aussparung einen umlaufenden Rand aufweist. Der Rand verläuft dabei insbesondere innerhalb der Außenseite. Die Aussparung ist also insbesondere als eine Kavität ausgebildet, die der optimierten oder zumindest verbesserten Nutzung der Axialkraft dient.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Aussparung der Leitschaufel eine zur Leitschaufel komplementäre Form auf. Die Aussparung ist also insbesondere komplementär zur Außenseite der Leitschaufel geformt. Weist die Leitschaufel bspw. eine gekrümmte Form auf, so weist die Aussparung die gleiche oder eine ähnliche Krümmung auf.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Außenseite der Leitschaufeln, in die der Kanal mündet, auch mehrere Aussparungen aufweisen kann. Die jeweiligen Aussparungen können dabei die gleiche Form oder unterschiedliche Formen aufweisen. Weiter können die jeweiligen Aussparungen beliebig auf der Außenseite verteilt sein. Auch sind Ausführungsformen vorstellbar, bei denen zwei oder mehrere Aussparungen der Außenseite miteinander verbunden sind.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft der Kanal parallel zum Schaufelzapfen. Der Schaufelzapfen ist dabei vorzugsweise und zweckmäßig rotationssymmetrisch ausgebildet. Besonders bevorzugt wird also eine Ausführungsform, bei der der Kanal koaxial zum Schaufelzapfen verläuft. Der Kanal verläuft also insbesondere geradlinig, wobei eine Längsmittelachse des Kanals der Drehachse des Schaufelzapfens bzw. der Leitschaufel entspricht.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine derartige variable Turbinen- A/erdichtergeometrie, bei der zumindest eine der Leitschaufeln und der zugehörige Schaufelzapfen einen derartigen Kanal aufweisen, ebenso zum Umfang dieser Erfindung gehört, wie eine derartige variable Turbinen-A/erdichtergeometrie, bei der mehrere oder alle Leitschaufeln und die zugehörigen Schaufelzapfen einen derartigen Kanal aufweisen. Ebenfalls gehören variable Turbinen- A/erdichtergeometrien zum Umfang dieser Erfindung, bei denen der Schaufelzapfen und/oder die zugehörige Leitschaufel mehrere derartige Kanäle aufweisen.
Es sei ferner vermerkt, dass der von der Außenseite der Leitschaufeln bis zur Innenseite des zugehörigen Schaufelzapfens verlaufende Kanal aus mehreren unterschiedlich geformten Abschnitten bestehen kann, ohne den Umfang dieser Erfindung zu verlassen. Der Kanal kann also insbesondere teilweise oder gänzlich gekrümmt sein.
Es versteht sich, dass eine Leitschaufel mit einem Schaufelzapfen für eine variable Turbinen-A/erdichtergeometrie, mit einem den Schaufelzapfen und die Leitschaufel von der Innenseite zur Außenseite durchsetzenden Kanal als wichtiger Bestandteil dieser Erfindung, auch als Solche zum Umfang der Erfindung gehören.
Dabei ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Kanal durch eine Bohrung hergestellt ist. Ist die Leitschaufel mit dem zugehörigen Schaufelzapfen einstückig ausgebildet, so ist die Bohrung zur Herstellung des Kanals eine besonders einfache und wirtschaftliche Realisierung einer erfindungsgemäßen Leitschaufel mit dem Schaufelzapfen, insbesondere, wenn der Kanal geradlinig ausgebildet ist.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Leitschaufel mit dem
Schaufelzapfen und dem Kanal durch ein Gussverfahren hergestellt ist. Die Leitschaufel mit dem Schaufelzapfen und der Kanal ist also insbesondere durch eine Gussform hergestellt, in der der Kanal umgössen wird. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine derartige variable Turbinen- A/erdichtergeometrie Bestandteil einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers. Eine Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges, mit einer solchen variable Turbinen-A/erdichtergeometrie bzw. mit zumindest einer solchen Leitschaufel und dem zugehörigen Schaufelzapfen und dem Kanal gehört also ebenfalls zum Umfang dieser Erfindung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ladeeinrichtung,
Fig. 2 und 3 jeweils eine isometrische Ansicht einer Leitschaufel mit einem
Schaufelzapfen, Wie in der Fig. 1 gezeigt, umfasst eine Ladeeinrichtung 1 eine Turbine 2 und einen Verdichter 3, wobei die Energie der Turbine 2, insbesondere eine Rotation eines Turbinenrads x der Turbine 2, über eine Welle 4 auf den Verdichter 3, insbesondere auf ein Verdichterrad y des Verdichters 3, übertragen wird. Weiter umfasst die Ladeeinrichtung 1 eine variable Turbinen-A/erdichtergeometrie 5, die turbinenseitig angeordnet ist und im Folgenden daher als variable Turbinengeometrie 5 bezeichnet wird. Es ist klar, dass auch eine verdichterseitige Anordnung als variable Verdichtergeometrie 5 möglich ist.
Die variable Turbinengeometrie 5 umfasst Leitschaufeln 6, die jeweils über einen Schaufelzapfen 7 an einen Schaufellagerring 8 drehbar angeordnet sind. Die hier gezeigten Leitschaufeln 6 und die zugehörigen Schaufelzapfen 7 sind dabei einstückig ausgebildet. Die Leitschaufeln 6 sind auf ihrer vom Schaufellagerring 8 bzw. vom dem zugehörigen Schaufelzapfen 7 abgewandten Außenseite 9 einer Deckscheibe 10 der variable Turbinengeometrie 5 zugewandt. Die Deckscheibe
10 ist dabei dem Schaufellagerring 8 gegenüberliegend angeordnet, womit die Leitschaufeln 6 zwischen dem Schaufellagerring 8 und der Deckscheibe 10 gelagert sind. Zudem sind der zugehörigen Leitschaufeln 6 abgewandte Innenseiten
1 1 der Schaufelzapfen 7 in einem Steuerraum 12 angeordnet. Der Steuerraum
12 ist also auf der von den Leitschaufeln 6 abgewandten Seite des Schaufellagerrings 8 angeordnet. Eine Stelleinrichtung 13 zum Einstellen einer Drehlage der drehbar gelagerten Leitschaufeln 6 bzw. der zugehörigen Schaufelzapfen 7 ist im Steuerraum 12 angeordnet. Die Steuereinrichtung 13 dreht also die jeweils drehfest mit der zugehörigen Leitschaufel 6 verbundenen Schaufelzapfen 7 um eine Drehachse 14 des Schaufelzapfens 7 und somit um die Drehachse 14 der zugehörigen Leitschaufel 6. Somit stellt die Steuereinrichtung 13 also einen durch die Leitschaufeln 6 für ein die Turbine 2 antreibendes Fluid, insbesondere eines Abgases, zur Verfügung gestellten und durchströmbaren Querschnitt ein. Die jeweiligen Schaufelzapfen 7 sind dabei bzgl. der Rotationsachse 14 rotations- symmetrisch ausgebildet.
In einem Hochdruckbereich 15 am Einlass zum Turbinenrad x herscht ein hoher Druck im Fluid. Aufgrund des hohen Drucks des Fluids im Hochdruckbereich 15 kann das Fluid trotz einer abdichtenden Scheibe 16, die auf einer vom Hochdruckbereich 15 abgewandten Seite der Turbine 2 und am Schaufellagerring 8 angeordnet ist, in den Steuerraum 12 eindringen. Das Fluid kann dabei auch über andere, hier nicht aufgezeigte Pfade, in den Steuerraum 12 gelangen. Folglich weist das Fluid im Steuerraum 12 einen hohen Druck auf.
Erfindungsgemäß weist nun zumindest eine der Leitschaufeln 6 und der zugehörige Schaufelzapfen 7 einen Kanal 17 auf. Der Kanal 17 erstreckt sich dabei von der Innenseite 1 1 des zugehörigen Schaufelzapfens 7 bis zur Außenseite 9 der jeweiligen Leitschaufel 6, wobei beide in Fig. 1 gezeigte Leitschaufeln 6 sowie die zugehörigen Schaufelzapfen 7 einen derartigen Kanal 17 aufweisen. Durch den Kanal findet nun ein Druckausgleich zwischen dem Steuerraum 12 und der Außenseite 9 der jeweiligen Leitschaufel 6 statt, sodass einer Reibung der jeweiligen Leitschaufel 6 bzw. der zugehörigen Außenseite 9 gegen die Deckscheibe 10 entgegengewirkt wird. Zudem kann das im Steuerraum 12 mit hohem Druck vorhandene Fluid über den Kanal 17 von der Innenseite 1 1 der Schaufelzapfen 7 bis zur Außenseite 9 der jeweils zugehörigen Leitschaufeln 6 strömen. Dadurch entsteht zwischen der Deckscheibe 10 und der Außenseite 9 der Leitschaufeln 6 eine Axialkraft 18, die von der Deckscheibe 10 entgegen der Außenseite 9 der Leitschaufeln 6 wirkt. Der Druck des im Steuerraum 12 vorhandenen Fluids, der eine Bewegung des Schaufelzapfens 6 und somit der zugehörigen Leitschaufel 6 in Richtung der Deckscheibe 8 bewirkt, wird also zur Erzeugung der Axialkraft 18 genutzt, um die Reibung der Leitschaufeln 6 bzw. der Außenseite 9 der Leitschaufeln 6 gegen die Deckscheibe 10 zu verhindern oder zumindest zu reduzie- ren. Diese Reibung hat insbesondere nachteilige Auswirkungen auf ein Reaktionsverhalten der Leitschaufeln 6 bei einer Änderung der Drehlage sowie auf den Verschleiß der Leitschaufeln 6.
Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche isometrische Ansichten derartiger Leitschaufeln 6 mit einem solchen zugehörigen Schaufelzapfen 7. Die Leitschaufel 6 und der zugehörige Schaufelzapfen 7 sind dabei einstückig ausgebildet. Der Schaufelzapfen 7 weist zudem eine bzgl. der Drehachse 14 rotationssymmetrische Form auf. Der Kanal 17 verläuft von der Innenseite des Schaufelzapfens 7, wie in Fig. 2 gezeigt, geradlinig bis zur Außenseite 9 der Leitschaufel 6. Der Kanal 17 ist zudem als ein Hohlzylinder ausgebildet und verläuft koaxial zum Schaufelzapfen 7 bzw. zur Drehachse 14. Eine Längsmittelachse 19 des Kanals 17 entspricht also der Drehachse 14. Wie in der Fig. 3 zu sehen, mündet der Kanal 17 dabei in einer Aussparung 20, die auf der Außenseite 9 der Leitschaufel 6 angeordnet ist. Die Aussparung 20 weist dabei eine zur gekrümmten Form der Leitschaufel 6 komplementäre Form auf. Zudem weist die Aussparung 20 einen geschlossenen und umlaufenden Rand 21 auf. Die Aussparung 20 ist also insbesondere als eine Kavität 22 ausgebildet.
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Claims

Ansprüche
1 . Variable Turbinen- und/oder Verdichtergeomethe (5) für eine Ladeeinrichtung (1 ), insbesondere für einen Abgasturbolader, mit einem Schaufellagerring (8) und Leitschaufeln (6), wobei
- die Leitschaufeln (6) jeweils über einen Schaufelzapfen (7) drehbar am Schaufellagerring (8) angeordnet sind,
- ein Steuerraum (12) für eine Steuereinrichtung (13) zum Einstellen der Drehlage der Leitschaufeln (6) auf der den Leitschaufeln (6) abgewandten Seite des Schaufellagerrings (8) angeordnet ist,
- die jeweiligen Leitschaufeln (6) auf ihrer dem zugehörigen Schaufelzapfen (7) abgewandten Außenseite (9) einer dem Schaufellagerring (8) gegenüberliegenden Deckscheibe (10) zugewandt sind,
- von den Leitschaufeln (6) abgewandte Innenseiten (1 1 ) der jeweiligen Schaufelzapfen (7) im Steuerraum (12) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
- dass sich zumindest bei einer der Leitschaufeln (6) ein Kanal (17) von der Innenseite (1 1 ) des zugehörigen Schaufelzapfens (7) bis zur Außenseite (9) der jeweiligen Leitschaufel (6) erstreckt.
2. Variable Turbinen-A/erdichtergeometrie nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitschaufel (6) auf ihrer Außenseite (1 1 ) eine Aussparung (20) aufweist, in die der Kanal (17) mündet.
3. Variable Turbinen-A/erdichtergeometrie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Aussparung (20) einen umlaufenden Rand (21 ) aufweist.
4. Variable Turbinen-A/erdichtergeometrie nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aussparung (20) eine zur Leitschaufel (6), insbesondere der Außenseite (9) der Leitschaufel (6), komplementäre Form aufweist.
5. Variable Turbinen-A/erdichtergeometrie nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kanal (17) parallel, insbesondere koaxial, zum Schaufelzapfen (7) verläuft.
6. Leitschaufel (6) mit Schaufelzapfen (7) für eine variable Turbinen- A/erdichtergeometrie (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem den Schaufelzapfen (7) und die Leitschaufel (6) von der Innenseite (1 1 ) zur Außenseite (9) durchsetzenden Kanal (17).
7. Leitschaufel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kanal (17) durch eine Bohrung hergestellt ist.
8. Leitschaufel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitschaufel (6) mit dem Schaufelzapfen (7) und dem Kanal (17) durch ein Gussverfahren hergestellt ist.
9. Ladeeinrichtung (1 ), insbesondere Abgasturbolader einer Brenn kraftma- schine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, mit einer variablen Turbinen- A/erdichtergeometrie (5) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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