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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betätigungsanordnung für
eine Turbine mit variabler Geometrie, und im besonderen für eine
Turbine von der Art, wie sie zur Verwendung im Zusammenhang mit
einer Turbine für einen Verbrennungsmotor geeignet ist.
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Turbine umfassen im allgemeinen ein in einer Turbinenkammer
gehaltertes Turbinenrad, einen um die Turbinenkammer angeordneten
ringförmigen Einlaßdurchgang, eine um den Einlaßdurchgang
angeordnete Einlaßkammer und einen sich von der Turbinenkammer
erstreckenden Auslaßdurchgang. Die Durchgänge und Kammern stehen
derart miteinander in Verbindung, daß ein in die Einlaßkammer
eingelassenes unter Druck stehendes Gas durch den Einlaßdurchgang
über die Turbinenkammer zum Auslaßdurchgang fließt und dabei das
Turbinenrad antreibt. Bei einer Turbine mit variabler Geometrie
ist eine Wand des Einlaßdurchgangs durch ein bewegliches
ringförmiges Wandglied gebildet, dessen Stellung in bezug auf
eine Vorderwand des Einlaßdurchgangs zum Steuern der Breite des
Einlaßdurchgangs einstellbar ist.
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Eine bekannte Anordnung einer Turbine mit variabler Geometrie
wird in der europäischen Patentschrift EP-A-0080810 beschrieben.
Bei der beschriebenen Anordnung ist ein dünnwandiges ringförmiges
Wandglied auf einem Paar Führungsbolzen abgestützt, welche sich
parallel zur Drehachse des Turbinenrads erstrecken und parallel
dazu gleitbar sind. Jeder Bolzen wird von einem jeweiligen
Betätigungsorgan beaufschlagt. Aus einer derartigen Anordnung
ergeben sich verschiedene Probleme hinsichtlich der Einfachheit
der Herstellung und der Verläßlichkeit. Was die Einfachheit der
Herstellung betrifft, müssen die Betätigungsorgane in dem
begrenzten Raum um und in der Nahe der Turbinenachse
untergebracht werden, was sich einschränkend auf die
Turbinenausführung auswirkt. Was die Verläßlichkeit betrifft, ist
die Konstruktion beträchtlichen Temperaturgradienten ausgesetzt,
die zu einem Verklemmen der Bolzen führen können, falls diese
einer Querbelastung ausgesetzt sind. Zweifel hinsichtlich der
langfristigen Verläßlichkeit waren ein Hauptfaktor bei der
Verzögerung der Einführung von Turbinen mit variabler Geometrie.
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Eine ähnliche Anordnung ist aus der EP-A-0095853 bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine mit
variabler Geometrie bereitzustellen, welche die obengenannten
Probleme umgeht oder mildert.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Betätigungsanordnung
für eine Turbine mit variabler Geometrie bereitgestellt,
umfassend einen ringförmigen Einlaßdurchgang, wovon eine Wand
durch ein bewegliches ringförmiges Wandglied gebildet ist, dessen
Stellung in bezug auf eine Vorderwand des Einlaßdurchgangs zum
Steuern der Breite des Einlaßdurchgangs einstellbar ist, wobei
das ringförmige Wandglied von einem Paar Bolzen getragen wird,
die sich parallel zur Drehachse des Turbinenrads erstrecken und
parallel dazu gleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder
Bolzen von einem jeweiligen Arm eines schwenkbar gehalterten
Bügels in Eingriff genommen wird, dessen Winkelposition von einem
einzelnen Betätigungsorgan gesteuert wird, wobei der Eingriff
zwischen den Bolzen und dem Bügel von solcher Art ist, daß eine
Schwenkbewegung des Bügels eine Axialbewegung der Bolzen bewirkt.
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Jeder Bolzen bildet bevorzugt zwischen seinen Enden einen Schlitz
und das Ende des jeweiligen Arms des Bügels greift in den Schlitz
ein.
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Das in den Schlitz eingreifende Ende des Bügels bildet bevorzugt
eine gebogene Oberfläche, die an den Kanten des Schlitzes
anliegt.
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Bevorzugt besteht der Bügel aus Blech und jeder Bügelarm ist so
angeordnet, daß die von dem Blech, aus dem er geformt ist,
gebildete Ebene parallel zu der Achse verläuft.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun
beispielhaft unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Abrißansicht entlang der Achse einer Turbine mit
variabler Geometrie nach der vorliegenden Erfindung, wobei die
Ansicht axial beabstandete Merkmale der Turbine zeigt;
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die Fig. 2, 3 und 4 Schnittansichten gemäß der Linie X-X der Fig.
1, wobei Bauteile des Aufbaus aus Fig. 1 jeweils in der völlig
geschlossenen, halb geschlossenen und völlig offenen Stellung
gezeigt werden;
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Fig. 5 eine Darstellung der Beziehung zwischen der
Turbinenleistungsfähigkeit und der Massenströmung durch die
Turbine aus Fig. 1, bei einem konstanten Expansionsverhältnis;
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Fig. 6 die Wechselbeziehung zwischen Führungsbolzen, die ein
bewegliches Wandglied der Anordnung der Fig. 1 bis 4
abstützen, und einem Bügelglied, das die Stellung dieser
Führungsbolzen steuert;
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Fig. 7 die Wechselbeziehung zwischen einem Führungsbolzen der in
Fig. 6 dargestellten Art und einem beweglichen Wandglied; und
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Fig. 8 die Halterung eines Düsenschaufelstützrings, der in die
Anordnung der Fig. 1 bis 4 eingebaut ist.
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Es wird nun auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen. Die
dargestellte Turbine mit variabler Geometrie umfaßt ein
Turbinengehäuse 1, welches einen Diffusor bzw. eine Einlaßkammer
2 bildet, an welche Abgas von einem Verbrennungsmotor (nicht
dargestellt) geliefert wird. Das Abgas fließt von der
Einlaßkammer 2 über einen Einlaßdurchgang, der auf der einen
Seite von einem beweglichen Ringglied 4 und auf der anderen Seite
von einer dem beweglichen ringförmigen Wandglied 4 zugewandten
Wand 5 gebildet wird, zu einem Auslaßdurchgang 3. Über den
Einlaßdurchgang erstreckt sich eine Reihe von Düsenschaufeln 6,
die an einem Düsenstützring 7 abgestützt sind. Vom
Einlaßdurchgang 2 zum Auslaßdurchgang 3 fließendes Gas strömt
über ein Turbinenrad 8, und dadurch wird eine ein Verdichtungsrad
10 antreibende Turboladerwelle 9 mit einem Drehmoment
beaufschlagt. Durch Drehung des Rads 10 wird in einem Lufteinlaß
11 vorhandene Umgebungsluft unter Druck gesetzt und die unter
Druck stehende Luft an einen Luftauslaß bzw. Diffusor 12
geliefert. Diese unter Druck stehende Luft wird einem
Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zugeführt.
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Das bewegliche ringförmige Wandglied 4 steht mit einem
Dichtungsring 13 in Kontakt und umfaßt eine radial innenliegende
röhrenförmige Wand 14, einen sich radial erstreckenden
ringförmigen Abschnitt 15, der Schlitze bildet, durch die sich
die Schaufeln 6 erstrecken, einen radial außenliegenden
röhrenförmigen Abschnitt 16, der an dem Dichtungsring 13 anliegt,
und einen sich radial erstreckenden Flansch 17. Der radial
außenliegende röhrenförmige Abschnitt 16 wird von zwei diametral
gegenüberliegenden Gliedern 18 in Eingriff genommen, die sich auf
jeweiligen Führungsbolzen 19 abstützen.
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Die Düsenstütze 7 ist an einer Reihe von vier Führungsbolzen 20
derart gehaltert, daß er parallel zur Drehachse des Turboladers
beweglich ist. Jeder der Führungsbolzen 20 ist mittels einer
Druckfeder 21 gemäß den Fig. 2 bis 4 nach rechts vorgespannt.
Damit sind die an ihr gehalterten Düsenstütze 7 und Schaufeln
gemäß den Fig. 2 bis 4 nach rechts vorgespannt und nehmen
entsprechend normalerweise die in Fig. 2 dargestellte Stellung
ein, wobei die freien Enden der Schaufeln 6 an der Vorderwand 5
des Einlaßdurchgangs anliegen.
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Ein pneumatisch betriebenes Betätigungsorgan 22 kann zur
Steuerung der Stellung einer Abtriebswelle 23 betrieben werden,
die mit einem jeden der Führungsbolzen 19 in Eingriff nehmenden
Bügelglied 24 verbunden ist. Durch Steuerung des
Betätigungsorgans 22 kann daher die Axialstellung der
Führungsbolzen 19 und damit die des beweglichen ringförmigen
Wandglieds 4 gesteuert werden. Fig. 2 zeigt das bewegliche
ringförmige Wandglied in seiner völlig geschlossenen Stellung,
bei der der sich radial erstreckende Abschnitt 15 des Glieds an
die Vorderwand 5 des Einlaßdurchgangs anstößt. Fig. 3 zeigt das
ringförmige Wandglied 4 in einer halboffenen Stellung, und Fig.
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4 zeigt das ringförmige Wandglied 4 in einer völlig geöffneten
Stellung. Da das Betätigungsorgan 22 mit einem beträchtlichen
Abstand zur Turbinenachse angeordnet ist, besteht kein
Platzproblem. Ferner ist die genaue Radialstellung der
Betätigungsorgan-Welle 23 nicht von entscheidender Bedeutung, was
eine Erhöhung von Toleranzen ermöglicht. Eine Radialentspannung
aufgrund thermischer Verwindung ist ebenfalls kein entscheidendes
Problem.
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Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen. Eine gestrichelte Linie
25 deutet eine gedachte Fläche an, die mit der Endfläche des
Turbinengehäuses auf der stromabwärts vom beweglichen Glied 4
befindlichen Seite koplanar ist und neben der das Turbinenrad 8
angeordnet ist. Diese Fläche bildet effektiv eine Seite des
Einlaßdurchgangs zur Turbinenkammer. Wenn die von dem beweglichen
ringförmigen Wandglied 4 gebildete Wand des Einlaßdurchgangs der
gedachten Fläche 25 entsprechend ausgerichtet ist, dann wird für
die Zwecke der vorliegenden Beschreibung angenommen, daß der
Abstand zwischen dem ringförmigen Wandglied 4 und der Vorderwand
5 der Einlaßweite des Einlaßdurchgangs stromabwärts von den
Schaufeln 6 entspricht. Auf diesen Zustand wird im folgenden als
100% der nominellen Einlaßweite Bezug genommen. Wenn sich das
bewegliche ringförmige Wandglied 4 in der "100% der nominellen
Einlaßweite"-Stellung befindet, stehen die Schaufeln 7 immer noch
in Kontakt mit der Vorderwand 5. Wenn sich das ringförmige
Wandglied 4 weiter von der Vorderwand 5 wegbewegt, verringert
sich der Spalt zwischen der Rückfläche des ringförmigen
Wandglieds 4 und der Düsenstütze 7, bis die beiden miteinander
in Kontakt kommen. Dies geschieht dann, wenn der Abstand zwischen
dem ringförmigen Wandglied und der Vorderfläche 5 135% der
nominellen Einlaßweite des Einlaßdurchgangs entspricht. Das
Ergebnis einer weiteren Bewegung des ringförmigen Wandglieds 4
von der Vorderwand 5 weg ist ein Bewegen der Düsenstütze 7 mit
dem ringförmigen Wandglied 4. Die freien Enden der Schaufeln 6
werden entsprechend von der Vorderwand 5 weggezogen und es
entwickelt sich daher ein Spalt im Einlaßdurchgang zwischen den
freien Enden der Schaufeln und der Vorderwand. Damit wird die
Wirkungsfläche des Einlaßdurchgangs vergrößert. Wenn das
ringförmige Wandglied 4 völlig eingefahren ist (Fig. 4),
entspricht seine Stellung 165% der nominellen Weite des
Einlaßdurchgangs.
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Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen. Hier wird die Auswirkung
der Bewegungen des ringförmigen Wandglieds 4 und der
Düsenstütze 7 auf die Turbinenleistungsfähigkeit dargestellt. Das
Bezugszeichen 26 bezeichnet den Punkt auf der Kurve, der 100% der
nominellen Einlaßweite entspricht. Die Bezugszeichen 27 und 28
bezeichnen jeweils die Punkte auf der Kurve, die einer 135%igen
Öffnung und einer 165%igen Öffnung entsprechen. Es ist daher
ersichtlich, daß dadurch, daß das ringförmige Wandglied 4 sich
weit über die nominelle 100%-Stellung hinaus öffnen kann und
dadurch, daß zumindest die Düsenschaufeln teilweise einfahren
können, die Betriebsmerkmale der Turbine derart abgeändert werden
können, daß das Verhältnis der Betriebsmerkmale, die sich
innerhalb eines Hochleistungsbereichs der Leistungskurve
befinden, vergrößert wird. Im wesentlichen vergrößert bei einem
vorgegebenen Strömungsbereich (der einem festen Abstand parallel
zur Stromungsachse entspricht) die Fähigkeit einer Ausweitung der
Merkmalskurve bis zu Punkt 28 die durchschnittliche
Turbinenleistung, indem vermieden wird, daß die Turbine in dem
durch das linke Ende der Kurve in Fig. 5 angezeigten weniger
leistungsfähigen Bereich betrieben wird.
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Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen. Hier wird der
Wechseleingriff zwischen dem Bügel 24 und einem der
Führungsbolzen 19, auf dem das bewegliche ringförmige Wandglied
4 gehaltert ist, dargestellt. Die beiden Enden des Bügels 24
greifen in Schlitze ein, die aus Seitenflächen der Bolzen 19
ausgeschnitten sind. Die Kanten der Bügelenden, die an den Enden
des Schlitzes anliegen, sind derart gekrümmt, daß der Spielraum
zwischen jedem Bügelende und den Schlitzenden konstant ist. Der
Bügel 24 schwingt an Schwenkbolzen 19 derart, daß der Bügel 24
einen Hebel bildet, der zur genauen Positionierung der Bolzen 19
bewegt werden kann. Der Bügel 24 ist aus Blech gebildet, das so
ausgeführt ist, daß der Bügel in Richtung parallel zur Achse der
Bolzen 19 relativ steif, aber senkrecht zu den Bolzen relativ
elastisch ist. Damit werden auf die Bolzen 19 einwirkende
Querkräfte auf ein Minimum reduziert, was die Wahrscheinlichkeit
eines Verklemmens der Bolzen 19 in den Lagern, in denen sie
gleiten, verringert. Ferner sind, da der Bügel 24
Mittelabschnitte der Bolzen 19 in Eingriff nimmt, die Lager, in
denen die Bolzen 19 gehaltert sind, relativ weit voneinander
beabstandet.
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Fig. 7 stellt den Wechseleingriff zwischen den Führungsbolzen 19
und dem ringförmigen Wandglied 4 dar. Das Glied 4 ist großen
Temperatur- und Druckschwankungen ausgesetzt und kann daher bis
zu einem gewissen Grad verwunden werden. Wäre die Verbindung
zwischen dem Glied 4 und dem Bolzen 19 starr, dann wurde eine
derartige Verwindung beträchtliche Querkräfte auf die Bolzen 19
ausüben. Der Eingriff zwischen den Gliedern 4 und 19 ist daher
so, daß eine Verwindung des Glieds 4 berücksichtigt werden kann,
ohne daß Querkräfte auf den Bolzen ausgeübt werden.
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Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird dies durch ein starres Haltern
einer Brückenverbindungsplatte 18 am Ende jedes Bolzens 19
erzielt. Zwei Schenkel 30 der Brückenverbindung greifen in
Schlitze 31 ein, die in dem röhrenförmigen Abschnitt 16 des
Glieds 4 neben dem Flansch 17 gebildet sind. Daraus ergibt sich
eine Konstruktion, die in Richtung der Achse der Bolzen 19
ausreichend starr ist, um eine kontrollierte Steuerung der
Axialstellung des Glieds 4 zu gewährleisten, die in der Radial-
und Umfangsrichtung jedoch locker genug ist, um
temperaturbedingte Verwindungen des Glieds 4 zu berücksichtigen.
Das Glied 4 befindet sich effektiv an den Schaufeln 6 und es wird
daher trotz seiner relativ lockeren Halterung in Position
gehalten.
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Die Brückenverbindungen 18 können dicker sein als der Flansch 17,
um in der Axialrichtung eine steife Verbindung
aufrechtzuerhalten, und die Breite der Verbindungen 18 hält einen
guten Widerstand gegen ein Kippen des Glieds 4 in bezug auf die
Turbinenachse aufrecht.
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Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen. Hier wird die
Wechselbeziehung zwischen den Stützbolzen 20 mit Federvorspannung
und der Düsenstütze 7 dargestellt, auf der die Schaufeln 6
gehaltert sind. Am Ende jedes Bolzens 20 ist eine Klammer 32
starr gehaltert, die eine flache Oberfläche aufweist, die in die
Rückseite des Düsenstützrings 7 eingreift, sowie eine Innenkante,
die so geflanscht ist, daß sie in die radial gelegenen Innenkante
des Düsenstützrings 7 hineingreift.
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Die dargestellte Anordnung umfaßt eine einzelne ringförmige
Dichtung 13, die um die radial außenliegende Seite des
beweglichen Wandglieds 4 herum angeordnet ist. Es sind jedoch
auch alternative Dichtungsanordnungen möglich, wie zum Beispiel
ein Paar Dichtungen, die jeweils auf dem radial innen- und radial
außenliegenden Abschnitt des beweglichen Wandglieds 4 angeordnet
sind.
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Es ist ferner einsichtig, daß mehr als ein Betätigungsorgan zur
Steuerung der Stellung des Bügels 24 vorgesehen sein könnte. So
könnten zum Beispiel zwei Betätigungsorgane in einer
Schub/Zuganordnung vorgesehen sein. Eine derartige Anordnung könnte
zum Beispiel dann angemessen sein, wenn ein relativ großes
einzelnes Betätigungsorgan einen zu großen Teil des verfügbaren
Radialraums beanspruchen würde.