DE102011120555A1

DE102011120555A1 - Leitgitter für eine Turbine eines Abgasturboladers sowie Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102011120555A1
Application number: DE201110120555
Authority: DE
Inventors: Carsten Van Lil; Dipl.-Ing. Fledersbacher Peter; Manfred Guthörle; Dipl.-Ing. Hirth Torsten; Dipl.-Ing. Andreas (BA) Müller; Dipl.-Ing. Timo (FH) Schulz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leitgitter (1) für eine Turbine (10) eines Abgasturboladers, mit einer Mehrzahl von in einem Leitbereich (30) des Leitgitters (1) angeordneten Leitelementen (18), mittels welchen in dem Leitbereich (30) die Turbine (10) durchströmendes Abgas ableitbar ist, wobei in dem Leitbereich (30) bezogen auf die axiale Richtung des Leitgitters (1) ein erster Längenbereich (a) und wenigstens ein sich daran anschließender zweiter Längenbereich (b) vorgesehen sind, in welchen die Leitelemente (18) jeweils hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet sind, sowie eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader mit einem solchen Leitgitter (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitgitter für eine Turbine eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Turbine für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Aus dem Serienbau von Verbrennungskraftmaschinen ist es bekannt, Abgasturbolader zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen zu verwenden. Die Abgasturbolader umfassen jeweils eine Turbine und einen Verdichter. Die Turbine ist von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Über die Turbine kann der Verdichter angetrieben werden, um somit der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten. Dadurch kann im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie genutzt werden, so dass sich der Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen gering halten lassen.
Zur Realisierung besonders geringer Kraftstoffverbräuche und damit geringer CO₂-Emissionen werden die Verbrennungskraftmaschinen nach dem so genannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet. Hierbei weisen die Verbrennungskraftmaschinen ein sehr geringes Motorhubvolumen auf, können jedoch aufgrund der Verdichtung der Luft relativ hohe spezifische Drehmomente und Leistungen bereitstellen. Wegen der hohen spezifischen Leistungen wachsen Anforderungen an die Abgasturbolader und insbesondere an deren Turbinen. Eine nicht unerhebliche Herausforderung ist dabei die Realisierung eines guten Instationärverhaltens der Turbinen, so dass die Verbrennungskraftmaschinen ein gutes Fahrverhalten aufweist.
Bei Ottomotoren wie auch bei Dieselmotoren werden dabei Turbinen mit variablen Turbinengeometrien eingesetzt, um die Turbinen an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassen zu können. Im Vergleich zu einem Dieselmotor muss eine variable Turbine bei einem Ottomotor prinzipbedingt jedoch eine besonders große Durchsatzspreizung aufweisen. Insbesondere zur Darstellung eines akzeptablen Instationärverhaltens, beispielsweise bei einer Fahrzeugbeschleunigung, ist es von Vorteil, insbesondere im Turbinenbetriebsbereich kleiner Durchsatzkennwerte, d. h. bei relativ geringen Strömungsqueerschnitten der Turbine, möglichst hohe Turbinenwirkungsgrade zu erzielen.
Die EP 1 301 689 B1 offenbart eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads sowie eine von Abgas durchströmbare Flut auf.
Die Turbine umfasst ferner ein in axialer Richtung verschiebbares Leitgitter, mittels welchem das aus der Flut zu dem Turbinenrad strömende Abgas entsprechend geleitet werden kann. Diese Turbine weist einen nur uneffizienten Betrieb auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leitgitter für eine Turbine eines Abgasturboladers bereitzustellen, welches einen besonders effizienten Betrieb der Turbine ermöglicht. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche einen besonders effizienten Betrieb aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Leitgitter für eine Turbine eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Leitgitter für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einer Mehrzahl von in einem Leitbereich des Leitgitters angeordneten Leitelementen. Mittels der Leitelemente ist die Turbine durchströmendes Abgas im Leitbereich des Leitgitters ableitbar.
Erfindungsgemäß sind in dem Leitbereich bezogen auf die axiale Richtung des Leitgitters bzw. der Turbine ein erster Längenbereich und wenigstens ein sich in axialer Richtung daran anschließender zweiter Längenbereich vorgesehen, in welchen die Leitelemente jeweils hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet sind. Bei den Leitelementen handelt es sich beispielsweise um jeweilige Profile aufweisende Leitschaufeln. Mit anderen Worten weist bei dem erfindungsgemäßen Leitgitter jedes Leitelement für sich betrachtet im ersten Längenbereich andere aerodynamische Eigenschaften auf als im zweiten Längenbereich. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Anströmung des Turbinenrads von dem Abgas mittels des erfindungsgemäßen Leitgitters realisierbar, was zu einem effizienten Betrieb der Turbine führt. Daraus resultiert ein nur geringer Kraftstoffverbrauch sowie geringe CO₂-Emissionen einer der erfindungsgemäßen Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine.
Insbesondere ist es mittels des erfindungsgemäßen Leitgitters möglich, eine vorteilhafte Drallerzeugung zu realisieren und somit für einen günstigen Eintrittsdrall am Eintritt des Turbinenrads zu sorgen.
Vorzugsweise sind die Längenbereiche mittels eines Trennelements des Leitgitters in axialer Richtung voneinander fluidisch getrennt. Daraus resultiert eine besonders vorteilhafte Anströmung des Turbinenrads. Das Trennelement kann dabei separat von den Leitelementen oder einstückig mit diesen ausgebildet sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Leitelemente über das Trennelement miteinander verbunden und auf jeweiligen, dem Trennelement abgewandten Stirnseiten der Leitelemente in Umfangsrichtung des Leitgitters voneinander separat ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Leitgitter auf den von dem Trennelement abgewandten Stirnseiten der Leitelemente, d. h. – bezogen auf einen in einem Turbinengehäuse der Turbine verbauten Zustand des Leitgitters – offen ausgebildet ist. Dadurch ist eins besonders kostengünstige Herstellung des insbesondere einstückigen Leitgitters möglich. Insbesondere kann das Leitgitter als Gussbauteil mittels eines Gussverfahrens, insbesondere eines Feingussverfahrens, eines Metallpulver-Spritzguss-Verfahrens (MIM) oder dergleichen wirtschaftlich hergestellt werden und bietet, unter gegebenen Randbedingungen, den Freiheitsgrad, die Leitelemente in beiden Längenbereichen bedarfsgerecht auszugestalten und hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften entsprechend auszubilden.
Dabei können beispielsweise unterschiedliche Leitelementkonturen, insbesondere Leitschaufelkonturen, ausgebildet werden. Ebenso ist es möglich, dass sich eine erste Anzahl an im ersten Längenbereich angeordneten ersten Leitelementteilen der Leitelemente von einer zweiten Anzahl an im zweiten Längenbereich angeordneten zweiten Leitelementteilen der Leitelemente unterscheidet. Mit anderen Worten sind im ersten Längenbereich mehr oder weniger Leitelementteile zum Leiten des Abgases vorgesehen als im zweiten Längenbereich.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Leitelemente in wenigstens einem der Längenbereiche, insbesondere im zweiten Längenbereich, als dreidimensionale Beschaufelung (3D-Beschaufelung) ausgebildet sind. Dadurch sind besonders vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften realisierbar insbesondere hinsichtlich einer vortelihaften Anpassung von Abströmwinkeln aus dem Leitgitter hin zum Eintritt eines im Turbinengehäuse angeordneten Turbinenrads der Turbine.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads und wenigstes eine von Abgas durchströmbare Flut aufweist. Von der Flut ist das Abgas über einen mit der Flut fluidisch verbundenen Zuführkanal in den Aufnahmeraum leitbar.
Erfindungsgemäß ist in dem Turbinengehäuse ein relativ zum Turbinengehäuse festes, erfindungsgemäßes Leitgitter aufgenommen, dessen Leitelemente im Leitbereich in den Zuführkanal ragen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Somit ist mittels des erfindungsgemäßen Leitgitters eine besonders vorteilhafte Anströmung des Turbinenrads im Aufnahmeraum möglich, da mittels des erfindungsgemäßen Leitgitters insbesondere ein strömungsgünstiger Eintrittsdrall am Eintritt des Turbinenrads bzw. des Aufnahmeraums erzeugt werden kann.
Ist beispielsweise ein in axialer Richtung der Turbine relativ zum Turbinengehäuse verschiebbares Schieberelement vorgesehen, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt des Zuführkanals variabel einstellbar ist, so kann dadurch die erfindungsgemäße Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte und Betriebsbereiche einer ihr zugeordneten Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
Vorzugsweise ist mittels des Axialschiebers das Leitgitter bzw. dessen Leitelemente bezogen auf die radiale Richtung der Turbine lediglich auf einer Seite abdeckbar. Mit anderen Worten sind die Leitelemente des Leitgitters in Strömungsrichtung des Abgases von der Flut über den Zuführkanal zu dem Turbinenraum vorzugsweise lediglich stromauf der Leitelemente mittels des Schieberelements abdeckbar. Dadurch können Sekundärströmungsverluste vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden, da die Leitelemente nicht in eine Matrize des Schieberelements beim Verengen des Strömungsquerschnitts des Zuführkanals eintauchen, sondern lediglich auf der einen Seite abgedeckt werden bzw. abdeckbar sind.
Das Schieberelement ist dabei zwischen einer den Strömungsquerschnitt des Zuführkanals maximal verengenden Schließstellung und einer den Strömungsquerschnitt des Zuführkanals maximal freigebenden Offenstellung verschiebbar. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Schieberelement in der Schließstellung den zweiten Längenbereich fluidisch abdeckt und die Leitelemente in der Schließstellung lediglich im ersten Längenbereich freigegeben werden. In der Offenstellung ist dabei der erste Längenbereich freigegeben. Auch ist in der Offenstellung der zweite Längenbereich zumindest teilweise freigegeben.
Dies bedeutet, dass das Abgas in der Schließstellung des Schieberelements die Leitelemente lediglich im ersten Längenbereich umströmen kann, während das Abgas in der Offenstellung die Leitelemente im ersten Längenbereich sowie wenigstens teilweise im zweiten Längenbereich umströmen kann.
Durch die unterschiedlichen aerodynamischen Eigenschaften der Leitelemente in den beiden Längenbereichen ist es dabei möglich, bei der Bewegung des Schieberelements aus der Schließstellung in die Offenstellung einen unerwünschten Einbruch der Drallerzeugung und einen damit einhergehenden unerwünschten Einbruch der von der Turbine bereitgestellten Turbinenleistung zu vermeiden oder in sehr geringen Grenzen zu halten. Dies kommt dem effizienten Betrieb und dem Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine zugute.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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 dienen die 1a bis 6b zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung.
Die Zeichnung zeigt in:
1a eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens;
1b ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß 1a;
2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß den 1a–b;
3 eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 2;
4 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Drallerzeugung und der Bewegung eines axial beweglichen Schieberelements der Turbine gemäß 2;
5a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 2;
6a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Turbine gemäß den 5a–b;
7a eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 1a;
7b ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 7a;
7c eine schematische Perspektivansicht eines Leitgitters der Turbine gemäß den 7a–b;
8a–b jeweils eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines Leitgitters gemäß 7c;
8c ausschnittsweise eine schematische Draufsicht eines Leitgitters gemäß den 8a–b;
9 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen einem Abstand von Leitschaufeln des Leitgitters gemäß den 8a–c und einer Breite einer Düse einer Turbine gemäß den 7a–c, über welche Abgas von einer Flut der Turbine in einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads überströmt;
10 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß den 7a–c;
11 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht eines Leitgitters gemäß 7c;
12 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 7a;
13 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 12;
14 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 12;
15 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß 14 entlang der in der 14 gezeigten Schnittlinie X-X;
16 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 14;
17 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht der Turbine gemäß 16 entlang der in der 16 gezeigten Schnittlinie X2-X2;
18 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Turbine gemäß 7a;
19 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters der Turbine gemäß 18
20 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Leitgitters gemäß 19;
21 eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß 20;
22 eine schematische Perspektivansicht eines Trennelements für das Leitgitter gemäß den 20 und 21;
23 eine schematische Draufsicht des Trennelements gemäß 22;
24a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Leitgitters gemäß 21;
24b eine weitere schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß 24a;
24c eine schematische Längsschnittansicht des Leitgitters gemäß den 24a–b;
25a eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 7a;
25b ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 25a;
26a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Leitgitters gemäß 24a;
26b eine schematische Perspektivansicht des Leitgitters gemäß 26a;
27 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 7a mit dem Leitgitter gemäß den 26a–b;
28a eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Leitgitters gemäß 26a;
28b eine schematische Perspektivansicht eines Zentrierelements zur Zentrierung des Leitgitters gemäß 28;
29 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 7a mit dem Zentrierelement gemäß 28b und dem Leitgitter gemäß 28a;
30 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Leitgitters gemäß 28a;
31 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Zentrierelements gemäß 28b;
32 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 7a mit dem Leitgitter gemäß 30 und dem Zentrierelement gemäß 31; und
33 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 32, wobei das Zentrierelement als Hitzeschild ausgebildet ist.
Die 1a zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum 14 aufweist. In dem Aufnahmeraum 14 ist ein Turbinenrad 9 der Turbine 10 um eine Drehachse 16 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen. Die Turbine 10 umfasst ein auf einer Lagergehäuseseite der Turbine 10 angeordnetes Leitgitter 1, welches eine Mehrzahl von Leitschaufeln 18 umfasst.
Das Turbinengehäuse 12 weist ferner einen Zuströmkanal 4 auf, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Der Zuströmkanal 4 wird auch als Volute bezeichnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads 9 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig. Mit dem Zuströmkanal 4 ist ein als Zuführkanal 5 bezeichneter Strömungskanal fluidisch verbunden. Über den Zuführkanal 5 wird das den Zuströmkanal 4 durchströmende Abgas zu dem Aufnahmeraum 14 und dem Turbinenrad 9 geleitet. Der Zuführkanal 5 kann auch als Düse bezeichnet werden. Durch einen effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5, d. h. durch dessen Düsenbreite b, wird das Aufstauverhalten der Turbine 10 bestimmt.
Dabei ist der effektive Querschnitt des Zuführkanals 5 bei der Turbine 10 variabel einstellbar. Dazu umfasst die Turbine 10 einen Axialschieber 2 mit einer Matrize 3, in welche die Leitschaufeln 18 eintauchen können.
Der Axialschieber 2 kann in axialer Richtung der Turbine 10 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 verschoben werden und ist zwischen einer den effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5 maximal verengenden Schließstellung (erster Endanschlag) und einer den effektiven Querschnitt des Zuführkanals 5 maximal freigebenden Offenstellung (zweiter Endanschlag) verschiebbar. Zum Verschieben des Axialschiebers 2 und um somit das Aufstauverhalten der Turbine 10 zu variieren, ist eine Verstellmechanik 6 vorgesehen, die in einem Verstellraum 7 aufgenommen ist.
Um die Verstellbarkeit des Axialschiebers 2 während des Betriebs der Turbine 10 zu gewährleisten, ist zwischen dem Leitgitter 1 bzw. den Leitschaufeln 18 und der Matrize 3 umlaufend ein Funktionsspalt 8 vorgesehen. Der umlaufende Funktionsspalt 8 kann jedoch zu Sekundärströmungsverlusten am Leitgitter 1 führen, d. h. ein Teil des Abgasmassenstroms strömt nicht – wie gewünscht – durch das Leitgitter 1 bzw. über die Leitschaufeln 18 gerichtet auf das Turbinenrad 9, sondern strömt über den umlaufenden Funktionsspalt 8 ungerichtet auf das Turbinenrad 9. Diese Fehlanströmung führt zwangsläufig zu unerwünscht geringen Turbinenwirkungsgraden, besonders in Betriebsbereichen kleiner Turbinendurchsatzkennwerte, wie sie bei geschlossenem Axialschieber 2 vorkommen.
Das Leitgitter 1 mit den Leitschaufeln 18 ist dabei ein so genannter Drallerzeuger, der insbesondere mittels der Leitschaufeln 18 einen Eintrittsdrall am Eintritt des Turbinenrads 9 erzeugt. Dadurch wird das Turbinenrad 9 besonders effizient angeströmt. Strömt das Abgas nun am Leitgitter 1 vorbei und erfährt nicht die Drallerzeugung, so beeinflusst dies den effizienten Betrieb der Turbine 10 negativ.
Grundsätzlich stellt eine Leiteinrichtung umfassend das Leitgitter 1 und die Matrize 3 hohe Anforderungen an die Fertigungstechnik, um die hohen Betriebstemperaturen insbesondere bei einem Ottomotor sicher beherrschen zu können und gleichzeitig Verluste in Form der Sekundärströmungsverluste in geringen Grenzen zu halten.
Daher ist es wünschenswert, zum Einstellen des Querschnitts des Zuführkanals 5 nicht eine das Leitgitter 1 in radialer Richtung der Turbine 10 beidseitig abdeckende Matrize 3 sondern ein Abdeckelement zu verwenden, das das Leitgitter 1 lediglich auf einer Seite, vorzugsweise in Strömungsrichtung des Abgases zu dem Turbinenrad 9 stromauf der Leitschaufeln 18, abdecken kann. Dadurch ist kein Funktionsspalt 8 vonnöten und Sekundärströmungsverluste können vermieden oder zumindest gering gehalten werden.
Die 2 zeigt eine solche Turbine 10, bei welcher der Axialschieber 2 vorgesehen ist. Die Turbine 10 umfasst jedoch kein Leitgitter 1 mit Leitschaufeln 18. Der Axialschieber 2 ist somit unbeschaufelt. In der 2 ist die Düsenbreite b des Zuführkanals 5 zu erkennen. Ferner ist der 2 ein Halsquerschnitt A_S der Volute 4 zu entnehmen.
Wie in Zusammenschau mit dem in der 3 gezeigten Geschwindigkeitsdreieck erkennbar ist, liegt bei der Turbine 10 gemäß 2 das Problem vor, dass eine starke Abhängigkeit des Eintrittsdralls zum Turbinenrad 9 von der Düsenbreite b besteht, die aufgrund der in der Euler'schen Maschinengleichung beschriebenen Zusammenhänge zu einem starken Einbruch der Turbinenleistung respektive der Turbinenwirkungsgrade bei geringen Werten für die Düsenbreite b führt.
In Zusammenhang mit der spezifischen Arbeit nach Euler: a_u = u₁·c_1u – u₂·c_2u und:
ergibt sich, dass die Volute 4 entsprechend ihrer Geometriemerkmale Halsquerschnitt A_S, Flächenschwerpunktsradius R_S sowie in Zusammenhang mit der Düsenbreite b einen Drall erzeugt bzw. der Strömung des Abgases die Umfangskomponente c_1u aufprägt.
Dies ist insbesondere anhand der 4 erkennbar. Die 4 zeigt ein erstes Diagramm 20, auf dessen erster Abszisse 22 die Düsenbreite b in Richtung eines ersten Richtungspfeils 24 ansteigend aufgetragen ist. Auf der ersten Ordinate 26 des ersten Diagramms 20 ist der Winkel α₁ gemäß einem zweiten Richtungspfeil 28 ansteigend aufgetragen. Ist der Axialschieber 1 gemäß 2 geschlossen, so ist die Düsenbreite b gering. Der Winkel α₁ ist groß, woraus eine geringe Umfangskomponente c_1u resultiert. Daraus resultieren ohne das Leitgitter 1 geringe Turbinenleistungen bzw. geringe Turbinenwirkungsgrade.
Ist der Axialschieber 2 im Gegensatz dazu weiter geöffnet, so ist die Düsenbreite b groß. Der Winkel α₁ ist klein, woraus eine große Umfangskomponente c_1u resultiert. Dies bedeutet, dass die Volute 4 das Abgas entsprechend umlenkt und keine weitere Ab- bzw. Umlenkung des Abgases durch das Leitgitter 1 nötig ist.
Mit anderen Worten ist bei geringen Öffnungsweiten des Axialschiebers 2 ein Ab- bzw. Umlenken der Strömung des Abgases mittels des Leitgitters 1 zweckmäßig. Bei demgegenüber großen Öffnungsweiten ist dagegen die Drallerzeugung alleine über die dem Leitgitter 1 vorgeschaltete Volute 4 zu bewerkstelligen.
Zur Verdeutlichung dieser Zuordnung zwischen Düsenbreite b und Drallerzeugung ist in 5a–b der Verstellbereich bzw. die Extrempositionen des Regelschiebers für die Standardausführung der Turbine dargestellt.
Aufgrund des oben geschilderten Zusammenhangs ist eine Ausführung denkbar, bei der nur in der Extremposition „geschlossener Regelschieber” die Drallerzeugung vollständig über das Leitgitter bewerkstelligt wird, bei Abheben des Regelschiebers von der stirnseitigen Anlage am Leitgitter der Drall hingegen über die Volute erzeugt wird.
Problematisch ist hierbei jedoch das Verhalten der Turbine 10 nach Abheben des Axialschiebers von der Schließstellung, d. h. zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach Bewegen des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung in die Offenstellung. Der Eintrittsdrall und damit die Turbinenleistung brechen zusammen, da bei einer dann vorliegenden Öffnungsweite des Axialschiebers 2 eine noch zu geringe Düsenbreite b für eine Erzeugung einer erwünschten und ausreichenden Umfangskomponente c_1u noch nicht ausreicht.
Anhand der 6a–b ist dies veranschaulicht. Die Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1 ragen dabei nur bereichsweise in den Zuführkanal 5 hinein. In der Schließstellung des Axialschiebers 2 strömt das Abgas ausschließlich über die Leitschaufeln 18. Ist der Axialschieber 2 aus der Schließstellung bewegt und befindet sich in wenigstens einer Offenstellung, in welcher die Düsenbreite b gegenüber der Schließstellung erweitert ist, so ist ein unbeschaufelter Bereich des Zuführkanals 5 freigegeben, so dass das Abgas sowohl über die Leitschaufeln 18 gerichtet als auch ungerichtet bzw. lediglich unter Drallerzeugung durch die Volute 4 das Turbinenrad 9 anströmen kann.
Die 7a–c zeigen Möglichkeiten, das geschilderte Einbrechen des Eintrittsdralls und der Turbinenleistungen zu vermeiden oder zumindest sehr gering zu halten.
Wie insbesondere der 7b zu entnehmen ist, umfasst die Turbine 10 das relativ zum Turbinengehäuse 12 feste Leitgitter 1 mit den Leitschaufeln 18. Die Leitschaufeln 18 ragen in einem Leitbereich 30 in den Zuführkanal 5 hinein und dienen zum Um- bzw. Ablenken des Abgases, d. h. zur Drallerzeugung.
Die Leitschaufeln 18 weisen nun bezogen auf die axiale Richtung der Turbine 10 ausgehend von der Lagergehäuseseite der Turbine 10 einen ersten Längenbereich a und einen sich daran anschließenden zweiten Längenbereich d auf, welche sich in axialer Richtung erstrecken und in axialer Richtung aneinander anschließen. Die Leitschaufeln 18 sind dabei hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften in dem ersten Längenbereich a anders ausgebildet als in dem zweiten Längenbereich d. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Leitschaufeln 18 hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften in den Längenbereichen a, d jeweils.
Die Längenbereiche a, d sind insbesondere hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung derart ausgestaltet, dass sich ein für die der Turbine 10 zugeordnete Verbrennungskraftmaschine erforderlicher Minimalwert des Durchsatzparameters der Turbine 10 einstellt, wenn sich der Axialschieber 2 in seiner in der 7b gezeigten Schließstellung und somit an einem axialen Anschlag c der Leitschaufeln 18 anliegt. In dieser Schließstellung strömt das Abgas aus der Volute 4 lediglich in dem Längenbereich a zum Turbinenrad 9. Dies bedeutet, dass im Schließzustand des Axialschiebers 2 der Eintrittsdrall zum Turbinenrad 9 ausschließlich über den Längenbereich a aufgebracht wird, wobei sich zumindest im Wesentlichen ideale Verhältnisse ohne Sekundärströmungsverluste ergeben.
Dem Längenbereich d kommt dabei die Funktion zu, den Eintrittsdrall beim Abheben des Axialschiebers 2 vom Anschlag c, d. h. beim Bewegen des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung in eine auch den Längenbereich d zumindest bereichsweise freigebende Offenstellung, weiter aufrecht zu erhalten und somit den zuvor geschilderten Wirkungs- und Leistungseinbruch gering zu halten oder ganz zu vermeiden.
Wie der 7c zu entnehmen ist, unterscheiden sich die Leitschaufeln 18 in den Längenbereichen a, d insbesondere hinsichtlich ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung. Mit anderen Worten sind die Leitschaufeln 18 im zweiten Längenbereich d bezogen auf die Umfangsrichtung kürzer als im ersten Längenbereich a.
Wie den 8a–9 zu entnehmen ist, sind in den Längenbereichen a, d der Leitschaufeln 18 unterschiedliche minimale Leitschaufelabstände s_min dargestellt. Ein erster minimaler Leitschaufelabstand s_{min_a} im ersten Längenbereich a ist kleiner als ein zweiter minimaler Leitschaufelabstand s_{min_d} im zweiten Längenbereich d. Der effektive Querschnitt des Leitgitters 1 ergibt sich dabei aus den Geometrieparametern der Düsenbreite b in Abhängigkeit von dem Verfahrweg des Axialschiebers 2 sowie dem minimalen Leitschaufelabstand s_min. Zur Realisierung einer günstigen Turbinencharakteristik über dem gesamten Verfahrweg des Axialschiebers 2 – frei von deutlichen Wirkungsgradeinbrüchen – ist es vorteilhaft, den Übergang zwischen den Längenbereichen a, d möglichst harmonisch zu gestalten, d. h. eine sprunghafte bzw. stufenförmige Änderung beispielsweise ausgehend vom ersten Längenbereich a hin zum zweiten Längenbereich d und somit des minimalen Leitschaufelabstands s_min ist vorteilhafterweise zu vermeiden.
Wie der 8b zu entnehmen ist, ist dabei vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Übergangsbereich 32, über den die Längenbereiche a, d miteinander verbunden sind, einen Radius R aufweist und entsprechend zumindest im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet ist.
Die 9 zeigt dabei in einem zweiten Diagramm 34 einen qualitativen Verlauf des minimalen Leitschaufelabstands s_min, welcher über der Düsenbreite b aufgetragen ist. Ein durch einen ersten Verlauf 36 charakterisierter stufenförmiger Übergang zwischen den Längenbereichen a, d führt zu einem sprunghaften Anstieg des Leitschaufelabstands s_min. Durch Anbringung des Radius R an den Leitschaufeln 18 kann ein harmonischer Verlauf des minimalen Leitschaufelabstands s_min zwischen den Längenbereichen a, d erzielt werden. Dabei kennzeichnet ein dritter Richtungspfeil 38 die Vergrößerung des Radius R und eine damit einhergehende Veränderung des ersten Verlaufs 36 hin zu weiteren Verläufen 40. Umgekehrt dazu kennzeichnet ein vierter Richtungspfeil 42 die sukzessive Verkleinerung des Radius R und damit das Verhalten der weiteren Verläufe 40 hin zum ersten Verlauf 36.
Gemäß 10 weist der Axialschieber 2 eine Stirnseite 44 mit einem weiteren Radius R2 auf. Somit ist auch die Stirnseite 44 des Axialschiebers 2 zumindest im Wesentlichen bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet. Vorteilhafterweise ist dabei der Radius R gleich dem weiteren Radius R2. Befindet sich der Axialschieber 2 in seiner Schließstellung am Anschlag c, wobei die Turbine 10 geschlossen ist, dann liegen die Radien R, R2 zumindest im Wesentlichen deckungsgleich übereinander.
Anhand der 11–13 ist die vorteilhafte Ausgestaltung der axialen Erstreckung, d. h. der Länge des zweiten Längenbereichs d, veranschaulicht. Der zweite Längenbereich d weist vorteilhafterweise eine solche Länge auf, dass sich im Zusammenhang mit dem verwendeten Verhältnis A_S/R_S der Volute 4 und der aus der Motoranwendung vorgegebenen axialen Erstreckung (Länge) des ersten Längenbereichs a für die Schließstellung eine Voluten-Düsenbreite b_Volute, d. h. am Übergang des Austritts der Volute 4 zum Leitgitter 1, ergibt, die zu einem vorgebbaren Höchstwert des Winkels α₁, welcher der Abströmwinkel ist, aus der Volute 4 führt. Mit anderen Worten ist die Voluten-Düsenbreite b_Volute so groß, dass der Winkel α₁ kleiner oder gleich 25°, d. h. maximal 25°, beträgt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn, wie anhand der 12 dargestellt ist, ein Innendurchmesser D_T einer Trennwand 46, mittels welcher die Volute 4 von dem Verstellraum fluidisch getrennt ist, größer oder gleich einem Eintrittsdurchmesser D_L des Leitgitters 1 ist. Daraus ergibt sich insbesondere eine minimale Erstreckung d_min des zweiten Längenbereichs d.
Wie der 13 zu entnehmen ist, kann die Länge des zweiten Längenbereichs d auch so gewählt werden, dass die gesamte Düsenbreite b bzw. Voluten-Düsenbreite b_Volute von Eintrittskanten der Leitschaufeln 18 überdeckt wird. In diesem Fall kann dann die Trennwand 46 in radialer Richtung auf einem relativ kleinen Innendurchmesser D_T enden, welcher kleiner ist als der Eintrittsdurchmesser D_L des Leitgitters. Durch diese Maßnahme wird es ermöglicht, dass jeweilige Stirnseiten der Leitschaufeln 18 im zweiten Längenbereich d an der Trennwand 46 plan anliegen bzw. zumindest im Wesentlichen nahezu anliegen, bis auf einen weiteren Funktionsspalt e, wodurch Sekundärströmungsverluste im zweiten Längenbereich d vermieden bzw. sehr gering gehalten werden.
Hieraus ergibt sich insbesondere eine maximale axiale Erstreckung d_max des zweiten Längenbereichs d. Ein weiteres Geometriemerkmal des Leitgitters 1 mit den unterschiedlichen Längenbereichen a, d ist der Grad, mit welchem das Grundprofil der Leitschaufeln 18 auf der Erstreckung des zweiten Längenbereichs d noch zur Aufrechterhaltung des Dralls genutzt wird.
Dieser Grad ist der Kehrwert des Verhältnisses der in der 15 dargestellten, von dem im ersten Längenbereich a vollständig genutzten, d. h. von dem Abgas umströmten Profil umschlossenen ersten Fläche FA, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung verläuft, zur vom Profil im zweiten Längenbereich d umschlossenen zweiten Fläche FB welche der Axialschieber 2 im zweiten Längenbereich d abdeckt bzw. abdecken kann und welche in der 17 erkennbar ist. Der Kehrwert des Verhältnisses von FA zu FB ist somit FB/FA, wobei FB/FA vorteilhafterweise in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 75% liegt.
Die Turbine 10 gemäß 18 umfasst ein Trennelement f zur strömungsmäßigen Trennung der Längenbereiche a, d. Eine dem Axialschieber 2 zugewandte Fläche des Trennelements f dient dabei als Anschlag c für den Axialschieber 2 in seiner Schließstellung.
In verschiedenen Betriebspunkten bzw. Betriebsbereichen kann, unter anderem infolge von gasdynamischen Kräften, auf das Trennelement f eine Kraft in axialer Richtung wirken, welche in Richtung des Turbinenaustritts gerichtet ist. Dies ist insbesondere unmittelbar nach Abheben des Axialschiebers 2 aus der Schließstellung vom Anschlag c der Fall, d. h. das Trennelement ist vorteilhafterweise in seiner axialen Lage am Übergang der Längenbereiche a, d fixiert.
Dazu kann das Trennelement f beispielsweise durch ein Fügverfahren wie beispielsweise Schweißen am Leitgitter 1 und/oder an den einzelnen Leitschaufeln 18 befestigt sein.
Alternativ hierzu kann das Leitgitter 1, insbesondere die Leitschaufeln 18, eine per rotatorische Bearbeitung ausgebildete Nut 48 aufweisen, in welche das Trennelement f eingerastet und so in seiner axialen Lage fixiert ist. Das Trennelement f ist dabei separat von dem Leitgitter ausgebildet. Die Nut 48 ist dabei beispielsweise durch rotatorische Bearbeitung der Leitschaufeln 18 in diese eingebracht. Dies ist auch anhand der 20 bis 23 erkennbar.
Diese separate Ausgestaltung des Trennelements f vom Leitgitter 1 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn, wie es bei dem Leitgitter 1 der 20–23 der Fall ist, die Leitschaufeln 18 an einen gemeinsamen, die Leitschaufeln 18 verbindenden Ring angebunden, beispielsweise an diesen angegossen, sind. Dabei stehen die einzelnen Leitschaufeln 18 in Richtung des Turbinenaustritts der Turbine 10 frei. Dies bedeutet, dass die Leitschaufeln 18 auf jeweiligen, dem sie verbindenden Ring abgewandten und dem Turbinenaustritt zugewandten Stirnseiten nicht miteinander verbunden sind. Dadurch kann das Leitgitter 1 beispielsweise mittels eines Feingussverfahrens kostengünstig hergestellt werden. Die separate Ausbildung des Trennelements f, welches auch als Steg bezeichnet wird, und die anschließende Verbindung des Trennelements f mit dem Leitgitter 1 ist dieser kostengünstigen Herstellung zuträglich.
Die 20 bis 23 zeigen die umlaufende Nut 48 an den Leitschaufeln 18, die sich direkt am Übergang der beiden Längenbereiche a, d befindet. In am Trennelement f angebrachten Leitschaufelmatrizen zur Aufnahme der Leitschaufeln 18 befindet sich auch ein Einrastdurchmesser D_E, auf welchem das Trennelement f in der Nut 48 bei der Montage einrasten kann.
Wie anhand der 20 bis 23 erkennbar ist, ist eine erste Anzahl an ersten Leitschaufelteilen im ersten Längenbereich a gleich einer zweiten Anzahl an zweiten Leitschaufelteilen der Leitschaufeln 18 im zweiten Längenbereich d. Mit anderen Worten weisen beide Längenbereiche a, d die gleiche Anzahl an Leitschaufelteilen auf. Ferner ist ein Hinterkantenberührradius des zweiten Längenbereichs d größer als ein weiterer Hinterkantenberührradius des Längenbereichs a.
Die 24a–c zeigen eine Möglichkeit zur Darstellung weiterer Freiheitsgrade, um die Leitschaufeln 18 in den Längenbereichen a, d hinsichtlich ihrer jeweiligen aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich auszugestalten. Gemäß 24a–c ist das Trennelement f einstückig mit dem Leitgitter 1 ausgebildet. Dabei sind das Trennelement f und das Leitgitter 1 beispielsweise als einstückiges Gussteil ausgebildet. Zur Herstellung des einstückigen Gussteils kann ein Feingussverfahren, ein Metallpulver-Spritzgussverfahren (MIM) oder ein anderweitiges Gussverfahren verwendet werden. Dadurch kann das Trennelement f mit dem Leitgitter 1 zeit- und kostengünstig hergestellt werden.
Wie den 24a–c ferner zu entnehmen ist, sind die Leitschaufeln 18 ausschließlich mittels des Trennelements f verbunden. Dabei sind die Leitschaufeln 18 beispielsweise an das Trennelement f angegossen. Jeweilige erste Leitschaufelteile der Leitschaufeln 18 im ersten Längenbereich a erstrecken sich dabei vom Trennelement f in axialer Richtung in einer ersten Erstreckungsrichtung weg. Im zweiten Längenbereich d erstrecken sich jeweilige zweite Leitschaufelteile der Leitschaufeln 18 in axialer Richtung von dem Trennelement f in einer der ersten Erstreckungsrichtung entgegengesetzten zweiten Erstreckungsrichtung weg. Die auf Seiten des Trennelements f mittels des zumindest im Wesentlichen ringförmigen Trennelements f miteinander verbundenen Leitschaufeln 18 sind dabei auf jeweiligen, dem Trennelement f abgewandten Stirnseiten offen ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Leitschaufeln 18 bzw. die entsprechenden Leitschaufelteile in dem entsprechenden Längenbereich a, d auf den jeweiligen, dem Trennelement f abgewandten Stirnseiten voneinander separat ausgebildet, also nicht miteinander verbunden sind.
So ist es möglich, Leitschaufelteile in wenigstens einem der Längenbereiche a, d der Leitschaufeln 18 als dreidimensionale Beschaufelung (3D-Beschaufelung) auszugestalten. Ferner ist es möglich, dass sich die Anzahl der Leitschaufelteile im ersten Längenbereich a von der Anzahl der Leitschaufelteile im zweiten Längenbereich d unterscheidet.
Ebenso ist es möglich, die Leitschaufeln 18 in wenigstens einem der Längenbereiche a, d mit einer in den 24a–c nicht gezeigten Konturierung ihrer strömungsführenden Geometrie zu versehen, um so Sekundärströmungsverluste gering zu halten.
Die 26a–27 zeigen eine Möglichkeit, das Leitgitter 1 im Zuführkanal 5 zu zentrieren. Dazu ist ein Zentriereinsatz 50 vorgesehen, welcher einen ersten Zentrierdurchmesser D_Za zur Zentrierung des ersten Längenbereichs a aufweist.
Auf einer dem Zentriereinsatz 50 gegenüberliegenden Seite weist das Turbinengehäuse 12 ebenso einen zweiten Zentrierdurchmesser D_Zd auf, an welchem der zweite Längenbereich d zentriert wird. Die Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1 weisen korrespondierende Stufen, Absätze oder dergleichen auf, mittels welchen die Längenbereiche a, d zentriert werden können.
Die 30–32 veranschaulichen die Zentrierung des Leitgitters 1 über rotationssymmetrische, nicht-orthogonal zur Drehachse 16 des Turbinenrads 9 und somit schräg zu dessen radialer Richtung verlaufende Anlageflächen. Bei diesen Anlageflächen handelt es sich einerseits um die jeweiligen, dem Trennelement f abgewandten Stirnseiten der Leitschaufelteile im ersten Längenbereich a und andererseits um eine diesen Stirnseiten zugewandte Stirnseite des Zentriereinsatzes 50, welches seinerseits über einen Zentrierungsbund am Turbinengehäuse 12 zentriert ist. Wie anhand eines Zentrierwinkels β angedeutet ist, schließen die Anlageflächen mit der axialen Richtung einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 75° ein. Ein Kraftpfeil F deutet dabei die Kraft und die Richtung an, mit bzw. in welcher das Leitgitter 1 im Zuführkanal 5 beaufschlagt und so verklemmt bzw. verspannt ist. Der Zentriereinsatz 50 hat somit die Funktion einer Tellerfeder, die das Leitgitter 1 stets gegen die Trennwand 46 drückt.
Gemäß 33 ist der Zentriereinsatz 50 als Hitzeschild ausgebildet, welcher einen unerwünscht hohen Wärmeeintrag vom Turbinengehäuse 12 ins Lagergehäuse vermeiden soll. Dadurch ist eine Funktionsintegration geschaffen, wodurch die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Turbine 10 gering gehalten werden können. Zur Darstellung einer vorteilhaften Herstellbarkeit, einer einfachen Montage und einer hohen Funktionserfüllungssicherheit des Leitgitters 1 und damit der gesamten Turbine 10 können, wie anhand der 24a–c dargestellt ist, das Trennelement f und das Leitgitter 1 auch einstückig miteinander ausgebildet sein. Das Trennelement f und das Leitgitter 1 sind beispielsweise als einstückiges Gussteil hergestellt.
Das Leitgitter 1 ist separat vom Turbinengehäuse 12 ausgebildet und in das Turbinengehäuse einzusetzen. Bei dem Leitgitter 1 handelt es sich somit um ein Einsetzteil. Zur vorteilhaften Ausrichtung und Positionierung des Leitgitters 1 im Turbinengehäuse 12 ist beispielsweise vorgesehen, dass das Leitgitter 1 auf dem Trennelement f abgewandten ersten Stirnseiten und/oder auf dem Trennelement f und den ersten Stirnseiten abgewandten zweiten Stirnseiten der Leitschaufeln 18 im Turbinengehäuse 12 zentriert wird. Ferner ist vorteilhafterweise eine Bewegung des Leitgitters 1 im Turbinengehäuse 12 relativ zu diesem zu vermeiden, um beispielsweise bei schwingender Belastung eine unerwünschte Beschädigung zu vermeiden. Dazu wird das Leitgitter 1, wie es in den 32 und 33 durch den Kraftpfeil F angedeutet ist, beispielsweise mittels eines Kraftbeaufschlagungselements mit einer in axialer Richtung wirkenden Kraft beaufschlagt. Dadurch wird während des Betriebs der Turbine 10 zumindest im Wesentlichen stets sichergestellt, dass das Leitgitter 1 zwischen zwei definierten Anlageflächen eingespannt ist.
Bei dem Kraftbeaufschlagungselement handelt es sich beispielsweise um ein Federelement, mittels welchem das Leitgitter 1 in axialer Richtung federkraftbeaufschlagt bzw. federkraftbeaufschlagbar ist. Dabei kann der Zentriereinsatz 50 als dieses Federelement fungieren und das Leitgitter 1 kraftbeaufschlagen.
Wie den 25a–b zu entnehmen ist, liegt der Axialschieber 2 in seiner Schließstellung am Anschlag c an. Dabei liegt die Stirnseite 44 des Axialschiebers 2 am Trennelement f an. Dabei ist der gesamte zweite Längenbereich d fluidisch versperrt, sodass das Abgas nur den ersten Längenbereich a durchströmen kann.
Im Folgenden werden Möglichkeiten dargestellt, das Leitgitter 1 im Turbinengehäuse 12 relativ zu diesem zu positionieren und insbesondere zu zentrieren. Dabei sind die geschilderten Möglichkeiten ohne Weiteres auf Seiten des ersten Längenbereichs a und/oder auf Seiten des zweiten Längenbereichs d anwendbar.
Wie die 26a–27 zeigen, ist es möglich, an den jeweiligen, dem Trennelement f abgewandten Stirnseiten der Leitschaufeln 18 bzw. der Leitschaufelteile in den Längenbereichen a, d jeweils einen rotationssymmetrischen Absatz vorzusehen. Der über diesen Absatz hinausragende, äußere Teil der Leitschaufeln 18 dient zur Zentrierung des Leitgitters 1. Am Turbinengehäuse 12 sowie am Zentriereinsatz 50 werden jeweilige, mit den jeweiligen Absätzen korrespondierende Nuten vorgesehen, die den äußeren Teil der Leitschaufeln 18 aufnehmen, wodurch das Leitgitter 1 zentriert wird.
Dabei müssen nicht notwendigerweise alle Leitschaufeln 18 des Leitgitters 1, wie es in den 26a–27 dargestellt ist, für die Zentrierung verwendet werden. Umfasst das Leitgitter 1 beispielsweise neun Leitschaufeln 18, so können auch nur drei der Leitschaufeln 18 die Zentrierfunktion übernehmen. Vorteilhafterweise sind diejenigen der Leitschaufeln 18, welche die Zentrierfunktion übernehmen, in Umfangsrichtung des Leitgitters 1 paarweise zumindest im Wesentlichen äquidistant voneinander beabstandet. Dadurch ist eine definierte Zentrierung des Leitgitters 1 im Turbinengehäuse 12 möglich.
Alternativ zu den 26a–27 kann auch vorgesehen sein, dass die Zentrierung des Leitgitters 1 lediglich auf der Lagergehäuseseite oder lediglich auf einer der Lagergehäuseseite abgewandten Seite vorgesehen ist.
Die axiale Positionierung des Leitgitters 1 erfolgt dabei über eine Verspannung des Leitgitters 1 zwischen der Lagergehäuseseite und der Turbinenaustrittsseite und mit der oben geschilderten, in axialer Richtung gerichteten Kraftbeaufschlagung.
Die 28a–29 zeigen weitere Möglichkeiten zur Zentrierung des Leitgitters 1 im Turbinengehäuse 12. Zur Zentrierung sind Stifte 52 vorgesehen, welche an die jeweiligen, dem Trennelement f abgewandten Stirnseiten der Leitschaufelteile im ersten Längenbereich a angegossen sind. Vorliegend sind die Stifte 52 somit einstückig mit den Leitschaufeln 18 ausgebildet. Die Stifte 52 können jedoch auch separat von den Leitschaufeln 18 ausgebildet und als separate Bauteile montiert sein. Der Zentriereinsatz 50 weist mit den Stiften 52 korrespondierende Aufnahmeöffnungen, insbesondere Bohrungen, auf, welche mit den Stiften 52 zusammenwirken und so das Leitgitter 1 im Turbinengehäuse 12 zentrieren.
Wie den 30–32 zu entnehmen ist, ist es insbesondere bei einem als Mixed-Flow-Turbinenrad ausgebildeten Turbinenrad 9 strömungsgünstig vorteilhaft, eine auf Seiten des ersten Längenbereichs a angeordnete bzw. dem ersten Längenbereich a zugewandte Stirnseite des Trennelements f schräg zur radialen Richtung verlaufend auszugestalten, sodass diese nicht-orthogonal zur Drehachse 16 verläuft.
Durch diese Schrägstellung der auf Seiten des ersten Längenbereichs a angeordneten Stirnseite des Trennelements f kann insbesondere eine Geschwindigkeits-Komponente der Strömung des Abgases in Richtung des Turbinenaustritts eingestellt werden. Dies ist vorteilhaft für die Ansteuerung des insbesondere als Mixed-Flow-Turbinerad ausgebildeten Turbinenrads 9.
Ein solches Mixed-Flow-Turbinenrad (Mischströmung-Turbinenrad) zeichnet sich dadurch aus, dass es über jeweilige Anströmkanten der Leitschaufeln 18 sowohl zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung als auch zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas angeströmt wird. Mit anderen Worten hat die Strömung des das Mixed-Flow-Turbinenrad anströmenden Abgases sowohl eine Richtungskomponente in axialer Richtung wie auch eine Richtungskomponente in radialer Richtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1301689 B1 [0005]

Claims

Leitgitter (1) für eine Turbine (10) eines Abgasturboladers, mit einer Mehrzahl von in einem Leitbereich (30) des Leitgitters (1) angeordneten Leitelementen (18), mittels welchen in dem Leitbereich (30) die Turbine (10) durchströmendes Abgas ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Leitbereich (30) bezogen auf die axiale Richtung des Leitgitters (1) ein erster Längenbereich (a) und wenigstens ein sich daran anschließender zweiter Längenbereich (b) vorgesehen sind, in welchen die Leitelemente (18) jeweils hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlich ausgebildet sind.
Leitgitter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennelement (f) vorgesehen ist, mittels welchem die Längenbereiche (a, d) in axialer Richtung voneinander fluidisch getrennt sind.
Leitgitter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (18) über das Trennelement (f) miteinander verbunden und auf jeweiligen, dem Trennelement (f) abgewandten Stirnseiten der Leitelemente (18) in Umfangsrichtung des Leitgitters (1) voneinander separat ausgebildet sind.
Leitgitter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (f) wenigstens bereichsweise zumindest im Wesentlichen schräg zur radialen Richtung verläuft.
Leitgitter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine erste Anzahl an im ersten Längenbereich (a) angeordneten ersten Leitelementteilen der Leitelemente (18) von einer zweiten Anzahl an im zweiten Längenbereich (d) angeordneten zweiten Leitelementteilen der Leitelemente (18) unterscheidet.
Leitgitter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (18) in wenigstens einem der Längenbereiche (a, d) als dreidimensionale Beschaufelung ausgebildet sind.
Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zur Aufnahme eines Turbinenrads (9) und wenigstens eine von Abgas durchströmbare Flut (4) aufweist, von der das Abgas über einen mit der Flut (4) fluidisch verbundenen Zuführkanal (5) in den Aufnahmeraum (14) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Turbinengehäuse ein relativ zum Turbinengehäuse (12) festes Leitgitter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgenommen ist, dessen Leitelemente (18) im Leitbereich (30) in den Zuführkanal (5) ragen.
Turbine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (f) in radialer Richtung von außen nach innen in Richtung eines Turbinenaustritts verläuft.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (1) mittels wenigstens eines rotationssymmetrischen Absatzes und einer damit korrespondierenden Nut und/oder mittels zumindest eines Stifts oder dergleichen Stabelements und einer damit korrespondierenden Aufnahmeöffnung und/oder mittels korrespondierender, zumindest im Wesentlichen schräg zur radialen Richtung verlaufender Flächen im Turbinengehäuse (12) zentriert gehalten ist.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (1) mittels eines Kraftbeaufschlagungselements (50), insbesondere mittels eines Federelements, unter Beaufschlagung mit einer zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung gerichteten Kraft im Turbinengehäuse (12) fixiert ist.