WO2017140756A1

WO2017140756A1 - Mixed-flow-turbinenrad eines abgasturboladers sowie abgasturbine mit einem solchen turbinenrad

Info

Publication number: WO2017140756A1
Application number: PCT/EP2017/053460
Authority: WO
Inventors: Florian Frese
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2018-08-17
Also published as: CN108699912B; DE102016102732A1; CN108699912A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mixed-Flow-Turbinenrad (10) eines Abgasturboladers mit mehreren, über den Umfang verteilt angeordneten Schaufeln (14), wobei mindestens eine Schaufel (14) eine Eintrittskante (20) aufweist, welche in Bezug auf eine Drehachse (12) des Turbinenrades (10) zumindest teilweise eine gekrümmte axial-radiale Orientierung mit einem variierenden Schaufelwinkel β aufweist, wobei der Schaufelwinkel ß entlang der Eintrittskante (20) betrachtet von einer Nabenseite (26) zu einer Gehäuseseite (28) in einem mittleren Bereich (30) ein Minimum β_min aufweist.

Description

Beschreibung

„Mixed-Flow-Turbinenrad eines Abgasturboladers sowie Abgasturbine mit einem solchen

Turbinenrad"

Die Erfindung betrifft ein Mixed-Flow-Turbinenrad eines Abgasturboladers gemäß dem

Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abgasturbine mit einem solchen Turbinenrad.

Insbesondere betrifft die Erfindung Abgasturbinen und Abgasturbolader, die in Verbindung mit Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen eingesetzt werden, vor allem in Kraftfahrzeugen.

Aus dem Stand der Technik sind als Turbinenradtypen sogenannte Radialturbinenräder und Mixed-Flow-Turbinenräder bekannt. Diese Turbinenradtypen unterscheiden sich im

Wesentlichen durch die Einströmrichtung des Abgases. In Radialturbinenräder strömt das Abgas ausschließlich in radialer Richtung ein, in Mixed-Flow-Turbinenräder strömt das Abgas in axial-radialer Richtung ein. Mixed-Flow-Turbinenräder weisen im Gegensatz zu

Radialturbinenrädern eine sich in axial-radialer Richtung erstreckende Eintrittskante auf, während Radialturbinenräder eine sich nur in axialer Richtung erstreckende Eintrittskante aufweisen. Der Begriff„axial" bezieht sich vorstehend und im Folgenden stets auf die

Drehachse von Turbinenrädern und bedeutet„in Richtung der Drehachse". Das

Massenträgheitsmoment von Mixed-Flow-Turbinenrädern ist insbesondere aus diesem Grund gegenüber vergleichbaren Radialturbinen reduziert. Aus dem gleichen Grund weisen Mixed- Flow-Turbinen ein verbessertes Ansprechverhalten auf als Radialturbinen. Die Ausströmung des Abgases erfolgt sowohl bei Radialturbinenrädern als auch bei Mixed-Flow-Turbinenrädern in axialer Richtung. Radialturbinen werden häufig mit Leitschaufelträger-Vorrichtungen kombiniert, die unmittelbar vor dem Einströmbereich in das Turbinenrad angeordnet sind und eine Variation des Einströmquerschnitts ermöglichen.

Aus EP 1 394 359 B1 ist ein Mixed-Flow-Turbinenrad bekannt, das eine Vielzahl von als Laufschaufeln bezeichnete Schaufeln umfasst, die derart geformt sind, dass sie parabolförmig in der Richtung der Drehung vorstehen. Der Schaufelwinkel entlang der Eintrittskante soll bei diesem Turbinenrad an der Nabenseite ein Maximum aufweisen und bis zur Gehäuseseite des Turbinenrades monoton abnehmen. Aus EP 1 394 359 B1 ist es auch bekannt, eine Düse zwischen einer als Schnecke bezeichneten Spirale und der Eintrittskante des Turbinenrades anzuordnen, wobei die Düse zu dem nabenseitigen Bereich der Eintrittskante einen deutlich größeren Abstand aufweist als zu dem gehäuseseitigen Bereich der Eintrittskante.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mixed-Flow-Turbinenrad eines Abgasturboladers sowie eine Abgasturbine mit einem solchen Turbinenrad zur Verfügung zu stellen, welche hinsichtlich ihres Wirkungsgrades weiter verbessert sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Mixed-Flow-Turbinenrad eines Abgasturboladers umfasst mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Schaufeln. Mindestens eine Schaufel weist im

Einströmbereich eine Eintrittskante auf, welche in Bezug auf eine Drehachse des

Turbinenrades eine zumindest teilweise gekrümmte axial-radiale Orientierung mit einem variierenden Schaufelwinkel ß aufweist. Dabei weist der Schaufelwinkel ß entlang der

Eintrittskante betrachtet von einer Nabenseite zu einer Gehäuseseite in einem mittleren Bereich ein Minimum ßmin auf, insbesondere ein absolutes Minimum. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind sowohl in Richtung Gehäuseseite als auch in Richtung Nabenseite ausgehend von dem mittleren Bereich, in dem der Schaufelwinkel ßmin beträgt, größere Schaufelwinkel ß

ausgebildet. Im Falle eines absoluten Minimums ßmin im Bereich der Eintrittskante sind alle übrigen Schaufelwinkel ß größer als ßmin. Unter dem Schaufelwinkel ß wird vorliegend der im Allgemeinen auch als Metallwinkel bezeichnete, übliche Winkel verstanden. Es handelt sich um den in einer sogenannten konformen Abbildung einer auf eine y-Achse projizierten

Strömungsrichtung m' über der Umfangsrichtung gemessenen Winkel einer Tangenten an die in der konformen Abbildung dargestellten Schaufel gegenüber der Umfangsrichtung. Der

Schaufelwinkel ß ist 0°, wenn die Eintrittskante - wie bei Radialturbinenrädern - in rein axialer Richtung und das Abgas in rein radialer Richtung einströmt. Als Gehäuseseite der Schaufeln und der Eintrittskante wird diejenige Seite bezeichnet, die einen geringeren Abstand zu einem das Turbinenrad umgebenden Gehäuse aufweist, d.h. in Bezug auf die Drehachse die jeweils äußere Seite. Als Nabenseite wird die jeweils innere Seite bezeichnet. Mit Hilfe von

Simulationsberechnungen wurde festgestellt, dass der Wirkungsgrad von Turbinenrädern mit einem Schaufelwinkel ß, der entlang der Eintrittskante in einem mittleren Bereich ein Minimum ßmin aufweist, einen besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Dies gilt

insbesondere in Verbindung mit verschiedenen, kombinierbaren weiteren Parametern eines Turbinenrades, auf weiche nachfolgend noch im Detail Bezug genommen wird. Als mittlerer Bereich der Eintrittskante wird vorliegend zunächst grundsätzlich der gesamte Bereich zwischen den äußersten Punkten der Eintrittskante ohne diese Punkte selbst verstanden. Auf bevorzugte Beschränkungen des mittleren Bereichs wird im Folgenden noch näher eingegangen.

Das Vorstehende sowie sämtliche im Folgenden genannten Parameter, die in Verbindung mit mindestens einer Schaufel beschrieben sind, sind bevorzugt an mehreren und besonders bevorzugt an allen Schaufeln eines Turbinenrades ausgebildet.

Im Rahmen der Simulationsberechnungen wurde ferner festgestellt, dass sich ein besonders hoher Wirkungsgrad ergibt, wenn die Differenz zwischen dem kleinsten Schaufelwinkel ß_min und dem größten Schaufelwinkel ß_max entlang der Eintrittskante maximal 60° beträgt. Sofern der Schaufelwinkel ß negative Absolutwerte annimmt, ist das jeweilige Vorzeichen bei der

Bestimmung der Differenz zu beachten. Beträgt der kleinste Schaufelwinkel ßmin entlang der Eintrittskante beispielsweise -5°, so kann der größte Schaufelwinkel ß_max maximal +55° betragen, um eine Differenz von maximal 60° nicht zu überschreiten.

In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenrades weist der Schaufelwinkel ß entlang der Eintrittskante von der Nabenseite zur Gehäuseseite zunächst einen fallenden Verlauf bis zu dem Minimum ßmin und anschließend einen steigenden Verlauf bis zu einem Maximum ßmax auf. Damit sind insbesondere ein im mathematischen Sinne monoton fallender Verlauf bzw. ein monoton steigender Verlauf gemeint, bevorzugt streng monotone Verläufe. Das Maximum mit dem größten absoluten Schaufelwinkel ß_max ist dabei bevorzugt unmittelbar an der Gehäuseseite der Eintrittskante ausgebildet.

Der Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang der Eintrittskante von der Nabenseite zu der Gehäuseseite ist bevorzugt stetig und weiter bevorzugt parabelförmig.

Im Rahmen der Simulationsberechnungen wurde in Bezug auf das Einströmverhalten des Fluides in das Turbinenrad ermittelt, dass das Minimum des Schaufelwinkels ßmin bevorzugt in einem mittleren Bereich ausgebildet ist, der sich über einen Bereich von 20% bis 80% der Länge der Eintrittskante gemessen von der Nabenseite aus erstreckt. Weiter bevorzugt erstreckt sich der mittlere Bereich nur über 30% bis 70% der Länge und besonders bevorzugt über 40% bis 60% der Länge der Eintrittskante von der Nabenseite aus gemessen. Der mittlere Bereich erstreckt sich in den bevorzugten Ausführungsformen insgesamt nur über 60%, 40% oder 20% der Länge der Eintrittskante, so dass nicht nur die äußersten Punkte der

Eintrittskante, sondern jeweils 20%, 30% bzw. 40% der Länge der jeweils äußeren Bereiche der Eintritts kante um den mittleren Bereich herum von diesem ausgenommen sind.

Als weiterer Parameter für die Ausbildung der Schaufeln eines Turbinenrades wurde der Einfluss des Umschlingungswinkels Θ auf den Wirkungsgrad im Rahmen der Simulationsberechnungen untersucht. Unter dem Umschlingungswinkel Θ wird - vereinfacht ausgedrückt - der in Umfangsrichtung gemessene Winkel verstanden, über welchen sich eine Schaufel in einer senkrecht auf die Drehachse stehenden Ebene erstreckt. Je länger eine Schaufel in einer Radialebene ist und je stärker sie in Drehrichtung oder gegen die Drehrichtung geneigt und/oder gekrümmt ist, desto größer ist der Umschlingungswinkel. In der Ebene mit dem maximalen Umschlingungswinkel 0_max erstreckt sich eine Schaufeln über den größten

Winkelbereich in Umfangsrichtung. In einer wirkungsgradoptimierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenrades weisen die Schaufeln einen variierenden Umschlingungswinkel Θ auf, wobei sich der Umschlingungswinkel Θ maximal über einen Winkel von 60° erstreckt. Der Umschlingungswinkel Θ erstreckt sich vorzugsweise über maximal 50° und besonders bevorzugt über maximal 40°. Bevorzugt weisen alle Schaufeln einen wie vorstehend beschriebenen variierenden Umschlingungswinkel Θ auf, weiter bevorzugt weisen alle

Schaufeln denselben Verlauf des Umschlingungswinkels Θ auf. Weiter bevorzugt weisen alle Schaufeln entlang des Nabenschnitts, des Mittenschnitts und des Gehäuseschnitts einen variierenden Verlauf des Umschlingungswinkels Θ auf.

Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, dass zwischen dem Schaufelwinkel ß, der Strömungsrichtung m, der in eine konforme Abbildung transformierten Strömungsrichtung m', dem radialen Abstand von der Drehachse und dem Umschlingungswinkel Θ folgende Zusammenhänge gelten:

Ebenfalls als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn mindestens eine Schaufel einen variierenden Umschlingungswinkel Θ aufweist, der sich entlang mindestens eines Schnittes durch die Schaufel von der Eintrittskante zu einer Austrittskante einen ansteigenden Verlauf aufweist. Bevorzugt weisen alle Schaufeln einen ansteigenden Verlauf des

Umschlingungswinkels Θ zumindest insoweit auf, als der Umschlingungswinkel Θ an der Eintrittskante kleiner ist als an der Austrittskante. In einer besonders vorteilhaften

Ausführungsform weisen die Umschlingungswinkel Θ bei allen Schaufeln entlang eines

Nabenschnitts, eines (zentralen) Mittenschnitts und eines Gehäuseschnitts einen monoton ansteigenden Verlauf auf.

Der Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Turbinenrades kann weiter gesteigert werden, wenn der Schaufelwinkel ß entlang der Eintrittskante an der Nabenseite bevorzugt zwischen 0° und 20° gewählt wird, insbesondere zwischen 5° bis 15° und weiter bevorzugt etwa 10° +/- 2°. An der Gehäuseseite wird der Schaufelwinkel ß bevorzugt zwischen 25° und 45° gewählt, insbesondere zwischen 30° bis 40° und weiter bevorzugt 36° +/- 2°. In dem Bereich des Minimums, d.h. in einem mittleren Bereich, beträgt der Schaufelwinkel ß vorzugsweise zwischen -15° und 5°, insbesondere zwischen -10° und 0°, und besonders bevorzugt -5°.

Wirkungsgradsteigernd ist auch ein Mixed-Flow-Turbinenrad, das folgende Merkmale aufweist: a) der Schaufelwinkel ß weist entlang eines Nabenschnittes durch die Schaufel von der Eintrittskante zu einer Austrittskante über den gesamten Nabenschnitt positive Werte auf und b) der Schaufelwinkel ß weist entlang eines Mittenschnittes durch die Schaufel von der Eintrittskante zur Austrittskante in der zur Eintrittskante gerichteten Hälfte teilweise einen negativen Wert auf und c) der Schaufelwinkel ß weist entlang eines Gehäuseschnitts von der Eintrittskante zur Austrittskante über den gesamten Gehäuseschnitt positive Werte auf.

Für ein solches Mixed-Flow-Turbinenrad wird daher auch unabhängig von den vorstehend beschriebenen Merkmalen Schutz beansprucht.

In Kombination mit allen vorstehend beschriebenen Turbinenrädern hat es sich bereits als positiv auf den Wirkungsgrad einwirkend erwiesen, wenn der Schaufelwinkel ß entlang eines (beliebigen) Schnitts durch die Schaufel von der Eintrittskante zu der Austrittskante ein Minimum in einem mittleren Bereich aufweist. Insbesondere ist es dann vorteilhaft, wenn das Minimum entlang eines Nabenschnitts in einem mittleren Bereich beabstandet von der

Eintrittskante und der Austrittskante ausgebildet ist, wobei das Minimum entlang eines

(zentralen) Mittenschnitts und eines Gehäuseschnitts unmittelbar an der Eintrittskante ausgebildet ist.

In Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Turbinenrad mit den Merkmalen a), b) und c) ist es besonders bevorzugt, wenn der Schaufelwinkel ß entlang eines Nabenschnittes durch die Schaufel von der Eintrittskante zur Austrittskante ein absolutes Minimum aufweist,

insbesondere in der zur Eintrittskante gerichteten Hälfte der Schaufel.

Die Erfindung betrifft auch eine Abgasturbine mit einem wie vorstehend beschriebenen Mixed- Flow-Turbinenrad und einem das Turbinenrad zumindest teilweise umgebenden Gehäuse mit mindestens einem Abgaszufuhrkanal zur Zuleitung von Abgas in Richtung der Eintrittskante des Turbinenrades. In dem Abgaszufuhrkanal ist eine Leitschaufelträger-Vorrichtung mit verstellbaren Leitschaufeln zur Veränderung der Turbinengeometrie unmittelbar vor dem Eintritt des Abgases in das Turbinenrad angeordnet. Mittels der Leitschaufelträger-Vorrichtung lässt sich der Einströmquerschnitt variieren. Mit einem erfindungsgemäßen Turbinenrad und einer Abgasturbine mit einer wie vorstehend beschriebenen Leitschaufelträger-Vorrichtung wurden besonders gute Wirkungsgradverbesserungen erreicht. Auf die vorstehend bereits in

Verbindung mit dem Turbinenrad beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.

Um den Wirkungsgrad einer Abgasturbine im Einströmbereich des Turbinenrades durch Minimierung von Strömungsverlusten weiter zu verbessern, kann das Turbinenrad im Bereich des Abgaszufuhrkanals von einem Trägerring umgeben sein, wobei an dem Trägerring ein Hitzeschild angeordnet ist, wobei das Hitzeschild in einer praktischen Ausführungsform derart ausgebildet ist, dass es einen stufenlosen Strömungsübergang zwischen dem

Leitschaufelträger und der Eintrittskante des Turbinenrades schafft. Mit einem stufenlosen Übergang ist vorliegend ein Übergang gemeint, bei dem eine Tangente an den dem

Turbinenrad nächstkommenden Punkt im Strömungsbereich des Abgases unmittelbar auf die Eintritts kante des Turbinenrades führt, vorzugsweise in die gehäuseseitige Hälfte der

Eintrittskante.

Das Hitzeschild ist vorzugsweise als temperaturstabiles Stahlteil ausgebildet, welches für (Abgas-) Temperaturen von mehr als 800 °C, vorzugsweise mehr als 900 °C und besonders bevorzugt mehr als 1000 °C, ausgelegt ist. Das Hitzeschild kann durch Umformen einfach und kostengünstig in einer geeigneten Geometrie hergestellt werden.

Das Turbinenrad umfasst vorzugsweise 5 bis 15 Schaufeln und weist in bevorzugten

Ausführungsformen einen Außendurchmesser von 30 mm bis 80 mm auf. Die Schaufeldicke, gemessen in Umfangsrichtung eines Turbinenrades, ist vorzugsweise an jeder Stelle der Schaufeln kleiner als 20 mm, weiter bevorzugt kleiner als 10 mm und besonders bevorzugt kleiner als 5 mm. Die Schaufeldicke kann auch in verschiedenen Schnittebenen unterschiedlich groß sein. Vorzugsweise weist die Schaufeldicke von der Nabe aus in Richtung Gehäuse einen abnehmenden Verlauf auf. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Schaufeldicke - zumindest im Nabenschnitt und in einem Mittenschnitt von der Eintrittskante zur Austrittskante einen ansteigenden Dickenverlauf aufweist. Im Gehäuseschnitt ist die Dicke vorzugsweise konstant und weist vorzugsweise die kleinste Dickenausdehnung auf, insbesondere maximal 3 mm, bevorzugt, maximal 2 mm und besonders bevorzugt maximal 1 mm.

Der Durchmesser des Turbinenrades liegt sowohl im Bereich der Eintrittskante als auch im Bereich der Austrittskante vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 mm und 45 mm, insbesondere zwischen 25 mm und 40 mm.

Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Turbinenrad in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 eine Hälfte des Turbinenrades aus Fig. 1 einer Schnittdarstellung durch die Ebene in einer Anordnung mit einer Leitschaufel (Meridianschnitt),

Fig. 3 eine Abgasturbine mit einer Leitschaufelträger-Vorrichtung, einem Hitzeschild, und mit dem Turbinenrad aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung,

Fig. 4 den in Fig. 3 mit IV gekennzeichneten Bereich in einer vergrößerten Darstellung,

Fig. 5a) den Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang des Nabenschnitts gemäß der Linie (a) in

Fig. 2, Fig. 5b) den Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang des Mitten Schnitts gemäß der Linie (b) in Fig. 2,

Fig. 5c) den Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang des Gehäuseschnitts gemäß der Linie (c) in Fig. 2,

Fig. 6 den Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang der Eintritts kante,

Fig. 7a) den Verlauf des Umschlingungswinkels Θ entlang des Nabenschnitts gemäß der Linie

(a) in Fig. 2,

Fig. 7b) den Verlauf des Umschlingungswinkels Θ entlang des Nabenschnitts gemäß der Linie

(b) in Fig. 2 und

Fig. 7c) den Verlauf des Umschlingungswinkels Θ entlang des Nabenschnitts gemäß der Linie

(c) in Fig. 2.

In Figur 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mixed-Flow- Turbinenrades 10 dargestellt. Das Turbinenrad 10 ist rotierbar um die Drehachse 12 gelagert. Es umfasst insgesamt acht Schaufeln 14, von welchen in Figur 1 sechs erkennbar sind. Die Schaufeln 14 weisen alle die gleiche Geometrie auf und erstrecken sich von einer Nabe 16 aus in radialer Richtung nach außen. Die Einströmung von Abgas in das Turbinenrad 10 erfolgt in einer axial-radialen Richtung gemäß dem Pfeil 18 ausschließlich über den Bereich der Eintrittskanten 20 und die sich zwischen den Eintritts kanten 20 befindlichen Zwischenräume. Die Ausströmung erfolgt in axialer Richtung gemäß dem Pfeil 22. Die zuletzt überströmte Kante des Turbinenrades 10 wird daher auch als Austrittskante 24 der Schaufeln 14 bezeichnet. Die Schaufeldicke im Gehäuseschnitt beträgt in der gezeigten Ausführungsform konstant 0,4 mm. Im Nabenschnitt beträgt die Schaufeldicke in der gezeigten Ausführungsform ca. 0,5 mm im Bereich der Eintrittskante 20 und ca. 3 mm im Bereich der Austrittskante 24. Im Mittenschnitt beträgt die Schaufeldicke ca. 0,4 mm im Bereich der Eintrittskante 20 und ca. 1 mm im Bereich der Austrittskante 24.

Die näher an der Nabe 16 angeordnete Ecke der Eintrittskante 20 einer Schaufel 14 wird als Nabenseite 26 der Eintrittskante 20 bezeichnet. Die näher an dem das Turbinenrad 10 umgebenden Gehäuse 38 (vgl. Fig. 3) angeordnete Ecke der Eintrittskante 20 wird als Gehäuseseite 28 der Eintrittskante 20 bezeichnet. Dazwischen erstreckt sich der mittlere Bereich 30.

Der Durchmesser des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Turbinenrades 10 an der Nabenseite 26 der Eintrittskante 20 beträgt ca. 31 mm. Der Durchmesser an der Gehäuseseite 28 der Eintrittskante 20 beträgt ca. 36 mm. Der Durchmesser des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Turbinenrades an der Gehäuseseite 28 der Austrittskante 24 beträgt ca. 31 mm.

In Verbindung mit den Figuren 2 bis 4 werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente einer in Figur 3 aufgeschnitten dargestellten Abgasturbine mit einem erfindungsgemäßen Turbinenrad 10 erläutert.

In der Schnittdarstellung in Figur 2 ist eine Hälfte des Turbinenrades 10 aus Figur 1 im

Meridianschnitt zusammen mit einer Leitschaufel 32 dargestellt. Abgas, welches durch das Turbinenrad 10 geleitet werden soll, strömt zunächst entlang der Leitschaufel 32 in

Einströmrichtung 18 auf die Eintrittskanten 20 der Schaufeln 14 zu. Aufgrund der Geometrie der nabenseitig (zurückgeschnittenen) Eintrittskante 20 der Turbinenrades 10 ist zwischen der Leitschaufel 32 und der Eintritts kante 20 ein Spalt 34 ausgebildet, der vor allem im unteren, nabenseitig zurückgeschnittenen Bereich klar erkennbar ist. Um zu verhindern, dass ein Teilstrom 36 des Fluides an der Eintrittskante 20 vorbeiströmt und für den Energieübertrag des Abgases an das Turbinenrad 10 verlorengeht, sind bei einer erfindungsgemäßen Abgasturbine konstruktive Maßnahmen vorgesehen, die nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 erläutert werden.

In den Figuren 3 und 4 ist ein erfindungsgemäßes Turbinenrad 10 dargestellt, das in einem - nur ausschnittsweise dargestellten - Gehäuse 38 aufgenommen ist. In dem Gehäuse 38 sind Abgaszufuhrkanäle 48 ausgebildet, über welche Abgas zu den Eintrittskanten 20 des

Turbinenrades 10 geleitet wird. Unmittelbar vor der Eintrittskante 20 des Turbinenrades 10 ist in dem Gehäuse 38 eine Leitschaufelträger-Vorrichtung 40 angeordnet, mittels welcher der wirksame Strömungsquerschnitt unmittelbar vor dem Turbinenrad 10 verändert werden kann, um die Leistung der Abgasturbine zu steuern.

Die Leitschaufelträger-Vorrichtung 40 umfasst einen Trägerring 42 für funktional mit diesem verbundenen Leitschaufeln 32. Ein Hitzeschild 44 schirmt das Turbinenrad 10 im Bereich der Einströmseite gegenüber dem Gehäuse 38 ab. Wie aus Figur 4 erkennbar ist, ist das

Hitzeschild 44 in der gezeigten Ausführungsform derart in dem Übergangsbereich von den Leitschaufeln 32 zwischen dem Trägerring 42 und der Eintrittskante 20 des Turbinenrades 10 angeordnet und ausgebildet, dass das Abgas in Einströmrichtung 18 stufenfrei von den

Leitschaufeln 32 bzw. dem Trägerring 42 in den Bereich der Eintrittskanten 20 des

Turbinenrades 10 einströmt.

Das Hitzeschild 44 erstreckt sich dazu in radialer Richtung bis an den Trägerring 42 heran und stellt für den Abgasstrom einen widerstandsarmen und stufenlosen Strömungskantenverlauf dar. Durch das Hitzeschild 44 wird ein Vorbeiströmen des Teilstromes 36 (vgl. Fig. 2) des Abgasstroms an der Eintrittskante 20 vermieden, so dass das Abgas vollständig über die Eintrittskante 20 in das Turbinenrad 10 geleitet wird und die Abgasströmung vollständig zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

In Figur 2 sind ferner verschiedene Schnittlinien durch das Turbinenrad 10 entlang der

Schaufeln 14 schematisch dargestellt. Ein Nabenschnitt (a), ein (zentral angeordneter)

Mittenschnitt (b) und ein Gehäuseschnitt (c).

Der Gehäuseschnitt (c) erstreckt sich entlang der in radialer Richtung gesehen äußersten Kanten der Schaufeln 14. Ein zentraler Mittenschnitt (b) verläuft auf der in radialer Richtung betrachtet geometrischen Mitte zwischen dem Nabenschnitt (a) und dem Gehäuseschnitt (c).

Die Verläufe der Schaufelwinkel ß entlang des Nabenschnitts (a), des Mittenschnitts (b) und des Gehäuseschnitts (c) einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Turbinenrades sind in den Figuren 5a) bis 5c) dargestellt.

In Fig. 5a) ist der Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang des Nabenschnitts (a) dargestellt. Der Schaufelwinkel ß ist, betrachtet von links nach rechts, von der Nabenseite 26 der Eintrittskante 20 zur Nabenseite der Austrittskante 24 angegeben. Es weist zunächst ausgehend von ß = 10° einen fallenden Verlauf bis zu einem Minimum 46 von ß = 8° auf und steigt danach wieder auf ß = 30° an.

Der Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang des Mittenschnitts (b) ist in Fig. 5b) dargestellt. Der Schaufelwinkel ß weist von der Eintrittskante 20 bis zur Austrittskante 24 einen ansteigenden Verlauf auf, der in Richtung der Austrittskante 24 dann ungefähr konstant bleibt, so dass sich eine konvexe Kurve ergibt. Der Schaufelwinkel ß beträgt im Bereich der Eintrittskante 20 ß = -7° und im Bereich der Austrittskante 24 ß = 40°. Wie in Fig. 5c) dargestellt, weist der Schaufelwinkel ß entlang des Gehäuseschnitts (c) ebenfalls einen ansteigenden Verlauf von der Eintrittskante 20 bis zur Austrittskante 24 auf. Der

Schaufelwinkel ß weist in diesem Schnitt eine konkave Krümmung auf und verläuft von ß = 36° bis ß = 60°.

In Figur 6 ist der Verlauf des Schaufelwinkels ß entlang der Eintrittskante 20 von der Nabenseite 26 (0.0) zur Gehäuseseite 28 (1.0) dargestellt. Der Schaufelwinkel ß weist zunächst einen fallenden Verlauf auf, bis zu einem Minimum ßmin in einem mittleren Bereich 30, und weist danach einen ansteigenden Verlauf auf. An der Nabenseite 26 beträgt der Schaufelwinkel ß = 10°, das Minimum ß_min ist bei ca 55% der Länge zwischen Nabenseite 26 und Gehäuseseite 28 ausgebildet, und der Schaufelwinkel beträgt dort ßmin = -5°. Das Maximum ß_maxdes Verlaufes ist an der Gehäuseseite 28 ausgebildet. Dort beträgt der Schaufelwinkel ßmax = 36°. Insgesamt beträgt die Differenz zwischen dem kleinsten Schaufelwinkel ßmin und dem größten

Schaufelwinkel ßmax in diesem Ausführungsbeispiel 41 °.

Die Figuren 7a), 7b) und 7c) zeigen den Verlauf der Umschlingungswinkel Θ in verschiedenen Schnittebenen. Wie bereits erwähnt, ist damit der in Umfangsrichtung überstrichene Winkel einer Schaufel gemeint. Wie zu erkennen ist, weist der Umschlingungswinkel Θ entlang des Nabenschnitts (a), des Mitten Schnitts (b) und des Gehäuseschnitts (c) jeweils einen

ansteigenden Verlauf von der Eintrittskante 20 bis zur Austrittskante 24 auf. Im Nabenschnitt (a) und im Gehäuseschnitt (c) weist der Umschlingungswinkel Θ einen zunächst gleichmäßigen ansteigenden Verlauf auf, der zur Austrittskante 24 hin steiler wird. Im Mittenschnitt (b) weist der Umschlingungswinkel Θ von der Eintrittskante 20 aus einen flachen Verlauf auf und einen zur Austrittskante 24 hin steileren Anstieg. Der minimale Umschlingungswinkel Gmin beträgt 0° im Nabenschnitt (a) und jeweils ca. 5° im Mittenschnitt (b) und im Gehäuseschnitt (c). Der maximale Umschlingungswinkel 9_max beträgt in allen Schnitten jeweils 38°.

Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen

Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. Bezugszeichenliste

Turbinenrad

Drehachse

Schaufel

Nabe

Einströmrichtung

Eintrittskante

Ausströmrichtung

Austrittskante

Nabenseite

Gehäuseseite

mittlerer Bereich

Leitschaufel

Spalt

Teilstrom

Gehäuse

Leitschaufelträger-Vorrichtung

Trägerring

Hitzeschild

Minimum

Abgaszufuhrkanal

Claims

Patentansprüche

Mixed-Flow-Turbinenrad eines Abgasturboladers mit mehreren, über den Umfang verteilt angeordneten Schaufeln (14), wobei mindestens eine Schaufel (14) im Einströmbereich eine Eintrittskante (20) aufweist, welche in Bezug auf eine Drehachse (12) des

Turbinenrades (10) eine zumindest teilweise gekrümmte axial-radiale Orientierung mit einem variierenden Schaufelwinkel ß aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel ß entlang der Eintrittskante (20) betrachtet von einer Nabenseite (26) zu einer Gehäuseseite (28) in einem mittleren Bereich (30) ein Minimum ß_min aufweist.

Turbinenrad nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem kleinsten Schaufelwinkel ßmin und dem größten Schaufelwinkel ßmax entlang der der Eintrittskante (20) maximal 60^c beträgt.

Turbinenrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel ß entlang der Eintrittskante (20) von der Nabenseite (26) zur Gehäuseseite (28) zunächst einen fallenden Verlauf bis zu dem Minimum ßmin und anschließend einen steigenden Verlauf bis zu einem Maximum ß_max aufweist.

Turbinenrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Minimum ßmin in einem mittleren Bereich (30) ausgebildet ist, der sich über einen Bereich von 20% bis 80% der Länge der Eintrittskante (20) gemessen von der Nabenseite (26) aus erstreckt.

Turbinenrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schaufel (14) einen variierenden

Umschlingungswinkel Θ aufweist, wobei der Umschlingungswinkel Θ sich maximal über 60° erstreckt und/oder wobei der Umschlingungswinkel Θ entlang eines Schnittes durch die Schaufel (14) von der Eintrittskante (20) zu einer Austrittskante (24) einen ansteigenden Verlauf aufweist.

Turbinenrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel ß entlang der Eintrittskante (20) an der Nabenseite (26) in einem Bereich zwischen 0° und 20° liegt, an der Gehäuseseite (28) zwischen 25° und 45° liegt und/oder im Bereich (30) des Minimums ßmin zwischen -15° und 5° liegt.

Turbinenrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche oder nur nach dem Oberbegriff des Anspruchs , dadurch gekennzeichnet, dass a) der Schaufelwinkel ß entlang eines Nabenschnittes (a) durch die Schaufel (14) von der Eintrittskante (20) zu einer Austrittskante (24) über den gesamten Nabenschnitt (a) positive Werte aufweist und b) der Schaufelwinkel ß entlang eines Mittenschnittes (b) durch die Schaufel (14) von der Eintrittskante (20) zur Austrittskante (24) in der zur Eintrittskante (20) gerichteten Hälfte teilweise einen negativen Wert aufweist und c) der Schaufelwinkel ß entlang eines Gehäuseschnitts (c) von der Eintrittskante (20) zur Austrittskante (24) über den gesamten Gehäuseschnitt (c) positive Werte aufweist.

Turbinenrad nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel ß entlang eines Nabenschnittes (a) durch die Schaufel (14) von der Eintrittskante (20) zur Austrittskante (24) ein absolutes Minimum (46) aufweist.

Abgasturbine mit einem Mixed-Flow-Turbinenrad (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8 und einem das Turbinenrad (10) zumindest teilweise umgebenden Gehäuse (38) mit mindestens einem Abgaszufuhrkanal (48) zur Zuleitung von Abgas in Richtung der Eintrittskanten (20) des Turbinenrades (10), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaszufuhrkanal (48) eine Leitschaufelträger-Vorrichtung (40) mit verstellbaren Leitschaufeln (32) zur Veränderung der Turbinengeometrie im

Abgaszufuhrkanal (48) angeordnet ist.

10. Abgasturbine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (10) im Bereich des Abgaszufuhrkanals (48) von einem Trägerring (42) zum Tragen von Leitschaufeln (32) umgeben ist, wobei zwischen dem Trägerring (42) und der Eintrittskante (20) des Turbinenrades (10) ein Hitzeschild (44) angeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass es einen stufenfreien Strömungsübergang zwischen dem Trägerring (42) und der Eintrittskante (20) des Turbinenrades (10) schafft.