Abgasturbolader mit einem Radial-Axial-Turbinenrad

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, welcher ein Radial-Axial-Turbinenrad aufweist . Aus der DE 10 2009 056 632 AI ist ein Abgasturbolader bekannt, welcher ein derartiges Radial-Axial-Turbinenrad enthält. Bei diesem bekannten Abgasturbolader weist das Turbinengehäuse ein Leitelement auf, welches wenigstens einen Teil der Rückwand einer geneigten oder schräg ausgebildeten Spirale bildet.

Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht dieses bekannten Ab ^¬ gasturboladers. In dieser Schnittansicht sind die Zuström ^¬ richtung und die Abströmrichtung des Abgases mit einem Pfeil schematisch und stark vereinfacht dargestellt. Der bekannte Abgasturbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 10 mit einer Spirale 16 auf. Innerhalb des Turbinengehäuses 10 ist auf einer Welle 30 ein Radial-Axial-Turbinenrad 12 angeordnet. Die Welle 30 ist in einem Lagergehäuse 20 gelagert. Des Weiteren ist ein Leitelement 24 vorgesehen, bei dem es sich um ein Hitzeschild handelt. Dieses ist derart ausgeführt, dass es eine Rückwand 26 oder einen

Teilbereich 28 der Rückwand der Spirale 16 bildet, wobei der Teil der Rückwand oder die Rückwand unter einem Neigungswinkel ß in Richtung des Lagergehäuses geneigt ist. Der Bereich des Leit ^¬ elementes 24, der als Rückwand 26 oder als Teil der Rückwand der Spirale 16 bzw. des Turbinengehäuses 10 ausgebildet ist, bildet mit der Spirale 16 bzw. dem Turbinengehäuse 10 einen im We ^¬ sentlichen nahtlosen Übergang, so dass die Strömungsführung des Abgases so wenig wie möglich beeinträchtigt wird. Das Leitelement 24 kann in einem Endbereich 32 an einem Absatz 34 des Lager- gehäuses aufgeschoben oder aufgesteckt sein. Des Weiteren weist der bekannte Abgasturbolader ein Zungenelement 14 auf, welches vorzugsweise nahe an die Eintrittskante 18 des Turbinenrades 12 gezogen ist, so dass der Abstand a zwischen dem Zungenelement 14 und der Eintrittskante 18 des Turbinenrades 12 klein ist. Durch die Verwendung des beschriebenen Leitelementes 24 als strömungsführendes Bauteil des Turbinengehäuses kann der axiale Bauraum des Turbinengehäuses kompakt ausgeführt werden. Durch den kleinen Abstand von dem Zungenelement 14 zu der Eintrittskante 18 des Turbinenrades 10 und der vorzugsweise pa ^¬ rallelen oder im Wesentlichen parallelen Anordnung von Zungenwinkel und Radeintrittskante ist der Wirkungsgrad des Ab- gasturboladers erhöht.

Das Hitzeschild 24 des vorstehend beschriebenen Abgasturboladers besteht in der Regel aus Blech. Dies hat den Nachteil, dass das Hitzeschild während der Montage durch Druckeinflüsse und im Betrieb des Abgasturboladers zusätzlich durch thermische

Einflüsse Verformungen unterliegt. Diese können die Anströmung des Turbinenrades und damit dessen Thermodynamik negativ be ^¬ einflussen. Des Weiteren kann es aufgrund dieser Verformungen zu einer unerwünschten Kollision des Hitzeschildes mit dem Tur- binenrad kommen. Ferner kommt es aufgrund der genannten Verformungen zu thermomechanischen Nachteilen in Bezug auf die Funktionalität und die Lebensdauer des Abgasturboladers.

Fertigungsbedingt entsteht an der dem Turbinenradrücken nächstgelegenen Stelle des Hitzeschildes ein Eckenradius, der die Anströmung des Turbinenrades und damit die Thermodynamik des Abgasturboladers negativ beeinflusst, da die Abgasströmung nicht sauber ablöst bzw. abreißt. Des Weiteren kommt es in der Praxis zu einer unerwünschten Durchströmung des Hohlraumes zwischen dem Rücken des Turbinenrades und dem Hitzeschild, welche ebenfalls mit Verlusten verbunden ist. Ferner muss aufgrund der genannten, im Betrieb auftretenden temperaturbedingten Verformungen des Hitzeschildes ein vergleichsweise großer Radrückenraum vor ^¬ gesehen sein. Auch dies führt im Betrieb zu einer starken und ungünstigen Durchströmung mit heißem Abgas.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mit einem Ra- dial-Axial-Turbinenrad ausgestatteten Abgasturbolader anzu- geben, bei dem die vorstehend angegebenen Nachteile nicht auftreten .

Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Ein Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen enthält eine eine Drehachse aufweisende Welle, ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und mit der Welle drehfest ver ^¬ bundenes Radial-Axial-Turbinenrad und ein dem Turbinengehäuse benachbartes Lagergehäuse, welches eine dem Turbinengehäuse zugewandte Seitenwand aufweist. Dabei bildet ein Teilbereich der dem Turbinengehäuse zugewandten Seitenwand des Lagergehäuses einen Teilbereich der Rückwand des Turbinengehäuses. Der einen Teilbereich der Rückwand des Turbinengehäuses bildende Teil ^¬ bereich des Lagergehäuses weist zwei Teilabschnitte auf, von denen der erste Teilabschnitt schräg zur Drehachse der Welle in Zuströmrichtung eines in das Turbinengehäuse geleiteten Ab ^¬ gasstromes verläuft und der zweite Teilabschnitt in Radial ^¬ richtung zur Drehachse der Welle und parallel zur Rückwand des Turbinenrades verläuft. Die beiden Teilabschnitte sind über eine Abgasströmungsabrisskante des Lagergehäuses miteinander ver- bunden.

Ein derartiger Abgasturbolader benötigt kein Hitzeschild, das sich während der Montage und im Betrieb des Abgasturboladers durch Druckeinflüsse und thermische Einflüsse in unerwünschter Weise verformen könnte. Dies begünstigt die Anströmung des

Turbinenrades und verbessert dessen Thermodynamik. Ferner können bei einem Abgasturbolader mit den erfindungsgemäßen Merkmalen in dessen Betrieb keine unerwünschten Kollisionen mit dem sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Turbinenrad auftreten. Dies verbessert die Funktionalität des Abgasturboladers und erhöht dessen Lebensdauer . Ferner kann bei einem Abgasturbolader mit den erfindungsgemäßen Merkmalen der Hohlraum zwischen der Rückwand des Turbinenrades und dem benachbarten Teilabschnitt der „

Seitenwand des Lagergehäuses, d. h. der Radrückenraum, klein gehalten werden, so dass auch in diesem Bereich ein Auftreten einer unerwünschten Durchströmung mit dem Abgasstrom zumindest stark reduziert werden kann.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren 2 - 4. Es zeigt

Figur 2 eine Schnittansicht eines Teils eines Abgasturboladers gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung, Figur 3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Anströmung des

Turbinenrades mit dem Abgasstrom und

Figur 4 eine vergrößerte Darstellung des Detail Z von Figur 3.

Die Figur 2 zeigt eine Schnittansicht eines Teils eines Ab ^¬ gasturboladers gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Er ^¬ findung. Dieser Abgasturbolader weist ein Turbinengehäuse 10 mit einer Spirale 16 auf, welche einen Zuströmbereich 17 für den Abgasstrom umschließt . Innerhalb des Turbinengehäuses 10 ist auf einer Welle 30 ein mit der Welle drehfest verbundenes Radi- al-Axial-Turbinenrad 12 angeordnet. Die Welle 30 ist in einem Lagergehäuse 20 gelagert, welches dem Turbinengehäuse 10 be ^¬ nachbart ist. Das Lagergehäuse 20 weist eine dem Turbinengehäuse 10 zugewandte Seitenwand auf. Das Turbinenrad 12 hat eine Rückwand 13 und eine Oberseite OS.

Ein Teilbereich der dem Turbinengehäuse zugewandten Seitenwand des Lagergehäuses bildet einen Teilbereich der Rückwand des Turbinengehäuses. Der einen Teilbereich der Rückwand des

Turbinengehäuses bildende Teilbereich des Lagergehäuses weist zwei Teilabschnitte TAI und TA2 auf. Der erste Teilabschnitt TAI verläuft schräg zur Drehachse 30a der Welle 30 in Zuströmrichtung ZR des in das Turbinengehäuse geleiteten heißen Abgasstromes . Der zweite Teilabschnitt TA2 verläuft in Radialrichtung R zur

Drehachse 30a der Welle 30 und auch parallel zur Rückwand 13 des Turbinenrades 12. Die beiden Teilabschnitte TAI und TA2 sind über eine Abgasströmungsabrisskante 35 des Lagergehäuses 20 mit- einander verbunden. Zwischen der Rückwand 13 des Turbinenrades 12 und dem parallel dazu verlaufenden zweiten Teilabschnitt TA2 befindet sich der Radrückenraum 29. Innerhalb des Lagergehäuses 20 ist ein Wasserkern 36 angeordnet, welcher der Abgasströmungsabrisskante 35 benachbart ist. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, dass im Betrieb des Abgas ^¬ turboladers der Bereich der Abgasströmungsabrisskante 35 durch einen durch den Wasserkern 36 geleiteten Wasserstrom gekühlt wird.

Des Weiteren ist die dem Turbinengehäuse zugewandte Seitenwand des Lagergehäuses im Bereich des ersten Teilabschnittes TAI und des zweiten Teilabschnittes TA2 mit einer Schutzschicht überzogen. Diese Schutzschicht besteht bevorzugt aus einem hochtemperatur- , oxidations- und korrosionsbeständigen Material, beispielsweise Nickel. Aufgrund dieser Schutzschicht sind die genannten Teilabschnitte TAI und TA2 und insbesondere auch die die beiden Teilabschnitte verbindende Abgasströmungsab- risskante 35 des Lagergehäuses gegen die im Betrieb des Ab ^¬ gasturboladers in diesen Bereichen auftretenden hohen Temperaturen geschützt, so dass die Wahrscheinlichkeit einer De ^¬ formation dieser Bereiche reduziert ist. Des Weiteren sind in der Figur 2 die Axialrichtung A der Drehachse 30a der Welle 30 und die Radialrichtung R der Drehachse 30a der Welle 30 veranschaulicht.

Die am Lagergehäuse 20 vorgesehene Abgasströmungsabrisskante 35 ist derart ausgebildet, dass sie den im Betrieb des Abgas ^¬ turboladers auftretenden hohen Belastungen standhält und dass die im Bereich dieser Abgasströmungsabrisskante auftretenden Verwirbelungen des zugeführten heißen Abgasstromes klein gehalten werden, so dass der hydrodynamische Wirkungsgrad des Abgasturboladers gesteigert werden kann. Dies wird nachfolgend anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert. Die Figur 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der

Anströmung des Turbinenrades des Abgasturboladers mit dem heißen Abgasstrom. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel tritt der heiße Abgasstrom in die zwischen der Seitenwand des Lagergehäuses 20 und dem nicht gezeichneten Turbinengehäuse gebildete Düse ein und wird entlang des Teilabschnitts TAI dem Turbinenrad 12 bzw. dessen Leitschaufeln zugeführt. Dadurch wird das Turbinenrad zusammen mit der Welle 30 in Drehung versetzt, wobei diese Drehung um die Drehachse 30a erfolgt. Das Lagergehäuse 20 weist zwischen dem ersten Teilabschnitt TAI und dem zweiten Teilabschnitt TA2 eine Abgasströmungsabrisskante 35 auf.

Diese Abgasströmungsabrisskante 35 und das dieser benachbarte Turbinenrad 12 sind derart ausgebildet und relativ zueinander derart angeordnet, dass die im Bereich der Abgasströmungsab ^¬ risskante 35 auftretenden Verwirbelungen des Abgasstromes klein gehalten werden und dass die Abgasströmungsabrisskante 35 den im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden Belastungen stand ^¬ hält. Dazu trägt auch der in der Nähe der Abgasströmungsab- risskante 35 positionierte Wasserkern 36 bei, durch welchen im Betrieb des Abgasturboladers Kühlwasser geleitet wird, das den Bereich der Abgasströmungsabrisskante 35 kühlt.

Der in der Figur 3 hervorgehobene Teilbereich Z, innerhalb dessen die Abgasströmungsabrisskante 35 und die dieser benachbarten Bestandteile des Turbinenrades 12 enthalten sind, sind in der Figur 4 in vergrößertem Maßstab dargestellt.

Aus der Figur 4 ist ersichtlich, dass das Turbinenrad 12 am in Radialrichtung oberen Ende seiner Rückwand 13 eine Ecke E2 aufweist, von welcher aus die Oberseite OS des Turbinenrades bzw. die Oberseite von dessen Schaufeln schräg nach oben verläuft. Die Ecke E2 der Rückwand 13 des Turbinenrades 12 weist von einer in Radialrichtung darüber angeordneten Ecke El der Abgasströ- mungsabrisskante 35 des Lagergehäuses 20 in Radialrichtung einen Abstand b auf. Die Oberseite OS des Turbinenrades 12 weist von der Ecke El der Abgasströmungsabrisskante 35 des Lagergehäuses in Zuströmrichtung ZR des Abgasstromes einen Abstand c auf. Die Rückwand 13 des Turbinenrades 12 weist von dem parallel zu dieser verlaufenden zweiten Teilabschnitt TA2 einen Abstand a auf. Der erste Teilabschnitt TAI des Lagergehäuses 20 verläuft ebenfalls in Zuströmrichtung ZR des Abgasstromes, weist relativ zur Radialrichtung R einen Winkel ß auf und endet an der Ecke El der Abgasströmungsabrisskante 35 des Lagergehäuses.

Zwischen der Ecke El der Abgasströmungsabrisskante 35 und dem zweiten Teilabschnitt TA2 ist eine von der Ecke El ausgehende Flanke F vorgesehen, welche mit dem zweiten Teilabschnitt TA2 über einen gebogen ausgebildeten Übergangsbereich U verbunden ist. Die Flanke F verläuft parallel zur Oberseite OS des Turbinenrades 12. Der erste Teilabschnitt TAI und die Flanke F schließen an der Ecke El der Abgasströmungsabrisskante 35 einen Eckwinkel ein.

Der Wasserkern 36, durch welchen im Betrieb des Abgasturboladers Kühlwasser fließt, reicht bis in die unmittelbare Nähe der Abgasströmungsabrisskante 35, so dass diese im Betrieb durch das Kühlwasser gekühlt wird und nicht durch eine Überhitzung zerstört werden kann.

Um eine Überhitzung der Abgasströmungsabrisskante 35 zu ver ^¬ hindern, ist des Weiteren die dem Turbinengehäuse 10 zugewandte Seitenwand des Lagergehäuses 20 im Bereich des ersten Teil ^¬ abschnittes TAI, des zweiten Teilabschnittes TA2 und der Flanke F mit einer Schutzschicht versehen. Diese Schutzschicht besteht vorzugsweise aus einem hochtemperatur- , oxidations- und kor ^¬ rosionsbeständigen Material, beispielsweise Nickel.

Der Abstand b der Ecke El der Abgasströmungsabrisskante 35 von der Ecke E2 des oberen Endbereiches der Rückwand 13 des Tur ^¬ binenrades 12 in Radialrichtung steht in einem definierten Verhältnis zum in Radialrichtung R gemessenen Durchmesser DTR der Rückwand 13 des Turbinenrades 12. Es gilt vorzugsweise:

0, 005 < b/DTR < 0, 025. ₀

o

Der Abstand a zwischen der Rückwand 13 des Turbinenrades 12 und dem zweiten Teilabschnitt TA2 steht ebenfalls in einem defi ^¬ nierten Verhältnis zum in Radialrichtung gemessenen Durchmesser DTR der Rückwand 13 des Turbinenrades 12. Es gilt auch hier vorzugsweise folgende Beziehung:

0, 005 < a/DTR < 0, 025.

Die Erfindung stellt nach alledem einen Abgasturbolader bereit, welcher mit einem Axial-Radial-Turbinenrad ausgestattet ist , bei welchem die Abgasströmung im Turbinengehäuse ohne Verwendung eines gesonderten Leitelementes durch eine Düse zum Turbinenrad geführt wird. Eine Seitenwand dieser Düse wird von einem ersten Teilabschnitt der dem Turbinengehäuse zugewandten Seitenwand des Lagergehäuses gebildet, welcher in Zuströmrichtung des Ab ^¬ gasstromes verläuft. Die andere Seitenwand der Düse wird von einer Wand des Turbinengehäuses gebildet. Der erste Teilab ^¬ schnitt TAI der dem Turbinengehäuse zugewandten Seitenwand des Lagergehäuses ist über eine Abgasströmungsabrisskante 35 mit einem zweiten Teilabschnitt TA2 verbunden, welcher parallel zur Rückwand des Turbinenrades verläuft.

Eine derartige Ausbildung der dem Turbinengehäuse zugewandten Seitenwand des Lagergehäuses schafft die Voraussetzungen dafür, dass die Abgasströmungsabrisskante des Lagergehäuses den im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden hohen Belastungen standhält, so dass der thermodynamische Wirkungsgrad des Ab ^¬ gasturboladers gesteigert werden kann. Werden zusätzlich zu dieser Ausgestaltung der dem Turbinengehäuse zugewandten Seitenwand des Lagergehäuses eine oder mehrere der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale eingesetzt, dann wird die Funktionalität des Abgasturboladers im Betrieb weiter erhöht. Dazu tragen insbesondere die Formgebung des Lagerge ^¬ häuses im Bereich der Abgasströmungsabrisskante, die Positi- onierung des Wasserkernes, die Verwendung einer Schutzschicht und die Dimensionierung der oben beschriebenen Abstände a und b bei . Untersuchungen haben gezeigt, dass die Funktionalität eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung im Betrieb auch beim Vorliegen von hohen Abgaseintrittstemperaturen gegeben ist, die größer sind als 1050°C.