Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der
Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft eine Befestigungsvorrichtung für eine Leitvorrichtung, mit welcher die
Leitvorrichtung an dem Gehäuse einer solchen Strömungsmaschine befestigt wird.
Stand der Technik
[0002] Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen (Hubkolbenmotoren)
eingesetzt. Ein Abgasturbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom der Brennkraftmaschine
und einem Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Das Turbinenrad der Abgasturbine
wird vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine in Rotation versetzt und treibt über eine
Welle das Laufrad des Verdichters an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt
der Brennkraftmaschine, so dass beim Ansaugen eine größere Menge Luft in die Brennkammern
gelangt. Abgasturbinen werden auch als Nutzturbinen eingesetzt. In diesem Fall treiben
sie über die Welle nicht den Verdichter eines Abgasturboladers an, sondern einen Generator
oder über eine Kupplung ein anderes, mechanisches Nutzteil.
Die jüngste Entwicklung im Bereich moderner Hubkolbenmotoren wird von der Reduktion
der Emissionen, der Kosten und des Brennstoffverbrauchs getrieben. Das Aufladesystem
des Motors trägt dabei massgeblich zur Erreichung der Entwicklungsziele bei. In der
Vergangenheit sind bei Grossmotoren überwiegend Abgasturbolader mit Turbinen- und
Verdichterkomponenten mit festen Geometrien verwendet worden (Fix-Geometrien). Diese
Geometrien sind für jeden einzelnen Motor ausgelegt und angepasst worden. Während
dem Betrieb des Motors waren sie aber unveränderlich. Um zukünftig eine noch bessere
Anpassung des Abgasturboladers an den Motor während dem Betrieb zu ermöglichen, steht
der Einsatz von im Betrieb verstellbaren (oder variablen) Turbinengeometrien (VTG)
vermehrt zur Diskussion. Dabei wird die Öffnung der Leitschaufeln der Leitvorrichtung
der Abgasturbine durch eine Verdrehung der Leitschaufeln variiert. Die Verwendung
von verstellbaren Turbinengeometrien ist bekannter Stand der Technik und insbesondere
im Bereich der Kleinmotoren, wie sie etwa in Personenkraftwagen eingesetzt werden,
weit verbreitet. Bei den Grossmotoren werden bereits heute bei Gasmotoren, die eine
genaue Regelung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses erfordern, variable Turbinengeometrien
verwendet. In der Zukunft ist mit verbreitetem Einsatz von variablen Turbinengeometrien
bei Grossmotoren zu rechnen.
Die Strömungskomponenten des Turboladers sind aus Gründen der Wirtschaftlichkeit für
hohe spezifische Durchsätze entwickelt worden (hoher Massenstrom im Vergleich zur
geometrischen Grösse). Die Laufschaufeln der Turbinen solcher Turbomaschinen können
hohen Schwingungsanregungen ausgesetzt sein. Um ein sicheres Betriebsverhalten zu
gewährleisten, sollte bei der Entwicklung der Turbine eine sehr genaue Abstimmung
von Leitvorrichtung (Düsenring) und Laufschaufelgeometrie gemacht werden.
Insbesondere kann das Problem auftreten, dass die Leitschaufeln der Leitvorrichtung
für die Laufschaufeln des Turbinenrades eine periodische Störung darstellen, mit Frequenz
gleich Leitschaufelzahl mal Drehzahl. Stimmt diese Frequenz mit Eigenfrequenzen der
Laufschaufeln überein, können Resonanzen entstehen. Die Wechselspannungen in diesen
Resonanzen können allenfalls zu Materialschäden führen. Es ist bekannt, dass die Resonanzamplituden
mit abnehmender Öffnung der Leitschaufeln ansteigen. Dies kann zur Begrenzung der
zulässigen Öffnungen der Leitschaufeln führen. Bei der variablen Turbinengeometrie
ist es wichtig, einen grossen Verstellbereich der Leitschaufelöffnung zu Verfügung
zu haben. Falls der Bereich der zulässigen Leitschaufelöffnungen durch unzulässige
Resonanzen eingeschränkt werden muss, reduziert sich der Nutzen der variablen Turbinengeometrie.
Aus "Theoretical and Experimental Analysis of the Reduction of Rotor Blade Vibration
in Turbomachinery Through the use of Modified Stator Vane Spacing"; R. H. Kemp, M.
H. Hirschberg, W. C. Morgan. NACA Technical Note 4374, 1958 ist bekannt, dass eine
ungleichmässige Verteilung der Umfangsposition der Leitschaufeln eine deutliche Reduktion
der Resonanzamplituden bewirken kann. Die ungleichmässige Anordnung der Leitschaufeln
wird heute bei vielen Turbomaschinen verwendet, um Resonanzamplituden zu reduzieren.
Die variable Leitvorrichtung (VTG) wird bei Abgasturboladern für Grossmotoren in der
Regel als separates Modul gebaut und an den Gasein- und Gasaustrittsgehäusen der Abgasturbine
befestigt, wie dies in der Fig.1 angedeutet ist. Das Gaseintrittsgehäuse und das Gasaustrittsgehäuse
sind in der Regel für den Anbau an unterschiedlichen Motoren in Stufen von bestimmten
Winkeln, beispielsweise 15°, frei drehbar. Dies führt typischerweise zur Verwendung
von über den Umfang gleichmässig verteilten Schrauben (bei Abschnitten von 15°, ergibt
dies 24 Schrauben). Bei der Verwendung von ungleichmässig angeordneten Leitschaufeln
werden Kollisionen zwischen den Leitschaufeln und den Schrauben unvermeidlich.
Kurze Darstellung der Erfindung
[0003] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verstellbare Leitvorrichtung für eine
Strömungsmaschine, etwa eine Abgasturbine, derart zu optimieren, dass die zur Befestigung
am benachbarten Gehäuse verwendeten Befestigungsmittel unabhängig von der Ausrichtung
der Leitvorrichtung zum Gehäuse angebracht werden können.
Die Erfindungsidee besteht in der Verlagerung der Befestigung für den Anbau der Leitvorrichtung
in den Bereich radial ausserhalb der Leitschaufeln, insbesondere radial ausserhalb
der Leitschaufel-Schäfte. Damit kann die Umfangsposition der Leitschaufeln innerhalb
der vorgegebenen Winkel frei gewählt werden. Es entstehen keine Kollisionen zwischen
den Leitschaufeln und den Befestigungsmitteln.
Die Leitschaufeln können sowohl gleichmässig wie ungleichmässig am Umfang verteilt
werden.
Für die ungleichmässige Anordnung werden die Leitschaufeln durch ungleichmässige Verteilung
der Leitschaufelaufnahme im Entlastungsring, Trägerring und Nutenring verwirklicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0004] Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert
erläutert. Hierbei zeigt
- Fig. 1
- einen Schnitt durch eine Abgasturbine mit einer verstellbaren Leitvorrichtung gemäss
dem Stand der Technik, und
- Fig. 2
- einen Schnitt durch eine Abgasturbine mit einer erfindungsgemäss ausgebildeten, verstellbaren
Leitvorrichtung.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0005] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer herkömmlichen Axialturbine eines Abgasturboladers.
Das Turbinenrad 10 ist auf der um die Achse A drehbar in einem Lagergehäuse gelagerten
Welle 30 angeordnet. Das Turbinenrad 10 umfasst eine Vielzahl von Laufschaufeln 11,
welche am radial äusseren Rand des Turbinenrades entlang dem Umfang verteilt angeordnet
sind. Die Abgasströmung in dem Strömungskanal ist mit Pfeilen angedeutet. Die Laufschaufeln
des Turbinenrades werden in axialer Richtung angeströmt. Stromaufwärts der Laufschaufeln
11 der Abgasturbine ist eine verstellbare Leitvorrichtung (Verstellbare Turbinengeometrie)
angeordnet. Diese verstellbare Leitvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Leitschaufeln
41, welche jeweils einen Schaft 42 aufweisen. Jede der Leitschaufeln 41 ist jeweils
mit ihrem Schaft 42 um die Achse B drehbar im Gehäuse gelagert. Das Gehäuse der Leitvorrichtung
umfasst im wesentlichen einen Tragring 40, welcher den Strömungskanal ringförmig umschliesst.
Zum Strömungskanal hin kann der Tragring 40 noch einen Entlastungsring 45 umschliessen.
Die Schäfte 42 der Leitschaufeln 41 sind im Tragring 40 in dafür vorgesehenen Bohrungen
angeordnet. Die Bohrungen verlaufen, wie die Schäfte 42 der Leitschaufeln 41, im wesentlichen
in radialer Richtung. Der Tragring ist mit Befestigungsmitteln 50 am Gasaustrittsgehäuse
20 befestigt. Als Befestigungsmittel werden Bolzen oder Schrauben verwendet. Die verstellbare
Leitvorrichtung umfasst weiter einen Verstellring 43 sowie pro Leitschaufel einen
Verstellhebel 44. Zum Verstellen der Leitvorrichtung wird der Verstellring 43 in Umfangsrichtung
bewegt. Die Verstellhebel 44 übertragen die Rotationsbewegung auf die Schäfte 42 der
Leitschaufeln.
[0006] Bei der erfindungsgemäss ausgeführten Leitvorrichtung nach Fig. 2 sind die Befestigungsmittel
radial ausserhalb der Lagerstellen 46 der Leitschaufel-Schäfte 42, bzw. radial ausserhalb
der freien Enden der Leitschaufel-Schäfte angeordnet. Der Radius r
2, ausserhalb dessen sich die Befestigungsmittel 50 befinden ist somit grösser als
der Radius r
1, innerhalb dessen sich die Leitschaufel-Schäfte befinden.
Damit können die Leitschaufeln 41 sowohl gleichmässig wie ungleichmässig entlang des
Umfangs des Trägerrings verteilt werden, ohne dass dadurch die Befestigungsmittel
50 und die Schäfte 42 der Leitschaufeln einander kreuzen. Die ungleichmässige Anordnung
der Leitschaufeln 41 wird durch ungleichmässige Verteilung der Leitschaufelaufnahme
im Entlastungsring 45, Trägerring 40 und Verstellring verwirklicht. Der Trägerring
40 lässt sich auch bei unregelmässig verteilten Leitschaufeln in jedem Winkel bezüglich
des Gasaustrittsgehäuses 20 positionieren, welcher die entlang dem Umfang verteilt
angeordneter Bohrungen für die Befestigungsmittel zulassen. Die Umfangsposition der
Leitschaufeln kann somit innerhalb der vorgegebenen Winkel frei gewählt werden.
Das Gaseintrittsgehäuse 21 kann radial innerhalb des Verstellhebels 44 mit separaten
Befestigungsmitteln mit dem Trägerring 40 verbunden werden, wie in Fig. 2 angedeutet.
Bezugszeichenliste
[0007]
- 10
- Turbinenrad
- 11
- Laufschaufeln des Turbinerads
- 20
- Gasaustrittsgehäuse der Abgasturbine
- 30
- Welle des Abgasturboladers
- 40
- Trägerring, Gehäuse der Leitvorrichtung
- 41
- Leitschaufeln, verstellbar
- 42
- Schaft der Leitschaufel
- 43
- Verstellring
- 44
- Verstellhebel
- 45
- Entlastungsring
- 46
- Lagerstellen zur Lagerung des Schaftes der Leitschaufel
- 50
- Befestigungsmittel zur Befestigung des Trägerrings am Turbinengehäuse
- r1
- Aussenradius der Leitschaufel-Schäfte
- r2
- Innenradius der Befestigungsmittel zur Befestigung des Trägerrings am Turbinengehäuse
- A
- Achse der Welle des Abgasturboladers
- B
- Achse des Schaftes der Leitschaufel
1. Befestigungsvorrichtung zur Befestigung einer Leitvorrichtung an einem Gehäuse (20),
umfassend einen Trägerring (40) der Leitvorrichtung, wobei der Trägerring (40) Lagerstellen
(46) zur Aufnahme von Leitschaufel-Schäften (42) und Befestigungsmittel (50) zum Befestigen
des Trägerrings (40) an dem Gehäuse (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstellen (46) zur Aufnahme der Leitschaufel-Schäfte (42) radial innerhalb
eines ersten Radius (r1) angeordnet sind und die Befestigungsmittel (50) radial ausserhalb eines zweiten
Radius (r2) angeordnet sind, und dass der Radius (r1) kleiner ist als der zweite Radius (r2).
2. Strömungsmaschine, umfassend ein Gehäuse (20) sowie eine Befestigungsvorrichtung nach
Anspruch 1 mit einer ringförmig ausgebildeten Leitvorrichtung mit drehbaren Leitschaufeln
(40), welche entlang dem Umfang der Leitvorrichtung verteilt angeordnet und je mit
einen radial verlaufenden Schaft (42) in dem Trägerring (40) der Leitvorrichtung gelagert
sind, wobei die Schäfte (42) der Leitschaufeln innerhalb des ersten Radius (r1) angeordnet sind.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, wobei die Leitschaufeln (40) entlang dem Umfang
der Leitvorrichtung ungleichmässig verteilt, das heisst in unterschiedlichen Abständen
zueinander, angeordnet sind.
4. Abgasturbolader, umfassend eine Abgasturbine, welche als Strömungsmaschine gemäss
Anspruch 2 oder 3 ausgebildet ist.