[0001] Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere einen VTG-Abgasturbolader,
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0003] Die Vorteile und der Erfolg direkt einspritzender Dieselmotoren bezüglich Fahrbarkeit
und geringem Verbrauch sind durch den Einsatz von Turboladern mit leitschaufelgeregelter
Turbine wesentlich unterstützt worden. Hiermit kann der mögliche Betriebsbereich der
Turbine bei gutem Wirkungsgrad im Vergleich zu bypassgeregelten Turbinen wesentlich
vergrößert werden.
[0004] Bei Einsatz eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ist es bekannt,
dass die Effizienz bei Verwendung von geraden Schaufeln (d.h., Schaufeln mit gerader
Skelett- bzw. Profilmittellinie und einer symmetrischen Dickenverteilung) bei hohen
Aufladegraden an ihre Grenzen stößt. Dies gilt insbesondere für den Anfahrbereich
des Motors (geringe Motordrehzahl bei Volllast). Die Eigenschaften der geraden Schaufeln
bezüglich deren Regelbarkeit können jedoch als gut bezeichnet werden.
[0005] Um die genannten thermodynamischen Defizite der geraden Schaufeln auszugleichen,
schlägt die zuvor genannte
US 6,709,232 B1 den Einsatz gebogener bzw. profilierter Schaufeln vor. Im geschlossenen Zustand dieser
Schaufeln, d.h., wenn die Schaufeln sehr eng beieinanderstehen, kommt es bei der aus
der gattungsgemäßen Druckschrift bekannten Anordnung zu Fehlanströmungen, die zu Verstellmomenten
führen, die entweder in die Richtung des Öffnens der Schaufeln oder des Schließens
der Schaufeln wirken. Weiterhin beeinflusst die Geschwindigkeitsverteilung und die
daraus resultierende Verteilung des statisches Druckes im Kanal, der von zwei benachbarten
Schaufeln gebildet wird, die Momentenbildung auf die Schaufeln. Ferner kann dieser
Effekt zu einer Vergrößerung der Hysterese beim Regelungsvorgang führen, was bis zum
Verlust der Verstellfähigkeit führen kann, falls die auftretenden Kräfte die Kräfte
der Verstelleinrichtung überschreiten.
[0006] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader der im Oberbegriff
des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der gute thermodynamische Eigenschaften
seiner Schaufeln der verstellbaren Turbinengeometrie mit einer verbesserten Regelungseigenschaft
ermöglicht.
[0007] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
[0008] Durch den Einsatz eines Turboladers mit der erfindungsgemäßen Schaufelform kann neben
einer Verbesserung der Thermodynamik durch Verringerung der Totaldruckverluste im
Leitapparat das auftretende Schließmoment deutlich reduziert werden. Somit kann unter
Beibehaltung der Drehachse der Schaufel das Regelungsverhalten verbessert werden.
[0009] Sollen Öffnungsmomente erzielt werden, muss eine Verschiebung der Drehachse zur Schaufelvorderkante
hin erfolgen. Hierfür bietet die erfindungsgemäße Schaufelgeometrie den Vorteil, dass
die Verschiebung der Drehachse im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten
Schaufeln nur um einen geringeren Betrag erfolgen muss. Somit ist ein geringerer radialer
Bauraum im Vergleich zu bekannten Lösungen erforderlich.
[0010] Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
[0011] Die wellenförmige Profilmittellinie der erfindungsgemäßen Schaufel besteht aus zwei
gegenläufigen Wellenbäuchen. Wird diese Profilmittellinienform in ein X-Y-Koordinatensystem
mit horizontaler X-Achse und vertikaler Y-Achse eingetragen, ergeben sich im Anschluss
an die Schaufelvorderkante zunächst negative Y-Werte, die nach dem Durchtritt durch
die X-Achse in positive Y-Werte übergehen und bei denen die Profilmittellinie einen
Wendepunkt aufweist.
[0012] Hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften ergibt sich eine geänderte Ausrichtung
der Schaufelvorderkante, was die Stoßverluste aufgrund einer flacheren Anströmung
der Schaufelvorderkante verringert.
[0013] Ferner ergeben sich in den Kanälen zwischen den Schaufeln geringere Geschwindigkeiten,
was geringere Strömungsverluste ergibt, wobei jedoch eine annähernd gleich bleibende
Umlenkung in Umfangsrichtung aufrecht erhalten werden kann.
[0014] Ferner werden die auftretenden Momente in Richtung "Öffnen" geändert, was durch geringere
Geschwindigkeiten im Kanal erreicht wird, wobei der statische Druck ansteigt und dadurch
in Verbindung mit dem Drehpunkt ein Moment in Richtung "Öffnen" entsteht. Dies gilt
für den vorderen Bereich der Schaufelunterseite und den hinteren Bereich der Schaufeloberseite
Wird der hintere Bereich 13' der Schaufeloberseite geradlinig ausgeführt, ergibt sich
eine Vergrößerung des wirksamen Kanalquerschnitts.
[0015] Dies ergibt wiederum geringere Verluste durch niedrige Geschwindigkeiten im Kanal
bei gleich bleibender Umlenkung in Umfangsrichtung.
[0016] Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine Änderung der auftretenden Momente
in Richtung "Öffnen" durch geringere Geschwindigkeiten im Kanal, was wiederum den
statischen Druck ansteigen lässt, der in Verbindung mit dem Drehpunkt ein Moment in
Richtung "Öffnen" entstehen lässt.
[0017] In Anspruch 5 ist eine erfindungsgemäße Schaufel als selbstständig handelbares Objekt
definiert.
[0018] Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es
zeigt:
- Fig. 1
- eine teilweise aufgebrochene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turboladers;
- Fig. 2
- eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaufel der verstellbaren Turbinengeometrie des Turboladers gemäß Fig. 1;
- Fig. 3
- ein X-Y-Koordinatensystem, in dem der Verlauf der Profilmittellinie bzw. Skelettlinie
der Schaufel gemäß Fig. 2 dargestellt ist;
- Fig. 4 und 5
- weitere Ausführungsvarianten der Schaufel gemäß Fig. 2;
[0019] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 in Form eines VTG-Abgasturboladers
dargestellt.
[0020] Der Turbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2 auf, das eine Abgaseintrittsöffnung
3 und eine Abgasaustrittsöffnung 4 umfasst.
[0021] Ferner ist im Turbinengehäuse 2 ein Turbinenrad 5 angeordnet, das auf einer Welle
6 befestigt ist.
[0022] Eine Mehrzahl von Schaufeln, von denen in Fig. 1 nur die Schaufel 7 zu sehen ist,
ist im Turbinengehäuse 2 zwischen Abgaseintrittsöffnung 3 und dem Turbinenrad 5 angeordnet.
[0023] Natürlich weist der erfindungsgemäße Turbolader 1 auch alle anderen üblichen Bauteile
eines Turboladers wie ein Verdichterrad, das auf der Welle 6 befestigt und in einem
Verdichtergehäuse angeordnet ist, wie auch die gesamte Lagereinheit auf, die jedoch
nachfolgend nicht beschrieben werden, da sie für die Erläuterung der Prinzipien vorliegender
Erfindung nicht erforderlich sind.
[0024] In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel 7 dargestellt.
[0025] Die Schaufel 7 weist eine Schaufelunterseite 8 auf, die im eingebauten Zustand die
dem Turbinenrad 5 zugewandte Schaufelseite ist.
[0026] Ferner weist die Schaufel 7 eine Schaufeloberseite 9 auf, die zusammen mit der Schaufelunterseite
8 die Dicke der Schaufel 7 bestimmt.
[0027] Die Schaufelunterseite 8 und die Schaufeloberseite 9 laufen bei der in Fig. 2 dargestellten
Lage der Schaufel 7 auf der rechten Seite in einer Schaufelvorderkante 10 und auf
der linken Seite in einer Schaufelhinterkante 11 zusammen.
[0028] Die Schaufelunter- und -oberseite 8 bzw. 9 definieren eine zwischen ihnen liegende
Profilmittellinie 12, die auch als Skelettlinie bezeichnet wird. Wie Fig. 2 verdeutlicht,
weist bei der dargestellten Ausführungsform diese Profilmittellinie 12 zwei gegenläufig
gekrümmte Bereiche 12A und 12B auf, deren Ausgestaltung eine wellenförmige Kontur
der Profilmittellinie 12 ergeben, wobei die Bereiche 12A und 12B jeweils nach Art
von Wellenbäuchen ausgebildet sind. Fig. 2 verdeutlicht ferner, dass die Profilmittellinie
12 einen Wendepunkt WP aufweist und ferner verdeutlicht Fig. 2 die Lage des Anströmwinkels
γ an der Schaufelvorderkante 10, die auch als Nase des Profils der Schaufel 7 bezeichnet
wird. Der Anströmwinkel γ ist der spitze Winkel der Tangente der Profilmittellinie
12 im Wendepunkt und der Tangente der Profilmittellinie 12B an der Schaufelvorderkante
10.
[0029] In Fig. 3 ist der Verlauf der Profilmittellinie 12 in einem X-Y-Koordinatensystem
aufgetragen, wobei die X-Achse die Schaufellänge der Schaufel 7 darstellt.
[0030] Der Graph der Profilmittellinie 12 zeigt den an der Schaufelvorderkante 10 beginnenden
Bereich 12B, der zwischen der Schaufelvorderkante 10 (X=0, Y=0) und dem Nulldurchgang
(X≈0,27; Y=0) negative Y-Werte aufweist. Der Nulldurchgang liegt vorzugsweise in einem
Bereich zwischen X=0,10 und X=0,40.
[0031] Der zweite Bereich 12A weist ab dem genannten Nulldurchgang stets positive Werte
bis zur Schaufelhinterkante 11 (X=1, Y=0) auf. Der Wendepunkt WP liegt bei einem Wert
von etwa X=0,4; Y=0,02).
[0032] Bei der in Fig. 3 gewählten Darstellung handelt es sich um einen Verlauf der Profilmittellinie
bzw. Skelettlinie 12, gebildet als senkrechter Abstand relativ zur Sehne, die durch
lineare Verbindung der Schaufelvorder- und der Schaufelhinterkante gebildet wird und
die Länge der Schaufel repräsentiert.
[0033] Die Fig. 4 und 5 stellen zwei grundsätzlich denkbare Ausführungsvarianten der Schaufel
7 gemäß Fig. 2 dar. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die Oberseite 9 im Bereich
13 anschließend an die Schaufelhinterkante 11 gekrümmt ausgebildet. Dieser Bereich
ist in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 13' gekennzeichnet und ist abgeplattet, also nicht
gekrümmt, sondern flach ausgebildet.
[0034] Zur Offenbarung der Merkmale vorliegender Erfindung wird zusätzlich zur schriftlichen
Beschreibung explizit auf die zeichnerische Darstellung verwiesen.
Bezugszeichenliste
[0035]
- 1
- Turbolader
- 2
- Turbinengehäuse
- 3
- Abgaseintrittsöffnung
- 4
- Abgasaustrittsöffnung
- 5
- Turbinenrad
- 6
- Welle
- 7, 7'
- Schaufeln
- 8, 8'
- Schaufelunterseite (untere Leitflächen)
- 9, 9'
- Schaufeloberseite (obere Leitflächen)
- 10, 10'
- Schaufelvorderkante
- 11, 11'
- Schaufelhinterkante
- 12, 12'
- Profilmittellinie (Skelettlinie)
- 12A, 12B
- Bauchige Bereiche der Profilmittellinie 12
- 13, 13'
- Hintere Bereiche der Profiloberseite 9 bzw. 9'
- WP
- Wendepunkt
- γ
- Anströmwinkel
1. Turbolader (1)
mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Abgaseintrittsöffnung (3) und eine Abgasaustrittsöffnung
(4) aufweist;
mit einem Turbinenrad (5), das auf einer Welle (6) befestigt und im Turbinengehäuse
(2) angeordnet ist;
mit einer Mehrzahl von Schaufeln (7; 7'), die im Turbinengehäuse (2) zwischen der
Abgaseintrittsöffnung (3) und im Turbinenrad (5) angeordnet sind, wobei jede Schaufel
folgendes aufweist:
• eine Schaufelunterseite (8; 8') und eine Schaufeloberseite (9; 9'), die die Schaufeldicke
bestimmen,
• eine Schaufelvorderkante (10; 10') an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite
(8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'),
• eine Schaufelhinterkante (11; 11') an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite
(8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'),
• eine Profilmittellinie (12; 12'), die von der Schaufelunterseite (8; 8') und der
Schaufeloberseite (9; 9') definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante
(10; 10') zur Schaufelhinterkante (11; 11') verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
• dass der Verlauf der Profilmittellinie (12; 12') wellenförmig mit zwei gegenläufigen Wellenbäuchen
(12A, 12B) ist.
2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7) einen hinteren Bereich (13) der Schaufeloberseite (9) aufweist,
der gekrümmt ist.
3. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7') einen hinteren Bereich (13') der Schaufeloberseite (9') aufweist,
der flach ausgebildet ist
4. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmwinkel γ vorzugsweise in einem Bereich von 10° bis 30 ° liegt.
5. Schaufel (7; 7') eines Turboladers (1), der ein Turbinengehäuse (2) mit einer Abgaseintrittsöffnung
(3) und einer Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist, in dem ein auf einer Welle (6) befestigtes
Turbinenrad (5) angeordnet ist, wobei die Schaufel (7) folgendes umfasst:
• eine Schaufelunterseite (8; 8') und eine Schaufeloberseite (9; 9'), die die Schaufeldicke
bestimmen,
• eine Schaufelvorderkante (10; 10') an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite
(8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'),
• eine Schaufelhinterkante (11; 11') an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite
(8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'), und
• eine Profilmittellinie (12; 12'), die von der Schaufelunterseite (8; 8') und der
Schaufeloberseite (9; 9') definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante
(10; 10') zur Schaufelhinterkante (11; 11') verläuft, gekennzeichnet durch wenigstens eines der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 3.