DE3912348C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbo­ lader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Turbine dieser Art ist nach der US-PS 47 29 715 bekannt. Bei dieser Turbine strömt das Abgas durch Umführungskanäle in den winkelverstellbaren Leitschaufeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer solchen Turbine im Teillastbetrieb unabhängig vom Neigungswinkel der verstellbaren Leitschaufeln zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Abgasturbolader mit einer Turbine einer ersten Ausführungs­ form;

Fig. 2 eine Teilansicht in Richtung eines Pfeils II in Fig. 1;

Fig. 3 in einer der Fig. 2 entsprechenden Ansicht eine Turbine einer zweiten Ausführungsform.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Turbine 12 variabler Verdrän­ gung für einen Abgasturbolader mit einem Kompressor 13. Der Ab­ gasturbolader weist ein die Turbine 12 aufnehmendes Turbinen­ gehäuse 14 und ein den Kompressor 13 aufnehmendes Kompressor­ gehäuse 15 auf. Das Turbinengehäuse 14 und das Kompressor­ gehäuse 15 sind durch ein zwischen ihnen angeordnetes zentra­ les Gehäuse 16 fest miteinander verbunden.

Die Welle 23 kann durch ein mit ihrem in Fig. 1 linken Ende verbundenes Laufrad 35 um ihre Achse gedreht werden. Das Laufrad 35, die Welle 23 und das Turbinenschaufelrad 22 sind daher gemeinsam mitein­ ander drehbar. Die Welle 23 dient als Ausgangswelle der Turbine 12.

In den Spielkanal 36 eingeleitete Abgase werden durch die variablen Düsen 38 und Umführungs­ kanäle 43 als verwirbelte Strömung zum Laufrad 35 geführt, wodurch dieses in Rotation versetzt wird. Danach werden die Abgase durch den Axialkanal 37 in den Schalldämpfer geleitet.

Fig. 2 zeigt die Turbine 12 in Richtung eines Pfeils II in Fig. 1, wobei jedoch das Turbinengehäuse 14 aus Über­ sichtlichkeitsgründen weggelassen ist. An der Basisplatte 33 sind abwechselnd feste Leitschaufeln 39 und verstellbare Leitschaufeln 40 in kreisförmiger Anordnung konzentrisch zum Laufrad 35 befestigt. Die festen Leitschaufeln 39 sind im wesentlichen flügelförmig ausgebildet, d. h. sie werden von ihrer Wurzel zu ihrem freien Ende hin fortlaufend spitzer. Sie sind durch Schweißen oder anderweitig so an der Basisplatte 33 befestigt, daß sie in Umfangsrichtung verlaufen. Die verstellbaren Schaufeln 40 sind ebenfalls im wesentlichen flügelförmig ausgebildet und mit ihrer Wur­ zel am inneren Ende je einer Welle 41 befestigt, die dreh­ bar so durch die Basisplatte 33 verläuft, daß die verstell­ baren Leitschaufeln 40 in Umfangsrichtung verlaufen.

Mit einer (nicht dargestellten) Betätigungseinrichtung ge­ koppelte Gelenke 42 sind mit den Außenenden der Wellen 41 verbunden. Wenn die Wellen 41 durch die Betätigungseinrich­ tung über die Gelenke 42 gedreht werden, so werden die ver­ stellbaren Leitschaufeln 40 mit den Wellen 41 um die Achsen dieser Wellen 41 verstellt. Die variablen Düsen 38 sind je­ weils zwischen der radial inneren Oberfläche des freien Endes einer der festen Leitschaufeln 39 und der radial äußeren Oberfläche des freien Endes einer benachbarten ver­ stellbaren Leitschaufel 40 ausgebildet. In den festen Leit­ schaufeln 39 ist jeweils ein im wesentlichen radialer Umführungskanal 43 vorgesehen, der ein radial inneres offenes Ende im Bereich des Laufrades 35 hat und unter einem vorgegebenen Winkel in bezug auf das Drehzentrum des Laufrades 35 geneigt ist. Diese Umführungskanäle 43 umgehen die entsprechenden variablen Düsen 38, so daß die Abgase immer vom Spiralkanal 36 durch die Umführungskanäle 43 zum Laufrad 35 strömen können.

Der Abgasturbolader arbeitet folgendermaßen:
In Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Motors be­ tätigt die Betätigungseinrichtung die Gelenke 42, um die Winkel der verstellbaren Leitschaufeln 40 einzustellen, wodurch wiederum die Öffnung der variablen Düsen 38 einge­ stellt wird. Gemäß Fig. 2 sind die variablen Düsen 38 voll­ ständig geschlossen, wenn die freien Enden der verstellbaren Leitschaufeln 40 gegen die entsprechenden freien Enden der festen Leitschaufeln 39 gehalten werden. Selbst wenn die variablen Düsen 38 vollständig geschlossen sind, wird jedoch der Spiralkanal 36 durch die Umführungskanäle 43 mit dem das Laufrad 35 umgebenden Raum in Verbindung gehalten. Die Umführungskanäle 43 legen daher eine Minimalöffnung fest, über die der Spiralkanal 36 mit dem das Laufrad 35 umgebenden Raum in Verbindung steht.

Vom Abgaseinlaß 14b in den Spiralkanal 36 der Turbine 12 eingeleitete Abgase werden durch die Umführungskanäle 43 unter einem vorgegebenen Winkel gegen das Drehzentrum des Laufrades 35 geführt. Sind die variablen Düsen 38 in den Hälsen 36a auch nur geringfügig geöffnet, so werden die Ab­ gase im Spiralkanal 36 auch durch die variablen Düsen 36 auf das Laufrad 35 gerichtet. Die durch die variablen Düsen 38 und die Umführungskanäle 43 geführten Abgase versetzen das Laufrad 35 in Drehung. Rotiert das Laufrad 35, so wer­ den die Welle 23 und das Turbinenschaufelrad 22 gemeinsam in Drehung versetzt, so daß der Kompressor 13 Luft ver­ dichten kann.

Die Umführungskanäle 43 gewährleisten eine Minimalöffnung zwischen dem Spiralkanal 36 und dem das Laufrad 35 umgeben­ den Raum. Daher kann eine ausreichende Abgasmenge durch die Umführungskanäle 43 strömen und unabhängig vom Neigungs­ winkel der verstellbaren Leitschaufeln 40 unter einem bestimmten Winkel auf das Laufrad 35 auftreffen. Unabhängig von der Winkelstellung des Laufrades 35 und dem Neigungs­ winkel der verstellbaren Leitschaufeln 40 wird daher die Energie der zugeführten Abgase wirksam in Rotationsenergie des Laufrades 35 überführt, so daß ein hoher Turbinenwir­ kungsgrad im Teillastbetrieb gewährleistet ist. Die Umführungs­ kanäle 43 können ohne Erhöhung der Anzahl der verstellbaren Leitschaufeln 40 sowie der festen Leitschaufeln 39 realisiert werden. Im Bedarfsfall können in jeder der festen Leitschaufeln 39 mehrere Umführungskanäle 43 vorgesehen werden. Ähnliche Um­ führungskanäle können auch in den verstellbaren Leitschau­ feln 40 vorgesehen werden. Die Turbine 12 ist bei alledem einfach aufgebaut und kann billig hergestellt werden.

Der Spiralkanal 36 hat eine Minimalöffnung zu dem das Lauf­ rad 35 umgebenden Raum, ohne daß in einer seiner Wandflächen Stufen oder ähnliche Elemente zum Abstoppen der verstell­ baren Leitschaufeln 40 vorgesehen sind. Die Umführungskanäle 43 können mittels eines relativ einfachen Verfahrens her­ gestellt werden. Dabei ist für die äußeren Profile der Leit­ schaufeln 39, 40, welche zusammen die variablen Düsen 38 bilden, keine hohe Genauigkeit erforderlich. Die Turbine 12 kann daher mittels eines einfachen Verfahrens hergestellt werden. Die Umführungskanäle 43 sind sehr dauerhaft, da sie von den verstellbaren Leitschaufeln 40 unabhängig sind.

Fig. 3 zeigt eine Turbine 112 gemäß einer zweiten Ausfüh­ rungsform, in der gleichen Richtung wie die Turbine 12 in Fig. 2 gesehen. Diejenigen Teile der Turbine 112 nach Fig. 3, welche mit den Teilen der Turbine 12 identisch sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden im fol­ genden nicht genauer beschrieben.

Gemäß Fig. 3 haben die festen Leitschaufeln 39 jeweils eine Ausnehmung 39a im Bereich ihrer Wurzel. Eine Oberfläche der festen Leitschaufeln 39, welche die jeweilige Ausneh­ mung 39a begrenzt, sowie eine gegenüberstehende Oberfläche im Bereich der Wurzel einer benachbarten verstellbaren Leit­ schaufel 40 bilden zwischen sich einen Umführungskanal 143.

Dieser Umführungskanal 143 hat ein offenes Ende im Bereich des Laufrades 35, das unter einem vorgegebenen Winkel zum Drehzentrum des Laufrades 35 geneigt ist. Die Umführungs­ kanäle 143 ermöglichen eine Strömung von Abgasen vom Spi­ ralkanal 36 zum Drehzentrum des Laufrades 35 unter einem be­ stimmten Winkel.

In der Turbine 112 sind in einer Wandfläche des Spiral­ kanals 36 (nicht dargestellte) Stufen vorgesehen, welche einen minimalen Anstellwinkel der verstellbaren Leitschaufeln 40 festlegen, wodurch eine Minimalöffnung der variablen Düsen 38 festgelegt wird, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Selbst wenn die Öffnung der variablen Düsen 38 minimal ist, können daher Abgase im Spiralkanal 36 durch die Um­ führungskanäle 38 sowie die variablen Düsen 38 zum Lauf­ rad 35 strömen.

Da die die Umführungskanäle 143 bildenden Ausnehmungen 39a in besonders einfacher Weise in den festen Leitschaufeln 39 ausgebildet werden können, bietet die Turbine 112 Vorteile gegenüber der Turbine 12 gemäß den Fig. 1 und 2. Werden die variablen Düsen 38 auf ihren Minimalwert geöffnet, so wer­ den Abgase im Spiralkanal 36 durch die Umführungskanäle 43 und die variablen Düsen 38 auf das Laufrad 35 geleitet. Selbst bei minimaler Öffnung der variablen Düsen 38 wird daher ein hoher Turbinenwirkungsgrad erreicht, wobei der Motor ausreichend überladen wird, wenn er im Bereich kleiner Drehzahlen arbeitet.

Claims (2)

1. Turbine (12; 112) für einen Abgasturbolader mit festen Leitschaufeln (39) und winkelverstellbaren Leitschaufeln (40), die abwechselnd ringförmig zwischen einem Spiral­ kanal (36) und einem Laufrad (35) angeordnet sind, bei der zwischen den festen Leitschaufeln (39) und den winkel­ verstellbaren Leitschaufeln (40) in Abhängigkeit von der Winkelstellung der winkelverstellbaren Leitschaufeln (40) variable Düsen (38) gebildet sind und bei der den Spiralkanal (36) mit dem Laufrad (35) verbindende Umführungskanäle (43; 143) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Umführungskanäle (43; 143) in den festen Leitschaufeln (39) ausgebildet sind und ihre Auslässe unter einem vorgegebenen Winkel zum Laufrad (35) weisen.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umführungskanäle (143) durch Ausnehmungen (39a) zwischen jeweils einem Ende einer festen Leitschaufel (39) und einem benachbarten Ende einer winkelverstellbaren Leit­ schaufel (40) gebildet sind.