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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Radialturbine
für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
wobei die Radialturbine ein Gehäuse und ein Turbinenrad
mit Turbinenradschaufeln aufweist, wobei die Turbinenradschaufeln
freie Enden aufweisen, die dem Gehäuse zugewandt sind,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Herkömmliche
Turbolader für Verbrennungsmotoren bestehen aus einer von
den Abgasen angetriebenen Turbine und einem mit der Turbinenwelle gekoppelten
Luftverdichter, die beide eine Baueinheit bilden. Das Verdichtergehäuse
und das Verdichterrad im Turbolader sind im allgemeinen Gussstücke aus
Aluminiumlegierungen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Verdichters
soll der Spalt zwischen den bogenförmigen Außenkanten
der Verdichterschaufeln und der gegenüberliegenden Innenwand
des Verdichtergehäuses so klein wie möglich sein.
Extrem kleine Spaltweiten führen jedoch zu der Gefahr,
dass die Außenkanten der Verdichterradschaufeln die Innenwand
des Verdichtergehäuses bei leichten Schwingungen kontaktieren,
was einen Bruch des Verdichterrades und die Zerstörung
der Antriebswelle zur Folge haben kann. Daher liegt die Spaltweite
des zwischen der Innwand des Verdichtergehäuses und dem
Außenprofil des Verdichterrades vorhandenen Spalts üblicherweise
im Bereich von 0,3 mm bis 0,5 mm.
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Aus
der
EP 416 954 B1 und
der
JP 04-40559 B2 sind
Kraftfahrzeug-Turbolader bekannt, bei welchen zur Verkleinerung
des Spalts zwischen Verdichter-Laufrad und Verdichtergehäuse
sowie zur Verhinderung von Beschädigungen des Verdichterrades durch
Kontaktieren des Verdichtergehäuses auf der Innenwand des
Verdichtergehäuses eine Harzbeschichtung thermisch aufgespritzt
ist. Die Herstellung der thermischen Harzbeschichtung ist jedoch
außerordentlich aufwendig und kostspielig.
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Um
den Spalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse in
einem Turbolader eines Verbrennungsmotors zu minimieren und Beschädigungen
des Verdichterrades bei Kontakt mit dem Verdichtergehäuse
zu verhindern, ist aus der
JP-06-307250-A ein
Turbolader bekannt, bei welchem am Verdichtergehäuse in
dem den bogenförmigen Außenkanten der Verdichterschaufeln
gegenüberliegenden Abschnitt ein Wandelement aus einem Verbundmaterial
befestigt ist, das aus einem Kunstharz wie etwa PTFE (Polytetraftuorethylen)
oder einem Gemisch aus Harz und Graphit oder Glaswolle besteht.
Dieses Wandelement weist einen zur Mittelachse koaxialen Teil, einen
radialen Endteil und einen bogenförmigen Zwischenteil auf,
die alle in direktem Kontakt an den entsprechenden Flächen
des Verdichtergehäuses anliegen. Das Wandelement ist mit
seinem koaxialen Teil an der zugehörigen Wand des Zylindergehäuses
befestigt.
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Aus
der
DE 102 23 876
A1 ist ein Verdichter für eine Brennkraftmaschine
bekannt, der ein in einem Einströmkanal eines Verdichtergehäuses
angeordnetes Verdichterrad aufweist, wobei über den Einströmkanal
angesaugte Verbrennungsluft zum Verdichterrad geleitet wird. Das
Verdichterrad weist einen die Verdichterradschaufeln radial umgreifenden Deckring
auf, wobei zwischen benachbarten Verdichterradschaufeln ein tunnelartiger
Strömungsweg gebildet ist.
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Der
Wirkungsgrad von Radialturbinen aus Abgasturboladern wird erheblich
durch das Ausmaß der Radialspalte zwischen Turbinenrad
und Gehäuse beeinflusst. Mit zunehmendem prozentualem Anteil des
Radialspaltes fällt der Wirkungsgrad stark ab. Überströmverluste
im Bereich der Schaufelspitzen und Druckverluste über das
gesamte Turbinengehäuse bilden dabei die Hauptursachen.
Die relative Spaltweite des Radialspaltes zwischen Turbinenrad und
Gehäuse ist umso größer, je kleiner das
Turbinenrad ist, so dass der Effekt des Druckverlustes mit entsprechender
Wirkungsgradverschlechterung um so stärker ausgeprägt
ist, je kleiner der Abgasturbolader ausgebildet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der
o. g. Art hinsichtlich des Wirkungsgrades und des dynamischen Verhaltens
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einem Abgasturbolader der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass an dem Turbinenrad ein Deckband derart angeordnet und ausgebildet
ist, dass dieses Deckband fest mit den freien, dem Gehäuse
zugewandten Enden der Turbinenradschaufeln verbunden ist und die
Turbinenradschaufeln radial derart umgreift, dass das Deckband eine
Trennwand zwischen dem Turbinenrad von dem Gehäuse ausbildet.
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Dies
hat den Vorteil, dass Strömungsverluste durch einen Spalt
zwischen dem Gehäuse und den freien Enden der Turbinenradschaufeln
wirksam vermieden sind. Dies erzielt einen verbesserten Wirkungsgrad
sowie eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Abgasturboladers
im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine.
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Zur
weiteren Reduzierung von unerwünschter Sekundärströmung
am Radialspalt zwischen dem Gehäuse und den freien Enden
der Turbinenradschaufeln erstreckt sich das Deckband zwischen einem
radialen Turbinenradeintritt und einem axialen Turbinenradaustritt.
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Ein
zusätzliches Verhindern des Überströmens
von Gas von dem radialen Turbineneintritt am Turbinenrad vorbei
zum axialen Turbinenaustritt erzielt man dadurch, dass das Deckband
radial über einen radialen Turbinenradeintritt übersteht.
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Eine
Labyrinthdichtung gegen Fehlluftströme wird dadurch ausgebildet,
dass das Deckband wenigstens eine Erhebung aufweist, die sich in
eine ringförmige Ausnehmung im Gehäuse erstreckt.
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Eine
besonders hohe Wirkung der Labyrinthdichtung erzielt man dadurch,
dass die wenigstens eine Erhebung an einem eintrittseitigen Ende und/oder
einem austrittseitigen Ende des Deckbandes ausgebildet ist.
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Eine
besonders gute Dichtigkeit und mechanische Festigkeit erzielt man
dadurch, dass die wenigstens eine Erhebung einstückig mit
dem Deckband ausgebildet ist.
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Eine
besonders einfache und trotzdem wirkungsvolle Labyrinthdichtung
erzielt man dadurch, dass wenigstens eine Erhebung als Lamelle ausgebildet
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind das Turbinenrad
und das Deckband einstückig ausgebildet.
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Eine
besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit erzielt
man dadurch, dass das Deckband als Tiefziehteil aus einem hochwarmfesten Stahlblech
ausgebildet ist, wobei das Deckband mittels Schweißen,
insbesondere Laserschweißen, Punktschweißen, Reibschweißen,
Plasmaschweißen oder Elektroschweißen, an den
Turbinenradschaufeln befestigt ist.
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Eine
weiterhin besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit
erzielt man dadurch, dass das Turbinenrad und das Deckband als einstückiges Gussteil,
insbesondere als Druckgussteil oder Schleudergussteil, ausgebildet
sind.
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Eine
besonders maßgenaue Herstellbarkeit erzielt man dadurch,
dass das Turbinenrad und das Deckband als Frästeil aus
einem einzigen Halbzeug ausgebildet sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abgasturboladers in Schnittansicht,
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2 ein
Turbinenrad des Abgasturboladers gemäß 1 in
perspektivischer Ansicht,
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3 eine
vergrößerte Darstellung des Gereichtes A von 1,
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4 eine
der 3 analoge Darstellung des Bereiches A von 1 gemäß einer
alternativen Ausführungsform und
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5 eine
der 3 analoge Darstellung des Bereiches A von 1 gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform.
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Die
in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers umfasst
eine Turbine 10, die ein Turbinenrad 12 und ein
Turbinengehäuse 14 aufweist, einen Verdichter 16,
der ein Verdichterrad 18 und ein Verdichtergehäuse 20 aufweist,
sowie eine Antriebswelle 22, welche das Turbinenrad 12 und
das Verdichterrad 18 miteinander verbindet.
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Das
Turbinenrad 12 ist in einem Einströmkanal 24 im
Turbinengehäuse 14 drehbar gelagert und über
die Welle 22 mit dem Verdichterrad 18 gekoppelt.
Das Turbinenrad 12 treibt das Verdichterrad 18 an. Über
den Einströmkanal 24 wird dem Turbinenrad 12 radial
Abgas 26 zugeführt, welches das Turbinenrad 12 bzw.
Turbinenradschaufeln 30 (2) radial über
einen Turbinenradeintritt 28 anströmt und das
Turbinenrad 12 antreibt. Das Abgas 26 strömt über
einen axialen Turbinenradaustritt 32 ab.
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Das
Turbinenrad 12 weist ein dieses radial umgreifendes Deckband 34 auf,
welches radial außen liegende Kanten bzw. freie Enden 36 der
Turbinenradschaufeln 30, welche dem Turbinengehäuse 14 zugewandt
sind, verbindet, so dass zwischen benachbarten Turbinenradschaufeln 30 zwischen
Turbinenradeintritt 28 und Turbinenradaustritt 32 ein
tunnelartiger Strömungsweg gebildet ist, welcher in Radialrichtung
auf der Innenseite von einer Turbinenradnabe 38 und auf
der Außenseite von der Innenwandung des Deckbandes 34 begrenzt
ist. Das Deckband 34 verleiht dem Turbinenrad 12 zusätzliche
Stabilität und unterstützt darüber hinaus
die Wärmeableitung. Das Deckband 34 erstreckt
sich axial zumindest zwischen dem Turbinenradeintritt 28 und dem
Turbinenradaustritt 32, wobei letzterer vom Deckband 34 üblicherweise
nicht verdeckt wird, um einen axialen Austritt der verdichteten
Luft nicht zu behindern. Gegebenenfalls kann es aber auch zweckmäßig
sein, dass sich das Deckband 34 zusätzlich über
den radialen Abschnitt des axialen Turbinenradaustritts 32 erstreckt
und mit Ausnehmungen versehen ist, über die das Abgas 26 austritt.
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In 2 ist
das Turbinenrad 12 mit dem daran befestigten Deckband 34 im
Detail vergrößert dargestellt. Das Deckband 34 ist
drehfest mit den Turbinenradschaufeln 30 verbunden, d.
h. das Deckband 34 dreht sich zusammen mit dem Turbinenrad 12.
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Am
Turbinenradeintritt 28 überragt das Deckband 34 das
Turbinenrad 12 in radialer Richtung, wie auch aus 3 ersichtlich.
Die Länge des Überstandes ist mit 40 bezeichnet.
Diese vorgezogene Stirnseite 40 des Deckbandes 34 bewirkt,
dass das heranströmende Abgas 26 auf Grund von
Reibung im Bereich zwischen der Innenwandung des Deckbandes 34 im
axial überstehenden Abschnitt 40 einen Drall erfährt,
unter dem das Abgas 26 über den zurückgesetzten
Turbinenradeintritt 28 auf das Turbinenrad 12 auftrifft.
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Im
Bereich der Innenwand des Einströmkanals 24 ist
unmittelbar vor der Stirnseite 40 des Deckbandes 34 vorgelagert
eine Wandstufe 42 ausgebildet, welche in Form eines radial
nach innen gezogenen Absatzes die Stirnseite 40 des Deckbandes 34 hintergreift.
Die Wandstufe 42 bildet zusammen mit der Stirnseite 40 des
Deckbandes 34 eine Art Labyrinthdichtung gegen Fehlluftströme
auf der radialen Außenseite des Deckbandes 34 aus.
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4 zeigt
eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, wobei funktionsgleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wie in den 1 bis 3,
so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung
der 1 bis 3 verwiesen wird. Im Unterschied
zur Ausführungsform gemäß 3 weist
das Deckband 34 zusätzlich eine ringförmige
Lamelle 44 auf, die sich in eine ringförmige Ausnehmung 46 des
Turbinengehäuses 14 erstreckt. Hierdurch ist eine
Labyrinthdichtung ausgebildet, die Fehlluftströme auf der
radialen Außenseite des Deckbandes 34 wirksam
reduziert. Bei der Ausführung gemäß der 4 ist
die Lamelle an einem austrittseitigen Ende des Deckbandes 34 angeordnet.
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5 zeigt
eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, wobei funktionsgleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wie in den 1 bis 4,
so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung
der 1 bis 4 verwiesen wird. Im Unterschied
zur Ausführungsform gemäß 4 ist
die eine Labyrinthdichtung ausbildende Lamelle 44 und die ringförmige
Ausnehmung 46 an dem eintrittsseitigen Ende des Deckbandes 34 ausgebildet.
Diese Ausführungsform ist wegen Vorteilen bei der Montage
besonders bevorzugt.
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Zur
Unterstützung der Labyrinthdichtungen, wie in 4 und 5 dargestellt,
wird zusätzlich auf strömungsmechanische Effekte
und Phänomene zurückgegriffen, um Fehlluftströme
zu reduzieren. Möglichkeiten stellen dabei der Coanda-Effekt
und die Grenzschicht-Theorie dar. Mittels Abrisskanten werden mechanische
Hindernisse erzeugt, die Wirbel bewusst erzeugen und damit einen
Gasdurchfluss an der radialen Außenseite des Deckbandes 34 bewusst
behindern.
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Die
Erfindung geht von dem Problem aus, dass die relative Spaltweite
zwischen Spitzen 36 der Turbinenradschaufeln 30 und
dem Turbinengehäuse 14 umso größer
ist, je kleiner das Turbinenrad 12 ist. In dem Spalt zwischen
dem Turbinenrad 12 und dem Turbinengehäuse 14 treten
drei verschiedene Arten von Strömungen auf, eine Spaltströmung,
eine Strömung durch Schabeeffekte und eine so genannte Scherströmung
(Couette-Strömung).
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Über
die Verwendung des Deckbandes 34 an dem Turbinenrad 12 wird
ein Radialspalt zwischen Turbinenschaufeln 30 und Turbinengehäuse 14 völlig vermieden.
Die strömungstechnisch wirksame relative Spaltweite geht
dabei Richtung Null. Aufgrund des Deckbandes 34 können
sich Wirbel und damit Strömungsverluste durch Schaufelspitzenumströmung nicht
ausbilden. Von den oben erwähnten Strömungsarten
bleibt allein die Couette-Strömung erhalten, was in Kauf
genommen werden kann. Wirbelströmungen können
sich nicht mehr ausbilden. Vorzugsweise wird das Deckband 34 entlang
der Schaufelspitzen 36 laserverschweißt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbine
- 12
- Turbinenrad
- 14
- Turbinengehäuse
- 16
- Verdichter
- 18
- Verdichterrad
- 20
- Verdichtergehäuse
- 22
- Antriebswelle
- 24
- Einströmkanal
im Turbinengehäuse 14
- 26
- Abgas
- 28
- Turbinenradeintritt
- 30
- Turbinenradschaufel
- 32
- Turbinenradaustritt
- 34
- Deckband
- 36
- freie
Enden der Turbinenradschaufeln 30, welche dem Turbinengehäuse 14 zugewandt
sind
- 38
- Turbinenradnabe
- 40
- Überstand
des Deckbandes 34
- 42
- Wandstufe
- 44
- Lamelle
- 46
- ringförmige
Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 416954
B1 [0003]
- - JP 04-40559 B2 [0003]
- - JP 06-307250 A [0004]
- - DE 10223876 A1 [0005]
