DE10220097A1 - Turbine for exhaust turbo charger for motor vehicles, has turbine blades with bores containing connecting damper wires to prevent turbine fractures and bearing failures - Google Patents
Turbine for exhaust turbo charger for motor vehicles, has turbine blades with bores containing connecting damper wires to prevent turbine fractures and bearing failuresInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrad nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. The invention relates to a turbine for a Exhaust gas turbocharger with a turbine wheel according to the preamble of Claim 1 defined in more detail.
Gattungsgemäße, für einen Motorbremsbetrieb einer Brennkraftmaschine geeignete Turbinen und entsprechende Abgasturbolader sind beispielsweise aus der DE 197 27 140 C1 oder der DE 197 27 141 C1 bekannt. Bei derartigen Turbinen werden im Bremsbetrieb variable Leit- bzw. Bremsgitter unmittelbar vor dem Turbinenrad eingesetzt, um über den dadurch entstehenden Rückstau der Abgase die Bremsleistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Mit solchen sogenannten Turbobremsen lassen sich gegenüber gewöhnlichen Saugmotorenbremsen erhebliche Leistungssteigerungen erzielen. Generic, for an engine braking operation of a Internal combustion engine suitable turbines and corresponding Exhaust gas turbochargers are known for example from DE 197 27 140 C1 or DE 197 27 141 C1 known. In such turbines are In braking mode variable guidance or braking grid directly used in front of the turbine wheel to over that resulting backlog of exhaust gases, the braking power of To increase internal combustion engine. With such so-called turbo brakes can be compared with normal Saugmotorenbremsen achieve significant performance gains.
Problematisch ist hierbei die hohe Belastung der Turbine, insbesondere für das Turbinenrad, bei welchem durch entsprechend hohe Belastungen sogar Schaufelbrüche und gegebenenfalls Lagerschäden nicht auszuschließen sind. The problem here is the high load of the turbine, in particular for the turbine wheel, in which by correspondingly high loads even vane breaks and if necessary, bearing damage can not be ruled out.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine radial angeströmte Turbine zu schaffen, mit welcher im Motorbremsbetrieb hohe Bremsleistungen bei ausreichender Zuverlässigkeit realisierbar sind. It is therefore an object of the present invention to provide a radial impinged turbine to create, with which in the Engine braking operation high braking performance with sufficient Reliability can be realized.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. According to the invention this object is achieved by the in claim 1 solved mentioned features.
Der erfindungsgemäße Dämpfungsdraht erzeugt an den Turbinenradschaufeln eine Reibung, welche deren Neigung dämpft, bei hoher Belastung, wie sie insbesondere im Motorbremsbetrieb auftritt, um eine sogenannte Knotenlinie zu schwingen. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, sehr hohe Motorbremsleistungen mechanisch sicher über eine hohe Lebensdauer der Turbine zu erreichen. The damping wire according to the invention generates at the Turbine blades at a friction that dampens their inclination, at high load, as in particular in engine braking operation occurs to swing a so-called node line. This makes it advantageously possible, very high Motor braking performance mechanically safe over a long service life to reach the turbine.
Zwar ist der Einsatz von Dämpfungsdrähten an sich z. B. aus der DE 21 42 691 A1, der DE 19 32 896 A1 oder der DE 43 01 656 A1 bekannt, hierbei handelt es sich jedoch ausschließlich um axial angeströmte Turbinen, welche eine sehr viel höhere Leistung aufweisen und für völlig andere Einsatzzwecke konstruiert sind als die erfindungsgemäße radial angeströmte Turbine. Für den Einsatz in Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen sind die genannten Turbinen keinesfalls geeignet. Although the use of damping wires is in itself z. B. off DE 21 42 691 A1, DE 19 32 896 A1 or the DE 43 01 656 A1 known, but this is exclusively to axial flowed turbines, which a have much higher performance and completely different Purpose designed as the inventive radially impinged turbine. For use in Exhaust gas turbochargers of internal combustion engines are the turbines mentioned not suitable.
Wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß der Dämpfungsdraht an wenigstens einer der Turbinenradschaufeln in axialer Richtung fixiert ist, ermöglicht dies eine Beeinflussung der Resonanz der gesamten Turbine und damit ein Verhindern von Schwingungen der einzelnen Turbinenradschaufeln in bestimmten Drehzahlbereichen. If in an advantageous embodiment of the invention is provided that the damping wire to at least one the turbine wheel blades is fixed in the axial direction, this allows influencing the resonance of the whole Turbine and thus preventing vibrations of the individual turbine blades in certain Speed ranges.
Die Anordnung der Dämpfungsdrähte der erfindungsgemäßen Turbine hat sich dann als besonders geeignet für den Einsatz in Brennkraftmaschinen für PKW und Nutzfahrzeuge erwiesen, wenn der Durchmesser des Dämpfungsdrahtes das 1,2-1,6- fache der Dicke der Turbinenradschaufel an derjenigen Stelle beträgt, an der sich die Bohrung befindet, und wenn das Turbinenrad einen Durchmesser von weniger als 100 mm aufweist. The arrangement of the damping wires of the invention Turbine has then proved to be particularly suitable for use proven in internal combustion engines for cars and commercial vehicles, if the diameter of the damping wire is the 1,2-1,6- times the thickness of the turbine blade at that point is where the hole is located, and if the Turbine wheel has a diameter of less than 100 mm having.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen. Further advantageous embodiments and further developments of Invention will become apparent from the remaining dependent claims and in principle from the following with reference to the drawing illustrated embodiments.
Es zeigt:
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine in einer
ersten Ausführungsform;
einen Schnitt durch eine Turbine in einer zweiten
Ausführungsform;
einen Schnitt durch eine Turbine in einer dritten
Ausführungsform;
eine Ansicht der Turbine gemäß dem Pfeil IV aus Fig. 3; und
einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Turbine.
It shows:
a section through a turbine according to the invention in a first embodiment;
a section through a turbine in a second embodiment;
a section through a turbine in a third embodiment;
a view of the turbine according to the arrow IV of Fig. 3; and
a section through a fourth embodiment of the turbine.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Turbine 1, welche ein Turbinenrad 2 mit mehreren Turbinenradschaufeln 3 aufweist. Das Turbinenrad 2 ist mit einer Achse 4 versehen, durch welche sie mit einem nicht dargestellten Verdichter verbunden ist und auf diese Weise einen in seiner Gesamtheit nicht dargestellten, jedoch hinlänglich bekannten Abgasturbolader bildet, der beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Fig. 1 shows a first embodiment of a turbine 1, which has a turbine wheel 2 with a plurality of turbine blades. 3 The turbine wheel 2 is provided with an axle 4 , by which it is connected to a compressor, not shown, and in this way forms an exhaust gas turbocharger, not shown in its entirety, but sufficiently known, which can be used for example in an internal combustion engine.
Das Turbinenrad 2 läuft innerhalb eines Gehäuses 5, welches im vorliegenden Fall eine Anströmflut 6 aufweist, über welche das Turbinenrad 2 von Abgasen angeströmt wird. Diese Anströmung verursacht in bekannter Weise eine Rotation des Turbinenrades 2. The turbine wheel 2 runs within a housing 5 , which in the present case has an incident flow 6 , via which the turbine wheel 2 is flowed by exhaust gases. This flow causes a rotation of the turbine wheel 2 in a known manner.
Um mit dem Turbinenrad 2 einen Motorbremsbetrieb realisieren zu können, ist am Übergang der Anströmflut 6 zu dem Turbinenrad 2 ein Bremsgitter 7 angeordnet, welches um den Umfang des Turbinenrades 2 mehrere gemäß den mit "A" bezeichneten Pfeilen um jeweilige Achsen 8 verstellbare Leitschaufeln 9 aufweist. Der Einsatz des Bremsgitters 7 zum Rückstauen der Abgase ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird daher im folgenden nicht näher erläutert. In order to realize to the turbine wheel 2 is an engine braking mode, at the transition of Anströmflut 6 is arranged to the turbine wheel 2, a brake grating 7, which has around the circumference of the turbine wheel 2, a plurality of the arrows labeled "A" adjustable according to respective axes 8 vanes 9 , The use of the brake grid 7 for backflow of the exhaust gases is known from the prior art and will therefore not be explained in detail below.
Im Motorbremsbetrieb kann es, insbesondere bei hohen Bremsleistungen und den dadurch entstehenden hohen Belastungen, zu einem "Flattern" der Turbinenradschaufeln 3, also um starke Vibrationen derselben, um eine gestrichelt dargestellte Knotenlinie 10 kommen, was zu einer Beschädigung des Turbinenrades 2 führen kann. Die Lage der Knotenlinie 10 hängt selbstverständlich vom jeweiligen Aufbau der Turbinenradschaufeln 3 ab. During engine braking operation, especially at high braking powers and the resulting high loads, a "fluttering" of the turbine wheel blades 3 , ie strong vibrations of the same, may occur around a node line 10 shown in dashed lines, which may damage the turbine wheel 2 . The location of the node line 10 of course depends on the particular structure of the turbine blades 3 .
Um dies zu verhindern, ist der von den genannten Vibrationen am meisten betroffene Bereich der Turbinenradschaufeln 3, also derjenige Bereich der Turbinenradschaufel 3, der im Bremsbetrieb einer maximalen Vibrationsauslenkung ausgesetzt ist, mit einer jeweiligen Bohrung 11 versehen, durch die ein Dämpfungsdraht 12 gezogen ist. Dieser Bereich befindet sich in der Nähe des Randes der Turbinenschaufel 3, weshalb die Bohrung 11 vorzugsweise so nah wie möglich am Rand angebracht wird. Der Dämpfungsdraht 12, der alle Turbinenradschaufeln 3 des Turbinenrades 2 miteinander verbindet, erzeugt gegenüber der Bohrung 11 der Turbinenradschaufel 3 eine Reibung und dämpft auf diese Weise die ansonsten auftretenden Vibrationen. Dadurch können die Turbinenradschaufeln 3 eine höhere Motorbremsleistung übertragen. In order to prevent this, the area of the turbine wheel blades 3 most affected by the vibrations mentioned, that is to say the area of the turbine wheel blade 3 which is subjected to a maximum vibration deflection during braking operation, is provided with a respective bore 11 through which a damping wire 12 is drawn. This area is near the edge of the turbine blade 3 , so the bore 11 is preferably mounted as close to the edge as possible. The damping wire 12 , which connects all turbine blades 3 of the turbine wheel 2 with each other, generated with respect to the bore 11 of the turbine blade 3 friction and damped in this way the otherwise occurring vibrations. As a result, the turbine blades 3 can transmit a higher engine braking power.
Im vorliegenden Fall ist jede Turbinenradschaufel 3 mit jeweils zwei Bohrungen 11 versehen, durch die ein jeweiliger Dämpfungsdraht 12 verläuft. Bei Turbinenradschaufeln 3 von Turbinen 1, die bei Brennkraftmaschinen von Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, wie dies bei der vorliegenden Turbine 1 der Fall ist, und die einen Durchmesser von weniger als 100 mm aufweisen, ist jedoch meist lediglich einer der Dämpfungsdrähte 12 notwendig, und zwar, wie bereits oben erwähnt, derjenige, der sich in dem Bereich befindet, an dem die Schwingung der Turbinenradschaufel 3 die größte Amplitude aufweist. In the present case, each turbine blade 3 is provided with two holes 11 , through which a respective damping wire 12 extends. For turbine blades 3 of turbines 1 , which are used in commercial vehicle engines, as is the case with the present turbine 1 , and which have a diameter of less than 100 mm, however, usually only one of the damping wires 12 is necessary, namely as already mentioned above, the one that is in the area where the vibration of the turbine blade 3 has the largest amplitude.
Der Dämpfungsdraht 12 kann gegenüber sämtlichen Bohrungen 11 in den Turbinenradschaufeln 3 Spiel aufweisen, wobei die Bohrungen 11 dann einen geringfügig größeren Durchmesser als der Dämpfungsdraht 12 aufweisen und die Dämpfungsenergie zwischen dem Dämpfungsdraht 12 und den Turbinenradschaufeln 3 freigesetzt wird. The damping wire 12 may have over all holes 11 in the turbine blades 3 game, the holes 11 then have a slightly larger diameter than the damping wire 12 and the damping energy between the damping wire 12 and the turbine blades 3 is released.
Alternativ ist es auch möglich, daß der Dämpfungsdraht 12 an wenigstens einer der Turbinenradschaufeln 3 in axialer Richtung fixiert ist. Meist wird eine solche Fixierung, die an der jeweiligen Bohrung 11 der Turbinenradschaufel 3 vorgenommen wird, an mehreren Turbinenradschaufeln 3 gleichzeitig durchgeführt, wodurch jeweils einzelne Turbinenradschaufeln 3 zu Gruppen miteinander verbunden werden. Auf diese Weise kann die Resonanzfrequenz des Turbinenrades 2 beeinflußt werden, beispielsweise derart, daß die gekoppelten kritischen Schwingungen zu möglichst tiefen Drehzahlen des Turbinenrades 2 gelegt werden, um geringe Anregungsintensitäten zu erhalten, so daß die Eigendämpfung der Turbinenradschaufeln 3 für die auftretenden Belastungen ausreicht. Alternatively, it is also possible that the damping wire 12 is fixed to at least one of the turbine blades 3 in the axial direction. In most cases, such a fixation, which is performed on the respective bore 11 of the turbine blade 3, performed simultaneously on a plurality of turbine blades 3 , whereby each individual turbine blades 3 are connected to each other in groups. In this way, the resonance frequency of the turbine wheel 2 can be influenced, for example, such that the coupled critical vibrations are applied to the lowest possible rotational speeds of the turbine wheel 2 to obtain low excitation intensities, so that the internal damping of the turbine blades 3 sufficient for the loads occurring.
Fig. 2 zeigt eine weitere Turbine 1 mit einem Turbinenrad 2, wobei das Gehäuse 5 zwei Anströmfluten 6 und 13 aufweist. Ein weiterer Unterschied zu der Turbine 1 gemäß Fig. 1 ist die Tatsache, daß das Bremsgitter 7 einen an sich bekannten Axialschieber 14 zur Begrenzung der Zuströmung aus den beiden Anströmfluten 6 und 13 zu dem Turbinenrad 2 aufweist. FIG. 2 shows a further turbine 1 with a turbine wheel 2 , wherein the housing 5 has two flow streams 6 and 13 . Another difference from the turbine 1 according to FIG. 1 is the fact that the brake grille 7 has a known axial slide 14 for limiting the inflow from the two Anströmfluten 6 and 13 to the turbine wheel 2 .
In Fig. 3 und Fig. 4 ist eine weitere Turbine 1 dargestellt, bei der im Unterschied zu den Ausführungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sogenannten Splitterschaufeln 15 vorgesehen sind, die einen höheren Wirkungsgrad der Turbine 1 ermöglichen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, könnte man diese Splitterschaufeln 15 ebenfalls mit den Bohrungen 11 versehen, durch welche der Dämpfungsdraht 12 verlaufen könnte. In Fig. 3 and Fig. 4 shows a further turbine 1 is shown, wherein there are provided, in contrast to the embodiments according to FIGS. 1 and Fig. 2 the so-called splitter blades 15, which allow a higher efficiency of the turbine 1. Although not shown, these splitter blades 15 could also be provided with the bores 11 through which the damping wire 12 could pass.
Eine weitere Ausführungsform der Turbine 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei sind ebenfalls die beiden Anströmfluten 6 und 13 vorgesehen, wobei die erste Anströmflut 6 durch das wiederum den Axialschieber 14 aufweisende Bremsgitter 7 von dem Turbinenrad 2 absperrbar ist. Dem gegenüber verläuft die zweite Anströmflut 13 halbaxial, also unter einem Winkel von ca. 45°, zu dem Turbinenrad 2 und ist von der ersten Anströmflut 6 völlig getrennt. Es wäre in diesem Zusammenhang selbstverständlich auch möglich, am Eintrittsbereich der zweiten Anströmflut 13 zu dem Turbinenrad 2 ein nicht dargestelltes Bremsgitter anzubringen. Um eine Trennung der beiden Anströmfluten 6 und 13 auch für das Turbinenrad 2 zu ermöglichen, ist dasselbe aus einem inneren Teil 16 und einem von dem inneren Teil 16 durch eine Trennwand 17 getrennten äußeren Teil 18 gebildet. Die Bohrungen 11 für die Dämpfungsdrähte 12 sind dabei in dem äußeren Teil 18 des Turbinenrades 2 vorgesehen, da das innere Teil 16 durch die Trennwand 17 ausreichend stabilisiert wird. Another embodiment of the turbine 1 is shown in FIG . Here, the two Anströmfluten 6 and 13 are also provided, wherein the first Anströmflut 6 by the turn the axial slide 14 having brake grille 7 of the turbine wheel 2 can be shut off. In contrast, the second inflow flow 13 extends semiaxially, that is to say at an angle of approximately 45 °, to the turbine wheel 2 and is completely separated from the first inflow flow 6 . It would of course also be possible in this context, at the inlet region of the second flow stream 13 to the turbine wheel 2 to attach a brake grid, not shown. In order to enable a separation of the two Anströmfuten 6 and 13 for the turbine wheel 2 , it is formed from an inner part 16 and a separate from the inner part 16 by a partition 17 outer part 18 . The holes 11 for the damping wires 12 are provided in the outer part 18 of the turbine wheel 2 , since the inner part 16 is sufficiently stabilized by the partition 17 .
Der Durchmesser d des Turbinenrads 2 beträgt im allgemeinen das 1,2-1,6-fache der Dicke t der Turbinenradschaufel 3 an derjenigen Stelle, durch welche die Bohrung 11 verläuft. Im vorliegenden Fall beträgt die Dicke t der Turbinenradschaufel 3 ca. 1-1,5 mm und die Dicke demnach 1,2-2,4 mm, vorzugsweise ca. 2 mm. The diameter d of the turbine wheel 2 is generally 1.2-1.6 times the thickness t of the turbine wheel blade 3 at the point through which the bore 11 passes. In the present case, the thickness t of the turbine wheel blade 3 is about 1-1.5 mm and the thickness therefore 1.2-2.4 mm, preferably about 2 mm.
Die Turbinenkennzahl TBF der Turbine 1, der sogenannte
Turbinen-Brems-Faktor, liegt im vorliegenden Fall in einem
Bereich von unter 6‰, vorzugsweise unter 3‰, und wird in
beispielsweise aus der DE 197 24 140 C1 oder der DE 197 24 141 C1
bekannter Weise durch die Gleichung
wobei DT = Turbinendurchmesser, AT = Gitterquerschnitt und
VH = Hubvolumen der Brennkraftmaschine ist.
The turbine characteristic TBF of the turbine 1 , the so-called turbine brake factor, is in the present case in a range of less than 6 ‰, preferably less than 3 ‰, and is described for example in DE 197 24 140 C1 or DE 197 24 141 C1 known way by the equation
where DT = turbine diameter, AT = grid cross section and VH = stroke volume of the internal combustion engine.
Claims (13)
11. Turbine according to one of claims 1 to 10, characterized by a TBF factor <6 ‰, in particular <3 ‰, wherein
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