DE102017007636A1 - Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) angeordneten und um eine Drehachse (14) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Turbinenrad (20) und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse (12) gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten (30, 40), mittels welchen das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) zuführbar ist. Eine erste Flut (30) der wenigstens zwei Fluten (30, 40) weist zumindest an einem Zuführbereich (16), an welchem das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) mittels der ersten Flut (30) an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) des Turbinenrades (20) zuführbar ist, einen kleineren Strömungsquerschnitt (32) auf, als eine zweite Flut (40) der wenigstens zwei Fluten (30, 40), mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad (20) an einem Schaufelfußeintrittsbereich (24) des Turbinenrades (20) zuführbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
• Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturboladersysteme (Aufladesysteme) in zweistufiger Konfiguration verwenden meist handelsübliche bzw. vorhandene Komponenten aus einstufigen Systemen. Dadurch kann zwar der Aufwand beim Aufbau solcher Systeme gering gehalten werden, gleichzeitig sind jedoch diese Komponenten nicht optimal an gegebene Betriebsbedingungen im zweistufigen Betrieb angepasst. So sind vor allem Druckverhältnisse von Turbinen und Verdichtern im zweistufigen Betrieb deutlich niedriger als in vergleichbaren, einstufigen Aufladesystemen.
• Aus der DE 10 2015 016 591 A1 ist eine zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Bauweise bekannt. Hierbei ist einem Turbinenrad mittels zweier Fluten Abgas entlang einer jeweiligen, schräg zu einer axialen Richtung sowie schräg zu einer radialen Richtung des Turbinenrades verlaufenen Zuführrichtung zuführbar. Das Turbinenrad weist einen mittleren Schaufeleintrittswinkel zwischen 70° und 140° auf.
• Die DE 100 48 237 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit einer, mit variabler Turbinengeometrie ausgestatteten Abgasturbine und einem Verdichter, wobei die Abgasturbine zweiflutig mit zwei separaten Einströmkanälen mit jeweils einem Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad ausgebildet ist und die beiden Einströmkanäle druckdicht gegeneinander abgeschirmt sind. Ein Strömungseintrittsquerschnitt eines Einströmkanals zum Turbinenrad ist über die variable Turbinengeometrie veränderlich einstellbar. Der Einströmkanal weist einen eigenen Zuströmanschluss zur separaten Zuführung von Abgas auf.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbaxialturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch eine Halbaxialturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
• Die Erfindung geht aus von einer Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse angeordneten und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbaren Turbinenrad und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten, mittels welchen das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad zuführbar ist.
• Die Halbaxialturbine zeichnet sich dadurch aus, dass das die Fluten durchströmende Abgas während eines Betriebs der Turbine entlang einer jeweiligen, schräg zur axialen Richtung des Turbinenrades und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrades verlaufenden Zuführrichtung aus den Fluten ausströmt und das Turbinenrad entlang der jeweiligen Zuführrichtung anströmt. Das Abgas wird dem Turbinenrad dabei nicht etwa streng in radialer Richtung oder streng in axialer Richtung zugeführt. Stattdessen wird das Abgas mittels beider Fluten schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung, das heißt halbaxial (aus halbaxialer Richtung) dem Turbinenrad zugeführt.
• Um eine Halbaxialturbine derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Flut der wenigstens zwei Fluten zumindest an einem Zuführbereich, an welchem das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad mittels der ersten Flut an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zuführbar ist einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist, als eine zweite Flut der wenigstens zwei Fluten, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad an einem Schaufelfußeintrittsbereich des Turbinenrades zuführbar ist. Mit anderen Worten weist die erste Flut einen ersten Strömungsquerschnitt auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Strömungsquerschnitt der zweiten Flut. Durch den kleineren Strömungsquerschnitt kann den jeweiligen Schaufeln des Turbinenrades das Abgas an dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelspitzen der Schaufeln) mit einer größeren Zuströmgeschwindigkeit zugeführt werden, als an dem Schaufelfußeintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelfüßen der Schaufeln).
• Aufgrund der verschiedenen Strömungsquerschnitte der jeweiligen Fluten ist die Halbaxialturbine insgesamt als zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Bauweise ausgebildet.
• Der Schaufelspitzeneintrittsbereich entspricht dabei dem Eintrittsbereich des Abgases an jeweiligen Schaufelkanten jeweiliger Schaufeln des Turbinenrades an der Schaufelspitze der jeweiligen Schaufeln. Der Schaufelfußeintrittsbereich entspricht dem Eintrittsbereich des Abgases an den jeweiligen Schaufelkanten des Turbinenrades am Schaufelfuß der jeweiligen Schaufeln.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Betrieb der Halbaxialturbine eine Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß (Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit) kleiner ist als eine Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelspitze (Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit). Ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad ergibt sich dadurch, dass auch eine Umfangskomponente einer Zuströmgeschwindigkeit des Abgases an der Schaufelspitze größer ist, als am Schaufelfuß, um eine jeweilige Relativströmung des Abgases schaufelkongruent an dem Zuführbereich in das Turbinenrad einzuleiten. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die erste Flut den kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als die zweite Flut und dementsprechend auch das über die erste Flut an dem Schaufelspitzeneintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas eine höhere Zuströmgeschwindigkeit aufweist, als das über die zweite Flut an dem Schaufelfußeintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Turbinengehäuse eine Trennwand auf, welche die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich derart voneinander trennt, dass die Trennwand ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut zu dem Schaufelfußeintrittsbereich sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich unterbindet. Dieses von Vorteil, da mittels der Trennwand somit eine besonders gezielte Ausrichtung des Abgases bei dessen Eintritt in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.
• In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert.
• Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders strömungsgünstige Einleitung des Abgases in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.
• Unter dem Begriff „im Wesentlichen parallel“ ist dabei zu verstehen, dass jeweilige Mittelachsen der beiden Fluten an dem Zuführbereich einen spitzen Winkel miteinander einschließen, welcher vorzugsweise kleiner als 10° und besonders bevorzugt kleiner als 5° ist.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigen:
• 1 einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbolader, wobei ein turbinenseitiger Gehäuseabschnitt des Abgasturboladers zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten aufweist;
• 2 eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Halbaxialturbine, welche ein Turbinenrad aufweist;
• 3 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelfußeintrittsbereich des Turbinenrades zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks; und
• 4 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks.
• In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei an einem turbinenseitigen Gehäuseabschnitt des Turboladers ein Turbinenrad 90 drehbar gelagert ist und zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten 92, 94 vorgesehen sind. Die Flut 92 ist dabei als sogenannte λ-Flut ausgestaltet, wohingegen die Flut 94 als AGR-Flut ausgebildet ist. Eine Einströmrichtung 96 von Abgas der Verbrennungskraftmaschine zur Turbine und damit zum Turbinenrad 90 ist durch einen Pfeil dargestellt. Des Weiteren sind in 1 eine Leitung 98 zu einer Abgasrückführung der Verbrennungskraftmaschine sowie eine Leitung 100 zu jeweiligen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine verdeutlicht. Die Leitungen 98, 100 sind mit den jeweiligen Fluten 92, 94 fluidisch verbunden.
• 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Halbaxialturbine 10 für einen Abgasturbolader.
• Die Halbaxialturbine 10 umfasst ein in 2 ausschnittsweise dargestelltes Turbinengehäuse 12, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse 12 angeordneten und über wenigstens ein Wälzlager 50 um eine Drehachse 14 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbaren Turbinenrad 20.
• Die Halbaxialturbine 10 umfasst des Weiteren zwei, durch das Turbinengehäuse 12 gebildete, zumindest teilweise voneinander getrennte und asymmetrisch zueinander ausgebildete sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten 30, 40, mittels welchen das die Fluten 30, 40 durchströmende Abgas dem Turbinenrad 20 zuführbar ist.
• Eine erste Flut 30 der zwei Fluten 30, 40 weist an einem Zuführbereich 16, an welchem das die Fluten 30, 40 durchströmende Abgas dem Turbinenrad 20 mittels der ersten Flut 30 an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 des Turbinenrades 20 zuführbar ist, einen kleineren ersten Strömungsquerschnitt 32 aufweist, als eine zweite Flut 40 der wenigstens zwei Fluten 30, 40, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad 20 an einem Schaufelfußeintrittsbereich 24 des Turbinenrades 20 zuführbar ist. Die zweite Flut 40 weist dabei einen zweiten Strömungsquerschnitt 42 auf. Mit anderen Worten ist der in 2 gestrichelt angedeutete, erste Strömungsquerschnitt 32 kleiner, als der in 2 ebenfalls gestrichelt angedeutete, zweite Strömungsquerschnitt 42.
• Der Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 stellt dabei einen Bereich dar, an welchem das Abgas auf jeweilige Schaufelspitzen 26 des Turbinenrades 20 trifft, wohingegen der Schaufelfußeintrittsbereich 24 eine Bereich darstellt, an welchem das Abgas auf jeweilige Schaufelfüße des Turbinenrades 20 trifft, sobald das Abgas über die jeweiligen Fluten 30, 40 durch den Zuführbereich 16 tritt.
• Das Turbinengehäuse 12 weist eine Trennwand 18 auf, welche die zwei Fluten 30, 40 an dem Zuführbereich 16 derart voneinander trennt, dass die Trennwand 18 ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut 30 zu dem Schaufelfußeintrittsbereich 24 sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut 40 zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 unterbindet.
• Die zwei Fluten 30, 40 sind an dem Zuführbereich 16 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Um dies zu ermöglichen läuft die Trennwand 18 spitzwinklig in Richtung des Zuführbereichs 16 zu.
• Durch die asymmetrisch zueinander ausgebildeten Fluten 30, 40 ist ein guter Ladungswechsel bei einer Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitig funktionierender Hochdruck-Abgasrückführung möglich.
• Durch die Halbaxialturbine 10 kann eine besonders günstige Schaufelanströmung der jeweiligen Schaufeln des Turbinenrads 20 mit Abgas erreicht werden. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turbinensystemen, welche unterschiedliche Anströmverhältnisse von Fluten aufweisen, kann über die Fluten 30, 40 eine Fehlanströmung der jeweiligen Schaufeln des Turbinenrads 20 vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden.
• Bei aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen mit zwei Abgasfluten sind jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Turbinenradeintritt über der Schaufelhöhe der jeweiligen Radialturbinen-Schaufeln konstant. Ist die Anströmgeschwindigkeit (Umfangskomponente) beider Abgasfluten nicht gleich, so kommt es zu Abweichungen der Umfangskomponente in der Anströmung zur Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenradeintritts.
• Die Halbaxialturbine 10 bietet Vorteile in der Auslegung auf niedrigere Druckverhältnisse im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen. Daher ist die Halbaxialturbine 10 besonders für den Einsatz in zweistufigen Aufladesystemen sinnvoll. Durch die spezielle Anordnung der Fluten 30, 40, also dadurch, dass das Abgas mittels der ersten Flut 30 gezielt dem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 und über die zweite Flut 40 gezielt dem Schaufelfußeintrittsbereich 24 des Turbinenrades 20 zuführbar ist, ergibt sich eine besonders günstige Anströmung des Turbinenrades 20, welches auch als Laufrad der Halbaxialturbine 10 bezeichnet werden kann. Dadurch kann gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turbinensystemen ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden.
• Jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Schaufelfuß 28 sowie an der Schaufelspitze 26 sind beim Betrieb der Halbaxialturbine 10 unterschiedlich. Die Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß 28 kann auch als Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeiten u_root bezeichnet werden, welche in einem, in 3 dargestellten, auf den Schaufelfuß 28 bezogenen Geschwindigkeitsdreieck aufgetragen ist. Weitere Seiten des Geschwindigkeitsdreiecks in 3 sind durch eine Schaufelfuß-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,root sowie durch eine Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit c_1,root gegeben. Durch das Einströmen des Abgases an dem Zuführbereich 16 unter der Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit c_1,root (Hypotenuse des Geschwindigkeitsdreiecks in 3) ergeben sich die Schaufelfuß-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,root sowie die Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeiten u_root (als jeweilige Katheten) an dem Schaufelfuß 28.
• 4 zeigt ein, auf die Schaufelspitze 26 bezogenes Geschwindigkeitsdreieck, wobei die Umfangsgeschwindigkeiten an der Schaufelspitze 26 als Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit u_tip angegeben ist. Weitere Seiten des Geschwindigkeitsdreiecks in 4 sind durch eine Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,tip sowie durch eine Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit c_1,tip gegeben. Durch das Einströmen des Abgases an dem Zuführbereich 16 unter der Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit c_1,tip (Hypotenuse des Geschwindigkeitsdreiecks in 4) ergeben sich die Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,tip sowie die Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit u_tip an der Schaufelspitze 26.
• Die Umfangsgeschwindigkeiten u_tip , u_root an der Schaufelspitze 26 bzw. am Schaufelfuß 28 sind bei der Halbaxialturbine 10 unterschiedlich, wie aus der Zusammenschau von 3 und 4 erkennbar ist.
• Dabei gilt grundsätzlich: u_tip > u_root
• Generell gelten folgende Zusammenhänge: $$u=r*\omega =r*2\pi n$$

  

  $$u_{tip}=r_{tip}*\omega =r_{tip}*2\pi n$$

  

  $$u_{root}=r_{root}*\omega =r_{root}*2\pi$$

  
• Bei den vorstehenden Zusammenhängen werden die Drehzahl n und die Winkelgeschwindigkeit ω des Turbinenrads 20, der Schaufelspitzenradius r_tip (Abstand zwischen Schaufelspitze 26 und Drehachse 14) und der Schaufelfußradius r_root (Abstand zwischen Schaufelfuß 28 und Drehachse 14) herangezogen.
• Da die Umfangsgeschwindigkeiten u_tip , u_root unterschiedlich sind, sollte auch die Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit u_tip der Zuströmgeschwindigkeit c_1,tip an der Schaufelspitze 26 größer sein als am Schaufelfuß 28, um die Relativströmung entsprechend der Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,tip schaufelkongruent in das Turbinenrad 20 einzuleiten. Für die Halbaxialturbine 10 (asymmetrische Turbine) mit den unterschiedlichen Fluten 30, 40 (Einzelfluten) bietet dies den Vorteil, dass die engere Flut 30 (mit dem ersten Strömungsquerschnitt 32) eine höhere Zuströmgeschwindigkeit des Abgases bewirkt als die im Vergleich dazu weitere Flut 40 (mit dem zweiten Strömungsquerschnitt 42). Aus diesem Grund ist die erste (engere) Flut 30 an der Schaufelspitze 26 angeordnet.
• Ein in 2 angegebener Winkel α sowie eine Höhe h einer, dem Turbinenrad 20 bzw. den einzelnen Schaufeln des Turbinenrads 20 zugeordneten, einhüllenden Schaufelgeometrie bestimmen, wie stark unterschiedlich die Umfangsgeschwindigkeiten u_tip , u_root am Eintritt in das Turbinenrad 20, also am Zuführbereich 16 sind. Es ergibt sich: $$\begin{array}{l}{u}_{tip}=r_{root}+h*\text{tan}\left(\alpha \right)\\ bzw.u_{tip}=u_{root}*\frac{r_{root}+h*\text{tan}\left(\alpha \right)}{r_{root}}\end{array}$$

  
• Je nach Anschrägung (Winkel α) und Schaufelhöhe (Höhe h) kann der Unterschied der jeweiligen Geschwindigkeiten u_tip , u_root sinnvoll eingestellt werden, um das passende Turbinenrad 20 zum passenden Zuströmprofil der beiden Fluten 30, 40 vorzugeben.
• Aus der Zusammenschau von 3 und 4 ist erkennbar, dass die jeweiligen Geschwindigkeitsdreiecke von Schaufelfuß 28 und Schaufelspitze 26 ebenfalls unterschiedlich gebildet sind, da die jeweiligen Zuströmgeschwindigkeiten c_1,tip , c_1,root sowie die jeweiligen Umfangsgeschwindigkeiten u_tip , u_root zwischen den beiden Fluten 30, 40 variieren. Idealerweise ist die relative Anströmung der einzelnen Schaufeln des Turbinenrads 20 möglichst kongruent zur Schaufelrichtung, um Wirkungsgradverluste durch Fehlanströmung und Wirbelbildung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Insgesamt kann die Asymmetrie der beiden Fluten 30, 40, welche auch als Gehäusefluten bezeichnet werden können, gewinnbringend eingesetzt werden. Was bei Radialturbinen einen Nachteil darstellt, ist vorteilhaft für die Halbaxialturbine 10.
• In 3 und 4 ist ein sogenannter Inzidenzwinkel, welcher vorliegend einem Wert von etwa 30° entspricht, vernachlässigt, da dieser grundsätzliche Zusammenhänge nicht beeinflusst.
• Die Relativkomponenten w_1,tip , w_1,root (Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,tip und Schaufelfuß-Relativgeschwindigkeitskomponente w_1,root ) sind in 3 für den Schaufelfuß 28 bzw. in 4 für die Schaufelspitze 26 senkrecht am Schaufeleintritt (Zuführbereich 16) dargestellt.
• Für einen Schaufelwinkel von 90° ergibt sich so eine optimale Zuströmung. Auch für Schaufelwinkel abweichend von 90° lässt sich eine optimale Zuströmung realisieren. Um einen möglichst hohen Turbinenwirkungsgrad zu erzielen, ist eine Abstimmung der Höhe h, des Winkels α sowie die richtige Dimensionierung der beiden Strömungsquerschnitte 32, 42 sinnvoll.
• Auch ein umgekehrter Auslegungsweg ist dabei denkbar: die Einzelfluten 30, 40 können aufgrund von Anforderungen an eine Abgasrückführung in entsprechendem Asymmetriegrad ausgeführt sein. In Abhängigkeit davon lässt sich das Turbinenrad 20 dahingehend designen, dass passende Parameter für eine gute Zuströmung erzielt werden können.
• Mit größer werdender Asymmetrie zwischen den jeweiligen Fluten 30, 40 können größere Wirkungsgradvorteile erzielt werden.
• Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung von Verdichtern als Halbaxialmaschinen generell deren maximales Druckverhältnis absenkt und die Möglichkeit zum wirkungsgradoptimalen Betrieb innerhalb deren Kennfelder im Vergleich zu einer üblichen Verdichterbauweise mit radialer Abströmung bietet. Die Halbaxialturbine 10, welche auch eine variable Turbinengeometrie aufweisen kann, mit den asymmetrischen Fluten 30, 40 ermöglicht eine Anpassung auf besonders gute Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen.
• Bei der Halbaxialturbine 10 wird die Erkenntnis genutzt, dass eine axiale Niederdruckturbine ideale Einbaubedingungen bietet. Ein Niederdruckturbolader kann dabei direkt in Verlängerung zu einem Hochdruckturbolader angeordnet sein, wobei sogar jeweilige, koaxiale Wellenanordnungen denkbar sind. Auch ein leichter Winkelversatz oder Lateralversatz jeweiliger Wellen des Niederdruckturboladers und des Hochdruckturboladers ist durch Anpassung eines Verbindungsstücks zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader möglich. Aufgrund eines geringen Zwischenvolumens zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader kann ein gutes, transientes Hochlaufverhalten erzielt werden. Aufgrund kleiner Oberflächen werden besonders geringe Wärmeverluste erzielt. Zudem ergibt sich ein Gewichtsvorteil und eine sehr kompakte Anordnung im engen Motorraum. Durch direkte Anbindung der axialen Niederdruckturbolader nach einer Abströmung der Hochdruckturbine ergeben sich sehr geringe Druckverluste. Zudem kann - im Gegensatz zu Radialturbinen - auf eine Strömungsumlenkung verzichtet werden.
• Bezugszeichenliste

10

Halbaxialturbine

12

Turbinengehäuse

14

Drehachse

16

Zuführbereich

18

Trennwand

20

Turbinenrad

22

Schaufelspitzeneintrittsbereich

24

Schaufelfußeintrittsbereich

26

Schaufelspitze

28

Schaufelfuß

30

erste Flut

32

erster Strömungsquerschnitt

40

zweite Flut

42

zweiter Strömungsquerschnitt

50

Wälzlager

90

Turbinenrad

92

λ-Flut

94

AGR-Flut

96

Einströmrichtung (zur Turbine)

98

Leitung zur Abgasrückführung

100

Leitung zu jeweiligen Zylindern

c_1,tip

Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit

c_1,root

Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit

r_tip

Schaufelspitzenradius

r_root

Schaufelfußradius

u_tip

Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit

u_root

Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit

w_1,tip

Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente

w_1,root

Schaufelfuß-Relativgeschwindigkeitskomponente

h

Höhe

α

Winkel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015016591 A1 [0003]
• DE 10048237 A1 [0004]

Claims (3)

1. Halbaxialturbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) angeordneten und um eine Drehachse (14) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Turbinenrad (20) und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse (12) gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten (30, 40), mittels welchen das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Flut (30) der wenigstens zwei Fluten (30, 40) zumindest an einem Zuführbereich (16), an welchem das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) mittels der ersten Flut (30) an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) des Turbinenrades (20) zuführbar ist, einen kleineren Strömungsquerschnitt (32) aufweist, als eine zweite Flut (40) der wenigstens zwei Fluten (30, 40), mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad (20) an einem Schaufelfußeintrittsbereich (24) des Turbinenrades (20) zuführbar ist.
2. Halbaxialturbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (12) eine Trennwand (18) aufweist, welche die wenigstens zwei Fluten (30, 40) an dem Zuführbereich (16) derart voneinander trennt, dass die Trennwand (18) ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut (30) zu dem Schaufelfußeintrittsbereich (24) sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut (40) zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) unterbindet.
3. Halbaxialturbine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Fluten (30, 40) an dem Zuführbereich (16) zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.

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