CH715050B1 - Berstschutzvorrichtung für eine Gasturbomaschine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung (1) für eine Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, ausgebildet aus wenigstens einem Rohrabschnitt (2) eines Rohres in der Form eines Bogensegments des Rohrabschnitts (2), zur Montage um ein Turbinenradgehäuse (10) und/oder Verdichtergehäuse der Gasturbomaschine, wobei das Bogensegment des Rohrabschnitts (2) in Umfangsrichtung des Rohres betrachtet, eine Unterbrechung (U) für den Gas- oder Luftaustritt des Turbinenradgehäuses (10) oder Verdichtergehäuses aufweist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für eine Gasturbomaschine gemäß Anspruch 1. 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 42 23 496 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 196 40 654 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 auftretender Eigenfrequenzen gesenkt werden sollen.

[0013] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

[0014] Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Berstschutzvorrichtung aus einem oder mehreren in Lagen angeordneten Rohrabschnitten auszubilden, die jeweils um die Spirale der Turbine und/oder des Verdichters herum geformt ist. Erfindungsgemäß wird hierzu ein herkömmliches Rohr verwendet, aus welchem ein Rohrsegment in gewünschter Breite abgetrennt wird und an der Position für den Gasauslass bzw. Luftauslass aufgetrennt wird, so dass ein Bogensegment erhalten wird.

[0015] Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Rohrabschnitt des Rohres in der Form eines Bogensegments ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bogensegment aus dem Rohrabschnitt etwa einen 3⁄4 des Umfangs des Rohrs aufweist bzw. das Bogensegment des Rohrabschnitts einen Bogen von etwa 260° bis 280° ausbildet. Dabei ist der Rohrabschnitt zur Montage um ein Turbinenradgehäuse und/oder Verdichtergehäuses einer Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine herum so ausgestaltet, dass das Bogensegment des Rohrabschnitts in Umfangsrichtung des Rohres betrachtet, eine Unterbrechung für den Gas- oder Luftaustritt des Turbinenradgehäuse oder Verdichtergehäuses aufweist.

[0016] Besonders vorteilhaft ist es, wenn wenigstens ein Ende des Bogensegments des Rohrabschnitts einen nicht gebogenen, flach verlaufenden Abschnitt ausbildet. Hierdurch kann man den Berstschutz auch dich an den Gas- oder Luftaustritt des Turbinenradgehäuse oder Verdichtergehäuses führen.

[0017] Weiter Vorteilhaft ist eine Ausführungsform bei der am Außenmantel des Bogensegments des Rohrabschnitts ein oder mehrere Seile, vorzugsweise metallische Drahtseile entlang geführt sind und am Rohrabschnitt befestigt sind. Hierbei können z. B. zwei oder mehrere parallel verlaufenden Metallseile um den Außenmantel herum gespannt werden, so dass durch das zusätzliches Verspannen durch die Seile eine Reduzierung der Wanddicken der Rohrbauteile möglich ist, das die Seile das Risiko des Berstens des Rohrabschnitts d. h. des aus dem Rohrabschnitt gebildeten Berstschutzes reduzieren. Große Bauteile werden damit zusätzlich am radialen Austritt gehindert.

[0018] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Seile mittels Seilspannelementen am Rohrabschnitt befestigt sind, um die Spannung der Seile einstellen zu können. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Seile mittels Federelementen an dem Rohrabschnitt befestigt sind. Aufgrund solcher Federelemente können die Rohrabschnitte mit kleineren Wanddicken und ggf. geringeren Seildurchmessern ausgeführt werden, da die auftretende kinetische Energie im Berstfall durch die Federelemente besser abgebaut werden kann indem eine Art „Bremswirkung“ durch die elastische Anordnung der Seile den austretenden Bauteilen entgegen wirkt.

[0019] Ebenfalls können mit Vorteil am Bogensegment des Rohrabschnitts nach Außen vorstehende Haltemittel, vorzugweise Stege angebracht sein, an denen die Seile mittelbar oder unmittelbar befestigt sind.

[0020] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Berstschutzvorrichtung mehrteilig, vorzugsweise aus mehreren lageweise übereinander angeordneten Rohrabschnitten gebildet ist. Durch einen solchen Aufbau kann einerseits eine auf die Anwendung angepasste modulare Lösung erzeugt werden und können die einzelnen Rohre dünnere Wanddicken aufweisen.

[0021] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gasturbomaschine, insbesondere eine Gasradialturbomaschine, mit einer wie zuvor beschriebenen Berstschutzvorrichtung, die um das Turbinenradgehäuse oder Verdichtergehäuses der Gasturbomaschine herum angeordnet ist. Selbstverständlich können auch je eine Berstschutzvorrichtung um das Turbinenradgehäuse und das Verdichtergehäuses herum angeordnet sein.

[0022] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gasturbomaschine ist vorgesehen, dass das Turbinenradgehäuse und/oder das Verdichtergehäuse einen spiralförmigen Gasführungskanal ausbilden, der einseitig eine Abgaszuführung bzw. eine Luftzuführung (beim Verdichter) aufweist und die Berstschutzvorrichtung den Gasführungskanal so umgreift, dass die Unterbrechung der Berstschutzvorrichtung einen Durchtritt für die Abgaszuführung oder die Luftzuführung bereit stellt.

[0023] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer so ausgebildeten Gasturbomaschine.

[0024] 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 Figur näher dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Berstvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

[0025] Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Figur 1 näher beschrieben. In der Figuren 1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Berstschutzvorrichtung 1 in einer Montagesituation, um einen Turboladergehäuse montiert, gezeigt.

[0026] Dargestellt ist das Turbinengehäuse 10 einer Gasturbomaschine, in der sich im Betriebszustand ein (nicht dargestelltes Turbinenrad) angetrieben von einem Abgasstrom durch den spiralförmigen Gasführungskanal 11, dreht.

[0027] Die Berstschutzvorrichtung 1 ist aus einem Rohrabschnitt 2 eines Rohres in der Form eines Bogensegments des Rohrabschnitts 2 ausgebildet und in seiner Montageposition um das Turbinenradgehäuse 10 herum angeordnet, wobei das Bogensegment des Rohrabschnitts 2 in Umfangsrichtung des Rohres betrachtet, eine Unterbrechung U aufweist. Durch Verwendung von Rohmaterialien mit hoher Bruchdehnung und Kerbschlagzähigkeit erfolgt ein optimierter Energieabbau bei relativ geringen Bauteilgrößen, was Gewichts- und Kostenvorteile mit sich bringt.

[0028] Das Turbinenradgehäuse 10, das den spiralförmigen Gasführungskanal 11 ausbildet, besitzt einseitig eine Abgaszuführung 12, wobei die Berstschutzvorrichtung 1 den Gasführungskanal 11 dergestalt umgreift, dass die besagte Unterbrechung U einen Durchtritt für die Abgaszuführung 12 bereit stellt.

[0029] Weiter ist ersichtlich, dass das Bogensegment des Rohrabschnitts 2 einen Bogen von etwa 270° ausbildet und das in der Figur 1 obere Ende des Bogensegments des Rohrabschnitts 2 in seiner Verlängerung einen nicht gebogenen, flach verlaufenden Abschnitt 2a ausbildet.

[0030] Am Außenmantel 3 des Bogensegments des Rohrabschnitts 2 verlaufen zwei Seile 4, nämlich metallische Drahtseile entlang, wobei diese am Rohrabschnitt 2 jeweils endseitig befestigt sind und zwar an endseitig am Bogensegment des Rohrabschnitts 2 nach Außen vorstehenden Haltemitteln 6. Das eine Haltemittel 6 ist an dem flachen Abschnitt 2a ausgebildet. Die Haltemittel 6 sind jeweils als nach Außen hervorstehende Stege am Außenmantel 3 des Rohrabschnitts 2 angebracht und die Seile 4 sind mittelbar über Seilspannelemente 5 und Federelemente 7 daran befestigt.

[0031] Die Seilspannelemente 5 sind zwischen dem Federelement 7 und dem jeweiligen Seil 4 angeordnet, so dass sich die Spannung der Seile einstellen lässt.

[0032] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. So kann z. B. die Montagereihenfolge der Seilspannelemente 5 und Federelemente 7 auch umgekehrt sein oder können einzelne Seile ohne Federelemente nur über Spannschlösser an den Haltemitten befestigt werden.

Claims (10)

1. Berstschutzvorrichtung (1) zur Montage um ein Turbinenradgehäuse (10) und/oder Verdichtergehäuse einer Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) in der Form eines Bogensegments ausgebildet ist aus einem Rohrabschnitt oder aus mehreren in Lagen angeordneten Rohrabschnitten, welche Rohrabschnitte jeweils durch Abtrennen eines Rohrsegments von einem Rohr und Auftrennen des Rohrsegments an einer für den Gasauslass bzw. Luftauslass vorgesehenen Position erzeugt sind und derartig angeordnet sind, dass das Bogensegment in Umfangsrichtung betrachtet für die bestimmungsgemässe Verwendung der Berstschutzvorrichtung eine Unterbrechung (U) für den Gas- oder Luftaustritt des Turbinenradgehäuses(10) oder Verdichtergehäuses aufweist.

2. Berstschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bogensegment eine Umfangserstreckung zwischen 260° und 280° aufweist.

3. Berstschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ende des Bogensegments des Rohrabschnitts (2) einen in Umfangsrichtung nicht gebogenen, flach verlaufenden Abschnitt ausbildet.

4. Berstschutzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Aussenmantel (3) des Bogensegments ein oder mehrere Seile (4), vorzugsweise metallische Drahtseile entlanglaufen und daran befestigt sind.

5. Berstschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (4) mittels Seilspannelementen (5) befestigt sind, um die Spannung der Seile einstellen zu können.

6. Berstschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (4) mittels Federelementen (5) befestigt sind.

7. Berstschutzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass endseitig am Bogensegment radial nach Außen vorstehende Haltemittel (6), vorzugweise Stege angebracht sind, an denen die Seile (4) mittelbar oder unmittelbar befestigt sind.

8. Gasturbomaschine, insbesondere Gasradialturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die um das Turbinenradgehäuse (10) oder Verdichtergehäuse der Gasturbomaschine herum angeordnet ist.

9. Gasturbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenradgehäuse (10) oder Verdichtergehäuse einen spiralförmigen Gasführungskanal (11) ausbildet, der einseitig eine Abgaszuführung oder eine Luftzuführung aufweist und die Berstschutzvorrichtung (1) den Gasführungskanal (11) so umgreift, dass die Unterbrechung (U) einen Durchtritt für die Abgaszuführung oder die Luftzuführung bereit stellt.

10. Brennkraftmaschine mit einer Gasturbomaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9.