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Title:
MIXED-FLOW TURBINE FOR A TURBOCHARGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/034313
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a mixed-flow turbine (10) for a turbocharger, comprising a turbine housing (12), with a turbine wheel (20) that is at least partially arranged in the turbine housing (12) and can be rotated in relation to the turbine housing (12) about an axis of rotation (14), and with at least two flow channels (30, 40) formed by the turbine housing (12), which are at least partially separated from each other and asymmetric in relation to each other, through which exhaust gas flows from an internal combustion engine and by which means the exhaust gas flowing though the flow channels (30, 40) can be supplied to the turbine wheel (20). A first flow channel (30) of the at least two flow channels (30, 40) comprises, at least in a supply region (16) in which the exhaust gas flowing through the flow channels (30, 40) can be supplied to the turbine wheel (20) by means of the first flow channel (30), at a blade tip inflow region (22) of the turbine wheel (20), a smaller flow cross-section (32) than a second flow channel (40) of the at least two flow channels (30, 40), by means of which the exhaust gas can be supplied to the turbine wheel (20) at a blade foot inflow region (24) of the turbine wheel (20).

Inventors:
HUMMEL, Simon (Wolfstrasse 18, Schlierbach, 73278, DE)
STANZEL, Nicolas (Pfalzstrasse 73, Stuttgart, 70374, DE)
STREULE, Thomas (Seerosenweg 7, Winnenden, 71364, DE)
Application Number:
EP2018/067186
Publication Date:
February 21, 2019
Filing Date:
June 27, 2018
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER AG (Mercedesstraße 137, Stuttgart, 70327, DE)
International Classes:
F02C6/12; F01D9/02; F02B37/02
Foreign References:
EP2778349A12014-09-17
DE102011118112A12012-05-31
US5094587A1992-03-10
DE102012014189A12014-01-23
DE202015007926U12017-02-20
DE102015016591A12016-08-11
DE10048237A12002-04-11
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Claims:
Patentansprüche

1 . Halbaxialturbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) angeordneten und um eine Drehachse (14) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Turbinenrad (20) und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse (12) gebildeten, zumindest teilweise voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten (30, 40), mittels welchen das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) zuführbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine erste Flut (30) der wenigstens zwei Fluten (30, 40) zumindest an einem Zuführbereich (16), an welchem das die Fluten (30, 40) durchströmende Abgas dem Turbinenrad (20) mittels der ersten Flut (30) an einem

Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) des Turbinenrades (20) zuführbar ist, einen kleineren Strömungsquerschnitt (32) aufweist, als eine zweite Flut (40) der wenigstens zwei Fluten (30, 40), mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad (20) an einem Schaufelfußeintrittsbereich (24) des Turbinenrades (20) zuführbar ist.

2. Halbaxialturbine (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Turbinengehäuse (12) eine Trennwand (18) aufweist, welche die wenigstens zwei Fluten (30, 40) an dem Zuführbereich (16) derart voneinander trennt, dass die Trennwand (18) ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut (30) zu dem

Schaufelfußeintrittsbereich (24) sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut (40) zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (22) unterbindet.

3. Halbaxialturbine (10) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die wenigstens zwei Fluten (30, 40) an dem Zuführbereich (16) zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.

Description:
Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft eine Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader gemäß dem

Oberbegriff von Patentanspruch 1 .

Aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturboladersysteme (Aufladesysteme) in zweistufiger Konfiguration verwenden meist handelsübliche bzw. vorhandene

Komponenten aus einstufigen Systemen. Dadurch kann zwar der Aufwand beim Aufbau solcher Systeme gering gehalten werden, gleichzeitig sind jedoch diese Komponenten nicht optimal an gegebene Betriebsbedingungen im zweistufigen Betrieb angepasst. So sind vor allem Druckverhältnisse von Turbinen und Verdichtern im zweistufigen Betrieb deutlich niedriger als in vergleichbaren, einstufigen Aufladesystemen.

Aus der DE 10 2015 016 591 A1 ist eine zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial- Bauweise bekannt. Hierbei ist einem Turbinenrad mittels zweier Fluten Abgas entlang einer jeweiligen, schräg zu einer axialen Richtung sowie schräg zu einer radialen

Richtung des Turbinenrades verlaufenen Zuführrichtung zuführbar. Das Turbinenrad weist einen mittleren Schaufeleintrittswinkel zwischen 70° und 140° auf.

Die DE 100 48 237 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit einer, mit variabler

Turbinengeometrie ausgestatteten Abgasturbine und einem Verdichter, wobei die

Abgasturbine zweiflutig mit zwei separaten Einströmkanälen mit jeweils einem

Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad ausgebildet ist und die beiden

Einströmkanäle druckdicht gegeneinander abgeschirmt sind. Ein

Strömungseintrittsquerschnitt eines Einströmkanals zum Turbinenrad ist über die variable Turbinengeometrie veränderlich einstellbar. Der Einströmkanal weist einen eigenen Zuströmanschluss zur separaten Zuführung von Abgas auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbaxialturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbaxialturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen

Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung geht aus von einer Halbaxialturbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse angeordneten und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbaren Turbinenrad und mit wenigstens zwei, durch das Turbinengehäuse gebildeten, zumindest teilweise

voneinander getrennten und asymmetrisch zueinander ausgebildeten sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Fluten, mittels welchen das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad zuführbar ist.

Die Halbaxialturbine zeichnet sich dadurch aus, dass das die Fluten durchströmende Abgas während eines Betriebs der Turbine entlang einer jeweiligen, schräg zur axialen Richtung des Turbinenrades und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrades verlaufenden Zuführrichtung aus den Fluten ausströmt und das Turbinenrad entlang der jeweiligen Zuführrichtung anströmt. Das Abgas wird dem Turbinenrad dabei nicht etwa streng in radialer Richtung oder streng in axialer Richtung zugeführt. Stattdessen wird das Abgas mittels beider Fluten schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen

Richtung, das heißt halbaxial (aus halbaxialer Richtung) dem Turbinenrad zugeführt.

Um eine Halbaxialturbine derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter

Turbinenwirkungsgrad erzielt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Flut der wenigstens zwei Fluten zumindest an einem Zuführbereich, an welchem das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad mittels der ersten Flut an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zuführbar ist einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist, als eine zweite Flut der wenigstens zwei Fluten, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad an einem Schaufelfußeintrittsbereich des

Turbinenrades zuführbar ist. Mit anderen Worten weist die erste Flut einen ersten Strömungsquerschnitt auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Strömungsquerschnitt der zweiten Flut. Durch den kleineren Strömungsquerschnitt kann den jeweiligen Schaufeln des Turbinenrades das Abgas an dem Schaufelspitzeneintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelspitzen der Schaufeln) mit einer größeren Zuströmgeschwindigkeit zugeführt werden, als an dem Schaufelfußeintrittsbereich (und damit an den jeweiligen Schaufelfüßen der Schaufeln).

Aufgrund der verschiedenen Strömungsquerschnitte der jeweiligen Fluten ist die

Halbaxialturbine insgesamt als zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Bauweise ausgebildet.

Der Schaufelspitzeneintrittsbereich entspricht dabei dem Eintrittsbereich des Abgases an jeweiligen Schaufelkanten jeweiliger Schaufeln des Turbinenrades an der Schaufelspitze der jeweiligen Schaufeln. Der Schaufelfußeintrittsbereich entspricht dem Eintrittsbereich des Abgases an den jeweiligen Schaufelkanten des Turbinenrades am Schaufelfuß der jeweiligen Schaufeln.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Betrieb der Halbaxialturbine eine Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß (Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit) kleiner ist als eine Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelspitze (Schaufelspitzen- Umfangsgeschwindigkeit). Ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad ergibt sich dadurch, dass auch eine Umfangskomponente einer Zuströmgeschwindigkeit des Abgases an der Schaufelspitze größer ist, als am Schaufelfuß, um eine jeweilige Relativströmung des Abgases schaufelkongruent an dem Zuführbereich in das Turbinenrad einzuleiten. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die erste Flut den kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als die zweite Flut und dementsprechend auch das über die erste Flut an dem

Schaufelspitzeneintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas eine höhere Zuströmgeschwindigkeit aufweist, als das über die zweite Flut an dem

Schaufelfußeintrittsbereich in das Turbinenrad eingeleitete Abgas.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Turbinengehäuse eine Trennwand auf, welche die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich derart voneinander trennt, dass die Trennwand ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut zu dem Schaufelfußeintrittsbereich sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich unterbindet. Dieses von Vorteil, da mittels der Trennwand somit eine besonders gezielte Ausrichtung des Abgases bei dessen Eintritt in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Fluten an dem Zuführbereich zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders strömungsgünstige Einleitung des Abgases in das Turbinenrad an dem Zuführbereich ermöglicht ist.

Unter dem Begriff„im Wesentlichen parallel" ist dabei zu verstehen, dass jeweilige Mittelachsen der beiden Fluten an dem Zuführbereich einen spitzen Winkel miteinander einschließen, welcher vorzugsweise kleiner als 10° und besonders bevorzugt kleiner als 5° ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und

Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten

Abgasturbolader, wobei ein turbinenseitiger Gehäuseabschnitt des Abgasturboladers zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten aufweist;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften

Ausführungsform einer Halbaxialturbine, welche ein Turbinenrad aufweist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelfußeintrittsbereich des

Turbinenrades zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines einem Schaufelspitzeneintrittsbereich des Turbinenrads zugeordneten Geschwindigkeitsdreiecks.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten

Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei an einem turbinenseitigen Gehäuseabschnitt des Turboladers ein Turbinenrad 90 drehbar gelagert ist und zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten 92, 94 vorgesehen sind. Die Flut 92 ist dabei als sogenannte λ-Flut ausgestaltet, wohingegen die Flut 94 als AGR-Flut ausgebildet ist. Eine Einströmrichtung 96 von Abgas der Verbrennungskraftmaschine zur Turbine und damit zum Turbinenrad 90 ist durch einen Pfeil dargestellt. Des Weiteren sind in Fig. 1 eine Leitung 98 zu einer Abgasrückführung der Verbrennungskraftmaschine sowie eine Leitung 100 zu jeweiligen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine verdeutlicht. Die Leitungen 98, 100 sind mit den jeweiligen Fluten 92, 94 fluidisch verbunden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Halbaxialturbine 10 für einen Abgasturbolader.

Die Halbaxialturbine 10 umfasst ein in Fig. 2 ausschnittsweise dargestelltes

Turbinengehäuse 12, mit einem zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse 12 angeordneten und über wenigstens ein Wälzlager 50 um eine Drehachse 14 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbaren Turbinenrad 20.

Die Halbaxialturbine 10 umfasst des Weiteren zwei, durch das Turbinengehäuse 12 gebildete, zumindest teilweise voneinander getrennte und asymmetrisch zueinander ausgebildete sowie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten 30, 40, mittels welchen das die Fluten 30, 40 durchströmende Abgas dem Turbinenrad 20 zuführbar ist.

Eine erste Flut 30 der zwei Fluten 30, 40 weist an einem Zuführbereich 16, an welchem das die Fluten 30, 40 durchströmende Abgas dem Turbinenrad 20 mittels der ersten Flut 30 an einem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 des Turbinenrades 20 zuführbar ist, einen kleineren ersten Strömungsquerschnitt 32 aufweist, als eine zweite Flut 40 der wenigstens zwei Fluten 30, 40, mittels welcher das Abgas dem Turbinenrad 20 an einem

Schaufelfußeintrittsbereich 24 des Turbinenrades 20 zuführbar ist. Die zweite Flut 40 weist dabei einen zweiten Strömungsquerschnitt 42 auf. Mit anderen Worten ist der in Fig. 2 gestrichelt angedeutete, erste Strömungsquerschnitt 32 kleiner, als der in Fig. 2 ebenfalls gestrichelt angedeutete, zweite Strömungsquerschnitt 42. Der Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 stellt dabei einen Bereich dar, an welchem das Abgas auf jeweilige Schaufelspitzen 26 des Turbinenrades 20 trifft, wohingegen der Schaufelfußeintrittsbereich 24 eine Bereich darstellt, an welchem das Abgas auf jeweilige Schaufelfüße des Turbinenrades 20 trifft, sobald das Abgas über die jeweiligen Fluten 30, 40 durch den Zuführbereich 16 tritt.

Das Turbinengehäuse 12 weist eine Trennwand 18 auf, welche die zwei Fluten 30, 40 an dem Zuführbereich 16 derart voneinander trennt, dass die Trennwand 18 ein Strömen von Abgas aus der ersten Flut 30 zu dem Schaufelfußeintrittsbereich 24 sowie ein Strömen von Abgas aus der zweiten Flut 40 zu dem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 unterbindet.

Die zwei Fluten 30, 40 sind an dem Zuführbereich 16 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Um dies zu ermöglichen läuft die Trennwand 18 spitzwinklig in Richtung des Zuführbereichs 16 zu.

Durch die asymmetrisch zueinander ausgebildeten Fluten 30, 40 ist ein guter

Ladungswechsel bei einer Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitig funktionierender Hochdruck-Abgasrückführung möglich.

Durch die Halbaxialturbine 10 kann eine besonders günstige Schaufelanströmung der jeweiligen Schaufeln des Turbinenrads 20 mit Abgas erreicht werden. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turbinensystemen, welche unterschiedliche

Anströmverhältnisse von Fluten aufweisen, kann über die Fluten 30, 40 eine

Fehlanströmung der jeweiligen Schaufeln des Turbinenrads 20 vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen mit zwei Abgasfluten sind jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Turbinenradeintritt über der Schaufelhöhe der jeweiligen Radialturbinen-Schaufeln konstant. Ist die Anströmgeschwindigkeit

(Umfangskomponente) beider Abgasfluten nicht gleich, so kommt es zu Abweichungen der Umfangskomponente in der Anströmung zur Umfangsgeschwindigkeit des

Turbinenradeintritts.

Die Halbaxialturbine 10 bietet Vorteile in der Auslegung auf niedrigere Druckverhältnisse im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinen. Daher ist die Halbaxialturbine 10 besonders für den Einsatz in zweistufigen Aufladesystemen sinnvoll. Durch die spezielle Anordnung der Fluten 30, 40, also dadurch, dass das Abgas mittels der ersten Flut 30 gezielt dem Schaufelspitzeneintrittsbereich 22 und über die zweite Flut 40 gezielt dem Schaufelfußeintrittsbereich 24 des Turbinenrades 20 zuführbar ist, ergibt sich eine besonders günstige Anströmung des Turbinenrades 20, welches auch als Laufrad der Halbaxialturbine 10 bezeichnet werden kann. Dadurch kann gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Turbinensystemen ein verbesserter

Turbinenwirkungsgrad erzielt werden.

Jeweilige Umfangsgeschwindigkeiten am Schaufelfuß 28 sowie an der Schaufelspitze 26 sind beim Betrieb der Halbaxialturbine 10 unterschiedlich. Die Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelfuß 28 kann auch als Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeiten u roo t bezeichnet werden, welche in einem, in Fig. 3 dargestellten, auf den Schaufelfuß 28 bezogenen Geschwindigkeitsdreieck aufgetragen ist. Weitere Seiten des

Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 3 sind durch eine Schaufelfuß- Relativgeschwindigkeitskomponente wi , roo t sowie durch eine Schaufelfuß- Zuströmgeschwindigkeit Ci .root gegeben. Durch das Einströmen des Abgases an dem Zuführbereich 16 unter der Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit Ci , rao t (Hypotenuse des Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 3) ergeben sich die Schaufelfuß- Relativgeschwindigkeitskomponente wi , roo t sowie die Schaufelfuß- Umfangsgeschwindigkeiten U root (als jeweilige Katheten) an dem Schaufelfuß 28.

Fig. 4 zeigt ein, auf die Schaufelspitze 26 bezogenes Geschwindigkeitsdreieck, wobei die Umfangsgeschwindigkeiten an der Schaufelspitze 26 als Schaufelspitzen- Umfangsgeschwindigkeit Utip angegeben ist. Weitere Seiten des

Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 4 sind durch eine Schaufelspitzen- Relativgeschwindigkeitskomponente wi ,ti P sowie durch eine Schaufelspitzen- Zuströmgeschwindigkeit c 1 ,ti P gegeben. Durch das Einströmen des Abgases an dem Zuführbereich 16 unter der Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit Ci , t i P (Hypotenuse des Geschwindigkeitsdreiecks in Fig. 4) ergeben sich die Schaufelspitzen- Relativgeschwindigkeitskomponente wi , tip sowie die Schaufelspitzen- Umfangsgeschwindigkeit Utip an der Schaufelspitze 26.

Die Umfangsgeschwindigkeiten u t i P , u r0 ot an der Schaufelspitze 26 bzw. am Schaufelfuß 28 sind bei der Halbaxialturbine 10 unterschiedlich, wie aus der Zusammenschau von Fig. 3 und Fig. 4 erkennbar ist. Dabei gilt grundsätzlich

Generell gelten folgende Zusammenhänge: u = r * ω = r * 2πη

= r. root * ω = r r * Inn

Bei den vorstehenden Zusammenhängen werden die Drehzahl n und die

Winkelgeschwindigkeit ω des Turbinenrads 20, der Schaufelspitzenradius r tip (Abstand zwischen Schaufelspitze 26 und Drehachse 14) und der Schaufelfußradius r roo t (Abstand zwischen Schaufelfuß 28 und Drehachse 14) herangezogen.

Da die Umfangsgeschwindigkeiten Utip , U root unterschiedlich sind, sollte auch die

Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit u t i P der Zuströmgeschwindigkeit Ci ,ti P an der Schaufelspitze 26 größer sein als am Schaufelfuß 28, um die Relativströmung

entsprechend der Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente wi , tip

schaufelkongruent in das Turbinenrad 20 einzuleiten. Für die Halbaxialturbine 10

(asymmetrische Turbine) mit den unterschiedlichen Fluten 30, 40 (Einzelfluten) bietet dies den Vorteil, dass die engere Flut 30 (mit dem ersten Strömungsquerschnitt 32) eine höhere Zuströmgeschwindigkeit des Abgases bewirkt als die im Vergleich dazu weitere Flut 40 (mit dem zweiten Strömungsquerschnitt 42). Aus diesem Grund ist die erste (engere) Flut 30 an der Schaufelspitze 26 angeordnet.

Ein in Fig. 2 angegebener Winkel α sowie eine Höhe h einer, dem Turbinenrad 20 bzw. den einzelnen Schaufeln des Turbinenrads 20 zugeordneten, einhüllenden

Schaufelgeometrie bestimmen, wie stark unterschiedlich die Umfangsgeschwindigkeiten Utip , U root am Eintritt in das Turbinenrad 20, also am Zuführbereich 16 sind. Es ergibt sich:

r rBOt + h * tan(er)

bZW. H jj p = II, *

Je nach Anschrägung (Winkel a) und Schaufelhöhe (Höhe h) kann der Unterschied der jeweiligen Geschwindigkeiten u t i P , u r0 ot sinnvoll eingestellt werden, um das passende Turbinenrad 20 zum passenden Zuströmprofil der beiden Fluten 30, 40 vorzugeben. Aus der Zusammenschau von Fig. 3 und Fig. 4 ist erkennbar, dass die jeweiligen

Geschwindigkeitsdreiecke von Schaufelfuß 28 und Schaufelspitze 26 ebenfalls unterschiedlich gebildet sind, da die jeweiligen Zuströmgeschwindigkeiten Ci , t i P , Ci , rao t sowie die jeweiligen Umfangsgeschwindigkeiten u t i P , u rao t zwischen den beiden Fluten 30, 40 variieren. Idealerweise ist die relative Anströmung der einzelnen Schaufeln des Turbinenrads 20 möglichst kongruent zur Schaufelrichtung, um Wirkungsgradverluste durch Fehlanströmung und Wirbelbildung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Insgesamt kann die Asymmetrie der beiden Fluten 30, 40, welche auch als Gehäusefluten bezeichnet werden können, gewinnbringend eingesetzt werden. Was bei Radialturbinen einen Nachteil darstellt, ist vorteilhaft für die Halbaxialturbine 10.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein sogenannter Inzidenzwinkel, welcher vorliegend einem Wert von etwa 30° entspricht, vernachlässigt, da dieser grundsätzliche Zusammenhänge nicht beeinflusst.

Die Relativkomponenten wi, tip , wi, r0 ot (Schaufelspitzen- Relativgeschwindigkeitskomponente wi, tip und Schaufelfuß-

Relativgeschwindigkeitskomponente wi, roo t) sind in Fig. 3 für den Schaufelfuß 28 bzw. in Fig. 4 für die Schaufelspitze 26 senkrecht am Schaufeleintritt (Zuführbereich 16) dargestellt.

Für einen Schaufelwinkel von 90° ergibt sich so eine optimale Zuströmung. Auch für Schaufelwinkel abweichend von 90° lässt sich eine optimale Zuströmung realisieren. Um einen möglichst hohen Turbinenwirkungsgrad zu erzielen, ist eine Abstimmung der Höhe h, des Winkels α sowie die richtige Dimensionierung der beiden Strömungsquerschnitte 32, 42 sinnvoll.

Auch ein umgekehrter Auslegungsweg ist dabei denkbar: die Einzelfluten 30, 40 können aufgrund von Anforderungen an eine Abgasrückführung in entsprechendem

Asymmetriegrad ausgeführt sein. In Abhängigkeit davon lässt sich das Turbinenrad 20 dahingehend designen, dass passende Parameter für eine gute Zuströmung erzielt werden können.

Mit größer werdender Asymmetrie zwischen den jeweiligen Fluten 30, 40 können größere Wirkungsgradvorteile erzielt werden. Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass die Ausführung von

Verdichtern als Halbaxialmaschinen generell deren maximales Druckverhältnis absenkt und die Möglichkeit zum wirkungsgradoptimalen Betrieb innerhalb deren Kennfelder im Vergleich zu einer üblichen Verdichterbauweise mit radialer Abströmung bietet. Die Halbaxialturbine 10, welche auch eine variable Turbinengeometrie aufweisen kann, mit den asymmetrischen Fluten 30, 40 ermöglicht eine Anpassung auf besonders gute Turbinenwirkungsgrade bei im Vergleich zu Radialturbinen aus einstufigen Systemen niedrigeren Druckverhältnissen.

Bei der Halbaxialturbine 10 wird die Erkenntnis genutzt, dass eine axiale

Niederdruckturbine ideale Einbaubedingungen bietet. Ein Niederdruckturbolader kann dabei direkt in Verlängerung zu einem Hochdruckturbolader angeordnet sein, wobei sogar jeweilige, koaxiale Wellenanordnungen denkbar sind. Auch ein leichter Winkelversatz oder Lateralversatz jeweiliger Wellen des Niederdruckturboladers und des

Hochdruckturboladers ist durch Anpassung eines Verbindungsstücks zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader möglich. Aufgrund eines geringen Zwischenvolumens zwischen dem Hochdruckturbolader und dem Niederdruckturbolader kann ein gutes, transientes Hochlaufverhalten erzielt werden. Aufgrund kleiner

Oberflächen werden besonders geringe Wärmeverluste erzielt. Zudem ergibt sich ein Gewichtsvorteil und eine sehr kompakte Anordnung im engen Motorraum. Durch direkte Anbindung der axialen Niederdruckturbolader nach einer Abströmung der

Hochdruckturbine ergeben sich sehr geringe Druckverluste. Zudem kann - im Gegensatz zu Radialturbinen - auf eine Strömungsumlenkung verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

10 Halbaxialturbine

12 Turbinengehäuse

14 Drehachse

16 Zuführbereich

18 Trennwand

20 Turbinenrad

22 Schaufelspitzeneintrittsbereich

24 Schaufelf ußeintrittsbereich

26 Schaufelspitze

28 Schaufelfuß

30 erste Flut

32 erster Strömungsquerschnitt

40 zweite Flut

42 zweiter Strömungsquerschnitt

50 Wälzlager

90 Turbinenrad

92 λ-Flut

94 AGR-Flut

96 Einströmrichtung (zur Turbine)

98 Leitung zur Abgasrückführung

100 Leitung zu jeweiligen Zylindern

Ci ,tip Schaufelspitzen-Zuströmgeschwindigkeit

Cl ,root Schaufelfuß-Zuströmgeschwindigkeit

Ttip Schaufelspitzenradius

Tro rt Schaufelfußradius

Utip Schaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit

U root Schaufelfuß-Umfangsgeschwindigkeit

Wi .tip Schaufelspitzen-Relativgeschwindigkeitskomponente

Wl .root Schaufelf uß-Relativgeschwindigkeitskomponente h Höhe

α Winkel