DE10226696A1

DE10226696A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10226696A1
Application number: DE2002126696
Authority: DE
Inventors: Reinhard Weisner; Shicheng Zhang
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-06-15
Filing date: 2002-06-15
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist eine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasturbine und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter auf, der über einer Welle mit der Turbine verbunden ist. Das Trubinenrad der Abgasturbine besitzt einen die Turbinenschaufeln radial umgreifenden Deckring, wobei zwischen benachbarten Turbinenschaufeln ein tunnelartiger Strömungsweg gebildet ist. Der Deckring weist in Achsrichtung und/oder in Umfangsrichtung des Turbinenrades Abschnitte unterschiedlicher Dicke auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift DE 197 27 140 C1 ist ein derartiger Abgasturbolader bekannt, der eine Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine sowie einen von der Turbine angetriebenen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst, wobei der Verdichter Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck komprimiert, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die Abgasturbine ist mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet, über die der wirksame Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad zwischen einer minimalen Staustellung und einer maximalen Offenstellung veränderlich einstellbar ist. Hierdurch können in verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine unterschiedliche Abgasgegendrücke eingestellt werden, über die die Laderleistung beeinflusst werden kann. Die variable Turbinengeometrie kann insbesondere auch im Motorbremsbetrieb vorteilhaft verwendet werden, indem der Strömungseintrittsquerschnitt auf ein Minimum reduziert wird, woraufhin sich im Abgasstrang stromauf der Turbine ein hoher Abgasgegendruck aufbaut, gegen den die Kolben der Brennkraftmaschine ausschieben müssen.

Sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb ist das Turbinenrad hohen mechanischen und thermischen Belastungen unterworfen, denen das Turbinenrad über eine lange Betriebsdauer standhalten muss.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader zu schaffen, der über eine lange Betriebsdauer hohe Leistungen zu erzeugen in der Lage ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Das Turbinenrad des Abgasturboladers besitzt einen die Turbinenschaufeln radial umgreifenden Deckring, welcher zweckmäßig auf der radial außen liegenden Außenseite der Turbinenschaufeln angeordnet ist und benachbarte Turbinenschaufeln miteinander verbindet, wobei zwischen Turbinenradnabe auf der radial innen liegenden Seite und dem Deckring auf der radial außen liegenden Seite ein Strömungsweg für das Abgas gebildet ist. Der Deckring weist in Achsrichtung und/oder in Umfangsrichtung des Turbinenrades Abschnitte unterschiedlicher Dicke auf. Über die Variierung der Dicke kann die aus den Fliehkräften resultierende Beanspruchung des Deckringes in der Weise eingestellt werden, dass die Dehnungen des Deckringes über den Umfang gesehen gleichmäßig ausfallen, wodurch einerseits Spannungen im Deckring reduziert werden und andererseits die Gefahr von Fehlluftströmen zwischen der radialen Außenseite des Deckringes und dem begrenzenden Turbinengehäuse reduziert ist. Der Deckring verbessert zugleich in signifikanter Weise die Steifigkeit und Festigkeit der Turbinenschaufeln, so dass das Turbinenrad höhere Leistungen ohne Schädigungen aufnehmen kann. Des Weiteren wird durch die größere Oberfläche eine bessere Wärmeverteilung und Wärmeabstrahlung erreicht, wodurch insbesondere die verhältnismäßig dünnwandigen Turbinenschaufeln in ihrem radial außen liegenden Bereich thermisch entlastet werden.

Die unterschiedliche Dickenverteilung im Deckring erfolgt zweckmäßig in Umfangsrichtung, kann aber auch zusätzlich oder alternativ auch in Achsrichtung des Turbinenrades erfolgen. Bei einer Dickenverteilung in Umfangsrichtung besitzt der Deckring vorteilhaft im zwischenliegenden Bereich zwischen benachbarten Turbinenschaufeln eine geringere Dicke als im Bereich unmittelbar benachbart zum radial außen liegenden Schaufelabschnitt, welcher insbesondere mit dem Deckring verbunden ist, so dass in diesem Abschnitt eine höhere Festigkeit im Deckring besteht als im zwischen zwei Schaufeln liegenden Bereich des Deckringes. Der zwischen zwei Schaufeln liegende Bereich des Deckringes kann sich unter dem Einfluss der Fliehkräfte radial nach außen wölben. Durch die Verringerung der Wandstärke in diesem Bereich wird diese durch Fliehkräfte hervorgerufene Wölbung reduziert, insbesondere auf ein Maß reduziert, um das sich der Deckring auch im Bereich der Schaufeln unter dem Einfluss der Fliehkräfte nach außen dehnt, wodurch eine insgesamt über den Umfang gesehen gleichmäßigere Dehnung erreicht wird.

Zweckmäßig nimmt die Wandstärke des Deckringes in Umfangsrichtung gesehen von den Schaufeln ausgehend kontinuierlich ab und erreicht in der Mitte zwischen zwei benachbarten Schaufeln ein Minimum. Auf Grund der kontinuierlichen Dickenänderung werden Steifigkeitssprünge im Deckring vermieden. Durch die Dickenreduzierung wird außerdem der Nebeneffekt erzielt, dass das Trägheitsmoment des Deckringes verringert wird, wodurch ein besseres Instationärverhalten des Turboladers mit einem besseren Ansprechverhalten erzielt wird.

Die Außenkontur des Deckringes wird, gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, derart gestaltet, dass in beliebigen Schnittebenen senkrecht zur Turbinenradachse der Deckring über seinen Umfang einen konstanten Außenradius aufweist. Dies gilt insbesondere für beliebige axiale Positionen am Deckring, dessen Außenkontur sich in Achsrichtung gesehen zwar entsprechend der Schaufelform radial erweitern bzw. verjüngen kann, jedoch an jeder axialen Position in Umfangsrichtung gesehen einen konstanten Außendurchmesser besitzt. Die Dickenänderung in der Wandstärke des Deckringes wird in dieser Ausführung durch Variierung des Innenradius erzielt.

Der Deckring kann über seinen Umfang verteilt eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweisen, über die einerseits eine weitere Reduzierung des Trägheitsmomentes des Turbinenrades zu erreichen ist und die andererseits dazu dient, große Steifigkeitsänderungen bzw. Steifigkeitssprünge, insbesondere im Bereich der Turbinenschaufeln zu vermeiden. Die Ausnehmungen weisen zweckmäßig die Form halb offener Aussparungen im zwischenliegenden Bereich zwischen benachbarten Turbinenschaufeln auf, derart, dass der Deckring in dem zwischenliegenden Bereich in Achsrichtung gesehen eine geringere Breite aufweist als in dem Bereich, der unmittelbar der Schaufel benachbart ist. Der Übergang zwischen der breitesten Stelle des Deckringes im Bereich der Turbinenschaufeln und der schmalsten Stelle im Bereich zwischen zwei benachbarten Turbinenschaufeln verläuft zweckmäßig kontinuierlich. Zur Vermeidung von Kerbspannungen werden abgerundete, fließende Übergänge in den Ausnehmungen gewählt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf ein Turbinenrad eines Abgasturboladers, mit einem die Turbinenschaufeln radial umgreifenden Deckring,
Fig. 3 das Turbinenrad im Längsschnitt,
Fig. 4 eine Darstellung gemäß Schnittlinie IV-IV aus Fig. 3,
Fig. 5 das Turbinenrad in Draufsicht,
Fig. 6 eine weitere Draufsicht auf ein Turbinenrad in einer modifizierten Ausführung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und ein Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet, wobei die Turbine 3 von den unter erhöhtem Druck stehenden Abgasen angetrieben wird und die Drehbewegung des Turbinenrades über eine Welle 7 auf das Verdichterrad im Verdichter 5 übertragen wird, woraufhin Verbrennungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird. Stromab des Verdichters 5 befindet sich im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 8, in welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Im weiteren Verlauf wird die Verbrennungsluft unter Ladedruck den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 9 ausgestattet, die eine variable Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes zwischen einer Minimalstellung und einer Maximalstellung erlaubt.
Des Weiteren ist eine Abgasrückführeinrichtung 10 vorgesehen, über die Abgas aus dem Abgasstrang stromauf der Abgasturbine 3 in den Ansaugtrakt stromab des Ladeluftkühlers 8 rückzuführen ist. Die Rückführeinrichtung 10 umfasst eine Rückführleitung zwischen Abgasstrang 4 und Ansaugtrakt 6, in welcher ein einstellbares Ventil sowie ein Abgaskühler angeordnet sind.
Über eine Regel- und Steuereinheit 11 sind in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 die einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine einzustellen, insbesondere die variable Turbinengeometrie 9 sowie das Ventil in der Rückführeinrichtung 10.
Das in Fig. 2 dargestellte Turbinenrad 12 als Teil der Turbine 3 besteht aus einer zentralen Turbinennabe 13, an die sich radial nach außen über den Umfang verteilt Turbinenschaufeln 14 erstrecken, wobei zwischen benachbarten Turbinenschaufeln Strömungswege 16 gebildet sind, durch die das Abgas aus der Brennkraftmaschine hindurchströmen kann. Im Bereich seiner axialen Stirnseiten weist das Turbinenrad 12 unterschiedlich große Durchmesser auf. Das Turbinenrad 12 wird gemäß Pfeilrichtung 17 radial von den Abgasen angeströmt, wobei die Anströmseite einen größeren Durchmesser aufweist als die Abströmseite, über die die entspannten Abgase gemäß Pfeilrichtung 18 axial aus den Strömungswegen 16 abströmen und das Turbinenrad 12 verlassen.
Im Bereich der Abströmseite mit kleinerem Durchmesser sind die Turbinenschaufeln 14 radial von einem umgreifenden Deckring 15 überdeckt, so dass die Strömungswege 16 zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 14 tunnelartig ausgeführt sind und radial auf der Innenseite von der Turbinennabe 13 und auf der Außenseite von dem Deckring 15 begrenzt sind. Der Deckring 15 erstreckt sich axial von der Abströmseite des Turbinenrades 12 bis zur radialen Anströmseite. Turbinennabe 13, Turbinenschaufeln 14 und Deckring 15 sind zweckmäßig als einteiliges Gussteil ausgeführt.
Der Deckring 15 schließt axial mit der Abströmseite des Turbinenrades 12 ab. Auf der dem Anströmbereich benachbarten Seite besitzt der Deckring 15 als in Achsrichtung halb offene Aussparungen ausgeführte Ausnehmungen 19 zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 14, welche gegenüber axialen Vorsprüngen 20 des Deckringes, die jeweils im Bereich der Turbinenschaufeln ausgebildet sind, zurückversetzt sind. Eine detailliertere Beschreibung der Ausnehmungen 19 erfolgt an Hand der Fig. 5 und 6.
Die radiale Außenkontur des Deckringes 15 besitzt in allen Schnittebenen vertikal zur Turbinenradachse 21 einen konstanten Radius, der jedoch axial zur Abströmseite hin abfällt. Zugleich ist die Dicke bzw. Wandstärke des Deckringes 15 in Umfangsrichtung variabel ausgeführt, indem der zwischenliegende Bereich in der Mitte zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 14 eine geringere Wandstärke aufweist als im unmittelbar den Turbinenschaufeln benachbarten Bereich.
In Fig. 3 ist das Turbinenrad 12 in seiner Einbausituation im Turbinengehäuse 2 der Abgasturbine 3 dargestellt. Der Deckring 15 erstreckt sich zwischen der axialen Abströmseite bis etwa über die Hälfte der axialen Länge des Turbinenrades. Im Bereich der Anströmseite des Turbinenrades, die in Pfeilrichtung 17 radial angeströmt wird, kann zur Veränderung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes eine variable Turbinengeometrie angeordnet sein.
Der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4 ist zu entnehmen, dass das Turbinenrad 12 einen konstanten Außenradius R aufweist. Die Wandstärke des Deckringes 15 variiert zwischen einem kleinsten Wert d_M in der Mitte im zwischenliegenden Bereich zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 14 und einem maximalen Wert d_S im Bereich unmittelbar benachbart zu den Turbinenschaufeln 14. Der Übergang zwischen den Abschnitten maximaler Wandstärke d_S und minimaler Wandstärke d_M erfolgt kontinuierlich unter Vermeidung von Sprüngen.
Der Darstellung gemäß Fig. 5 ist zu entnehmen, dass die axiale Breite b des Deckringes 15, gemessen zwischen der axialen Abströmseite und den gegenüberliegenden Vorsprüngen 20, signifikant geringer ist als die axiale Erstreckung des Turbinenrades 12. Die halb offenen Ausnehmungen 19 zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 14 weisen einen abgerundeten Übergangsabschnitt mit Radius r zwischen den Vorsprüngen 20 im Bereich der Turbinenschaufeln 14 und einem axial zurückgesetzten, mittleren Abschnitt auf, wobei letzterer geradlinig ausgeführt ist und sich parallel zur Abströmseite erstreckt. Ein geradliniger, zwischenliegender Abschnitt kann insbesondere für den Fall größerer Abstände zwischen benachbarten Turbinenschaufeln 14 vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Turbinenschaufeln 14 in einem geringeren Abstand zueinander angeordnet. Dementsprechend sind die halboffenen Ausnehmungen 19 teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgebildet und weisen den Radius r auf.

Claims

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Abgasstrang (4) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Abgasturbine (3) und einem im Ansaugtrakt (6) angeordneten Verdichter (5), der über eine Welle (7) mit der Abgasturbine (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (12) der Abgasturbine (3) einen die Turbinenschaufeln (14) radial umgreifenden Deckring (15) aufweist und zwischen benachbarten Turbinenschaufeln (14) ein tunnelartiger Strömungsweg (16) zwischen der Turbinennabe (13) und dem Deckring (15) gebildet ist, wobei der Deckring (15) in Achsrichtung und/oder in Umfangsrichtung des Turbinenrades (12) Abschnitte unterschiedlicher Wandstärke aufweist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Deckrings (15) im zwischenliegenden Bereich zwischen benachbarten Turbinenschaufeln (14) sich von der Wandstärke im Bereich unmittelbar benachbart zum radial außenliegenden Schaufelabschnitt unterscheidet.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischenliegende Deckringbereich eine geringere Wandstärke aufweist als der unmittelbar dem Schaufelabschnitt benachbarte Deckringbereich.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischenliegende Deckringbereich eine variable Wandstärke aufweist, die in der Mitte zwischen zwei benachbarten Turbinenschaufeln (14) am geringsten ist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Deckrings (15) - gemessen in Achsrichtung des Turbinenrades (12) - geringer ist als die axiale Länge des Turbinenrades (12).

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Deckrings (15) in beliebigen Schnittebenen senkrecht zur Turbinenradachse (21) über den Umfang des Deckrings (15) einen konstanten Außenradius (R) besitzt.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckring (15) eine Mehrzahl über den Umfang verteilte Ausnehmungen (19) aufweist.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (19) als halboffene Aussparungen im zwischenliegenden Bereich zwischen benachbarten Turbinenschaufeln (14) ausgebildet sind, derart, dass der Deckring (15) im zwischenliegenden Bereich eine geringere Breite aufweist als im unmittelbar zum Schaufelabschnitt benachbarten Bereich.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (12) und der Deckring (15) als einteiliges Gussteil ausgeführt sind.

10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (9) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts ausgestattet ist.