WO2013079137A1 - Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen abgasturbolader, mit schräg angeordnetem, drehbarem leitelement - Google Patents

Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen abgasturbolader, mit schräg angeordnetem, drehbarem leitelement Download PDF

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WO2013079137A1
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guide element
fluid energy
energy machine
rotation
axis
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PCT/EP2012/004237
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Tino STRAUSS
Jan Ehrhard
Original Assignee
Ihi Charging Systems International Gmbh
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/10—Final actuators
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    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
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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
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/51—Inlet

Definitions

  • FLUIDENERGIEMASCHINE ESPECIALLY FOR A ABGASTURBOLADER, WITH BEHAVIOR
  • the invention relates to a fluid energy machine, in particular for a
  • EP 1 394 359 A1 discloses a turbine for an exhaust-gas turbocharger, the turbine being designed as a so-called mixed-flow turbine, also called a mixed-flow turbine.
  • the turbine includes a turbine housing having a receiving space in which a turbine wheel and a rotation axis is rotatably received relative to the turbine housing. Furthermore, the turbine housing has at least one flood, which can be flowed through by exhaust gas. The exhaust gas can be conducted from the flood via a supply channel fluidically connected to the flow to the turbine wheel in the receiving space.
  • the turbine is therefore referred to as a mixed-flow turbine, since the exhaust gas led from the flood via the feed channel into the receiving space or into the turbine wheel has a flow direction which runs obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction of the turbine. This means that the exhaust gas flows against the turbine wheel in this flow direction.
  • a guide element is arranged, by means of which the exhaust gas is derivable.
  • the guide element is relative to the
  • Turbine housing firmly.
  • variable turbine geometries for radial turbines for the exhaust gas turbochargers.
  • the guide element arranged in the feed channel can be rotated relative to the turbine housing about an axis of rotation extending at least substantially in the axial direction. It has been found that such a variable turbine geometry can not be easily transferred to a mixed flow turbine, as it is a
  • Jamming of the guide can come.
  • the presentation of particularly large gaps to avoid such a jamming would lead to only a little efficient operation of the turbine, since the exhaust gas would flow past the guide element and thus non-directionally to the turbine wheel in the receiving space.
  • Such a fluid energy machine in particular for an exhaust gas turbocharger of a motor vehicle and in particular of a passenger car, comprises a housing which has a receiving space.
  • the receiving space serves to receive an impeller of the fluid energy machine, which in the axial direction of the
  • Fluid energy machine extending first axis of rotation is rotatable relative to the housing.
  • the housing further has at least one flood, which is traversed by gas. From the flood, the gas via a fluidically connected to the flow supply channel in a direction obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction flow direction to the receiving space can be conducted.
  • the gas may be conductible from the receiving space to the tide via the feed channel fluidically connected to the tide in a further flow direction extending at an angle to the axial direction and obliquely to the radial direction.
  • the gas may either flow from the flood to the receiving space in the flow direction or from the receiving space to the flood in the other
  • the fluid energy machine comprises at least one guide element, in particular a guide blade, which is arranged at least partially in the feed channel.
  • the guide element By means of the guide element, the gas flowing through the feed channel can be derived.
  • the guide element is rotatable about a second axis of rotation relative to the housing. The second The axis of rotation of the guide element extends obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction and thus obliquely to the first axis of rotation.
  • the fluid energy machine By this arrangement or alignment of the second axis of rotation, it is possible to provide the fluid energy machine with a variable flow geometry represented by the at least one guide element and thus to adapt to different operating points with different mass or volume flows of the gas.
  • the fluid energy machine according to the invention can thus be operated particularly efficiently.
  • the fluid energy machine also has a particularly high
  • Flow cross-section of the feed channel and thus the fluid energy machine are adjusted and adapted to different mass or volume flows of the gas, so that thereby the impeller can be efficiently and effectively driven by the gas and / or flowed through by the gas.
  • Another advantage of the fluid energy machine according to the invention is a simple adaptation of the guide elements to an impeller.
  • the second axis of rotation is inclined with respect to the first axis of rotation. In other words, an intersection is formed between the first rotation axis and the second rotation axis.
  • an angle formed between the first axis of rotation and the second axis of rotation which largely corresponds to a slope of an entry or exit edge of the impeller, can be varied in size.
  • the guide vanes can be varied in size.
  • the fluid energy machine according to the invention can be designed, for example, as a mixed flow turbine for the exhaust gas turbocharger.
  • the mixed flow turbine exhaust gas as the gas flows from the flood to the receiving space via the supply passage, and drives the impeller disposed in the receiving space and formed as a turbine wheel at.
  • the exhaust gas is deflected by the guide element, so that it flows streamlined to the turbine wheel and thereby can drive efficiently.
  • the exhaust gas flows the turbine wheel in the flow direction obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction and thus not only exclusively axially or exclusively radially.
  • Such a mixed flow of the turbine wheel is
  • Mischströmungs- turbine has a particularly advantageous and steady state behavior and thus allows a very good driving performance of an associated internal combustion engine.
  • the fluid energy machine according to the invention can also be designed as a mixed flow compressor.
  • air flows from the receiving space via the feed channel to the tide.
  • the air is discharged from the receiving space via the feed channel and the tide and fed, for example, to an intake tract of the motor vehicle.
  • Flow direction at least substantially obliquely to the axial direction and at least substantially obliquely to the radial direction and is by means of
  • the compressor wheel serves to compress the air and thus supply the internal combustion engine with compressed air.
  • second wall region of the fluid energy machine as well as a first guide element region arranged opposite the first wall region and a second guide element region of the guide element arranged opposite the second wall region relative to an intersection of the first rotation axis with the second rotation axis at least essentially spherical segment-shaped.
  • Guide element regions has the advantage that the guide element can be moved without jamming and thus functionally reliable even at high temperatures around the second rotation axis while simultaneously realizing only very small gap dimensions, in particular between the guide element and the wall regions of the feed channel.
  • the fluid energy machine according to the invention has a particularly high Functional satisfaction and at the same time is efficient at different
  • the supply channel is at least partially by means of a separately formed from the housing and in the housing
  • the fluid energy machine in particular its housing, time and cost, for example by means of a
  • Insert element of at least one of the supply channel limiting
  • Wall areas is formed.
  • the guide element is rotatably mounted on the insert element about the second axis of rotation, so that a substantially improved function of the guide element can be brought about.
  • the guide element can only be rotatably mounted on one side about the second axis of rotation.
  • the guide element on a first Leitelementseite and on one of the first
  • Guide element side facing away Leitelementseite is rotatably mounted about the second axis of rotation.
  • the guide element is thus mounted on both sides and thus particularly defined, so that the risk of malfunction is low. This comes the
  • the invention also includes an exhaust gas turbocharger, in particular for a
  • the fluid energy machine may be a turbine of the exhaust gas turbocharger, which can be driven by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • Energy fluid engine is a compressor of the exhaust gas turbocharger, by means of which the internal combustion engine to be supplied air can be supplied.
  • the turbocharger is thereby operating particularly efficiently, which leads to a fuel-efficient operation of the internal combustion engine with only low C0 2 emissions.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a variable turbine geometry for a mixed flow turbine of an exhaust gas turbocharger
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of the variable turbine geometry according to FIG. 1.
  • Figures 1 and 2 show a generally designated 10 variable
  • Turbine geometry for a turbine of an exhaust gas turbocharger shown in detail in Figures 1 and 2.
  • the design of the variable turbine geometry can readily be applied to an otherwise fluid energy machine such as
  • variable turbine geometry 10 comprises a plurality of guide vanes 12, of which only one is shown by way of example in FIG. 2.
  • the guide vanes 12 are arranged in a feed channel 14 of the turbine, wherein the feed channel 14 is also referred to as a nozzle.
  • the turbine comprises a turbine housing, not shown in FIGS. 1 and 2, with at least one tide.
  • the tide is associated with exhaust gas from one of the turbine
  • the feed channel 14 is on the one hand fluidly connected to the flood.
  • the feed channel opens into a receiving space 16 of the turbine.
  • a schematically illustrated turbine wheel 18 In the receiving space 16 is a schematically illustrated turbine wheel 18 about an axis of rotation 20 relative to
  • Turbine housing rotatably received.
  • the turbine wheel 18 is driven by the exhaust gas flowing from the flood via the supply passage 14 into the receiving space 16, so that it rotates about the rotation axis 20.
  • the exhaust gas by means of
  • Impeller blades of the turbine 18 can flow streamlined. As a result, an inlet swirl can be generated by means of the guide vanes 12, by means of which the turbine wheel 18 can be driven efficiently.
  • the feed channel 14 is delimited on the one hand by means of a first insert element 22 of the turbine and on the other hand by means of a second insert element 24 of the turbine.
  • the insert elements 22, 24 are received at least partially in the turbine housing.
  • a first wall region 26 is formed, which delimits the feed channel 14 on a first side 28.
  • a second wall region 30 is formed, which delimits the feed channel 14 on a second side 32 opposite the first side 28.
  • the guide vanes 14 each have a first vane area 34, which is arranged opposite the first wall area 26. Furthermore, the first vane area 34 is arranged opposite the first wall area 26. Furthermore, the first vane area 34 is arranged opposite the first wall area 26. Furthermore, the first vane area 34 is arranged opposite the first wall area 26. Furthermore, the first vane area 34 is arranged opposite the first wall area 26. Furthermore, the first vane area 34 is arranged opposite the first wall area 26. Furthermore, the
  • Guide vanes 12 each have a second vane region 36, which is arranged opposite the second wall region 30.
  • the guide vanes 12 are rotatable about a respective second axis of rotation 38 relative to the turbine housing and relative to the insert elements 22, 24
  • Insert elements 22, 24 stored.
  • an effective flow cross-section of the feed channel 14 can be set variably, that is to say increased fluidically or, in contrast, narrowed in a fluidic manner.
  • the turbine wheel 8 can be driven efficiently depending on the present mass flow of the exhaust gas.
  • the effective flow cross-section of the feed channel 14 is adapted to the corresponding operation.
  • the length of the vanes 12 may be a greater coverage of adjacent guide vanes 12, in particular in one
  • closed state of the vanes 12 can be achieved or the number of vanes 12 can be reduced. That is, also by changing the length or height of the vanes 12, throughput can be adjusted to a desired operation.
  • the guide vanes 12 are mounted on both sides of the first insert element 22 as well as on the side of the second insert element 24 and thus on both sides. In an embodiment not shown in detail, the guide vanes 12 are mounted on one side in the first insert element 22.
  • Insert element 24 is quasi one piece with the not shown
  • Turbine housing formed.
  • the second insert element 24 is formed by means of the turbine housing.
  • the guide vanes 12 are mounted on one side in the second insert element 24.
  • the first insert element 22 is formed quasi in one piece with the turbine housing, not shown. In other words, that's the first one
  • Insert element 22 formed by means of the turbine housing.
  • the second axes of rotation 38 extend obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction of the turbine and intersect the at least substantially extending in the axial direction of the first axis of rotation 20 in an intersection 40.
  • the intersection 40 is the Center of a dashed line
  • the pitch circles 42, 44 are arranged concentrically with respect to their centers.
  • the wall regions 26, 30 and the vane regions 34, 36 are now formed with respect to the intersection 40 at least substantially spherical segment-shaped.
  • the wall regions 26, 30 as well as the vane regions 34, 36 are arranged or designed spherically with respect to the point of intersection 40 and thus onto the centers of the partial circles 42, 44.
  • Respective radii of the spherical segments, that is, the wall regions 26, 30 and the vane regions 34, 36 are predetermined by the geometry of the turbine wheel 18.
  • An actuating device for rotating the guide vanes 12 about the second axis of rotation 38 may be arranged on the turbine side or on the compressor side.
  • the first insert element 22 is connected in a non-illustrated embodiment by means of spacer elements with the second insert element 24.
  • This has the advantage that the variable turbine geometry 10, comprising the plurality of guide vanes 12, can be inserted into the turbine housing in the form of a preassembled component group.
  • the spacer elements themselves serve a secured distance between the first insert element 22 and the second insert element 24, so that the plurality of guide vanes 12 are rotatable in each operating state.
  • an over an entire circumference of the variable turbine geometry 10 but at least in the region between the first vane region 34 and the second
  • first insert element 22 could also be floatingly mounted in the turbine housing. This means that the first insert element 22 is movable in the
  • Turbine housing is added.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse, welches einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines um eine in axialer Richtung verlaufende erste Drehachse (20) relativ zum Gehäuse drehbaren Laufrads (18) und wenigstens eine von einem Gas durchströmbare Flut aufweist, von der das Gas über einen mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden Strömungsrichtung zu dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist oder zu der das Gas über den mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden weiteren Strömungsrichtung von dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist, und mit wenigstens einem zumindest teilweise in dem Zuführkanal (14) angeordneten Leitelement (12), mittels welchem das den Zuführkanal (14) durchströmende Gas ableitbar ist, wobei das Leitelement (12) um eine schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende zweite Drehachse (38) relativ zum Gehäuse drehbar ist.

Description

FLUIDENERGIEMASCHINE, INSBESONDERE FÜR EINEN ABGASTURBOLADER, MIT SCHRÄG
ANGEORDNETEM, DREHBAREM LEITELEMENT
Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen
Abgasturbolader, gemäß Patentanspruch 1.
Die EP 1 394 359 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader, wobei die Turbine als sogenannte Mischströmung-Turbine, auch Mixed-Flow-Turbine genannt, ausgebildet ist. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum ausweist, in welchem ein Turbinenrad und eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Ferner weist das Turbinengehäuse wenigstens eine Flut auf, welche von Abgas durchströmbar ist. Das Abgas ist von der Flut über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal zu dem Turbinenrad in dem Aufnahmeraum leitbar.
Die Turbine wird daher als Mischströmungs-Turbine bezeichnet, da das von der Flut über den Zuführkanal in den Aufnahmeraum beziehungsweise in das Turbinenrad geleitete Abgas eine Strömungsrichtung aufweist, welche schräg zur axialen Richtung sowie schräg zur radialen Richtung der Turbine verläuft. Dies bedeutet, dass das Abgas das Turbinenrad in dieser Strömungsrichtung anströmt.
In dem Zuführkanal stromauf des Turbinenrads ist ein Leitelement angeordnet, mittels welchem das Abgas ableitbar ist. Das Leitelement ist dabei relativ zu dem
Turbinengehäuse fest.
Ferner ist es aus dem Serienbau von Abgasturboladern bekannt, bei Radialturbinen für die Abgasturbolader variable Turbinengeometrien einzusetzen. Dabei kann das im Zuführkanal angeordnete Leitelement um eine zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Drehachse relativ zum Turbinengehäuse gedreht werden. Es hat sich gezeigt, dass sich eine solche variable Turbinengeometrie nicht ohne Weiteres auf eine Mischströmungs-Turbine übertragen lässt, da es zu einem
Verklemmen des Leitelements kommen kann. Die Darstellung besonders großer Spaltmaße, um ein solches Klemmen zu vermeiden, würde zu einem nur wenig effizienten Betrieb der Turbine führen, da das Abgas an dem Leitelement vorbei und somit ungerichtet zu dem Turbinenrad in den Aufnahmeraum strömen würde.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidenergiemaschine
bereitzustellen, welche besonders effizient und funktionssicher betreibbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens, umfasst ein Gehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. Der Aufnahmeraum dient zur Aufnahme eines Laufrads der Fluidenergiemaschine, welches um eine in axialer Richtung der
Fluidenergiemaschine verlaufende erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar ist.
Das Gehäuse weist ferner wenigstens eine Flut auf, welche von Gas durchströmbar ist. Von der Flut ist das Gas über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden Strömungsrichtung zu dem Aufnahmeraum leitbar.
Alternativ ist es möglich, dass das Gas über den mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden weiteren Strömungsrichtung von dem Aufnahmeraum zu der Flut leitbar ist. Mit anderen Worten kann das Gas entweder von der Flut zu dem Aufnahmeraum in der Strömungsrichtung oder von dem Aufnahmeraum zu der Flut in der weiteren
Strömungsrichtung über den Zuführkanal strömen.
Die Fluidenergiemaschine umfasst wenigstens ein Leitelement, insbesondere eine Leitschaufel, welche zumindest teilweise in dem Zuführkanal angeordnet ist. Mittels des Leitelements ist das den Zuführkanal durchströmende Gas ableitbar. Dabei ist das Leitelement um eine zweite Drehachse relativ zum Gehäuse drehbar. Die zweite Drehachse des Leitelements verläuft dabei schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung und somit schräg zur ersten Drehachse.
Durch diese Anordnung bzw. Ausrichtung der zweiten Drehachse ist es möglich, die Fluidenergiemaschine mit einer durch das wenigstens eine Leitelement dargestellten variablen Strömungsgeometrie zu versehen und so an unterschiedliche Betriebspunkte mit unterschiedlichen Massen- bzw. Volumenströmen des Gases anzupassen. Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine kann somit besonders effizient betrieben werden. Die Fluidenergiemaschine weist auch eine besonders hohe
Funktionserfüllungssicherheit auf, da eine Fehlfunktion beispielsweise in Form eines Verklemmens des Leitelements vermieden werden kann oder die Gefahr einer solchen Fehlfunktion besonders gering ist.
Durch Drehen des Leitelements um die zweite Drehachse kann ein effektiver
Strömungsquerschnitt des Zuführkanals und damit der Fluidenergiemaschine eingestellt und so an unterschiedliche Massen- bzw. Volumenströme des Gases angepasst werden, sodass dadurch das Laufrad effizient und effektiv von dem Gas angetrieben und/oder von dem Gas angeströmt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine ist eine einfache Anpassung der Leitelemente an ein Laufrad. Die zweite Drehachse ist geneigt gegenüber der ersten Drehachse ausgestaltet. Mit anderen Worten ist ein Schnittpunkt zwischen der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse ausgebildet. Durch eine Verschiebung dieses Schnittpunktes auf der ersten Drehachse kann auf einfache Weise ein zwischen der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse ausgebildeter Winkel, welcher weitestgehend einer Neigung eine Ein- oder Austrittskante des Laufrades entspricht, in seiner Größe variiert werden. Weist z.B. ein Turbinenrad als Laufrad eine Austrittskante auf, welche zu Drehachse des Turbinenrades, welche der ersten Drehachse entspricht, in einem entsprechenden Winkel ausgebildet ist, so können die Leitschaufeln durch
Verschiebung des Schnittpunktes auf der ersten Drehachse den Anforderungen die Fluidenergiemaschine entsprechend angepasst werden. Es sind somit keine weiteren aufwendigen Gestaltungsmaßnahmen notwendig.
Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine kann beispielsweise als Mischströmungs- Turbine für den Abgasturbolader ausgebildet sein. Bei der Mischströmungs-Turbine strömt Abgas als das Gas von der Flut über den Zuführkanal zu dem Aufnahmeraum und treibt das in dem Aufnahmeraum angeordnete und als Turbinenrad ausgebildete Laufrad an. Dabei wird das Abgas von dem Leitelement abgelenkt, sodass es das Turbinenrad strömungsgünstig anströmt und dadurch effizient antreiben kann.
Das Abgas strömt das Turbinenrad dabei in der Strömungsrichtung schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung und somit nicht nur ausschließlich axial oder ausschließlich radial an. Eine solche Mischanströmung des Turbinenrads ist
insbesondere bei Personenkraftwagenanwendungen von Vorteil, da die Mischströmungs- Turbine ein besonders vorteilhaftes und stationäres Verhalten aufweist und somit ein sehr gutes Fahrverhalten einer zugeordneten Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine kann auch als Mischströmungs-Verdichter ausgebildet sein. Dabei strömt Luft von dem Aufnahmeraum über den Zuführkanal zu der Flut. Mit anderen Worten wird die Luft von dem Aufnahmeraum über den Zuführkanal und die Flut abgeführt und beispielsweise einem Ansaugtrakt des Kraftwagens zugeführt.
Die Luft strömt dabei das als Verdichterrad ausgebildete Laufrad in der weiteren
Strömungsrichtung zumindest im Wesentlichen schräg zur axialen Richtung und zumindest im Wesentlichen schräg zur radialen Richtung an und wird mittels des
Leitelements strömungsgünstig abgelenkt. Das Verdichterrad dient dabei dazu, die Luft zu verdichten und so die Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind ein den
Zuführkanal auf eine ersten Seite begrenzender erster Wandungsbereich und ein den Zuführkanal auf einer der ersten Seite gegenüberüberliegenden zweiten Seite
begrenzender zweiter Wandungsbereich der Fluidenergiemaschine sowie ein gegenüber des ersten Wandungsbereichs angeordneter erster Leitelementbereich und ein gegenüber des zweiten Wandungsbereichs angeordneter zweiter Leitelementbereich des Leitelements bezogen auf einen Schnittpunkt der ersten Drehachse mit der zweiten Drehachse zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet.
Die kugelsegmentförmige Ausgestaltung der Wandungsbereiche und der
Leitelementbereiche birgt den Vorteil, dass das Leitelement verklemmungsfrei und somit funktionssicher auch bei hohen Temperaturen um die zweite Drehachse bei gleichzeitiger Realisierung nur sehr geringer Spaltmaße insbesondere zwischen dem Leitelement und den Wandungsbereichen des Zuführkanals bewegt werden kann. Somit weist die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit auf und ist gleichzeitig effizient an unterschiedliche
Betriebspunkte bedarfsgerecht anpassbar.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Zuführkanal wenigstens bereichweise mittels eines separat von dem Gehäuse ausgebildeten und in dem Gehäuse
aufgenommenen Einsatzelements begrenzt. Dadurch kann die Fluidenergiemaschine, insbesondere ihr Gehäuse, zeit- und kostengünstig beispielsweise mittels eines
Gießverfahrens hergestellt werden. Anschließend kann das Einsatzelement zeit- und kostengünstig montiert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass mittels des
Einsatzelements wenigstens einer der den Zuführkanal begrenzenden
Wandungsbereiche gebildet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Leitelement an dem Einsatzelement um die zweite Drehachse drehbar gelagert ist, so dass eine wesentlich verbesserte Funktion des Leitelementes herbeiführbar ist. Mit Hilfe der drehbaren Leitelemente ist eine Anströmung einer auf das Turbinenrad strömenden Abgasmenge für unterschiedliche Betriebszustände einstellbar, so dass ein entsprechend bevorzugter Turbinenwirkungsgrad erzielbar ist.
Das Leitelement kann lediglich einseitig um die zweite Drehachse drehbar gelagert sein. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Leitelement auf einer ersten Leitelementseite und auf einer der ersten
Leitelementseite abgewandten Leitelementseite um die zweite Drehachse drehbar gelagert ist. Das Leitelement ist somit beidseitig und dadurch besonders definiert gelagert, sodass die Gefahr von Fehlfunktionen gering ist. Dies kommt der
Funktionserfüllungssicherheit der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine besonders zugute.
Zur Erfindung gehört auch ein Abgasturbolader, insbesondere für eine
Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einer
erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine. Die Fluidenergiemaschine kann dabei eine Turbine des Abgasturboladers sein, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die erfindungsgemäße
Energiefluidmaschine ein Verdichter des Abgasturboladers ist, mittels welchen der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zuführbar ist. Der Abgasturbolader ist dabei besonders effizient betreibbar, was zu einem kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit nur geringem C02-Emissionen führt.
Weitere Vorteile; Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer variablen Turbinengeometrie für eine Mischströmungs-Turbine eines Abgasturboladers; und
Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht der variablen Turbinengeometrie gemäß Fig. 1.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine im Ganzen mit 10 bezeichnete variable
Turbinengeometrie für eine in den Figuren 1 und 2 ausschnittsweise dargestellte Turbine eines Abgasturboladers. Die Ausgestaltung der variablen Turbinengeometrie lässt sich jedoch ohne weiteres auch auf eine anderweitige Fluidenergiemaschine wie
beispielsweise einen Verdichter des Abgasturboladers anwenden, welcher dann mit einer variablen Strömungsgeometrie versehen ist.
Die variable Turbinengeometrie 10 umfasst eine Mehrzahl von Leitschaufeln 12, von welchen in der Fig. 2 stellvertretend lediglich eine dargestellt ist. Die Leitschaufeln 12 sind in einem Zuführkanal 14 der Turbine angeordnet, wobei der Zuführkanal 14 auch als Düse bezeichnet wird.
Die Turbine umfasst ein in den Figuren 1 und 2 nicht dargestelltes Turbinengehäuse mit wenigstens einer Flut. Die Flut ist von Abgas einer der Turbine zugeordneten
Verbrennungskraftmaschine durchströmbar und leitet das Abgas zum Zuführkanal 14. Der Zuführkanal 14 ist einerseits fluidisch mit der Flut verbunden. Andererseits mündet der Zuführkanal in einen Aufnahmeraum 16 der Turbine. In dem Aufnahmeraum 16 ist ein schematisch dargestelltes Turbinenrad 18 um eine Drehachse 20 relativ zum
Turbinengehäuse drehbar aufgenommen. Das Turbinenrad 18 wird von dem aus der Flut über den Zuführkanal 14 in den Aufnahmeraum 16 strömenden Abgas angetrieben, sodass es sich um die Drehachse 20 dreht. Dabei wird das Abgas mittels der
Leitschaufeln 12 abgelenkt, sodass das Abgas das Turbinenrad 18 bzw.
Laufradschaufeln des Turbinenrads 18 strömungsgünstig anströmen kann. Dadurch kann mittels der Leitschaufeln 12 ein Eintrittsdrall erzeugt werden, mittels welchem das Turbinenrad 18 effizient antreibbar ist.
Der Zuführkanal 14 wird einerseits mittels eines ersten Einsatzelements 22 der Turbine und andererseits mittels eines zweiten Einsatzelements 24 der Turbine begrenzt. Die Einsatzelemente 22, 24 sind zumindest bereichsweise in dem Turbinengehäuse aufgenommen.
Mittels des ersten Einsatzelements 22 ist ein erster Wandungsbereich 26 gebildet, der den Zuführkanal 14 auf einer ersten Seite 28 begrenzt. Mittels des zweiten Einsatzteils 24 ist ein zweiter Wandungsbereich 30 gebildet, welcher den Zuführkanal 14 auf einer der ersten Seite 28 gegenüberliegenden zweiten Seite 32 begrenzt.
Die Leitschaufeln 14 weisen jeweils einen ersten Leitschaufelbereich 34 auf, welcher gegenüber dem ersten Wandungsbereich 26 angeordnet ist. Ferner weisen die
Leitschaufeln 12 jeweils einen zweiten Leitschaufelbereich 36 auf, welcher gegenüber dem zweiten Wandungsbereich 30 angeordnet ist.
Um die Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und somit an unterschiedliche Massenströme des Abgases bedarfgerecht anpassen zu können, sind die Leitschaufeln 12 um jeweils eine zweite Drehachse 38 relativ zum Turbinengehäuse sowie relativ zu den Einsatzelementen 22, 24 drehbar an den
Einsatzelementen 22, 24 gelagert. Durch Drehen der Leitschaufeln 12 um die jeweiligen zweiten Drehachsen 38 kann ein effektiver Strömungsquerschnitt des Zuführkanals 14 variabel eingestellt, das heißt fluidisch vergrößert oder demgegenüber fluidisch verengt werden. So kann das Turbinenrad 8 je nach vorliegendem Massenstrom des Abgases effizient angetrieben werden. Bereits mit einer Bestimmung einer Länge bzw. Höhe der Leitschaufeln 12 ist der effektive Strömungsquerschnitt des Zuführkanals 14 dem entsprechenden Betrieb anzupassen. Je nach Länge der Leitschaufeln 12 kann eine größere Überdeckung benachbarter Leitschaufeln 12, insbesondere in einem
geschlossenen Zustand der Leitschaufeln 12, erzielt werden oder es kann die Anzahl der Leitschaufeln 12 reduziert werden. Das heißt, ebenso durch eine Änderung der Länge bzw. der Höhe der Leitschaufeln 12 ist ein Durchsatz an einen gewünschten Betrieb anpassbar.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Leitschaufeln 12 dabei sowohl auf Seiten des ersten Einsatzelements 22 sowie auf Seiten des zweiten Einsatzelements 24 und somit beidseitig gelagert. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leitschaufeln 12 einseitig im ersten Einsatzelement 22 gelagert. Das zweite
Einsatzelement 24 ist quasi einstückig mit dem nicht näher dargestellten
Turbinengehäuse ausgebildet. Mit anderen Worten ist das zweite Einsatzelement 24 mit Hilfe des Turbinengehäuses ausgebildet. In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leitschaufeln 12 einseitig im zweiten Einsatzelement 24 gelagert. Das erste Einsatzelement 22 ist quasi einstückig mit dem nicht näher dargestellten Turbinengehäuse ausgebildet. Mit anderen Worten ist das erste
Einsatzelement 22 mit Hilfe des Turbinengehäuses ausgebildet.
Wie der Fig. 2 ferner zu entnehmen ist, verlaufen die zweiten Drehachsen 38 schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung der Turbine und schneiden die zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende erste Drehachse 20 in einen Schnittpunkt 40. Der Schnittpunkt 40 ist dabei der Mittelpunkt eines strichliert
dargestellten ersten Teilkreises 42 sowie eines strichliert dargestellten zweiten Teilkreises 44. Mit anderen Worten sind die Teilkreise 42, 44 hinsichtlich ihrer Mittelpunkte konzentrisch zueinander angeordnet.
Die Wandungsbereiche 26, 30 sowie die Leitschaufelbereiche 34, 36 sind nun bezogen auf den Schnittpunkt 40 zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Wandungsbereiche 26, 30 sowie die Leitschaufelbereiche 34, 36 bezogen auf den Schnittpunkt 40 und damit auf die Mittelpunkte der Teilkreise 42, 44 sphärisch angeordnet bzw. ausgestaltet. Jeweilige Radien der Kugelsegmente, das heißt der Wandungsbereiche 26, 30 und der Leitschaufelbereiche 34, 36 werden dabei durch die Geometrie des Turbinenrades 18 vorgegeben.
Durch diese kugelsegmentförmige Ausgestaltung ist es möglich, die Leitschaufeln 12 uneingeschränkt und verklemmungsfrei drehen zu können und gleichzeitig nur sehr geringe Spaltmaße zwischen den Leitschaufeln 12 und den Einsatzelementen 22, 24 zu realisieren. Dadurch können Sekundärströmungsverluste gering gehalten werden, sodass das Abgas mittels der Leitschaufeln 12 gerichtet auf das Turbinenrad 18 strömen und nur ein verschwindend geringer Teil des Abgases die Lautschaufeln 12 umgehen und das Turbinenrad 18 ungerichtet anströmen kann.
Eine Betätigungseinrichtung zum Drehen der Leitschaufeln 12 um die zweite Drehachse 38 kann dabei turbinenseitig oder verdichterseitig angeordnet sein.
Das erste Einsatzelement 22 ist in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Distanzelementen mit dem zweiten Einsatzelement 24 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die variable Turbinengeometrie 10, umfassend die Mehrzahl von Leitschaufeln 12, in Form einer vormontierten Bauteilgruppe in das Turbinengehäuse einsetzbar. Die Distanzelemente selbst dienen einem gesicherten Abstand zwischen dem ersten Einsatzelement 22 und dem zweiten Einsatzelement 24, so dass die Mehrzahl von Leitschaufeln 12 in jedem Betriebszustand verdrehbar sind. Mit anderen Worten ist mit Hilfe der Distanzelemente zwischen der ersten Seite 28 und der zweiten Seite 32 ein über einem gesamten Umfang der variablen Turbinengeometrie 10, mindestens jedoch im Bereich zwischen dem ersten Leitschaufelbereich 34 und dem zweiten
Leitschaufelbereich 36 ein gleichmäßiger Abstand zwischen dem ersten Einsatzelement 22 und dem zweiten Einsatzelement 24 gesichert.
Ebenso könnte das erste Einsatzelement 22 auch im Turbinengehäuse schwimmend gelagert sein. Das bedeutet, dass das erste Einsatzelement 22 bewegbar im
Turbinengehäuse aufgenommen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Fluidenergiemaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse, welches einen Aufnahmeraum (16) zur Aufnahme eines um eine in axialer Richtung verlaufende erste Drehachse (20) relativ zum Gehäuse drehbaren Laufrads (18) und wenigstens eine von einem Gas durchströmbare Flut aufweist, von der das Gas über einen mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden
Strömungsrichtung zu dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist oder zu der das Gas über den mit der Flut fluidisch verbunden Zuführkanal (14) in einer schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden weiteren Strömungsrichtung von dem Aufnahmeraum (16) leitbar ist, und mit wenigstens einem zumindest teilweise in dem Zuführkanal (14) angeordneten Leitelement (12), mittels welchem das den Zuführkanal (14) durchströmende Gas ableitbar ist, wobei das Leitelement (12) um eine schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende zweite Drehachse (38) relativ zum Gehäuse drehbar ist.
2. Fluidenergiemaschine nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet, dass
ein den Zuführkanal (14) auf einer ersten Seite (28) begrenzender erster
Wandungsbereich (26) und ein den Zuführkanal (14) auf einer der ersten Seite (28) gegenüber liegende zweiten Seite (32) begrenzender zweiter Wandungsbereich (30) der Fluidenergiemaschine sowie ein gegenüber des ersten Wandungsbereichs (26) angeordneter erster Leitelementbereich (34) und ein gegenüber des zweiten
Wandungsbereichs (30) angeordneter zweiter Leitelementbereich (36) des
Leitelements (12) bezogen auf einen Schnittpunkt (40) der ersten Drehachse (20) mit der zweiten Drehachse (38) zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet sind.
3. Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zuführkanal (14) wenigstens bereichsweise mittels zumindest eines separat von dem Gehäuse ausgebildeten und in dem Gehäuse aufgenommen Einsatzelements (22, 24) begrenzt ist.
4. Fluidenergiemaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leitelement (12) an dem Einsatzelement (22, 24) um die zweite Drehachse (38) drehbar gelagert ist.
5. Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leitelement (12) um die zweite Drehachse (38) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerung auf einer ersten Leitelementseite und/oder auf einer der ersten
Leitelementseite abgewandten zweiten Leitelementseite ausgebildet ist.
6. Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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