Beschreibung

Leitschaufel für eine variable Turbinengeometrie

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine variable Turbinengeometrie eines Turboladers.

Ein Turbolader besteht im Allgemeinen aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Anεaugtrakt verbunden ist. Dabei wird die Turbine vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. über den Verdichter wird hierbei der Druck im Ansaugtrakt des Motors erhöht, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Auf diese Weise steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung.

Bei herkömmlichen Turboladern wird der Ladedruck, wenn not- wendig, dadurch begrenzt, dass mit einem Abblasventil bzw.

Bypass oder Wastegate das heiße Abgas zum Teil an der Turbine vorbeigeführt und damit die Leistung der Turbine reduziert wird. Dafür wird die Turbine so groß ausgelegt, dass sie schon weit unterhalb des Nennarbeitspunktes des Motors gut arbeitet.

Aus dem Stand der Technik sind des Weiteren Turbolader bekannt, die mit einer variablen Turbinengeometrie VTG versehen sind, um die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten an un- terschiedliche Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Lastwechsel, besser anpassen zu können. Um das zu erreichen, befinden sich verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. In geschlossener Leitschaufel-Position führen dabei hohe Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und ein hohes Enthalpiegefälle zu einer hohen Turbinenleistung und damit einem hohen Ladedruck. In voll geöffneter Position der Leitschaufeln erschließt sich wiederum der maximale Durchsatz der Turbine bei

hohem zentripetalem Anteil des Geschwindigkeitsvektors der Strömung. Der Vorteil dieser Leistungsregelung gegenüber einer Bypass-Regelung liegt darin, dass immer der volle Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet und zur Leistungsumset- zung genutzt wird.

Für die variable Turbinengeometrie ist die Form des Schaufelprofils Haupteinflussfaktor für die thermodynamische Effizienz, die Regelcharakteristik und den benötigten radialen Bauraum.

Im Stand der Technik gibt es die verschiedensten Formen für das Profil der Verstellschaufel. Generell gilt es, das Optimum an Wirkungsgrad, Regelcharakteristik und möglichst klei- nem Teilkreis (Bauraum) zusammenzuführen. üblicherweise wird die Form über die Krümmungslinie beschrieben, die zwischen dem Mittelpunkt des Kopfradius und dem Mittelpunkt des Endradius der Verstellschaufel verläuft. Diese Krümmungslinie entsteht indem innerhalb des Profils zu Ober- und Unterseite tangentiale Kreise angenommen werden. Die Verbindungslinie der Kreismittelpunkte beschreibt hierbei die Krümmungslinie.

Dabei gibt es rein gerade, gekrümmte oder aus beiden Möglichkeiten zusammengesetzte Varianten. Allen diesen Varianten ist gemein, dass die Krümmungslinien einen kontinuierlichen Verlauf besitzen, d.h. die einzelnen Kurvenstücke gehen tangential ineinander über. Mit anderen Worten die Krümmungslinie weist keinen Knick auf.

Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Leitschaufelgeometrie für einen Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäß wird erfindungsgemäß eine Leitschaufel bereitgestellt, insbesondere für einen Turbolader, wobei die Krüm-

mungslinie der Leitschaufel wenigstens einen oder mehrere Bereiche mit einem diskontinuierlichen Verlauf aufweist.

Die Leitschaufel ist besonders vorteilhaft bei der Ausgestal- tung eines Strömungsprofils. Hierbei kann der Wirkungsgrad verbessert werden bei unverändertem Regelungsverhalten und Bauraumbedarf .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- düng ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Krümmungslinie wenigstens einen Bereich mit zwei Abschnitten auf, die miteinander verbunden sind, wobei die beiden Abschnitte an ihrer Verbindungsstelle diskontinuierlich bzw. nicht tangential ineinander übergehen. Mit anderen Worten, die Abschnitte bilden an ihrer Verbindungsstelle einen Knick aus. Dies hat den Vorteil, dass durch eine solche Gestaltung der Leitschaufel, beispielsweise bei einer variablen Turbinengeometrie, der Wirkungsgrad eines Turboladers verbessert werden kann .

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Krümmungslinie der Leitschaufel neben wenigstens einem Bereich mit einem Knick bzw. mit einem nicht tangentialen übergang zwischen zwei Abschnitten wenigstens einen Bereich auf, dessen beide Abschnitte an ihrer Verbindungsstelle kontinuierlich bzw. tangential ineinander übergehen. Auf diese Weise kann die Krümmungslinie einer Leitschaufel beliebig geeignet variiert werden mit kontinuierlich und diskontinuierlich verlaufenden Bereichen, je nachdem welches Strömungsprofil erzielt werden soll.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind wenigstens ein, mehrere oder alle Abschnitte der Krümmungslinie identisch oder unterschiedlich beispielsweise in Bezug auf ihre Form, Position und/oder Abmessung. Entsprechendes

gilt für die Bereich der Krümmungslinie die durch die Abschnitte gebildet werden. So lassen sich unterschiedlichste Bauformen von Leitschaufeln realisieren, die alle wenigstens einen Bereich mit einem diskontinuierlichen Verlauf aufwei- sen .

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht die Leitschaufel beispielsweise aus vier Abschnitten, wobei der erste und zweite Abschnitt einen ersten Bereich bilden, mit einem kontinuierlichen Verlauf. Ein zweiter Bereich wird durch den zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt gebildet, wobei der zweite und dritte Abschnitt an ihrer Verbindungsstelle diskontinuierlich ineinander übergehen bzw. einen Knick bilden. Ein dritte Bereich, bestehend aus dem dritten Abschnitt und einem vierten Abschnitt, weist wiederum einen kontinuierlich Verlauf auf. Eine solche Leitschaufel stellt ein Beispiel dar, bei welchem die Krümmungslinie einen Knick aufweist. Die Abschnitte des erste bzw. dritten Bereichs können hierbei beispielsweise beide oder wenigstens einer davon nach oben bzw. unten gewölbt sein.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Abschnitte aus denen die Krümmungslinie zusammengesetzt ist beispielsweise bogenförmig oder gerade ausgebildet sein. Die Abschnitte können hierbei nach oben oder unten gewölbt bzw. wenn die Abschnitte gerade sind, beispielsweise horizontal, senkrecht, oder schräg nach oben oder schräg nach unten gerichtet sein. Die Abschnitte können hierbei beliebig miteinander kombiniert werden, wobei wenigstens ein Bereich der durch die Abschnitte gebildet wird einen diskontinuierlichen Verlauf aufweist. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Strömungsprofilen, je nach gewünschter Funktion bzw. gewünschtem Einsatzzweck realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati- sehen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine ersten Ausführungsform einer Leitschaufel gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Leitschaufel gemäß der Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Leitschaufel 10 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Leitschaufel 10 ist dabei in einem Diagramm eingezeichnet, wobei das Diagramm eine X-Achse und eine Y-Achse aufweist. Diese Darstellung gilt für alle Leitschaufeln 10 wie sie in den Fig. 1 bis 5 gezeigt sind.

Wie zuvor beschrieben, wird die Form einer Leitschaufel 10 normalerweise über die Krümmungslinie 12 beschrieben, die zwischen dem Mittelpunkt 14 des Kopfradius und dem Mittelpunkt 16 des Endradius der Leitschaufel 10 verläuft. Diese Krümmungslinie 12 entsteht indem innerhalb des Profils der Leitschaufel 10 zu Ober- und Unterseite 18, 20 tangentiale Kreise angenommen werden. Die Verbindungslinie der Kreismit- telpunkte beschreibt dabei die Krümmungslinie 12.

Im vorliegenden Fall, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, verläuft die Krümmungslinie 12 wellenförmig. Die Krümmungslinie 12

setzt sich dabei aus vier Abschnitten al bis a4 zusammen. Der erste und zweite Abschnitt al, a2, die einen ersten Bereich bl bilden, ist hierbei jeweils bogenförmig nach oben gewölbt ausgebildet, wobei die beiden Abschnitte al, a2 der Krüm- mungslinie 12 an ihrer Verbindungsstelle 22 tangential ineinander übergehen. Der Bereich bl bildet hierbei einen kontinuierlichen Verlauf ohne einen Knick. Des Weiteren ist der dritte Abschnitt a3 ebenfalls bogenförmig ausgebildet, wobei er nach unten gewölbt ist, im Gegensatz zu dem ersten und zweiten Abschnitt al, a2. Der zweite und dritte Abschnitt a2, a3 gehen an ihrer Verbindungsstelle 22 ebenfalls tangential ineinander über, so dass der zweite Bereich b2, der aus dem zweiten und dritten Abschnitt a2, a3 gebildet wird, einen kontinuierlichen Verlauf aufweist. Entsprechendes gilt auch für den dritten Bereich b3. Dieser wird aus dem dritten Abschnitt a3 und einem vierten Abschnitt a4 gebildet, wobei beide Abschnitte a3, a4 bogenförmig ausgebildet sind und nach unten gewölbt sind. An ihrer Verbindungsstelle 22 gehen die beiden Abschnitte a3, a4 der Krümmungslinie 12 tangential in- einander über, d.h. der Bereich b3 weist einen kontinuierlichen Verlauf auf, ohne dass ein Knick am übergang 22 der beiden Abschnitte a3, a4 entsteht. Alle drei Bereich bl bis b3 verlaufen oberhalb der X-Achse in dem Diagramm in Fig. 1, des Weiteren ist der erste bereich bl deutlich länger und stärker gewölbt als der dritte Bereich b3.

In der zweiten Ausführungsform einer Leitschaufel 10 gemäß dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, setzt sich die Krümmungslinie 12 ebenfalls aus vier Abschnitten al bis a4 zusammen. Die Krümmungslinie 12 verläuft hierbei oberhalb der X-Achse und steigt hierbei zunächst in einem Bogen nach oben an, bevor sie zum anderen Ende hin langsam abfällt.

Der erste Abschnitt al der Krümmungslinie 12 ist hierbei bo- genförmig nach unten gewölbt und der daran anschließende Abschnitt a2 bogenförmig nach oben. An ihrer Verbindungsstelle 22 gehen die beiden Abschnitte al und a2 tangential ineinander über, so dass der erste Bereich bl, der durch den ersten

und zweiten Abschnitt al, a2 gebildet wird, einen kontinuierlichen Verlauf aufweist. Der zweite Bereich b2, der sich aus dem zweiten Abschnitt a2 und einem dritten Abschnitt a3 zusammensetzt, weist ebenfalls einen kontinuierlichen Verlauf auf. So ist der dritte Abschnitt a3 ebenfalls bogenförmig nach oben gewölbt, wobei er und der zweite Abschnitt a2 an ihrer Verbindungsstelle 22 tangential ineinander übergehen, ohne dass dabei ein Knick entsteht. Der dritte Bereich b3 der Krümmungslinie 12 wird aus dem dritten Abschnitt a3 und einem vierten Abschnitt a4 gebildet. Der vierte Abschnitt a4 ist dabei bogenförmig nach unten gewölbt, wobei der dritte und vierte Abschnitt a3, a4 an ihrer Verbindungsstelle 22 tangential ineinander übergehen.

Weiter ist in Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Leitschaufelform des Standes der Technik gezeigt. Die Leitschaufel 10 besteht dabei, wie in der ersten und zweiten Ausführungsform aus vier Abschnitten al bis a4. Dabei verläuft die Krümmungslinie 12 in einer Wellenform zunächst in einem Bogen oberhalb der X-Achse und dann in einem Bogen unterhalb der X- Achse .

Der erste und zweite Abschnitt al, a2 der Krümmungslinie 12 ist bogenförmig ausgebildet und verläuft nach oben gewölbt. An ihrer Verbindungsstelle 22 gehen die beiden ersten und zweiten Abschnitte al, a2 tangential ineinander über. Der zweite Bereich b2 der Krümmungslinie 12 wird durch den zweiten Abschnitt a2 und einen dritten Abschnitt a3 gebildet. Der dritte Abschnitt a3 ist ebenfalls bogenförmig ausgebildet und nach unten gewölbt. Die beiden Abschnitte a2 und a3 gehen an ihrer Verbindungsstelle 22 dabei tangential ineinander über, so dass kein scharfer Knick in diesem Bereich entsteht. Des Weiteren wird der vierte Bereich b4 durch den dritten Abschnitt a3 und einen vierten Abschnitt a4 gebildet. Der vier- te Abschnitt a4 ist ebenfalls bogenförmig nach unten gewölbt ausgebildet. Im Bereich ihrer Verbindungsstelle 22 gehen der dritte und vierte Abschnitt a3, a4 tangential ineinander ü- ber. Damit bilden die Bereiche bl bis b4 bzw. die Krümmungs-

linie 12 insgesamt einen kontinuierlichen Verlauf, wie die beiden anderen zuvor beschriebenen Ausführungsformen einer Leitschaufel 10 gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 4 ist nun eine erste Ausführungsform einer Leitschaufel 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Leitschaufel 10 besteht hierbei beispielsweise aus vier Abschnitten al bis a4. Ein erster Bereich, bestehend aus dem ersten und zweiten Abschnitt al, a2, weist dabei einen kontinuierlichen Verlauf auf. Der erste und zweite Abschnitt al, a2 ist hierbei bogenförmig ausgebildet und nach oben gewölbt. An ihrem Verbindungsabschnitt bzw. ihrer Verbindungsstelle 22 geht der erste Abschnitt al dabei tangential in den zweiten Abschnitt a2 ü- ber, so dass ein kontinuierlicher Verlauf entsteht ohne einen Knick. Ein zweiter Bereich b2 wird durch den zweiten Abschnitt a2 und einen dritten Abschnitt a3 gebildet, wobei der zweite und dritte Abschnitt a2, a3 jeweils bogenförmig ausgebildet sind und nach oben gewölbt sind. Dabei gehen die Abschnitte a2 und a3 an ihrem Verbindungspunkt 22 jedoch nicht tangential ineinander über sondern bilden einen Knick 24. Der zweite Bereich b2 bildet hierzu nicht wie im Stand der Technik einen kontinuierlichen Verlauf sondern einen diskontinuierlichen Verlauf bzw. weist einen scharfen Knick 24 an der Verbindungsstelle 22 der beiden Abschnitte a2, a3 auf. Der dritte Bereich b3 besteht aus dem dritten Abschnitt a3 und einem vierten Abschnitt a4 und bildet hierbei einen kontinuierlichen Verlauf. Der vierte Abschnitt a4 ist dabei bogenförmig ausgebildet und nach oben gewölbt. An ihrer Verbindungsstelle 22 gehen der dritte und vierte Abschnitt a3, a4 tangential ineinander über. Das bedeutet, dass in dem vorliegenden Beispiel, die Leitschaufel 10 einen Bereich b2 aufweist mit einem diskontinuierlichen Verlauf der Krümmungslinie 12, bei welchem der zweite und dritte Abschnitt a2, a3 an ihrer Verbindungsstelle 22 eine Art Knick 24 bilden bzw. nicht tangential ineinander übergehen. Die anderen Bereiche bl und b3 weisen dagegen einen kontinuierlichen Verlauf der Krümmungslinie 12 auf, ohne dass hierbei einer der Bereiche einen Knick ausbildet.

Die Krümmungslinie 12 bildet im vorliegenden Fall zwei Bögen, einmal einen nach oben gewölbten Bogen aus den Abschnitten al und a2 und einen weiteren im Vergleich dazu sehr viel flacher gewölbten Bogen bestehend aus den Abschnitten a3 und a4. Beide Bögen bilden an ihrer Verbindungsstelle 22 den Knick 24.

Des Weiteren ist in Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitschaufel 10 dargestellt. Die Krümmungs- linie 12 der Leitschaufel 10 besteht dabei aus vier Abschnitten al bis a4. Der erste und zweite Abschnitt al, a2 ist dabei bogenförmig ausgebildet und nach oben gewölbt. An ihrer Verbindungsstelle 22 gehend der erste und zweite Abschnitt al, a2 tangential ineinander über, so dass der Bereich bl, der aus den beiden Abschnitten al, a2 gebildet wird, einen kontinuierlichen Verlauf aufweist. Der zweite Bereich b2 wird aus dem zweiten Abschnitt a2 und einem dritten Abschnitt a3 gebildet, wobei der dritte Abschnitt a3 ebenfalls nach oben gewölbt ist. Die beiden Abschnitt a2, a3 gehen jedoch an ih- rer Verbindungsstelle 22 nicht tangential ineinander über, sondern bilden eine Art Knick 24, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Damit weist der zweite Bereich b2 einen diskontinuierlichen Verlauf auf. Der dritte Bereich b3, der aus dem dritten Abschnitt a3 und einem vierten Abschnitt a4 gebildet wird weist wiederum einen kontinuierlichen Verlauf auf. Die beiden dritten und vierten Abschnitte a3, a4 sind hierbei bogenförmig ausgebildet und nach oben gewölbt. An ihrer Verbindungsstelle 22 gehen sie tangential ineinander über. Damit weist die Krümmungslinie 12 der erfindungsgemäßen Leitschaufel 10 zu- mindest in dem Bereich b2 einen diskontinuierlichen verlauf auf, während die beiden anderen Bereiche bl und b3 einen kontinuierlichen Verlauf ohne Knickbildung aufweisen. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform der Erfindung ist bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung der erste Bereich bl länger ausgebildet, bzw. der aus den Abschnitten al und a2 gespannt Bogen. Der dritte Bereich b3, bzw. der aus den Abschnitten a3 und a4 gespannte Bogen ist dafür in der zweiten Ausführungsform kürzer als wie in der ersten Ausführungsform.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Wei- se modifizierbar. Insbesondere ist auch denkbar, dass statt bogenförmiger Abschnitte auch Abschnitte mit beispielsweise einer geraden Form (nicht dargestellt) miteinander und/oder mit den bogenförmigen Abschnitten kombiniert werden, je nach beispielsweise anzustrebendem Strömungsprofil der jeweiligen Leitschaufel. Des Weiteren kann eine Leitschaufel wenigstens einen Bereich bestehend aus zwei Abschnitten aufweisen oder eine Vielzahl von Bereichen bzw. Abschnitten, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, sechs und mehr Bereiche bzw. Abschnitte. Dabei können Abschnitte mit einer beliebigen Form, Anordnung und/oder Dimensionierung miteinander kombiniert werden. Entsprechendes gilt auch für die Bereiche, die aus den Abschnitten gebildet werden. In den beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt sind, sind die Bereiche bl bis b3 jeweils im Wesentlichen o- berhalb der X-Achse in den Diagrammen angeordnet. Grundsätzlich können die Bereiche bzw. Abschnitte der Krümmungslinie 12 beliebig verlaufen, beispielsweise zumindest teilweise unterhalb der X-Achse, wie zum Beispiel in Fig. 3 mit Bezug auf den Stand der Technik dargestellt ist. Wahlweise können die Bereiche bzw. Abschnitte der Krümmungslinie 12 auch vollständig unterhalb oder zum Teil auf der X-Achse verlaufen. Des Weiteren können gerade und bogenförmige Abschnitte bei der Krümmungslinie 12 einer Leitschaufel 10 beliebig variiert werden. Grundsätzlich kann die Leitschaufel 10 hierbei we- nigstens einen Knick 24 oder eine Vielzahl von Knicken 24 aufweisen bzw. Stellen an welchen die einzelnen Kurvenstücke der Krümmungslinie 12 nicht tangential ineinander übergehen. Beispielsweise kann die Krümmungslinie 12 eins, zwei, drei, vier und mehr dieser sog. Knicke 24 bzw. nicht tangentialen übergänge aufweisen, wobei die Knicke 24 an beliebigen Positionen der Krümmungslinie 12 vorgesehen werden können je nach Funktion bzw. Einsatzzweck.