CH714609A2 - Berstschutzvorrichtung für eine Gasturbomaschine. - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung (1) für eine Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, mit einem Turbinengehäuse (20), das ein in dem Turbinengehäuse (20) drehbar angeordnetes Turbinenrad (21) vollumfänglich umfasst, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) um eine zentrale Achse (A) in Umfangsrichtung ringförmig und in einer Querschnittsrichtung kastenförmig ausgebildet ist, um das Turbinengehäuse (20) im Bereich des Turbinenrads (21) zu umgreifen, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wandabschnitten (10, 11, 12) ausgebildet ist und wenigstens ein sich in Axialrichtung erstreckender Axialwandabschnitt (10) und wenigstens ein sich in Radialrichtung erstreckender Radialwandabschnitt (12) über einen dazwischenliegenden Zwischenwandabschnitt (11) mittelbar miteinander verbunden sind und der Zwischenwandabschnitt (11) in Axialrichtung wenigstens in einem Teilbereich schräg und/oder gebogen gegenüber der Orientierung des Axialwandabschnittes (10) und des Radialwandabschnittes (12) verläuft.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für eine Gasturbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Turbinengehäuse, das ein in dem Turbinengehäuse drehbar angeordnetes Turbinenrad vollumfänglich umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Gasturbomaschine, sowie eine Gasturbomaschine mit einer solchen Berstschutzvorrichtung.
[0002] Ein Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich Turbo genannt, ist eine optionale Baugruppe eines Verbrennungsmotors und dient der Leistungs- oder Effizienzsteigerung.
[0003] Ein Abgasturbolader besteht aus einem Verdichter und einer Turbine, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. Die Turbine liefert, angetrieben von den Abgasen des Verbrennungsmotors, die Antriebsenergie für den Verdichter. Für Turbolader werden in den meisten Fällen Radialverdichter und Zentripetalturbinen eingesetzt.
[0004] Das Grundprinzip besteht darin, einen Teil der Energie des Motorabgases zu nutzen, um den Druck im Ansaugsystem zu erhöhen und dadurch mehr Aussenluft in den Zylinder zu befördern als beim nicht aufgeladenen Motor, was zu einer Effizienzsteigerung führt. Turbolader können somit den Druck (Stauaufladung) und die Bewegungsenergie der Abgase (Stossaufladung) nutzen. Mit einem zusätzlichen Ladeluftkühler kann ein höherer Arbeitsdruck bei gleicher Temperatur im Zylinder erreicht werden.
[0005] Konzeptionell verfügen der Verdichter und die Turbine über eine Luftleitspirale, bei der Turbine dient diese zum Führen der Abgase und beim Verdichter zum Transport der angesaugten Luft für den Motor.
[0006] Aktuell bekannte Hochleistungsturbomaschinen, wie beispielsweise Abgasturbolader aufgeladener Brennkraftmaschinen, stellen im Falle eines technischen Versagens der rotierenden Teile des Turboladers ein hohes Risiko für ihre Umgebung dar. Besonders beim Betrieb in Situationen, bei denen sich Personen in der unmittelbaren Umgebung der Turbomaschine befinden können, muss sichergestellt sein, dass im Versagensfall, d.h. beim Zerbersten alle Teile sicher und vollständig aufgefangen werden und keine Person verletzen können.
[0007] Um das Durchschlagen von Bruchstücken durch die Aussenwand des Turboladers und somit die Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile zu verhindern, wurden in der Vergangenheit die Turbolader im Bereich radial ausserhalb des Turbinenlaufrades mit relativ dicken Wänden im Turbinengehäuse versehen. Diese Lösungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, wie z.B. das erhebliche Mehrgewicht des Gehäuses und die Gefahr von Lunkerbildungen aufgrund schlechterer Giessbarkeit eines solchen Turbinengehäuses. Ausserdem erwärmt sich ein derart verdicktes Gehäuse unterschiedlich, was zu Thermorissen führen kann.
[0008] Aus der DE 4 223 496 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der kinetischen Energie von berstenden Teilen für mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Maschinen bekannt. Diese im Inneren einer Axialturbine angeordnete Vorrichtung besteht aus mehreren miteinander verbundenen Schutzringen, zwischen denen jeweils eine aus duktilem Material gefertigte Knautschzone ausgebildet ist. Eine solche Lösung ist jedoch für Radialturbinen nicht geeignet, weil wegen deren radialen Gaseintritt keine Berstschutzeinrichtungen im radialen Bereich der Turbine eingesetzt werden können.
[0009] Aus der Druckschrift US 4 875 837 A ist ein mehrlagiger Berstschutz bekannt, bei dem in einer Eisenplatte ein wärmeisolierendes Material eingebracht ist, und der in Abstand zu einem Turbinengehäuse und an einem Spiralteil des Turbinengehäuses befestigt ist. Nachteilig bei dem dort beschriebenen Berstschutz ist allerdings der Umstand, dass dieser Berstschutz nur einen 120°-Winkelbereich des Spiralteils des Gehäuses umgibt und damit teilweise offen ausgebildet ist.
[0010] Aus der Druckschrift DE 19 640 654 A1 ist ein weiterer Berstschutz bekannt, der ausserhalb eines Gaseintrittsgehäuses einer Radialturbine für einen Turbolader vorgesehen ist, welcher als spiralförmige Blechhülle ausgebildet ist und über mehrere Schrauben lösbar mit dem Gaseintrittsgehäuse verbunden ist.
[0011] Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen gebogenen Bleche als Berstschutz um die Spirale angeordnet sind, welche allerdings konstruktiv einfach ausgebildet sind, um die Herstellkosten zu reduzieren, die allerdings nur eine eingeschränkte Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und sich auch in Bezug auf das Verhalten in Reaktion auf die auftretenden Eigenfrequenzen im Betrieb ungünstig verhalten.
[0012] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, besagte Nachteile zu vermeiden und eine verbesserte, einfach herzustellende und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern zu schaffen und damit die Sicherheit von Turboladern weiter zu verbessern, wobei nachteilige Auswirkungen aufgrund der im Betrieb auftretenden Eigenfrequenzen gesenkt werden sollen.
[0013] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäss Patentanspruch 1 gelöst.
[0014] Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Berstschutzvorrichtung so auszubilden, dass diese um die Spirale der Turbine herum geformt ist und eine spezifisch geformte Struktur aus mehreren Abschnitten aufweist, die radial umlaufend verlaufen und wenigstens ein sich in Axialrichtung erstreckender Axialabschnitt und wenigstens ein sich in Radialrichtung erstreckender Radialabschnitt über einen dazwischenliegenden schräg angeordneten Zwischenabschnitt miteinander verbunden sind, der vorzugsweise in wenigstens einem Teilbereich jeweils schrägt und/oder gebogen gegenüber der Orientierung des Axialabschnittes und des Radialabschnittes verläuft.
CH 714 609 A2 [0015] Erfindungsgemäss ist daher eine Berstschutzvorrichtung für eine Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, mit einem Turbinengehäuse vorgesehen, das ein in dem Turbinengehäuse drehbar angeordnetes Turbinenrad vollumfänglich umfasst, wobei die Berstschutzvorrichtung um eine zentrale Achse in Umfangsrichtung ringförmig und in einer Querschnittsrichtung kastenförmig ausgebildet ist, um das Turbinengehäuse im Bereich des Turbinenrads zu umgreifen, wobei die Berstschutzvorrichtung ferner aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wandabschnitten ausgebildet ist und wenigstens ein sich in Axialrichtung erstreckender Axialwandabschnitt und wenigstens ein sich in Radialrichtung erstreckender Radialwandabschnitt über einen dazwischenliegenden Zwischenwandabschnitt mittelbar miteinander verbunden sind und der Zwischenwandabschnitt in Axialrichtung wenigstens in einem Teilbereich schräg und/oder gebogen gegenüber der Orientierung des Axialwandabschnittes und des Radialwandabschnittes verläuft.
[0016] Es ist von Vorteil, dass die Berstschutzvorrichtung ferner einstückig aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wandabschnitten ausgebildet ist.
[0017] Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich in Radialrichtung zwei Radialwandabschnitte erstrecken und mittelbar über je einen dazwischenliegenden Zwischenwandabschnitt mit dem Axialwandabschnitt verbunden sind. Die Berstschutzvorrichtung weist bevorzugt somit zwei sich in Radialrichtung erstreckende Radialwandabschnitte auf, zwischen denen sich der Axialwandabschnitt befindet. Hierdurch ergibt sich im Querschnitt durch die Berstschutzvorrichtung (bei einem Schnitt quer zur Umfangsrichtung) betrachtet, eine nach innen offene Kastenform zur Aufnahme eines spiralförmigen Abgasführungskanals der Turbine, in dessen Zentrum das Turbinenrad sitzt.
[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zwei sich in Radialrichtung erstreckenden Radialwandabschnitte jeweils gegenüber dem Axialwandabschnitt unter einem Winkel von etwa 90° orientiert sind und die Zwischenwandabschnitte bezüglich dem Axialwandabschnitt unter einem Winkel a gegenüber dessen Axialerstreckung schräg und/oder gekrümmt verlaufen.
[0019] Es ist weiter von Vorteil, wenn die Berstschutzvorrichtung einstückig aus einem oder mehreren Blechteilen gebildet ist, die eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen.
[0020] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zwischenwandabschnitte als im Wesentlichen in einer Richtung flach verlaufende Wandabschnitte ausgebildet sind, die gegenüber der Axialrichtung unter einem positiven oder negativen Winkel a zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und 50° und besonders bevorzugt unter einem Winkel von 45° orientiert sind. Jedenfalls sind Winkel in der Grössenordnung um 90° (wie aus dem Stand der Technik teilweise bekannt) unerwünscht, da sich diese Form als ungünstig für diverse Eigenschaften der Berstschutzvorrichtung, wie z.B. die Festigkeit, das Schwingungsverhalten, die Steifigkeit usw. erwiesen haben.
[0021] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, mit einem Turbinengehäuse, das ein in dem Turbinengehäuse drehbar angeordnetes Turbinenrad aufweist, sowie einer wie zuvor beschriebenen Berstschutzvorrichtung, die um das Turbinengehäuse herum angeordnet ist.
[0022] Eine dabei bevorzugte Ausbildungsform sieht vor, dass das Turbinengehäuse einen spiralförmigen Gasführungskanal ausbildet, der einseitig eine Abgaszuführung aufweist und die Berstschutzvorrichtung den Gasführungskanal zumindest teilweise umgreift.
[0023] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass sich der Axialwandabschnitt der Berstschutzvorrichtung in Axialrichtung über einen mittleren Teilabschnitt des spiralförmigen Gasführungskanal hinweg erstreckt, während die nicht von dem Axialwandabschnitt überdeckten vorderen und hinteren Teilabschnitte zumindest teilweise von den schräg orientierten Zwischenwandabschnitten überdeckt werden. Hierdurch kann der Berstschutz entlang der Oberflächenkontur des Gasführungskanals und damit des Turbinengehäuses mit einem geringen Abstand geführt werden, was sich günstig auf die Reduktion der kinetischen Energie von Berstsplitter im Berstfall auswirkt.
[0024] Mit Vorteil ist vorgesehen, dass hierbei ein erster Radialwandabschnitt vor einem vorderen Seitenwandabschnitt und ein zweiter Radialwandabschnitt hinter einem hinteren Seitenwandabschnitt des Gasführungskanals angeordnet ist und der vordere und hintere Radialwandabschnitt jeweils mit dem Axialwandabschnitt über schräg verlaufende oder gekrümmte Zwischenwandabschnitte verbunden sind.
[0025] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer wie zuvor beschriebenen Gasturbomaschine.
[0026] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Berstvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Berstvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung.
[0027] Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
CH 714 609 A2 [0028] In den Fig. 1 und 2 sind in einer Schnittansicht zwei beispielhafte Ausführungsformen einer jeweils alternativen Gestaltung einer Berstschutzvorrichtung 1 in einer Montagesituation, um einen (in einer Teilansicht dargestellten) Turbolader montiert, gezeigt.
[0029] Dargestellt ist jeweils das Turbinengehäuse 20 einer Gasturbomaschine mit einem in dem Turbinengehäuse 20 drehbar angeordneten Turbinenrad 21, das auf der Turboladerachse 23 mittels Befestigungsmittel 24 befestigt ist. Das Turbinengehäuse 20 umfasst einen spiralförmigen Gasführungskanal 22 zum Führen des Abgasstromes, der einseitig eine nicht näher dargestellte Abgaszuführung aufweist.
[0030] Ferner ist in beiden Ausführungsformen eine Berstschutzvorrichtung 1 gezeigt, die das spiralförmige Turbinengehäuse im Bereich des Gasführungskanals 22 zumindest teilweise umgreift.
[0031] Die Berstschutzvorrichtung 1 ist dabei so geformt, dass diese um die zentrale Achse A, die durch die Turboladerachse 23 verläuft, in Umfangsrichtung ringförmig und in einer Querschnittsrichtung kastenförmig ausgebildet ist, um das Turbinengehäuse 20, im besagten Bereich des Turbinenrads 21, zu umgreifen.
[0032] In den beiden Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 ist die Berstschutzvorrichtung 1 jeweils einstückig aus einem durchschlagsfesten Blech aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wandabschnitten 10, 11, 12 ausgebildet, wobei jeweils ein sich in Axialrichtung (d. h. in Richtung der Turboladerachse 23) erstreckender Axialwandabschnitt 10 der Berstschutzvorrichtung 1 deckeiförmig um das Turbinengehäuse 20 herum verläuft. Die jeweiligen Wandabschnitte 10, 11,12 sind als flach verlaufende Wandabschnitte ausgebildet. Allerdings kann der Zwischenwandabschnitt 11 z.B. auch als gebogener Abschnitt 11', wie in der Fig. 1 beispielhaft mit der dünneren gebogenen Linie dargestellt, verlaufen.
[0033] Im oberen Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 1 ist ein ferner sich in Radialrichtung (d. h. quer zur Axialrichtung) erstreckender Radialwandabschnitt 12 über einen schräg verlaufenden Zwischenwandabschnitt 11 mittelbar mit dem Axialwandabschnitt 10 verbunden.
[0034] Im unteren Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 2 sind zwei sich in Radialrichtung erstreckende Radialwandabschnitte 12, jeweils über einen schräg verlaufenden Zwischenwandabschnitt 11 mittelbar mit dem Axialwandabschnitt 10 verbunden.
[0035] Die Zwischenwandabschnitte 11 sind bezüglich dem Axialwandabschnitt 10 unter einem Winkel a von etwa 55° gegenüber dessen Axialerstreckung schräg angeordnet. Alternativ können diese auch, wie in der Fig. 2 mit dem linken bzw. rechten Winkel a eingezeichnet, jeweils unter einem positiven bzw. negativen Winkel a zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und 50° und besonders bevorzugt unter einem Winkel von 45° orientiert sein. Die Winkel können gleich oder unterschiedlich sein, je nachdem, wie man die Berstschutzvorrichtung 1 entlang der Aussenkontur des Turbinengehäuses 20 dieser anpassen will. Wie bereits erläutert kann die Form des Zwischenwandabschnittes 11 auch eine Kombination aus linearer und gekrümmter Form sein, um eine spezifische Anpassung vorzunehmen.
[0036] Der Axialwandabschnitt 10 der Berstschutzvorrichtung 1 verläuft in der Ausführung nach Fig. 2 in Axialrichtung über einen mittleren Teilabschnitt 22m des spiralförmigen Gasführungskanals 22 hinweg, während die nicht von dem Axialwandabschnitt 10 überdeckten Teilabschnitte zumindest teilweise von den schräg orientierten Zwischenwandabschnitten 11 überdeckt werden. Der erste (linke) Radialwandabschnitt 12 ist vor einem vorderen Seitenwandabschnitt 22v und der zweite (rechte) Radialwandabschnitt 12 hinter einem hinteren Seitenwandabschnitt 22h des Gasführungskanals 22 angeordnet, wobei der vordere und hintere Radialwandabschnitt 12 jeweils mit dem Axialwandabschnitt 10 über die zuvor beschriebenen schräg verlaufenden Zwischenwandabschnitte 11 verbunden sind.
[0037] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (11)

  1. Patentansprüche
    1. Berstschutzvorrichtung (1) für eine Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, mit einem Turbinengehäuse (20), das ein in dem Turbinengehäuse (20) drehbar angeordnetes Turbinenrad (21) vollumfänglich umfasst, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) um eine zentrale Achse (A) in Umfangsrichtung ringförmig und in einer Querschnittsrichtung kastenförmig ausgebildet ist, um das Turbinengehäuse (20) im Bereich des Turbinenrads (21) zu umgreifen, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wandabschnitten (10, 11, 12) ausgebildet ist und wenigstens ein sich in Axialrichtung erstreckender Axialwandabschnitt (10) und wenigstens ein sich in Radialrichtung erstreckender Radialwandabschnitt (12) über einen dazwischenliegenden Zwischenwandabschnitt (11) mittelbar miteinander verbunden sind und der Zwischenwandabschnitt (11) in Axialrichtung wenigstens in einem Teilbereich schräg und/oder gebogen gegenüber der Orientierung des Axialwandabschnittes (10) und des Radialwandabschnittes (12) verläuft.
  2. 2. Berstschutzvorrichtung (1) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) einstückig aus mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wandabschnitten (10,11,12) ausgebildet ist
    CH 714 609 A2
  3. 3. Berstschutzvorrichtung (1) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) zwei sich in Radialrichtung erstreckende Radialwandabschnitte (12) aufweist, zwischen denen sich der Axialwandabschnitt (10) befindet.
  4. 4. Berstschutzvorrichtung (1) gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei sich in Radialrichtung erstreckenden Radialwandabschnitte (12) jeweils mit dem Axialwandabschnitt (10) verbunden sind und die Zwischenwandabschnitte (11) bezüglich dem Axialwandabschnitt (10) unter einem Winkel a gegenüber dessen Axialerstreckung schräg und/oder gekrümmt verlaufen.
  5. 5. Berstschutzvorrichtung (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) einstückig aus einem oder mehreren Blechteilen gebildet ist.
  6. 6. Berstschutzvorrichtung (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwandabschnitte (11) als flach verlaufende Wandabschnitte ausgebildet sind, die gegenüber der Axialrichtung unter einem positiven oder negativen Winkel a zwischen 30° und 60°, bevorzugt zwischen 40° und 50° und besonders bevorzugt unter einem Winkel von 45° orientiert sind.
  7. 7. Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, mit einem Turbinengehäuse (20), das ein in dem Turbinengehäuse (20) drehbar angeordnetes Turbinenrad (21) aufweist, sowie einer Berstschutzvorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, die um das Turbinengehäuse herum angeordnet ist.
  8. 8. Gasturbomaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (20) einen spiralförmigen Gasführungskanal (22) ausbildet, der einseitig eine Abgaszuführung aufweist und die Berstschutzvorrichtung (1) den Gasführungskanal (22) zumindest teilweise umgreift.
  9. 9. Gasturbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Axialwandabschnitt (10) der Berstschutzvorrichtung (1) in Axialrichtung über einen mittleren Teilabschnitt (22m) des spiralförmigen Gasführungskanal (22) hinweg erstreckt, während die nicht von dem Axialwandabschnitt (10) überdeckten Teilabschnitte zumindest teilweise von den schräg orientierten Zwischenwandabschnitten (11) überdeckt werden.
  10. 10. Gasturbomaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Radialwandabschnitt (12) vor einem vorderen Seitenwandabschnitt (22v) und ein zweiter Radialwandabschnitt (12) hinter einem hinteren Seitenwandabschnitt (22h) des Gasführungskanals (22) angeordnet ist und der vordere und hintere Radialwandabschnitt (12) jeweils mit dem Axialwandabschnitt (10) über schräg verlaufenden oder gekrümmte Zwischenwandabschnitte (11) verbunden ist.
  11. 11. Brennkraftmaschine mit einer Gasturbomaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
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