EP2147216B1

EP2147216B1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: EP2147216B1
Application number: EP08717167.4A
Authority: EP
Inventors: Andre Kaufmann; Tobias Dettmann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: EP2147216A1; WO2008125384A1; DE102007017822A1; US20100254816A1; US8512000B2

Description

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 Leistungssteigerung 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 (Abströmpfad), die über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (Anströmpfad) 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 während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelang als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung. Durch den ansteigenden Mitteldruck des Motors wird das Drehmoment und die Leistungsabgabe merklich erhöht. Das Zuführen einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem einlassseitigen Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Da die Energie für die Aufladung von der Turbine den schnell strömenden, sehr heißen Abgasen entnommen wird, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
An die Abgasturbolader werden hohe Anforderungen gestellt. Dies sind vor allem die hohen Abgastemperaturen von bis über 1000°C 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 Turboladers und das Ansprechverhalten zu verbessern werden zwischen den Hauptschaufeln eines Verdichters sogenannte Zwischenschaufeln (Splitter Blades) angeordnet. Diese weisen einen mit den Hauptschaufeln identischen Winkelverlauf auf, sind aber gegenüber diesen zurückgesetzt, d.h. die Größe der Fläche der Zwischenschaufel ist gegenüber der Größe der Fläche der Hauptschaufel verringert. Durch den Einsatz von Zwischenschaufeln lässt sich die Stromführung in den Schaufelkanälen insbesondere bei kleinen Durchmessern verbessern und der Druckgradient von Schaufelrücken zur Schaufelvorderseite verringern. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Laufrades mit Zwischenschaufeln findet sich auf Seite 59 in der Druckschrift: "Strömungsmaschinen" Herbert Siegloch, 3 Auflage, 2006.
Weitere Ausführungen von so oder ähnlich gestalteten Schaufelrädern mit Zwischenschaufeln sind beispielsweise auch aus den Dokumenten US 6,508,626 B1 , DE 345 616 C , GB 941 343 A und DE 174 855 C bekannt.
Nachteilig an den der bisherigen Ausführungsformen der Zwischenschaufeln ist, dass es im Schaufelkanal zur voraneilenden Hauptschaufel im Vergleich zum Schaufelkanal zur nacheilenden Hauptschaufel zu unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofilen kommt. Damit erhöhen sich die Wirkungsgradverluste innerhalb der Turbine.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

Einen Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug, aufweisend ein Laufrad mit jeweils einer zwischen zwei Hauptschaufeln liegender Zwischenschaufel, bereitzustellen, bei dem die Zwischenschaufel wenigstens teilweise einen gegenüber den Hauptschaufeln unterschiedlichen Winkelverlauf aufweist. Dabei ist der Winkelverlauf der Zwischenschaufel derart ausgebildet, dass der Querschnitt des Strömungskanals an der Rückseite der Zwischenschaufel dem Querschnitt des Strömungskanals an der Vorderseite der Zwischenschaufel im Wesentlichen gleich ist und dass bei einem vorgegeben Abstand von der Drehachse die Länge des Kreisbogenabschnitts von der Zwischenschaufel zur nacheilenden Hauptschaufel geringer ist, als die Länge des Kreisbogenabschnitts zur vorauseilenden Hauptschaufel.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, im Anströmpfad oder Abströmpfad einer Brennkraftmaschine, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der ein ankommender Gasstrom möglichst gleichmäßig durch ein verdichter- bzw. turbinenseitiges Laufrad geleitet wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, mittels einer von der Hauptschaufel abweichenden Winkelstellung der Zwischenschaufel die Strömungskanäle an der Vorderseite bzw. an der Rückseite der Zwischenschaufel so ausgestaltet werden können, dass der Wirkungsgradverlust verringert wird. Ferner wird die Geräuschentwicklung des Turboladers vermindert und er Einsatzbereich des Turboladers erhöht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen.
In einer Ausgestaltung sind am drehachsenseitigen Ende der Zwischenschaufel die Längen der Kreisbogenabschnitte von der Vorderseite und der Rückseite 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 Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1: einen Aufriss eines Turboladers mit einem erfindungsgemäßen Laufrad;
Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf eine verdichterseitigen 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 Meridiankoordinate.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Größen - sofern nichts Abweichendes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig.1 zeigt einen Aufriss eines Turboladers 102 mit einer Turbine 118 und einem Verdichter 116. Innerhalb eines Turbinengehäuses 106 der Turbine 118 ist ein erfindungsgemäßes Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb des Verdichtergehäuses 100 des Verdichters 116 ist ein erfindungsgemäßes 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 Schaufelfläche gegenüber der Hauptschaufel zurückgesetzt ist, auf. Über einen Turbineneinlass 112 wird heißes Abgas von einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor in die Turbine 118 eingelassen, wodurch das Turbinenrad 118 in Drehung versetzt wird.
Das Turbinenrad 108 weist Hauptschaufeln 120 und Zwischenschaufeln 102 auf. Die auslassseitigen Schaufelkanten der Zwischenschaufeln 102 sind gegenüber der auslassseitigen Kante der Hauptschaufeln zurückgesetzt. Der Abgasstrom verlässt die Turbine 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 an. Mittels des Verdichterrades 104 wird im Anströmpfad die angesaugte Luft verdichtet.
Fig. 2. zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße 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 Zählrichtung des Winkels θ entgegen der Drehrichtung ist. Erfindungsgemäß ist die Länge des Kreisbogenabschnitts 206 von der Zwischenschaufel 204 zur nacheilenden Hauptschaufel 202 kleiner als die Länge des Kreisbogenabschnitts 207 zwischen der Zwischenschaufel 204 zur voreilenden Hauptschaufel 203. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, dass durch die Unterschiede in den Längen der Kreisbogenabschnitte die Unterschiede der Flächen senkrecht zur Strömungsführung zwischen der voreilenden und nacheilenden Hauptschaufel verringert werden. Des Weiteren werden die Unterschiede in den Geschwindigkeitsprofilen im Schaufelkanal an der Vorder- und Rückseite der Zwischenschaufel verkleinert und der Wirkungsgrad erhöht.
Fig. 3 zeigt schematisch den Unterschied im Verlauf der Meridiankoordinate 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 größer als die Krümmung der Zwischenschaufel 204. Ein Vorteil der unterschiedlichen Krümmung ist es, dass es möglich wird, in Zusammenschau mit den unterschiedlichen Längen in den Kreisbogenabschnitten, die Unterschiede in den Querschnittesflächen der Schaufelkanäle an der Vorder- und Rückseite einer Zwischenschaufel wirkungsvoll zu minimieren.
Fig. 4 zeigt eine schematische Auftragung des axialen Winkels θ in Abhängigkeit der auf den Drehachsabstand r normierten Meridiankoordinate 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 lässt sich das Verhältnis der Strömungsquerschnitte zwischen vorhergehender und nachfolgend Hauptschaufel einstellen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen 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 Hauptschaufel die Querschnitte der Strömungskanäle entlang der Vorder-und Rückseite der Zwischenschaufeln zuverlässig angleichen lassen. Neben der Erhöhung des Wirkungsgrades wird auch die Laufruhe des Turboladers verbessert.

Claims

Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit jeweils einer zwischen zwei Hauptschaufeln (202) liegender Zwischenschaufel (204), wobei die Zwischenschaufel (204) wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln (202) unterschiedlichen Winkelverlauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelverlauf der Zwischenschaufel (204) derart ausgebildet ist, dass der Querschnitt des Strömungskanals an der Rückseite der Zwischenschaufel (204) dem Querschnitt des Strömungskanals an der Vorderseite der Zwischenschaufel (204) im Wesentlichen gleich ist und dass
bei einem vorgegeben Abstand von der Drehachse die Länge des Kreisbogenabschnitts (206) von der Zwischenschaufel (204) zur nacheilenden Hauptschaufel (202) geringer ist, als die Länge des Kreisbogenabschnitts (207) zur vorauseilenden Hauptschaufel (202).
Turbolader nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
am drehachsenseitigen Ende der Zwischenschaufel (204) die Längen der Kreisbogenabschnitte (206, 207) von der Vorderseite und der Rückseite der Zwischenschaufel (204) zur nacheilenden und vorauseilenden Hauptschaufel (202) im Wesentlichen gleich sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad als Turbinenrad (108) oder Verdichterrad (104) ausgebildet ist.