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WO2014067628A1 - Verstellbarer leitapparat für eine radialturbine und diesbezügliches montageverfahren - Google Patents

Verstellbarer leitapparat für eine radialturbine und diesbezügliches montageverfahren Download PDF

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Publication number
WO2014067628A1
WO2014067628A1 PCT/EP2013/003149 EP2013003149W WO2014067628A1 WO 2014067628 A1 WO2014067628 A1 WO 2014067628A1 EP 2013003149 W EP2013003149 W EP 2013003149W WO 2014067628 A1 WO2014067628 A1 WO 2014067628A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
adjustable
turbine
ring portion
contour
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/003149
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Scheuermann
Thorben Kotzbacher
Hans-Peter Oehl
Jan Teufel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Charging Systems International GmbH
Original Assignee
IHI Charging Systems International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Charging Systems International GmbH filed Critical IHI Charging Systems International GmbH
Publication of WO2014067628A1 publication Critical patent/WO2014067628A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to an adjustable nozzle for a turbine of the type specified in the preamble of claim 1 and a method for producing an adjustable nozzle according to the patent claim. 7
  • Patent EP 1 642 009 B1 discloses an adjustable distributor for a turbine, in particular for a turbine of an exhaust gas turbocharger.
  • the turbine includes an adjustable nozzle including a support ring on which a plurality of stator vanes are rotatably mounted, the adjustable nozzle being formed in an exhaust guide portion of the turbine.
  • the support ring is a contoured ring arranged opposite, such that between the support ring and the contour ring, the vanes are rotatably positioned. Between the guide vanes and adjacent to the vanes walls each have a functional gap is formed, which for the mobility of the vanes deformation of the
  • Carrier ring takes into account as a result of thermal stress.
  • an effective flow cross-section upstream of a turbine wheel of the turbine is adjustable, wherein the turbine wheel is received by the adjustable diffuser largely comprehensible in a wheel chamber of the exhaust gas guide section.
  • the guide vanes are each rotatably mounted on a guide shaft on the carrier ring and are synchronously adjustable. This means that a flow gap formed between adjacent guide vanes is adjustable in its radial extent.
  • Exhaust gas turbocharger is subjected to relatively high temperatures, which cause a thermal deformation of the adjustable nozzle and in particular the carrier ring and the contour ring. It may happen that the contoured ring and the carrier ring deform differently from the guide vanes and in particular different from the exhaust gas guide portion. In order to avoid jamming of the vanes, therefore, the corresponding function gaps between the vanes and the contour ring and between the vanes and the support ring are provided. By way of this functional column, the exhaust gas flowing through the flow channel can flow past the guide vanes and thus flow undirectedly over the turbine wheel, which impairs the efficient operation of the exhaust gas turbocharger.
  • Such an adjustable nozzle for a turbine in particular for a turbine of an exhaust gas turbocharger, has a support ring, with a plurality of on
  • Carrier ring rotatably mounted vanes, as well as a contour ring, which is arranged axially axially opposite the carrier ring coaxially.
  • the contoured ring and the carrier ring are arranged relative to one another such that the guide vanes are rotatably positionable between the carrier ring and the contoured ring.
  • the adjustable distributor is characterized in that the contour ring has a first ring section and a second ring section, which are designed executable relative to each other movements.
  • Heat transfer can be caused in the individual sections, to take into account that the first ring portion and the second ring portion largely independent of each other can perform corresponding expansions without causing a significant deformation of the adjustable nozzle, which in turn could in turn result in a malfunction. Due to the possibility of relative movements to one another jamming of the guide vanes due to deformation of the contour ring can be avoided, so that a secure operation of the adjustable diffuser can be realized even at high temperatures.
  • Another advantage is that, since a corresponding deformation in the operation of the turbine and thus in the operation of the adjustable diffuser is almost impossible at particularly very high temperatures, kept gap widths of
  • the first ring section and the second ring section are movable relative to one another in the radial direction.
  • the first ring portion and the second ring portion are coaxial with each other
  • the first ring section which is formed in the region of the guide vanes, experiences a significantly higher temperature of the flow medium, generally exhaust gas of an internal combustion engine, than the second ring section, which is formed in the region of rotor blades of the turbine wheel.
  • This temperature difference is due to thermodynamics, since in the turbine wheel, an expansion of the flow medium takes place, which is a
  • the second ring portion should adapt to this preferred direction of expansion, as with the aid of a radial
  • the first ring portion and the second ring portion are formed separately from each other.
  • a structural separation of the two ring sections is already given, so that a relative movement of the two ring sections to each other is easy to make.
  • the first ring section has a first side wall and the second ring section has a second side wall, wherein the first side wall and the second side wall are opposite one another and complementary, so that a gap formed between the first side wall and the second side wall is completely closable ,
  • a fixing element for fixing the ring sections is provided.
  • Fixing element serves to avoid axial mobility of the two
  • a method for mounting an adjustable nozzle is specified, wherein the adjustable nozzle has a contour ring with a first ring portion, a second ring portion and a fixing element.
  • the first ring portion and the second ring portion are positively connected and in a second step, the fixing element is immovably connected to the first ring portion or the second ring portion.
  • the immovable connection can be made either cohesively, by welding, gluing or similar methods, although also a positive connection of the two immovable parts to be joined together is possible.
  • the frictional, firm and thus accurately fitting connections can be achieved with methods such as cold stretching or shrinking.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an adjustable nozzle with a turbine wheel received by the adjustable nozzle in accordance with the prior art
  • Fig. 2 is a schematic representation of an alignment of a contour ring of the adjustable nozzle in operation acc. the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an alignment of a contour ring of an adjustable guide apparatus according to the invention during operation
  • Fig. 5 is a longitudinal sectional view of an adjustable nozzle in one
  • An adjustable guide 1 of the prior art is formed as shown in FIG.
  • the adjustable nozzle 1 is in a not shown exhaust guide portion of a turbine 2, in particular a turbine 2 for an exhaust gas turbocharger
  • Exhaust gas guide portion is formed a wheel chamber 3, in which a turbine wheel 4 is rotatably received with a rotation axis 5. With the help of a rotation with the
  • Turbine 4 connected shaft 6 drives the turbine 4 an unspecified impeller of a compressor of the exhaust gas turbocharger.
  • the turbine 4 has
  • the adjustable guide apparatus 1 essentially comprises a carrier ring 10, which has a plurality of rotatably mounted guide vanes 1 1, and a contour ring 12, which is arranged opposite the carrier ring 10, such that between the carrier ring 10 and the contour ring 12, the guide vanes 11 are rotatably positionable.
  • a first gap 13 is formed between the support ring 10 and the plurality of vanes 1 1, a first gap 13 is formed. Likewise, between the contour ring 12 and the plurality of
  • a second gap 14 is formed.
  • first gap 13 and the second gap 14 which secure the rotatability of the vanes 11, as well as for securing distance of a game between the contour ring 12 and the blades 7 distance elements not shown are provided, which at one end on the support ring 10 and the other end to the contour ring 12 are included.
  • This first contour 15 is adapted to a second contour 16 of the rotor blades 7, such that a minimum gap between the first contour 15 and the first contour 15 second contour 16 is formed, this minimum gap needs to meet the requirements of a delay of the contour ring 12, and an expansion of the blades 7 due to the large changes in temperature in the exhaust gas guide section.
  • FIG. 2 is an alignment of the contour ring 12 of the adjustable nozzle 1 according to the prior art in the operation of the turbine 2 is shown schematically.
  • a trained in the region of the vanes 11 first ring portion 17 has a much higher temperature during operation of the turbine 2 than a formed in the region of the blades 7 second ring portion 18. From these different temperatures in the contour ring 12 results in a bending moment.
  • the temperature differences in the first ring portion 17 and in the second ring portion 18 result in an axial displacement by an amount a of the contour ring 12 in the region in which the first ring portion 17 and the second ring portion 8 are interconnected.
  • the contour ring 12 has both in the first ring portion 17 and in the second ring portion 18 a frustoconical training on.
  • the first ring section 7 is no longer positioned at right angles to the second ring section 18.
  • FIG. 1 An ideal alignment of the contour ring 12 of the adjustable distributor 1 during operation of the turbine 2 is shown schematically in FIG. The orientation of the first
  • Ring portion 17 extends along the ideal line 19, as well as the orientation of the second ring portion 18th
  • This alignment along the ideal line 19 can be achieved by means of the contour ring 12 formed in accordance with FIG. 4.
  • the first ring section 17 and the second ring section 18 are designed to be movable relative to one another, wherein movement can take place exclusively in the radial direction.
  • the first ring portion 17 is ideally formed separately from the second ring portion 18.
  • the contour ring 12 is no longer manufactured in one piece, but has the first
  • Ring portion 17 which is made independently of the second ring portion 18.
  • the two side walls 20, 21 are configured in steps, so that the second ring portion 18 is secured against axial displacement due to a positive connection of the first ring portion 17 and the second ring portion 18.
  • a fixing element 22 is provided, which serves to fix the two ring sections 17, 18.
  • the fixing element 22 is fixedly connected by welding to the first ring portion 17 in this embodiment, in other words, this means that it is arranged immovably on the first ring portion.
  • first ring section 17 and the second ring section 18 engage one another or one another or else
  • the fixing element 22 is welded to the first ring portion 17.
  • Fixing element 22 is expanded prior to assembly to contract on cooling on the first ring portion 17 and make the corresponding fixed connection or by the first ring portion 17 before the
  • Assembly is cooled with the fixing element 22 to expand when heated and thus form the appropriate precise and firm connection with the fixing element 22.
  • contour ring 12 Another way to avoid deformation of the contour ring 12 is the formation of the contour ring 12 in the form of a solid disc gem. Fig. 5.
  • a slice thickness SD of the disc 12 extends from a first one
  • Disc wall 23 which is arranged opposite the guide vanes 11 to a second disc wall 24 of the disc, which is positioned parallel to the first disc wall 23 and in an exit region 25 of the blades 7.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Radialturbine, insbesondere für eine Radialturbine (2) eines Abgasturboladers, und ein diesbezügliches Montageverfahren. Der Leitapparat weist einen Trägerring (10) auf mit einer Mehrzahl von am Trägerring (10) verdrehbar gelagerten Leitschaufeln (11), sowie einen Konturring (12), welcher dem Trägerring (10) axial gegenüberliegend koaxial angeordnet ist. Zwischen dem Trägerring (10) und dem Konturring (12) sind die Leitschaufeln (11) verdrehbar positionierbar. Erfindungsgemäß weist der Konturring (12) einen ersten Ringabschnitt (17) und einen zweiten Ringabschnitt (18) auf, welche relativ zueinander Bewegungen ausführbar ausgebildet sind.

Description

Verstellbarer Leitapparat für eine Turbine und Verfahren zur Herstellung eines
verstellbaren Leitapparates
Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verstellbaren Leitapparates gemäß dem Patentanspruch 7.
Aus der Patentschrift EP 1 642 009 B1 geht ein verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers hervor. Die Turbine weist einen verstellbaren Leitapparat, umfassend einen Trägerring, an welchem eine Mehrzahl von Leitschaufeln verdrehbar gelagert positioniert sind, auf, wobei der verstellbare Leitapparat in einem Abgasführungsabschnitt der Turbine ausgebildet ist. Dem Trägerring ist ein Konturring gegenüberliegend angeordnet, derart, dass zwischen dem Trägerring und dem Konturring die Leitschaufeln verdrehbar positionierbar sind. Zwischen den Leitschaufeln und an die Leitschaufeln angrenzenden Wandungen ist jeweils ein Funktionsspalt ausgebildet, welcher zur Bewegbarkeit der Leitschaufeln einer Verformung des
Trägerrings als Folge einer thermischen Belastung Rechnung trägt.
Der verstellbare Leitapparat ist vorgesehen zur Steigerung eines effektiven
Wirkungsgrades der Turbine im Betrieb. Mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates ist ein effektiver Strömungsquerschnitt stromauf eines Turbinenrades der Turbine einstellbar, wobei das Turbinenrad von dem verstellbaren Leitapparat weitestgehend umfassbar in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts aufgenommen ist. Die Leitschaufeln sind jeweils an einer Leitschaufelwelle verdrehbar am Trägerring gelagert und sind synchron verstellbar. Das heißt, dass ein zwischen nebeneinander positionierten Leitschaufeln ausgebildeter Strömungsspalt in seiner radialen Erstreckung einstellbar ist. Somit besteht die Möglichkeit beispielsweise bei geringen, die Turbine durchströmenden Fluidmengen, in der Regel Abgas einer Brennkraftmaschine, einen relativ hohen Druck stromauf des Turbinenrades zu erzeugen, so dass ein, selbst bei geringen Abgasmengen, hohes Druckgefälle am Turbinenrad erzielbar ist. Somit ist mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates der effektive Wirkungsgrad der Turbine an den Betrieb der Brennkraftmaschine anpassbar ausgebildet.
Es hat sich gezeigt, dass der verstellbare Leitapparat während des Betriebs des
Abgasturboladers relativ hohen Temperaturen unterworfen wird, welche eine thermische Verformung des verstellbaren Leitapparates und insbesondere des Trägerrings und des Konturrings bewirken. Dabei kann es vorkommen, dass sich der Konturring und der Trägerring unterschiedlich von den Leitschaufeln und insbesondere unterschiedlich von dem Abgasführungsabschnitt verformen. Um ein Verklemmen der Leitschaufeln zu vermeiden, sind daher die entsprechenden Funktionsspalte zwischen den Leitschaufeln und dem Konturring und zwischen den Leitschaufeln und dem Trägerring vorgesehen. Über diese Funktionsspalte kann das den Strömungskanal durchströmende Abgas an den Leitschaufeln vorbei und so ungerichtet das Turbinenrad anströmen, was den effizienten Betrieb des Abgasturboladers beeinträchtigt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verstellbaren Leitapparat der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine einen gesicherten, effizienteren Betrieb aufweist.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird ein Verfahren zur
Herstellung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates aufweisend die
Merkmale des Patentanspruchs 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein solcher verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, weist einen Trägerring auf, mit einer Mehrzahl von am
Trägerring verdrehbar gelagerten Leitschaufeln, sowie einen Konturring, welcher dem Trägerring axial gegenüberliegend koaxial angeordnet ist. Der Konturring und der Trägerring sind derart zueinander angeordnet, dass zwischen dem Trägerring und dem Konturring die Leitschaufeln verdrehbar positionierbar sind.
Erfindungsgemäß zeichnet sich der verstellbare Leitapparat dadurch aus, dass der Konturring einen ersten Ringabschnitt und einen zweiten Ringabschnitt aufweist, welche relativ zueinander Bewegungen ausführbar ausgebildet sind.
Durch die zueinander relativen Bewegungen des ersten Ringabschnitts und des zweiten Ringabschnitts ist es ermöglicht unterschiedlichen Ausdehnungen beider Abschnitte, welche aufgrund von unterschiedlichen örtlichen Temperaturen an und durch
Wärmetransport in den einzelnen Abschnitten hervorgerufen werden, insofern Rechnung zu tragen, dass der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt weitestgehend unabhängig voneinander entsprechende Ausdehnungen durchführen können ohne eine wesentliche Deformation des verstellbaren Leitapparates hervorzurufen, die wiederum ihrerseits eine Funktionsuntüchtigkeit zur Folge haben könnte. Durch die Möglichkeit der relativen Bewegungen zueinander kann ein Verklemmen der Leitschaufeln infolge einer Deformation des Konturrings vermieden werden, so dass ein gesicherter Betrieb des verstellbaren Leitapparates auch bei hohen Temperaturen realisierbar ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass, da eine entsprechende Deformation im Betrieb der Turbine und somit im Betrieb des verstellbaren Leitapparates bei insbesondere sehr hohen Temperaturen nahezu ausgeschlossen ist, vorgehaltene Spaltbreiten von
Funktionsspalten derart reduziert werden können, dass eine wesentliche Steigerung eines Turbinenwirkungsgrades der Turbine im Betrieb erzielbar ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates sind der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt in radialer Richtung zueinander bewegbar. Der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt sind koaxial zueinander
ausgebildet. Im Betrieb des verstellbaren Leitapparates erfährt der erste Ringabschnitt, welcher im Bereich der Leitschaufeln ausgebildet ist, eine wesentlich höhere Temperatur des Strömungsmediums, im Allgemeinen Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, als der zweite Ringabschnitt, welcher im Bereich von Laufschaufeln des Turbinenrades ausgebildet ist. Dieser Temperaturunterschied ist thermodynamisch bedingt, da im Turbinenrad eine Expansion des Strömungsmediums stattfindet, welche eine
Reduzierung des Druckes und ebenso eine Reduzierung der Temperatur mit sich bringt. Eine Ausdehnung des ersten Ringabschnittes sollte in radialer Richtung erfolgen, da, würde eine axiale Ausdehnung hervorgerufen werden, ein Verklemmen der Leitschaufeln ausgelöst würde. Dementsprechend sollte sich der zweite Ringabschnitt dieser bevorzugten Ausdehnungsrichtung anpassen, wie es mit Hilfe einer radialen
Bewegbarkeit der beiden Bauteile zueinander ermöglicht ist. Vorzugsweise sind der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt getrennt voneinander ausgebildet. Somit ist bereits eine konstruktive Trennung der beiden Ringabschnitte gegeben, sodass eine relative Bewegung der beiden Ringabschnitte zueinander einfach zu gestalten ist.
Damit Strömungsverluste vermeidbar sind weisen der erste Ringabschnitt eine erste Seitenwand und der zweite Ringabschnitt eine zweite Seitenwand auf, wobei die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand einander gegenüberliegend und komplementär sind, so dass ein zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand ausgebildeter Spalt vollständig verschließbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist ein Fixierungselement zur Fixierung der Ringabschnitte vorgesehen. Dieses
Fixierungselement dient der Vermeidung einer axialen Bewegbarkeit der beiden
Ringelemente zueinander, wobei zur sicheren Vermeidung dieser axialen Bewegbarkeit das Fixierungselement an einem der beiden Ringabschnitte unbewegbar angeordnet ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Montage eines verstellbaren Leitapparates angegeben, wobei der verstellbare Leitapparat einen Konturring mit einem ersten Ringabschnitt, einem zweiten Ringabschnitt und einem Fixierungselement aufweist. In einem ersten Schritt werden der erste Ringabschnitt und der zweite Ringabschnitt formschlüssig verbunden und in einem zweiten Schritt wird das Fixierungselement mit dem ersten Ringabschnitt oder dem zweiten Ringabschnitt unbewegbar verbunden.
Die unbewegbare Verbindung kann dabei entweder stoffschlüssig, durch Schweißen, Kleben oder ähnliche Verfahren hergestellt werden, wobei allerdings auch eine formschlüssige Verbindung der beiden miteinander unbewegbar zu verbindenden Teile möglich ist. Die kraftschlüssigen, festen und somit passgenauen Verbindungen lassen sich mit Verfahren wie beispielsweise das Kaltdehnen oder Aufschrumpfen erzielen.
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.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines verstellbaren Leitapparates mit einem vom verstellbaren Leitapparat umfassend aufgenommenen Turbinenrad gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausrichtung eines Konturrings des verstellbaren Leitapparates im Betrieb gem. dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausrichtung eines Konturrings eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates im Betrieb;
Fig. 4 einen Ausschnitt einer Längsschnittansicht eines Konturrings des
erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates und
Fig. 5 eine Längsschnittansicht eines verstellbaren Leitapparates in einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein verstellbarer Leitapparat 1 des Standes der Technik ist gemäß Fig. 1 ausgebildet. Der verstellbare Leitapparat 1 ist in einem nicht näher dargestellten Abgasführungsabschnitt einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine 2 für einen Abgasturbolader eines
Personenkraftwagens, angeordnet. In dem nicht näher dargestellten
Abgasführungsabschnitt ist eine Radkammer 3 ausgebildet, in welcher ein Turbinenrad 4 mit einer Drehachse 5 drehbar aufgenommen ist. Mit Hilfe einer drehfest mit dem
Turbinenrad 4 verbundenen Welle 6 treibt das Turbinenrad 4 ein nicht näher dargestelltes Laufrad eines Verdichters des Abgasturboladers an. Das Turbinenrad 4 besitzt
Laufschaufeln 7, denen Abgas über den das Turbinenrad 4 radial umfassenden verstellbaren Leitapparat 1 zugeführt wird.
Der verstellbare Leitapparat 1 umfasst im Wesentlichen einen Trägerring 10, welcher eine Mehrzahl verdrehbar gelagerter Leitschaufeln 1 1 aufweist, sowie einen Konturring 12, welcher dem Trägerring 10 gegenüberliegend angeordnet ist, derart, dass zwischen dem Trägerring 10 und dem Konturring 12 die Leitschaufeln 11 verdrehbar positionierbar sind.
Zwischen dem Trägerring 10 und der Mehrzahl von Leitschaufeln 1 1 ist ein erster Spalt 13 ausgebildet. Ebenso ist zwischen dem Konturring 12 und der Mehrzahl von
Leitschaufeln 11 ein zweiter Spalt 14 ausgebildet. Zur Wahrung des ersten Spaltes 13 und des zweiten Spaltes 14, welche die Drehbarkeit der Leitschaufeln 11 sichern, sowie zur Abstandssicherung eines Spieles zwischen dem Konturring 12 und den Laufschaufeln 7 sind nicht näher dargestellte Distanzelemente vorgesehen, welche einenends am Trägerring 10 und anderenends an dem Konturring 12 aufgenommen sind.
Der Konturring 12, im Abgasführungsabschnitt fixiert, bildet im Bereich des Turbinenrades 4 eine erste Kontur 15 der Radkammer 3. Diese erste Kontur 15 ist an eine zweite Kontur 16 der Laufschaufeln 7 angepasst ausgestaltet, derart, dass ein Minimalspalt zwischen der ersten Kontur 15 und der zweiten Kontur 16 ausgebildet ist, wobei dieser Minimalspalt den Anforderungen eines Verzugs des Konturrings 12, sowie einer Ausdehnung der Laufschaufeln 7 aufgrund der großen Temperaturänderungen im Abgasführungsabschnitt gerecht werden muss.
In Fig. 2 ist eine Ausrichtung des Konturrings 12 des verstellbaren Leitapparates 1 gemäß dem Stand der Technik im Betrieb der Turbine 2 schematisch dargestellt. Ein im Bereich der Leitschaufeln 11 ausgebildeter erster Ringabschnitt 17 weist eine wesentlich höhere Temperatur im Betrieb der Turbine 2 auf als ein im Bereich der Laufschaufeln 7 ausgebildeter zweiter Ringabschnitt 18. Aus diesen unterschiedlichen Temperaturen im Konturring 12 resultiert ein Biegemoment.
Dieses Biegemoment ist mit Hilfe einer in Fig. 2 eingezeichneten Ideallinie 19 erklärbar, wobei die Ideallinie 19 eine Ausrichtung entlang derer der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 positioniert sein sollten angibt, damit ein Verklemmen der Leitschaufeln auch bei hohen Betriebstemperaturen vermeidbar ist.
Die Temperaturunterschiede im ersten Ringabschnitt 17 und im zweiten Ringabschnitt 18 führen zu einer axialen Verschiebung um einen Betrag a des Konturrings 12 in dem Bereich, in welchem der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 8 miteinander verbunden sind. Durch diese axiale Verschiebung in diesem Bereich weist der Konturring 12 sowohl im ersten Ringabschnitt 17 als auch im zweiten Ringabschnitt 18 eine kegelstumpfförmige Ausbildung auf. Der erste Ringabschnitt 7 ist gegenüber dem zweiten Ringabschnitt 18 nicht mehr rechtwinkelig positioniert.
Dies führt zu einem Verklemmen der Leitschaufeln 11 sowie zu einem Anlaufen der Laufschaufeln 7 am zweiten Ringabschnitt 18.
Eine ideale Ausrichtung des Konturrings 12 des verstellbaren Leitapparates 1 im Betrieb der Turbine 2 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Ausrichtung des ersten
Ringabschnitts 17 erstreckt sich entlang der Ideallinie 19, ebenso wie die Ausrichtung des zweiten Ringabschnitts 18.
Diese Ausrichtung entlang der Ideallinie 19 ist erzielbar mit Hilfe des gemäß Fig. 4 ausgebildeten Konturrings 12. Der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 sind relativ zueinander bewegbar ausgebildet, wobei eine Bewegung ausschließlich in radialer Richtung erfolgen kann. Zur radialen Bewegbarkeit ist der erste Ringabschnitt 17 idealerweise getrennt vom zweiten Ringabschnitt 18 ausgebildet. Mit anderen Worten der Konturring 12 ist nicht mehr einstückig hergestellt, sondern weist den ersten
Ringabschnitt 17 auf, welcher unabhängig vom zweiten Ringabschnitt 18 hergestellt ist. Zur Vermeidung von Spaltverlusten im Betrieb ist eine erste Seitenwand 20 des ersten Ringabschnitts 17 und eine zweite Seitenwand 21 des zweiten Ringabschnitts 18, wobei die erste Seitenwand 20 und die zweite Seitenwand 21 einander gegenüberliegend angeordnet sind, komplementär zueinander ausgebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Seitenwände 20, 21 stufenförmig ausgestaltet, so dass der zweite Ringabschnitt 18 gegen eine axiale Verschiebung aufgrund einer formschlüssigen Verbindung des ersten Ringabschnitts 17 und des zweiten Ringabschnitts 18 gesichert ist. Zur Sicherung der axialen Unbewegbarkeit ist ein Fixierungselement 22 vorgesehen, welches einer Fixierung der beiden Ringabschnitte 17, 18 dient. Das Fixierungselement 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch Schweißen mit dem ersten Ringabschnitt 17 fest verbunden, mit anderen Worten heißt dies, es ist am ersten Ringabschnitt unbewegbar angeordnet.
Zur Montage des Konturrings 12 werden in einem ersten Schritt der erste Ringabschnitt 17 und der zweite Ringabschnitt 18 ineinander bzw. aufeinander oder auch
zusammengesteckt, wobei die erste Seitenwand 20 der zweiten Seitenwand 21 gegenüberliegend zu positionieren ist und in einem zweiten Schritt wird das Fixierungselement 22 mit dem ersten Ringabschnitt 17 verschweißt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt eine Schrumpfverbindung zwischen dem ersten Ringabschnitt 17 und dem Fixierungselement 22, wobei entweder das
Fixierungselement 22 vor dem Zusammenbau ausgedehnt wird, um sich bei Abkühlung passgenau auf dem ersten Ringabschnitt 17 zusammenzuziehen und die entsprechende feste Verbindung herzustellen oder indem der erste Ringabschnitt 17 vor dem
Zusammenbau mit dem Fixierungselement 22 abgekühlt wird, um sich beim Erwärmen auszudehnen und somit die entsprechende passgenaue und feste Verbindung mit dem Fixierungselement 22 auszubilden.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung einer Deformierung des Konturrings 12 ist die Ausbildung des Konturrings 12 in Form einer massiven Scheibe gem. Fig. 5. Eine Scheibendicke SD der Scheibe 12 erstreckt sich ausgehend von einer ersten
Scheibenwand 23, welche den Leitschaufeln 11 gegenüberliegend angeordnet ist bis zu einer zweiten Scheibenwand 24 der Scheibe, welche parallel zur ersten Scheibenwand 23 und in einem Austrittsbereich 25 der Laufschaufeln 7 positioniert ist.

Claims

Patentansprüche
Verstellbarer Leitapparat für eine Turbine, insbesondere für eine Turbine (2) eines Abgasturboladers, mit einem Trägerring (10) aufweisend eine Mehrzahl von am Trägerring (10) verdrehbar gelagerten Leitschaufeln (11 ), sowie mit einem
Konturring (12), welcher dem Trägerring (10) axial gegenüberliegend koaxial angeordnet ist, derart, dass zwischen dem Trägerring (10) und dem Konturring (12) die Leitschaufeln (11 ) verdrehbar positionierbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Konturring (12) einen ersten Ringabschnitt (17) und einen zweiten Ringabschnitt (18) aufweist, welche relativ zueinander Bewegungen ausführbar ausgebildet sind.
Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Ringabschnitt (17) und der zweite Ringabschnitt (18) in radialer Richtung zueinander bewegbar sind.
Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Konturring (12) einen ersten Ringabschnitt (17) und einen zweiten Ringabschnitt (18) aufweist, welche getrennt voneinander ausgebildet sind.
Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Ringabschnitt (17) eine erste Seitenwand (20) und der zweite
Ringabschnitt (18) eine zweite Seitenwand (21 ) aufweist, wobei die erste
Seitenwand (20) und die zweite Seitenwand (21 ) einander gegenüberliegend und komplementär sind. Verstellbarer Leitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Fixierungselement (22) zur Fixierung der Ring abschnitte (17; 18) vorgesehen ist.
Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fixierungselement (22) an einem der Ringabschnitte (17; 18) unbewegbar angeordnet ist.
Verfahren zur Montage eines verstellbaren Leitapparates, aufweisend einen Konturring (12) mit einem ersten Ringabschnitt (17), einem zweiten Ringabschnitt (18) und einem Fixierungselement (22),
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt der erste Ringabschnitt (17) und der zweite Ringabschnitt (18) formschlüssig verbunden werden und
in einem zweiten Schritt das Fixierungselement (22) mit dem ersten Ringabschnitt (17) oder dem zweiten Ringabschnitt (18) unbewegbar verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fixierungselement (22) mit dem ersten Ringabschnitt (17) oder dem zweiten Ringabschnitt (18) stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fixierungselement (22) mit dem ersten Ringabschnitt (17) oder dem zweiten Ringabschnitt (18) kraftschlüssig verbunden wird.
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