Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Strömungsmaschinen.

Sie betrifft eine Leitvorrichtung zum Erzeugen eines Vordralls im Ansaugbereich eines Verdichters sowie einen Abgasturbolader mit einer solchen Vordrait-Leitvomchtung.

Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Bei modernen Brennkraftmaschinen wird die Anpassung der Abgasturbolader an variable Betriebsbedingungen zunehmen schwieriger. Eine weit verbreitete Möglichkeit dazu bietet die so genannte variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie. Bei der variablen Turbinengeometrie werden die Leitschaufeln des Leitapparates stromauf des Turbinenrades entsprechend dem Leistungsbedarf der Turbine mehr oder weniger steil zur Strömung ausgerichtet. Bei der variablen Verdichtergeometrie werden die Leitschaufeln im Diffusor stromab des Verdichterrades mehr oder weniger steil zur Strömung ausgerichtet.

Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des Abgasturboladers an die variablen Betriebsbedingungen bieten Vordra!!-Leitvomchtungen, welche im Luftansaugebereich des Verdichters in der angesaugten Luft einen bestimmten Vordrall erzeugen, je nach Betriebspunkt mehr oder weniger ausgeprägt mit- oder gegenläufig zur Drehrichtung des Verdichterrades.

Bei herkömmlichen Vordrall-Leitvorfichtungen, wie sie etwa aus der DE 36 13 857 A1 bekannt sind, werden die Schaufeln in einem im Lagerbereich einteiligen Gehäuse gelagert. Dazu muss die Schaufel mit einer zusätzlichen Lagerbüchse gesichert und der Verstellhebel aus Montagegründen trennbar ausgeführt sein. Dies kann zu zusätzliche Kosten und Toleranzfehlern führen und die Zuverlässigkeit in Betrieb erheblich reduzieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine über eine lange Betriebszeit zuverlässig funktionierende, einfach zu montierende Vordrall-Leftvorrichtung mit verstellbaren Leitschaufeln zu schaffen.

Die erfindungsgemässe Vordrall-Leitvorrichtung zum Erzeugen eines Vordralls im Ansaugbereich eines Verdichters, umfasst eine Mehrzahl von Leitschaufeln, welche jeweils um einen mit der Leitschaufel verbundenen Schaufelschaft schwenkbar sind, wobei die Schaufelschäfte und somit die Drehachsen der Leitschaufeln im wesentlichen senkrecht und radial zu der Wellenachse des Verdichters ausgerichtet sind. Die erfindungsgemässe Vordrall-Leitvorrichtung umfasst weiter einen koaxial zur Wellenachse des Verdichters angeordneten, um diese Achse schwenkbaren Stellring, sowie Verstellhebel zum Übertragen von Drehmoment vom Stellring auf den Schaufelschaft jeder Leitschaufel. Erfindungsgemäss sind Schaufelschaft und Verstellhebel jeder Leitschaufel einteilig ausgebildet.

Durch die einteilige Ausführung der Leitschaufel wird die Anzahl der zu montierenden Komponenten reduziert. Dies vereinfacht die Montage und allfällige Servicearbeiten an der Leitvorrichtung.

Das Gehäuse der erfindungsgemässen Vordrall-Leitvorrichtung, in welchem die Leitschaufeln drehbar gelagert sind, umfasst mindestens zwei, im Bereich der Lager der Leitschaufel zusammengefügte Teile.

Dies ermöglicht einerseits die Montage der einteilig mit integriertem Verstellhebel ausgeführten Leitschaufel, zudem ist es dadurch möglich die Schaufel mit der Lagerstelle bezüglich der Drehachse jeder Laufschaufel in axialer Richtung zu lagern und zu sichern.

Diese axiale Lagerung der Leitschaufeln erfolgt erfindungsgemäss über Vorsprünge an den Schaufelschäften und an dem die Schaufelschäfte umgebenden Gehäuse. Diese Vorsprünge erstrecken sich bezüglich der Drehachse der Leitschaufel in radialer Richtung. Die Vorsprünge greifen zur axialen Lagerung der Leitschaufel ineinander. Zusätzlich oder alternativ können auch Nuten in das Gehäuse und/ oder in die Schaufelschäfte eingelassen sein, welche zur axialen Sicherung der Leitschaufel mit entsprechenden Vorsprüngen zusammenwirken. Werden sowohl in das Gehäuse als auch die Schaufelschäfte Nuten eingelassen, kann die axiale Lagerung mit speziellen Lagerringen erfolgen, welche in den Nuten angeordnet werden. Die Nuten und Vorsprünge können sich auch nur teilweise um den jeweiligen Schaufelschaft erstrecken.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1

einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäss ausgebildeten Vordrall-Leitvorrichtung, mit einem mittels Halterippe gehaltenen Zentralkörper,

Fig. 2

eine isometrische Detailansicht der Vordrall-Leitvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3

einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäss ausgebildeten Vordrafi-Leitvorrichtung,

Fig. 4

eine isometrische Detailansicht der Vordrall-Leitvorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5

einen vergrössert dargestellten Ausschnitt des Schnittes in Fig. 1 im Bereich des Leitschaufel-Schaftes mit einer detaillierten Darstellung einer ersten Variante der axialen Lagerung der Leitschaufeln,

Fig. 6

den vergrössert dargestellten Ausschnitt des Schnittes in Fig. 1 im Bereich des Leitschaufel-Schaftes mit einer detaillierten Darstellung einer zweiten Variante der axialen Lagerung der Leitschaufeln,

Fig. 7

einen vergrössert dargestellten Ausschnitt des Schnittes in Fig. 1 im Bereich des Verstellhebels mit Details zur Lagerung des Verstellringes,

Fig. 8

einen Schnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Vordrall-Leitvorrichtung mit einem durch die Leitschaufeln gehaltenen Zentralkörper, und

Fig. 9

einen Ausschnitt mit einer alternativen Variante der zweite Ausführungsform der erfindungsgemäss ausgebildeten Vordrall-Leitvorrichtung nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Leitvorrichtung im Ansaugbereich eines Verdichters. Solche Verdichter werden, wie eingangs beschrieben, in Abgasturboladern zum Steigern der Leistung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Die Pfeile in der Figur deuten den Strömungsweg des zu verdichtenden Mediums an, welches in der Regel Luft für den Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine ist.

Die Leitvorrichtung umfasst mehrere, bezüglich der Verdichterachse in radialer Richtung ausgerichtet angeordnete Leitschaufeln 10. Jede der Leitschaufeln umfasst neben dem in den Strömungskanal hineinragenden Schaufelprofil 11 einen Schaufelschaft 12, mit welchem das Schaufel profil drehbar in einem Gehäuse gelagert ist. Ober einen Verstellhebel 13 lässt sich das Schaufelprofil um die Achse des Schaufelschaftes drehen. Zum Antrieb des Verstellhebels, und somit zum Verstellen des Schaufel profils, ist ein Verstellring 30 vorgesehen, welcher konzentrisch zur Achse des Verdichters angeordnet ist.

In einer ersten Ausführungsform gemäss den Fig. 1 und 2 erfolgt die Drehmomentübertragung vom Verstellring 30 auf den Schaufelschaft 12 über einen am freien Ende des Verstellhebels 13 angeordneten Kugelkopf 14. Der Kugelkopf 14 wird in einer Nut 31 des Verstellrings mit zwei parallel zueinander verlaufenden Wänden geführt. In der Nut hat der Kugelkopf die translatorischen und rotatorischen Bewegungsfreiheiten, welche zur Umsetzung der Momentübertragung notwendig sind. Um eine gleichmässige, grossflächige Druckverteilung im Kontaktbereich zwischen Kugelkopf und Nutwand zu erzielen, und um so den Verschleiss der aufeinander pressenden Teile zu verringern, ist die zum Übertragen von Drehmoment vom Verstellring auf den Schaufelschaft jeder Leitschaufel auf den Kugelkopf der Stellhebel wirkende Oberfläche nach Art einer Kugelpfanne ausgebildet. Dabei ist die Kugelpfanne zumindest teilweise aus einem translatorisch verschiebbar angeordneten Gleitschuh 20 gebildet. Wird der Verstellring 30 zum Verstellen der Leitschaufeln gedreht, so wird der Gleitschuh 20 von dem Kugelkopf 14 in der Nut 31 in der Ebene der Nutwände verschoben. Wird der Stellring weggedreht, so verändert sich die Lage des . Versteilhebels relativ zum Verstellring. Neben der translatorischen Verschiebung des Rotationszentrums des Kugelkopfes innerhalb der Nut, kommt es zu einer Verdrehung des Verstellhebels bezüglich des Verstellrings. Die translatorische Verschiebung des Rotationszentrums des Kugelkopfes wird durch den, den Nutwänden entlang gleitenden Gleitschuh ermöglicht, während sich für die Verdrehung der Kugelkopf in der durch den Gleitschuh geformten Kugelpfanne beliebig in jede Richtung verdrehen kann. Der Gleitschuh kann auch zweiteilig ausgebildet sein, indem auf jeder Seite der Nut im Verstellring eine Kugelpfannenhälfte mit einer flachen, gleitfähigen Rückseite angeordnet ist.

In einer zweiten Ausführungsform gemäss den Fig. 3 und 4 erfolgt die Drehmomentübertragung vom Verstellring 30 auf den Schaufelschaft 12 über einen am freien Ende des Verstellhebels 13 angeordneten, zylinderförmigen Stift 15. Der Stift greift in eine Bohrung eines im Verstellring 30 ebenfalls in einer Bohrung 32 gelagerten, zylinderförmigen Gleitelements 21 ein. Der Gleitzylinder 21 lässt sich in der Bohrung 32 um die eigene Achse drehen und entlang der eigenen Achse verschieben. Die Bohrung im Gleitzylinder, welche zur Aufnahme des Stifts 15 vorgesehen ist, steht senkrecht zur Achse des Gleitzylinders. Der Stift lässt sich in dieser Bohrung um seine eigene Achse drehen und entlang seiner eigenen Achse verschieben. Somit sind wiederum die für die Umsetzung der Momentübertragung notwendigen Bewegungsfreiheiten, je zwei translatorische und rotatorische, gegeben. Alternativ kann der Stift 15, wie in der Fig. 9 dargestellt, im Gleitzylinder 21 fixiert und dafür in einer entsprechenden Bohrung im freien Ende des Verstellhebels 13 der Leitschaufel gleitend gelagert sein.

Anstelle der dargestellten und detailliert beschriebenen sind weitere Ausführungsformen zur Momentübertragung denkbar, etwa mit einem als Zahnradsegment ausgebildeten Verstellhebel, welcher in dem mit einem Zahnkranz versehenen Verstellring eingreift. Erfindungsgemäss sind Schaufel profil 11, Schaufelschaft 12 und der Verstellhebel 13 mitsamt dem für die Momentübertragung notwendigen Aufsatz, also dem Kugelkopf 14 bzw. dem Stift 15, einteilig ausgebildet. Dies bedeutet, dass die gesamte Leitschaufel 10 mit ihren funktionellen Bestandteilen aus einem Stück gegossen oder gefräst oder aber aus mehreren Teilen vor dem Einbau ins Gehäuse kraft-, form- oder materialschlüssig zu einem Stück zusammengefügt ist. Beispielsweise wird das Schaufel profil, der Schaufelschaft und der Verstellhebel als ein Stück gegossen und anschliessend der Kugelkopf bzw. der Stift in eine dafür vorgesehene Öffnung im Verstellhebel mit Presssitz eingetrieben oder aber lose eingefügt und angeschweisst oder -gegossen.

Damit die einteilig ausgebildete Leitschaufel in die dafür vorgesehene Ausnehmung im Gehäuse eingebracht werden kann, ist das Gehäuse erfindungsgemäss im Bereich der Lagerstellen der Leitschaufeln geteilt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich wird, sind mindestens zwei, bezüglich der Verdichterachse in axialer Richtung zusammenfügbare Gehäuseteile 41 und 42 vorgesehen. Im Bereich der Lagerstelle jeder Leitschaufeln bilden die beiden Gehäuseteile gemeinsam die Ausnehmung 45. Die beiden Gehäuseteile 41 und 42 werden beispielsweise mit Verbindungselementen in dafür vorgesehenen Bohrungen 46 oder über andere, nachträglich verbaute Gehäuseteile zusammengehalten.

Dank der erfindungsgemässen Teilung des Gehäuses im Bereich der Leitvorrichtung, lässt sich die Lagerung der Leitschaufeln und des Verstellrings stark vereinfachert. Wie in Fig. 5 dargestellt, lässt sich so der Schaufelschaft in axialer Richtung anstatt mit einer zusätzlichen Lagerbuchse oder mit aussen liegenden Lagerstellen auf einfache Weise an radial vorstehenden Gehäusekanten 49 sichern. Diese Gehäusevorsprünge 49 können beidseitig oder an einem Gehäuseteil jeweils an den axialen Enden der Lagerstelle des Schaufelschaftes vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann, wie in Fig. 6 dargestellt, eine zumindest teilweise umlaufende Nut in der Ausnehmung zwischen den beiden Gehäuseteilen 41 und 42 einen den Schaufelschaft ebenfalls zumindest teilweise umlaufenden Vorsprung17 aufnehmen. Anstelle einer Nut in den Gehäuseteilen kann in einer anderen Variante die Nut auch in den Schaufelschaft eingelassen und die Gehäuseteile mit einem entsprechenden Vorsprung versehen sein. In einer weiteren Variante ist in einem Gehäuseteil eine Nut eingelassen während das andere Gehäuseteil einen Vorsprung aufweist und entsprechend der Schaufelschaft mit je einem Vorsprung und einer Nut versehen ist. Mittels einer nicht vollständig umlaufenden Nut und einem noch weniger weit umlaufenden Vorsprung lässt sich auch auf einfache Weise die Drehbarkeit der Leitschaufeln begrenzen. In einer weiteren Variante sind sowohl in den Schaufelschaft wie auch das in das ihn umgebende Gehäuse Nuten eingelassen. Ein in den Nuten angeordneter Lagerring sorgt in dieser Variante für die axiale Lagerung der Leitschaufeln. Alle diese Varianten der innen liegenden Axiallagerungen ermöglichen eine Verringerung des axialen Spiels der Leitschaufeln. Zur Verbesserung der Gleiteigenschaft im Lagerbereich der Leitschaufeln oder um Verschleiss vorzubeugen, können die Lagerbestandteile, also die Gehäuseteile und/ oder der Schaufelschaft gehärtet oder mit einer Beschichtung aus einem abriebfesten Material versehen sein.

Die axiale und radiale Lagerung des Verstellrings lässt sich, wie in Fig. 7 dargestellt, ebenfalls auf einfach Weise realisieren. Bevor die Gehäuseteile 41 und 42 in axialer Richtung zusammen geschoben werden, wird der Verstellring 30 zusammen mit den Leitschaufeln zwischen den Gehäuseteilen oder auf einem der beiden Gehäuseteile angeordnet. Beim Zusammenschieben erfolgt anschliessend automatisch die endgültige Ausrichtung des Verstellringes in axialer Richtung. Dabei wird der Verstellring 30 von beiden Seiten durch ein entsprechendes Lagerelement 47' und 47" in axialer Richtung gelagert. Wie auch aus Fig. 2 ersichtlich, ist das erste axiale Lagerelement 47' Teil des ersten Gehäuseteils 41, während das zweite axiale Lagerelement 47" Teil des zweiten Gehäuseteils 42 ist. Die radiale Lagerung des Verstellrings lässt sich auf einfache Weise durch Auflage des Verstellrings auf einem umlaufenden Vorsprung 48 erreichen.

Wie in der Lagerstelle der Leitschaufel, können auch die Lagerteile des Verstellrings gehärtet oder Beschichtet sein.

Im zentralen Bereich der Leitvorrichtung, in welchem die Spitzen der mehreren Leitschaufeln zusammen kommen, ist gemäss einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Leitvorrichtung ein zentraler Gehäusekörper angeordnet. Dieser Zentralkörper liegt konzentrisch auf der Achse des Verdichters. Der Zentralkörper ist Teil des Gehäuses, welches im Bereich der Leitvorrichtung den Strömungskanal des zu verdichtenden Mediums bildet.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann der Zentralkörper 44 über eine oder mehrere radial verlaufende Gehäuserippen 43 positioniert und festgehalten sein.

Um die Strömung im Strömungskanal nicht mit solchen Rippen beeinträchtigen zu müssen, kann der Zentralkörper auch über die Leitschaufelspitzen positioniert und festgehalten werden. Wie in Fig. 8 dargestellt sind hierzu radial geführte Bohrungen 441 in den Zentralkörper 44 eingelassen, in welche speziell hierfür ausgebildete Schäfte 16 an den Schaufelspitzen eingreifen. Diese Vorrichtung mit den strahlenförmig um den Zentralkörper angeordneten Leitschaufeln ermöglicht auch eine vereinfachte Montage der Leitschaufeln, welche vor dem Einbringen in eines der beiden Gehäuseteile 41 oder 42 bereits um den Zentralkörper 44 angeordnet werden können. Anschliessend kann die Einheit aus Zentralkörper und sämtlichen Leitschaufeln in einem einzigen Arbeitsschritt an den dafür vorgesehenen Platz geführt werden.

Natürlich können entsprechende Bohrungen auch in der Ausführungsform mit mittels einer Halterippe positioniertem und gehaltenem Zentralkörper vorgesehen sein. In diesem Fall dienen sie auch einer vereinfachten Montage, indem die Leitschaufeln mit den speziellen Schaufelspitzen-Schäften in die Bohrungen im Zentralkörper eingesteckt werden, bevor sie anschliessend in die radial verlaufenden Ausnehmungen in dem einen Gehäuseteil platziert werden.

Die beschriebenen Schaufelspitzen-Schäfte können fest mit den Spitzen der Leitschaufeln verbunden, oder aber drehbar in dafür vorgesehenen Bohrungen in den Schaufeispitzen gelagert sein. Im zweiten Fall können die Schäfte auch fest mit dem Zentralkörper verbunden sein, so dass bei der Montage die Leitschaufeln mit ihren Bohrungen an den Schaufelspitzen auf die Schäfte aufgesteckt werden.

Natürlich ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Leitvorrichtung ohne Zentralkörper mit bis in die Mitte laufenden Leitschaufeln möglich.

10

Leitschaufel

11

Schaufelprofil

12

Schaufelschaft

13

Verstellhebel zum Bewegen der Leitschaufeln

14

Kugelkopf

15

Stift

16

Schaufelspitzen-Schaft zum Zentrieren und Festhalten des Zentralkörpers

17

Wellenvorsprung zur axialen Lagerung der Leitschaufel

20

Gleitschuh

21

Gleitzylinder

30

Verstellring zum Bewegen der Leitschaufeln über die Verstellhebel

31

Ringnut zur Aufnahme von Gleitschuh

32

Ringbohrung zur Aufnahme von Gleitzylinder

40

Gehäuse

41, 42

Gehäuseteile

43

Halterippe

44

Zentralkörper

441

Bohrung zur Aufnahme des Schaufelspitzen-Schafts

45

Aussparung im Gehäuse zur Aufnahme des Schaufelschaftes

46

Bohrung zur Fügung der Gehäuseteile

47

Lagerelement zur axialen Lagerung des Verstellrings

48

Lagerelement zur radialen Lagerung des Verstellrings

49

Radiale Vorsprünge im Bereich der Aussparung im Gehäuse zur axialen Lagerung der Leitschaufel