DE10028733A1 - Abgasturbine für einen Turbolader - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einer Abgasturbine für einen Turbolader mit einem Laufrad aus, das drehbar in einem Turbinengehäuse mit einem spiralförmigen Einlaßkanal gelagert ist, an den sich ein das Laufrad umgebendes Leitgitter mit Leitschaufeln anschließt, die im Anströmbereich und im Abströmbereich im wesentlichen tangential zu einer äußeren bzw. inneren Mantelfläche verlaufen. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß Anströmkanten und/oder Abströmkanten der Leitschaufeln unter einem Winkel zu Mantellinien der Mantelflächen verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine für einen Turbolader nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl für selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Quali­ tätsregelung als auch fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung oder Quantitätsregelung eingesetzt, um die Leistung zu steigern oder die Abgasqualität zu ver­ bessern, indem durch komprimierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansionsener­ gie der Verbrennungsgase vermehrt genutzt wird.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfachen Aufbau und einer langen Lebensdauer. Sie bestehen in der Regel aus einer Abgasturbine mit einer konstanten Schaufel­ geometrie, die einen Radialverdichter antreibt. Während die Abgasturbine als Strömungsmaschi­ ne gut mit dem Radialverdichter zusammenarbeitet, zeigen beide Aggregate als Abgasturbolader ein anderes Betriebsverhalten als die Hubkolbenbrennkraftmaschine, das nur schwer an die Be­ dürfnisse der Hubkolbenbrennkraftmaschine anzupassen ist. Legt man den Abgasturbolader für den Vollastbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, ist der Förderdruck im Vollast- Niederdrehzahlbereich aufgrund des verringerten Abgasmassestroms und der reduzierten Gas­ geschwindigkeit durch die Abgasturbine unzureichend. Legt man dagegen den Abgasturbolader für den Vollast-Niedrigdrehzahlbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, ist das Fördervo­ lumen im Vollastbereich zu hoch, so daß die zu hohe Abgasmenge über ein Bypassventil abge­ führt werden muß, um den gewünschten Ladedruck nicht zu überschreiten. Dies hat erhebliche Wirkungsgradverluste zur Folge.

Zur Entschärfung des oben dargestellten Zielkonflikts werden Abgasturbolader mit einer variablen Schaufelgeometrie eingesetzt. Die EP 0 598 174 A1 beschreibt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Abgasturbine ein Laufrad hat, das von einem mindestens teilweise diagonal durchströmten Leitapparat mit einem spiralförmigen Leitkanal umgeben ist. Dieser be­ sitzt einen ringdüsenförmigen Mündungsbereich, in dem ein variables Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet ist. Bei Vollast der Brennkraftmaschine sind die Strömungsquerschnitte des Leitgit­ ters vollständig geöffnet, während für einen Teillastbetrieb oder bei Vollast-Niedrigdrehzahl der Brennkraftmaschine die Strömungskanäle des Leitgitters durch Verdrehen eines Teils des Leitgit­ ters teilweise abgeriegelt sind. Durch diese Maßnahmen kann im Teillastbereich oder bei Vollast- Niedrigdrehzahl der Brennkraftmaschine die Drehzahl der Abgasturbine trotz des verringerten Volumenstroms auf einem hohen Niveau gehalten werden und somit das verfügbare Kennfeld auf der Seite der Abgasturbine des Abgasturboladers verbreitert werden. Im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine kann die Drosselwirkung des Leitgitters als Motorbremse genutzt werden.

Aus der DE 196 45 388 A1 ist eine Abgasturbine bekannt, bei der ein Leitgitter zwischen einem spiralförmigen Einlaßkanal und einem Laufrad axial in einen Ringraum eingerückt werden kann. An seiner freien Stirnseite weist das Leitgitter einen Deckring auf, die in einer zurückgeschobenen Position des Leitgitters einen Ringspalt zwischen dem Turbinengehäuse und einer Innenführung des Leitgitters abdeckt. Hierdurch sind vergleichbare Wirkungen wie oben beschrieben zu errei­ chen.

Das Laufrad der Abgasturbine wird insbesondere im Bremsbetrieb sehr hoch beansprucht. Seine Laufschaufeln erfahren jeweils bei einer Umdrehung des Laufrads entsprechend der Anzahl der Leitschaufeln im Leitgitter einen Impuls. Dadurch können die Laufschaufeln und das Laufrad zu Schwingungen angeregt werden, die die Bauteile und die Lagerung gefährden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastung der Laufschaufeln, des Laufrads und der Lagerung zu reduzieren. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung verlaufen die Anströmkanten und/oder Abströmkanten der Leitschaufeln unter einem Winkel zu den Mantellinien der Mantelflächen. Dadurch verteilt sich der Druckimpuls des Abgases auf die Laufschaufeln über einen größeren Drehwinkelbereich, so daß die Belastung der einzelnen Laufschaufel reduziert ist und sich eine nahezu konstante Beaufschlagung des Laufrads ergibt. Ferner kann durch unterschiedliche Längen der Leitschaufeln die Impulsfolge verstimmt werden, so daß eine Anregung sowohl der Laufschaufeln als auch der Leitschaufeln im Resonanzbereich vermieden wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Leitschaufeln durch stirnseitige Deckringe miteinander verbunden sind. Diese dienen zum einen dazu, das ein Rings­ palt im Turbinengehäuse mit einfachen Mitteln sicher abgedeckt wird, zum anderen stabilisieren sie die dünnwandigen Leitschaufeln. Dadurch werden Schwingungen im Bereich des Leitgitters vermieden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch ein Turbinengehäuse einer Abgasturbine mit einem ausgerückten Leitgitter,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Axialschieber mit einem Leitgitter und

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend der Linie III-III in Fig. 2.

In einem Turbinengehäuse 2 einer Abgasturbine 1 ist ein zweiflutiger, spiralförmiger Einlaßkanal 3 vorgesehen, der in einen Ringraum 4 mündet. An diesen schließt sich in radialer Richtung ein Laufrad 5 mit Laufschaufeln 6 der Abgasturbine 1 an. Abgase strömen durch das Laufrad 5 in einen axial gerichteten Auslaßkanal 31 und treiben dabei das Laufrad 5 an, das über eine Welle 32 mit einem nicht näher dargestellten Laufrad eines Radialverdichters verbunden ist.

In einem Ringspalt 25 zwischen dem Turbinengehäuse 2 und einer Innenführung 26 ist ein ring­ förmiger Axialschieber 30 vorgesehen, der ein Leitgitter 7 mit Leitschaufeln 8 bis 12 trägt. Diese weisen unterschiedliche Längen 13 bis 17 auf, die verhindern, daß im Betrieb eine Resonanz­ schwingung erreicht wird. Deckringe 18 und 19 verbinden die stirnseitigen Enden der Leitschau­ feln 8 bis 12 miteinander und stabilisieren diese. Gleichzeitig deckt der äußere Deckring 18 den Ringspalt 25 ab, wenn der Axialschieber 30 ausgerückt ist (Fig. 1), während der innere Deckring 19 den Ringspalt 25 in ausgerücktem Zustand abdeckt.

An dem Ende des Axialschiebers 30, das dem Leitgitter 7 abgewandt ist, befinden sich Gleitzap­ fen 28, mit denen der Axialschieber 30 in Umfangsrichtung in einer Kulisse 29 der Innenführung 26 axial verschiebbar geführt ist. Auf die Gleitzapfen 28 wirkt stirnseitig eine Schiebehülse 27, die den Axialschieber 30 in den Ringraum 4 einrückt oder aus den Ringraum 4 ausrückt (Fig. 1).

Die Leitschaufeln 8 bis 12 verlaufen im wesentlichen tangential zu einer äußeren Mantelfläche 20 und einer inneren Mantelfläche 21 (Fig. 3). Zum Einlaßkanal 3 hin besitzen die Leitschaufeln 8 bis 12 eine Anströmkante 24, während sie zum Laufrad 5 hin eine Abströmkante 23 aufweisen. Die Abströmkante 23 und die Anströmkante 24 schließen mit Mantellinien 22 der inneren Man­ telfläche 21 bzw. der äußeren Mantelfläche 20 einen Winkel ϕ ein, so daß der Spalt zwischen den Leitschaufeln 8 bis 12 schräg zu den Mantellinien 22 und damit zu den Anströmkanten der Lauf­ schaufeln 6 des Laufrads 5 verlaufen. Dadurch wird die stoßweise Belastung der Laufschaufeln 6 stark reduziert und das Laufrad 5 im wesentlichen konstant beaufschlagt.

Claims (3)

1. Abgasturbine für einen Turbolader mit einem Laufrad, das drehbar in einem Turbinengehäuse mit einem spiralförmigen Einlaßkanal gelagert ist, an den sich ein das Laufrad umgebendes Leitgitter mit Leitschaufeln anschließt, die im Anströmbereich und im Abströmbereich im wesentli­ chen tangential zu einer äußeren bzw. inneren Mantelfläche verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß Anströmkanten (24) und/oder Abströmkanten (23) der Leitschaufeln (8, 9, 10, 11, 12) unter einem Winkel (ϕ) zu Mantellinien (22) der Mantelflächen (20, 21) verlaufen.

2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (8, 9, 10, 11, 12) unterschiedliche Längen (13, 14, 15, 16, 17) aufweisen.

3. Abgasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (8, 9, 10, 11, 12) durch stirnseitige Deckringe (18, 19) miteinander verbunden sind.