Warum strömt Abgas durch einen Radialturbolader nach innen?

Diese muss gegen die Fliehkraft ankämpfen, statt sie auszunutzen.

Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. Die gezeigte Anordnung hilft tatsächlich, Energie zu extrahieren, vielleicht entgegen der Intuition. Ein typisches Beispiel für diese Anordnung ist die Francis-Turbine.

Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit plus hoher Tangentialgeschwindigkeitseingang, der zu einem Ausgang mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit/niedriger Tangentialgeschwindigkeit geführt wird, erzeugt die maximale Energiedifferenz für die Extraktion. Und das beschreibt das Einströmen.

Es gibt einige Möglichkeiten, dies zu betrachten. Zum einen betrachtet man die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids. In einem Kompressor ist es in Ordnung, wenn die Flüssigkeit eine Restgeschwindigkeit hat, da sie in statischen Druck umgewandelt wird, wenn sie durch das Bernoulli-Gesetz verlangsamt wird. Bei einer Turbine sollte die Austrittsgeschwindigkeit so gering wie möglich sein, da die kinetische Energie des Abgasstroms „verschwendete“ Energie ist. Daher ist es sinnvoll, den Austritt am Innenradius der Turbine zu platzieren, wo die radiale Geschwindigkeitskomponente am geringsten ist.

Eine andere Betrachtungsweise ist Druck. Die Zentrifugalkraft erzeugt ein Druckgefälle über der Turbine in radialer Richtung. Wenn sich ein Luftpaket nach innen bewegt, wird sein Druck geringer. Unter Energieeinsparung muss dies bedeuten, dass sie Arbeit an ihrer Umgebung verrichtet. Diese verrichtete Arbeit entzieht die Turbine dem Luftpaket, das sich im Inneren bewegt.

Eine andere intuitive Erklärung bezieht sich auf einen Schlittschuhläufer, der seine Arme in einer Pirouette zurückzieht (oder einen gelangweilten Büroangestellten auf einem Drehstuhl). Durch Drehimpulserhaltung nimmt ihre Winkelgeschwindigkeit zu. Ein Luftpaket würde gerne seine Winkelgeschwindigkeit erhöhen, aber dies wird durch die Turbine, die sich mit einer festen Geschwindigkeit dreht, festgehalten. Das Luftpaket muss also nach innen abgebremst werden und übt dadurch einen Druck auf die davor befindliche Turbinenschaufel aus.

Die Wahl zwischen Axial-, Zentrifugal- oder gemischter Strömung erfolgt auf der Grundlage der Strömungsbedingungen, wobei eine hohe Strömung und eine niedrige Druckdifferenz die axiale Konstruktion bevorzugen und eine geringere Strömung oder eine höhere Druckdifferenz die radiale Anordnung bevorzugen, wie gezeigt. Ein kompakteres Design bedeutet weniger Turbinen- oder Verdichterstufen, was zu einem höheren Druckunterschied über die einzelne Stufe führt. Daher wird ein radialer Aufbau bevorzugt.

Es erscheint kontraintuitiv, die Strömung so anzuordnen, wie es bei Turboladern der Fall ist, aber diese Anordnung ist der beste Kompromiss, um kinetische Energie aus Abgasen eines Hubkolbenmotors nutzbar zu machen.

Gestaltungsziele sind

• kompakte Größe
• kleiner Gegendruck
• Einfachheit der Konstruktion (Bau- und Wartungskosten)
• Fähigkeit, "traditionelle" Materialien und Herstellungstechniken zu verwenden.

Das Turbinengehäuse ist so geformt, dass es beim Umlaufen um das Turbinenrad kleiner wird. Somit laufen die Abgase, die durch die Kammer strömen, schließlich (eigentlich ziemlich schnell) aus dem Raum und werden durch die folgenden Abgasimpulse in den Abgasauslass gedrückt.

Daher müssen die Abgase keine Zentrifugalkräfte überwinden oder bekämpfen, da das Gehäuse einen Weg bereitstellt, der die Gase entlangführt.

Diese Anordnung ermöglicht im Gegensatz zur Umkehrung des Flusses ein einfacheres und weniger kritisches Turbinenradprofil und einen viel höheren Wirkungsgrad über den gesamten Durchflussbereich (ich versuche, die Referenz auszugraben). Im Vergleich zu einer Axialturbine ist diese Konstruktion weniger effizient. aber es ist auch so viel einfacher und kompakter, dass es die geringere Effizienz bei weitem überwiegt.