Turbolader: Aufbau und Funktionsweise
Turbine
Bauarten und Funktion
Die Turbine eines Turboladers besteht in der Regel aus dem Turbinenrad und dem Turbinengehäuse. Die Turbine setzt die Energie aus den Motorabgasen in mechanische Energie zum Antrieb des Verdichters um. Die Abgase werden durch den Strömungsquerschnitt der Turbine aufgestaut, sodass sich zwischen Eintritt und Austritt ein Druck- und Temperaturgefälle einstellt. Dieses Gefälle wird in der Turbine in kinetische Energie umgesetzt, die das Turbinenrad antreibt.
Man unterscheidet zwischen Axialturbinen und Radialturbinen. Bei Axialturbinen wird das Rad ausschließlich axial durchströmt. Bei Radialturbinen erfolgt die Anströmung zentripetal, d.h. in radialer Richtung von außen nach innen, und das Ausströmen in axialer Richtung.
Bis zu einem Raddurchmesser von ca. 160 mm werden ausschließlich Radialturbinen verwendet. Dieses Maß entspricht in etwa einer Motorleistung von 1000 kW je Turbolader. Ab einer Größe von 300 mm werden ausschließlich Axialturbinen eingesetzt. Zwischen diesen beiden Werten finden beide Varianten Verwendung.
In Pkw- sowie in Nutzfahrzeug- und Industriemotoren sind daher fast ausschließlich Radialturbinen zu finden. Bei den hier vorliegenden größeren Stückzahlen ist die Radialturbine auch kostengünstiger herzustellen als die Axialturbine. Im Folgenden wird wegen ihrer weiten Verbreitung nur noch auf die Funktionsweise der Radialturbine eingegangen.
Eine solche Radial- oder auch Zentripetalturbine wandelt den Druck des Abgases innerhalb des Spiralgehäuses in kinetische Energie um und führt das Abgas – über dem Radumfang mit konstanter Geschwindigkeit – dem Turbinenrad zu. Die Umsetzung des Drucks in kinetische Energie erfolgt bei Gasturbinen in einem beschaufelten Leitring. Bei Abgasturboladern ist es dagegen gelungen, diese Umsetzung in leitringlosen Turbinengehäusen zu realisieren. Dadurch verbessert sich das Durchflussverhalten der Turbine, zugleich verringert sich der Wirkungsgrad geringfügig. Die Umsetzung von kinetischer Energie in Rotationsenergie der Welle erfolgt im Turbinenrad. Das Rad ist so ausgelegt, dass am Radaustritt nahezu die gesamte kinetische Energie umgesetzt ist.
Betriebsverhalten
Die Turbinenleistung steigt mit zunehmendem Druckgefälle zwischen Eintritt und Austritt an, d.h., die Turbinenleistung nimmt zu, wenn sich durch eine höhere Motordrehzahl mehr Abgas vor der Turbine aufstaut. Aber auch mit zunehmender Abgastemperatur steigt die Turbinenleistung wegen des höheren Energiegehaltes des Abgases an.
Das Aufstauverhalten der Turbine wird vom freien Strömungsquerschnitt am Übergang vom Eintrittskanal in die Spirale, dem Halsquerschnitt, bestimmt. Verkleinert man den Halsquerschnitt, so staut die Turbine mehr Abgas auf und die Turbinenleistung nimmt infolge des höheren Druckverhältnisses zu. Durch einen kleineren Strömungsquerschnitt kann also mehr Ladedruck erzeugt werden. Der Strömungsquerschnitt l ässt sich durch Wechseln des Turbinengehäuses einfach ändern.
Neben dem Strömungsquerschnitt des Turbinengehäuses hat auch der Durchgangsquerschnitt am Radeintritt Einfluss auf das Durchflussverhalten der Turbine. Durch Bearbeiten der Radkontur kann dieser Querschnitt, und damit der Ladedruck, beeinflusst werden. Mit der Vergrößerung der Kontur nimmt der Strömungsquerschnitt der Turbine zu. Turboladerhersteller bieten innerhalb einer Baureihe auch Turbinenräder gleichen Durchmessers mit verschiedenen Konturen an, die jeweils auf der Basis eines Turbinenradrohlings hergestellt wurden.
Turbinen mit variabler Turbinengeometrie verändern den Strömungsquerschnitt zwischen dem Spiralkanal und dem Radeintritt. Drehbar gelagerte Leitschaufeln bzw. eine verschiebbare Hülse, die einen Teil des Querschnittes verdeckt, verändern den Durchgangsquerschnitt zum Turbinenrad.
Das Betriebsverhalten von Turbinen für Abgasturbolader wird in der Praxis durch Turbinenkennfelder beschrieben. In diesen Kennfeldern ist der Durchflussparameter über dem Turbinendruckverhältnis dargestellt. Um das Durchflussverhalten allgemeingültig, d.h. unabhängig von Eintrittsdruck und Eintrittstemperatur, darstellen zu können, wird ein aus der Ähnlichkeitstheorie abgeleiteter Durchflussparameter definiert, der diese beiden Größen berücksichtigt.
Im Turbinenkennfeld sind die Durchsatzlinien und der Turbinenwirkungsgrad für verschiedene Drehzahlen dargestellt. Zur Vereinfachung können sowohl der Verlauf des Durchflusses als auch der Wirkungsgrad durch einen mittleren Verlauf angenähert werden.
Für einen hohen Gesamtwirkungsgrad des Turboladers ist die Abstimmung von Verdichterrad- und Turbinenraddurchmesser von hoher Bedeutung. Durch die Vorgabe eines Betriebspunktes im Verdichterkennfeld ergibt sich auch eine bestimmte Laderdrehzahl. Der Turbinenraddurchmesser ist nun so abzustimmen, dass die Turbine in diesem Betriebsbereich mit höchsten Wirkungsgraden arbeitet.
Die Turbine wird in den seltensten Fällen mit einem konstanten Abgasdruck beaufschlagt. Bei stoßaufgeladenen Nutzfahrzeugmotoren werden die Abgaspulsationen durch die Verwendung von Zwillingsstromturbinen nahezu ideal genutzt. Durch die Pulsationen wird kurzfristig ein höheres Druckverhältnis der Turbine erreicht. Da bei zunehmenden Druckverhältnissen der Wirkungsgrad ansteigt, verbessert sich innerhalb des wichtigen Zeitbereiches, in dem ein hoher Massenstrom durch die Turbine fließt, auch der Wirkungsgrad. Durch diese bessere Ausnutzung der Abgasenergie kann der Ladedruckverlauf und damit das Drehmomentverhalten eines Motors, insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen, verbessert werden.
Damit sich die einzelnen Zylinder beim Ladungswechsel nicht gegenseitig beeinflussen, werden z.B. bei einem Sechszylindermotor je drei Zylinder durch eine Abgassammelleitung zusammengefasst. Durch Zwillingsstromturbinen werden die Abgasströme auch innerhalb der Turbine getrennt gef ührt.
Wassergekühlte Turbinengehäuse
Turbolader mit wassergekühltem Turbinengehäuse für Marineanwendungen
Auch sicherheitstechnische Aspekte beeinflussen die Konstruktion von Turboladern. So sind heiße Oberflächen im Maschinenraum von Schiffen wegen Brandgefahr zu vermeiden. Aus diesem Grund besitzen Turbolader für Marineanwendungen ein wassergekühltes oder ein mit einem Isolationsmaterial ummanteltes Turbinengehäuse.