DE3908285C1 - Turbine wheel of an exhaust turbocharger for an internal combustion engine with radial and/or mixed-flow gas feed - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader mit solchen Turbinenrädern sind aus DE 34 27 715 C1 bekannt. Dort dient die Gaszuführung in Halb­ axialrichtung hauptsächlich der Erzeugung eines guten In­ stationärverhaltens des aufgeladenen Motors.

In jener Schrift wird bereits darauf hingewiesen, daß die Halbaxialgaszuführung eine besondere darauf ausgerichtete Turbinenradgestaltung erfordert, um während des Halbaxi­ albetriebes die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Dabei sollen insbesondere die Schaufeleintrittskanten in Umfangsrichtung an die Halbaxialströmung angepaßt werden. Eine solche Anpassung der Schaufelgestalt hat den Zweck, eine sogenannte "Falschanströmung" des Turbinenrades im unteren Drehzahlbereich des Motors herabzusetzen.

Eine mit niederem Reaktionsgrad betriebene Turbine besitzt ein Turbinenrad mit hohem Umlenkungswinkel der Schaufeln. Aufgrund der Forderung nach einem möglichst geringen po­ laren Massenträgheitsmoment ist praktisch keine Turbinen­ kanalgestaltung durch dickere Schaufeln möglich, wodurch bei einem halbaxial und/oder radial angeströmten Turbi­ nenrad sich in dessen gaseintrittsseitigem axialen Halb­ bereich lokale Strömungsverzögerungen einstellen können, die zur Strömungsablösung und damit zu einer Leistungs­ einbuße führen können.

Eine optimale Schaufelzahl für den Arbeitsbereich der Halb­ axialgaszuströmung auf das Turbinenrad unterscheidet sich von derjenigen für eine Radialzuströmung des Abgases. Da die Turbine bei einer Halbaxialgasbeaufschlagung wesent­ lich höhere Strömungsumlenkungen gegenüber einer Radialbe­ aufschlagung im Rad bewerkstelligen muß, wäre für eine optimale Umwandlung der thermischen Abgasenthalpie in me­ chanische Arbeit eine größere Schaufelanzahl notwendig als sie für eine Berücksichtigung lediglich der reinen radia­ len Zuströmung zu wählen wäre.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, das Strömungsverhalten des Gases und damit den Wir­ kungsgrad einer halbaxialen und/oder axial angeströmten Turbine durch eine auf die unterschiedlichen Anströmrich­ tungen exakter angepaßte Form der Turbinenradschaufeln zu verbessern. Dabei soll insbesondere eine Strömungsablösung bei Halbaxialbeaufschlagung vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung der Tur­ binenradschaufel nach dem kennzeichnenden Merkmal des An­ spruchs 1.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand des An­ spruchs 2.

Die Anordnung von Hilfsschaufeln ist bei Radialturbinen bekannt (Veröffentlichung "Turbocharging the internal com­ bustion engine" der Autoren N. Watson und M.S. Janota, erschienen 1982 im Verlag THE MACMILLAN PRESS LTD, London and Basingstoke ISBN 0 333 24290 4, Fig. 2.34 auf Seite 58 und Seite 164). Die dortigen Hilfsschaufeln sind von ihrer Anordnung, Form und Funktion allerdings nicht mit den erfindungsgemäßen Hilfsschaufeln vergleichbar und ins­ besondere von ihrer dortigen Lageanordnung her nicht auf halbaxial und/oder axial angeströmte Turbinen übertragbar.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung müssen die Hilfsschau­ feln auf den gaseintrittsseitigen axialen Halbbereich des Turbinenrades begrenzt sein und eine von den Hauptschau­ feln abweichende Grundform aufweisen, was bei den Turbi­ nenrädern mit radialer Anströmung nach der Darstellung in der vorgenannten Literaturstelle nicht der Fall ist. Nur unter Einhaltung der erfindungsgemäßen Form und Bemessungs­ regeln kann bei einer halbaxial und/oder radial angeström­ ten Turbine das angestrebte Ziel sicher erreicht werden. Dabei besteht die erfindungsgemäß erzielte Wirkung im we­ sentlichen darin, daß durch die Verdrängungswirkung der an der richtigen Stelle und mit an die Axialanströmung ange­ paßter Form eingesetzten Hilfsschaufeln die mittlere Strö­ mungsverzögerung ebenso herabgesetzt wird wie im Schaufel­ eintrittsbereich die dortige aerodynamische Belastung.

Insgesamt ist damit eine Wirkungsgradverbesserung des halb­ axial/radial angeströmten Kombinationsturbinenrades hin­ sichtlich der halbaxialen Zuströmrichtung gegeben. Dabei kann durch Optimierung der Schaufelanzahl erreicht werden, daß der Wert des polaren Trägheitsmomentes des erfindungs­ gemäßen Turbinenrades mit Hilfsschaufeln nur unwesentlich von den im Wirkungsgrad schlechteren Turbinenrädern ohne Hilfsschaufeln abweicht.

Da sich auch bei der radialen Zuströmung in der gasanström­ seitigen Axialhälfte, bezogen auf die Lauflänge der Strö­ mung, die höchsten lokalen aerodynamischen Belastungen einstellen, ist die erfindungsgemäße Anordnung der Hilfs­ schaufeln auch hierfür günstig. Diese positive Beeinflus­ sung wirkt sich insbesondere hinsichtlich der üblicherwei­ se großen Falschanströmungswinkel aus, die sich während der instationären Betriebszeit zwangsläufig einstellen. Durch die herabgesetzte aerodynamische Belastung des Ein­ tritts- und mittleren Schaufelkanalbereiches wird die Strö­ mungsablösung auch bei radialer Zuströmung verhindert.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung einer doppelflu­ tigen Turbinenspirale mit ihren Austrittsdü­ sen in radialer und halbaxialer Strömungsrich­ tung,

Fig. 2 die Schaufeloberflächen eines Turbinenrades in Ansicht senkrecht zur Radachse und

Fig. 3 in vereinfachter Darstellung einen Schau­ felkanal mit der Hilfsschaufel in der Drauf­ sicht.

In dem angedeuteten Turbinengehäuse 1 rotiert das Turbi­ nenrad 2. Auf das Turbinenrad 2 strömt das Abgas aus einer halbaxial und einer radial in das Turbinengehäuse 1 ein­ mündenden Halbaxialdüse 3 bzw. einer Radialdüse 4. Das Turbinenrad 2 ist mit Hauptschaufeln 5 und Hilfsschaufeln 6 bestückt. Die Hilfsschaufeln 6 beginnen auf der Nabe des Turbinenrades 2 mit einem geringen axialen Abstand "a" gegenüber der eintrittsseitigen Turbinenradstirnseite 7. Zur Turbinenauslaßseite hin erstrecken sich die Hilfsschau­ feln 6 über etwa 50% der axialen Länge der Hauptschaufeln 5, gerechnet ab eintrittsseitiger Stirnfläche des Turbinen­ rades 2. In radialer Richtung können sich die Hilfsschau­ feln 6 bis in den Bereich des äußeren Umfangs der Haupt­ schaufeln 5 erstrecken.

In Fig. 2 sind für den Fall der halbaxialen Gaszuströmung die auftretenden Geschwindigkeitskomponenten mit "c" als absolute Strömungsgeschwindigkeit, mit "w" als relative, auf das Turbinenrad bezogene Geschwindigkeit und mit "u" als Umfangsgeschwindigkeit eingetragen.

Mit den Indices 1 und 2 ist bei diesen Geschwindigkeiten jeweils der Ein- und Austrittsbereich der Turbine bezeich­ net.

Gemäß der schematischen Draufsicht der Fig. 3 ist die Hilfsschaufel 6 innerhalb eines von den Hauptschaufeln 5 begrenzten Schaufelkanals 8 jeweils derart angeordnet und in ihrer Form an die Hauptschaufeln so angepaßt, daß je­ weils zwischen der Saugseite 9 der Hauptschaufeln 5 und der Druckseite 10 der Hilfsschaufel 6 ein Kanalabschnitt 11 mit einem gleichbleibenden oder düsenförmig verlaufen­ den Querschnitt gebildet wird.

Claims (3)

1. Turbinenrad eines Abgasturboladers für eine Brennkraft­ maschine mit radialer und/oder halbaxialer Gaszuführung auf das Turbinenrad durch ein doppelflutiges Turbinenge­ häuse, bei dem die Aufteilung der in die vorgegebenen Rich­ tungen führbaren Teilströme regulierbar ist und mit Schau­ felkanälen zwischen den Hauptschaufeln des Turbinenrades, wobei die Schaufelkanäle im Scheitelbereich der Hauptschau­ feln den max. Querschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem eintrittsseitigen axialen Halbbereich des Tur­ binenrades (2) im diffusorförmig verlaufenden Abschnitt der Schaufelkanäle Hilfsschaufeln (6) zwischen den Haupt­ schaufeln (5) angeordnet sind.

2. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaufeln (6) axial mit geringem Abstand von der eintrittsseitigen Stirnseite des Turbinenrades begin­ nen.

3. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaufeln (6) innerhalb der Schaufelkanäle (8) derart angeordnet sind, daß zwischen den Saugseiten (9) der Hauptschaufeln (5) und den Druckseiten (10) der Hilfsschaufeln (6) der Querschnittsverlauf gleichbleibend oder düsenförmig ist.