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Gehäuse von Strömungsmaschinen, insbesondere von
Abgasturboladern
Die Erfindung hat ein Gehäuse von Strömungsmaschinen mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen, insbesondere Abgasturboladern, zum Gegenstand, bei denen die Gehäuseteile aus Guss bestehen.
Bei derartigen Strömungsmaschinen ist die Betriebssicherheit und auch der Wirkungsgrad in entscheidendem Masse von der Beherrschung der auftretenden Temperaturen abhängig. Die beispielsweise mit heissen Abgasen betriebenen Turbolader weisen zwischen Turbine und Lager grosse Temperaturdifferenzen auf. Dementsprechend ist der Wärmedurchgang sehr hoch. Der Wärmefluss von der Turbinen- zur Laderseite stellt nicht nur für die Turbine einen Energieverlust dar, sondern auch eine zusätzliche Wärmezufuhr für das zu verdichtende Medium. Je höher aber die Temperatur des Mediums ansteigt, umso grö- sser wird der erforderliche Arbeitsaufwand zur Verdichtung. Darüber hinaus wird durch die Wärmezufuhr an den Lagerstellen die Betriebssicherheit der Lager stark in Frage gestellt, d. h., es besteht die Gefahr einer Lagerzerstörung.
Diese kann verursacht werden durch die erhöhte Wärmeausdehnung der Lagerteile wie auch durch zu starke Schmiermittelverdünnung.
Als nächstliegender Weg zur Vermeidung eines unerwünschten Wärmedurchganges hat man schon eine Anzahl Vorschläge gemacht, die darauf hinzielen, das Turbinen- und Lagergehäuse zu kühlen. Auf diesem Grundgedanken fussend, hat man z. B. Kühlkanäle in Form von Bohrungen u. dgL im Gehäuse und in der Welle vorgesehen und in diese Kühlkanäle Wasser oder Luft eingeleitet.
Man hat beispielsweise vorgeschlagen, einen Teil der vom Lader verdichteten Luft abzuzweigen und in diese Kühlkanäle einzuführen.
Nachteilig ist hiebei der verhältnismässig grosse Aufwand und die Schwenkung der Teile durch Bohrungen. Auch bereitet die Montage der Gehäuseteile Schwierigkeiten, und schliesslich ist, z. B. bei Abgasturboladern, bei bestimmten Betriebszuständen ein Eindringen der Abgase in die Kühlkanäle kaum zu vermeiden. Die in den Abgasen mitgeführten Russteilchen aber verlegen die Kühlkanäle mit der Zeit, wodurch die Kühlleistung in unkontrollierbarem Ausmass herabgesetzt wird und oft völlig ausfällt.
Bekannt ist auch, bei Laufrädern eine Wärmedrossel dadurch zu bilden, dass ein Teil einer zweiteili gen Welle mit einem Hohlraum versehen ist und gleichzeitig aus weniger wärmeleitendem Material besteht.
Zum Zwecke des Abschlusses des Turbinenarbeitsraumes nach der Lagerseite hin ist eine Schottwand erforderlich. Diese wurde bisher entweder gegossen oder durch einen mit Schrauben befestigten scheiben förmigen Blechteil gebildet. Solche Blechwände besitzen den Nachteil, sich bei hohen Temperaturen zu verziehen. Es ist somit nicht möglich, einen kleinen Spalt zwischen Turbinenschaufeln und Schottwand einzuhalten. Dies ist aber bei Radialturbinen, deren Schaufeln zur Verminderung des Trägheitsmomentes einen grösseren Durchmesser als die Scheibe besitzen sollen, zur Vermeidung eines zu grossen Spaltverlu- stes unbedingt erforderlich. Bei Gusswänden tritt diese Schwierigkeit zwar nicht auf, jedoch muss man dabei einen grossen Wärmefluss in Kauf nehmen.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine wirksame Wärmedrossel zwischen Arbeitsraum- und Lagergehäuse auszubilden. Der prinzipielle Lösungsgedanke geht von der Erkenntnis aus, dass die Metalle an sich sehr unterschiedliche Wärmeleitzahlen aufweisen. Infolgedessen ist es möglich, durch Ausbildung
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der verbindenden Teile aus Metallen mit geringerem Wärmeleitvermögen den Einfluss der Temperatur- brücke zwischen Arbeitsraum und Lager sowie weiteren angeschlossenen Arbeitsmaschinen, wie z. B. dem
Lader, entscheidend zu vermindern.
Während z. B. die üblicherweise verwendeten Gussteile eine Wärmeleitzahl von etwa 43 Kcal/hm 5 aufweisen, besitzen Stahlbleche beispielsweise nur eine solche von 13. Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist, die Wandstärke de ! Blechteiles gegenüber demjenigen der Gussteile stark zu verringern, womit der
Wärmefluss zusätzlich weiter herabgesetzt wird. Bei Zugrundelegung dieser Wärmeleitzahlenunterschiede und einem Wandstärkenverhältnis vonl : 4 wurde eine Drosselung des Wärmedurchganges von 92, 4 % fest- gestellt.
D Demgemäss sieht die Erfindung vor, das Lager und den die Turbine verbindenden Gehäuseteil teil- weise durch eingegossene Blechteile aus Metallen geringerer Wärmeleitfähigkeit zu ersetzen. Verbinden- de Gehäuseteile sind beim Beispiel des Abgasturboladers die den Turbinenarbeitsraum nach aussen ab- schliessende Schottwand und gegebenenfalls vorgesehene Tragelemente. Die Blechteile können gemäss der Erfindung aus einem winkelförmigen Blechring bestehen, bei dem ein Schenkel den im Bereich der 'Turbinenscheibe gelegenen Teil der Schottwand ersetzt und dessen anderer Schenkel die Verbindung mit dem Lagergehäuse darstellt. Durch diese Verformungen wird dem Blechring gleichzeitig eine gewisse
Steifigkeit verliehen.
Um die Verbindung stabiler zu gestalten, ist im übrigen daran gedacht, am Umfang einige Träger einzufügen, die gemäss der Erfindung ebenfalls aus einem Material mit geringerer Wärme- leitfähigkeit bestehen.
0 Das Ersetzen der Gussteile durch Metalle geringerer Wärmeleitfähigkeit wird in erfindungsgemässer
Weise durch das beidseitige Eingiessen der Blechteile ermöglicht. Diese sind hiedurch so fest eingespannt, dass sie sich bei Wärmeausdehnungen nicht verbiegen, verwerfen oder ihren Sitz sonstwie verändern kön- nen.
Da sich die Blechteile nicht bis zu den Schaufeln des Turbinenrades erstrecken, ist dafür gesorgt, dass das Turbinenrad nicht behindert wird. Auch ist vorgesehen, die Schottwand an dem durch die Turbinen- radschaufeln auf der andern Seite begrenzten Spaltabschnitt in Guss auszuführen, wodurch es ermöglicht wird, dem Spalt kleine Abmessungen zu geben.
Auf diese Weise schützt der erfindungsgemäss angeordnete Blechteil nicht nur die Lagerung und nach- geschalteten Aggregate gegen übermässige Wärmezufuhr, sondern es sind gleichzeitig Massnahmen getrof- fen, die ein Verziehen der Blechwand verhindern und die eine konstante Breite des Spaltes zwischen Tur- binenradschaufeln und Schottwand gewährleisten. Die Erfindung ist natürlich auch überall dort anwendbar, wo der Wärmefluss an mit hohen Temperaturen betriebenen Maschinen herabgesetzt bzw. unterbunden werden soll
Am Beispiel eines Abgasturboladers ist die Erfindung näher erläutert und beschrieben. In der Zeich- nung ist mit 1 das Turbinengehäuse mit dem freifliegend auf der Welle 2 angeordneten Turbinenrad 3 be- zeichnet, das nach dem Lagerbock 4 hin durch die mit diesem verbundene Schottwand 5 abgeschlossen ist.
Diese Schottwand 5 ist nach innen zu durch einen Blechring 5a ersetzt, der an einer Seite bei4a in den Lagerbock 4 und bei 5b in die Schottwand 5 eingegossen ist. Der Blechring 5a ist-wie ersichtlich- ein verformter Blechteil. Die Verformungen verleihen ihm eine gewisse Steifigkeit. An den eingegossenen
Abschnitten ist der Blechteil mit einer nicht weiter dargestellten Lochung versehen, die zur Verankerung im Guss dient. Andere Verankerungen sind beispielsweise auch Ausklinkungen, aufgesetzte Rippen u. dgL
Ein Gedanke der Erfindung ist es, die Rippen oder ähnliche Verankerungsmittel als Streben zur notwendi- gen Fixierung des Blechteiles 5a in der Gussform zu verwenden und die über die Oberfläche der Gussteile vorstehenden Teile danach zu entfernen.
Die beim Ausführungsbeispiel vorgesehenen Träger 6 bestehen ebenfalls aus einem profilierten Blechteil.
Bei der Anordnung des Erfindungsgegenstandes beim Ausführungsbeispiel entsteht an der durch den
Blechteil 5a teilweise ersetzten Schottwand 5 eine Wärmedrossel. Diese ist dadurch gegeben, dass der
Blechteil 5a aus Stahl hergestellt ist und gegenüber den Gussteilen eine geringere Wandstärke aufweist.
Auf diese Weise wird der sonst selbst mit zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung schwer beherrschbare
Wärmefluss über den Lagerbock 4 zum Lader 7 hin nahezu unterbrochen, so dass das nicht dargestellte Lager von Temperatureinwirkungen geschützt ist und das zu verdichtende Medium im Ladergehäuse 7 nicht weiter erwärmt wird.
Im übrigen ist die Anordnung des Blechteiles 5a in bezug auf die übrige Schottwand 5 so getroffen, dass der Spalt 8 zwischen der Schottwand 5 und den Schaufeln des Turbinenrades 3 noch vom Gussteil begrenzt wird. Diese Massnahme gewährleistet die Einhaltung einer konstanten Abmessung des Spaltes 8.
Eine andere, nicht dargestellte Ausführungsform des Blechringes 5 sieht vor, diesen mit Kühlrippen
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zu versehen. Diese Ausführungsform wird sich überall dort bewähren, wo eine zusätzliche wirksamere Kühlung erwünscht ist.
Auch ist vorgesehen. die Blechteile in sonst an sich bekannter Weise durch körperschalldämpfende Mittel schalltot zu machen. Die beiden letztgenannten Massnahmen führen im übrigen zu einer äusserst wirksamen Versteifung der erfindungsgemässen Blechteile.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gehäuse von Strömungsmaschinen mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen, insbesondere von Abgasturboladem, bei denen das Turbinen- und das Lagergehäuse aus Gussteilen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussteile (4, 5) durch eingegossene Blechteile (5a, 6) geringerer Wärmeleitfähigkeit verbunden sind.