DE3908285C1

DE3908285C1 - Turbine wheel of an exhaust turbocharger for an internal combustion engine with radial and/or mixed-flow gas feed

Info

Publication number: DE3908285C1
Application number: DE19893908285
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart De Sumser; Wolfgang 7012 Fellbach De Wipfler
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1990-06-07
Anticipated expiration: 2009-03-15

Abstract

In a turbine wheel of an exhaust turbocharger for an internal combustion engine with radial and/or mixed-flow gas feed to the turbine wheel through a double-entry turbine housing, it is proposed to avoid [sic] the flow behaviour of the gas inside the turbine wheel and thereby a flow separation in the case of mixed-flow gas feed. For this purpose radially shorter secondary blades are arranged in the inlet side mixed-flow area of the turbine wheel between the main blades extending over the entire axial and radial length respectively.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.The invention relates to a turbine wheel according to the Oberbe handle of claim 1.

Abgasturbolader mit solchen Turbinenrädern sind aus DE 34 27 715 C1 bekannt. Dort dient die Gaszuführung in Halb axialrichtung hauptsächlich der Erzeugung eines guten In stationärverhaltens des aufgeladenen Motors.Exhaust gas turbochargers with such turbine wheels are out DE 34 27 715 C1 known. There the gas supply serves in half axial direction mainly producing a good In stationary behavior of the charged engine.

In jener Schrift wird bereits darauf hingewiesen, daß die Halbaxialgaszuführung eine besondere darauf ausgerichtete Turbinenradgestaltung erfordert, um während des Halbaxi albetriebes die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Dabei sollen insbesondere die Schaufeleintrittskanten in Umfangsrichtung an die Halbaxialströmung angepaßt werden. Eine solche Anpassung der Schaufelgestalt hat den Zweck, eine sogenannte "Falschanströmung" des Turbinenrades im unteren Drehzahlbereich des Motors herabzusetzen. In that document it is already pointed out that the Semi-axial gas supply a special designed Turbine wheel design required to during the half-axi albetriebes to achieve the desired properties. In particular, the blade leading edges in Circumferential direction to be adapted to the semi-axial flow. Such an adjustment of the blade shape has the purpose a so-called "false flow" of the turbine wheel in the lower the lower speed range of the engine.

Eine mit niederem Reaktionsgrad betriebene Turbine besitzt ein Turbinenrad mit hohem Umlenkungswinkel der Schaufeln. Aufgrund der Forderung nach einem möglichst geringen po laren Massenträgheitsmoment ist praktisch keine Turbinen kanalgestaltung durch dickere Schaufeln möglich, wodurch bei einem halbaxial und/oder radial angeströmten Turbi nenrad sich in dessen gaseintrittsseitigem axialen Halb bereich lokale Strömungsverzögerungen einstellen können, die zur Strömungsablösung und damit zu einer Leistungs einbuße führen können.Has a turbine operated with a low degree of reaction a turbine wheel with a high deflection angle of the blades. Due to the requirement for the lowest possible po laren moment of inertia is practically no turbines channel design possible through thicker blades, which means in the case of a turbo with a semi-axial and / or radial flow nenrad itself in its gas inlet side axial half local flow delays, the flow separation and thus a performance can lead to loss.

Eine optimale Schaufelzahl für den Arbeitsbereich der Halb axialgaszuströmung auf das Turbinenrad unterscheidet sich von derjenigen für eine Radialzuströmung des Abgases. Da die Turbine bei einer Halbaxialgasbeaufschlagung wesent lich höhere Strömungsumlenkungen gegenüber einer Radialbe aufschlagung im Rad bewerkstelligen muß, wäre für eine optimale Umwandlung der thermischen Abgasenthalpie in me chanische Arbeit eine größere Schaufelanzahl notwendig als sie für eine Berücksichtigung lediglich der reinen radia len Zuströmung zu wählen wäre.An optimal number of buckets for the working area of the half Axial gas inflow to the turbine wheel differs of that for a radial inflow of the exhaust gas. There the turbine at a half-axial gas application is essential Lich higher flow deflections compared to a radial would have to do in the wheel would be for one optimal conversion of the thermal exhaust gas enthalpy to me chanic work requires a larger number of blades than they take into account only the pure radia len inflow would have to be chosen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun de, das Strömungsverhalten des Gases und damit den Wir kungsgrad einer halbaxialen und/oder axial angeströmten Turbine durch eine auf die unterschiedlichen Anströmrich tungen exakter angepaßte Form der Turbinenradschaufeln zu verbessern. Dabei soll insbesondere eine Strömungsablösung bei Halbaxialbeaufschlagung vermieden werden. Proceeding from this, the invention is based on the object de, the flow behavior of the gas and thus the we degree of flow of a semi-axial and / or axial flow Turbine through one on the different inflow direction the exact adapted shape of the turbine blades improve. In particular, a flow separation is intended be avoided in the case of semi-axial loading.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung der Tur binenradschaufel nach dem kennzeichnenden Merkmal des An spruchs 1.This task is solved by training the door Pinwheel bucket according to the characteristic feature of the An saying 1.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand des An spruchs 2.An advantageous embodiment is the subject of the To Proverbs 2.

Die Anordnung von Hilfsschaufeln ist bei Radialturbinen bekannt (Veröffentlichung "Turbocharging the internal com bustion engine" der Autoren N. Watson und M.S. Janota, erschienen 1982 im Verlag THE MACMILLAN PRESS LTD, London and Basingstoke ISBN 0 333 24290 4, Fig. 2.34 auf Seite 58 und Seite 164). Die dortigen Hilfsschaufeln sind von ihrer Anordnung, Form und Funktion allerdings nicht mit den erfindungsgemäßen Hilfsschaufeln vergleichbar und ins besondere von ihrer dortigen Lageanordnung her nicht auf halbaxial und/oder axial angeströmte Turbinen übertragbar.The arrangement of auxiliary blades is for radial turbines known (publication "Turbocharging the internal com bustion engine "by the authors N. Watson and M.S. Janota, published in 1982 by THE MACMILLAN PRESS LTD, London and Basingstoke ISBN 0 333 24290 4, Fig. 2.34 on page 58 and page 164). The auxiliary blades there are from their arrangement, form and function, however, not with comparable to the auxiliary blades according to the invention and ins particular not from their location there semiaxial and / or axially flowed turbines transferable.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung müssen die Hilfsschau feln auf den gaseintrittsseitigen axialen Halbbereich des Turbinenrades begrenzt sein und eine von den Hauptschau feln abweichende Grundform aufweisen, was bei den Turbi nenrädern mit radialer Anströmung nach der Darstellung in der vorgenannten Literaturstelle nicht der Fall ist. Nur unter Einhaltung der erfindungsgemäßen Form und Bemessungs regeln kann bei einer halbaxial und/oder radial angeström ten Turbine das angestrebte Ziel sicher erreicht werden. Dabei besteht die erfindungsgemäß erzielte Wirkung im we sentlichen darin, daß durch die Verdrängungswirkung der an der richtigen Stelle und mit an die Axialanströmung ange paßter Form eingesetzten Hilfsschaufeln die mittlere Strö mungsverzögerung ebenso herabgesetzt wird wie im Schaufel eintrittsbereich die dortige aerodynamische Belastung.In the arrangement according to the invention, the auxiliary show field on the gas inlet side axial half area of the Turbine wheel to be limited and one from the main show different basic shape, which is the case with the turbi gears with radial flow as shown in the aforementioned reference is not the case. Just in compliance with the shape and dimensioning according to the invention can regulate in a semi-axial and / or radial flow ten turbine can be safely achieved. The effect achieved according to the invention consists in we substantial in that through the displacement of the the right place and with the axial flow fit auxiliary blades used the middle stream delay is reduced as well as in the bucket the aerodynamic load there.

Insgesamt ist damit eine Wirkungsgradverbesserung des halb axial/radial angeströmten Kombinationsturbinenrades hin sichtlich der halbaxialen Zuströmrichtung gegeben. Dabei kann durch Optimierung der Schaufelanzahl erreicht werden, daß der Wert des polaren Trägheitsmomentes des erfindungs gemäßen Turbinenrades mit Hilfsschaufeln nur unwesentlich von den im Wirkungsgrad schlechteren Turbinenrädern ohne Hilfsschaufeln abweicht.Overall, an improvement in efficiency is half axially / radially flowed combination turbine wheel given the semi-axial inflow direction. Here can be achieved by optimizing the number of blades, that the value of the polar moment of inertia of the Invention according to the turbine wheel with auxiliary blades only insignificantly of the turbine wheels with poorer efficiency without Auxiliary blades deviate.

Da sich auch bei der radialen Zuströmung in der gasanström seitigen Axialhälfte, bezogen auf die Lauflänge der Strö mung, die höchsten lokalen aerodynamischen Belastungen einstellen, ist die erfindungsgemäße Anordnung der Hilfs schaufeln auch hierfür günstig. Diese positive Beeinflus sung wirkt sich insbesondere hinsichtlich der üblicherwei se großen Falschanströmungswinkel aus, die sich während der instationären Betriebszeit zwangsläufig einstellen. Durch die herabgesetzte aerodynamische Belastung des Ein tritts- und mittleren Schaufelkanalbereiches wird die Strö mungsablösung auch bei radialer Zuströmung verhindert.Because even with the radial inflow in the gas inflow axial half, based on the length of the stream mung, the highest local aerodynamic loads adjust, the arrangement according to the invention is the auxiliary shovel cheaply for this too. This positive influence solution affects especially with regard to the usual se large false flow angle, which during of the transient operating time inevitably. Due to the reduced aerodynamic load on the one tread and middle blade channel area the Strö Detachment also prevented with radial inflow.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen An embodiment is shown in the drawing. Show it

Fig. 1 die schematische Darstellung einer doppelflu tigen Turbinenspirale mit ihren Austrittsdü sen in radialer und halbaxialer Strömungsrich tung, Fig. 1 is a schematic representation of a turbine doppelflu term spiral with its Austrittsdü sen in radial and semi-axial flow Rich tung,

Fig. 2 die Schaufeloberflächen eines Turbinenrades in Ansicht senkrecht zur Radachse und Fig. 2 shows the blade surfaces of a turbine wheel in a view perpendicular to the wheel axis and

Fig. 3 in vereinfachter Darstellung einen Schau felkanal mit der Hilfsschaufel in der Drauf sicht. Fig. 3 in a simplified representation a view felkanal with the auxiliary shovel in the top view.

In dem angedeuteten Turbinengehäuse 1 rotiert das Turbi nenrad 2. Auf das Turbinenrad 2 strömt das Abgas aus einer halbaxial und einer radial in das Turbinengehäuse 1 ein mündenden Halbaxialdüse 3 bzw. einer Radialdüse 4. Das Turbinenrad 2 ist mit Hauptschaufeln 5 und Hilfsschaufeln 6 bestückt. Die Hilfsschaufeln 6 beginnen auf der Nabe des Turbinenrades 2 mit einem geringen axialen Abstand "a" gegenüber der eintrittsseitigen Turbinenradstirnseite 7. Zur Turbinenauslaßseite hin erstrecken sich die Hilfsschau feln 6 über etwa 50% der axialen Länge der Hauptschaufeln 5, gerechnet ab eintrittsseitiger Stirnfläche des Turbinen rades 2. In radialer Richtung können sich die Hilfsschau feln 6 bis in den Bereich des äußeren Umfangs der Haupt schaufeln 5 erstrecken.In the indicated turbine housing 1 , the turbine wheel 2 rotates. The exhaust gas flows onto the turbine wheel 2 from a semi-axial nozzle 3 and a radial nozzle 4 or a radial nozzle 4 opening into the turbine housing 1 radially. The turbine wheel 2 is equipped with main blades 5 and auxiliary blades 6 . The auxiliary blades 6 begin on the hub of the turbine wheel 2 with a small axial distance "a" with respect to the turbine wheel face 7 on the inlet side. Towards the turbine outlet side, the auxiliary panels 6 extend over approximately 50% of the axial length of the main blades 5 , calculated from the inlet-side end face of the turbine wheel 2 . In the radial direction, the auxiliary blades 6 can extend into the area of the outer circumference of the main blades 5 .

In Fig. 2 sind für den Fall der halbaxialen Gaszuströmung die auftretenden Geschwindigkeitskomponenten mit "c" als absolute Strömungsgeschwindigkeit, mit "w" als relative, auf das Turbinenrad bezogene Geschwindigkeit und mit "u" als Umfangsgeschwindigkeit eingetragen.In FIG. 2, in the case of the semi-axial gas inflow, the velocity components that occur are entered with "c" as the absolute flow velocity, with "w" as the relative velocity related to the turbine wheel and with "u" as the peripheral velocity.

Mit den Indices 1 und 2 ist bei diesen Geschwindigkeiten jeweils der Ein- und Austrittsbereich der Turbine bezeich net.With indices 1 and 2 is at these speeds designate the inlet and outlet area of the turbine net.

Gemäß der schematischen Draufsicht der Fig. 3 ist die Hilfsschaufel 6 innerhalb eines von den Hauptschaufeln 5 begrenzten Schaufelkanals 8 jeweils derart angeordnet und in ihrer Form an die Hauptschaufeln so angepaßt, daß je weils zwischen der Saugseite 9 der Hauptschaufeln 5 und der Druckseite 10 der Hilfsschaufel 6 ein Kanalabschnitt 11 mit einem gleichbleibenden oder düsenförmig verlaufen den Querschnitt gebildet wird.According to the schematic plan view of FIG. 3, the auxiliary blade 6 is arranged within a blade channel 8 delimited by the main blades 5 and adapted in shape to the main blades in such a way that each time between the suction side 9 of the main blades 5 and the pressure side 10 of the auxiliary blade 6 a channel section 11 with a constant or nozzle-shaped cross-section is formed.

Claims

1. Turbine wheel of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with radial and / or semi-axial gas supply to the turbine wheel through a double-flow turbine housing, in which the distribution of the lines that can be guided into the specified directions can be regulated and with vane ducts between the main blades of the turbine wheel, whereby The blade channels in the apex area of the main blades have the max. Have cross-section, characterized in that in the axial half-region of the turbine turbine ( 2 ) on the inlet side, auxiliary blades ( 6 ) are arranged between the main blades ( 5 ) in the diffuser-shaped section of the blade channels.

2. Turbine wheel according to claim 1, characterized in that the auxiliary blades ( 6 ) begin axially with a small distance from the inlet-side end face of the turbine wheel.

3. Turbine wheel according to one of claims 1 or 2, characterized in that the auxiliary blades ( 6 ) within the blade channels ( 8 ) are arranged such that between the suction sides ( 9 ) of the main blades ( 5 ) and the pressure sides ( 10 ) of the auxiliary blades ( 6 ) the cross-sectional shape is constant or nozzle-shaped.