WO2014056574A1 - Verstellbarer leitapparat für einen abgasführungsabschnitt einer turbine, und abgasturbolader - Google Patents

Verstellbarer leitapparat für einen abgasführungsabschnitt einer turbine, und abgasturbolader Download PDF

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WO2014056574A1
WO2014056574A1 PCT/EP2013/002864 EP2013002864W WO2014056574A1 WO 2014056574 A1 WO2014056574 A1 WO 2014056574A1 EP 2013002864 W EP2013002864 W EP 2013002864W WO 2014056574 A1 WO2014056574 A1 WO 2014056574A1
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cross
sectional thickness
exhaust gas
ring
adjustable
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PCT/EP2013/002864
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Inventor
Lorenz Jaenike
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Ihi Charging Systems International Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/026—Scrolls for radial machines or engines
    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to an adjustable nozzle for an exhaust gas guide section of a turbine according to the preamble of claim 1 and to an exhaust gas turbocharger according to claim 8.
  • Adjustable guide vanes for an exhaust gas guide section of a turbine are known; in particular, an adjustable guide device for an exhaust gas guide section of a turbine of an exhaust gas turbocharger is disclosed in EP 1 642 009 B1.
  • the adjustable nozzle comprises a bearing ring on which a plurality of vanes are positioned rotatably mounted.
  • the bearing ring is arranged opposite a contoured ring, wherein the bearing ring and the contoured ring are spaced apart in the axial direction, such that an inflow channel between the contoured ring and the bearing ring is formed.
  • a plurality of guide vanes are positioned in the inflow passage, wherein the plurality of vanes are movably mounted at least on the bearing ring relative to the bearing ring,
  • Diaphragm is an effective flow cross section upstream of a turbine wheel adjustable, the turbine wheel is formed by the adjustable diffuser largely comprehensible.
  • the vanes are each rotatably mounted on a guide shaft on the bearing ring and are synchronously adjustable. This means that a flow gap formed between adjacent guide vanes is adjustable in its radial extent.
  • the exhaust gas flow passage portion flowing through fluid quantities, usually exhaust gas of an internal combustion engine, a relatively high pressure upstream of the Turbine wheel to produce, so that, even at low amounts of exhaust gas, high pressure gradient on the turbine wheel can be achieved.
  • the effective efficiency of the exhaust gas turbocharger is adapted to the operation of the internal combustion engine.
  • Efficiency can be achieved. Furthermore, it is the object of the present invention to provide an exhaust gas turbocharger with improved efficiency.
  • Such an adjustable guide for an exhaust gas guide section of a turbine comprises a contoured ring and a bearing ring, which are spaced apart in the axial direction to form an inflow channel positioned between the contoured ring and the bearing ring.
  • a plurality of vanes is positioned, wherein vanes of the plurality of vanes are each mounted at least on the bearing ring movable relative to the bearing ring.
  • the adjustable guide device is characterized in that the contoured ring has a cross-sectional thickness which is at least partially variable.
  • the advantage is that, as a result, the contoured ring can be designed such that flow losses of a quantity of fluid flowing through the exhaust-gas guide section, as a rule exhaust gas of an internal combustion engine, can be substantially reduced.
  • Adjustable nozzles are usually formed separately from the exhaust gas guide section. That means that the adjustable diffuser with its components like For example, contour ring, bearing ring, or vanes is pre-assembled as insert component and is inserted in its assembled state in the exhaust gas guide section. Usually, an area of the contour ring protrudes into a spiral channel of the
  • contour ring formed with a variable cross-sectional thickness, it is possible to adjust the contour of the contour ring flow conditions, such that flow losses are reduced and the effective turbine efficiency compared to a turbine without inventive adjustable diffuser is significantly raised.
  • contour ring can continue to be produced by means of a cost-effective punching method, so that a production of the contour ring of the
  • the nozzle according to the invention is almost cost-neutral compared to the production of a contoured ring for an adjustable nozzle according to the prior art.
  • the variably formed cross-sectional thickness is formed in an inflow region of the inflow channel, wherein the variable cross-sectional thickness is particularly effective in the region upstream of the guide vanes, so that the amount of exhaust gas flowing into the inflow channel has substantially reduced flow losses.
  • the contour ring advantageously has the cross-sectional thickness variable in the radial direction, along a preferred flow direction of the exhaust gas amount. This makes it possible to make the contour ring as low as possible, starting from the inlet region in the flow direction of the exhaust gas amount.
  • the cross-sectional thickness increases starting from a largest outer diameter of a second side surface of the contoured ring in the axial direction in the direction of the inflow channel and in the radial direction in the direction of a longitudinal axis of the contouring ring up to a maximum cross-sectional thickness.
  • the contour ring forms a funnel-like inflow wall of the inflow channel in the inflow region. In other words, that is
  • annular disk-shaped inflow channel which at an adjustable
  • Diaphragm according to the prior art two planar side walls formed is formed, in the adjustable diffuser invention now a flat Side wall, which is formed by means of the bearing ring and one, at least in the inflow region and thus at least partially, formed streamlined side wall having.
  • the amount of exhaust gas is thus selectively and with the reduction of flow losses supplied to the guide vanes, after flowing through between the guide vanes formed effective flow cross-sectional areas of the
  • the increase in the cross-sectional thickness up to the maximum cross-sectional thickness is continuous, so that flow losses due to discontinuities of a formed with the aid of the cross-sectional thickness contour of the contour ring are reduced or avoidable
  • an effective flow cross-section is formed between adjacently arranged guide vanes. If the contoured ring makes the cross-sectional thickness variable in the circumferential direction, it is possible to influence the respective effective flow cross-section, so that a further reduction of flow losses can be brought about here.
  • bays in the inlet region can be specifically designed in the areas of the respective effective flow cross-section, with which the loss reduction can be realized.
  • variable nozzle With high amounts of exhaust gas, the variable nozzle is usually set in a fully open position, that is, it is most effective between the adjacent vanes
  • the adjustable nozzle is usually set in a completely closed position with very small amounts of exhaust gas, so that here smallest effective flow cross-sections between adjacent vanes is formed.
  • completely closed does not mean that exhaust gas can no longer pass from the inflow channel via the turbine wheel into an outlet channel of the exhaust gas guide section, but completely closed means for an adjustable nozzle the position in which the effective one Flow cross section smallest in comparison with the effective
  • the inflow region can thus be optimally adapted for each vane by means of the contour ring, taking account of vane positions between the two extreme positions of the adjustable diffuser, the fully open position and the fully closed position.
  • this is the cross-sectional thickness, starting from a largest circumferential thickness in the circumferential direction decreasing formed to a smallest circumferential thickness, starting from the smallest circumferential thickness in
  • the supply and / or the decrease in the cross-sectional thickness in the circumferential direction is also continuously formed here to achieve favorable and low-loss flow conditions.
  • the object of providing an exhaust gas turbocharger with improved efficiency achieved in that the exhaust gas turbocharger comprises a turbine with an exhaust gas guide portion in which an adjustable nozzle is arranged, said adjustable nozzle having the features of one of claims 1 to 8.
  • an exhaust gas turbocharger with an improved efficiency can be realized.
  • the advantage of an exhaust gas turbocharger with improved efficiency is the fact that a the exhaust gas turbocharger associated
  • Internal combustion engine in particular reciprocating internal combustion engine, can be charged efficiently, resulting in a lower fuel consumption and lower C0 2 emissions result.
  • the drawing shows in: 1 shows a detail of a schematic longitudinal sectional view
  • Adjustable control device for a
  • Fig. 2 shows a detail of a plan view of the adjustable nozzle according to
  • Fig. 3 shows a detail of a perspective view of the adjustable
  • An inventive adjustable nozzle 1 for an exhaust gas guide section 2 of a turbine 3, in particular for a turbine 3 of an exhaust gas turbocharger 15 of a combustion engine designed as a reciprocating internal combustion engine of a motor vehicle is constructed as shown in FIG.
  • the turbine 3 comprises the flow-through exhaust gas guide section 2, which by means of a non-illustrated
  • Fresh air duct section is connected. Furthermore, the exhaust gas turbocharger 15, a not-shown rotor tool comprising a turbine not shown in detail, which is rotatably received in the exhaust guide portion, a not-shown compressor wheel, which is rotatably positioned in the fresh air guide section and a compressor wheel rotatable with the turbine wheel connecting shaft, wherein the shaft is rotatably mounted in the bearing section.
  • a not-shown rotor tool comprising a turbine not shown in detail, which is rotatably received in the exhaust guide portion, a not-shown compressor wheel, which is rotatably positioned in the fresh air guide section and a compressor wheel rotatable with the turbine wheel connecting shaft, wherein the shaft is rotatably mounted in the bearing section.
  • the exhaust gas guide section 2 has a spiral channel 7, which via an unspecified, upstream of the spiral channel 7 in the exhaust gas guide section. 2
  • an inflow channel 8 is formed in the exhaust gas guide section 2, which opens into a wheel chamber 9 of the exhaust gas guide section 2, in which the turbine wheel is rotatably arranged. Downstream of the wheel chamber 9 is not closer in the exhaust gas guide section 2 formed outlet channel, via which the exhaust gas flowing into the exhaust gas guide section 2 can escape from the exhaust gas guide section 2.
  • the adjustable guide device 1 is accommodated in the exhaust gas guide section 2, with the aid of which the flow of the turbine wheel through the exhaust gas can be conditioned.
  • the adjustable guide 1 essentially comprises a bearing ring 4, a
  • the bearing ring 4 and the contour ring 5 are spaced apart from each other while forming the inflow channel 8 in the axial direction.
  • the inflow channel 8 is limited in the axial direction at least partially on the one hand by the bearing ring 4 and on the other hand by the contour ring 5.
  • the contour ring 5 is also used as a counter contour element or
  • contour element Designates contour element, as it has at least partially a mating contour which corresponds at least substantially to an outer contour of the turbine wheel, not shown.
  • the adjustable guide 1 comprises the plurality of guide vanes 6, which are rotatably mounted both on the bearing ring 4 and on the contour ring 5. Likewise, the plurality of vanes 6 could also be rotatably arranged only on the bearing ring 4. Furthermore, a sealing element 10 is formed for the gas-tight delimitation of the spiral channel 7 and the wheel chamber 9 and the outlet channel.
  • the contoured ring 5 is rotationally symmetrical in cross-section L-shaped and has a predominantly the bearing ring 4 facing positioned first side surface 11 and a predominantly facing away from the bearing ring 4 second side surface 12. In a region of the contour ring 5 facing the turbine wheel, the first side surface is
  • the exhaust gas guide portion 2 is formed facing.
  • a distance is formed which describes a cross-sectional thickness QD or a wall thickness QD of the contour ring 5.
  • the cross-sectional thickness QD is at least partially variable.
  • the contour ring 5 has no, over the entire Contour ring 5 uniformly formed cross-sectional thickness QD on.
  • the second side surface 12 of the contour ring 5, which faces away from the bearing ring 4, is designed to be largely planar, so that the first side surface 11 has a design deviating from a planar design.
  • the cross-sectional thickness QD is formed predominantly variable in an inflow region 13 of the inflow channel 8, so that an improved flow of the plurality of guide vanes 6 is brought about.
  • variable cross-sectional thickness QD is formed so variable that starting from a largest outer diameter AD of the second side surface 12 of the contour ring 5 an increase in the axial direction in the direction of the inflow 8 and in the radial direction in the direction of a longitudinal axis 14 of the contour ring 5 up to a maximum cross-sectional thickness QDmax is induced, whereby the increase of the
  • Cross-sectional thickness QD is continuous, that is, edges in the course of the increase in the cross-sectional thickness QD and thus on the first side surface 11 are avoided.
  • the contoured ring 5 thus has a rounded contour in the inflow region 13, which improves the flow behavior of the exhaust gas flowing into the inflow channel 8.
  • the contoured ring 5 has the cross-sectional thickness QD variable also in the circumferential direction, wherein the cross-sectional thickness QD is alternately increasing and decreasing in the circumferential direction.
  • This contour ring 5 is formed as shown in FIG. 2.
  • the alternating variable cross-sectional thickness QD is decreasing from a largest cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmax to a smallest
  • Cross-sectional thickness is formed in the circumferential direction UDmin. Is the smallest
  • Cross-sectional thickness QD up to the largest cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmax. This alternating change in the cross-sectional thickness QD over the circumference is continuous, so that edges and other discontinuities, which adversely affect flow characteristics and thus the flow behavior of the exhaust gas, are avoided.
  • Cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmin indicate the maximum values of the cross-sectional thickness QD in the circumferential direction.
  • the circumferential direction UDmax can, but does not necessarily have to have the same value of the maximum cross-sectional thickness QDmax, but may have a value deviating from the value of the maximum cross-sectional thickness QDmax.
  • the over the circumference alternating cross-sectional thickness QD is regular in this embodiment, that is, that are formed in always equal intervals over the circumference of equal increments and decreases in the cross-sectional thickness QD. This is due to the regular arrangement of the guide vanes 6 of the plurality of vanes 6, as the top view. Fig. 2 shows.
  • the increase and decrease is formed depending on the guide vanes 6, wherein in a fully open position, the minimum cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmin in the region of a blade tip 16 is formed and the maximum cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmax in the region of a bearing 17 of the guide vane 6 is configured.
  • the arrangement of the vanes 6 on the bearing ring 4 is uneven, in other words, the distances between the bearings 17 of the vanes 6 are different in size.
  • the circumferentially alternating cross-sectional thickness QD is also nonuniformly alternating.
  • the increase in the cross-sectional thickness QD to the maximum cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmax and the subsequent decrease in the cross-sectional thickness QD to the minimum cross-sectional thickness in the circumferential direction UDmin over a larger circumferential angle are formed as the increase and decrease of the cross-sectional thickness QD at a smaller distance between the bearings 17 adjacent vanes.
  • FIG 3 shows a perspective view of a section of the adjustable guide apparatus 1 according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine, mit einem Konturring (5) und einem Lagerring (4), welche unter Ausbildung eines zwischen dem Konturring (5) und dem Lagerring (4) positionierten Zuströmkanals (8) in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, und mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln (6), welche im Zuströmkanal (8) positioniert sind, wobei die Mehrzahl von Leitschaufeln (6) mindestens an dem Lagerring (4) relativ zu dem Lagerring (4) bewegbar gelagert sind. Erfindungsgemäß weist der Konturring (5) eine Querschnittsdicke (QD) auf, welche mindestens abschnittsweise veränderlich ausgebildet ist, wobei die Querschnittsdicke (QD) in Umfangsrichtung alternierend zu- und abnehmend ausgebildet ist.

Description

Verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine,
und Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Abgasturbolader gemäß des Anspruchs 8.
Es sind verstellbare Leitapparate für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine bekannt, insbesondere geht ein verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine eines Abgasturboladers aus der EP 1 642 009 B1 hervor. Der verstellbare Leitapparat umfasst einen Lagerring, an welchem eine Mehrzahl von Leitschaufeln verdrehbar gelagert positioniert sind. Dem Lagerring ist ein Konturring gegenüberliegend angeordnet, wobei der Lagerring und der Konturring in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, derart, dass ein Zuströmkanal zwischen dem Konturring und dem Lagerring ausgebildet ist. Im Zuströmkanal ist eine Mehrzahl von Leitschaufeln positioniert, wobei die Mehrzahl von Leitschaufeln mindestens an dem Lagerring relativ zu dem Lagerring bewegbar gelagert sind,
Der verstellbare Leitapparat ist vorgesehen zur Steigerung eines effektiven
Wirkungsgrades des Abgasturboladers im Betrieb. Mit Hilfe des verstellbaren
Leitapparates ist ein effektiver Strömungsquerschnitt stromauf eines Turbinenrades einstellbar, wobei das Turbinenrad von dem verstellbaren Leitapparat weitestgehend umfassbar ausgebildet ist. Die Leitschaufeln sind jeweils an einer Leitschaufelwelle verdrehbar am Lagerring gelagert und sind synchron verstellbar. Das heißt, dass ein zwischen nebeneinander positionierten Leitschaufeln ausgebildeter Strömungsspalt in seiner radialen Erstreckung einstellbar ist. Somit besteht die Möglichkeit beispielsweise bei geringen, den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluidmengen, in der Regel Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, einen relativ hohen Druck stromauf des Turbinenrades zu erzeugen, so dass ein, selbst bei geringen Abgasmengen, hohes Druckgefälle am Turbinenrad erzielbar ist.
Das heißt, dass mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates ist der effektive Wirkungsgrad des Abgasturboladers an den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ausgebildet.
Allerdings ist der effektive Wirkungsgrad des Abgasturboladers auch von den
Strömungsverhältnissen im Abgasführungsabschnitt abhängig, wobei Unstetig keiten insbesondere im Bereich eines stromauf des Zuströmkanals angeordneten Spiralkanals zur Reduzierung des effektiven Wirkungsgrades führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine der eingangs genannten Art derart
weiterzuentwickeln, dass ein effizienteren Betrieb bzw. ein verbesserter effektiver
Wirkungsgrad erzielbar ist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Abgasturbolader mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen verstellbaren Leitapparat für einen
Abgasführungsabschnitt einer Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Abgasturbolader gemäß dem Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein solcher verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine umfasst einen Konturring und einen Lagerring, welche unter Ausbildung eines zwischen dem Konturring und dem Lagerring positionierten Zuströmkanals in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Im Zuströmkanal ist eine Mehrzahl von Leitschaufeln positioniert, wobei Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln jeweils mindestens an dem Lagerring relativ zu dem Lagerring bewegbar gelagert sind.
Der erfindungsgemäße verstellbare Leitapparat zeichnet sich dadurch aus, dass der Konturring eine Querschnittsdicke aufweist, welche mindestens abschnittsweise veränderlich ausgebildet ist. Der Vorteil ist, dass dadurch der Konturring so gestaltbar ist, dass Strömungsverluste einer den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluidmenge, in der Regel Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wesentlich reduzierbar sind.
Verstellbare Leitapparate sind üblicherweise separat vom Abgasführungsabschnitt ausgebildet. Das heißt, dass der verstellbare Leitapparat mit seinen Komponenten wie beispielsweise Konturring, Lagerring, oder Leitschaufeln als Einsatzbauteil vormontiert wird und in seinem montierten Zustand in den Abgasführungsabschnitt eingefügt wird. Dabei ragt üblicherweise ein Bereich des Konturrings in einen Spiralkanal des
Abgasführungsabschnitts hinein, so dass die den Abgasführungsabschnitt
durchströmende Abgasmenge Strömungsverluste aufgrund des in den Spiralkanal hineinragenden Konturrings erfährt. Diese Strömungsverluste führen zu einer Reduzierung eines effektiven Wirkungsgrades der Turbine.
Ist nun der Konturring mit einer veränderlichen Querschnittsdicke ausgebildet, so besteht die Möglichkeit die Kontur des Konturrings den Strömungsbedingungen anzupassen, derart, dass Strömungsverluste reduziert werden und der effektive Turbinenwirkungsgrad gegenüber einer Turbine ohne erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat deutlich angehoben ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Konturring weiterhin mit Hilfe eines kostengünstigen Stanzverfahrens herstellbar ist, so dass eine Herstellung des Konturrings des
erfindungsgemäßen Leitapparates nahezu kostenneutral im Vergleich zur Herstellung eines Konturringes für einen verstellbaren Leitapparat gemäß dem Stand der Technik ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist die veränderlich ausgebildete Querschnittsdicke in einem Einströmbereich des Zuströmkanals ausgebildet, wobei besonders effektiv die veränderliche Querschnittsdicke im Bereich stromauf der Leitschaufeln ausgebildet ist, so dass die in den Zuströmkanal strömende Abgasmenge wesentlich reduzierte Strömungsverluste aufweist.
Der Konturring weist vorteilhafterweise die Querschnittsdicke in radialer Richtung veränderlich auf, entlang einer bevorzugten Strömungsrichtung der Abgasmenge. Dadurch ist es möglich, den Konturring ausgehend von dem Eintrittsbereich in Strömungsrichtung der Abgasmenge möglichst verlustarm zu gestalten. Bevorzugt ist die Querschnittsdicke ausgehend von einem größten Außendurchmesser einer zweiten Seitenfläche des Konturrings in axialer Richtung in Richtung des Zuströmkanals und in radialer Richtung in Richtung einer Längsachse des Konturrings bis zu einer maximalen Querschnittsdicke zunimmt. Das bedeutet, dass der Konturring eine trichterähnliche Einströmwandung des Zuströmkanals im Einströmbereich ausbildet. Mit anderen Worten ist der
ringscheibenförmig ausgebildete Zuströmkanal, welcher bei einem verstellbaren
Leitapparat gemäß des Standes der Technik zwei ebene Seitenwandungen aufweisend ausgebildet ist, bei dem erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat nun eine ebene Seitenwandung, welche mit Hilfe des Lagerrings ausgebildet ist und eine, zumindest im Einströmbereich und somit zumindest teilweise, stromlinienförmige Seitenwandung aufweisend ausgebildet. Die Abgasmenge wird somit gezielt und unter Reduzierung von Strömungsverlusten den Leitschaufeln zugeführt, um nach Durchströmen von zwischen den Leitschaufeln ausgebildeten effektiven Strömungsquerschnittsflächen dem
Turbinenrad zugeführt zu werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zunahme der Querschnittsdicke bis zur maximalen Querschnittsdicke stetig ausgebildet, so dass Strömungsverluste aufgrund von Unstetigkeiten einer mit Hilfe der Querschnittsdicke ausgebildeten Kontur des Konturrings verringert bzw. vermeidbar sind
Ein ausgeprägte Reduzierung von Strömungsverlusten ist dann gegeben, weist der Konturring die Querschnittsdicke in Umfangsrichtung veränderlich auf, da mit Hilfe dieser Ausgestaltung auch in Umfangsrichtung Einfluss auf die den Zuströmkanal
durchströmende Abgasmenge zu nehmen ist. Grundsätzlich ist zwischen benachbart angeordneten Leitschaufeln jeweils ein effektiver Strömungsquerschnitt ausgebildet. Ist der Konturring die Querschnittsdicke in Umfangsrichtung veränderlich ausgestaltet, ist es möglich auf den jeweiligen effektiven Strömungsquerschnitt Einfluss zu nehmen, so dass hier eine weitere Reduzierung von Strömungsverlusten herbeigeführt werden kann.
Insbesondere, wenn die Querschnittsdicke in Umfangsrichtung alternierend zu- und abnehmend ausgebildet ist, können so zu sagen Buchten im Eintrittsbereich gezielt in den Bereichen des jeweiligen effektiven Strömungsquerschnitts ausgebildet werden, mit denen die Verlustreduzierung realisierbar ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich der effektive Strömungsquerschnitt für unterschiedliche Positionen der Leitschaufeln ändert. Bei hohen Abgasmengen ist in der Regel der verstellbare Leitapparat in einer vollständig geöffneten Position eingestellt, das heißt, es ist zwischen den benachbarten Leitschaufeln ein größter effektiver
Strömungsquerschnitt ausgebildet. Demgegenüber ist bei ganz geringen Abgasmengen der verstellbare Leitapparat in der Regel in einer vollständig geschlossenen Position eingestellt, so dass hier kleinste effektive Strömungsquerschnitte zwischen einander benachbarten Leitschaufeln ausgebildet ist. Vollständig geschlossen bedeutet allerdings nicht, dass kein Abgas mehr aus dem Zuströmkanal über das Turbinenrad in einen Austrittskanal des Abgasführungsabschnitts gelangen kann, sondern vollständig geschlossen bedeutet für einen verstellbaren Leitapparat die Position in der der effektive Strömungsquerschnitt am kleinsten im Vergleich mit den effektiven
Strömungsquerschnitten aller weiteren möglichen Positionen ist.
Mit der alternierenden Ausbildung der veränderlichen Querschnittsdicke kann somit für jede Leitschaufel der Einströmbereich mit Hilfe des Konturrings optimiert angepasst werden, und zwar unter Berücksichtigung von Schaufelstellungen zwischen den beiden Extrempositionen des verstellbaren Leitapparates, der vollständig geöffneten Position und der vollständig geschlossenen Position. Insbesondere ist hierzu die Querschnittsdicke ausgehend von einer größten Umfangsdicke in Umfangsrichtung abnehmend bis zu einer kleinsten Umfangsdicke ausgebildet, wobei ab der kleinsten Umfangsdicke in
Umfangsrichtung eine Zunahme der Querschnittsdicke bis zur größten Umfangsdicke erfolgt. Vorteilhafterweise ist auch hier zur Erzielung günstiger und geringe Verluste aufweisende Strömungsverhältnisse die Zu- und/oder die Abnahme der Querschnittsdicke in Umfangsrichtung stetig ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe einen Abgasturbolader mit einem verbesserten Wirkungsgrad anzugeben, dadurch gelöst, dass der Abgasturbolader eine Turbine mit einem Abgasführungsabschnitt umfasst, in welchem ein verstellbaren Leitapparat angeordnet ist, wobei dieser verstellbare Leitapparat die Merkmale gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist. Damit ist ein Abgasturbolader mit einem verbesserten Wirkungsgrad realisierbar. Der Vorteil eines Abgasturboladers mit einem verbesserten Wirkungsgrad ist darin zu sehen, dass eine dem Abgasturbolader zugeordnete
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, effizient aufgeladen werden kann, woraus ein geringerer Kraftstoffverbrauch sowie geringere C02-Emissionen resultieren.
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.
Die Zeichnung zeigt in: Fig. 1 einen Ausschnitt einer schematischen Längsschnittansicht
erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates für einen
Abgasführungsabschnitt einer Turbine,
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Draufsicht des verstellbaren Leitapparates gemäß
Fig. 1 und
Fig. 3 einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht des verstellbaren
Leitapparates gem. Fig. 1
Ein erfindungsgemäßer verstellbarer Leitapparat 1 für einen Abgasführungsabschnitt 2 einer Turbine 3, insbesondere für eine Turbine 3 eines Abgasturboladers 15 einer als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens ist gemäß Fig. 1 aufgebaut. Die Turbine 3 umfasst den durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 2, welcher mit Hilfe eines nicht näher dargestellten
Lagerabschnitts mit einem nicht näher dargestellten durchströmbaren
Frischluftführungsabschnitt verbunden ist. Des Weiteren weist der Abgasturbolader 15 ein nicht näher dargestelltes Laufzeug, umfassend ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad, welches im Abgasführungsabschnitt drehbar aufgenommen ist, ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad, welches im Frischluftführungsabschnitt drehbar positioniert ist sowie ein das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehbaren verbindende Welle auf, wobei die Welle im Lagerabschnitt drehbar gelagert ist.
Das Turbinenrad wird im Betrieb der Turbine 3 von den Abgasführungsabschnitt 2 durchströmenden Abgas, in der Regel das Abgas der Verbrennungskraftmaschine, angeströmt und in eine Drehbewegung versetzt. Mit Hilfe der drehfesten Verbindung des Verdichterrades mit dem Turbinenrad wird das Verdichterrad in eine Drehbewegung versetzt, so dass es Frischluft ansaugen und verdichten kann, welches der
Verbrennungskraftmaschine zu Verfügung gestellt wird.
Der Abgasführungsabschnitt 2 weist einen Spiralkanal 7 auf, welchem über einen nicht näher dargestellten, stromauf des Spiralkanals 7 im Abgasführungsabschnitt 2
angeordneten Einströmkanal Abgas zuführbar ist. Stromab des Spiralkanals 7 ist ein Zuströmkanal 8 im Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildet, welcher in eine Radkammer 9 des Abgasführungsabschnitts 2 mündet, in welcher das Turbinenrad drehbar angeordnet ist. Stromab der Radkammer 9 ist im Abgasführungsabschnitt 2 ein nicht näher dargestellter Austrittskanal ausgebildet, über welchen das in den Abgasführungsabschnitt 2 einströmende Abgas aus dem Abgasführungsabschnitt 2 austreten kann.
Zur optimalen Nutzung des durch den Abgasführungsabschnitt 2 strömenden Abgases ist im Abgasführungsabschnitt 2 der verstellbare Leitapparat 1 aufgenommen, mit Hilfe dessen die Anströmung des Turbinenrades durch das Abgas konditionierbar ist.
Der verstellbare Leitapparat 1 umfasst im Wesentlichen einen Lagerring 4, einen
Konturring 5 und eine zwischen dem Lagerring 4 und Konturring 5 verstellbar positionierte Mehrzahl von Leitschaufeln 6, wobei die jeweiligen Leitschaufeln 6 der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 mindestens am Lagerring 4 drehbar gelagert sind.
Der Lagerring 4 und der Konturring 5 sind unter Ausbildung des Zuströmkanals 8 in axialer Richtung voneinander beabstandet. Mit anderen Worten ist der Zuströmkanal 8 in axialer Richtung zumindest teilweise einerseits von dem Lagerring 4 und andererseits von dem Konturring 5 begrenzt. Der Konturring 5 wird auch als Gegenkonturelement oder
Konturelement bezeichnet, da es zumindest bereichsweise eine Gegenkontur aufweist, welche zumindest im Wesentlichen mit einer Außenkontur des nicht näher dargestellten Turbinenrads korrespondiert.
Der verstellbare Leitapparat 1 umfasst die Mehrzahl von Leitschaufeln 6, welche sowohl am Lagerring 4 als auch am Konturring 5 drehbar gelagert sind. Ebenso könnte die Mehrzahl von Leitschaufeln 6 auch nur am Lagerring 4 drehbar angeordnet sein. Des Weiteren ist ein Dichtelement 10 ausgebildet zur gasdichten Abgrenzung des Spiralkanals 7 und der Radkammer 9 bzw. des Austrittskanals.
Der Konturring 5 ist rotationssymmetrisch, im Querschnitt L-förmig ausgebildet und weist eine überwiegend dem Lagerring 4 zugewandt positionierte erste Seitenfläche 11 und eine überwiegend vom Lagerring 4 abgewandt positionierte zweite Seitenfläche 12 auf. In einem dem Turbinenrad zugewandten Bereich des Konturrings 5 ist die erste Seitenfläche
11 bereichsweise dem Turbinenrad zugewandt ausgebildet, wobei die zweite Seitenfläche
12 in diesem Bereich vom Turbinenrad abgewandt, dem Abgasführungsabschnitt 2 zugewandt ausgebildet ist.
Zwischen der ersten Seitenfläche 11 und der zweiten Seitenfläche 12 ist ein Abstand ausgebildet, welcher eine Querschnittsdicke QD bzw. eine Wanddicke QD des Konturrings 5 beschreibt. Die Querschnittsdicke QD ist mindestens abschnittsweise veränderlich ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Konturring 5 keine, über den gesamten Konturring 5 einheitlich ausgebildete Querschnittsdicke QD auf. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die vom Lagerring 4 abgewandt positionierten zweite Seitenfläche 12 des Konturrings 5 weitestgehend eben ausgebildet, so dass die erste Seitenfläche 11 einen von einer ebenen Ausbildung abweichende Ausbildung aufweist.
Die Querschnittsdicke QD ist überwiegend veränderlich in einem Einströmbereich 13 des Zuströmkanals 8 ausgebildet, so dass eine verbesserte Anströmung der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 herbeigeführt wird.
Die veränderliche Querschnittsdicke QD ist derart veränderlich ausgebildet, dass ausgehend von einem größten Außendurchmesser AD der zweiten Seitenfläche 12 des Konturrings 5 eine Zunahme in axialer Richtung in Richtung des Zuströmkanals 8 und in radialer Richtung in Richtung einer Längsachse 14 des Konturrings 5 bis zu einer maximalen Querschnittsdicke QDmax herbeigeführt ist, wobei die Zunahme der
Querschnittsdicke QD stetig erfolgt, das heißt, Kanten im Verlauf der Zunahme der Querschnittsdicke QD und somit an der ersten Seitenfläche 11 sind vermieden. Der Konturring 5 weist somit im Einströmbereich 13 eine abgerundete Kontur auf, welche das Strömungsverhalten des in den Zuströmkanal 8 einströmenden Abgases verbessert.
Des Weiteren weist der Konturring 5 die Querschnittsdicke QD auch in Umfangsrichtung veränderlich auf, wobei die Querschnittsdicke QD in Umfangsrichtung alternierend zu- und abnehmend ausgebildet ist. Dieser Konturring 5 ist gemäß Fig. 2 ausgebildet. Die alternierende veränderliche Querschnittsdicke QD ist ausgehend von einer größten Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmax abnehmend bis zu einer kleinsten
Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmin ausgebildet ist. Ist die kleinste
Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmin erreicht, erfolgt eine Zunahme der
Querschnittsdicke QD bis zur größten Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmax. Diese alternierende Veränderung der Querschnittsdicke QD über den Umfang ist stetig ausgebildet, so dass Kanten und weitere Unstetigkeiten, welche Strömungseigenschaften und somit das Strömungsverhalten des Abgases ungünstig beeinflussen, vermieden sind.
Die größte Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmax und die kleinste
Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmin kennzeichnen die maximalen Werte der Querschnittsdicke QD in Umfangsrichtung. Die größte Querschnittsdicke in
Umfangsrichtung UDmax kann, muss aber nicht zwingend einen gleichen Wert der maximalen Querschnittsdicke QDmax aufweisen, sondern kann einen von dem Wert der maximalen Querschnittsdicke QDmax abweichenden Wert aufweisen. Die über den Umfang alternierende Querschnittsdicke QD ist in diesem Ausführungsbeispiel regelmäßig, das heißt, dass in immer gleich großen Abständen über dem Umfang gleich große Zu- und Abnahmen der Querschnittsdicke QD ausgebildet sind. Dies ist auf die regelmäßig Anordnung der Leitschaufeln 6 der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 zurückzuführen, wie die Draufsicht gem. Fig. 2 zeigt. Die Zu- und Abnahme ist abhängig von den Leitschaufeln 6 ausgebildet, wobei in einer vollständig geöffneten Position die minimale Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmin im Bereich einer Schaufelspitze 16 ausgebildet ist und die maximale Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmax im Bereich einer Lagerstelle 17 der Leitschaufel 6 ausgestaltet ist.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der Leitschaufeln 6 am Lagerring 4 ungleichmäßig, mit anderen Worten sind die Abstände zwischen den Lagerstellen 17 der Leitschaufeln 6 unterschiedlich groß. In diesem Ausführungsbeispiel ist die über den Umfang alternierende Querschnittsdicke QD ebenfalls ungleichmäßig alternierend. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass sofern ein großer Abstand zwischen den Lagerstellen 17 der benachbarten Leitschaufeln 6 ausgebildet ist, die Zunahme der Querschnittsdicke QD bis zur maximalen Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmax und die sich anschließende Abnahme der Querschnittsdicke QD bis zur minimalen Querschnittsdicke in Umfangsrichtung UDmin über einen größeren Umfangswinkel ausgebildet sind als die Zu- und Abnahme der Querschnittsdicke QD bei einem kleineren Abstand der Lagerstellen 17 benachbarter Leitschaufeln 6.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates 1.

Claims

Patentansprüche
1. Verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine, mit einem Konturring (5) und einem Lagerring (4), welche unter Ausbildung eines zwischen dem Konturring (5) und dem Lagerring (4) positionierten Zuströmkanals (8) in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, und mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln (6), welche im Zuströmkanal (8) positioniert ist, wobei die Mehrzahl von Leitschaufeln (6) mindestens an dem Lagerring (4) relativ zu dem Lagerring (4) bewegbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Konturring (5) eine Querschnittsdicke (QD) aufweist, welche mindestens
abschnittsweise veränderlich ausgebildet ist, wobei die Querschnittsdicke (QD) in Umfangsrichtung alternierend zu- und abnehmend ausgebildet ist.
2. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die veränderlich ausgebildete Querschnittsdicke (QD) in einem Einströmbereich (13) des Zuströmkanals (8) ausgebildet ist.
3. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Konturring (8) die Querschnittsdicke (QD) in radialer Richtung veränderlich aufweist.
4. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Querschnittsdicke (QD) ausgehend von einem größten Außendurchmesser (AD) einer zweiten Seitenfläche (12) des Konturrings (5) in axialer Richtung in Richtung des Zuströmkanals (8) und in radialer Richtung in Richtung einer Längsachse (14) des Konturrings (5) bis zu einer maximalen Querschnittsdicke (QDmax) zunimmt.
5. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Querschnittsdicke (QD) bis zur maximalen Querschnittsdicke (QDmax) stetig ausgebildet ist.
6. Verstellbarer Leitapparat nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Querschnittsdicke (QD) ausgehend von einer größten Umfangsdicke (UDmax) in Umfangsrichtung abnehmend bis zu einer kleinsten Umfangsdicke (UDmin) ausgebildet ist, wobei ab der kleinsten Umfangsdicke (UDmin) in Umfangsrichtung eine Zunahme der Querschnittsdicke (QD) bis zur größten Umfangsdicke (UDmax) ausgebildet ist.
7. Verstellbarer Leitapparat nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zu- und/oder die Abnahme der Querschnittsdicke (QD) in Umfangsrichtung stetig ausgebildet ist.
8. Abgasturbolader, umfassend eine Turbine (3) mit einem Abgasführungsabschnitt (2) aufweisend einen verstellbaren Leitapparat (1 ),
dadurch gekennzeichnet, dass
der verstellbare Leitapparat (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
PCT/EP2013/002864 2012-10-08 2013-09-24 Verstellbarer leitapparat für einen abgasführungsabschnitt einer turbine, und abgasturbolader WO2014056574A1 (de)

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