DE10220097A1

DE10220097A1 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10220097A1
Application number: DE2002120097
Authority: DE
Inventors: Erwin Schmidt; Siegfried Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-05-04
Filing date: 2002-05-04
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad, welches mehrere Turbinenradschaufeln aufweist, weist wenigstens eine Anströmflut auf, welche so angeordnet ist, daß das Turbinenrad im wesentlichen radial angeströmt wird. Am Übergang der wenigstens einen Anströmflut zu dem Turbinenrad ist ein Bremsgitter zur Ermöglichung eines Bremsbetriebs angeordnet. In denjenigen Bereichen sämtlicher Turbinenradschaufeln, die im Bremsbetrieb einer maximalen Vibrationsauslenkung unterworfen sind, ist eine Bohrung angeordnet, durch welche ein Dämpfungsdraht zur Verbindung sämtlicher Turbinenradschaufeln verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Gattungsgemäße, für einen Motorbremsbetrieb einer Brennkraftmaschine geeignete Turbinen und entsprechende Abgasturbolader sind beispielsweise aus der DE 197 27 140 C1 oder der DE 197 27 141 C1 bekannt. Bei derartigen Turbinen werden im Bremsbetrieb variable Leit- bzw. Bremsgitter unmittelbar vor dem Turbinenrad eingesetzt, um über den dadurch entstehenden Rückstau der Abgase die Bremsleistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Mit solchen sogenannten Turbobremsen lassen sich gegenüber gewöhnlichen Saugmotorenbremsen erhebliche Leistungssteigerungen erzielen.

Problematisch ist hierbei die hohe Belastung der Turbine, insbesondere für das Turbinenrad, bei welchem durch entsprechend hohe Belastungen sogar Schaufelbrüche und gegebenenfalls Lagerschäden nicht auszuschließen sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine radial angeströmte Turbine zu schaffen, mit welcher im Motorbremsbetrieb hohe Bremsleistungen bei ausreichender Zuverlässigkeit realisierbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Dämpfungsdraht erzeugt an den Turbinenradschaufeln eine Reibung, welche deren Neigung dämpft, bei hoher Belastung, wie sie insbesondere im Motorbremsbetrieb auftritt, um eine sogenannte Knotenlinie zu schwingen. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, sehr hohe Motorbremsleistungen mechanisch sicher über eine hohe Lebensdauer der Turbine zu erreichen.

Zwar ist der Einsatz von Dämpfungsdrähten an sich z. B. aus der DE 21 42 691 A1, der DE 19 32 896 A1 oder der DE 43 01 656 A1 bekannt, hierbei handelt es sich jedoch ausschließlich um axial angeströmte Turbinen, welche eine sehr viel höhere Leistung aufweisen und für völlig andere Einsatzzwecke konstruiert sind als die erfindungsgemäße radial angeströmte Turbine. Für den Einsatz in Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen sind die genannten Turbinen keinesfalls geeignet.

Wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß der Dämpfungsdraht an wenigstens einer der Turbinenradschaufeln in axialer Richtung fixiert ist, ermöglicht dies eine Beeinflussung der Resonanz der gesamten Turbine und damit ein Verhindern von Schwingungen der einzelnen Turbinenradschaufeln in bestimmten Drehzahlbereichen.

Die Anordnung der Dämpfungsdrähte der erfindungsgemäßen Turbine hat sich dann als besonders geeignet für den Einsatz in Brennkraftmaschinen für PKW und Nutzfahrzeuge erwiesen, wenn der Durchmesser des Dämpfungsdrahtes das 1,2-1,6- fache der Dicke der Turbinenradschaufel an derjenigen Stelle beträgt, an der sich die Bohrung befindet, und wenn das Turbinenrad einen Durchmesser von weniger als 100 mm aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine in einer ersten Ausführungsform;
einen Schnitt durch eine Turbine in einer zweiten Ausführungsform;
einen Schnitt durch eine Turbine in einer dritten Ausführungsform;
eine Ansicht der Turbine gemäß dem Pfeil IV aus Fig. 3; und
einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Turbine.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Turbine 1, welche ein Turbinenrad 2 mit mehreren Turbinenradschaufeln 3 aufweist. Das Turbinenrad 2 ist mit einer Achse 4 versehen, durch welche sie mit einem nicht dargestellten Verdichter verbunden ist und auf diese Weise einen in seiner Gesamtheit nicht dargestellten, jedoch hinlänglich bekannten Abgasturbolader bildet, der beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann.
Das Turbinenrad 2 läuft innerhalb eines Gehäuses 5, welches im vorliegenden Fall eine Anströmflut 6 aufweist, über welche das Turbinenrad 2 von Abgasen angeströmt wird. Diese Anströmung verursacht in bekannter Weise eine Rotation des Turbinenrades 2.
Um mit dem Turbinenrad 2 einen Motorbremsbetrieb realisieren zu können, ist am Übergang der Anströmflut 6 zu dem Turbinenrad 2 ein Bremsgitter 7 angeordnet, welches um den Umfang des Turbinenrades 2 mehrere gemäß den mit "A" bezeichneten Pfeilen um jeweilige Achsen 8 verstellbare Leitschaufeln 9 aufweist. Der Einsatz des Bremsgitters 7 zum Rückstauen der Abgase ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird daher im folgenden nicht näher erläutert.
Im Motorbremsbetrieb kann es, insbesondere bei hohen Bremsleistungen und den dadurch entstehenden hohen Belastungen, zu einem "Flattern" der Turbinenradschaufeln 3, also um starke Vibrationen derselben, um eine gestrichelt dargestellte Knotenlinie 10 kommen, was zu einer Beschädigung des Turbinenrades 2 führen kann. Die Lage der Knotenlinie 10 hängt selbstverständlich vom jeweiligen Aufbau der Turbinenradschaufeln 3 ab.
Um dies zu verhindern, ist der von den genannten Vibrationen am meisten betroffene Bereich der Turbinenradschaufeln 3, also derjenige Bereich der Turbinenradschaufel 3, der im Bremsbetrieb einer maximalen Vibrationsauslenkung ausgesetzt ist, mit einer jeweiligen Bohrung 11 versehen, durch die ein Dämpfungsdraht 12 gezogen ist. Dieser Bereich befindet sich in der Nähe des Randes der Turbinenschaufel 3, weshalb die Bohrung 11 vorzugsweise so nah wie möglich am Rand angebracht wird. Der Dämpfungsdraht 12, der alle Turbinenradschaufeln 3 des Turbinenrades 2 miteinander verbindet, erzeugt gegenüber der Bohrung 11 der Turbinenradschaufel 3 eine Reibung und dämpft auf diese Weise die ansonsten auftretenden Vibrationen. Dadurch können die Turbinenradschaufeln 3 eine höhere Motorbremsleistung übertragen.
Im vorliegenden Fall ist jede Turbinenradschaufel 3 mit jeweils zwei Bohrungen 11 versehen, durch die ein jeweiliger Dämpfungsdraht 12 verläuft. Bei Turbinenradschaufeln 3 von Turbinen 1, die bei Brennkraftmaschinen von Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, wie dies bei der vorliegenden Turbine 1 der Fall ist, und die einen Durchmesser von weniger als 100 mm aufweisen, ist jedoch meist lediglich einer der Dämpfungsdrähte 12 notwendig, und zwar, wie bereits oben erwähnt, derjenige, der sich in dem Bereich befindet, an dem die Schwingung der Turbinenradschaufel 3 die größte Amplitude aufweist.
Der Dämpfungsdraht 12 kann gegenüber sämtlichen Bohrungen 11 in den Turbinenradschaufeln 3 Spiel aufweisen, wobei die Bohrungen 11 dann einen geringfügig größeren Durchmesser als der Dämpfungsdraht 12 aufweisen und die Dämpfungsenergie zwischen dem Dämpfungsdraht 12 und den Turbinenradschaufeln 3 freigesetzt wird.
Alternativ ist es auch möglich, daß der Dämpfungsdraht 12 an wenigstens einer der Turbinenradschaufeln 3 in axialer Richtung fixiert ist. Meist wird eine solche Fixierung, die an der jeweiligen Bohrung 11 der Turbinenradschaufel 3 vorgenommen wird, an mehreren Turbinenradschaufeln 3 gleichzeitig durchgeführt, wodurch jeweils einzelne Turbinenradschaufeln 3 zu Gruppen miteinander verbunden werden. Auf diese Weise kann die Resonanzfrequenz des Turbinenrades 2 beeinflußt werden, beispielsweise derart, daß die gekoppelten kritischen Schwingungen zu möglichst tiefen Drehzahlen des Turbinenrades 2 gelegt werden, um geringe Anregungsintensitäten zu erhalten, so daß die Eigendämpfung der Turbinenradschaufeln 3 für die auftretenden Belastungen ausreicht.
Fig. 2 zeigt eine weitere Turbine 1 mit einem Turbinenrad 2, wobei das Gehäuse 5 zwei Anströmfluten 6 und 13 aufweist. Ein weiterer Unterschied zu der Turbine 1 gemäß Fig. 1 ist die Tatsache, daß das Bremsgitter 7 einen an sich bekannten Axialschieber 14 zur Begrenzung der Zuströmung aus den beiden Anströmfluten 6 und 13 zu dem Turbinenrad 2 aufweist.
In Fig. 3 und Fig. 4 ist eine weitere Turbine 1 dargestellt, bei der im Unterschied zu den Ausführungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sogenannten Splitterschaufeln 15 vorgesehen sind, die einen höheren Wirkungsgrad der Turbine 1 ermöglichen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, könnte man diese Splitterschaufeln 15 ebenfalls mit den Bohrungen 11 versehen, durch welche der Dämpfungsdraht 12 verlaufen könnte.
Eine weitere Ausführungsform der Turbine 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei sind ebenfalls die beiden Anströmfluten 6 und 13 vorgesehen, wobei die erste Anströmflut 6 durch das wiederum den Axialschieber 14 aufweisende Bremsgitter 7 von dem Turbinenrad 2 absperrbar ist. Dem gegenüber verläuft die zweite Anströmflut 13 halbaxial, also unter einem Winkel von ca. 45°, zu dem Turbinenrad 2 und ist von der ersten Anströmflut 6 völlig getrennt. Es wäre in diesem Zusammenhang selbstverständlich auch möglich, am Eintrittsbereich der zweiten Anströmflut 13 zu dem Turbinenrad 2 ein nicht dargestelltes Bremsgitter anzubringen. Um eine Trennung der beiden Anströmfluten 6 und 13 auch für das Turbinenrad 2 zu ermöglichen, ist dasselbe aus einem inneren Teil 16 und einem von dem inneren Teil 16 durch eine Trennwand 17 getrennten äußeren Teil 18 gebildet. Die Bohrungen 11 für die Dämpfungsdrähte 12 sind dabei in dem äußeren Teil 18 des Turbinenrades 2 vorgesehen, da das innere Teil 16 durch die Trennwand 17 ausreichend stabilisiert wird.
Der Durchmesser d des Turbinenrads 2 beträgt im allgemeinen das 1,2-1,6-fache der Dicke t der Turbinenradschaufel 3 an derjenigen Stelle, durch welche die Bohrung 11 verläuft. Im vorliegenden Fall beträgt die Dicke t der Turbinenradschaufel 3 ca. 1-1,5 mm und die Dicke demnach 1,2-2,4 mm, vorzugsweise ca. 2 mm.
Die Turbinenkennzahl TBF der Turbine 1, der sogenannte Turbinen-Brems-Faktor, liegt im vorliegenden Fall in einem Bereich von unter 6‰, vorzugsweise unter 3‰, und wird in beispielsweise aus der DE 197 24 140 C1 oder der DE 197 24 141 C1 bekannter Weise durch die Gleichung

wobei DT = Turbinendurchmesser, AT = Gitterquerschnitt und VH = Hubvolumen der Brennkraftmaschine ist.

Claims

1. Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad, welches mehrere Turbinenradschaufeln aufweist, und mit wenigstens einer Anströmflut, welche so angeordnet ist, daß das Turbinenrad im wesentlichen radial angeströmt wird, wobei am Übergang der wenigstens einen Anströmflut zu dem Turbinenrad ein Bremsgitter zur Ermöglichung eines Bremsbetriebs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in denjenigen Bereichen sämtlicher Turbinenradschaufeln (3), die im Bremsbetrieb einer maximalen Vibrationsauslenkung unterworfen sind, eine Bohrung (11) angeordnet ist, durch welche ein Dämpfungsdraht (12) zur Verbindung sämtlicher Turbinenradschaufeln (3) verläuft.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsdraht (12) gegenüber sämtlichen Bohrungen (11) in den Turbinenradschaufeln (3) Spiel aufweist.

3. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsdraht -(12) an wenigstens einer der Turbinenradschaufeln (3) in axialer Richtung fixiert ist.

4. Turbine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Turbinenradschaufeln (3) mehrere Bohrungen (11) aufweist, durch welche mehrere Dämpfungsdrähte (12) verlaufen.

5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d) des Dämpfungsdrahtes (12) das 1,2-1,6- fache der Dicke (t) der Turbinenradschaufel (3) an derjenigen Stelle beträgt, an der sich die Bohrung (11) befindet.

6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (2) einen Durchmesser (D) von weniger als 100 mm aufweist.

7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsgitter (7) einen Axialschieber aufweist.

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsgitter (7) verstellbare Leitschaufeln (9) aufweist.

9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anströmfluten (6, 13) vorgesehen sind, wobei das Turbinenrad (2) einen der ersten Anströmflut (6) zugeordneten äußeren Teil (18) und einen der zweiten Anströmflut (13) zugeordneten inneren Teil (16) aufweist, wobei zwischen dem äußeren Teil (18) und dem inneren Teil (16) eine Trennwand (17) angeordnet ist.

10. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (2) mehrere Splitterschaufeln (15) aufweist, welche jeweils Bohrungen (11) aufweisen, durch welche der Dämpfungsdraht (12) durchgeführt ist.

11. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen TBF-Faktor < 6‰, insbesondere < 3‰, wobei

12. Abgasturbolader mit einer Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach Anspruch 12.