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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor mit
verändert
konstruierten Bestandteilen in einfacherer Form und für eine ökonomische
Herstellung, wobei keine wesentlichen Reduzierungen der Leistung
im Vergleich zu Turboladern zu registrieren sind, welche mit Bauelementen konventioneller
Konstruktion dargestellt sind.
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Die
Leistung eines Verbrennungsmotors ist proportional zu dem Verbrennungsluftdurchsatz
und der Verbrennungsluftdichte. Turbolader werden eingesetzt zur
Erhöhung
des Verbrennungsluftdurchsatzes und der Verbrennungsluftdichte,
womit die Leistung des Motors erhöht und das Ansprechverhalten verbessert
werden.
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Ein
Turbolader umfasst zwei Laufräder,
die an einem gemeinsamen Schaft angebracht sind. Wobei jedes Laufrad
sich in seiner eigenen Kammer innerhalb eines Turboladergehäuses drehen
kann. Auf der Abgasturbinenseite wird die kinetische Energie aus
dem Abgas zum Antrieb des Turbinenlaufrades verwandt. Das Turbinenlaufrad
treibt seinerseits das Kompressorlaufrad. Dieer Verdichter zieht
Umgebungsluft ein und verdichtet sie, womit er den Verbrennungsluftstrom
in dem Motor erhöht.
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Abgasturbinenlaufräder entsprechen
allgemein dem Impulstyp, worin die Rotationsgeschwindigkeit von
der Aufprallgeschwindigkeit des Abgases abhängig ist. Herkömmlich werden
Düsen eingesetzt,
die unmittelbar vor den Turbinenschaufeln vorhanden sind, um die
Abgasgeschwindigkeit zu erhöhen,
da sich dieses von einem Hochdruckbereich der Düse zu einem Niederdruckbereich
ausdehnt. Die Düsen
dienen ebenso zur Ausrichtung des Stromes des Abgases, sodass dieser
optimal auf die Flächen der
Turbinenschaufel auftrifft. Schließlich sind die Düsen derart
gestaltet, um die Einbringung von Turbolenzen zu minimieren.
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Zum
Einsatz an Verbrennungskraftmotoren muss der Turbolader bzgl. der
Laufradschnecken und Ausrichtung der Laufradschaufel derart gestaltet sein,
um die Anforderungen des Motors über
seinen gesamten Drehzahlbereich bestens zu erfüllen. Bei einem herkömmlichen
Turbolader mit einer feststehenden geometrischen Gestaltung ist
eine derartige Anpassung notwendigerweise ein Kompromiss zwischen
bestmöglicher
Leistung bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten.
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Kürzlich sind
variable Verstellschaufeln entwickelt worden zum Einsatz in variablen
Geometrien von Turboladern (VGT). Beispiele werden in den amerikanischen
Offenlegungen US-A-2,797,858
und US-A-4,642,026 beschrieben. Leitschaufeln sind in einem Ring
um das Turbinenlaufrad angeordnet, wobei die Abstände zwischen
den Leitschaufeln Düsen definieren.
Jede Schaufel ist auf einer Welle montiert und jede Welle kann um
ihre Längsachse
gedreht werden, wobei der Angriffswinkel auf die Schaufel und damit
der Winkel, in welchem das Abgas auf die Turbinenschaufel durch
die Einlassführungsschaufeln
gerichtet ist, veränderbar
ist. Eine Veränderung der
Ausrichtung der Leitschaufel zieht eine Veränderung der Düsengeometrie
nach sich. Eine optimale Position für die Einlassleitschaufeln
für jeden
Zustand über
die Zeit wird aus der Kombination der geforderten Drehmomentabgabe,
der Brennstoffökonomie
und der Emissionsanforderungen bestimmt. Bei hohen Drehzahlen mit
niedrigem Drehmoment, wie es bei Autobahnfahrten auftritt, wird
nur wenig oder gar kein Ladedruck für eine optimale Brennstoffökonomie
gefordert. Für
eine kräftige
Beschleunigung wird ein hoher Ladedruck gefordert, unabhängig von der
Motordrehzahl.
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Einstellbare
(beispielsweise drehbare) Leitschaufeln dienen somit für drei Funktionen:
- (1) Sie bieten Steueroberflächen zur Veränderung der
Flussrichtung des Abgases,
- (2) sie bieten einen Ansteuermechanismus zur Beschränkung oder
Nicht-Beschränkung
des Abgasdurchsatzes und
- (3) sie definieren in dem zwischenliegenden Abstand zwischen
benachbarten Leitschaufeln eine Düse zur Beschleunigung des Abgasflusses,
bevor sie auf das Antriebsturbinenlaufrad (Schublaufrad) auftreffen.
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Der
in direktem Kontakt mit dem Abgas stehende Teil der einstellbaren
Leitschaufel wird als Schaufelrad bezeichnet. Aufgrund allgemeiner
aerodynamischer Gegebenheiten ist die Gestaltung des Schaufelrades ähnlich der
eines Flügels
eines Flugzeuges mit einer wulstartigen Leitkante und einer konischen,
abfallenden Flanke. Krümmung
und Aspektverhältnis/Flügelstreckung
des Schaufelrades sind zur maximalen Wirksamkeit bei unterschiedlichen Angriffswinkeln
ausgewählt.
Jede Schaufelradgestaltung ist für
einen Bereich von Angriffswinkeln konzipiert, außerhalb dessen das Schaufelrad
seine Wirkung verliert und lediglich Turbolenzen weiterleitet. Je
flacher das Schaufelrad (beispielsweise geringe Krümmung),
desto enger wird der wirksame Bereich für Angriffswinkel. Das Schaufelrad
kann allgemein so gekrümmt
sein, wie es in der US-Patentschrift 4,726,744 (Arnold) beschrieben
ist, oder es kann allgemein geradeaus geführt sein, wie es in den US-Patentschriften
4,582,466 (Szczupak) und 5,518,365 (Baets et al.) offenbart ist.
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In
jedem Fall wird die einstellbare Leitschaufel durch ein Verfahren
wie Gießen
(Baets et al., Spalte 3, Zeile 7) oder Pulvermetallurgie (Arnold, Spalte
3, Zeile 64) hergestellt.
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Diese
Herstellungstechnologien werden, obwohl sie aufwendig sind, als
wesentlich zur Bereitstellung der optimalen Gestaltung von Schaufelrädern betrachtet
(bzgl. der Bestimmung einer Düse
in dem zwischenliegenden Raum für
eine optimale Geschwindigkeitserhöhung, laminaren Durchfluss
und einer Minimierung von Turbolenzen).
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Wie
oben beschrieben, ist die erhöhte
Wirksamkeit der Turbine mit variabler Geometrie (VGT) verbunden
mit einem Anstieg an Komplexität
und Herstellungskosten von Turboladern. Es kann ein wesentlicher,
kommerzieller Vorteil entstehen, wenn ein VGT mit niedrigen Kosten
herstellbar wäre,
ohne dass er wesentliche Verminderungen in seinen Leistungscharakteristika
zeigen würde.
Bei gegebenen Einschränkungen
für eine
Leitschaufelgestaltung entsprechend dem bisherigen Wissensstand
ist dies eine besondere Herausforderung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader bereitzustellen
für einen
Verbrennungsmotor mit Bauelementen, welche zur Vereinfachung der
Form umgestaltet sind und ökonomisch
herstellbar sind, ohne eine merkliche Reduzierung der Leistung im
Vergleich zu Turboladern zu zeigen, welche mit Bauelementen nach
herkömmlicher Gestaltung
ausgestattet sind.
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Aus
den o.g. Gründen
untersuchten die Erfinder unterschiedliche Teile der Turbolader.
Die Leitschaufeln, welche ungefähr
30 bis 50% der Herstellungskosten der Abgasturbine ausmachen, wurden als
das vordringliche Ziel für
weitere Betrachtungen erkannt.
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In
ihren Versuchen, die grundlegendsten Gesetze der Turboladerluftströmungen zu
erforschen und die wissenschaftlichen Gründe zu verstehen, warum Schaufelräder eine
bestimmte aerodynamische „Tropfenform" aufweisen müssen, konstruierten die Erfinder
Serien von Schaufelrädern
mit Serien grundlegender Gestalt und prüften deren Leistungen in Turboladern
unterschiedlicher Geometrie.
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Überraschender
Weise arbeiteten einfache Schaufelräder mit parallelen Hauptoberflächen und mit
angestellten Hinterkantenflächen
fast genauso wirksam wie die Schaufelräder mit herkömmlicher „Tropfenform"-Gestalt. Daraus
wurde sofort geschlossen, dass die Schaufelradteile des Turboladers
auch mit parallelen Hauptoberflächen
ausgestattet werden können
und das Schaufelblatt in seinem Grundmaterial beispielsweise aus
einem Metallblech darstellbar ist und somit das aufwändige gieß- oder
pulvermetallurgische Verfahren, das bisher als äußerst wirtschaftlich galt,
um die Tropfenformgestalt herzustellen, tatsächlich ersetzt werden.
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Das
Metallblechschaufelrad kann an einem Schaft mittels einer Gasschweißung, Laserschweißung, Schraubverbindung
oder auf ähnliche
Weise verbunden werden. Die Herstellung dieser Mittel ist äußerst kostensparend,
da einzelne Streifen aus Blechmetall einfach vom Band geschnitten
werden können.
Es ist anzunehmen, dass in einem typischen Herstellungsverlauf der
Preis pro Einheit für
eine Leitschaufel (Herstellung inkl. Materialien) um ungefähr 50 bis
70% reduzierbar ist. Dies stellt einen wesentlichen ökonomischen
Vorteil gegenüber
den konventionellen Herstellungsverfahren dar.
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Entsprechend
wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einfach durch die Bereitstellung
einer Gasturbine mit Leitschaufeln gelöst, welche Schaufelradteile
aufweist, die parallele Hauptoberflächen haben und welche vorzugsweise
eine trapezoide oder Parallelogramm artige Gestaltung aufweisen.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch ein Herstellungsverfahren gelöst, worin
Abgasturbinenschaufelblätter
in einfacher Weise aus Metallblech hergestellt sind, wie aus bandförmigem Halbzeug,
wobei zumindest die Hinterkante (Hinterkantenfläche) angewinkelt ist.
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Dies
bedeutet, dass das wesentliche Merkmal der Erfindung darin besteht,
dass die Hauptoberflächen
des Schaufelblattes parallel sind.
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Ein
weiteres charakteristisches Merkmal der Erfindung besteht darin,
dass die Hinterkantenfläche zumindest
angewinkelt ist, um eine Schräge
anzubringen, wobei einfache und wirtschaftliche Mittel wie Walzen/Fräsen/Rändeln eingesetzt
werden. In Abhängigkeit
von der eingesetzten Walztechnik wird die Schräge vorzugsweise durch ein Einmal-Durchlauf-Fräs-Schleif-Verfahren bereitgestellt,
sodass die Schräge
eine einzige angewinkelte Oberfläche
darstellt. Die schräge
Fläche
kann jedoch ebenso mittels mehrfacher Oberflächen dargestellt werden, indem sie
mehrfache Fräsprozesse
durchläuft.
Da jedoch die Aufgabe darin besteht, Kosten zu reduzieren, sind
Mehrfachdurchläufe
nicht bevorzugt, da die Einführung
von komplexen Herstellungsprozessen unmittelbar mit erhöhten Herstellungskosten
verbunden sind, ohne entsprechende Verbesserungen an der Turboladerleistung.
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Das
charakteristische Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das
Schaufelblatt parallele Hauptflächen
aufweist und somit einfach gestaltet ist und keinen guss- oder pulvermetallurgischen
Schritt bei der Herstellung erfordert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Figuren
genauer erklärt,
wobei folgendes dargestellt ist:
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1a zeigt
die grundlegende Turbinenleitschaufelgestalt entsprechend der Erfindung
in der Aufsicht, wobei das Schaufelblatt parallelogrammartig dargestellt
ist,
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1b zeigt
eine Leitschaufel entsprechend der Erfindung in der Seitenansicht
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2a und 2b korrespondieren
mit den 1a und 1b, mit
dem Unterschied, dass die Neigungsrichtung der Vorderkanten- und
der Hinterkantenfläche
differiert,
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3a zeigt
die grundlegende Turbinenleitschaufelgestalt entsprechend der Erfindung
in der Aufsicht, wobei das Schaufelblatt als Trapezoid dargestellt
ist,
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3b zeigt
die Leitschaufel entsprechend der Erfindung in der Seitenansicht,
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4a und 4b korrespondieren
mit den 3a und 3b, wobei
lediglich die Neigungsrichtung der Vorderkanten- und der Hinterkantenflächen differiert,
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5 zeigt
ein Schaufelblatt ohne Schaft, welches in der Seitenansicht eine
trapezoide Form aufweist,
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6 zeigt
ein Schaufelblatt ohne Schaft, welches in der Seitenansicht ein
Parallelogramm darstellt,
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7 zeigt
eine perspektivische Seitenrissansicht eines Ausschnittes eines
herkömmlichen Schaufelblattes,
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8 zeigt
einen Querschnitt durch das herkömmliche
Schaufelblatt nach 7, wobei zusätzlich die Drehachse dargestellt
ist,
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9 zeigt
ein Diagramm, in dem der Abgasdurchsatz gegen die Ausdehnungsraten
für eine herkömmliche
Turbinenleitschaufel (7 und 8) aufgetragen
sind und die vier grundlegenden Turbinenleitschaufeln entsprechend
der vorliegenden Erfindung (1–4 = A–D),
wobei bei 40% und 60% Angriffswinkel keine Unterschiede bestehen,
jedoch signifikante Unterschiede bei maximalen und minimalen Auftreffwinkeln
auftreten,
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10 zeigt
eine Kurve zum Vergleich des Turbinenwirkungsgrades in Abhängigkeit
von dem Abgasdurchsatz für
eine herkömmliche
Turbinenleitschaufel (Tropfengestalt wie in den 7 und 8 dargestellt)
und den vier grundlegenden Turbinenleitschaufeln entsprechend der
vorliegenden Erfindung,
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11 zeigt
eine Erklärung
der Grenzbedingungen des Leistungstests in Tabellenform,
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12–15 zeigen
die Abgasdurchsatzrate für
die vier hauptsächlichen
Schaufelblattgestaltungen der vorliegenden Erfindung, wobei die
Schaufelblätter
das Abgas auf das Abgaslaufrad richten,
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16 zeigt
eine Absatzdurchsatzdrossel.
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Es
ist bekannt, dass eines der teuersten Bauteile eines Turboladers,
insbesondere in einer verstellbaren Turbine, das tropfenförmig gestaltete Schaufelblatt
der Leitschaufel ist. Diese hohen Kosten werden teilweise durch
das Verfahren zur Herstellung eingebracht. Zur Aufdeckung der Merkmale, die
wesentlich sind für
eine herkömmliche
Tropfengestalt eines Schaufelblattes hat der Erfinder Untersuchungen
mit unterschiedlichen grundlegenden Gestaltungen der Leitschaufeln
durchgeführt. Überraschenderweise
ergab sich, dass der gleiche Turbinenwirkungsgrad erreichbar ist
mit einem grundlegend vereinfachten Profil, das dieses vereinfachte Profil
darstellbar ist, indem allgemein verfügbare Metallbleche oder bandförmiges Material
Verwendung findet. Dadurch können
aufwendige Gießprozesse vermieden
werden.
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Die
Verbindung zwischen einem Schaufelblatt und einem Schaft kann unter
Einsatz eines Schweißverfahrens
entsprechend dem bekannten Wolfram-Inert-Gas-Verfahren (WIG) oder
durch Laserschweißen
oder durch Schraubverbindung oder durch jede andere bekannte Technik
hergestellt werden. Die Schaufelblätter sind vorzugsweise aus
Materialen PM 2000 hergestellt (Produkt aus Plansee, Deutschland).
Dieses Material erfüllt
die wesentlichen Kriterien der Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen.
Darüber
hinaus lässt
es sich leicht schweißen.
Weiter hin weist PM 2000 einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
(zwischen 11 × 10–6 [1/°K] und 15 × 10–6 [1/°K]) auf als herkömmliche
Metalle, die im Stahlgussverfahren eingesetzt werden (zwischen 16 × 10–6 [1/°K] und 18,5 × 10–6 [1/°K]). Dabei
wird der Punkt, an dem die Leitschaufel die Turbine blockiert, zu
höheren
Temperaturen verschoben.
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Nach
Maßgabe
der vorliegenden Erfindung weist der Querschnitt in Längsrichtung
des Schaufelblattteiles der Führungsschaufel
vier Oberflächen auf:
- (1) Vorderkantenfläche;
- (2) Hinterkantenfläche;
- (3) Laufrad-Leithauptfläche;
und
- (4) Drossel-Hauptfläche.
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Wobei
die Ausdrücke „Laufrad-Leithauptfläche" und „Drossel-Hauptfläche" im Weiteren dann verwendet
werden, wenn Bezug auf zwei Oberflächen genommen wird. Die „Laufrad-Leithauptfläche" ist die Oberfläche, auf
welche das Abgas auftrifft und das Abgas ablenkt in Richtung des
Laufrades während
der maximalen Ablenkung (siehe 12–15).
Die „Drossel-Hauptoberfläche" ist die Oberfläche, welche
den Luftstrom drosselt oder blockiert, wenn die Leitschaufeln zur
Drosselung des Luftstromes durch die Gasturbine verwendet werden (siehe 16).
Somit führt
entsprechend der 12–15 die
Arbeitsoberfläche
den größten Teil
der Arbeit aus, bezogen auf die Neuausrichtung des Luftstromes,
und entsprechend 16 setzt die Drosseloberfläche den
größten Anteil
der Arbeit um. Es existiert offensichtlich ein Punkt zwischen der
Orientierung, wie sie in den 12–15 dargestellt ist,
und der Orientierung entsprechend der 16, in der
die Leitschaufeln weder drosseln noch aktiv ablenken, beispielsweise
ein Punkt, an dem keine Arbeit verrichtet wird. Dies ist der Punkt
des maximalen Luftstromes, jedoch nicht notwendigerweise der Punkt,
an dem die maximale Lauf radumdrehungszahl erreicht ist, da dies
von der Abgasdurchsatzrate durch die Düsen abhängen würde, welche ihrerseits vom
Druckabfall abhängt,
welcher abhängig
ist vom Stützgasdruck
zwischen dem Motor und der Abgasturbine. Da die Düse eine
Querschnittsverengung darstellt, wird die Gasströmung anfänglich zeitweise vermindert.
Da der Abgasdruck sich schnell in dem Kanal zwischen dem Motor und
der Turbine aufbaut, wird der Differenzdruck zwischen dem Stützgasdruck und
dem Umgebungsdruck anwachsen, beispielsweise wird der Druckabfall
ansteigen. Zur gleichen Zeit entspannt sich das komprimierte Abgas,
welches von einem engeren Bereich in der Düse zu einem weiteren Bereich
fließt,
und beschleunigt gleichzeitig um auf die Laufradschaufeln mit erhöhter kinetischer Energie
zu treffen (und mit geringerer thermischer Energie).
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In
den 12–15 stimmen
beide Oberflächen,
d. h. sowohl die Laufrad-Leit-, als auch die Drossel-Fläche definieren
eine Düse
in dem Bereich zwischen benachbarten Schaufelrädern, welcher entsprechend
der 12–15 zur
Beschleunigung des Abgasstromes und zur Ausrichtung des Abgasstromes
auf das Laufrad eingesetzt wird.
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Unter
Bezug auf die 1a wird eine Aufsicht auf eine
einfache Leitschaufel mit Schaufelblatt 1 gezeigt, welches
an einem Schaft 6 angebracht ist. In dieser Figur fließt die Abgasströmung von
links nach rechts. Dieses Schaufelblatt weist eine Laufradleitfläche 2 auf,
eine Drosselfläche 3,
eine Vorderkantenfläche 4 und
eine Hinterkantenfläche 5.
Wie in 1a dargestellt, ist die Leitschaufel
planar und weist eine longitudinale Achse 7 auf. Ein wesentlicher Gesichtspunkt
der Erfindung besteht darin, dass die Laufradleitfläche 2 und
die Drosselfläche 3 zueinander
parallel sind, was eine Abwendung von der herkömmlichen „Tropfenform"-Gestalt bedeutet,
worin diese Oberflächenformen
konvergieren und wo keine zueinander parallelen Flächen vorhanden
sind.
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Die
Leitschaufel ist rotierbar um die Achse 8 des Schaftes 6 angebracht.
Während
der Drehung wechseln die Leitschaufeln ihre Funktion zwischen der
Laufradleit- und der Drosselfunktion. Weiterhin wird der Winkel,
an dem das Abgas auf das Laufrad gerichtet wird, verändert.
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Wie
in 1a dargestellt, bildet die Vorderkantenfläche 4 einen
Winkel α zu
der Laufradleitfläche 2.
Dieser Winkel α entsprechend 1a liegt zwischen
15 und ungefähr
70°, vorzugsweise
zwischen 17–40° und äußerst vorteilhaft
um 20° herum. Die
Hinterkantenfläche 5 bildet
einen Winkel β mit
der Laufradleitfläche 2.
Dieser Winkel β entsprechend 1a liegt
bei ca. 165°–110°, vorzugsweise
um 163° bis
140° und
ist äußerst vorteilhaft
bei ca. 160°.
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Die
Welle wird in dem Laufradgehäuse
abgestützt
und mit Mitteln zur Orientierungsüberwachung verbunden. Derartige
Mittel sind bekannt und beispielsweise offenbart in der US-Patentschrift 4,726,744.
Diese Überwachungsmittel
stellen keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar und sind entsprechend
nicht in dieser Schrift genauer erklärt.
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Wie
in Teilen der
12 dargestellt, (in Zusammenhang
mit dem Patent
US 4,726,744 ,
1) sind die Schaufelblätter
1 in einem Ring
angeordnet, um Abgas (was durch Pfeile dargestellt ist) auf die Laufradschaufeln
9 des
Turbinenlaufrades
10 zu lenken, wobei Abstände zwischen
den Leitschaufeln Düsen
definieren. Jedes Schaufelblatt ist an einem Schaft (nicht dargestellt)
befestigt und jeder Schaft ist rotierbar um seine eigene Längsachse
8 ausgelegt, wobei
der Angriffswinkel des Schaufelblattes, und somit der Winkel, in
dem das Abgas auf die Turbinenschaufeln über die Einlassleitschaufeln
trifft, verändert
wird. Eine Veränderung
in der Ausrichtung der Leitschaufeln führt ebenso zur Veränderung
der Düsengeo metrie.
Eine optimale Positionierung für
die Einlassleitschaufeln zu jedem Zeitpunkt wird bestimmt durch
die Kombination des gewünschten
zu erhaltenden Drehmomentes, der Brennstoffökonomie und der Emissionsanforderungen.
Für den
eigentlichen Betriebszustand des Verbrennungsmotors sollte vorhanden
sein: eine ökonomische
Turbinengeometrie, d. h. eine Leitschaufelposition, welche einen
bestimmten Gasquerschnitt zur Gasbeaufschlagung bereitstellt, welche
ein Ladeluftvolumen für
einen minimalen Brennstoffverbrauch des Verbrennungsmotors liefert.
Der Querschnitt der Gasbeaufschlagungsströmung wird mit ansteigender
Leistungsabgabe reduziert, sodass bei einem korrespondierenden erhöhten Verdichter-Leistungsausgang der
Ladeluftdruck und folglich der Ladeluftmassenstrom zum Verbrennungsmotor
auf den entsprechenden Betriebszustand angepasst werden.
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Beispielsweise
wird bei einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit geringem Drehmoment
wenig oder keine Aufladung für
eine optimale Brennstoffökonomie
verlangt und bei solchen Bedingungen sind die Schaufelblätter entsprechend
der 16 ausgerichtet, wobei die Hauptflächen 3 der
Schaufelblätter
die Strömung
von Abgas zum Abgasturbinenlaufrad verhindern, womit eine Aufladung
unterbunden wird und die Leistung erniedrigt wird, ähnlich wie der
Gasverbrauch im Betrieb. Für
eine schnelle Beschleunigung, bei der eine hohe Aufladung unabhängig von
der Motordrehzahl gewünscht
wird, nehmen die Leitschaufeln eine Orientierung an, wie sie in 12 dargestellt
ist, wobei das Abgas beschleunigt wird und auf die Laufradschaufeln
gerichtet wird, wobei der Einlassluftstrom und die Verdichtung (Dichte) maximiert
werden, sodass ebenfalls die Leistung maximiert wird. Diese unökonomische
Hochleistungsgeometrie wird lediglich so lange beibehalten wie nötig (beispielsweise
lediglich während
einer Motorhochlastzeit), wobei eine Brennstoffökonomie beibehalten wird.
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Die 1b zeigt
eine Seitenansicht der Leitschaufel nach 1.
Während
die Leitschaufel hier so dargestellt ist, dass sie ein rechtwinkeliges
Profil aufweist, kann die Leitschaufel genauso gut ein trapezoides
oder parallelogrammartiges Profil zeigen, wie es in den 5 und 6 dargestellt
ist, was abhängig
ist von der Geometrie des Abgasturbineneinlassgehäuses, des
Auslassgehäuses
und der Form der Laufradschaufeln.
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Das
Aspektverhältnis/Streckungsverhältnis (Länge:Breite)
des Schaufelrades ist nicht besonders eingeschränkt und liegt vorzugsweise
bei 15–5:1, insbesondere
bei 12–8:1,
und am vorteilhaftesten bei 10–11:1.
In einer Ausgestaltung ist die Länge
einer der Hauptflächen
des Schaufelblattes mit 20 mm ausgelegt und die Breite der parallelen
Flächen
ist konstant bei 1,5 mm.
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Bei
der Betrachtung der 2a ist anzumerken, dass diese
im Wesentlichen mit der 1a korrespondiert,
und dass gleiche Bezugszeichen für gleiche
Elemente benutzt sind. Die Vorderkantenfläche 4 bildet einen
Winkel α mit
der Laufradleitfläche 2.
Der wesentliche Unterschied zwischen den 1a und 2a besteht
darin, dass in 1a ein Winkel α von 15°–70°, vorzugsweise
17–40° und am vorteilhaftesten
20°, während in 2a ein
Winkel α von ungefähr 165° bis etwa
110° vorliegt,
vorzugsweise etwa 163°–140° um am besten
etwa 160°.
Weiterhin ist der Winkel β der
Hinterkantenfläche 5 zu
der Laufradleitfläche 2 in 1a etwa
165°–110°, vorzugsweise
etwa 163° bis
etwa 140° und
am vorteilhaftesten etwa 160°,
während
in 2a der Winkel zwischen 15° bis etwa 70° liegt, vorzugsweise 17–40° und am vorteilhaftesten
bei 20° liegt.
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3a korrespondiert
im Wesentlichen mit den 1a und 2a und
gleiche Bezugszeichen werden für
die gleichen Ele mente verwendet. Die Vorderkantenfläche 4 bildet
einen Winkel α,
welcher zwischen 15° und
etwa 70° liegt,
vorzugsweise 17–40° und am vorteilhaftesten
etwa 20° beträgt relativ
zu der Laufradleitfläche 2.
Der Winkel β der
Hinterkantenfläche 5 mit
der Laufradleitfläche 2 beträgt 15° bis etwa
70°, vorzugsweise
17° bis
40° und
am vorteilhaftesten etwa 20°.
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Wird
schließlich
die 4a betrachtet, so ist sichtbar, dass diese mit
den 1a, 2a und 3a korrespondiert,
und dass gleiche Bezugsziffern für
gleiche Elemente verwendet sind. Die Vorderkantenfläche 4 bildet
einen Winkel α mit
der Laufradleitfläche 2,
wobei dieser Winkel α um
165° bis
etwa 110° liegt,
vorzugsweise bei 163° bis
etwa 140° und am
vorteilhaftesten etwa bei 160°.
Weiterhin ist der Winkel β der
Hinterkantenfläche 5 mit
der Laufradleitfläche 2 entsprechend 1a ebenfalls
zwischen 165° bis
etwa 110°,
vorzugsweise bei 163 bis etwa 140° und
am vorteilhaftesten bei etwa 160°.
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Es
gibt keinen Zusammenhang zwischen den Winkeln α und β, d. h., dass diese Winkel nicht identisch
oder spiegelbildlich sein müssen.
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In
Versuchen erzielten diese Schaufelblätter gute Ergebnisse mit nur
geringen Abweichungen von der herkömmlichen „tropfenförmigen" Gestalt, sowie untereinander, wobei
die Ergebnisse in den 9 und 10 dargestellt
sind. Die Ergebnisse bzgl. des Wirkungsgrades und des Gasdurchsatzes
sind geringfügig
besser mit der Gestalt, wie sie in den 13 und 15 wiedergegeben
ist in Vergleich zu den Ausgestaltungen entsprechend der 12 und 14.
Die Gründe
für diese
geringen Unterschiede sind nicht geklärt aber es lässt sich
vermuten, dass dies aus den betrachteten 12–15 hervorgeht.
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D.
h., wie es in der 12 dargestellt ist, bilden die „Drosselflächen" 3b, c des
Schaufelblattes 1b, c mit den gegenüberliegenden „Laufrad-Leitflächen" 2a, b der
benachbarten Schaufelblätter 1a,
b eine Düse.
Der Abgasstrom durch die Düse
wird anfänglich
im Düsenbereich
x komprimiert, danach in dem Bereich y expandiert, bevor er auf
die Laufradschaufeln 9 trifft. In 12 ist
der Bereich, in welchem die Expansion auftritt, nicht genau abgegrenzt durch
diese Oberflächen
und liegt nicht in dem Rahmen einer konventionellen Düse.
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Wie
in 13 dargestellt bilden die „Drossel-Oberflächen" 3b, c des
Schaufelblattes 1b, c mit den gegenüberliegenden „Laufrad-Leitflächen" 2a, b des
benachbarten Schaufelblattes 1a, b eine Düse. Der
Abgasstrom durch die Düse
wird anfänglich
komprimiert in dem Bereich x, danach in dem Bereich y expandiert,
bevor er auf die Laufradschaufeln 9 trifft. Die Grenze
zwischen Komprimierung und Expansion ist mit gestrichelten Linien
dargestellt. In 13 ist der Bereich, in dem die
Expansion auftritt, besser bestimmt und weist eine ähnlich Form
wie die des Expansionsabschnittes einer herkömmlichen Düse auf.
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14 entspricht 12 was
die Gestaltung der Hinterkantenfläche betrifft und 15 entspricht 13 was
die Gestaltung der Hinterkantenfläche ebenfalls entspricht. Es
wurde herausgefunden, dass die Gestalt der Hinterkantenfläche wichtiger
ist als die Gestalt der Vorderkantenfläche und die o. a. Theorie bietet
eine mögliche
Erklärung
für dieses
Ergebnis. Es sind jedoch weitere experimentelle Aussagen nötig, um
diese Hypothese zu stützen.
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In 16 sind
die Bedingungen dargestellt, unter welchen die Leitschaufeln im
Wesentlichen einen geschlossenen Zylinder bilden, der einen Abgasdurchsatz
durch die Abgasturbine blockiert, woraufhin dieses Abgas im Bypass
um das Abgaslauf rad herumgeführt
wird und direkt zu der Umgebungsluft geleitet wird, über das
Automobil-Abgassystem.
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Die
Herstellung eines Schaufelblattes ist äußerst einfach und kosteneffektiv,
was sich aus der Gestalt des Schaufelblattes entsprechend der Erfindung
ergibt. Die Schaufelblätter
können
von einem kontinuierlichen Streifen von Metallblech herunter geschnitten
werden. Der Streifen aus Metallblech kann von einer Rolle abgewickelt
werden, deren anfänglicher
Teil auf eine Schneidevorrichtung gelegt wird. Die Trennung der
Streifen eines Metallbleches in Einzelstreifen wird annähernd so
ausgeführt,
dass die gewünschte
Form des Schaufelblattes erhalten wird. Wenn das Schaufelblatt hergestellt
werden soll, welches (wie in 6 dargestellt)
die Form eines Parallelogrammen aufweist, so wird das Schneidwerkzeug
derart angeordnet sein, dass der Schneidrand sich entsprechend dem
gewünschten
Parallelogrammwinkel relativ zur Beobachtungsrichtung des Metallblechstreifens
erstreckt. Das Schneidwerkzeug wird abgesenkt während jedes Schneidprozesses, um
den Streifen aus Metallblech festzuhalten. Der Streifen aus Metallblech
sollte sich während
des Schneidprozesses nicht bewegen oder die Schneidvorrichtung bewegt
sich mit dem Streifen in einem kontinuierlichen Verfahren fort.
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Falls
andererseits das Schaufelblatt in Form einer trapezoiden Gestalt
entsprechend 5 ausgebildet sein soll ist
es notwendig, das Schneidwerkzeug um eine Achse zu drehen, welche
sich nach unten gerichtet erstreckt zwischen aufeinander folgenden
Schneidprozessen oder es müssten
zwei unterschiedliche Schneidschaufeln verwendet werden.
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9 zeigt
den Vergleich bzgl. des Abgasdurchsatzes in Abhängigkeit von den Ausdehnungsraten
der Turbine zwischen den herkömmlichen
Turbinenführungsschaufel
und den vier untersuchten Varianten. Abhängigkeit von der Ausdehnungsrate der Turbine
zwischen den herkömmlichen
Turbinenführungsschaufeln
und den vier untersuchten Varianten.
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10 zeigt
den Vergleich des Turbinenwirkungsgrades η in Abhängigkeit von dem Abgasdurchsatz
zwischen den herkömmlichen
Turbinenführungsschaufeln
und den vier untersuchten Varianten. Es wird beobachtet, dass die
Variante B die besten Ergebnisse erbringt, allgemein gleichwertig
ist mit den Originalblättern.
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11 stellt
bildlich die Definitionen des ausgeführten Zyklustests dar. Die
maximale Temperatur von 980°C
im zweiten Schritt zeigt an, dass die Schaufelblätter aus Metallblech genauso
geeignet sind für
die Anwendung in Verbrennungskraftmaschinen.