EP2147216A1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abgasturbolader

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EP2147216A1
EP2147216A1 EP08717167A EP08717167A EP2147216A1 EP 2147216 A1 EP2147216 A1 EP 2147216A1 EP 08717167 A EP08717167 A EP 08717167A EP 08717167 A EP08717167 A EP 08717167A EP 2147216 A1 EP2147216 A1 EP 2147216A1
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EP
European Patent Office
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blade
intermediate blade
main
turbocharger
turbine
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EP08717167A
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Andre Kaufmann
Tobias Dettmann
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes

Definitions

  • An exhaust gas turbocharger or turbocharger for short is a charging system for an internal combustion engine, by means of which the cylinders of the internal combustion engine are subjected to an increased charge pressure.
  • a turbocharger consists of an exhaust gas turbine in the exhaust gas flow (Abstrompfad), which is connected via a common shaft with a compressor in the intake (Anstrompfad).
  • the turbine is set in rotation by the exhaust gas flow of the engine and thus drives the compressor.
  • the compressor increases the pressure in the intake tract of the engine, so that by this compression during the intake stroke, a larger amount of air into the cylinders of the internal combustion engine succeeded than in a conventional naturally aspirated engine. This provides more oxygen for combustion.
  • a disadvantage of the previous embodiments of the intermediate blades is that it comes in the blade channel leading to the main blade compared to the blade channel to trailing main blade at different speed profiles. This increases the efficiency losses within the turbine.
  • Turbocharger for or in a motor vehicle having an impeller provided with an intermediate blade located between two main blades, in which the intermediate schaufei at least partially has a relation to the main blades different angle course.
  • the idea on which the present invention is based is to provide a device in the flow path or discharge path of an internal combustion engine with which an incoming gas stream can be conducted as evenly as possible through a compressor or turbine-side impeller.
  • An advantage of the device according to the invention is that by means of an angular position of the intermediate blade deviating from the main blade, the flow ducts on the front side or on the rear side of the intermediate blade can be designed such that the efficiency loss is reduced. Furthermore, the noise development of the turbocharger is reduced and he increased use of the turbocharger.
  • the angle profile of the intermediate blade is designed such that the cross section of the flow channel at the rear side of the intermediate blade is substantially equal to the cross section of the flow channel at the front side of the intermediate blade.
  • the length of the circular arc section from the intermediate blade to the trailing main blade is less than the length of the circular arc section to the leading main blade.
  • the lengths of the circular arc sections from the front side and the rear side of the intermediate blade to the trailing and leading main blade are essentially the same at the end of the intermediate blade at the rotational axis side.
  • the impeller of the exhaust gas turbocharger is formed as a turbine wheel (108) or compressor wheel (104).
  • FIG. 1 shows an elevation of a turbocharger with an inventive impeller.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a compressor-side blade arrangement
  • 3 is a schematic plan view of the course of the meridian coordinate
  • Fig. 4 is a schematic representation of the axial angle of
  • Fig.l shows an elevation of a turbocharger 102 with a turbine 118 and a compressor 116.
  • a turbine according to the invention 108 is rotatably mounted and connected to one end of a shaft 110.
  • a compressor wheel 104 according to the invention is also rotatably mounted and connected to the other end of the shaft 110.
  • the compressor wheel 104 has a main vane 203 and an intermediate vane 204, the vane surface of which is reset relative to the main vane.
  • hot exhaust gas is introduced into the turbine 118 by an internal combustion engine, not shown here, whereby the turbine wheel 118 is set in rotation.
  • the door- Binenrad 108 has a main vane 120 and an intermediate vane 102.
  • the outlet side vane edge of the intermediate vane 102 is recessed from the outlet side edge of the main vane.
  • the exhaust gas flow leaves the turbine 118 through a turbine outlet 114.
  • the turbine 118 drives the compressor 116.
  • the intake air is compressed in the flow path.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a blade arrangement according to the invention, for example a compressor wheel with a clockwise direction, comprising a trailing main vane 202, an intermediate vane 204 and a leading main vane 203.
  • the vanes are on a portion of an axis of rotation at an angle ⁇ arranged, wherein the payment direction of the angle ⁇ is opposite to the direction of rotation.
  • the length of the circular arc portion 206 from the intermediate blade 204 to the trailing main blade 202 is smaller than the length of the circular arc portion 207 between the intermediate blade 204 to the leading main blade 203.
  • An advantage of the arrangement according to the invention is that the differences in the lengths of the circular arc sections the surfaces are reduced perpendicular to the Stromungs leadership between the leading and trailing main blade. Furthermore, the differences in the velocity profiles in the blade channel at the front and back sides of the intermediate blade are reduced and the efficiency is increased.
  • FIG. 3 schematically shows the difference in the course of the meridian coordinate m of the intermediate blade 204 and the main blade 202.
  • FIG. 4 shows a schematic plot of the axial angle ⁇ as a function of the meridial coordinate m 'normalized to the rotational axis distance r.
  • the position of an intermediate blade according to the prior art is represented by the dashed line 210.
  • An advantage of the device according to the invention is that due to the special design, i. the different angular arrangement of the intermediate blades in both the axial and in the radial direction in comparison to the Hauptschau- fei the cross sections of the flow ducts along the front and rear sides of the intermediate blades reliably align. In addition to increasing the efficiency and the smoothness of the turbocharger is improved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit einer zwischen zwei Hauptschaufeln liegender Zwischenschaufel. Die Zwischenschaufel weist wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln unterschiedlichen Winkelverlauf auf.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader
Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl des Motors ansteigt und die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken und damit eine Leis- tungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung eines Abgasturboladers (ATL) . Ein Abgasturbolader oder kurz Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladedruck beaufschlagt werden.
Der detaillierte Aufbau und die Funktionsweise ist allgemein bekannt und beispielsweise beschrieben in der Druckschrift: "Aufladung von PKW DI Ottomotoren mit Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie", Sep. 2006, Peter Schmalzl und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom (Abstrompfad) , die über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (Anstrompfad) verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, sodass durch diese Verdichtung wahrend des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelang als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfugung. Durch den ansteigenden Mitteldruck des Motors wird das Drehmoment und die Leistungsabgabe merklich erhöht. Das Zufuhren einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem einlass- seitigen Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Da die Energie für die Aufladung von der Turbine den schnell stromenden, sehr heißen Abgasen entnommen wird, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
An die ATLs werden hohe Anforderungen gestellt. Dies sind vor allem die hohen Abgastemperaturen von bis über 10000C und den je nach Drehzahlbereich völlig unterschiedlichen Gasmengen und die dadurch bedingten hohen maximalen Drehzahlen bis zu 300.000 Umdrehungen je Minute. Um den Einsatzbereich des Tur- boladers und das Ansprechverhalten zu verbessern werden zwischen den Hauptschaufeln eines Verdichters sogenannte Zwischenschaufeln (Splitter Baldes) angeordnet. Diese weisen einen mit den Hauptschaufeln identischen Winkelverlauf auf, sind aber gegenüber diesen zurückgesetzt, d.h. die Große der Flache der Zwischenschaufel ist gegenüber der Große der Flache der Hauptschaufel verringert. Durch den Einsatz von Zwischenschaufeln lasst sich die Stromfuhrung in den Schaufelka- nalen insbesondere bei kleinen Durchmessern verbessern und der Druckgradient von Schaufelrucken zur Schaufelvorderseite verringern. Eine beispielhafte Ausfuhrungsform eines Laufrades mit Zwischenschaufeln findet sich auf Seite 59 in der Druckschrift: "Stromungsmaschinen" Herbert Siegloch, 3 Auflage, 2006.
Nachteilig an den der bisherigen Ausfuhrungsformen der Zwischenschaufeln ist, dass es im Schaufelkanal zur voraneilenden Hauptschaufel im Vergleich zum Schaufelkanal zur nacheilenden Hauptschaufel zu unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofilen kommt. Damit erhohen sich die Wirkungsgradverluste innerhalb der Turbine.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu verringern.
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelost.
Demgemäß ist vorgesehen:
- Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit einer zwischen zwei Hauptschaufeln liegender Zwischenschaufel bereitzustellen bei dem die Zwischen- schaufei wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln unterschiedlichen Winkelverlauf aufweist.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee be- steht darin, im Anstrompfad oder Abstrompfad einer Brennkraftmaschine, eine Vorrichtung bereitzustellen mit der ein ankommende Gasstrom möglichst gleichmaßig durch ein verdich- ter- bzw. turbinenseitiges Laufrad zu leiten. Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist es, mittels einer von der Hauptschaufel abweichenden Winkelstellung der Zwischenschaufel die Stromungskanale an der Vorderseite bzw. an der Ruckseite der Zwischenschaufel so ausgestaltet werden können, dass der Wirkungsgradverlust verringert wird. Ferner wird die Gerauschentwicklung des Turboladers vermindert und er Einsatzbereich des Turboladers erhöht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen.
In einer typischen Ausgestaltung des Turboladers ist der Winkelverlauf der Zwischenschaufel derart ausgebildet ist, dass der Querschnitt des Stromungskanals an der Ruckseite der Zwischenschaufel dem Querschnitt des Stromungskanals an der Vor- derseite der Zwischenschaufel im Wesentlichen gleich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei einem vorgegeben Abstand von der Drehachse die Lange des Kreisbogenabschnitts von der Zwischenschaufel zur nacheilenden Hauptschaufel ge- ringer, als die Lange des Kreisbogenabschnitts zur vorauseilenden Hauptschaufel.
In einer alternativen Ausgestaltung sind am drehachsenseiti- gen Ende der Zwischenschaufel die Langen der Kreisbogenab- schnitte von der Vorderseite und der Ruckseite der Zwischenschaufel zur nacheilenden und vorauseilenden Hauptschaufel im Wesentlichen gleich. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Laufrad des Abgasturboladers als Turbinenrad (108) oder Verdichterrad (104) ausgebildet .
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 einen Aufriss eines Turboladers mit einem erfindungs- gemäßen Laufrad;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine verdichterseiti- gen Schaufelanordnung;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Verlauf der Meridiankoordinate;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des axialen Winkels der
Schaufeln als Funktion einer normierten Meridialkoordi- nate.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Großen - sofern nichts Abweichendes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig.l zeigt einen Aufriss eines Turboladers 102 mit einer Turbine 118 und einem Verdichter 116. Innerhalb eines Turbinengehauses 106 der Turbine 118 ist ein erfindungsgemaßes Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb des Verdichtergehauses 100 des Verdichters 116 ist ein erfindungsgemaßes Verdichterrad 104 ebenfalls drehbar gelagert und mit dem anderen Ende der Welle 110 verbunden. Das Verdichterrad 104 weist eine Hauptschaufel 203 und eine Zwischenschaufel 204, deren Schaufelflache ge- genuber der Hauptschaufel zurückgesetzt ist. Über einen Tur- bineneinlass 112 wird heißes Abgas von einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor in die Turbine 118 eingelassen, wodurch das Turbinerad 118 in Drehung versetzt wird. Das Tur- binenrad 108 weist eine Hauptschaufel 120 und eine Zwischenschaufel 102 auf. Die auslassseitige Schaufelkante der Zwischenschaufel 102 ist gegenüber der auslassseitigen Kante der Hauptschaufel zurückgesetzt. Der Abgasstrom verlasst die Tur- bine 118 durch einen Turbinenauslass 114. Über die Welle 110, die das Turbinerad 108 an das Verdichterrad 104 koppelt, treibt die Turbine 118 den Verdichter 116. Mittels des Verdichterrades 104 wird im Anstrompfad die angesaugte Luft verdichtet .
Fig. 2. zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfin- dungsgemaße Schaufelanordnung beispielsweise eines Verdichterrades mit einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn, aufweisend eine nacheilende Hauptschaufel 202, eine Zwischenschaufel 204 und eine voreilende Hauptschaufel 203. Die Schaufeln sind auf einem Abschnitt einer Drehachse mit einem Winkel θ angeordnet, wobei die Zahlrichtung des Winkels θ entgegen der Drehrichtung ist. Erfindungsgemaß ist die Lange des Kreisbogenabschnitts 206 von der Zwischenschaufel 204 zur nacheilenden Hauptschaufel 202 kleiner als die Lange des Kreisbogenabschnitts 207 zwischen der Zwischenschaufel 204 zur voreilenden Hauptschaufel 203. Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Anordnung ist es, dass durch die Unterschiede in den Langen der Kreisbogenabschnitte die Unterschiede der Flachen senkrecht zur Stromungs fuhrung zwischen der voreilenden und nacheilenden Hauptschaufel verringert werden. Des Weiteren werden die Unterschiede in den Geschwindigkeitsprofilen im Schaufelkanal an der Vorder- und Ruckseite der Zwischenschaufel verkleinert und der Wirkungsgrad erhöht.
Fig. 3 zeigt schematisch den Unterschied im Verlauf der Meri- dialkoordinate m der Zwischenschaufel 204 und der Hauptschaufel 202.
Demgemäß ist die Krümmung der Hauptschaufel 202 in axialer
Richtung bei einem gegebenen Achsabstand unterschiedlich und vorzugsweise großer als die Krümmung der Zwischenschaufel 204. Ein Vorteil der unterschiedlichen Krümmung ist es, dass es möglich wird, in Zusammenschau mit den unterschiedlichen Langen in den Kreisbogenabschnitten, die Unterschiede in den Querschnittesflachen der Schaufelkanale an der Vorder- und Ruckseite einer Zwischenschaufel wirkungsvoll zu minimieren.
Fig. 4 zeigt eine schematische Auftragung des axialen Winkels θ in Abhängigkeit der auf den Drehachsabstand r normierten Meridialkoordinate m' . Die Lage einer Zwischenschaufel gemäß dem Stand der Technik wird durch die gestrichelte Linie 210 wiedergegeben.
Eine Zwischenschaufel mit geändertem Winkelverlauf ist mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Damit lasst sich das Verhältnis der Stromungsquerschnitte zwischen vorhergehender und nachfolgend Hauptschaufel einstellen.
Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist es, dass sich durch die besondere Ausbildung d.h. der unterschiedlichen Winkelanordnung der Zwischenschaufeln sowohl in axialer als auch in radialer Richtung im Vergleich zu den Hauptschau- fei die Querschnitte der Stromungskanale entlang der Vorder- und Ruckseite der Zwischenschaufeln zuverlässig angleichen lassen. Neben der Erhöhung des Wirkungsgrades wird auch die Laufruhe des Turboladers verbessert.

Claims

Patentansprüche
1. Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit einer zwischen zwei Hauptschaufeln (202) lie- gender Zwischenschaufel (204) , dadurch gekennzeichnet , das s die Zwischenschaufel (204) wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln (202) unterschiedlichen Winkelverlauf aufweist .
2. Turbolader nach Anspruch 1, da du r ch ge ke n n z e i chn e t , da s s der Winkelverlauf der Zwischenschaufel (204) derart ausgebildet ist, das der Querschnitt des Stromungskanals an der Ruck- seite der Zwischenschaufel (204) dem Querschnitt des Stromungskanals an der Vorderseite der Zwischenschaufel (204) im Wesentlichen gleich ist.
3. Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da du r ch ge ken n z e i chn e t , da s s bei einem vorgegeben Abstand von der Drehachse die Lange des Kreisbogenabschnitts (206) von der Zwischenschaufel (204) zur nacheilenden Hauptschaufel (202) geringer ist, als die Lange des Kreisbogenabschnitts (207) zur vorauseilenden Hauptschau- fei (202) .
4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da du r ch ge ken n z e i chn e t , da s s am drehachsenseitigen Ende der Zwischenschaufel (204) die Langen der Kreisbogenabschnitte (206, 207) von der Vorderseite und der Ruckseite der Zwischenschaufel (204) zur nacheilenden und vorauseilenden Hauptschaufel (202) im Wesentlichen gleich sind.
5. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , das s das Laufrad als Turbinenrad (108) oder Verdichterrad (104) ausgebildet ist.
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