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Dokumentenidentifikation DE60305011T2 07.12.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001481151
Titel VERBESSERTE SCHAUFELAUSFÜHRUNG ZUR VERWENDUNG IN TURBOLADERN MIT VARIABLER GEOMETRIE
Anmelder Honeywell International Inc., Morristown, N.J., US
Erfinder ARNOLD, Don, Steven, Rancho Palos Verdes, CA 90275, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60305011
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.02.2003
EP-Aktenzeichen 037193406
WO-Anmeldetag 28.02.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/US03/06091
WO-Veröffentlichungsnummer 2003074850
WO-Veröffentlichungsdatum 12.09.2003
EP-Offenlegungsdatum 01.12.2004
EP date of grant 03.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.2006
IPC-Hauptklasse F02B 37/24(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Patentanmeldung dibetrifft die am 16. Januar 2001 eingereichte US-PS 6419464 und die am 1. März 2002 eingereichte US-PS 6729134 mit dem Titel „Improved Vane Variable Nozzle Turbocharger".

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Turbolader mit variabler Geometrie und insbesondere eine verbesserte Schaufelausführung für Schaufeln für mehrere schwenkbare aerodynamische Schaufeln, die in einem Turbolader mit variabler Geometrie zwecks Maximierung der Strömungseffizienz im Turbolader angeordnet sind.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Turbolader für Benzin- und Diesel-Verbrennungsmotoren sind in der Technik bekannte Vorrichtungen, die zur Druckbeaufschlagung oder Verstärkung des Einlassluftstroms verwendet werden, der unter Verwendung des Wärme- und des volumetrischen Stroms des den Motor verlassenden Abgases zu einer Brennkammer des Motors geleitet wird. Insbesondere wird das den Motor verlassende Abgas so in ein Turbinengehäuse eines Turboladers geleitet, dass ein Drehen einer abgasbetriebenen Turbine in dem Gehäuse bewirkt wird. Die abgasbetriebene Turbine ist an einem Ende einer Welle angebracht, die einem an einem gegenüberliegenden Ende der Welle angebrachten und in einem Verdichtergehäuse untergebrachten Radialluftverdichter gemein ist. Somit bewirkt die Drehwirkung der Turbine auch ein Drehen des Luftverdichters im Verdichtergehäuse des Turboladers, das vom Turbinengehäuse getrennt ist. Der Drehvorgang des Luftverdichters bewirkt, dass Einlassluft in das Verdichtergehäuse eintritt und in einem gewünschten Ausmaß mit Druck beaufschlagt oder verstärkt wird, bevor sie mit Kraftstoff vermischt und in der Motorbrennkammer verbrannt wird.

Bei einem Turbolader ist es oft wünschenswert, den Abgasstrom zur Turbine zu steuern, um den Wirkungsgrad oder den Betriebsbereich des Turboladers zu verbessern. Turbolader mit variabler Geometrie (VGTs – variable geometry turbochargers) sind dazu konfiguriert worden, diesen Bedarf zu erfüllen. Eine solche VGT-Art ist eine solche, die eine variable Abgasdüse aufweist und als Turbolader mit variablen Düsen bezeichnet werden. Bei Turboladern mit variablen Düsen sind andere Konfigurationen von variablen Düsen eingesetzt worden, um den Abgasstrom zu steuern. Bei einem Lösungsansatz zur Erzielung von Abgasstromsteuerung bei solchen VGTs werden mehrere schwenkbare Schaufeln verwendet, die ringförmig um den Turbineneinlass herum angeordnet sind. Die schwenkbaren Schaufeln werden gemeinhin zum Ändern des Halsquerschnitts der Durchgänge zwischen den Schaufeln gesteuert, wodurch sie zur Steuerung des Abgasstroms in die Turbine funktionieren.

Um den ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb solcher VGTs zu gewährleisten, ist es wichtig, dass die einzelnen Schaufeln in dem Turbinengehäuse so konfiguriert und montiert werden, dass sie sich als Reaktion auf eine gewünschte Abgasstromsteuerbetätigung frei bewegen oder frei schwenken können. Da diese schwenkbaren Schaufeln während des Turboladerbetriebs Millionen von Hochtemperaturzyklen ausgesetzt sind, ist es erforderlich, dass ein jeder solcher Schwenkmechanismus unter solchen Temperaturzyklusbedingungen wiederholt funktionieren kann, ohne irgendein das Material betreffendes oder mechanisches Problem oder Versagen zu erfahren, das mit den Temperaturzyklen in Verbindung steht.

Bekannte VGTs mit mehreren Schaufeln enthalten Schaufeln, die so konfiguriert sind, dass sie eine davon nach vorne ragende Welle aufweisen, wobei jede solche Welle in einer jeweiligen Wellenöffnung in einem Turbinengehäuse oder in einer Düsenwand angeordnet ist. Obgleich die Schaufeln gemeinhin so betätigt werden, dass sie gegenüber ihren Wellen in den jeweiligen Öffnungen schwenken, ist entdeckt worden, dass solch ein Schaufelbefestigungs- und Schwenkmechanismus mit seinen eigenen Problemen behaftet ist.

Um eine freie Schwenkbewegung der Schaufelwelle mit der Öffnung zu gewährleisten, ist es wesentlich, dass die Welle vollkommen senkrecht von der Schaufel vorragt, um dadurch ein unerwünschtes Festfressen oder irgendeine andere Beeinträchtigung der Schaufelschwenkbewegung zu vermeiden. Manchmal sind Sekundärbegradigungs- oder -bearbeitungsvorgänge erforderlich, um die senkrechte Ausrichtung der Schaufelwellen zu gewährleisten, wobei diese Sekundärvorgänge sowohl zeitaufwendig als auch kostspielig sein können. Darüber hinaus kann diese Art von Schaufelbefestigungs- und -schwenkmechanismus eine hohe Freitraglast auf der Schaufelwelle erzeugen, wenn sie betätigt wird, die auch eine freie Schaufelschwenkbewegung beeinträchtigen und letztendlich zu einem Versagen des Schaufelmaterials oder zu einem mechanischen Versagen führen kann.

Ein Beispiel für solch einen VGT ist einer, der einen in einem Turboladergehäuse des Turboladers angeordneten beweglichen Verstellring und mehrere drehbar in dem Gehäuse angeordnete und mit dem Verstellring verbundene Schaufeln umfasst. Die mehreren Schaufeln sind in dem Turbinengehäuse zwischen dem Abgaseinlass und einem Turbinenrad angeordnet. Der Verstellring wird zur gemeinsamen Drehung der Schaufeln aus einer geschlossenen Position (in der der Durchfluss des Abgases zum Turbinenrad begrenzt wird) in eine geöffnete Position (in der der Durchfluss des Abgases zum Turbinenrad ermöglicht wird) zwecks Steuerung des Turboladers zur Funktion auf eine Art und Weise, die eine Optimierung des Luftstroms zum Motor unterstützt, betätigt. Ein Beispiel für solch einen VGT wird in der US-PS 6,269,642 offenbart.

In solch bekannten VGTs verwendete Schaufeln sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine aerodynamische Aslim®-Schaufelform, das heißt ein dünnes Schaufelblatt oder eine geringe radiale Dicke (die als ihr dickster Bereich zwischen einer Schaufelaußenfläche und einer Schaufelinnenfläche definiert wird), aufweisen. Allgemein weist eine herkömmliche Schaufel eine Schaufelblattdicke von weniger als ca. 0,14 auf, und diese kann in einem Bereich von ca. dem 0,05- bis dem 0,14-Fachen der Länge der Schaufel (gemessen zwischen der Eintritts- und Austrittskante der Schaufel) liegen. Obgleich solche herkömmlichen Schaufeln mit schlankem oder dünnem Schaufelblatt dazu nützlich sind, einen aerodynamischen Spitzenwirkungsgrad in einem VGT bereitzustellen, beschränkt diese besondere Schaufelausführung das Strömungsreduzierverhältnis und den Turbinenwirkungsgrad im ganzen Bewegungsbereich für die Schaufeln im Turbolader.

Deshalb ist es wünschenswert, dass ein Schaufelschwenkmechanismus zur Verwendung mit einem Turbolader mit variabler Düse so ausgeführt ist, dass er im Vergleich zu herkömmlichen Schaufelschwenkmechanismen eine verbesserte Schaufelbetriebszuverlässigkeit bereitstellt. Des Weiteren ist es wünschenswert, dass eine verbesserte Schaufelkonfiguration hergestellt wird, die einen Halsquerschnitt bereitstellt, der ähnlich oder besser ist als der der herkömmlichen Schaufelkonfiguration mit schlankem Schaufelblatt, während sie gleichzeitig im Vergleich zur herkömmlichen Schaufelkonfiguration mit schlankem Schaufelblatt ein verbessertes Halsquerschnitts-Reduzierverhältnis und einen verbesserten Turbinenwirkungsgrad im ganzen Schaufelbewegungsbereich bereitstellt.

Die JP 2000 291440 beschreibt eine Schaufel mit variabler Düse mit Blättern, die zwischen über einen Wellenteil des Blatts mit einem Zahnrad verbundenen ringförmigen Stützplatten drehbar gestützt werden, so dass sich die Richtung der Blätter bei Drehung des Zahnrads ändert, um den Lufteinlass zu verändern.

Die JP 2001 173449 beschreibt Leitschaufeln, die so geformt sind, dass sich ihre Breite von der Welle weg verjüngt, um zwischen der Schaufel und dem Lagergehäuse einen Zwischenraum zu bilden, der sich zur Schaufelspitze hin vergrößert, um so den Gleitwiderstand der Schaufel beim Drehen zu reduzieren, während der Wirkungsgrad des Turboladers aufrechterhalten wird.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turboladeranordnung mit variabler Geometrie bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Turbinengehäuse mit einem Abgaseinlass und einem Auslass, einem mit dem Einlass verbundenen Diffusor und einer in dem Turbinengehäuse neben dem Diffusor angeordneten Düsenwand; ein in dem Turbinengehäuse getragenes und an einer Welle befestigtes Turbinenrad; mehrere in dem Turbinengehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Turbinenrad angeordnete Schaufeln, wobei jede Schaufel Folgendes umfasst: eine neben dem Turbinenrad ausgerichtete innere Schaufelblattfläche; eine gegenüber der inneren Schaufelblattfläche ausgerichtete äußere Schaufelblattfläche, wobei die innere und die äußere Schaufelblattfläche eine Schaufelblattdicke definieren; eine entlang einer ersten inneren und äußeren Schaufelblattflächenverbindungsstelle angeordnete Eintrittskante; eine entlang einer zweiten inneren und äußeren Schaufelblattflächenverbindungsstelle angeordnete Austrittskante; und ein in einer ersten axialen Schaufelfläche im Wesentlichen parallel zur Düsenwand angeordnetes Loch zur Aufnahme eines jeweiligen Stifts darin, wobei der Stift von der Düsenwand zum Turbinenrad ragt; wobei die Schaufel eine Schaufelblattdicke aufweist, die größer als ca. das 0,16-Fache einer Länge der Schaufel, wie zwischen der Schaufeleintritts- und -austrittskante gemessen, ist; und wobei die innere Schaufelblattfläche einen konvexen Flächenteil und einen konkaven Flächenteil umfasst, die jeweils von der Schaufeleintrittskante zur Schaufelaustrittskante verlaufen. Somit sind verbesserte Schaufeln der Erfindung zur Verwendung in einem VGT ausgeführt, und mehrere solche verbesserte Schaufeln sind im Turbinengehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Turbinenrad angeordnet.

Die Schaufeleintrittskante oder -nase ist entlang einer ersten Verbindungsstelle der inneren und der äußeren Schaufelblattfläche angeordnet, und eine Schaufelaustrittskante ist entlang einer zweiten Verbindungsstelle der inneren und äußeren Fläche angeordnet. Des Weiteren enthält jede Schaufel eine Betätigungsnase, die sich von einer zweiten axialen Schaufelfläche gegenüber der ersten erstreckt.

Ein Schlüsselmerkmal der verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine Schaufelblattdicke aufweisen, die größer ist als die der Aslim®-Schaufeln.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die verbesserte Schaufel eine komplex geformte Innenfläche aufweisen, wobei sich ein konvexer Teil neben der Schaufeleintrittskante und ein konkaver Teil neben der Schaufelaustrittskante befindet. Die konvexe Fläche weist vorzugsweise einen Krümmungsradius auf, der kleiner ist als ca. das 0,8-Fache der Schaufellänge.

Jede Schaufel kann eine Schaufelblattdicke in einem Bereich von ca. dem 0,16- bis dem 0,5-Fachen der Länge der Schaufel aufweisen.

Vorzugsweise ist die Düsenwand mit dem Turbinengehäuse integral.

Bei einer Ausführungsform enthält jede Schaufel eine zweite axiale Fläche gegenüber der ersten axialen Fläche. Mindestens ein Teil der ersten und der zweiten axialen Fläche der Schaufel kann einen ausgehöhlten Bereich enthalten. Die zweite axiale Fläche enthält eine längliche Nase, die davon nach außen ragt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich; darin zeigen:

1 eine isometrische Explosionsdarstellung eines Turbinegehäuses für einen Turbolader mit variabler Geometrie, der herkömmliche Schaufeln einsetzt;

2 ist eine Draufsicht eines Verstellrings mit Schlitzen, die den Eingriff mit Nasen von schaftlosen, schlanken Schaufeln in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen zeigt;

3 ist eine Detailansicht der schaftlosen schlanken Schaufel von 2;

4 ist eine Detailansicht einer verbesserten Schaufel, die gemäß den Grundzügen der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;

5A bis 5C sind Seitenaufrisse verschiedener verbesserter Schaufelausführungen der vorliegenden Erfindung;

6 ist eine schematische Explosionsdarstellung der verbesserten Schaufel der vorliegenden Erfindung bei Montage in ein Turboladergehäuse;

7 ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform von verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen;

8 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform von verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen;

9 ist eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform von verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Schaufelbetriebspositionen;

10 ist eine graphische Darstellung die Halsquerschnitt gegenüber Schaufeldrehung-Vergleichsdaten für die herkömmliche schlanke Schaufel gegenüber der verbesserten Schaufelausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und

11 ist eine graphische Darstellung, die Wirkungsgrad gegenüber Strömungsdaten für die herkömmliche schlanke Schaufel gegenüber der verbesserten Schaufelausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die gemäß den Grundzügen der vorliegenden Erfindung ausgeführte Erfindung umfasst eine verbesserte Schaufel zur Verwendung in einem VGT, der mit einer schaftlosen Ausführung konfiguriert ist und eine) modifiziertes) Schaufelblattprofil und -dicke zwecks Minimierung unerwünschter aerodynamischer Wirkungen und Verbesserung des Betriebswirkungsgrads aufweist, wodurch zum Beispiel im Vergleich zu herkömmlichen Schaufeln mit Aslim®-Schaufelblattdicke eine verbesserte Halsquerschnittsreduzierung bereitgestellt wird.

Ein VGT umfasst allgemein ein mittleres Gehäuse mit einem an einem Ende befestigten Turbinengehäuse und einem an einem gegenüberliegenden Ende befestigten Verdichtergehäuse. Eine Welle ist drehbar in einer im mittleren Gehäuse enthaltenen Lageranordnung angeordnet. Eine Turbine oder ein Turbinenrad ist an einem Wellenende befestigt und im Turbinengehäuse angeordnet, und ein Verdichterlaufrad ist an einem gegenüberliegenden Wellenende befestigt und im Verdichtergehäuse angeordnet. Das Turbinen- und das Verdichtergehäuse sind durch sich zwischen den benachbarten Gehäusen erstreckende Schrauben am mittleren Gehäuse befestigt.

1 zeigt einen Teil eines bekannten VGTs 10, der ein Turbinengehäuse 12 mit einem standardmäßigen Einlass 14 zur Aufnahme eines Abgasstroms und einen Auslass 16 zum Leiten von Abgas zum Abgassystem des Motors aufweist. Ein Diffusor ist mit dem Abgaseinlass verbunden, und eine integrale Düsenaußenwand ist im Turbinegehäusegussteil neben dem Diffusor enthalten. Ein Turbinenrad 17 und Wellenanordnung 18 wird im Turbinengehäuse 12 getragen. Abgas oder ein anderes hochenergetisches Gas, das den Turbolader versorgt, tritt durch den Einlass 14 in das Turbinengehäuse ein und wird für eine im Wesentlichen radiale Zuführung zum Turbinenrad durch einen Umfangsdüseneintritt 20 durch den Diffusor im Turbinengehäuse verteilt.

Mehrere Schaufeln 22 sind unter Verwendung von senkrecht von den Schaufeln vorstehenden Wellen 26 an einer in das Turbinengehäuse hineingearbeiteten Düsenwand 24 angebracht. Die herkömmlicherweise bei solchen VGTs verwendeten Schaufeln sind die oben erwähnten Ausführungen mit geringer Schaufelblattdicke. Die Wellen 26 stehen mit jeweiligen Öffnungen 28 in der Düsenwand in Dreheingriff. Die Schaufeln enthalten jeweils Betätigungsnasen 30, die von einer Seite gegenüber den Wellen vorragen und durch jeweilige Schlitze 32 in einem als eine zweite Düsenwand dienenden Verstellring 34 in Eingriff genommen werden.

Eine (nicht gezeigte) Betätigeranordnung ist mit dem Verstellring 34 verbunden und so ausgeführt, dass sie den Ring in die eine oder andere Richtung dreht, je nachdem, wie erforderlich, um die Schaufeln radial nach außen oder nach innen zu bewegen und so die Menge an Abgasströmung zur Turbine zu erhöhen oder zu verringern. Mit Drehen des Verstellrings wird bewirkt, dass sich die Schaufelnasen 30 in ihren jeweiligen Schlitzen 32 von einem Schlitzende zu einem gegenüberliegenden Schlitzende bewegen. Da die Schlitze radial entlang dem Verstellring ausgerichtet sind, bewirkt die Bewegung der Schaufelnasen 30 in den jeweiligen Schlitzen 32 ein Schwenken der Schaufeln über Drehung der Schaufelwellen in ihren jeweiligen Öffnungen und ihre Bewegung radial nach außen oder nach innen in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Verstellrings. Beispiele für bekannte VGTs, die solche Elemente umfassen, werden in den US-PS 4,679,984; 4,804,316 und 6,269,642, auf die hiermit Bezug genommen wird, offenbart.

2 zeigt das allgemeine Bewegungsmuster herkömmlicher schlanker Schaufeln 36, wie sie in dem oben beschriebenen und dargestellten VGT verwendet werden, wenn sie von dem Verstellring betätigt werden. Dieses Bewegungsmuster ist jedoch sowohl für Konfigurationen schlanker Schaufeln als auch die gemäß den Grundzügen der vorliegenden Erfindung hergestellte verbesserte Schaufelausführung, wie sie mit VGTs verwendet wird, allgemein das gleiche. Jede Schaufelnase 42 ist in einem jeweiligen länglichen Schlitz 38 des Verstellrings 40 angeordnet. In einer geschlossenen Position AA@ ist die Schaufelnase 42 neben einem ersten Ende 44 des Schlitzes 38 angeordnet. Diese Position wird als eine geschlossene Position bezeichnet, weil die Schaufel nicht radial nach außen auf geweitet ist, wodurch sie der Begrenzung des Abgasstroms zur Turbine dient. In einer Zwischenposition AB@ ist der Verstellring 40 um ein ausreichendes Maß gedreht worden, so dass die Schaufelnase 42 im Schlitz 38 von dem ersten Schlitzende 44 in eine mittlere Position des Schlitzes bewegt worden ist. Die Bewegung der Schaufelnase wird durch den Schwenkvorgang der Schaufel bezüglich der Düsenwand bereitgestellt, wodurch die Schaufel um ein gegebenes Ausmaß radial nach außen gedreht werden kann. In der Position AB@ dient das radiale Zwischenvorragen der Schaufel der Vergrößerung des Abgasstroms zur Turbine im Vergleich zur geschlossenen Position AA@. In der Position AC@ ist der Verstellring nun in eine maximale Position gedreht worden, wodurch eine Bewegung der Schaufelnase 42 im Schlitz 38 zu einem zweiten Ende 46 bewirkt wird. Solch eine weitere Schaufelbewegung wird wiederum durch die Schwenkanordnung zwischen der Schaufel und der Düsenwand erleichtert, wodurch die Schaufel radial nach außen in eine Maximalposition gedreht werden kann. In der Position AC@ dient das maximale radiale Vorragen der Schaufel der Vergrößerung des Abgasstroms zur Turbine im Vergleich zur Zwischenposition AA@.

Wie bezüglich des Stands der Technik oben erwähnt, erfordert ein ordnungsgemäßer Betrieb bekannter VGTs mit den mehreren beweglichen Schaufeln wie oben beschrieben und in 1 dargestellt, dass die Schaufeln gegenüber der Düsenwand frei schwenken können, wenn sie durch den Verstellring betätigt werden. Solch eine freie Schwenkbewegung erfordert, dass die Schaufelwellen sich nicht festfressen oder sonst wie in ihrer Drehbewegung in ihren jeweiligen Düsenlöchern eingeschränkt werden. Die bekannte Schaufelausführung kann zu Beeinträchtigungen der freien Schaufelschwenkbewegung führen, wenn die von jeder Schaufel vorragende Welle nicht vollkommen senkrecht ist. Darüber hinaus kann die bekannte Schaufelausführung durch die relativ große Freitragbelastung, die aufgrund des Schaufelwellen- und Lochbefestigungsmechanismus auf die Schaufel ausgeübt wird, zu einer Beeinträchtigung der freien Schaufelschwenkbewegung führen.

3 zeigt eine Ashaftless®- oder Astemless®-Schaufel 50 der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit einem VGT mit einer radialen Innenfläche 52, einer gegenüberliegenden radialen Außenfläche 54 und axialen Flächen 56 und 58. Diese Schaufelflächen sind bezüglich der Schaufelanordnung in dem Turbinengehäuse definiert. Die Schaufel 50 enthält eine Eintrittskante oder Nase 60 und eine Austrittskante 62 an einander gegenüberliegenden gemeinsamen Enden der radialen Innen- und Außenfläche 52 und 54. Wie hier verwendet, wird der Begriff Eintrittskante zur Bezeichnung eines abgerundeten Nasenteils der Schaufel verwendet und soll kein scharfes oder abrupt abgewinkeltes Flächenmerkmal betreffen. Die Schaufel enthält eine Nase 64, die von der axialen Fläche 58 nach außen weg ragt und neben der Eintrittskante 60 angeordnet ist, wobei diese Nase zum Zusammenwirken mit einem Verstellringschlitz auf die oben beschriebene Weise zur Erleichterung der Schaufelbetätigung konfiguriert ist.

Im Gegensatz zu der oben beschriebenen und in den 1 und 2 dargestellten bekannten Schaufelausführung enthält die Schaufel 50 keine Welle. Stattdessen sind die Schaufeln der vorliegenden Erfindung mit einem in der axialen Fläche 56 ausgebildeten Loch 64 ausgeführt, das dazu bemessen und konfiguriert ist, der Anordnung eines jeweiligen Stifts 68 darin (siehe 3) Rechnung zu tragen, wobei der Stift von der Turbinegehäusedüsenwand senkrecht nach außen weg ragt. Mit einer solchen Konfiguration wird die Schaufelschwenkbewegung gegenüber der Düsenwand durch die relative Drehbewegung zwischen dem festgelegten Stift und dem Loch in der Schaufel bereitgestellt. Der durch den in dem Loch in der drehbaren Schaufel festgelegten Wandstift vorgesehene Schwenkmechanismus verringert das Ausmaß der Freitragbelastung der Schaufel im Vergleich zu bekannten Schaufelausführungen und -befestigungsmechanismen, wodurch er dazu dient, potentielle Beeinträchtigungen einer effizienten Schaufelbewegung und eines effizienten Schaufelbetriebs zu verringern und/oder zu beseitigen.

Jeder Stift 68 kann dazu konfiguriert sein, durch Presspassung oder durch ein anderes herkömmliches Befestigungsverfahren an der Düsenwand befestigt zu werden, und ist in einem im Wesentlichen kreisförmigen Muster, das mit der gewünschten beabstandeten Schaufelanordnung zusammenfällt, in der Düsenwand positioniert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Stift 68 mit einer abgestuften Ausführung mit zwei verschiedenen Durchmessern konfiguriert, wobei ein erster Abschnitt 70 mit vergrößertem Durchmesser so bemessen und konfiguriert ist, dass er eine sichere Presspassungsbefestigung in der Düsenwand bereitstellt, und wobei ein zweiter Abschnitt 72 mit verringertem Durchmesser so bemessen und konfiguriert ist, dass er von der Düsenwand nach außen vorragt und in das Schaufelloch 66 passt, um eine Drehbewegung damit bereitzustellen. Wie unten besser beschrieben, kann bei anderen Schaufelausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Stift jedoch einen gleichförmigen Durchmesser, das heißt eine nicht abgestufte Ausführung, aufweisen.

Die Schaufel 50 ist so konfiguriert, dass sie eine relativ geringe Schaufelblattdicke aufweist, wie sie zwischen der radialen Innen- und Außenfläche 52 und 54 gemessen wird. Bei einer Ausführungsform, bei der die Schaufellänge ca. 52 mm beträgt (wie entlang einer Geraden zwischen der Schaufeleintrittskante und der Schaufelaustrittskante gemessen), betrug die Schaufelblattdicke zum Beispiel ca. 5 mm oder weniger als das 0,1-Fache der Länge. Bei Ausführungsbeispielen beträgt die Schaufelblattdicke für eine solche schlanke Schaufelausführung weniger als ca. das 0,14-Fache der Länge der Schaufel und liegt zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem 0,05- bis dem 0,14-Fachen der Länge der Schaufel.

Die relativ geringe Schaufelblattdicke für die Schaufel 50 ist ein Ergebnis der im Verhältnis allmählich gekrümmten Außen- und Innenschaufelblattfläche 54 und 52 der Schaufel. Die Schaufel 50 zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine durchgehende konvexe Außenfläche, die durch einen relativ großen Krümmungsradius definiert wird, und eine durchgehende konkave Innenfläche, die durch einen ähnlich großen Krümmungsradius definiert wird, aufweist. Der Krümmungsradius der Schaufelaußenfläche 54 für solch eine schlanke Schaufelausführung kann größer sein als ca. das 0,8-Fache der Länge der Schaufel und kann zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem 0,8- bis dem 1,5-Fachen der Länge der Schaufel liegen. Der Krümmungsradius der Schaufelinnenfläche 52 für solch eine schlanke Schaufelausführung kann größer sein als einmal die Länge der Schaufel und zum Beispiel in einem Bereich von ca. einmal bis dem 1,8-Fachen der Länge der Schaufel liegen. Bei einer Ausführungsform, bei der die Schaufellänge ca. 52 mm beträgt, weist die Schaufelaußenfläche 54 zum Beispiel einen Krümmungsradius von ca. 57 mm auf, und die Schaufelinnenfläche 52 weist einen Krümmungsradius von 68 mm auf. Darüber hinaus weist die Schaufeleintrittskante 60 solch einer Schaufel 50 eine abrupt abgerundete Form auf, die durch einen relativ geringen Radius definiert wird.

4 zeigt eine erste Ausführungsform einer verbesserten Schaufel 80 der vorliegenden Erfindung, die wie die oben beschriebene und in 3 dargestellte Schaufel 50 eine radiale Innenfläche 82, eine gegenüberliegende radiale Außenfläche 84, axiale Flächen 86 und 88, eine Eintrittskante oder Nase 90, eine Austrittskante 92, eine Betätigungsnase 94 und ein Stiftloch 96 aufweist. Die Schaufel 80 ist allgemein auf die gleiche Weise wie die Schaufel 50 konfiguriert, um mit dem Verstellring und dem Turbinengehäuse zusammenzuwirken und in dem Turbinengehäuse zur Steuerung des Abgasstroms zum Turbinenrad gedreht zu werden.

Im Gegensatz zur schlanken Schaufel 50 weist die verbesserte Schaufel 80 ein anderes Schaufelblattprofil und eine Schaufelblattdicke als die schlanke Schaufel auf. Die verbesserte Schaufel der vorliegenden Erfindung enthält eine Außenfläche 84 mit einem erhöhten Grad an radialer Krümmung, das heißt einem verringerten Krümmungsradius, im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaufel mit geringer Schaufelblattdicke. Der verringerte Krümmungsradius stellt ein äußeres Schaufelblattprofil mit einer übertriebenen Kurve im Vergleich zur im Verhältnis allmählich gekrümmten Außenfläche der herkömmlichen schlanken Schaufel bereit. Des Weiteren dient der verringerte Krümmungsradius der Vergrößerung der Radial- oder Schaufelblattdicke der Schaufel.

In einem Beispiel der ersten Ausführungsform kann eine verbesserte Schaufel der vorliegenden Erfindung eine Schaufelblatt- oder radiale Dicke aufweisen, die größer als ca. das 0,16-Fache der Länge der Schaufel sein und zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem 0,16- bis dem 0,50-Fachen der Länge der Schaufel (wie durch eine Gerade zwischen der Eintritts- und der Austrittskante der Schaufel gemessen) liegen kann. In einem Beispiel, in dem die Schaufellänge ca. 47 mm beträgt, beträgt die Schaufelblattdicke ca. 12 mm oder das 0,25-Fache der Schaufellänge. Es versteht sich, dass die genaue Schaufelblattdicke von verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung in diesem allgemeinen Bereich in Abhängigkeit von der bestimmten VGT- und Motoranwendung variieren kann und wird.

Wie oben erwähnt, umfasst die erste Ausführungsform der verbesserten Schaufel 80 der vorliegenden Erfindung eine Schaufelblattaußenfläche 84 mit einem relativ geringen Krümmungsradius. Bei einer beispielhaften ersten Ausführungsform kann eine verbesserte Schaufel der vorliegenden Erfindung eine Schaufelblattaußenfläche aufweisen, die durch einen Krümmungsradius von weniger als ca. dem 0,8-Fachen der Schaufellänge, zum Beispiel von ca. dem 0,1- bis dem 0,8-Fachen der Schaufellänge, definiert wird. Die erste Ausführungsform der verbesserten Schaufel 80 weist eine Schaufelblattinnenfläche 82 auf, die fast linear aussieht und eine konvexe Fläche aufweist, die durch einen relativ großen Krümmungsradius definiert wird. In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die verbesserte Schaufel eine Schaufelblattinnenfläche aufweisen, die durch einen Krümmungsradius von über dem 2-Fachen der Schaufellänge definiert wird. Bei einer Ausführungsform, bei der die Schaufellänge ca. 47 mm beträgt, weist die Schaufelaußenfläche 84 zum Beispiel einen Krümmungsradius auf, der ca. 28 mm beträgt, und die Schaufelinnenfläche 82 weist einen Krümmungsradius von ca. 207 mm auf.

Darüber hinaus weist die verbesserte Schaufel 80 der vorliegenden Erfindung eine Eintrittskante 90 auf, die durch einen relativ großen Krümmungsradius im Vergleich zur herkömmlichen Schaufel mit schlankem Schaufelblatt gekennzeichnet ist, um die Auftreffwirkungen durch den Strömungsbereich der Schaufel zu minimieren.

Die 5A bis 5C zeigen die erste Ausführungsform der Schaufel der vorliegenden Erfindung (wie in 4 gezeigt) im Vergleich zu zwei anderen verbesserten Schaufelausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 5A zeigt die erste Ausführungsform der verbesserten Schaufel 100 der vorliegenden Erfindung, wie durch die relativ große Schaufelblattdicke zwischen der Innen- und der Außenfläche 102 und 104 und durch die gekrümmte Außenfläche 104 mit dem allgemein kontinuierlichen kleinen Radius und die gekrümmte Innenfläche 102 mit dem allgemein kontinuierlichen großen Radius gekennzeichnet.

5B zeigt eine zweite Ausführungsform der verbesserten Schaufel 106 der vorliegenden Erfindung, die eine Außenfläche 108, eine Innenfläche 110, eine Eintrittskante 112, eine Austrittskante 114, eine Betätigungsnase 116 und ein Stiftloch 118 umfasst. Die zweite Ausführungsform der Schaufel umfasst eine Eintrittskante und eine Innenfläche, die jeweils anders geformt sind als die der ersten Ausführungsform. Insbesondere zeichnet sich die Eintrittskante 112 dadurch aus, dass sie einen größeren Krümmungsradius aufweist, so dass sich ein benachbarter Teil ihrer Außenfläche 108 in einem größeren Abstand von der Betätigungsnase 116 befindet, wodurch die Schaufelblattdicke der Schaufel neben der Eintrittskante vergrößert wird. Eine beispielhafte zweite Schaufelausführungsform weist eine Eintrittskante 112 auf, die durch einen Krümmungsradius definiert werden kann, der mindestens ca. das 1,1-Fache des der Eintrittskante für die Schaufel der ersten Ausführungsform beträgt und zum Beispiel in einem Bereich von ca. dem 1,1- bis dem 1,8-Fachen des der ersten Ausführungsform der verbesserten Schaufel liegt.

Darüber hinaus weist die Innenfläche 110 statt einer kontinuierlichen konvexen Form (d.h., die durch einen einzigen Krümmungsradius definiert wird) eine komplexe Form auf, die durch mindestens zwei verschieden geformte Abschnitte definiert wird. Ausgehend von der Eintrittskante 112 weist die Innenfläche einen konvex geformten Teil 120 auf, der durch einen Krümmungsradius definiert wird, der größer ist als der der Eintrittskante, um die Eintrittskante in die Innenfläche zu konturieren oder übergehen zu lassen. Der konvex geformte Teil 120 erstreckt sich von der Eintrittskante 116 bis knapp an der Nase 116 vorbei. Ausgehend von dem konvex geformten Teil 102 weist die Innenfläche einen konkav geformten Teil 122 auf, der sich zur Austrittskante 122 der Schaufel erstreckt.

Die vergrößerte und nach oben ausgerichtete Eintrittskante und die komplexe Form der Innenfläche dieser zweiten Schaufelausführungsform dienen dazu, im Vergleich zur verbesserten Schaufel der ersten Ausführungsform zusätzliche aerodynamische Wirkungen bereitzustellen. Die Schaufel erzeugt ein komplexes Druckfeld, das in das Schaufelsystem eintritt, es durchläuft und daraus austritt. Die Integration des Flächendrucks multipliziert mit seinem Abstand zum Drehpunkt um die gesamte Schaufel herum führt zu einem Nettodrehmoment der Schaufel. Diesem Drehmoment muss von der Schaufelnase und dem Betätigungssystem entgegengewirkt werden und ist ein Schlüsselfaktor bei der Bemessung der Betätigungskraft und weiterhin ein bedeutender Einfluss beim Verschleiß des Schaufelmechanismus. Das Druckfeld verändert sich deutlich im gesamten Schaufelbetriebsbereich. Eine ausführliche Untersuchung dieser Phänomene zeigt, dass große Schaufelschließkräfte erzeugt werden können, wenn sich die Schaufeln in der weiter geschlossenen Position befinden, da dann eine bedeutende Beschleunigung des Stroms vorliegt und sich folglich ein Druckabfall durch die Schaufel ergibt. Durch gezielte Auslegung der Konvergenz des Durchgangs kann die Rate, mit der sich der Strom durch den Durchgang beschleunigt, gesteuert werden, wodurch der Druck und somit das Nettodrehmoment der Schaufel gesteuert werden kann. Durch Steuern des Nettodrehmoments der Schaufel können die Kräfte in dem Schaufelsystem minimiert werden, was zu verringertem Verschleiß und einem kleineren Betätigungssystem führt.

Die komplexe und konturierte Form der Innenfläche 110 dient der Vergrößerung des Strömungsdurchgangs für das Abgas entlang der Schaufel vor Eintritt in den Halsquerschnitt. Darüber hinaus beeinflusst die besonders konturierte Form der Innenfläche 110 das Nettodrehmoment an der Schaufel insofern, als es ein Nettodrehmoment in die entgegengesetzte Richtung bereitstellt.

Zusammen dienen die Eintrittskante der zweiten Schaufelausführungsform und die Innenfläche dazu, die Höhe des Druckabfalls durch die Schaufeln im Betrieb zu verringern, da das zwischen den Schaufeln passierende Abgas als konvergierender Durchfluss statt paralleler Durchfluss passiert, wodurch Abgasgeschwindigkeiten stromaufwärts des Halses deutlich reduziert werden, was zu geringeren Gasreibungsverlusten durch den Schaufeldurchgang führt.

5C zeigt eine dritte Ausführungsform der verbesserten Schaufel 124 der vorliegenden Erfindung mit einer Außenfläche 126, einer Innenfläche 128, einer Eintrittskante 130, einer Austrittskante 132, einer Betätigungsnase 134 und einem Stiftloch 136. Wie die zweite Schaufelausführungsform umfasst die Schaufel der dritten Ausführungsform auch eine Eintrittskante und eine Innenfläche, die anders geformt sind als die der ersten Ausführungsform. Insbesondere zeichnet sich die Eintrittskante 130 dadurch aus, dass sie einen etwas kleineren Krümmungsradius aufweist, und die Innenfläche umfasst eine komplexe Form, die durch drei verschieden geformte Abschnitte charakterisiert werden kann.

Statt durch einen kontinuierlichen konvexen Bogen (das heißt durch einen einzigen Krümmungsradius) definiert zu werden, weist die Innenfläche 128 eine komplexe Form auf, die durch mindestens drei verschieden geformte Abschnitte definiert wird. Ausgehend von der Eintrittskante 130 weist die Innenfläche einen nach unten geneigten allgemein planaren Abschnitt 138 auf, der sich von der Schaufeleintrittskante neben der Nase 134 in einem Winkel von ca. 45 Grad weg erstreckt. Der geneigte Abschnitt 138 erstreckt sich für weniger als ca. 1/4 der Gesamtstrecke entlang der Innenfläche und geht in einen konvexen Abschnitt 140 über. Der konvexe Abschnitt wird durch einen Krümmungsradius definiert, der allgemein kleiner ist als der zur Definition des Bogens der Außenfläche 126 verwendete. Der konvexe Abschnitt 140 erstreckt sich entlang der Innenfläche zu ungefähr der Mitte der Schaufel und definiert einen Punkt maximaler Schaufelblattdicke für die Schaufel. Somit weist die Schaufel der dritten Ausführungsform eine größere Schaufelblattdicke auf als sowohl die erste und die zweite Schaufelausführungsform.

Zusammen verleihen der geneigte Abschnitt 138 und der konvexe Abschnitt einem stromaufwärtigen Teil der Schaufel im Vergleich zu entweder der ersten oder der zweiten verbesserten Schaufelausführungsform einen eindeutig nach unten verlaufenden Vorstand. Diese Ausführung gewährleistet aerodynamische Verbesserungen, die denen der zweiten Schaufelausführungsform ähneln, nur etwas ausgeprägter sind, wie zum Beispiel einen erhöhten Wirkungsgrad aufgrund des reduzierten Druckabfalls an der Schaufel. Die Merkmale dieser besonderen Ausführung bestanden darin, den konvergierenden Durchgang ausgeprägter zu machen, die zuvor erwähnte Wirkung zu verstärken und den Strom zu einem radialeren Eintritt zu verschieben, wo der optimale Strömungswinkel in einer weiter geschlossenen Schaufelposition auftritt.

6 zeigt die Anordnung einer verbesserten gemäß den Grundzügen der vorliegenden Erfindung ausgeführten Schaufel 150 in einem VGT-Turbinengehäuse 152 durch Verwendung eines geeignet bemessenen und geformten Stifts 154. Obgleich ein abgestufter Stift oben zur Verwendung mit der schlanken Schaufel von 3 beschrieben worden war, sind die oben offenbarte erste, zweite und dritte verbesserte Schaufelausführungsform so ausgeführt, dass sie durch einen Stift mit einem einzigen Durchmesser schwenkbar am Turbinengehäuse befestigt sind. Der in 6 dargestellte Stift 154 enthält einen Widerhakenkopf 156 zwecks Bereitstellung einer dauerhaften Presspassung in einem im Turbinengehäuse ausgebildeten Loch 158. Nach einer solchen Befestigung werden die verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung montiert, installiert und funktionieren im VGT auf die oben beschriebene Weise.

7 zeigt das Bewegungsmuster verbesserter Schaufeln 160 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 4 und 5A dargestellt sind, wenn sie im VGT angeordnet und durch den oben beschriebenen und dargestellten Verstellring betätigt sind. Um darzustellen, in welcher Beziehung die Schaufeln im VGT zueinander stehen, wird ein Paar benachbarter Schaufeln für jede verschiedene Betriebsposition vorgesehen. In einer geschlossenen Position AA@ werden die Schaufeln durch den Verstellring (durch Zusammenwirken der Nase im Schlitz) betätigt, um jede Schaufeleintrittskante radial nach innen zum Turbinenrad zu positionieren, wodurch sie dazu dienen, den Abgasstrom durch die Schaufeln und zur Turbine zu sperren und zu begrenzen. In einer Zwischenposition AB@ wird der Stellring ausreichend weit gedreht, um die Schaufeleintrittskante radial nach außen zu bewegen, wodurch es den Schaufeln ermöglicht wird, den Abgasstrom zur Turbine im Vergleich zur geschlossenen Position AA@ zu vergrößern. In der Position AC@ wird der Verstellring in eine Maximalposition gedreht, wodurch bewirkt wird, dass die Schaufeln 160 radial nach außen in eine maximale Position schwenken, wodurch im Vergleich zur Zwischenposition AA@ ein maximaler Abgasstrom zur Turbine bereitgestellt wird.

In der geschlossenen Position AA@ ist zu sehen, dass der Abgasstromkanal 161 zwischen den benachbarten Schaufeln durch einander gegenüberliegende, im wesentlichen parallele Flächen definiert wird, die aus der äußeren und inneren Schaufelblattfläche 162 und 164 der Schaufel bestehen. Wie oben erwähnt, führt dieser parallele Gasdurchgang zu einem großen Druckverlust im Turbinegehäuse. Ein Druckverlust durch die Schaufeln reduziert das Druckdifferenzpotential der Turbine, wodurch der Wirkungsgrad verringert wird.

8 zeigt das Bewegungsmuster verbesserter Schaufeln 166 der vorliegenden Erfindung der zweiten Ausführungsform, die in 5B dargestellt sind, wenn sie in dem VGT angeordnet und durch den oben beschriebenen und dargestellten Verstellring betätigt sind. Die verbesserte Schaufel der zweiten Ausführungsform wird auf die gleiche Weise betätigt, wie oben für die verbesserte Schaufel der ersten Ausführungsform beschrieben. Ein Schlüsselmerkmal der zweiten verbesserten Schaufelausführungsform besteht (im Gegensatz zur ersten Schaufelausführungsform) darin, dass man, wenn sie in der Position AA@ angeordnet ist, sehen kann, dass der Abgasstromkanal 168 zwischen benachbarten Schaufeln durch einander gegenüberliegende konvergierende Flächen definiert wird, die durch die äußere und innere Schaufelblattfläche 170 und 172 der Schaufel gebildet werden.

Insbesondere ist bei Anordnung in geschlossener Position @A@ die Austrittskante 171 einer Schaufel neben dem konvexen Teil 173 der inneren Fläche einer benachbarten Schaufel angeordnet, um den Abgasstrom zu sperren. Wie oben erwähnt führt dieser konvergierende Gaskanal im Vergleich zur verbesserten Schaufel der ersten Ausführungsform zu einem verminderten Druckverlust in dem Turbinegehäuse.

9 zeigt das Bewegungsmuster der verbesserten Schaufeln 174 der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 5C dargestellt werden, wenn sie in dem VGT angeordnet und durch den oben beschriebenen und dargestellten Verstellring betätigt sind. Die verbesserte Schaufel der dritten Ausführungsform wird auf die gleiche Weise betätigt, wie oben für die erste und zweite verbesserte Schaufelausführungsform beschrieben. Wie die zweite Schaufelausführungsform stellt die dritte verbesserte Schaufelausführungsform (wenn sie in geschlossener Position AA@ angeordnet ist) einen Abgasstromkanal 176 zwischen benachbarten Schaufeln bereit, der durch einander gegenüberliegende konvergierende Flächen definiert wird, die durch die äußere und innere Schaufelblattfläche 178 und 180 der Schaufel gebildet werden.

Insbesondere ist die Austrittskante 182 einer Schaufel bei Anordnung in geschlossener Position @A@ neben dem konvexen Teil 184 der Innenfläche einer benachbarten Schaufel angeordnet, um den Abgasstrom zu sperren. Wie oben erwähnt, führt dieser konvergierende Gaskanal im Vergleich zur verbesserten Schaufel der ersten Ausführungsform zu einem verminderten Druckverlust im Turbinegehäuse.

Allgemein verwendet die verbesserte Schaufelausführung der vorliegenden Erfindung den Sperreffekt eines äußerst dicken Schaufelblatts, um eine stärkere Querschnittsreduzierung für ein festgelegtes Schaufeldrehungsausmaß zu erzeugen. Die vergrößerte Dicke eines Schaufelblatts in einer Kaskade wirkt sich bei einer geschlossenen @ Schaufelposition viel stärker auf einen Halsquerschnitt aus als in der geöffneten @ Schaufelposition. Durch beträchtliches Vergrößern der Dicke der Schaufel und leichtes Vergrößern der axialen Breite der Schaufel wird der gleiche maximale Halsquerschnitt erreicht.

Wenn sich die Schaufeln in die geschlossene Position drehen, wird der Halsquerschnitt mit einer größeren Geschwindigkeit verkleinert. Dies führt zu dem zusätzlichen Vorteil, dass für eine festgelegte Querschnittsreduzierung weniger Drehung der Schaufel erforderlich ist. Eine verringerte Drehung der Schaufeln führt zu weniger Abweichung von dem optimalen Strömungsvektor (ca. 70 Grad von radial), wodurch der theoretische Wirkungsgrad verbessert wird.

10 ist eine graphische Darstellung der Änderung des Halsquerschnitts als eine Funktion der Schaufeldrehung für jede der schlanken Schaufeln und verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung zeigt, dass für eine gegebene Schaufeldrehung von ca. 1,5 Grad bis 20 Grad die verbesserte Schaufelausführung der vorliegenden Erfindung ein größeres Ausmaß von Halsquerschnitt bereitstellt als die herkömmliche schlanke Schaufelausführung. Das Halsquerschnitts-Reduzierverhältnis (maximaler Querschnitt geteilt durch minimaler Querschnitt) wird von 4,3 für die schlanke Schaufel bis 8,7 für die verbesserte Schaufelausführung der vorliegenden Erfindung erhöht. Dies wird für 20 Grad Schaufeldrehung gezeigt.

11 ist eine graphische Darstellung der Differenz des Wirkungsgrads als eine Funktion von Strömung für jede der schlanken Schaufeln und der verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung zeigt, dass für eine gegebene Strömung die verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung einen höheren Wirkungsgrad liefern als die schlanken Schaufeln. Obgleich die maximale Strömung, die unter Verwendung der verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann, geringer ist als die der schlanken Schaufeln, ist der Wirkungsgrad höher und breiter. Darüber hinaus ist die Strömungskurve für die verbesserten Schaufeln zu niedrigeren Strömungswerten versetzt, die einen höheren Betriebswirkungsgrad bei niedrigeren Motorbetriebsbereichen anzeigen.

Die verbesserten Schaufeln der vorliegenden Erfindung können aus den gleichen Materialarten und auf die gleiche Weise hergestellt sein wie die zur Herstellung der Schaufeln nach dem Stand der Technik verwendeten. Die Schaufeln können eine im Wesentlichen massive Ausführung aufweisen oder mit einer ausgehöhlten Ausführung konfiguriert sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die verbesserten Schaufeln mit ausgehöhlten axialen Flächen konfiguriert. Die ausgehöhlte Ausführung wird bevorzugt, da sich herausgestellt hat, dass sie eine bessere Formbarkeit und einen höheren Steifigkeitsgrad bietet, kostengünstiger herzustellen ist und im Vergleich zu herkömmlichen Schaufeln nach dem Stand der Technik eine reduzierte Masse aufweisen.

Nachdem nun die Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, wie von den Patentgesetzen erfordert, sind für Fachleute Modifikationen und die Verwendung von Äquivalenten bei den besonderen hier offenbarten Ausführungsformen offensichtlich. Solche Modifikationen liegen im Schutzbereich und in der Absicht der vorliegenden Erfindung, der bzw. die in den Ansprüchen definiert wird.


Anspruch[de]
Turboladeranordnung mit variabler Geometrie, die Folgendes umfasst:

ein Turbinengehäuse (12) mit einem Abgaseinlass (14) und einem Auslass (16), einem mit dem Einlass verbundenen Diffusor und einer in dem Turbinengehäuse neben dem Diffusor angeordneten Düsenwand (24);

ein in dem Turbinengehäuse (12) getragenes und an einer Welle (18) befestigtes Turbinenrad (17);

mehrere in dem Turbinengehäuse (12) zwischen dem Abgaseinlass (14) und dem Turbinenrad (17) angeordnete Schaufeln (22), wobei jede Schaufel (22) Folgendes umfasst:

eine neben dem Turbinenrad (17) ausgerichtete innere Schaufelblattfläche;

eine gegenüber der inneren Schaufelblattfläche ausgerichtete äußere Schaufelblattfläche, wobei die innere und die äußere Schaufelblattfläche eine Schaufelblattdicke definieren;

eine entlang einer ersten inneren und äußeren Schaufelblattflächenverbindungsstelle angeordnete Eintrittskante;

eine entlang einer zweiten inneren und äußeren Schaufelblattflächenverbindungsstelle angeordnete Austrittskante; und

ein in einer ersten axialen Schaufelfläche im Wesentlichen parallel zur Düsenwand (24) angeordnetes Loch zur Aufnahme eines jeweiligen Stifts darin, wobei der Stift von der Düsenwand (24) zum Turbinenrad (17) ragt;

wobei die Schaufel (22) eine Schaufelblattdicke aufweist, die größer als ca. das 0,16-Fache einer Länge der Schaufel (22), wie zwischen der Schaufeleintritts- und -austrittskante gemessen, ist; und

wobei die innere Schaufelblattfläche einen konvexen Flächenteil und einen konkaven Flächenteil umfasst, die jeweils von der Schaufeleintrittskante zur Schaufelaustrittskante verlaufen.
Schaufel nach Anspruch 1, bei der die äußere Schaufelblattfläche eine konvexe Fläche mit einem Krümmungsradius, der kleiner als das 0,8-Fache der Schaufellänge ist, umfasst. Turboladeranordnung mit variabler Geometrie nach Anspruch 1, bei der jede Schaufel (22) eine Schaufelblattdicke in einem Bereich von ca. dem 0,16- bis dem 0,5-Fachen der Länge der Schaufel (22) aufweist. Turboladeranordnung mit variabler Geometrie nach Anspruch 1, bei dem die Düsenwand (24) mit dem Turbinengehäuse (17) integral ist. Turboladeranordnung mit variabler Geometrie nach Anspruch 1, bei der jede Schaufel (22) eine zweite axiale Fläche gegenüber der ersten axialen Fläche aufweist und bei der mindestens ein Teil der ersten und oder zweiten axialen Fläche der Schaufel einen ausgehöhlten Bereich enthält. Turboladeranordnung mit variabler Geometrie nach Anspruch 1, bei der jede Schaufel (22) eine zweite axiale Fläche gegenüber der ersten axialen Fläche aufweist und bei der die zweite axiale Fläche eine davon nach außen ragende längliche Nase (42) enthält. Turboladeranordnung mit variabler Geometrie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Düsenwand (24) mehrere davon nach außen ragende Stifte (26) umfasst;

und sich der konvexe Flächenteil neben der Eintrittskante und der konkave Flächenteil neben der Austrittskante befindet;

und jede Schaufel (22) weiterhin eine längliche Betätigungsnase (42) umfasst, die von einer axialen Schaufelfläche gegenüber den Löchern nach außen ragt;

die Anordnung weiterhin einen ringförmigen Verstellring (40), der in dem Turbinengehäuse (12) angeordnet und axial neben der axialen Schaufelfläche jeder die Betätigungsnasen (42) bereitstellenden Schaufel (22) positioniert ist, wobei der Verstellring (40) mehrere Schlitze (38) zur Aufnahme einer jeweiligen Schaufelnase (42) darin aufweist, wobei jeder Schlitz (38) zur Bereitstellung einer nichtdrehenden Gleitbewegung einer jeweiligen Nase (42) darin konfiguriert ist; und

Mittel zum Drehen des Verstellrings (40) in dem Turbinengehäuse (12) entlang einer durch die Welle (18) verlaufenden Achse umfasst, wobei das Drehen des Rings (40) bewirkt, dass die Nasen (42) in jeweiligen Schlitzen (38) gleiten und bewirken, dass sich die Schaufeln (22) radial nach innen oder nach außen bezüglich der Welle (18) bewegen, wobei eine solche radiale Bewegung der Schaufel (22) durch die Schwenkwirkung jeder Schaufel (22) um einen jeweiligen Stift (26) erleichtert wird.
Turboladeranordnung mit variabler Geometrie nach Anspruch 1 oder 7, bei der die äußere Schaufelblattfläche eine konvexe Fläche mit einem Krümmungsradius, der kleiner als ca. das 0,8-Fache der Schaufellänge ist, umfasst.






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