WO2019034313A1 - Halbaxialturbine für einen abgasturbolader - Google Patents

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WO2019034313A1
WO2019034313A1 PCT/EP2018/067186 EP2018067186W WO2019034313A1 WO 2019034313 A1 WO2019034313 A1 WO 2019034313A1 EP 2018067186 W EP2018067186 W EP 2018067186W WO 2019034313 A1 WO2019034313 A1 WO 2019034313A1
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WO
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exhaust gas
turbine
turbine wheel
floods
flow
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PCT/EP2018/067186
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Simon Hummel
Nicolas Stanzel
Thomas Streule
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Daimler Ag
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    • 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
    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a Halbaxialturbine for an exhaust gas turbocharger according to the
  • the turbine wheel has a mean blade entry angle between 70 ° and 140 °.
  • Turbine geometry equipped exhaust gas turbine and a compressor, wherein the
  • Inlet channels are pressure-tight shielded from each other.
  • the flow inlet cross-section of an inflow channel to the turbine wheel is variably adjustable via the variable turbine geometry.
  • the inflow channel has its own inflow connection for the separate supply of exhaust gas.
  • Object of the present invention is to provide a Halbaxialturbine of the type mentioned, by which an improved turbine efficiency can be achieved.
  • the invention relates to a Halbaxialturbine for an exhaust gas turbocharger, with a turbine housing, with a at least partially disposed in the turbine housing and rotatable about an axis of rotation relative to the turbine housing turbine wheel and at least two, formed by the turbine housing, at least partially
  • the Halbaxialturbine is characterized in that the exhaust gas flowing through the floods flows out of the floods during operation of the turbine along a respective, obliquely to the axial direction of the turbine wheel and obliquely to the radial direction of the turbine wheel feed direction and the turbine wheel flows along the respective feed direction.
  • the exhaust gas is supplied to the turbine wheel not strictly in the radial direction or strictly in the axial direction. Instead, the exhaust gas by means of both floods obliquely to the axial direction and obliquely to the radial
  • Turbine efficiency can be achieved, it is provided according to the invention that a first flow of at least two floods at least at a feed region, at which the exhaust gas flowing through the floods can be fed to the turbine wheel by means of the first flood at a blade tip inlet region of the turbine wheel has a smaller flow cross-section, as a second flood of the at least two floods, by means of which the exhaust gas to the turbine wheel at a Schaufelfußeintritts Colour the
  • the first flood has a first flow cross-section, which is smaller than a second flow cross-section of the second flood.
  • the exhaust gas at the blade tip inlet region (and thus at the respective blade tips of the blades) can be supplied to the respective blades of the turbine wheel with a greater inflow velocity be supplied as at the blade root inlet region (and thus at the respective blade roots of the blades).
  • Halbaxialturbine formed overall as a double-flow, asymmetric turbine in a semi-axial design.
  • the blade tip inlet region corresponds to the inlet region of the exhaust gas at respective blade edges of respective blades of the turbine wheel at the blade tip of the respective blades.
  • the blade root entry region corresponds to the inlet region of the exhaust gas at the respective blade edges of the turbine wheel at the blade root of the respective blades.
  • the invention is based on the finding that during operation of the Halbaxialturbine a peripheral speed at the blade root (blade root peripheral speed) is smaller than a peripheral speed at the blade tip (blade tip peripheral speed).
  • An improved turbine efficiency results from the fact that also a peripheral component of an inflow rate of the exhaust gas at the blade tip is greater than at the blade root in order to introduce a respective relative flow of the exhaust gas in a blade-congruent manner at the feed region into the turbine wheel. This is made possible by the fact that the first flow has the smaller flow cross-section than the second flow and accordingly also that via the first flow on the first flow
  • Vane tip inlet region into the turbine wheel introduced exhaust gas has a higher flow rate than that on the second flood on the
  • the turbine housing has a dividing wall which separates the at least two floods at the feed region such that the dividing wall flows exhaust gas from the first flood to the blade root inlet region and a flow of exhaust gas from the second flood to the Vane tip entry area prevents.
  • the at least two floods are oriented at the feed region at least substantially parallel to one another. This is advantageous because it allows a particularly streamlined introduction of the exhaust gas into the turbine wheel at the feed area.
  • substantially parallel is understood to mean that respective central axes of the two floods at the feed region enclose an acute angle with one another, which is preferably less than 10 ° and particularly preferably less than 5 °.
  • Fig. 1 shows a cross section through a known from the prior art
  • Exhaust gas turbocharger wherein a turbine-side housing portion of the exhaust gas turbocharger has two asymmetrical to each other formed floods;
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of an exemplary of the invention
  • Embodiment of a Halbaxialturbine comprising a turbine wheel
  • Fig. 3 is a schematic representation of a blade root inlet region of
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a speed triangle associated with a blade tip inlet region of the turbine wheel.
  • Fig. 1 shows a cross section through a known from the prior art
  • Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine wherein a turbine wheel 90 is rotatably mounted on a turbine-side housing portion of the turbocharger and two asymmetrically designed to each other floods 92, 94 are provided.
  • the flood 92 is designed as a so-called ⁇ -flood
  • the flood 94 is formed as an EGR flood.
  • An inflow direction 96 of exhaust gas of the internal combustion engine to the turbine and thus to the turbine wheel 90 is represented by an arrow.
  • a line 98 to an exhaust gas recirculation of the internal combustion engine and a line 100 to respective cylinders of the internal combustion engine are illustrated in FIG.
  • the lines 98, 100 are fluidly connected to the respective floods 92, 94.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of an exemplary embodiment of a half-axial turbine 10 for an exhaust-gas turbocharger.
  • the Halbaxialturbine 10 comprises a fragmentary in Fig. 2 shown
  • Turbine housing 12 with a at least partially disposed in the turbine housing 12 and at least one rolling bearing 50 about a rotational axis 14 relative to the turbine housing 12 rotatable turbine wheel 20th
  • the Halbaxialturbine 10 further comprises two, formed by the turbine housing 12, at least partially separated and asymmetrically trained and by exhaust gas of an internal combustion engine through-flowable floods 30, 40, by means of which the floods 30, 40 flowing exhaust gas is supplied to the turbine wheel 20.
  • a first flow 30 of the two flows 30, 40 has a smaller first flow cross section 32 at a feed region 16, at which the exhaust gas flowing through the flows 30, 40 can be supplied to the turbine wheel 20 by means of the first flow 30 at a blade tip inlet region 22 of the turbine wheel 20 , as a second flood 40 of the at least two floods 30, 40, by means of which the exhaust gas to the turbine wheel 20 at a
  • the second flow 40 has a second flow cross section 42.
  • first flow cross-section 32 is smaller than that in Fig. 2 also indicated by dashed lines, second flow cross-section 42nd
  • the blade tip inlet region 22 represents a region at which the exhaust gas strikes respective blade tips 26 of the turbine wheel 20
  • the blade root inlet region 24 represents a region at which the exhaust gas strikes respective blade roots of the turbine wheel 20 as soon as the exhaust gas passes over the respective floods 30 , 40 passes through the feed area 16.
  • the turbine housing 12 has a partition wall 18, which separates the two flutes 30, 40 at the feed region 16 such that the partition wall 18, a flow of exhaust gas from the first flood 30 to the blade root inlet region 24 and a flow of exhaust gas from the second flood 40 to the blade tip entry portion 22 is prevented.
  • the two floods 30, 40 are oriented at the feed region 16 at least substantially parallel to one another.
  • the dividing wall 18 runs at an acute angle in the direction of the feed region 16.
  • the half-axial turbine 10 offers advantages in design for lower pressure ratios compared to prior art radial turbines. Therefore, the Halbaxialturbine 10 is particularly useful for use in two-stage turbochargers. Due to the special arrangement of the floods 30, 40, ie the fact that the exhaust gas targeted by the first flood 30 the blade tip inlet region 22 and the second flood 40 is supplied to the blade root inlet region 24 of the turbine wheel 20, results in a particularly favorable flow of the turbine wheel 20th , which may also be referred to as impeller of the Halbaxialturbine 10. This can be compared to known from the prior art turbine systems an improved
  • Turbine efficiency can be achieved.
  • Respective peripheral speeds at the blade root 28 and at the blade tip 26 are different during operation of the Halbaxialturbine 10.
  • the peripheral speed at the blade root 28 can also be referred to as blade end peripheral speeds u roo t, which is plotted in a speed triangle , which is shown in FIG. 3 and is referenced to the blade root 28.
  • Speed triangle in Fig. 3 are given by a Schaufelfuß- relative velocity component wi, roo t and by a Schaufelfuß- inflow Ci .root.
  • a Schaufelfuß- relative velocity component wi, roo t and by a Schaufelfuß- inflow Ci .root.
  • the blade root relative velocity component wi, roo t and the blade root peripheral velocities U root result the blade root 28.
  • FIG. 4 shows a velocity triangle related to the blade tip 26, wherein the peripheral velocities at the blade tip 26 are indicated as the blade tip peripheral velocity Utip.
  • Velocity triangle in Fig. 4 are given by a blade tip relative velocity component wi, ti P and by a blade tip inflow velocity c 1, ti P.
  • the inflow of the exhaust gas at the feed region 16 under the blade tip inflow velocity Ci, t i P results in the blade tip relative velocity component wi, tip and the blade tip circumferential velocity Utip at the blade tip 26.
  • Angular velocity ⁇ of the turbine wheel 20 the blade tip radius r tip (distance between blade tip 26 and axis of rotation 14) and the Schaufelfußradius r roo t (distance between the blade root 28 and rotation axis 14) used.
  • Blade tip peripheral speed u t i P of the inflow velocity Ci, ti P at the blade tip 26 be greater than the blade root 28, the relative flow
  • Blade geometry determine how much different the peripheral speeds Utip, U root are at the entrance to the turbine wheel 20, ie at the feed area 16. It follows:
  • Speed triangles of blade root 28 and blade tip 26 are also formed differently, since the respective inflow velocities Ci, t i P , Ci, rao t and the respective peripheral velocities u t i P , u rao t between the two floods 30, 40 vary.
  • the relative flow of the individual blades of the turbine wheel 20 is as congruent as possible to the blade direction in order to avoid or at least minimize efficiency losses due to false flow and vortex formation.
  • the asymmetry of the two floods 30, 40 which can also be referred to as housing floods, be used profitably. What is a disadvantage in radial turbines, is advantageous for the Halbaxialturbine 10th
  • Relative velocity component wi, roo t are shown in Fig. 3 for the blade root 28 and in Fig. 4 for the blade tip 26 perpendicular to the blade inlet (feed area 16).
  • the turbine wheel 20 can be designed such that suitable parameters for good inflow can be achieved.
  • the Halbaxialturbine 10 which may also have a variable turbine geometry, with the asymmetric floods 30, 40 allows adaptation to particularly good turbine efficiencies compared to radial turbines from single-stage systems lower pressure ratios.
  • Low pressure turbine offers ideal installation conditions.
  • a low-pressure turbocharger can be arranged directly in extension to a high-pressure turbocharger, with even respective, coaxial shaft arrangements being conceivable. Also, a slight angular misalignment or lateral offset of respective waves of the low pressure turbocharger and the
  • High pressure turbocharger is possible by fitting a connector between the high pressure turbocharger and the low pressure turbocharger. Due to a small intermediate volume between the high-pressure turbocharger and the low-pressure turbocharger, a good, transient start-up behavior can be achieved. Due to smaller
  • High-pressure turbine result in very low pressure losses.
  • radial turbines in contrast to radial turbines - can be dispensed with a flow deflection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) angeordneten und um eine Drehachse (14) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Turbinenrad (20) und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse (12) gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten (30, 40), mittels welchen das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) zuführbar ist. Eine erste Flut (30) der wenigstens zwei Fluten (30, 40) weist zumindest an einem Zuführbereich (16), an welchem das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) mittels der ersten Flut (30) an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) des Turbinenrades (20) zuführbar ist, einen kleineren Strömungsquerschnitt (32) auf, als eine zweite Flut (40) der wenigstens zwei Fluten (30, 40), mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad (20) an einem Schaufelfußeintrittsbereich (24) des Turbinenrades (20) zuführbar ist.

Description

Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1 .
Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturboladersysteme (Aufladesysteme) in zweistufiger Konfiguration verwenden meist handelsübliche bzw. vorhandene
Komponenten aus einstufigen Systemen. Dadurch kann zwar der Aufwand beim Aufbau solcher Systeme gering gehalten werden, gleichzeitig sind jedoch diese Komponenten nicht optimal an gegebene Betriebsbedingungen im zweistufigen Betrieb angepasst. So sind vor allem Druckverhältnisse von Turbinen und Verdichtern im zweistufigen Betrieb deutlich niedriger als in vergleichbaren, einstufigen Aufladesystemen.
Aus der DE 10 2015 016 591 A1 ist eine zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial- Bauweise bekannt. Hierbei ist einem Turbinenrad mittels zweier Fluten Abgas entlang einer jeweiligen, schräg zu einer axialen Richtung sowie schräg zu einer radialen
Richtung des Turbinenrades verlaufenen Zuführrichtung zuführbar. Das Turbinenrad weist einen mittleren Schaufeleintrittswinkel zwischen 70° und 140° auf.
Die DE 100 48 237 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit einer, mit variabler
Turbinengeometrie ausgestatteten Abgasturbine und einem Verdichter, wobei die
Abgasturbine zweiflutig mit zwei separaten Einströmkanälen mit jeweils einem
Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad ausgebildet ist und die beiden
Einströmkanäle druckdicht gegeneinander abgeschirmt sind. Ein
Strömungseintrittsquerschnitt eines Einströmkanals zum Turbinenrad ist über die variable Turbinengeometrie veränderlich einstellbar. Der Einströmkanal weist einen eigenen Zuströmanschluss zur separaten Zuführung von Abgas auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbaxialturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbaxialturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht aus von einer Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse angeordneten und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbaren Turbinenrad und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse gebildeten, zumindest teilweise
voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten, mittels welchen das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad zuführbar ist.
Die Halbaxialturbine zeichnet sich dadurch aus, dass das die Fluten durchströmende Abgas während eines Betriebs der Turbine entlang einer jeweiligen, schräg zur axialen Richtung des Turbinenrades und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrades verlaufenden Zuführrichtung aus den Fluten ausströmt und das Turbinenrad entlang der jeweiligen Zuführrichtung anströmt. Das Abgas wird dem Turbinenrad dabei nicht etwa streng in radialer Richtung oder streng in axialer Richtung zugeführt. Stattdessen wird das Abgas mittels beider Fluten schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen
Richtung, das heißt halbaxial (aus halbaxialer Richtung) dem Turbinenrad zugeführt.
Um eine Halbaxialturbine derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter
Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Flut der wenigstens zwei Fluten zumindest an einem Zuführbereich, an welchem das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad mittels der ersten Flut an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zuführbar ist einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist, als eine zweite Flut der wenigstens zwei Fluten, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad an einem Schaufelfußeintrittsbereich des
Turbinenrades zuführbar ist. Mit anderen Worten weist die erste Flut einen ersten Strömungsquerschnitt auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Strömungsquerschnitt der zweiten Flut. Durch den kleineren Strömungsquerschnitt kann den jeweiligen Schaufeln des Turbinenrades das Abgas an dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelspitzen der Schaufeln) mit einer größeren Zuströmgeschwindigkeit zugeführt werden, als an dem Schaufelfußeintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelfüßen der Schaufeln).
Aufgrund der verschiedenen Strömungsquerschnitte der jeweiligen Fluten ist die
Halbaxialturbine insgesamt als zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Bauweise ausgebildet.
Der Schaufelspitzeneintrittsbereich entspricht dabei dem Eintrittsbereich des Abgases an jeweiligen Schaufelkanten jeweiliger Schaufeln des Turbinenrades an der Schaufelspitze der jeweiligen Schaufeln. Der Schaufelfußeintrittsbereich entspricht dem Eintrittsbereich des Abgases an den jeweiligen Schaufelkanten des Turbinenrades am Schaufelfuß der jeweiligen Schaufeln.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Betrieb der Halbaxialturbine eine Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß (Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit) kleiner ist als eine Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelspitze (Schaufelspitzen- Umfangsgeschwindigkeit). Ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad ergibt sich dadurch, dass auch eine Umfangskomponente einer Zuströmgeschwindigkeit des Abgases an der Schaufelspitze größer ist, als am Schaufelfuß, um eine jeweilige Relativströmung des Abgases schaufelkongruent an dem Zuführbereich in das Turbinenrad einzuleiten. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die erste Flut den kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als die zweite Flut und dementsprechend auch das über die erste Flut an dem
Schaufelspitzeneintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas eine höhere Zuströmgeschwindigkeit aufweist, als das über die zweite Flut an dem
Schaufelfußeintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Turbinengehäuse eine Trennwand auf, welche die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich derart voneinander trennt, dass die Trennwand ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut zu dem Schaufelfußeintrittsbereich sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich unterbindet. Dieses von Vorteil, da mittels der Trennwand somit eine besonders gezielte Ausrichtung des Abgases bei dessen Eintritt in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders strömungsgünstige Einleitung des Abgases in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.
Unter dem Begriff„im Wesentlichen parallel" ist dabei zu verstehen, dass jeweilige Mittelachsen der beiden Fluten an dem Zuführbereich einen spitzen Winkel miteinander einschließen, welcher vorzugsweise kleiner als 10° und besonders bevorzugt kleiner als 5° ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). 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 zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten
Abgasturbolader, wobei ein turbinenseitiger Gehäuseabschnitt des Abgasturboladers zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten aufweist;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften
Ausführungsform einer Halbaxialturbine, welche ein Turbinenrad aufweist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelfußeintrittsbereich des
Turbinenrades zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten
Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei an einem turbinenseitigen Gehäuseabschnitt des Turboladers ein Turbinenrad 90 drehbar gelagert ist und zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten 92, 94 vorgesehen sind. Die Flut 92 ist dabei als sogenannte λ-Flut ausgestaltet, wohingegen die Flut 94 als AGR-Flut ausgebildet ist. Eine Einströmrichtung 96 von Abgas der Verbrennungskraftmaschine zur Turbine und damit zum Turbinenrad 90 ist durch einen Pfeil dargestellt. Des Weiteren sind in Fig. 1 eine Leitung 98 zu einer Abgasrückführung der Verbrennungskraftmaschine sowie eine Leitung 100 zu jeweiligen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine verdeutlicht. Die Leitungen 98, 100 sind mit den jeweiligen Fluten 92, 94 fluidisch verbunden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Halbaxialturbine 10 für einen Abgasturbolader.
Die Halbaxialturbine 10 umfasst ein in Fig. 2 ausschnittsweise dargestelltes
Turbinengehäuse 12, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse 12 angeordneten und über wenigstens ein Wälzlager 50 um eine Drehachse 14 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbaren Turbinenrad 20.
Die Halbaxialturbine 10 umfasst des Weiteren zwei, durch das Turbinengehäuse 12 gebildete, zumindest teilweise voneinander getrennte und asymmetrisch zueinander ausgebildete sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten 30, 40, mittels welchen das die Fluten 30, 40 durchströmende Abgas dem Turbinenrad 20 zuführbar ist.
Eine erste Flut 30 der zwei Fluten 30, 40 weist an einem Zuführbereich 16, an welchem das die Fluten 30, 40 durchströmende Abgas dem Turbinenrad 20 mittels der ersten Flut 30 an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 des Turbinenrades 20 zuführbar ist, einen kleineren ersten Strömungsquerschnitt 32 aufweist, als eine zweite Flut 40 der wenigstens zwei Fluten 30, 40, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad 20 an einem
Schaufelfußeintrittsbereich 24 des Turbinenrades 20 zuführbar ist. Die zweite Flut 40 weist dabei einen zweiten Strömungsquerschnitt 42 auf. Mit anderen Worten ist der in Fig. 2 gestrichelt angedeutete, erste Strömungsquerschnitt 32 kleiner, als der in Fig. 2 ebenfalls gestrichelt angedeutete, zweite Strömungsquerschnitt 42. Der Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 stellt dabei einen Bereich dar, an welchem das Abgas auf jeweilige Schaufelspitzen 26 des Turbinenrades 20 trifft, wohingegen der Schaufelfußeintrittsbereich 24 eine Bereich darstellt, an welchem das Abgas auf jeweilige Schaufelfüße des Turbinenrades 20 trifft, sobald das Abgas über die jeweiligen Fluten 30, 40 durch den Zuführbereich 16 tritt.
Das Turbinengehäuse 12 weist eine Trennwand 18 auf, welche die zwei Fluten 30, 40 an dem Zuführbereich 16 derart voneinander trennt, dass die Trennwand 18 ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut 30 zu dem Schaufelfußeintrittsbereich 24 sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut 40 zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 unterbindet.
Die zwei Fluten 30, 40 sind an dem Zuführbereich 16 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Um dies zu ermöglichen läuft die Trennwand 18 spitzwinklig in Richtung des Zuführbereichs 16 zu.
Durch die asymmetrisch zueinander ausgebildeten Fluten 30, 40 ist ein guter
Ladungswechsel bei einer Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitig funktionierender Hochdruck-Abgasrückführung möglich.
Durch die Halbaxialturbine 10 kann eine besonders günstige Schaufelanströmung der jeweiligen Schaufeln des Turbinenrads 20 mit Abgas erreicht werden. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turbinensystemen, welche unterschiedliche
Anströmverhältnisse von Fluten aufweisen, kann über die Fluten 30, 40 eine
Fehlanströmung der jeweiligen Schaufeln des Turbinenrads 20 vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen mit zwei Abgasfluten sind jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Turbinenradeintritt über der Schaufelhöhe der jeweiligen Radialturbinen-Schaufeln konstant. Ist die Anströmgeschwindigkeit
(Umfangskomponente) beider Abgasfluten nicht gleich, so kommt es zu Abweichungen der Umfangskomponente in der Anströmung zur Umfangsgeschwindigkeit des
Turbinenradeintritts.
Die Halbaxialturbine 10 bietet Vorteile in der Auslegung auf niedrigere Druckverhältnisse im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen. Daher ist die Halbaxialturbine 10 besonders für den Einsatz in zweistufigen Aufladesystemen sinnvoll. Durch die spezielle Anordnung der Fluten 30, 40, also dadurch, dass das Abgas mittels der ersten Flut 30 gezielt dem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 und über die zweite Flut 40 gezielt dem Schaufelfußeintrittsbereich 24 des Turbinenrades 20 zuführbar ist, ergibt sich eine besonders günstige Anströmung des Turbinenrades 20, welches auch als Laufrad der Halbaxialturbine 10 bezeichnet werden kann. Dadurch kann gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turbinensystemen ein verbesserter
Turbinenwirkungsgrad erzielt werden.
Jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Schaufelfuß 28 sowie an der Schaufelspitze 26 sind beim Betrieb der Halbaxialturbine 10 unterschiedlich. Die Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß 28 kann auch als Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeiten uroot bezeichnet werden, welche in einem, in Fig. 3 dargestellten, auf den Schaufelfuß 28 bezogenen Geschwindigkeitsdreieck aufgetragen ist. Weitere Seiten des
Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 3 sind durch eine Schaufelfuß- Relativgeschwindigkeitskomponente wi ,root sowie durch eine Schaufelfuß- Zuströmgeschwindigkeit Ci .root gegeben. Durch das Einströmen des Abgases an dem Zuführbereich 16 unter der Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit Ci ,raot (Hypotenuse des Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 3) ergeben sich die Schaufelfuß- Relativgeschwindigkeitskomponente wi ,root sowie die Schaufelfuß- Umfangsgeschwindigkeiten U root (als jeweilige Katheten) an dem Schaufelfuß 28.
Fig. 4 zeigt ein, auf die Schaufelspitze 26 bezogenes Geschwindigkeitsdreieck, wobei die Umfangsgeschwindigkeiten an der Schaufelspitze 26 als Schaufelspitzen- Umfangsgeschwindigkeit Utip angegeben ist. Weitere Seiten des
Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 4 sind durch eine Schaufelspitzen- Relativgeschwindigkeitskomponente wi ,tiP sowie durch eine Schaufelspitzen- Zuströmgeschwindigkeit c 1 ,tiP gegeben. Durch das Einströmen des Abgases an dem Zuführbereich 16 unter der Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit Ci ,tiP (Hypotenuse des Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 4) ergeben sich die Schaufelspitzen- Relativgeschwindigkeitskomponente wi ,tip sowie die Schaufelspitzen- Umfangsgeschwindigkeit Utip an der Schaufelspitze 26.
Die Umfangsgeschwindigkeiten utiP, ur0ot an der Schaufelspitze 26 bzw. am Schaufelfuß 28 sind bei der Halbaxialturbine 10 unterschiedlich, wie aus der Zusammenschau von Fig. 3 und Fig. 4 erkennbar ist. Dabei gilt grundsätzlich
Generell gelten folgende Zusammenhänge: u = r * ω = r * 2πη
Figure imgf000010_0001
= r. root * ω = rr * Inn
Bei den vorstehenden Zusammenhängen werden die Drehzahl n und die
Winkelgeschwindigkeit ω des Turbinenrads 20, der Schaufelspitzenradius rtip (Abstand zwischen Schaufelspitze 26 und Drehachse 14) und der Schaufelfußradius rroot (Abstand zwischen Schaufelfuß 28 und Drehachse 14) herangezogen.
Da die Umfangsgeschwindigkeiten Utip , U root unterschiedlich sind, sollte auch die
Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit utiP der Zuströmgeschwindigkeit Ci ,tiP an der Schaufelspitze 26 größer sein als am Schaufelfuß 28, um die Relativströmung
entsprechend der Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente wi ,tip
schaufelkongruent in das Turbinenrad 20 einzuleiten. Für die Halbaxialturbine 10
(asymmetrische Turbine) mit den unterschiedlichen Fluten 30, 40 (Einzelfluten) bietet dies den Vorteil, dass die engere Flut 30 (mit dem ersten Strömungsquerschnitt 32) eine höhere Zuströmgeschwindigkeit des Abgases bewirkt als die im Vergleich dazu weitere Flut 40 (mit dem zweiten Strömungsquerschnitt 42). Aus diesem Grund ist die erste (engere) Flut 30 an der Schaufelspitze 26 angeordnet.
Ein in Fig. 2 angegebener Winkel α sowie eine Höhe h einer, dem Turbinenrad 20 bzw. den einzelnen Schaufeln des Turbinenrads 20 zugeordneten, einhüllenden
Schaufelgeometrie bestimmen, wie stark unterschiedlich die Umfangsgeschwindigkeiten Utip , U root am Eintritt in das Turbinenrad 20, also am Zuführbereich 16 sind. Es ergibt sich:
Figure imgf000010_0002
rrBOt + h * tan(er)
bZW. Hjjp = II, *
Je nach Anschrägung (Winkel a) und Schaufelhöhe (Höhe h) kann der Unterschied der jeweiligen Geschwindigkeiten utiP , ur0ot sinnvoll eingestellt werden, um das passende Turbinenrad 20 zum passenden Zuströmprofil der beiden Fluten 30, 40 vorzugeben. Aus der Zusammenschau von Fig. 3 und Fig. 4 ist erkennbar, dass die jeweiligen
Geschwindigkeitsdreiecke von Schaufelfuß 28 und Schaufelspitze 26 ebenfalls unterschiedlich gebildet sind, da die jeweiligen Zuströmgeschwindigkeiten Ci ,tiP , Ci ,raot sowie die jeweiligen Umfangsgeschwindigkeiten utiP, uraot zwischen den beiden Fluten 30, 40 variieren. Idealerweise ist die relative Anströmung der einzelnen Schaufeln des Turbinenrads 20 möglichst kongruent zur Schaufelrichtung, um Wirkungsgradverluste durch Fehlanströmung und Wirbelbildung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Insgesamt kann die Asymmetrie der beiden Fluten 30, 40, welche auch als Gehäusefluten bezeichnet werden können, gewinnbringend eingesetzt werden. Was bei Radialturbinen einen Nachteil darstellt, ist vorteilhaft für die Halbaxialturbine 10.
In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein sogenannter Inzidenzwinkel, welcher vorliegend einem Wert von etwa 30° entspricht, vernachlässigt, da dieser grundsätzliche Zusammenhänge nicht beeinflusst.
Die Relativkomponenten wi,tip, wi,r0ot (Schaufelspitzen- Relativgeschwindigkeitskomponente wi,tip und Schaufelfuß-
Relativgeschwindigkeitskomponente wi,root) sind in Fig. 3 für den Schaufelfuß 28 bzw. in Fig. 4 für die Schaufelspitze 26 senkrecht am Schaufeleintritt (Zuführbereich 16) dargestellt.
Für einen Schaufelwinkel von 90° ergibt sich so eine optimale Zuströmung. Auch für Schaufelwinkel abweichend von 90° lässt sich eine optimale Zuströmung realisieren. Um einen möglichst hohen Turbinenwirkungsgrad zu erzielen, ist eine Abstimmung der Höhe h, des Winkels α sowie die richtige Dimensionierung der beiden Strömungsquerschnitte 32, 42 sinnvoll.
Auch ein umgekehrter Auslegungsweg ist dabei denkbar: die Einzelfluten 30, 40 können aufgrund von Anforderungen an eine Abgasrückführung in entsprechendem
Asymmetriegrad ausgeführt sein. In Abhängigkeit davon lässt sich das Turbinenrad 20 dahingehend designen, dass passende Parameter für eine gute Zuströmung erzielt werden können.
Mit größer werdender Asymmetrie zwischen den jeweiligen Fluten 30, 40 können größere Wirkungsgradvorteile erzielt werden. Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung von
Verdichtern als Halbaxialmaschinen generell deren maximales Druckverhältnis absenkt und die Möglichkeit zum wirkungsgradoptimalen Betrieb innerhalb deren Kennfelder im Vergleich zu einer üblichen Verdichterbauweise mit radialer Abströmung bietet. Die Halbaxialturbine 10, welche auch eine variable Turbinengeometrie aufweisen kann, mit den asymmetrischen Fluten 30, 40 ermöglicht eine Anpassung auf besonders gute Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen.
Bei der Halbaxialturbine 10 wird die Erkenntnis genutzt, dass eine axiale
Niederdruckturbine ideale Einbaubedingungen bietet. Ein Niederdruckturbolader kann dabei direkt in Verlängerung zu einem Hochdruckturbolader angeordnet sein, wobei sogar jeweilige, koaxiale Wellenanordnungen denkbar sind. Auch ein leichter Winkelversatz oder Lateralversatz jeweiliger Wellen des Niederdruckturboladers und des
Hochdruckturboladers ist durch Anpassung eines Verbindungsstücks zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader möglich. Aufgrund eines geringen Zwischenvolumens zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader kann ein gutes, transientes Hochlaufverhalten erzielt werden. Aufgrund kleiner
Oberflächen werden besonders geringe Wärmeverluste erzielt. Zudem ergibt sich ein Gewichtsvorteil und eine sehr kompakte Anordnung im engen Motorraum. Durch direkte Anbindung der axialen Niederdruckturbolader nach einer Abströmung der
Hochdruckturbine ergeben sich sehr geringe Druckverluste. Zudem kann - im Gegensatz zu Radialturbinen - auf eine Strömungsumlenkung verzichtet werden.
Bezugszeichenliste
10 Halbaxialturbine
12 Turbinengehäuse
14 Drehachse
16 Zuführbereich
18 Trennwand
20 Turbinenrad
22 Schaufelspitzeneintrittsbereich
24 Schaufelf ußeintrittsbereich
26 Schaufelspitze
28 Schaufelfuß
30 erste Flut
32 erster Strömungsquerschnitt
40 zweite Flut
42 zweiter Strömungsquerschnitt
50 Wälzlager
90 Turbinenrad
92 λ-Flut
94 AGR-Flut
96 Einströmrichtung (zur Turbine)
98 Leitung zur Abgasrückführung
100 Leitung zu jeweiligen Zylindern
Ci ,tip Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit
Cl ,root Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit
Ttip Schaufelspitzenradius
Tro rt Schaufelfußradius
Utip Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit
U root Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit
Wi .tip Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente
Wl .root Schaufelf uß-Relativgeschwindigkeitskomponente h Höhe
α Winkel

Claims

Patentansprüche
1 . Halbaxialturbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) angeordneten und um eine Drehachse (14) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Turbinenrad (20) und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse (12) gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten (30, 40), mittels welchen das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste Flut (30) der wenigstens zwei Fluten (30, 40) zumindest an einem Zuführbereich (16), an welchem das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) mittels der ersten Flut (30) an einem
Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) des Turbinenrades (20) zuführbar ist, einen kleineren Strömungsquerschnitt (32) aufweist, als eine zweite Flut (40) der wenigstens zwei Fluten (30, 40), mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad (20) an einem Schaufelfußeintrittsbereich (24) des Turbinenrades (20) zuführbar ist.
2. Halbaxialturbine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Turbinengehäuse (12) eine Trennwand (18) aufweist, welche die wenigstens zwei Fluten (30, 40) an dem Zuführbereich (16) derart voneinander trennt, dass die Trennwand (18) ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut (30) zu dem
Schaufelfußeintrittsbereich (24) sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut (40) zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) unterbindet.
3. Halbaxialturbine (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens zwei Fluten (30, 40) an dem Zuführbereich (16) zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.
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