TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Diffusoranordnung einer Abgasturbine eines Abgasturboladers.

TECHNISCHER HINTERGRUND

[0002] Für die Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine werden heutzutage standardmäßig Abgasturbolader eingesetzt, mit einer Turbine im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine und mit einem der Verbrennungskrafitmaschine vorgelagerten Verdichter. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden dabei in der Turbine entspannt. Die dabei gewonnene Arbeit wird mittels einer Welle auf den Verdichter übertragen, welcher die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft verdichtet. Durch die Verwendung der Energie der Abgase zur Verdichtung der dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zugeführten Luft, können der Verbrennungsprozess und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden.

[0003] Bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbinen von Abgasturboladern wird die Druckrückgewinnung am Abgasturbinenausgang typischerweise mittels Diffusoren realisiert, die beispielsweise ringförmig und auf gerade Weise konisch ausgebildet sein können. Dabei wird die Strömung in axialer Richtung verlangsamt. Ferner kann anschließend eine Umlenkung der Strömung in radialer Richtung erflogen und das Abgas einem Abgassammeiraum zugeführt werden.

[0004] Es hat sich herausgestellt, dass bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren von Abgasturbinen die Druckrückgewinnung noch verbesserungswürdig ist. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren Strömungsablösungen auftreten, beispielsweise bei der radialen Strömungsumlenkung, was sich nachteilig auf die Druckrückgewinnung auswirkt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG [0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Abgasturbine mit einer Diffusoranordnung bereitzustellen, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasdiffusoren verbessert ist. Insbesondere besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Abgasturbine mit einer Diffusoranordnung bereitzustellen, die eine verbesserte Druckrückgewinnung und eine kompaktere Bauweise aufweist.

[0006] Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird eine Abgasturbine gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Figuren zu entnehmen.

[0007] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Abgasturbine bereitgestellt. Die Abgasturbine umfasst einen Turbinenrotor mit einer Vielzahl von Turbinenrotorblättern mit einer Turbinenrotorblatthöhe H. Die Abgasturbine umfasst ferner eine Diffusoranordnung mit einem Transversal-Diffusor und einem Abgassammeiraum. Der Transversal- Diffusor ist stromabwärts der Turbinenrotorblätter angeordnet. Der Transversal-Diffusor weist einen gebogenen Diffusorkanal auf, der an einem Diffusorkanalauslass in den Abgassammeiraum mündet. Ein Verhältnis M/H zwischen einer axialen Ausdehnung M des Abgassammeiraums und der Turbinenrotorblatthöhe H weist einen Wert von 1,0≤ M/H≤ 4,6 auf und ein Verhältnis P/H zwischen einer radialen Ausdehnung P der Diffusoranordnung und der Turbinenrotorblatthöhe H weist einen Wert von 2,7≤ P/H≤ 4,9 auf. Ein Verhältnis D/H zwischen einer radialen Ausdehnung D des Diffusorkanais und der Turbinenrotorblatthöhe H weist einen Wert von 2,5≤ D/H≤ 3,0 auf und ein Verhältnis R/H zwischen einem Turbinennabenradius R und der Turbinenrotorblatthöhe H weist einen Wert von 1,1≤ R/H≤ 1,5 auf.

[0008] Somit wird vorteilhafterweise eine Abgasturbine mit einer Diffusoranordnung bereitgestellt, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbinen verbessert ist. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Abgasturbine eine Abgasturbine mit einem verbesserten Diffusordesign bereitgestellt, welches eine verbesserte Druckrückgewinnung am Abgasturbinenausgang ermöglicht. Des Weiteren wird eine Diffusoranordnung für eine Abgasturbine bereitgestellt, die eine kompaktere Bauweise, insbesondere eine kompaktere Bauweise in axialer Richtung, aufweist. Die kompakte Bauweise in axialer Richtung ermöglicht zudem eine uniforme Abströmung vom Abgassammeiraum stromabwärts, womit Strömungsverluste reduziert werden.

[0009] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Abgasturbolader mit einer Abgasturbine gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt, so dass vorteilhafterweise ein verbesserter Abgasturbolader bereitgestellt werden kann. KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0010] Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben. Hierbei zeigt:

Figur 1 eine schematische longitudinale Schnittansicht eines

Teilbereichs einer Abgasturbine mit einer Diffusoranordnung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen; und

Figur 2 eine longitudinale Schnittansicht eines Teilbereichs einer

Abgasturbine mit einer Diffusoranordnung gemäß weiteren hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0011] Figur 1 zeigt eine schematische longitudinale Schnittansicht eines Teilbereichs einer Abgasturbine gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen. [0012] Insbesondere zeigt Figur 1 einen Teilbereich einer Abgasturbine umfassend einen Turbinenrotor 12 mit einer Vielzahl von Turbinenrotorblättern 2 mit einer Turbinenrotorblatthöhe H. Typischerweise ist der Turbinenrotor 12 um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert. In der Schnittansicht von Figur 1 ist beispielhaft ein Turbinenrotorblatt 2 mit der Turbinenrotorblatthöhe H dargestellt. Ferner umfasst die Abgasturbine eine Diffusoranordnung 20 mit einem Transversal-Diffusor 1 und einem Abgassammeiraum 9.

[0013] Der Transversal-Diffusor 1 ist stromabwärts der Turbinenrotor- blätter 2 angeordnet. Die Strömungsrichtung 3 des Abgases ist in den Figuren 1 und 2 mit einem Pfeil eingezeichnet. Ferner umfasst die Diffusoranordnung 20 ein Dif usorgehäuse 5, wie es beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist. Der Transversal-Diftusor 1 weist einen gebogenen Diffusor-kanal 13 auf. Typischerweise weist der DifFusorkanal 13 einen Diffusorkanaleinlass 18 und einen Diffusorkanalauslass 17 auf. Insbesondere ist der Diffusorkanaleinlass 18 derart ausgebildet um Abgas in Strömungsrichtung 3 in den Diffusorkanal 13 zu leiten.

[0014] In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass unter einem Transversal-Diftusor ein Diffusor zu verstehen ist, der in konstruktiver Hinsicht eine Kombination eines geraden Axialdiffusors mit einem gebogenen Diagonaldiffusor darstellt. In einem geraden Axialdiffusor erfolgt eine Strömungsverlangsamung mittels einer Vergrößerung des Diffusorkanalquerschnitts in Strömungsrichtung. In einem gebogenen Diagonaldiffusor erfolgt eine Strömungsverlangsamung mittels einer zunehmenden radialen Position des Diffusorkanalquerschnitts entlang der Strömungsrichtung. Bei einem Transversal-Diffusor wird die Strömung mittels beider Mechanismen verlangsamt, das heißt mittels einer Variation des Diffusorkanalquerschnitts als auch mittels einer zunehmenden radialen Position des Diffusorkanalquerschnitts.

[0015] Wie beispielhaft in Figur 1 gezeigt ist, erstreckt sich der Diffusorkanaleinlass 18 typischerweise in radialer Richtung r über die Turbinenrotorblatthöhe H. Der Diffusorkanal 13 mündet an dem Diffusorkanalauslass 17 in den Abgassammeiraum 9. Insbesondere, ist der Diffusorkanal 13 radial nach Außen gebogen, wie es beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist. Der Abgassammeiraum weist eine axiale Ausdehnung M und die Diffusoranordnung weist eine radiale Ausdehnung P auf. In den Figuren 1 und 2 entspricht die axiale Richtung der Richtung der Rotationsachse 4 des Turbinenrotors 12. Die radiale Richtung r ist in den Figuren 1 und 2 durch einen Pfeil dargestellt. Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weist ein Verhältnis M/H zwischen der axialen Ausdehnung M des Abgassammeiraums 9 und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 1,0≤ M/H≤ 4,6 auf. Insbesondere weist das Verhältnis M/H einen Wert von 3,467≤ M/H≤ 3,679 auf. Ferner weist ein Verhältnis P/H zwischen einer radialen Ausdehnung P der Diffusoranordnung 20 und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 2,7 ≤ P/H ≤ 4,9 auf. Insbesondere weist das Verhältnis P/H einen Wert von 3,779≤ P/H≤ 4,010 auf.

[0016] Es hat sich herausgestellt, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen der Abgasturbine, insbesondere das hierin beschriebene Designkonzept der Diffusoranordnung, besondere Vorteile hinsichtlich der Druckrückgewinnung bei gleichzeitiger Realisierung einer axialen kompakten Bauraumgrösse aufweisen, so dass im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbinen eine verbesserte Abgasturbine bereitgestellt wird. [0017] Ferner hat das hierin beschriebene Designkonzept der Diffusoranordnung den Vorteil, dass es auf verschiedene Turbinenrotorblatthöhen angepasst werden kann, wobei gleichzeitig eine optimale Druckrückgewinnung innerhalb einer kürzeren axialen Länge des Diffusors erreicht wird, wodurch eine in axialer Richtung kompaktere Turbinenstufe und damit ein kompakterer Turbolader realisiert werden kann. Eine kompaktere Bauweise ist insbesondere aufgrund von Bauraumbeschränkungen im Motor besonders vorteilhaft.

[0018] Darüber hinaus werden in den hierin beschriebenen Ausführungsformen der Diffusoranordnung Strömungsablösungsverluste durch ein sanftes und kontinuierliches Drehen der Strömung von der axialen Richtung in die radiale Richtung als auch aufgrund der Variation des Diffusorkanalquerschnitts entlang der Strömungsrichtung minimiert. Die Variation ist angepasst an die Strömungsverhältnisse, sodass die Gefahr einer Ablösung der Strömung gebannt wird. [0019] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist die Turbinenrotorblatthöhe H aus einem Bereich von einer minimalen Turbinenrotorblatthöhe H2 bis zu einer maximalen Turbinenrotorblatthöhe Hl ausgewählt. Die maximale Turbinenrotorblatthöhe Hl und die minimale Turbinenrotorblatthöhe H2 sind beispielhaft in Figur 2 dargestellt. Ein Verhältnis H2/H1 zwischen der minimalen Turbinenrotorblatthöhe H2 und der maximalen Turbinenrotorblatthöhe Hl weist typischerweise einen Wert von 0,8≤ H2/H1≤ 1,0 auf. [0020] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der Diffusorkanalauslass 17 eine axiale Ausdehnung E auf, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Insbesondere kann ein Verhältnis E/H zwischen der axialen Ausdehnung E des Diffusorkanalauslasses 17 und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 0,9≤ E/H≤ 1,8 aufweisen. Insbesondere weist das Verhältnis E/H einen Wert von 1,052≤ E/H≤ 1,116 auf.

[0021] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der Diffusorkanal 13 eine axiale Länge L auf, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Insbesondere kann ein Verhältnis L/H zwischen der axialen Länge L des Diffusorkanais 13 und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 1,5≤ L/H≤ 3,0 aufweisen. Alternativ kann das Verhältnis L/H einen Wert von 2,0≤ L/H≤ 2,7 aufweisen. Insbesondere weist das Verhältnis L/H einen Wert von 2,312≤ L/H≤ 2,452 auf.

[0022] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der Diffusorkanal 13 eine radiale Ausdehnung D auf, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Typischerweise entspricht die radiale Ausdehnung D dem radialen Abstand zwischen dem Anfangspunkt 15 der zweiten Diffusorkanal-Kontur 6B und dem Endpunkt 8 der ersten Diffusorkanal- Kontur 6A. Insbesondere kann ein Verhältnis D/H zwischen der radialen Ausdehnung D des Diffusorkanals 13 und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 2,3≤ D/H≤ 3,5 aufweisen. Alternativ kann das Verhältnis D/H einen Wert von 2,5≤ D/H≤ 3,0 aufweisen. Insbesondere weist das Verhältnis D/H einen Wert von 2,623≤ D/H≤ 2,782 auf.

[0023] Gemäß einer Ausfuhrimgsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden kann, weist der Turbinenrotor 12 einen Turbinennabenradius R auf, wie es beispielhaft in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Typischerweise erstreckt sich der Turbinennabenradius R von der Rotationsachse 4 des Turbinenrotors bis zur Turbinennaben-Kontur 11. Insbesondere kann ein Verhältnis R/H zwischen dem Turbinennabenradius R und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 1,0≤ R/H≤ 1,7 aufweisen. Alternativ kann das Verhältnis R/H einen Wert von 1,1≤ R/H≤ 1,5 aufweisen. Insbesondere weist das Verhältnis R/H einen Wert von 1,248≤ R/H≤ 1,324 auf.

[0024] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden kann, umfasst der Diffusorkanal 13 eine erste Diffusorkanal-Kontur 6A, die sich von einem Anfangspunkt 14 der ersten Diffusorkanal-Kontur 6A zu einem Endpunkt 8 der ersten Diffusorkanal-Kontur 6A erstreckt, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Typischerweise liegt die erste Diffusorkanal-Kontur 6A einer zweiten Diffusorkanal-Kontur 6B gegenüber. Der Anfangspunkt 14 der ersten Diffusorkanal-Kontur 6A ist in radialer Richtung weiter Außen angeordnet als ein Anfangspunkt 15 der zweiten Diffusorkanal- Kontur 6B, wie es beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist.

[0025] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden kann, ist die erste Diffusorkanal-Kontur 6A derart ausgebildet, dass an dem Endpunkt 8 der ersten Diffusorkanal-Kontur 6A ein Öffhungswinkel A des Diffusorkanalauslasses 17 bereitgestellt wird, wie es beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist. Der Öffhungswinkel A des Diffusorkanalauslasses 17 ist der Winkel, der sich zwischen einer Tangentialen an dem Endpunkt 8 der ersten Diffusorkanal-Kontur 6A und der radialen Richtung r ergibt. Typischerweise weist der Öffhungswinkel A einen Wert von 20°≤ A≤ 70° auf. Alternativ kann der der Öffhungswinkel A einen Wert von 30°≤ A≤ 60° aufweisen. Insbesondere weist der Öffhungswinkel A einen Wert von 40°≤ A≤ 50° auf.

[0026] Gemäß einer Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist der Abgassammeiraum 9 eine radiale Ausdehnung N auf, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Insbesondere kann ein Verhältnis N/H zwischen der radialen Ausdehnung N des Abgassammeiraums 9 und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von (P-D)/H≤ N/H≤ (P-H)/H aufweisen, wobei P die radiale Ausdehnung der Diffusoranordnung 20 ist, und wobei D die radiale Ausdehnung des Diffusorkanais 13 ist. Insbesondere weist das Verhältnis N/H einen Wert von 2,130 ≤ N/H≤ 2,260 auf.

[0027] Gemäß einer Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden kann, kann der Diffusorkanal 13 ein Einsatzelement 16 aufweisen. Wie beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist, kann das Einsatzelement 16 derart ausgebildet sein, dass das Einsatzelement 16 eine dritte Diffusorkanal-Kontur 7 bereitstellt. Typischerweise ist das Einsatzelement 16 derart angeordnet, dass die dritte Diffusorkanal-Kontur 7 an einem Übergangspunkt 10 in die erste Diffusorkanal-Kontur 6A übergeht. Wie in Figur 2 gezeigt ist, hat der Übergangspunkt 10 zu dem Anfangspunkt 15 der zweiten Diffusorkanal- Kontur 6B einen radialen Abstand T. Insbesondere weist ein Verhältnis T/H zwischen dem radialen Abstand T und der Turbinenrotorblatthöhe H einen Wert von 1,0≤T/H≤ (P-N)/H auf, wobei P die radiale Ausdehnung des Transversal-Diffusors ist, und wobei N die radiale Ausdehnung des Abgassarnmelraurns ist. Insbesondere weist das Verhältnis T/H einen Wert von 1,334≤ T/H≤ 1,415 auf.

[0028] Das Einsatzelement 16 kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein. Typischerweise ist das Einsatzelement 16 derart dimensioniert, dass es die Öffnung des Diffusorkanaleinlasses 18 anpasst. Wie in Figur 2, beispielhaft dargestellt ist, kann die dritte Diffusorkanal- Kontur 7 des Einsatzelements 16 so ausgebildet sein, dass die Öffnung des Diffusorkanal-einlasses 18 in radialer Richtung r an die Turbinenrotorblatthöhe H (in Figur 2 auf die minimale Turbinenrotorblatthöhe H2) angepasst ist. [0029] Wie aus den hierin beschriebenen Ausführungsformen hervorgeht wird vorteilhafterweise eine Abgasturbine mit einer Diffusoranordnung bereitgestellt, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbinen verbessert ist. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Abgasturbine eine Abgasturbine mit einem verbesserten Diffusordesign bereitgestellt, welches eine verbesserte Druckrückgewinnung als auch eine kompakterer Bauweise, insbesondere eine kompaktere Bauweise in axialer Richtung, ermöglicht. Dementsprechend kann bei Verwendung einer Abgasturbine gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen für einen Abgasturbolader vorteilhafterweise ein verbesserter Abgasturbolader bereitgestellt werden kann.

[0030] Abschließend sei angemerkt, dass das hierin beschriebene Design der Difrusoranordnung hinsichtlich der geforderten Dimensionierung entsprechend angepasst werden kann. Mit anderen Worten, das hierin beschriebene Design der Diffusoranordnung ist allgemein gültig und kann auf kleine, mittlere und große Bauraumgrößen übertragen werden. Ferner kann das hierin beschriebene Diffusorkonzept auf Axialturbinen, Mixed- Flow Turbinen und Radialturbinen angewendet werden, ist jedoch nicht auf Axialturbinen, Mixed-Flow Turbinen und Radialturbinen beschränkt. Ferner sei angemerkt, dass Figuren 1 und 2 eine longitudinale Schnittansicht in einer x-z-Ebene zeigen. Demnach beziehen sich die hierin angegebenen Werte und Verhältnisse typischerweise auf einen longitudinalen Schnitt der hierein beschriebenen Ausführungsformen der Diffusoranordnung in der x-z-Ebene, wie sie beispielhaft in den Figuren 1 und 2 gezeigt sind.

BEZUGZEICHENLISTE

1 Transversal-Diffusor

2 Turbinenrotorblatt

3 Strömungsrichtung

4 Rotationsachse / axiale Richtung

5 Diffusorgehäuse

6A erste Diffusorkanal-Kontur

6B zweite Diffusorkanal-Kontur

7 dritte Diffusorkanal-Kontur

8 Endpunkt der ersten Diffusorkanal-Kontur

9 Abgassammeiraum

10 Übergangspunkt zwischen dritter Diffusorkanal-Kontur und erster Diffusorkanal-Kontur

11 Turbinennaben-Kontur

12 Turbinenrotor

13 Diffusorkanal

14 Anfangspunkt der ersten Diffusorkanal-Kontur 6A

15 Anfangspunkt der zweiten Diffusorkanal-Kontur 6B

16 Einsatzelement

17 Diffusorkanalauslass

18 Diffusorkanaleinlass

20 Diffusoranordnung

r radiale Richtung

R Turbinennabenradius

H Rotorblatthöhe

H1 maximale Turbinenrotorblatthöhe

H2 minimale Turbinenrotorblatthöhe

L axiale Länge des Diffusorkanais

D radiale Ausdehnung des Diffusorkanais 13

P radiale Ausdehnung der Diffusoranodnung 20 M axiale Ausdehnung des Abgassammelraums 9

N radiale Ausdehnung des Abgassammelraums 9

E axiale Ausdehnung des Dffiusorkanalauslasses 17

T radialer Abstand des Übergangspunkts 10 van dem Anfangspunkt 15 der zweiten Diffusoikanal-Kontur 6B

A öffnungswinkel des Diffusorkanalauslasses 17 relativ zur radialen Richtung r