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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufel für einen Turbolader. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Leitschaufelanordnung, einen Turbolader, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers.
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Die
DE 10 2007 018 618 A1 beschreibt den allgemein bekannten Aufbau eines Turboladers zur Leistungssteigerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, der im Wesentlichen aus einer Radialturbine mit einem Turbinenrad, welches vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird, und einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Radialverdichter zur Komprimierung von Frischluft mit einem Verdichterrad, das durch eine Läuferwelle drehfest mit dem Turbinenrad verbunden ist, besteht.
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Die Drehzahl des Radialverdichters und damit der so genannte Ladedruck ist durch die Drehzahl der Turbine oder genauer über den die Turbine durchströmenden Abgasmassenstrom vorgegeben. Die Turbine ist zumeist für eine mittlere Drehzahl und einen mittleren Leistungsbereich des Verbrennungsmotors dimensioniert. Dadurch wird über ein ausreichend kleines Massenträgheitsmoment der drehenden Teile des Turboladers ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers und damit ein schnelles Umsetzten einer vom Kraftfahrzeuglenker gewünschten Beschleunigung erreicht. Zum Anderen wird die Turbine in einem mittleren Drehzahl und Leistungsbereich des Verbrennungsmotors mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben. Problematisch bei dieser Konfiguration ist allerdings der Volllastbereich des Verbrennungsmotors. Im Volllastbetrieb kann die Drehzahl der Turbine derart stark ansteigen, dass die ohnehin stark drehzahlbeanspruchte Lagerung der Läuferwelle beschädigt wird oder der zulässige Ladedruck des Verbrennungsmotors überschritten wird. Dies kann schwerwiegende Beschädigungen bis- hin zur Zerstörung des Verbrennungsmotors nach sich ziehen.
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Eine Möglichkeit, die Drehzahl des Turboladers und damit den Ladedruck des Verdichters zu steuern, ist der Einsatz eines Turboladers mit einer so genannten variablen Turbinengeometrie (VTG). Die
US 6,709,232 B1 beschreibt einen solchen VTG-Turbolader. Ein VTG-Turbolader weist einen Leitschaufelkranz auf, welcher das Turbinenrad radial umgibt. Die Leitschaufeln sind mit ihren Drehachsen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Drehachsen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, der in einen Verstellring greift. Alle Leitschaufeln werden gleichzeitig über den Verstellring verdreht. Der Verstellring wird entweder über einen elektrischen Stellmotor oder durch eine Unterdruckdose bewegt. Über den Anstellwinkel der Leitschaufeln wird die Richtung und die Strömungsgeschwindigkeit des auf die Turbinenradbeschaufelung treffenden Abgases gesteuert. Bei einem flachen Anstellwinkel der Leitschaufeln ergibt sich ein reduzierter Eintrittsquerschnitt des Abgases. Damit jedoch pro Zeiteinheit der gleiche Abgasmassenstrom in die Turbine gelangen kann, muss sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erhöhen. Weiterhin ist der Aufprallwinkel des Abgasmassenstromes auf die Turbinenbeschaufelung bei flach angestellten Leitschaufeln größer als bei steil angestellten Leitschaufeln. Somit führt bei der gleichen Abgasmenge ein flacher Anstellwinkel der Leitschaufeln zu einer höheren Turbinendrehzahl als ein steiler Anstellwinkel. Dadurch kann bei einem VTG-Turbolader durch den Anstellwinkel der Leitschaufeln sowohl sehr schnell ein hoher Ladedruck, beispielsweise beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeuges aus dem Stand, als auch ein reduzierter Ladedruck, beispielweise beim Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors bei einer konstant hohen Geschwindigkeit, verwirklicht werden. Insbesondere bei Dieselmotoren finden VTG-Turbolader sehr verbreitet Anwendung.
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Als Leitschaufelprofil finden im einfachsten Fall Profile mit einer geraden Profilmittellinie und einer symmetrischen Dickenverteilung Anwendung. Die Regelbarkeit derartiger Leitschaufelprofile ist gut. Allerdings gilt die thermodynamische und fluiddynamische Effizienz derartiger Profile, insbesondere im Anfahrbereich des Verbrennungsmotors, als begrenzt. Aus diesem Grund finden zur Optimierung der thermodynamischen und fluiddynamischen Effizienz in der VTG-Turboladertechnik verschiedenste Leitschaufelprofilvarianten, beispielsweise mit kontinuierlich gekrummten Profilmittellinien, abschnittsweise gekrümmten Profilmittellinien, Profile mit einer unsymmetrischen Dickenverteilung, Profile mit einem S-Schlag, etc., Anwendung. Je nach Ausgestaltung weisen diese Profilvarianten jedoch hinsichtlich ihrer Regelbarkeit diverse Nachteile auf.
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So ist beispielsweise aus der
WO 2007/059995 A1 bekannt, dass mit Hilfe eines S-Schlages der Profilmittellinie, was zu einer Krümmung der Leitschaufel im Bereich der Schaufelvorderkante in Richtung der Schaufeloberseite führt, die nicht definierte Winkelstellung der Leitschaufeln vermieden werden kann.
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Daruberhinaus zeigt und beschreibt die
DE 27 43 110 A1 eine Leitvorrichtung für eine Gasturbine mit variabler Geometrie, wobei die Leitvorrichtung eine Anzahl von Leitschaufeln auf weist, welche im Wesentlichen Tragflachenprofil mit einer Verdickung der Vorderkante im Nasenbereich jeder Leitschaufel aufweisen. Der Nasenbereich ist entlang einer Teilungslinie in einen ortsfesten und einen beweglich gelagerten Abschnitt unterteilt, wobei durch Verschwenken oder Verschieben des beweglichen Abschnittes die Kontur im Nasenbereich der Leitschaufel, abhängig vom Betriebspunkt der Turbine, veränderbar ist.
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Auch in den Dokumenten
DE 1 8125 291 A und
DE 42 12 878 A sind profilierte und in zumindest zwei Abschnitte geteilte Leitschaufeln fur Leitgitter von Verdichtern respektive Kompressoren offenbart. Die Leitschaufeln sind dabei in einen ortsfesten Nasenabschnitt, der die Vorder- oder Eintrittskante beinhaltet, und einen beweglich schwenkbaren Schaufelabschnitt, der die Hinter- oder Austrittskante beinhaltet, unterteilt. Die Geometrie der einzelnen Schaufeln selbst lässt sich durch Verschwenken des Schaufelabschnitts in einem vorgegebenen Bereich verändern.
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Durch die Anstromung der Leitschaufeln mit Abgas ergibt sich auf der Leitschaufeloberflache eine bestimmte Druckverteilung, die je nach Winkelstellung der Leitschaufeln ein auf die Leitschaufeln wirkendes offnendes oder schließendes Moment verursacht. Da mechanische Systeme immer zu einem gewissen Grad spielbehaftet sind, ergibt sich in dem Winkelbereich dieser Momentenumkehr eine nicht definierte Winkelstellung der Schaufeln. Diese nicht definierte Winkelstellung gilt es aus regelungstechnischer Sicht zu vermeiden.
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Weiterhin kann ein durch die Anströmung der Leitschaufeln verursachtes schließendes Moment bei fast geschlossenen Leitschaufeln zu einem selbstverstärkenden Effekt führen. D. h. wenn die Schaufeln bereits fast geschlossen sind, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases aufgrund des reduzierten Strömungsquerschnittes. Dadurch erhöht sich wiederum das schließende Moment. Im ungünstigen Fall kann das Stellglied zur Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufeln dann nicht mehr die erforderliche Kraft zum Öffnen der Leitschaufeln aufbringen und die Turboladerdrehzahl steigt unkontrolliert an. Außerdem sind die Notlaufeigenschaften einer derartigen schließenden Leitschaufelgeometrie als äußerst schlecht, da beispielsweise bei einem Ausfall des Stellgliedes die Turbinendrehzahl und damit der Ladedruck auf der Verdichterseite unkontrolliert ansteigt.
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Die eben genannten Nachteile gilt es daher möglichst zu vermeiden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leitschaufel bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Leitschaufelanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und/oder durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und/oder durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Leitschaufel eines mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestatteten Turboladers, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welche ein Profil mit einer Schaufelunterseite, einer Schaufeloberseite und einer Schaufelvorderkante aufweist, wobei eine sich entlang der Schaufelvorderkante erstreckende Nase vorgesehen ist, die sich von der Schaufelvorderkante zu der Schaufeloberseite hin erstreckt und die auf der Schaufeloberseite bei der Anströmung der Leitschaufel mit Abgas einen Unterdruck bildet.
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Eine Leitschaufelanordnung für einen Turbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie, aufweisend: eine Vielzahl erfindungsgemäßer Leitschaufeln, eine Aufnahmevorrichtung zur drehbaren Aufnahme der Leitschaufeln, wobei die Leitschaufeln in der Aufnahme kreisförmig angeordnet sind und wobei Drehachsen der Leitschaufeln parallel zueinander angeordnet sind, eine Verstellvorrichtung zur gleichförmigen Verstellung eines Anstellwinkels der Leitschaufeln, wobei die Verstellvorrichtung als Verstellring ausgebildet ist, ein Stellglied zur Verstellung des Verstellrings und eine Kopplung zur Anbindung des Stellgliedes an den Verstellring.
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Ein Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung, der aufweist: ein Turbinengehäuse, ein Turbinenrad mit einer Turbinenbeschaufelung, welches in dem Turbinengehäuse angeordnet ist, ein Verdichtergehäuse, ein in dem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad und eine Läuferwelle, welche das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbindet, wobei ein Abgasanströmwinkel der Turbinenbeschaufelung durch eine Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufeln einstellbar ist.
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Ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Turbolader.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers, der eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Leitschaufeln aufweist, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln mit Abgas derart angeströmt werden, dass das Abgas eine jeweilige Leitschaufel lediglich im Bereich der Nase anströmt, wodurch im Bereich der Nase jeder Leitschaufel ein Unterdruck gebildet wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun unter anderem darin, an der Schaufelvorderkante der Leitschaufel eine sich entlang der Schaufelvorderkante erstreckende Nase vorzusehen. Aufgrund der Nase wird beim Anströmen der Schaufelvorderkante auf der Schaufeloberseite ein Unterdruck gebildet. Aus diesem Unterdruck resultiert eine von der Schaufeloberseite weg wirkende Kraft.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich, eine Leitschaufel zur Verfügung zu stellen, welche über den gesamten Betriebsbereich eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie durch eine Kraft mit einer gleichen Wirkungsrichtung beaufschlagt wird. Diese Kraft bewirkt um eine Drehachse der Leitschaufel ein Moment in Richtung Öffnen der variablen Turbinengeometrie. Hierdurch kann zur Anstellung der Leitschaufeln ein geringer dimensioniertes Stellglied verwendet werden, wodurch der Turbolader insgesamt kostengünstiger herstellbar ist. Indem die Kraft über den gesamten Betriebsbereich die gleiche Wirkungsrichtung aufweist, verbessert sich die Regelcharakteristik des Turboladers signifikant, da im Betrieb des Turboladers kein Winkelbereich mit einer undefinierten Anstellung der Leitschaufel auftritt.
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Weiterhin werden durch die erfindungsgemäßen Leitschaufeln auch die Notlaufeigenschaften des Turboladers verbessert, da bei einem Ausfall des Stellgliedes die Leitschaufeln sich selbsttätig durch die an die Schaufeloberseite wirkende Kraft in Richtung Öffnen der variablen Turbinengeometrie bewegen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
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In einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet die Nase eine sprunghafte Querschnittserweiterung des Profils. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei einer Anströmung der Leitschaufel mit Abgas sich der gewünschte Unterdruck auf der Schaufeloberseite ausbildet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Profil eine Profilmittellinie auf, welche eine Profilgrundform der Leitschaufel festlegt. Die Profilmittellinie verläuft hier von einem ersten Krümmungsmittelpunkt eines ersten Kopfradius im Bereich der Schaufelvorderkante bis zu einem zweiten Krümmungsmittelpunkt eines Endradius im Bereich einer der Schaufelvorderkante gegenüberliegenden Schaufelhinterkante. Hierdurch ist mit geringem Aufwand die Grundform des Profils der Leitschaufel herstellbar, wodurch sich die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Leitschaufel weiter reduzieren lassen.
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In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist im Bereich der Nase ein dritter Krümmungsmittelpunkt eines zweiten Kopfradius beabstandet von der Profilmittellinie vorgesehen. Der dritte Krümmungsmittelpunkt ist derart vorgesehen, dass die Schaufelvorderkante von dem ersten und dem zweiten Kopfradius gebildet ist. Der zweite Kopfradius ist hier größer als der erste Kopfradius. Durch die Anordnung der Krümmungsmittelpunkte ist gewährleistet, dass mittels einfacher geometrischer Formen die Form der Nase definiert werden kann, wodurch sich ebenso die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Leitschaufel reduzieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verläuft im Bereich der sprunghaften Querschnittserweiterung das Profil über den zweiten Kopfradius in etwa senkrecht zu der Profilmittellinie hin und geht in die Profilgrundform über. Hierdurch wird ein möglichst schneller Übergang von der großen Profildicke der Nase zur geringeren Profildicke der Profilgrundform gewährleistet. Es ergibt sich auch ein möglichst großer Unterdruck auf der Schaufeloberseite, wodurch bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases eine von der Schaufeloberseite weg wirkende Kraft erzeugt werden kann. Dies vergrößert den Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Leitschaufel.
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In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der dritte Krümmungsmittelpunkt zwischen der Profilmittellinie und der Schaufeloberseite vorgesehen. Die Nase ist bezüglich der Schaufelvorderkante in einem vorderen Drittel des Profils vorgesehen. Hierdurch ergibt sich ein möglichst großes Drehmoment um die Drehachse der Leitschaufel, wodurch bereits bei einem geringen Abgasmassenstrom ein selbsttätiges Öffnen der variablen Turbinengeometrie gewährleistet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Profilmittellinie eine Gerade oder weist eine kontinuierlich durchgehende Krümmung auf. Hierdurch ist die Profilgrundform mittels einfacher geometrisch darstellbarer Profilmittellinien herstellbar, wodurch sich die erfindungsgemäßen Leitschaufeln vereinfacht herstellen lassen und die Produktionskosten reduziert werden.
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In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Endkante der Nase scharfkantig ausgebildet. Hierdurch verbessert sich zusätzlich die Wirkung der Nase hinsichtlich der Erzeugung eines Unterdrucks auf der Schaufeloberseite, wodurch bereits bei geringen Anströmgeschwindigkeiten der Leitschaufel ein öffnendes Moment an der Leitschaufel erreichbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Nase in der Längsrichtung des Profils ausgehend von der Schaufelvorderkante eine Ausdehnung von bis zu 30% bis 50%, bevorzugt 30%, einer Länge des Profils auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Nase immer ein öffnendes und kein schließendes Moment um die Drehachse der Leitschaufel bewirkt.
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Die oben genannten Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich – sofern sinnvoll – in beliebiger Weise miteinander kombinieren.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufel;
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2 eine schematische, vergrößerte Schnittansicht des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitschaufel;
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3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung; und
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4 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
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In den Figuren der Zeichnung sind – sofern nichts anderes ausgeführt ist – gleiche Bauteile, Elemente und Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Die 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufel.
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Die 1 zeigt zunächst eine Leitschaufel 1 mit einer Schaufelunterseite 2 und einer Schaufeloberseite 4. Die Schaufelunterseite 2 und die Schaufeloberseite 4 bilden mit einer Schaufelvorderkante 9 und einer Schaufelhinterkante 12 die Begrenzung des Profils 3 der Leitschaufel 1. Die Schaufelvorderkante 9 stellt eine Anströmkante des Profils 3 dar. Die Leitschaufel 1 weist eine Profilmittellinie 5 einer Profilgrundform 6 auf. Die Profilgrundform 6 weist eine symmetrische Dickenverteilung auf. Die Profilmittellinie 5 verläuft von einem ersten Krümmungsmittelpunkt 7 eines ersten Kopfradius 8 der Schaufelvorderkante 9 bis zu einem zweiten Krümmungsmittelpunkt 10 eines Endradius 11 der Schaufelhinterkante 12. Die Krümmungsmittellinie 5 wird dabei durch eine Vielzahl von Krümmungsmittelpunkten einer Vielzahl von Kreisen, welche tangential an die Profilgrundform 6 gelegt werden, gebildet. Bevorzugt weißt die Profilmittellinie 5 eine kontinuierliche Krümmung auf. Alternativ dazu kann die Profilmittellinie 5 auch durch eine Gerade, oder jede beliebige andere linienförmige zweidimensionale Form gebildet werden. Das Profil 3 der Leitschaufel 1 weist weiterhin eine sprunghafte Querschnittserweiterung in Form einer Nase 13, welche sich entlang der Schaufelvorderkante 9 erstreckt, auf. Die Nase 13 verläuft von der als Anströmkante ausgebildeten Schaufelvorderkante 9 in Richtung Schaufeloberseite 4 zu der Schaufelhinterkante 12. Die Nase 13 ist durch einen zweiten Kopfradius 15 an der Schaufelvorderkante 9 bestimmt. Der zweite Kopfradium 15 ist dabei bevorzugt größer als der erste Kopfradius 8. Der Krümmungsmittelpunkt des zweiten Kopfradius 15 liegt nicht auf der Profilmittellinie 5. Das heißt, im Bereich der Schaufelvorderkante 9 weicht das Profil 3 der Leitschaufel von der symmetrischen Dickenverteilung der Profilgrundform 6 ab. In einer Längsrichtung 17 der Leitschaufel 1 verläuft die sprunghafte Querschnittserweiterung in Form der Nase 13 ausgehend von der Schaufelvorderkante 9 bis maximal zur Hälfte des Profils 3. Bevorzugt endet die sprunghafte Querschnittserweiterung bezogen auf die Schaufelvorderkante 9 jedoch in dem vorderen Drittel des Profils 3. Die Leitschaufel 1 weist weiterhin eine Drehachse 41 auf, welche in Langsrichtung 17 bevorzugt in einem vorderen Drittel der Leitschaufel 1 angeordnet ist.
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Bei einer Anströmung der Leitschaufel 1 mit Abgas eines Verbrennungsmotors auf die als Anströmkante ausgebildete Schaufelvorderkante 9 wird durch die Nase 13 auf der Schaufeloberseite 4 ein Unterdruck 16 gebildet. Eine aus diesem Unterdruck 16 resultierende Kraft 40 wirkt von der Schaufeloberseite 4 weg und erzeugt ein Drehmoment 42 um die Drehachse 41.
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2 illustriert eine schematische, vergrößerte Schnittansicht des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitschaufel.
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2 zeigt in vergrößerter Ansicht die Schaufelvorderkante 9 der Leitschaufel 1. Der erste Kopfradius 8 mit dem ersten Krümmungsmittelpunkt 7 und der zweite Kopfradius 15 mit einem dritten Krümmungsmittelpunkt 14 sind zur Verdeutlichung als Vollkreise dargestellt. Der dritte Krümmungsmittelpunkt 14 ist nicht auf der Profilmittellinie 5 angeordnet. Bevorzugt ist der dritte Krümmungsmittelpunkt zwischen der Profilmittellinie 5 und der Schaufeloberseite 4 angeordnet. Bezüglich der Längsrichtung 17 des Profils 3 ist der dritte Krümmungsmittelpunkt 14 in Relation zur Schaufelvorderkante 9 bevorzugt in dem vorderen Drittel des Profils 3 angeordnet. Die Form der Nase 13 ergibt sich im Wesentlichen aus dem zweiten Kopfradius 15. Dadurch, dass der dritte Krümmungsmittelpunkt 14 nicht auf der Profilmittellinie 5 liegt, wird der Verlauf des Profils 3 im Bereich der Schaufelvorderkante 9 sowohl von dem ersten Kopfradius 8 als auch dem zweiten Kopfradius 15 bestimmt. Ausgehend von der Schaufelunterseite 2 verläuft eine Außenkontur des Profils 3 über den ersten Kopfradius 8 und den zweiten Kopfradius 15 über einen Abschnitt 18 zurück zur Schaufeloberseite 4. Der Abschnitt 18 ist dabei bevorzugt senkrecht zur Profilmittellinie 5 ausgebildet. Der Übergang 19 vom zweiten Kopfradius 15 auf den senkrechten Abschnitt 18 ist bevorzugt scharfkantig ausgebildet.
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Dadurch, dass der Abschnitt 18 senkrecht zur Profilmittellinie 5 ausgebildet ist und dass die Endkante 19 scharfkantig ist, ergibt sich ein besonders abrupter Übergang von der sprunghaften Querschnittserweiterung in Form einer Nase 13 zu der Profilgrundform. Hierdurch wird bereits bei geringen Anströmgeschwindigkeiten an der Schaufelvorderkante 9 eine von der Schaufeloberseite 4 wegwirkende Kraft erzeugt.
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3 illustriert eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung.
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3 zeigt zunächst eine Leitschaufelanordnung 20 mit einer Aufnahme 21 zur Aufnahme einer Vielzahl an Leitschaufeln 1. Zur Vereinfachung zeigt 3 nur eine Leitschaufel 1. Die Leitschaufeln 1 weisen einen in ihrer Drehachse 41 angeordneten Lagerzapfen auf, welcher auf einer Kreislinie 25 der Aufnahme 21 angeordnet ist. 3 zeigt weiterhin ein Stellglied 22, beispielsweise in Form eines elektrischen Aktuators oder eines Hydraulikzylinders. Das Stellglied 22 ist über eine Kopplung 23 und einen in 3 nicht dargestellten Verstellring mit den Leitschaufeln 1 gekoppelt. Zur vereinfachten Darstellung ist in der 3 die Kopplung 23 direkt mit der Leitschaufel 1 verbunden. Das Stellglied 22 ist über eine Datenleitung 26 mit einer Motorsteuerung 24, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verbunden. Mittig in der Leitschaufelanordnung 20 ist ein Turbinenrad 27 mit einer Turbinenbeschaufelung 28 eines Turboladers dargestellt. Die Leitschaufeln 1 umgeben dabei das Turbinenrad 27 radial.
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Die Funktionsweise der Leitschaufelanordnung 20 und der Leitschaufeln 1 wird im Folgenden dargestellt.
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Mittels des Stellrings können alle Leitschaufeln 1 gleichzeitig um ihre Drehachse 41 verschwenkt werden. Da die Leitschaufeln 1 das Turbinenrad 27 radial umgeben, kann durch die Anstellung der Leitschaufeln 1 der Strömungsquerschnitt variiert werden, welcher dem auf das Turbinenrad 27 zuströmende Abgas zur Verfügung steht. Über die Motorsteuerung 24 wird je nach Betriebszustand eines Verbrennungsmotors und Stellung eines Gaspedals des Verbrennungsmotors an das Stellglied 22 der Befehl erteilt, die Leitschaufel 1 in Richtung 43, d. h. ”Schließen” oder in Richtung 44, das heißt ”Öffnen” zu verstellen.
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Bei geschlossenen Leitschaufeln 1 verringert sich der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt. Damit jedoch der gleiche Abgasmassenstrom durch einen verringerten Strömungsquerschnitt strömen kann, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit. Weiterhin wird bei einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln 1 ein steiler Aufprallwinkel des Abgases auf die Turbinenbeschaufelung 28 erreicht. Dadurch steigt die Drehzahl des Turbinenrades 27 und damit die Drehzahl eines Verdichterrades des Turboladers des Verbrennungsmotors. Dadurch erhöht sich der Ladedruck und die Leistung des Verbrennungsmotors. Dieser Betriebszustand der Leitschaufelanordnung 20 wird beispielsweise bei einem Beschleunigen eines Kraftfahrzeuges eintreten.
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Bei einer Verschwenkung der Leitschaufeln 1 in Richtung 44, d. h. einem Öffnen der Leitschaufeln 1 wird der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt vergrößert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert sich und der Anströmwinkel, mit dem das Abgas auf die Turbinenbeschaufelung 28 trifft, wird flacher. Die Drehzahl des Turbinenrades 27 und die damit die Drehzahl des Verdichterrades und der Ladedruck des Verbrennungsmotors sinken. Dieser Betriebszustand wird beispielsweise bei einer schnellen konstanten Fahrt eines Kraftfahrzeugs unter Volllast erreicht.
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Dadurch, dass auf der Schaufeloberseite 4 der Leitschaufeln 1 durch die sprunghafte Querschnittserweiterung in Form einer Nase des Leitschaufelprofils ein Unterdruck erzeugt wird, wirkt ein Drehmoment 42 in Richtung „Öffnen” der Leitschaufeln 1. Hierdurch wird erreicht, dass über den gesamten Betriebsbereich des Turboladers das Öffnen der Leitschaufeln 1 durch das Drehmoment 42 unterstützt wird. Das Notlaufverhalten eines mit derartigen erfindungsgemäßen Leitschaufeln 1 ausgestatteten Turboladers wird dadurch verbessert, da bei einem Ausfall des Stellgliedes 22 oder der Motorsteuerung 24 die Drehzahl des Turbinenrades 27 selbsttätig durch ein Öffnen der Leitschaufeln 1 reduziert wird. Weiterhin wird dadurch, dass über den gesamten Betriebsbereich des Turboladers ein Unterdruck auf den Schaufeloberseiten der Leitschaufeln 1 herrscht und damit ein öffnendes Drehmoment 42 erzeugt wird, im Vergleich zu bekannten Leitschaufeln, welche ein schließendes Drehmoment erzeugen, verhindert, dass bei annährend geschlossenen Leitschaufeln ein sogenannter selbstverstärkender schließender Effekt auftritt. Dieser Effekt tritt vor allem bei Leitschaufeln auf, welche ein schließendes Drehmoment erzeugen. Bei derartigen Leitschaufeln wird durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bei annährend geschlossenen Leitschaufeln das schließende Drehmoment soweit erhöht, dass das Stellglied gegebenenfalls nicht mehr die erforderliche Kraft zum Öffnen der Leitschaufeln bereitstellen kann. Somit ist es mit den erfindungsgemäßen Leitschaufeln 1 und der erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 20 möglich, über den gesamten Betriebbereich des Turboladers ein öffnendes Drehmoment an den Leitschaufeln 1 zu erzeugen, wodurch die Notlaufeigenschaften des Turboladers signifikant verbessert werden. Weiterhin wird das Regelungsverhalten des Turboladers aufgrund einer über den gesamten Betriebsbereich des Turboladers definierten Winkelstellung der Leitschaufeln 1 verbessert.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
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Ein Verbrennungsmotor 37 mit vier Zylindern 38 ist über eine Abgasleitung 35 fluidisch mit dem in einem Turbinengehäuse 30 befindlichen Turbinenrad 27 einer Turbine 29 eines Abgasturboladers 39 gekoppelt. Das Turbinenrad 27 ist über eine Läuferwelle 34 mit einem Verdichterrad 32 drehfest verbunden. Das Verdichterrad 32 ist in einem Verdichtergehäuse 33 eines Radialverdichters 31 des Abgasturboladers 39 angeordnet. Das Verdichterrad 32 ist über einen Ansaugtrakt 36 mit dem Verbrennungsmotor 37 fluidisch gekoppelt.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 37 mit dem Abgasturbolader 39 stellt der Verbrennungsmotor 37 über die Abgasleitung 35 dem Turbinenrad 27 Abgas zur Verfügung. Durch das Turbinenrad 27 wird die Enthalpie des Abgases erniedrigt und die kinetische und thermische Energie des Abgases in Rotationsenergie umgewandelt. Die Rotationsenergie wird über die Läuferwelle 34 auf das Verdichterrad 32 übertragen. Das Verdichterrad 32 saugt Frischluft an, komprimiert diese und führt die komprimierte Frischluft über den Ansaugtrakt 36 dem Verbrennungsmotor 37 zu. Dadurch, dass in dem komprimierten Luftvolumen pro Volumeneinheit mehr Sauerstoff vorhanden ist, kann im Verbrennungsmotor 37 pro Luftvolumeneinheit mehr Kraftstoff verbrannt werden. Wodurch sich die Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors 37 erhöht.
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Durch die erfindungsgemäßen Leitschaufeln bzw. die erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung ist es möglich, den Abgasturbolader 39 und den Verbrennungsmotor 37 mit einer erhöhten Sicherheit und Zuverlässigkeit zu betreiben. Weiterhin ist es durch die erfindungsgemäßen Leitschaufeln möglich, dass zur Verstellung der Leitschaufeln erforderliche Stellglied kleiner zu dimensionieren als im Vergleich zu bekannten Lösungen, da die Leitschaufeln einen selbstöffnenden Effekt aufweisen und somit zu ihrer Verstellung eine geringere Kraft erforderlich ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können Merkmale der einzelnen, oben aufgeführten Ausführungsbeispiele – sofern dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert werden.
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In einer bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung weist die Leitschaufel 1 mindestens eine Querschnittseinschnürung auf. Hierdurch kann auf der Schaufeloberfläche ebenfalls ein Unterdruck erzeugt werden. Dadurch dass der Querschnitt des Profils 3 der Leitschaufel 1 eingeschnürt ist und nicht sprunghaft erweitert ist, kann die Profildicke des Profils 3 reduziert werden. Hierdurch wird der Platzbedarf der Leitschaufel 1 verringert.
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In einer weiteren bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung weist die Leitschaufel 1 mindestens zwei sprunghafte Querschnittserweiterungen auf.
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Die aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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Die angegebene Leitschaufel, die angegebene Leitschaufelanordnung und der angegebene Turbolader sind besonders vorteilhaft im Kraftfahrzeugbereich und hier vorzugsweise bei Personenkraftfahrzeugen, beispielsweise bei Diesel- oder Ottomotoren, einsetzbar, lassen sich bei Bedarf allerdings auch bei beliebig anderen Turboladeranwendungen einsetzen.
