WO2013083212A1

WO2013083212A1 - Turbine für einen abgasturbolader

Info

Publication number: WO2013083212A1
Application number: PCT/EP2012/003970
Authority: WO
Inventors: Peter Fledersbacher; Manfred GUTHÖRLE; Torsten Hirth; Andreas MÜLLER; Timo Schulz; Carsten VAN LIL
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2012-09-22
Publication date: 2013-06-13
Also published as: JP5989129B2; US20140294576A1; US9664193B2; EP2788591A1; CN104053862A; DE102011120553A1; JP2015503055A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zur Aufnahme eines Turbinenrads (9) und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut (4) aufweist, von der das Abgas über einen mit der Flut (4) fluidisch verbundenen Zuführkanal (5) in den Aufnahmeraum (14) leitbar ist, wobei wenigstens ein relativ zum Turbinengehäuse (12) festes und zumindest in einem Leitbereich (30) in den Zuführkanal (5) hineinragendes Leitelement (18) zum Leiten des Abgases vorgesehen ist, wobei das Leitelement (18) in dem Leitbereich (30) bezogen auf die axiale Richtung der Turbine (10) einen ersten Längenbereich (a) aufweist, in welchem das Leitelement (18) hinsichtlich seiner aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet ist als in einem sich an den ersten Längenbereich (a) anschließenden zweiten Längenbereich (d) in dem Leitbereich (30) des Leitelements (18).

Description

Turbine für einen Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus dem Serienbau von Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, Abgasturbolader zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen zu verwenden. Die Abgasturbolader umfassen jeweils eine Turbine und einen Verdichter. Die Turbine ist von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Über die Turbine kann der Verdichter

angetrieben werden, um somit der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten. Dadurch kann im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie genutzt werden, so dass sich der Kraftstoffverbrauch und die C0₂-Emissionen gering halten lassen.

Zur Realisierung besonders geringer Kraftstoffverbräuche und damit geringer C0₂- Emissionen werden die Verbrennungskraftmaschinen nach dem so genannten

Downsizing-Prinzip ausgestaltet. Hierbei weisen die Verbrennungskraftmaschinen ein sehr geringes Motorhubvolumen auf, können jedoch aufgrund der Verdichtung der Luft relativ hohe spezifische Drehmomente und Leistungen bereitstellen. Wegen der hohen spezifischen Leistungen wachsen Anforderungen an die Abgasturbolader und

insbesondere an deren Turbinen. Eine nicht unerhebliche Herausforderung ist dabei die Realisierung eines guten Instationärverhaltens der Turbinen, so dass die

Verbrennungskraftmaschinen ein gutes Fahrverhalten aufweist.

Bei Ottomotoren wie auch bei Dieselmotoren werden dabei Turbinen mit variablen Turbinengeometrien eingesetzt, um die Turbinen an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassen zu können. Im Vergleich zu einem Dieselmotor muss eine variable Turbine bei einem Ottomotor prinzipbedingt jedoch eine besonders große Durchsatzspreizung aufweisen. Insbesondere zur Darstellung eines akzeptablen Instationärverhaltens, beispielsweise bei einer Fahrzeugbeschleunigung, ist es von Vorteil, insbesondere im Turbinenbetriebsbereich kleiner Durchsatzkennwerte, d.h. bei relativ geringen Strömungsquerschnitten der Turbine, möglichst hohe

Turbinenwirkungsgrade zu erzielen.

Die EP 1 301 689 B1 offenbart eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem

Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads sowie eine von Abgas durchströmbare Flut auf. Die Turbine umfasst ferner ein in axialer Richtung verschiebbares Leitgitter, mittels welchem das aus der Flut zu dem Turbinenrad strömende Abgas entsprechend geleitet werden kann. Diese Turbine weist einen nur uneffizienten Betrieb auf.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche einen besonders effizienten Betrieb aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut aufweist. Von der Flut ist das Abgas über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in den Aufnahmeraum leitbar.

Erfindungsgemäß ist wenigstens ein relativ zum Turbinengehäuse festes und zumindest in einem Leitbereich in den Zuführkanal hineinragendes Leitelement zum Leiten des Abgases vorgesehen. Das Leitelement weist dabei in dem Leitbereich bezogen auf die axiale Richtung der Turbine einen ersten Längenbereich auf, in welchem das Leitelement hinsichtlich seiner aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet ist als in einem sich an den ersten Längenbereich anschließenden zweiten Längenbereich des Leitelements.

Vorzugsweise ist ein in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse zwischen einer einen Strömungsquerschnitt des Zuführkanals in beiden Längenbereichen und maximal freigebenden Offenstellung und einer den Strömungsquerschnitt maximal verengenden und lediglich im ersten Längenbereich freigebenden Schließstellung verschiebbares Schieberelement vorgesehen. Dabei sind die Längenbereiche hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften derart ausgestaltet, dass mittels der Längenbereiche beim Verschieben des Schieberelements aus der eine Drallerzeugung mittels des ersten Längenbereichs bewirkenden Schließstellung in die Offenstellung die Drallerzeugung zumindest im Wesentlichen beibehalten wird.

So kommt es insbesondere zu Beginn der Bewegung des Schieberelements von der Schließstellung, in welcher ein minimaler Durchsatz der Turbine eingestellt ist, in die Offenstellung nicht oder nur zu einem sehr geringen Abfall der Drallerzeugung und damit eines Eintrittsdralls der Strömung des Abgases, so dass auch die Turbinenleistung der Turbine nicht oder nicht merklich abfällt. Dadurch ist die erfindungsgemäße Turbine effizient und mit hohen Turbinenwirkungsgraden betreibbar. Ferner weist sie ein vorteilhaftes Instationärverhalten auf.

Bevorzugt deckt das Schieberelement das Leitelement bezogen auf die radiale Richtung der Turbine auf lediglich einer Seite zumindest teilweise und wenigstens in der

Schließstellung ab. Mit anderen Worten ist das Schieberelement, mittels welchem der zweite Längenbereich in der Schließstellung abgedeckt ist, bezogen auf die radiale Richtung der Turbine lediglich auf einer Seite des Leitelements angeordnet. So können Leckageströmungen an Funktionsspalten, die bei einer beidseitigen Abdeckung des Leitelements vorzusehen wären, vermieden werden. Dies kommt dem effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine zugute.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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.

Dabei dienen die Figuren 1 a bis 6b zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 a eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens; Fig. 1b ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 1a;

Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 1a-b;

Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der

Turbine gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Drallerzeugung und der Bewegung eines axial beweglichen

Schieberelements der Turbine gemäß Fig. 2;

Fig. 5a-b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 2;

Fig. 6a-b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer

weiteren Ausführungsform einer Turbine gemäß den Fig. 5a-b;

Fig. 7a eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der

Turbine gemäß Fig. 1a;

Fig. 7b ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 7a;

Fig. 7c eine schematische Perspektivansicht eines Leitgitters der Turbine gemäß den

Fig. 7a-b;

Fig. 8a-b jeweils eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines

Leitgitters gemäß Fig. 7c;

Fig. 8c ausschnittsweise eine schematische Draufsicht eines Leitgitters gemäß den

Fig. 8a-b;

Fig. 9 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen einem Abstand von Leitschaufeln des Leitgitters gemäß den Fig. 8a-c und einer Breite einer Düse einer Turbine gemäß den Fig. 7a-c, über welche Abgas von einer Flut der Turbine in einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads überströmt;

Fig. 10 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 7a-c;

Fig. 11 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht eines Leitgitters gemäß Fig.

7c;

Fig. 12 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a;

Fig. 13 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 12;

Fig. 14 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß

Fig. 12;

Fig. 15 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß

Fig. 14 entlang der in der Fig. 14 gezeigten Schnittlinie X-X;

Fig. 16 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 14;

Fig. 17 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß

Fig. 16 entlang der in der Fig. 16 gezeigten Schnittlinie X2-X2;

Fig. 18 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform einer Turbine gemäß Fig. 7a;

Fig. 19 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters der Turbine gemäß Fig.

18;

Fig. 20 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform des Leitgitters gemäß Fig. 19; Fig. 21 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß Fig. 20;

Fig. 22 eine schematische Perspektivansicht eines Trennelements für das Leitgitter gemäß den Fig. 20 und 21 ;

Fig. 23 eine schematische Draufsicht des Trennelements gemäß Fig. 22;

Fig. 24a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des

Leitgitters gemäß Fig. 21 ;

Fig. 24b eine weitere schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß Fig. 24a;

Fig. 24c eine schematische Längsschnittansicht des Leitgitters gemäß den Fig. 24a-b;

Fig. 25a eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der

Turbine gemäß Fig. 7a;

Fig. 25b ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß

Fig. 25a;

Fig. 26a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des

Leitgitters gemäß Fig. 24a;

Fig. 26b eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß Fig. 26a;

Fig. 27 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a mit dem Leitgitter gemäß den Fig. 26a-b;

Fig. 28a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des

Leitgitters gemäß Fig. 26a;

Fig. 28b eine schematische Perspektivansicht eines Zentrierelements zur Zentrierung des Leitgitters gemäß Fig. 28; Fig. 29 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a mit dem Zentrierelement gemäß Fig. 28b und dem Leitgitter gemäß Fig. 28a;

Fig. 30 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des

Leitgitters gemäß Fig. 28a;

Fig. 31 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des

Zentrierelements gemäß Fig. 28b;

Fig. 32 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 7a mit dem Leitgitter gemäß Fig. 30 und dem Zentrierelement gemäß Fig. 31 ; und

Fig. 33 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 32, wobei das Zentrierelement als Hitzeschild ausgebildet ist.

Die Fig. 1a zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer

Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen. Die Turbine 10 umfasst ein

Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum 14 aufweist. In dem Aufnahmeraum 14 ist ein Turbinenrad 9 der Turbine 10 um eine Drehachse 6 relativ zu dem

Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen. Die Turbine 10 umfasst ein auf einer Lagergehäuseseite der Turbine 10 angeordnetes Leitgitter 1 , welches eine Mehrzahl von Leitschaufeln 18 umfasst.

Das Turbinengehäuse 12 weist ferner einen Zuströmkanal 4 auf, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Der Zuströmkanal 4 wird auch als Volute bezeichnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads 9 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig. Mit dem Zuströmkanal 4 ist ein als Zuführkanal 5 bezeichneter Strömungskanal fluidisch verbunden. Über den Zuführkanal 5 wird das den Zuströmkanal 4 durchströmende Abgas zu dem Aufnahmeraum 14 und dem Turbinenrad 9 geleitet. Der Zuführkanal 5 kann auch als Düse bezeichnet werden. Durch einen effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5, d.h. durch dessen Düsenbreite b, wird das Aufstauverhalten der Turbine 10 bestimmt. Dabei ist der effektive Querschnitt des Zuführkanals 5 bei der Turbine 10 variabel einstellbar. Dazu umfasst die Turbine 10 einen Axialschieber 2 mit einer Matrize 3, in welche die Leitschaufeln 18 eintauchen können.

Der Axialschieber 2 kann in axialer Richtung der Turbine 10 relativ zu dem

Turbinengehäuse 12 verschoben werden und ist zwischen einer den effektiven

Querschnitt des Zuführkanals 5 maximal verengenden Schließstellung (erster

Endanschlag) und einer den effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5 maximal freigebenden Offenstellung (zweiter Endanschlag) verschiebbar. Zum Verschieben des Axialschiebers 2 und um somit das Aufstauverhalten der Turbine 10 zu variieren, ist eine Verstellmechanik 6 vorgesehen, die in einem Verstellraum 7 aufgenommen ist.

Um die Verstellbarkeit des Axialschiebers 2 während des Betriebs der Turbine 10 zu gewährleisten, ist zwischen dem Leitgitter 1 bzw. den Leitschaufeln 18 und der Matrize 3 umlaufend ein Funktionsspalt 8 vorgesehen. Der umlaufende Funktionsspalt 8 kann jedoch zu Sekundärströmungsverlusten am Leitgitter 1 führen, d.h. ein Teil des

Abgasmassenstroms strömt nicht - wie gewünscht - durch das Leitgitter 1 bzw. über die Leitschaufeln 18 gerichtet auf das Turbinenrad 9, sondern strömt über den umlaufenden Funktionsspalt 8 ungerichtet auf das Turbinenrad 9. Diese Fehlanströmung führt zwangsläufig zu unerwünscht geringen Turbinenwirkungsgraden, besonders in

Betriebsbereichen kleiner Turbinendurchsatzkennwerte, wie sie bei geschlossenem Axialschieber 2 vorkommen.

Das Leitgitter 1 mit den Leitschaufeln 18 ist dabei ein so genannter Drallerzeuger, der insbesondere mittels der Leitschaufeln 18 einen Eintrittsdrall am Eintritt des Turbinenrads 9 erzeugt. Dadurch wird das Turbinenrad 9 besonders effizient angeströmt. Strömt das Abgas nun am Leitgitter 1 vorbei und erfährt nicht die Drallerzeugung, so beeinflusst dies den effizienten Betrieb der Turbine 10 negativ.

Grundsätzlich stellt eine Leiteinrichtung umfassend das Leitgitter 1 und die Matrize 3 hohe Anforderungen an die Fertigungstechnik, um die hohen Betriebstemperaturen insbesondere bei einem Ottomotor sicher beherrschen zu können und gleichzeitig Verluste in Form der Sekundärströmungsverluste in geringen Grenzen zu halten.

Daher ist es wünschenswert, zum Einstellen des Querschnitts des Zuführkanals 5 nicht eine das Leitgitter 1 in radialer Richtung der Turbine 10 beidseitig abdeckende Matrize 3 sondern ein Abdeckelement zu verwenden, das das Leitgitter 1 lediglich auf einer Seite, g vorzugsweise in Strömungsrichtung des Abgases zu dem Turbinenrad 9 stromauf der Leitschaufeln 18, abdecken kann. Dadurch ist kein Funktionsspalt 8 vonnöten und Sekundärströmungsverluste können vermieden oder zumindest gering gehalten werden.

Die Fig. 2 zeigt eine solche Turbine 10, bei welcher der Axialschieber 2 vorgesehen ist. Die Turbine 10 umfasst jedoch kein Leitgitter 1 mit Leitschaufeln 18. Der Axialschieber 2 ist somit unbeschaufelt. In der Fig. 2 ist die Düsenbreite b des Zuführkanals 5 zu erkennen. Ferner ist der Fig. 2 ein Halsquerschnitt As der Volute 4 zu entnehmen.

Wie in Zusammenschau mit dem in der Fig. 3 gezeigten Geschwindigkeitsdreieck erkennbar ist, liegt bei der Turbine 10 gemäß Fig. 2 das Problem vor, dass eine starke Abhängigkeit des Eintrittsdralls zum Turbinenrad 9 von der Düsenbreite b besteht, die aufgrund der in der Euler'schen Maschinengleichung beschriebenen Zusammenhänge zu einem starken Einbruch der Turbinenleistung respektive der Turbinenwirkungsgrade bei geringen Werten für die Düsenbreite b führt.

In Zusammenhang mit der spezifischen Arbeit nach Euler: a u = u, 1 * c, lu— u 2-, * c 2~.u und:

^Rs A 2 * U * b ergibt sich, dass die Volute 4 entsprechend ihrer Geometriemerkmale Halsquerschnitt A_s, Flächenschwerpunktsradius R_s sowie in Zusammenhang mit der Düsenbreite b einen Drall erzeugt bzw. der Strömung des Abgases die Umfangskomponente c_1u aufprägt.

Dies ist insbesondere anhand der Fig. 4 erkennbar. Die Fig. 4 zeigt ein erstes Diagramm 20, auf dessen erster Abszisse 22 die Düsenbreite b in Richtung eines ersten

Richtungspfeils 24 ansteigend aufgetragen ist. Auf der ersten Ordinate 26 des ersten Diagramms 20 ist der Winkel gemäß einem zweiten Richtungspfeil 28 ansteigend aufgetragen. Ist der Axialschieber 1 gemäß Fig. 2 geschlossen, so ist die Düsenbreite b gering. Der Winkel ist groß, woraus eine geringe Umfangskomponente c_1u resultiert. Daraus resultieren ohne das Leitgitter 1 geringe Turbinenleistungen bzw. geringe

Turbinenwirkungsgrade. Ist der Axialschieber 2 im Gegensatz dazu weiter geöffnet, so ist die Düsenbreite b groß. Der Winkel ist klein, woraus eine große Umfangskomponente Ci_u resultiert. Dies bedeutet, dass die Volute 4 das Abgas entsprechend umlenkt und keine weitere Ab- bzw. Umlenkung des Abgases durch das Leitgitter 1 nötig ist.

Mit anderen Worten ist bei geringen öffnungsweiten des Axialschiebers 2 ein Ab- bzw. Umlenken der Strömung des Abgases mittels des Leitgitters 1 zweckmäßig. Bei demgegenüber großen öffnungsweiten ist dagegen die Drallerzeugung alleine über die dem Leitgitter 1 vorgeschaltete Volute 4 zu bewerkstelligen.

Zur Verdeutlichung dieser Zuordnung zwischen Düsenbreite b und Drallerzeugung ist In Fig 5a-b der Verstell bereich bzw. die Extrempositionen des Regelschiebers für die Standardausführung der Turbine dargestellt.

Aufgrund des oben geschilderten Zusammenhangs ist eine Ausführung denkbar, bei der nur in der Extremposition„geschlossener Regelschieber" die Drallerzeugung vollständig über das Leitgitter bewerkstelligt wird, bei Abheben des Regelschiebers von der stirnseitigen Anlage am Leitgitter der Drall hingegen über die Volute erzeugt wird.

Problematisch ist hierbei jedoch das Verhalten der Turbine 10 nach Abheben des

Axialschiebers von der Schließstellung, d.h. zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach Bewegen des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung in die Offenstellung. Der

Eintrittsdrall und damit die Turbinenleistung brechen zusammen, da bei einer dann vorliegenden Öffnungsweite des Axialschiebers 2 eine noch zu geringe Düsenbreite b für eine Erzeugung einer erwünschten und ausreichenden Umfangskomponente c_1u noch nicht ausreicht.

Anhand der Fig. 6a-b ist dies veranschaulicht. Die Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1 ragen dabei nur bereichsweise in den Zuführkanal 5 hinein. In der Schließstellung des Axialschiebers 2 strömt das Abgas ausschließlich über die Leitschaufeln 18. Ist der Axialschieber 2 aus der Schließstellung bewegt und befindet sich in wenigstens einer Offenstellung, in welcher die Düsenbreite b gegenüber der Schließstellung erweitert ist, so ist ein unbeschaufelter Bereich des Zuführkanals 5 freigegeben, so dass das Abgas sowohl über die Leitschaufeln 18 gerichtet als auch ungerichtet bzw. lediglich unter Drallerzeugung durch die Volute 4 das Turbinenrad 9 anströmen kann.

Die Fig. 7a-c zeigen Möglichkeiten, das geschilderte Einbrechen des Eintrittsdralls und der Turbinenleistungen zu vermeiden oder zumindest sehr gering zu halten. Wie insbesondere der Fig. 7b zu entnehmen ist, umfasst die Turbine 10 das relativ zum Turbinengehäuse 12 feste Leitgitter 1 mit den Leitschaufeln 18. Die Leitschaufeln 18 ragen in einem Leitbereich 30 in den Zuführkanal 5 hinein und dienen zum Um- bzw. Ablenken des Abgases, d.h. zur Drallerzeugung.

Die Leitschaufeln 18 weisen nun bezogen auf die axiale Richtung der Turbine 10 ausgehend von der Lagergehäuseseite der Turbine 10 einen ersten Längenbereich a und einen sich daran anschließenden zweiten Längenbereich d auf, welche sich in axialer Richtung erstrecken und in axialer Richtung aneinander anschließen. Die Leitschaufeln 18 sind dabei hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften in dem ersten

Längenbereich a anders ausgebildet als in dem zweiten Längenbereich d. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Leitschaufeln 18 hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften in den Längenbereichen a, d jeweils.

Die Längenbereiche a, d sind insbesondere hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung derart ausgestaltet, dass sich ein für die der Turbine 10 zugeordnete

Verbrennungskraftmaschine erforderlicher Minimalwert des Durchsatzparameters der Turbine 10 einstellt, wenn sich der Axialschieber 2 in seiner in der Fig. 7b gezeigten Schließstellung und somit an einem axialen Anschlag c der Leitschaufeln 18 anliegt. In dieser Schließstellung strömt das Abgas aus der Volute 4 lediglich in dem Längenbereich a zum Turbinenrad 9. Dies bedeutet, dass im Schließzustand des Axialschiebers 2 der Eintrittsdrall zum Turbinenrad 9 ausschließlich über den Längenbereich a aufgebracht wird, wobei sich zumindest im Wesentlichen ideale Verhältnisse ohne

Sekundärströmungsverluste ergeben.

Dem Längenbereich d kommt dabei die Funktion zu, den Eintrittsdrall beim Abheben des Axialschiebers 2 vom Anschlag c, d.h. beim Bewegen des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung in eine auch den Längenbereich d zumindest bereichsweise freigebende Offenstellung, weiter aufrecht zu erhalten und somit den zuvor geschilderten Wirkungsund Leistungseinbruch gering zu halten oder ganz zu vermeiden.

Wie der Fig. 7c zu entnehmen ist, unterscheiden sich die Leitschaufeln 18 in den

Längenbereichen a, d insbesondere hinsichtlich ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung. Mit anderen Worten sind die Leitschaufeln 18 im zweiten Längenbereich d bezogen auf die Umfangsrichtung kürzer als im ersten Längenbereich a. Wie den Fig. 8a-9 zu entnehmen ist, sind in den Längenbereichen a, d der Leitschaufeln 18 unterschiedliche minimale Leitschaufelabstände Sm_in dargestellt. Ein erster minimaler Leitschaufelabstand s_min_a im ersten Längenbereich a ist kleiner als ein zweiter minimaler Leitschaufelabstand s_min__d im zweiten Längenbereich d. Der effektive Querschnitt des Leitgitters 1 ergibt sich dabei aus den Geometrieparametern der Düsenbreite b in

Abhängigkeit von dem Verfahrweg des Axialschiebers 2 sowie dem minimalen

Leitschaufelabstand s_min. Zur Realisierung einer günstigen Turbinencharakteristik über dem gesamten Verfahrweg des Axialschiebers 2 - frei von deutlichen

Wirkungsgradeinbrüchen - ist es vorteilhaft, den Übergang zwischen den

Längenbereichen a, d möglichst harmonisch zu gestalten, d.h. eine sprunghafte bzw. stufenförmige Änderung beispielsweise ausgehend vom ersten Längenbereich a hin zum zweiten Längenbereich d und somit des minimalen Leitschaufelabstands s_min ist vorteilhafterweise zu vermeiden.

Wie der Fig. 8b zu entnehmen ist, ist dabei vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Übergangsbereich 32, über den die Längenbereiche a, d miteinander verbunden sind, einen Radius R aufweist und entsprechend zumindest im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet ist. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung kann dieser

Übergangsbereich 32 insbesondere als Ellipse ausgestaltet werden.

Die Fig. 9 zeigt dabei in einem zweiten Diagramm 34 einen qualitativen Verlauf des minimalen Leitschaufelabstands s_min, welcher über der Düsenbreite b aufgetragen ist. Ein durch einen ersten Verlauf 36 charakterisierter stufenförmiger Übergang zwischen den Längenbereichen a, d führt zu einem sprunghaften Anstieg des Leitschaufelabstands s_min. Durch Anbringung des Radius R an den Leitschaufeln 18 kann ein harmonischer Verlauf des minimalen Leitschaufelabstands s_min zwischen den Längenbereichen a, d erzielt werden. Dabei kennzeichnet ein dritter Richtungspfeil 38 die Vergrößerung des Radius R und eine damit einhergehende Veränderung des ersten Verlaufs 36 hin zu weiteren Verläufen 40. Umgekehrt dazu kennzeichnet ein vierter Richtungspfeil 42 die sukzessive Verkleinerung des Radius R und damit das Verhalten der weiteren Verläufe 40 hin zum ersten Verlauf 36.

Gemäß Fig. 10 weist der Axialschieber 2 eine Stirnseite 44 mit einem weiteren Radius R2 auf. Somit ist auch die Stirnseite 44 des Axialschiebers 2 zumindest im Wesentlichen bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig oder elliptisch, ausgebildet.

Vorteilhafterweise ist dabei der Radius R gleich dem weiteren Radius R2. Befindet sich der Axialschieber 2 in seiner Schließstellung am Anschlag c, wobei die Turbine 10 geschlossen ist, dann liegen die Radien R, R2 zumindest im Wesentlichen

deckungsgleich übereinander.

Anhand der Fig. 1 1 -13 ist die vorteilhafte Ausgestaltung der axialen Erstreckung, d.h. der Länge des zweiten Längenbereichs d, veranschaulicht. Der zweite Längenbereich d weist vorteilhafterweise eine solche Länge auf, dass sich im Zusammenhang mit dem verwendeten Verhältnis As/Rs der Volute 4 und der aus der Motoranwendung

vorgegebenen axialen Erstreckung (Länge) des ersten Längenbereichs a für die

Schließstellung eine Voluten-Düsenbreite bv₀|_Ute, d.h. am Übergang des Austritts der Volute 4 zum Leitgitter 1 , ergibt, die zu einem vorgebbaren Höchstwert des Winkels c , welcher der Abströmwinkel ist, aus der Volute 4 führt. Mit anderen Worten ist die Voluten- Düsenbreite bvoiute so groß, dass der Winkel αι kleiner oder gleich 25°, d.h. maximal 25°, beträgt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn, wie anhand der Fig. 12 dargestellt ist, ein Innendurchmesser D_T einer Trennwand 46, mittels welcher die Volute 4 von dem

Verstellraum fluidisch getrennt ist, größer oder gleich einem Eintrittsdurchmesser D_L des Leitgitters 1 ist. Daraus ergibt sich insbesondere eine minimale Erstreckung d_min des zweiten Längenbereichs d.

Wie der Fig. 13 zu entnehmen ist, kann die Länge des zweiten Längenbereichs d auch so gewählt werden, dass die gesamte Düsenbreite b bzw. Voluten-Düsenbreite bvoiute von Eintrittskanten der Leitschaufeln 18 überdeckt wird. In diesem Fall kann dann die

Trennwand 46 in radialer Richtung auf einem relativ kleinen Innendurchmesser D_T enden, welcher kleiner ist als der Eintrittsdurchmesser D_L des Leitgitters. Durch diese Maßnahme wird es ermöglicht, dass jeweilige Stirnseiten der Leitschaufeln 18 im zweiten

Längenbereich d an der Trennwand 46 plan anliegen bzw. zumindest im Wesentlichen nahezu anliegen, bis auf einen weiteren Funktionsspalt e, wodurch

Sekundärströmungsverluste im zweiten Längenbereich d vermieden bzw. sehr gering gehalten werden.

Hieraus ergibt sich insbesondere eine maximale axiale Erstreckung d_max des zweiten Längenbereichs d. Ein weiteres Geometriemerkmal des Leitgitters 1 mit den

unterschiedlichen Längenbereichen a, d ist der Grad, mit welchem das Grundprofil der Leitschaufeln 18 auf der Erstreckung des zweiten Längenbereichs d noch zur

Aufrechterhaltung des Dralls genutzt wird.

Dieser Grad ist der Kehrwert des Verhältnisses der in der Fig. 15 dargestellten, von dem im ersten Längenbereich a vollständig genutzten, d.h. von dem Abgas umströmten Profil umschlossenen ersten Fläche FA, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung verläuft, zur vom Profil im zweiten Längenbereich d umschlossenen zweiten Fläche FB welche der Axialschieber 2 im zweiten Längenbereich d abdeckt bzw. abdecken kann und welche in der Fig. 17 erkennbar ist. Der Kehrwert des Verhältnisses von FA zu FB ist somit FB/FA, wobei FB/FA vorteilhafterweise in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 75% liegt.

Die Turbine 10 gemäß Fig. 18 umfasst ein Trennelement f zur strömungsmäßigen Trennung der Längenbereiche a, d. Eine dem Axialschieber 2 zugewandte Fläche des Trennelements f dient dabei als Anschlag c für den Axialschieber 2 in seiner

Schließstellung.

In verschiedenen Betriebspunkten bzw. Betriebsbereichen kann, unter anderem infolge von gasdynamischen Kräften, auf das Trennelement f eine Kraft in axialer Richtung wirken, welche in Richtung des Turbinenaustritts gerichtet ist. Dies ist insbesondere unmittelbar nach Abheben des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung vom Anschlag c der Fall, d.h. das Trennelement ist vorteilhafterweise in seiner axialen Lage am Übergang der Längenbereiche a, d fixiert.

Dazu kann das Trennelement f beispielsweise durch ein Fügeverfahren wie

beispielsweise Schweißen am Leitgitter 1 und/oder an den einzelnen Leitschaufeln 18 befestigt sein.

Alternativ hierzu kann das Leitgitter 1 , insbesondere die Leitschaufeln 18, eine per rotatorische Bearbeitung ausgebildete Nut 48 aufweisen, in welche das Trennelement f eingerastet und so in seiner axialen Lage fixiert ist.

Die Fig. 20 bis 23 zeigen die umlaufende Nut 48 an den Leitschaufeln 18, die sich direkt am Übergang der beiden Längenbereiche a, d befindet. In am Trennelement f angebrachten Leitschaufelmatrizen zur Aufnahme der Leitschaufeln 18 befindet sich auch ein Einrastdurchmesser D_E, auf welchem das Trennelement f in der Nut 48 bei der Montage einrasten kann.

Die Fig. 26a-27 zeigen eine Möglichkeit, das Leitgitter 1 im Zuführkanal 5 zu zentrieren. Dazu ist ein Zentriereinsatz 50 vorgesehen, welcher einen ersten Zentrierdurchmesser Dza zur Zentrierung des ersten Längenbereichs a aufweist. Auf einer dem Zentriereinsatz 50 gegenüberliegenden Seite weist das Turbinengehäuse 12 ebenso einen zweiten Zentrierdurchmesser D_Zd auf, an welchem der zweite

Längenbereich d zentriert wird. Die Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1 weisen

korrespondierende Stufen, Absätze oder dergleichen auf, mittels welchen die

Längenbereiche a, d zentriert werden können.

Gemäß den Fig. 28a, 28b und 29 weisen die Leitschaufeln 18 an ihren Stirnseiten Zentrierstifte 52 auf, welche mit Zentrierbohrungen 54 des Zentriereinsatzes 50, welcher auf der Lagergehäuseseite angeordnet ist, zusammenwirken können.

Gemäß den Fig. 30 bis 32 wird das Leitgitter 1 derart mittels des Zentriereinsatzes 50 zentriert, dass jeweilige, einander zugewandte Stirnseiten des Leitgitters 1 einerseits und des Zentriereinsatzes 50 andererseits miteinander zusammenwirken. Die Stirnseiten verlaufen dabei schräg zur radialen Richtung. Wie anhand eines Zentrierwinkels ß angedeutet ist, schließen die Stirnseiten mit der axialen Richtung einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 75° ein. Ein Kraftpfeil F deutet dabei die Kraft und die Richtung an, mit bzw. in welcher das Leitgitter 1 im Zuführkanal 5 beaufschlagt und so verklemmt bzw. verspannt ist.

Gemäß Fig. 33 ist der Zentriereinsatz 50 als Hitzeschild ausgebildet, welcher einen unerwünscht hohen Wärmeeintrag vom Turbinengehäuse 12 ins Lagergehäuse vermeiden soll. Dadurch ist eine Funktionsintegration geschaffen, wodurch die

Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Turbine 10 gering gehalten werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zur Aufnahme eines Turbinenrads (9) und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut (4) aufweist, von der das Abgas über einen mit der Flut (4) fluidisch verbundenen Zuführkanal (5) in den Aufnahmeraum (14) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens ein relativ zum Turbinengehäuse (12) festes und zumindest in einem Leitbereich (30) in den Zuführkanal (5) hineinragendes Leitelement (18) zum Leiten des Abgases vorgesehen ist, wobei das Leitelement (18) in dem Leitbereich (30) bezogen auf die axiale Richtung der Turbine (10) einen ersten Längenbereich (a) aufweist, in welchem das Leitelement (18) hinsichtlich seiner aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet ist als in einem sich an den ersten

Längenbereich (a) anschließenden zweiten Längenbereich (d) in dem Leitbereich (30) des Leitelements (18).

2. Turbine (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse (12) zwischen einer einen Strömungsquerschnitt des Zuführkanals (5) maximal und in beiden Längenbereichen (a, d) freigebenden Offenstellung und einer den Strömungsquerschnitt maximal verengenden und lediglich im ersten Längenbereich (a) freigebenden Schließstellung verschiebbares Schieberelement (2) vorgesehen ist, wobei mittels der

Längenbereiche (a, d) beim Verschieben des Schieberelements (2) aus der eine Drallerzeugung mittels des ersten Längenbereichs (a) bewirkenden Schließstellung in die Offenstellung die Drallerzeugung zumindest im Wesentlichen beizubehalten ist.

3. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Längenbereiche (a, d) in axialer Richtung über einen eine wenigstens

bereichsweise zumindest im Wesentlichen bogenförmige, insbesondere

kreisbogenförmige oder elliptisch ausgebildete, erste Kontur aufweisenden

Übergangsbereich (32) miteinander verbunden sind.

4. Turbine (10) nach den Ansprüchen 2 und 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Schieberelement (2) eine eine zumindest im Wesentlichen mit dem

bogenförmigen Übergangsbereich (32) korrespondierende zweite Kontur aufweisende Stirnseite (44) umfasst.

5. Turbine (10) nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die erste Kontur und die zweite Kontur in der Schließstellung des Schieberelements (2) zumindest im Wesentlichen deckungsgleich zueinander angeordnet sind.

6. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

das sich der Leitbereich (30) des Leitelements (18) über die vollständige axiale Erstreckung des Zuführkanals (5) erstreckt, wobei eine die Flut (4) von einem

Aufnahmeraum (7) zum Aufnehmen eines Verstellmechanismus des

Schieberelements (2) fluidisch trennende Zwischenwandung (46) der Turbine (10) einen Innendurchmesser (D_T) aufweist, welcher geringer ist als ein

Eintrittsdurchmesser (D_L) des Leitelements (18), auf dem das Abgas in das

Leitelement (18) eintritt.

7. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kehrwert (FB/FA) des Verhältnisses (FA/FB) einer sich zumindest im

Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung erstreckenden ersten Profilfläche (FA) des Leitelements (18), welche im zweiten Längenbereich (d) in der Schließstellung mittels des Schieberelements (2) abgedeckt ist, zu einer sich zumindest im

Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung erstreckenden zweiten Profilfläche (FB) des Leitelements (18), welche in der Schließstellung des Schieberelements freigegeben ist, in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 75% liegt.

8. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens ein Trennelement (f) vorgesehen ist, mittels welchem die Längenbereiche (a, d) fluidisch voneinander getrennt sind.

9. Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Voluten-Düsenbreite (bvoiute) so groß ist, dass der Winkel α_Ί kleiner oder gleich 25° ist.

10. Turbine (10) nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Trennelement (f) in einer korrespondierenden Nut (48) des Leitelements (18) eingerastet ist.