DE102009012132A1

DE102009012132A1 - Abgasturbine mit einer verstellbaren Leitschaufel

Info

Publication number: DE102009012132A1
Application number: DE102009012132A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kuhn; Nils Brinkert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Laufschaufel und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufel, die stromaufwärts zu der Laufschaufel in einem Strömungsdurchlass angeordnet ist, wobei die Leitschaufel entlang einer Längsachse der Leitschaufel gesehen einen sich verändernden Querschnitt aufweist und wobei die Leitschaufel um eine parallel zur Längsachse ausgerichtete Rotationsachse rotierbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Laufschaufel und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufel, die stromaufwärts zu der Laufschaufel in einem Strömungsdurchlass angeordnet ist, wobei die Leitschaufel, entlang einer Längsachse der Leitschaufel gesehen, einen sich verändernden Querschnitt aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind Turbinen mit verschiebbaren Leitschaufeln bekannt.
So offenbart bspw. die DE 60311008 T2 oder die EP 1353040 B1 eine Turbine mit veränderlicher Geometrie, die folgendes umfasst: ein Turbinenlaufrad, das Radialschaufeln hat und in einem Gehäuse zum Drehen um eine Achse getragen wird, einen ringförmigen Einlassdurchgang, der sich in Radialrichtung nach innen zum Turbinenlaufrad hin erstreckt, wobei der Einlassdurchgang zwischen einer ringförmigen Wand eines beweglichen Wandelements und einer Stirnwand des Gehäuses definiert wird, wobei das bewegliche Wandelement im Verhältnis zum Gehäuse bewegt werden kann, um die Breite des Einlassdurchgangs zu verändern, eine ringförmige Anordnung von Leitschaufeln, die sich über den Einlassdurchgang erstrecken, wobei die Leitschaufeln vordere und hintere Kanten, eine zwischen den vorderen und hinteren Kanten definierte Breite und eine Höhe, die sich allgemein parallel zur Achse des Turbinenlaufrades erstreckt, haben, wobei sich die Höhe über die Breite der Leitschaufeln von einem Maximum zu einem Minimum verändert, wobei die minimale Höhe geringer ist als die Breite der Turbinenschaufelspitzen in Axialrichtung, wobei die minimale Höhe der Leitschaufeln größer ist als die minimale Breite des Einlassdurchgangs.
Ferner ist aus dem Stand der Technik auch ein Turbolader mit einer Einrichtung zur Regelung des Schluckvermögens der im Turbolader verbauten Turbine bekannt, siehe DE 0914648 C2 ,. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei kleinem Schluckvermögen und kleiner Motordrehzahl zu erreichen, wird der Eintrittsquerschnitt vor dem Turbinenrad verkleinert. Es wird sich diesbezüglich einer Membran bedient, welche eine Leitschaufel aufweisend in den Eintrittsquerschnitt schiebbar ausgebildet ist.
Die derzeit verwendeten Turbinen mit verstellbaren Leitschaufeln haben jedoch immer den Nachteil, dass sie der dreidimensional ungleichförmig ausgestalteten Strömung im Einlassbereich der Turbine nicht adäquat Rechnung zollen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abgasturbine zur Verfügung zu stellen, die bei unterschiedlichen Lastzuständen einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweist. Es soll ferner eine Abgasturbine ohne die herkömmlichen Nachteile, allerdings bei hohem Wirkungsgrad erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, das die Leitschaufel zusätzlich oder an Stelle des sich verändernden Querschnitts in Richtung der Längsachse in sich verdreht ausgestaltet ist.
Dadurch ist es möglich, die Anströmwinkel über die Turbinenradeintrittsbreite wirkungsgradoptimal zu gestalten. Die Strömungsverhältnisse des optional vorhandenen Leitgitterapparates können bei den dreidimensionalen Gegebenheiten zu einem verbesserten Wirkungsgrad führen. Eine gezielte Abstimmung des Leitgitters und der Ausgestaltung des Turbinenradeintritts über die gesamte Eintrittsbreite hinweg, kann durchgeführt werden, was dann zu einem besseren Wirkungsgrad führt. Eine solche Ausgestaltung empfiehlt sich insbesondere bei mehrflutigen Turbinen, insbesondere bei mehrflutigen Abgasturbinen. Der 3-D-Charakteristik der Strömung ist somit vermehrt Rechnung getragen. Der Wirkungsgrad erhöht sich.
Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Wenn die Leitschaufel in Strömungsrichtung gesehen eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, wobei die Hinterkante an einem in Längsrichtung gesehen oberen und unteren Bereich von der Vorderkante wegweisende Vorsprünge aufweist, so wird ein besserer Strömungsverlauf erreicht. Vermehrte Schallentwicklung wird vermieden.
Um einen gleichmäßigen Strömungsverlauf zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Vorderkante kurvig ausgeformt ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn sich in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Querschnittsfläche entlang der Längsachse der Leitschaufel senkrecht zur Längsachse verkleinert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante an einem Längsende der Leitschaufel weniger weit von der Rotationsachse der Leitschaufel entfernt ist, als an einem gegenüberliegenden Längsende.
Wenn beide Längsenden der Vorderkante der Leitschaufel weniger weit von der Rotationsachse entfernt sind, als ein im mittleren Bereich der Vorderkante, so wird den im Randbereich der Strömung auftretenden Verzögerungseffekten adäquat Rechnung getragen.
Um den Wirkungsgrad im Teillastbereich besonders gut beeinflussen zu können, ist es von Vorteil, wenn ein Schieber zur Strömungsregelung den Strömungsdurchlass verkleinernd bewegbar angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Schieber die Leitschaufel zumindest abschnittsweise umhüllt.
Um über den gesamten Umfang des Turbinenrades einen gleichmäßigen Schubverlauf zu haben, ist es von Vorteil, wenn eine Vielzahl von äquidistant zueinander angeordneten Leitschaufeln in einem Turbinengehäuse angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachstehend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf als Leitgitter angeordnete herkömmliche Leitschaufeln und drehbar angeordnete Laufschaufeln einer herkömmlichen Turbine,
2 eine Querschnittsdarstellung durch eine herkömmliche Turbine in einem Ausschnitt mit einer Leitschaufel, die ein konstantes Profil aufweist,
3 ein Ausschnitt eines Teilquerschnitts durch eine erfindungsgemäße Turbine mit einer Leitschaufel, die ein variables Profil aufweist in einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Abgasturbine mit einer Leitschaufel, die ein variierendes Profil aufweist und
5 ein drittes Ausführungsbeispiel in einer Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Abgasturbine mit einer Leitschaufel, die ein variables Profil aufweist.
Die Darstellungen sind lediglich schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Für die gleichen Elemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist eine Abgasturbine 1 in einer Draufsicht dargestellt. Die Abgasturbine 1 ist Teil einer Verbrennungskraftmaschine, wie sie in Kraftfahrzeugen, etwa Pkws oder Lkws eingesetzt wird. Zur üblichen Ausgestaltung einer Turbine wird auf die DE 60311908 T2 Bezug genommen und deren diesbezüglichen Inhalte sollen als hier integriert gelten.
Die Abgasturbine weist ein Leitgitter 2 umfassend einer Vielzahl von Leitschaufeln 3 auf. Durch das Leitgitter 2 wird mittels der Leitschaufeln 3 ein Fluidstrom aus Abgasen in Richtung eines Laufschaufeln 4 umfassenden Turbinenrades 5 gelenkt. Das Turbinenrad 5 ist um eine Drehachse 6 rotierbar.
Wie auch der 2 zu entnehmen, sind die Leitschaufeln 3 in einem Strömungsdurchlass 7 angeordnet. Der Strömungsdurchlass 7 ist in einem Turbinengehäuse 8 ausgebildet. In 2 sind die Laufschaufeln 4 nicht dargestellt.
In 1 sind aber die Leitschaufeln 3 in zwei Positionen dargestellt, wobei die erste Position durchgezogen dargestellt ist und die zweite Position mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Diese zweite Position wird dadurch erreicht, dass die Leitschaufeln 3 parallel zu einer Längsachse, um eine Rotationsachse 9 gedreht werden. Der Strömungswinkel relativ zu den Leitschaufeln 4 verändert sich dadurch. Die einzelnen Komponenten eines Geschwindigkeitsdreieckes sind in der ersten und zweiten Position unterschiedlich.
In 2 ist die Leitschaufel 3 ungeschnitten dargestellt, es ist jedoch zu erkennen, dass über die gesamte Höhe der Leitschaufel 3, also entlang einer Längsachse der Leitschaufel 4 und somit entlang der Rotationsachse 9 sich das Profil der Leitschaufel 3 nicht verändert. Insbesondere verlaufen durchgehend die an der Leitschaufel 3 vorhandene Vorderkante 10 und die Hinterkante 11 zueinander parallel.
Eine Rotation um die Rotationsachse 9 der Leitschaufel 3 ist mit einem Pfeil A symbolisiert.
In den 3 bis 5 werden erfindungsgemäße Ausführungen einer Leitschaufel 3 dargestellt. Dabei weist die erfindungsgemäße Leitschaufel 3 an der Hinterkante 11 an deren Längsenden 12 Vorsprünge 13 auf.
Die Abgase, die entlang eines Spiralgehäuses 14 auf die Vorderkante 10 der Leitschaufel 3 gelangen, werden entsprechend ihrer Geschwindigkeitsanteile mittels der asymmetrisch ausgeformten Leitschaufel 3 umgelenkt.
Zwar ist es in den 3, 4 und 5 nicht erkennbar, doch ist es möglich, die Leitschaufel 3 sich verdreht, also verwunden, auszubilden. Die unterschiedlichen Verläufe der Vorderkanten 10 der Leitschaufeln 3 sind in den 4 und 5 in zwei weiteren Ausführungsformen visualisiert.
In den 3 und 4 ist zu erkennen, dass in einem mittleren Bereich 15 die Vorderkante 10 von der Rotationsachse 9 weiter entfernt ist, als im Bereich der Längsenden 12.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 60311008 T2 [0003]
- EP 1353040 B1 [0003]
- DE 0914648 C2 [0004]
- DE 60311908 T2 [0026]

Claims

Abgasturbine (1) einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Laufschaufel (4) und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufel (3), die stromaufwärts zu der Laufschaufel (4) in einem Strömungsdurchlass (7) angeordnet ist, wobei die Leitschaufel (3), entlang einer Längsachse der Leitschaufel (3) gesehen, einen sich verändernden Querschnitt aufweist, wobei die Leitschaufel (3) um eine parallel zur Längsachse ausgerichteten Rotationsachse (9) rotierbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (3) zusätzlich oder an Stelle des sich verändernden Querschnitts in Richtung der Längsachse in sich verdreht ausgestaltet ist.
Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (3) in Strömungsrichtung gesehen eine Vorderkante (10) und eine Hinterkante (11) aufweist, wobei die Hinterkante (11) an einem in Längsachsenrichtung gesehen oberen und einem unteren Bereich von der Vorderkante (10) wegweisende Vorsprünge (13) aufweist.
Abgasturbine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (10) kurvig ausgeformt ist.
Abgasturbine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang der Längsachse der Leitschaufel (3) die Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse verkleinert.
Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (10) an einem Längsende (12) der Leitschaufel (3) weniger weit von der Rotationsachse (9) der Leitschaufel (3) entfernt ist, als an einem gegenüberliegenden Längsende (12).
Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Längsenden (12) der Vorderkante (10) der Leitschaufel (3) weniger weit von der Rotationsachse (9) entfernt sind, als ein mittlerer Bereich (15) der Vorderkante (10).
Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schieber den Strömungsdurchlass (7) verkleinernd bewegbar angeordnet ist.
Abgasturbine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber die Leitschaufel (3) zumindest abschnittsweise umhüllt.
Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von äquidistant zueinander angeordneten Leitschaufeln (3) in einem Turbinengehäuse (8) angeordnet sind.