DE4330487C1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader einer Brennkraftma­ schine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 34 27 715 ist bereits ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art bekannt. Die Abgastur­ bine besitzt ein Laufrad mit mindestens einem radialen und einem halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt und einen das Laufrad umgebenden Strömungskanal mit einem an die Strömungseintritts­ querschnitte des Laufrades mündenden ringdüsenförmigen Mündungs­ bereich mit zwei Ringdüsen. In diesem sind zwei Leitgitter mit variablen Leitschaufeln angeordnet, mit denen der Durchflußquer­ schnitt beider Ringdüsen einstellbar ist.

Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE- OS 28 43 202, DE-OS 33 02 186, DE-OS 33 22 436, DE-PS 34 41 115, DE-PS 35 04 374, DE-OS 38 33 906 und DD-PS 1 26 796 verwiesen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine einflutige Abgastur­ bine mit hoher Flexibilität und einem breiten Einsatzspektrum derart auszubilden, daß gleichzeitig der Wirkungsgrad der Abgas­ turbine verbessert wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 liegt darin, daß das einflutige Turbinengehäuse relativ groß ausgelegt werden kann, wodurch in dessen Strömungskanal niedrige Strömungsge­ schwindigkeiten und somit geringere Strömungsverluste erreichbar sind. Die Strömungsbeschleunigung findet auf kurzen Lauflängen im jeweils offenen Leitgitter statt, wodurch sich in den Auslegungs­ stellungen der Leitgitter günstige Turbinenwirkungsgrade reali­ sieren lassen.

Das einflutige Turbinengehäuse kann als Spiralgehäuse oder als reiner Sammelraum gefertigt werden. An der Kopplungsstelle der die radiale und die halbaxiale Zuströmung zum Laufrad leitenden Leitgitter wird zur besseren Strömungsführung erfindungsgemäß ein strömungsgünstig konturierter Ring zur Kanalkonturierung vorgese­ hen. Dieser Ring muß nicht zur Rotationsachse des Laufrades sym­ metrisch, sondern kann bei einem vorgesehenen Spiralgehäuse auch über dem Umfang veränderlich (z. B. spiralförmig) gestaltet sein.

Durch den erfindungsgemäßen Ring wird der ringdüsenförmige Mün­ dungsbereich des einflutigen Strömungskanales in zwei Ringdüsen unterteilt, in eine Ringdüse für die radiale und in eine Ringdüse für die halbaxiale Zuströmung zum Laufrad. So wird für eine ein­ flutige Abgasturbine eine variable Turbinengeometrie in optimaler Weise ausgebildet, indem beispielsweise das halbaxiale Leitgitter durch die Gestaltung der Schaufeln für den Anfahrbetrieb (schnelles Hochlaufen der Turbine) ausgelegt ist, während das va­ riable radiale Leitgitter für den Teillast und Vollastbereich ausgelegt wird.

Durch die erfindungsgemäße Leitgitterverstellung nach den Ansprü­ chen 2 und 6 ist durch die Regelung des Durchflußquerschnittes über das verstellbare Leitgitterteil dieses in vorteilhafter Weise auch als Motorbremse (Staudruckbremse) einsetzbar. Bei ge­ eigneter Wahl der Gitterparameter kann das Leitgitter so ausge­ führt werden, daß es, abgesehen von Spaltströmen, durch eine ent­ sprechende Drehung des verdrehbaren Leitgitterteiles vollständig versperrbar ist. Ferner ist in einer Zwischenstellung des ver­ drehbaren Teils des Leitgitters sowohl eine radiale als auch eine halbaxiale Zuströmung auf das Laufrad möglich.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist eine be­ vorzugte bauliche Ausführung der Erfindung.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 wird durch Verstellen des Leitgitters das Laufrad entweder radial oder halb­ axial beaufschlagt.

Ein Vorteil der Erfindung gemäß Anspruch 10 liegt darin, daß le­ diglich ein einziges geteiltes Leitgitter benötigt wird, das so­ wohl die radiale als auch die halbaxiale Zuströmung zum Laufrad leitet.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand dreier Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel einen Meri­ dianschnitt eines Abgasturboladers mit einer ein­ stufigen Abgasturbine mit einem Strömungskanal, in dessen ringdüsenförmigen Mündungsbereich ein er­ findungsgemäßer strömungsgünstig konturierter Ring derart angeordnet ist, daß in dem Mündungsbereich zwei Ringdüsen gebildet sind, wobei in jeder Ring­ düse ein variables Leitgitter angeordnet ist,

Fig. 2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen Meri­ dianteilschnitt eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäßen Leitgitter,

Fig. 3 einen Schnitt III-III durch das geteilte Leit­ gitter gemäß Fig. 1 und 2 für voll geöffnete ra­ diale Zuströmung auf das Laufrad der Abgasturbine,

Fig. 4 in einem Schnitt analog Fig. 3 eine Stellung des radialen Leitgitters für teilweise abgeriegelte radiale Zuströmung auf das Laufrad der Abgastur­ bine und

Fig. 5 in einem dritten Ausführungsbeispiel einen Meri­ dianschnitt eines Abgasturboladers mit einem fest­ stehenden Leitgitter in der halbaxialen Ringdüse und einem Leitgitter mit verdrehbaren Leitschau­ feln in der radialen Ringdüse.

Fig. 1 zeigt einen Meridianschnitt eines Abgasturboladers, der ein Gehäuse 1, eine Turbinenstufe 2 und eine Verdichterstufe 3 in prinzipiell bekannter Weise umfaßt.

An dem Gehäuse 1 ist ein einflutiges, spiralförmiges Verdichter­ gehäuse 3a mit Strömungskanal 4, der ein Radiallaufrad 5 der Verdichterstufe 3 umschließt, sowie ein einflutiges, spiralför­ miges Turbinengehäuse 2a mit Strömungskanal 6, der ein radial und halbaxial durchströmtes Laufrad 7 der Turbinenstufe 2 um­ gibt, angeflanscht. Das Laufrad 7 besitzt einen radialen Strö­ mungseintrittsquerschnitt 7a und einen halbaxialen Strömungsein­ trittsquerschnitt 7b.

Radiallaufrad 5 und Laufrad 7 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 8, die mit Radiallagern 9 und 10 in dem Gehäuse 1 gelagert ist.

Der einflutige, spiralförmige Strömungskanal 6 umfaßt eine Flut 11, deren Abgasstrom das Laufrad 7 in einem ringdüsenförmigen Mündungsbereich 12 mit Ringdüsen 12a und 12b radial und halba­ xial beaufschlagt. In diesem befinden sich zwei variable, konti­ nuierlich verstellbare, geteilte Leitgitter 13 und 14 mit ge­ teilten Leitschaufeln 15 und 16, wobei das einer Laufradperiphe­ rie 7c zugewandte Ende 17 der Leitgitter 13 und 14 mit geringem Abstand von dieser verlaufen. Die Laufradperipherie 7c umfaßt den radialen Strömungseintrittsquerschnitt 7a und den halbaxia­ len Strömungseintrittsquerschnitt 7b des Laufrades 7.

Die Leitschaufeln 15 und 16 der geteilten Leitgitter 13 und 14 mit Leitgitterteilen 13a und 13b sowie 14a und 14b sind durch zwei sich schneidende Schnittflächen in Leitschaufelteile 15a, 15b und 16a, 16b geteilt, wobei die eine Schnittfläche eine kon­ zentrisch zur Rotationsachse 18 verlaufende Zylindermantelfläche 19 und die andere Schnittfläche eine Kegelmantelfläche 20 ist, deren zugehörige Kegelspitze auf der Rotationsachse 18 des Lauf­ rades 7 liegt.

Im Bereich der Schnittkurve der beiden Schnittflächen 19 und 20 der geteilten Leitgitter 13 und 14 ist ein geteilter, strömungs­ günstig konturierter Ring 21 mit Ringteilen 22 und 23 angeord­ net, wobei das Ringteil 22 mit den feststehenden Leitschaufel­ teilen 15a, 16a und das Ringteil 23 mit den verdrehbaren Leit­ schaufelteilen 15b und 16b fest verbunden ist. Die Außenkontur des strömungsgünstig konturierten Ringes 21 nimmt über dessen Umfangswinkel längs der Strömungsrichtung in seiner axialen und radialen Erstreckung bezüglich der Rotationsachse 18 des Laufra­ des 7 ab und ragt mit seinem Nasenbereich 21a in den Strömungs­ kanal 6 hinein.

Die geteilten Leitschaufeln 15, 16 der Leitgitter 13, 14 nebst geteiltem Ring 21 bilden einen geteilten Leitschaufelkranz 28, der aus einem feststehenden Leitschaufelkranzteil 24 mit den Leitschaufelteilen 15a und 16a (Leitgitterteile 13a, 14a) nebst Ringteil 22 und einem diesem zugeordneten, konzentrisch zur Ro­ tationsachse 18 des Laufrades 7 verdrehbaren Leitschaufelkranz­ teil 25 mit den Leitschaufelteilen 15b und 16b (Leitgitterteil 13b, 14b) nebst Ringteil 23 besteht. Das verdrehbare Leitschau­ felkranzteil 25 ist anströmseitig und das feststehende Leit­ schaufelkranzteil 24 abströmseitig in dem Mündungsbereich 12 an­ geordnet.

Die Verdrehung des Leitschaufelkranzteiles 25 erfolgt über eine Nabe 26, auf der ein konusförmiges Nabenteil 27 befestigt ist.

Die Nabe 26 ist mit einem Drahtkugellager 29 mit Keramik- oder Stahlkugeln 30 im Gehäuse 1 gelagert.

Das Gehäuse 1 und die Nabe 26 ist mit Rechteckringen 31 und 32 zur Gasseite hin abgedichtet.

Die Verdrehung der Nabe 26 erfolgt über einen Stift 33, der über einen Schlitz 34 des Gehäuses 1 geführt und mit der Nabe 26 mit­ tels eines Gewindes 35 fest verbunden ist.

Der Stift 33 ist mit einem nicht dargestellten Steller verbun­ den, der die Position der Nabe 26 und damit die Stellung des Leitschaufelkranzteiles 25 in Abhängigkeit von Betriebsparame­ tern der Brennkraftmaschine regelt.

In Fig. 2 ist ein Meridianteilschnitt eines Abgasturboladers analog zu Fig. 1 dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit glei­ chen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Die Flut 11 mit ihrem ringdüsenförmigen Mündungsbereich 36 be­ aufschlagt das Laufrad 7 radial und halbaxial. In dem ringdüsen­ förmigen Mündungsbereich 36 befindet sich ein variables, konti­ nuierlich verstellbares, geteiltes Leitgitter 37 mit geteilten Leitschaufeln 38, die durch eine konzentrisch zur Rotationsachse 18 des Laufrades 7 liegende Zylindermantelfläche 40 geteilt sind. Das geteilte Leitgitter 37 besteht aus einem feststehenden Leitgitterteil 42 mit Leitschaufelteilen 43 und Leitschaufelab­ schnitten 43a und 43b, sowie einem diesem zugeordneten, konzen­ trisch zur Rotationsachse 18 des Laufrades 7 verdrehbaren Leit­ gitterteil 44 mit Leitschaufelteilen 45 und Leitschaufelab­ schnitten 45a und 45b, wobei das verdrehbare Leitgitterteil 44 anströmseitig und das feststehende Leitgitterteil 42 abströmsei­ tig in dem Mündungsbereich 36 angeordnet ist.

Das abströmseitige Ende 46 des feststehenden Leitgitterteiles 42 ist an die Kontur der in dem Mündungsbereich 36 befindlichen Laufradperipherie 39 angepaßt, die eine radial zur Rotationsach­ se 18 des Laufrades 7 verlaufende Ringfläche (halbaxialer Strö­ mungseintrittsquerschnitt) und eine an deren Außenkontur an­ schließende, konzentrisch zur Rotationsachse 18 verlaufende Zy­ lindermantelfläche (radialer Strömungseintrittsquerschnitt) um­ faßt.

Durch die zylindermantelförmige Teilungsfläche 40 werden die die halbaxiale Zuströmung zum Laufrad 7 leitenden Leitschaufelab­ schnitte 43b, 45b relativ näher in Richtung Profilnase geschnit­ ten, als die die radiale Zuströmung leitenden Leitschaufelab­ schnitte 43a, 45a.

Durch eine unterschiedliche Teilung der Leitschaufelabschnitte 43a, 45a bzw. 43b, 45b kann erreicht werden, daß bei Verdrehung des Leitgitterteiles 44 entweder die radiale oder die halbaxiale Zuströmung zum Laufrad 7 freigegeben wird. Zwischen den Leit­ schaufelabschnitten 43a, 45a und 43b, 45b befindet sich ein ge­ teilter, strömungsgünstig konturierter Ring 54 analog Fig. 1.

In Fig. 3 ist ein Schnitt III-III durch das geteilte Leitgit­ ter 13 gemäß Fig. 1 bzw. durch die Leitschaufelabschnitte 43a, 45a des geteilten Leitgitters 37 gemäß Fig. 2 dargestellt, wobei die radiale Zuströmung auf das Laufrad 7 vollständig geöffnet ist. Gleiche Bauteile aus Fig. 1 und 2 werden mit gleichen Be­ zugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 4 zeigt in einem Schnitt analog zu Fig. 3 eine Stellung des geteilten Leitgitters 13 bzw. 37 für eine teilweise abgeriegelte radiale Zuströmung auf das Laufrad 7.

Fig. 5 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel einen Meri­ dianschnitt eines Abgasturboladers mit einem feststehenden Leit­ gitter 47 in der halbaxialen Ringdüse 12b und einem Leitgitter 48 mit verdrehbaren Leitschaufeln 49 in der radialen Ringdüse 12a. Gleiche Bauteile aus den Fig. 1 bis 4 werden mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Ein einflutiger Strömungskanal 50 ist als ringförmiger Sammelraum ausgebildet. Ein strömungsgün­ stig konturierter Ring 51 ist zur Rotationsachse 18 des Laufra­ des 7 symmetrisch ausgebildet. Der strömungsgünstig konturierte Ring 51 ist über das in der halbaxialen Ringdüse 12b angeordnete feststehende Leitgitter 47 fixiert.

Der Verstellmechanismus der um eine Leitschaufellängsachse 52 verdrehbaren Leitschaufeln 49 ist aus dem gattungsbildenden Stand der Technik prinzipiell bekannt und wird hier deshalb nicht näher erläutert. Der in Fig. 5 gezeigte Verstellmechanis­ mus ist gegenüber dem Stand der Technik dahingehend weitergebil­ det, daß die Leitschaufeln 49 zur Verringerung der Spaltverluste nicht mehr wie im Stand der Technik fliegend gelagert sind, son­ dern zusätzlich in Lagern 53 in dem Ring 51 gegengelagert sind.

In einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 2 können die beiden die radiale und die halbaxiale Zuströmung leitenden Leit­ gitterabschnitte 43a, 45a bzw. 43b, 45b auch unabhängig vonein­ ander bewegbar sein, so daß die radiale und halbaxiale Zuströmung auch gleichzeitig auf das Laufrad 7 erfolgen kann. Ferner kann für einen gewollten Motorbremsbetrieb sowohl die radiale als auch die halbaxiale Zuströmung abgeriegelt werden (Staudruckbremse). Bei einer derartigen Ausführung ist das Leit­ gitter 37 durch eine in etwa radial verlaufende Teilungsebene, die im Bereich einer Umlaufkante 41 des Laufrades 7 (gemäß Fig. 2) geteilt, wobei eine entsprechende Verstellmechanik (z. B. ana­ log zu der in Fig. 1 und 2 gezeigten) zur unabhängigen Verstel­ lung der beiden Leitgitterteile vorzusehen ist.

In analoger Weise ist in der in Fig. 1 gezeigten Bauweise das Ringteil 23 zusätzlich zur vorhandenen Teilung radial teilbar, wodurch zwei verdrehbare Leitgitterteile entstehen, durch die unabhängig voneinander, etwa in Abhängigkeit von Betriebsparame­ tern der Brennkraftmaschine, die radiale und die halbaxiale Zu­ strömung auf das Laufrad 7 regelbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das festste­ hende Leitgitterteil anströmseitig und das verdrehbare Leitgit­ terteil abströmseitig angeordnet sein.

Ferner können auch die Leitschaufeln des die halbaxiale Zuströ­ mung leitenden Leitgitters um deren Schaufelachse verdrehbar und die Leitschaufeln des die radiale Zuströmung leitenden Leitgit­ ters feststehend ausgeführt sein.

Claims (10)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Abgastur­ bine ein Laufrad mit mindestens einem radialen und einem halba­ xialen Strömungseintrittsquerschnitt und einen das Laufrad umge­ benden einflutigen Strömungskanal mit einem an die Strömungsein­ trittsquerschnitte des Laufrades mündenden ringdüsenförmigen Mün­ dungsbereich mit mindestens einer Ringdüse je Strömungseintritts­ querschnitt umfaßt und in dem Strömungskanal mindestens ein va­ riables Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet ist, mit dem der Durchflußquerschnitt mindestens einer der Ringdüsen einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungskanal (6) ein strömungsgünstig konturierter und mindestens teilweise feststehender Ring (21, 51) derart ange­ ordnet ist, daß durch diesen die beiden Ringdüsen (12a, 12b) ge­ bildet sind, wobei der Ring (21, 51) an einem in der radialen Ringdüse (12a) und/oder der halbaxialen Ringdüse (12b) festste­ hendem Leitgitter (47) oder feststehendem Leitgitterteil (42, 13a, 14a) befestigt ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitgitter (13, 14) jeweils zwischen dem strömungsgünstig konturierten Ring (21) und einer der Seitenwände des Strömungs­ kanals (6) angeordnet und unabhängig voneinander verstellbar sind.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsgünstig konturierte Ring (21) konzentrisch zur Rotationsachse (18) des Laufrades (7) geteilt ist.

4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsgünstig konturierte Ring (51) eine bezüglich der Rotationsachse (18) des Laufrades (7) rotationssymmetrische Au­ ßenkontur aufweist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei spiralförmig ausgebildetem Strömungskanal (6) die Außen­ kontur des strömungsgünstig konturierten Ringes (21) über dessen Umfangswinkel längs der Strömungsrichtung in seiner axialen und radialen Erstreckung bezüglich der Rotationsachse (18) des Lauf­ rades (7) abnimmt und mit seinem Nasenbereich (21a) in den spi­ ralförmigen Strömungskanal (6) hineinragt.

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Ringdüsen (12a, 12b) geteilte Leitgitter (13, 14) mit einem feststehenden Leitgitterteil (13a, 14a) und einem diesen zu­ geordneten verdrehbaren Leitgitterteil (13b, 14b) angeordnet sind und daß mit mindestens einem der geteilten Leitgitter (13, 14) der Strömungsquerschnitt einer der Ringdüsen (12a, 12b) veränderbar ist.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (49) des die radiale Zuströmung zum Laufrad (7) leitenden Leitgitters (48) oder die Leitschaufeln des die halbaxiale Zuströmung zum Laufrad leitenden Leitgitters einteilig und um eine Schaufellängsachse (52) verdrehbar ausgeführt sind.

8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung des Leitgitters (37) durch zwei sich schneidende Schnittflächen erfolgt, wobei die eine Schnittfläche eine konzen­ trisch zur Rotationsachse (18) des Laufrades (7) verlaufende Zy­ lindermantelfläche (19, 40) ist und die andere Schnittfläche eine Kegelmantelfläche (20) ist, deren zugehörige Kegelspitze auf der Rotationsachse (18) des Laufrades (7) liegt.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Ringdüsen (12a, 12b) durch das verstell­ bare Leitgitter (13, 14, 48) vollständig absperrbar ist.

10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das beiden Strömungseintrittsquerschnitten (7a, 7b) des Lauf­ rades (7) zugewandte Ende (17, 46) des geteilten Leitgitters (37) der Kontur einer Laufradperipherie (7c, 39) angepaßt ist.